彭 濤 時(shí) 偉 張鳳旺

日照市土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐

彭 濤1時(shí) 偉1張鳳旺2

一、引言

近年來，隨著極端、異常天氣事件的突發(fā)、頻發(fā)，山東省日照市干旱形勢(shì)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，呈現(xiàn)的特點(diǎn)是發(fā)生頻度增加、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成的危害不斷擴(kuò)大。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，1949～1990年42年間，干旱年份20年，出現(xiàn)頻次47.6%；1991～2014年24年間，干旱年份占16年，出現(xiàn)頻次達(dá)66%，尤其是2010年以來，干旱災(zāi)害每年發(fā)生，影響程度均較為嚴(yán)重。

為積極應(yīng)對(duì)旱情和最大限度減少干旱災(zāi)害造成的損失，及時(shí)為各級(jí)防汛抗旱指揮部門指揮抗旱工作提供科學(xué)依據(jù)，日照市水利局決定在農(nóng)作物種植重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和掌握重點(diǎn)地塊土壤墑情變化情況和農(nóng)業(yè)抗旱工作成效。

二、環(huán)境概況

1.地理概貌

日照市屬魯東丘陵地帶，其中丘陵占38.7%，平原占22.7%，山地占總面積的35.8%。全市土壤分為棕壤、褐土、潮土、水稻土、砂姜黑土、鹽土、風(fēng)砂土7個(gè)土類，總面積630.5萬畝，占全市總面積的79.2%。以棕壤土面積最大，共有495.3萬畝，占全市可利用土地面積的78.6%，占全市總面積的62.2%。

2.氣象水文

日照市屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，冷熱季、干濕季差別明顯。春季干旱少雨，回暖遲；夏季濕重，無酷熱，雨水集中易成澇；秋季涼爽，晚秋旱；冬季干燥，無嚴(yán)寒，雨雪少。形成了春旱、夏澇、晚秋又旱，旱澇不均的氣候特點(diǎn)。

全市多年平均氣溫12.6℃，東部沿海高，北及西北部低，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-18.9℃。多年平均無霜期226天左右，多年平均日照時(shí)數(shù)2530h，多年平均相對(duì)濕度72%。全年除夏季外，多為北風(fēng)或偏北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)，多年平均最大風(fēng)速11.0m/s。水汽來源主要是西太平洋低緯度暖濕氣團(tuán)的侵入和臺(tái)風(fēng)、臺(tái)風(fēng)倒槽及東風(fēng)波輸送的大量水汽。

據(jù)1960～2010年降水資料分析，全市多年平均降水量為817.6mm。受大氣環(huán)流和地形等因素影響，降水的時(shí)空分布差異很大，總的分布趨勢(shì)是自東南向西北遞減，雨量中心位于日照水庫附近。多年平均降水量從東南沿海的873.8mm，降至西北部?jī)?nèi)陸山區(qū)的723.6mm。年內(nèi)降水多集中于汛期（6～9月），占全年降水總量的72.7%。

三、土壤墑情監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)

在充分利用現(xiàn)有先進(jìn)的成熟技術(shù)和已有成果資源的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)墑情信息自動(dòng)采集、傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為日照市的抗旱測(cè)報(bào)工作提供及時(shí)、準(zhǔn)確的土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開發(fā)墑情監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用軟件系統(tǒng)，整合現(xiàn)有雨量遙測(cè)、山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的降雨、水情、工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。并將查詢、分析的結(jié)果以點(diǎn)分布圖、等值線、面分布圖、統(tǒng)計(jì)圖表、過程線等方式生動(dòng)直觀地顯示出現(xiàn)，為各級(jí)防汛抗旱指揮機(jī)構(gòu)決策和指導(dǎo)抗旱救災(zāi)提供依據(jù)。

日照市土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)主要由固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)信息傳輸和輔助系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)中心接收處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站

日照市土壤墑情信息采集采用固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站。信息采集的過程包括墑情信息監(jiān)測(cè)、記錄和存儲(chǔ)，主要設(shè)備包括傳感器、數(shù)據(jù)線、存儲(chǔ)器等。固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站安裝地選擇在所監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)具有代表性的地點(diǎn)。如果所選監(jiān)測(cè)區(qū)域面積較大，為了能較全面和直觀地反映區(qū)域內(nèi)土壤墑情的狀況，一般要建立多個(gè)固定式墑情監(jiān)測(cè)站。固定式墑情站利用墑情信息采集傳感器和中心站數(shù)據(jù)接收監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳送，采用的傳感器為土壤水分空間分布快速測(cè)試儀。每天按照設(shè)定時(shí)間采集四次20cm、40cm兩個(gè)不同深度的土壤含水量，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到日照市水利局中心站，每天的信息采集次數(shù)和采集時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行設(shè)定。監(jiān)測(cè)站采用太陽能、蓄電池供電，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可以長(zhǎng)期在無人值守的狀態(tài)下自動(dòng)工作。

圖1 日照市土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)圖

固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站的布設(shè)，主要是根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）中關(guān)于墑情站點(diǎn)選擇密度的有關(guān)規(guī)定，按照日照市的行政區(qū)劃和單站所能控制的耕地面積相結(jié)合的方式來選擇，同時(shí)還適當(dāng)考慮監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)區(qū)域內(nèi)地貌、土壤、氣象和種植作物分布情況，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置的選擇具有區(qū)域土壤特性和農(nóng)作物類型的代表性。該系統(tǒng)在日照市所屬6個(gè)區(qū)縣共建設(shè)了25個(gè)土壤墑情信息監(jiān)測(cè)站。

固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站建設(shè)效果如圖2所示。設(shè)備采用雙桿支架，太陽能電池板固定在外部，遙測(cè)終端機(jī)和太陽能充電控制器置于設(shè)備箱內(nèi)，并做好防水防塵處理，傳感器電源和信號(hào)連接線通過PVC保護(hù)套管埋入土壤中，在頂端安裝避雷器。

2.墑情監(jiān)測(cè)信息傳輸和輔助系統(tǒng)

墑情監(jiān)測(cè)信息的傳輸系統(tǒng)主要用于信息傳輸和控制，并通過通信傳輸設(shè)備和通信信道完成數(shù)據(jù)的傳遞，主要設(shè)備包括遙測(cè)終端設(shè)備（RTU）、通信模塊、電源和天線等。墑情信息接收處理系統(tǒng)，主要為完成監(jiān)測(cè)站點(diǎn)墑情信息的接收存儲(chǔ)、信息處理和信息分析服務(wù)等內(nèi)容，主要配置有墑情監(jiān)測(cè)信息接收軟件、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)庫軟件、監(jiān)視管理軟件和信息分析服務(wù)軟件等。相關(guān)的輔助設(shè)備設(shè)施主要包括免維護(hù)蓄電池、太陽能板、水泥圍欄、避雷設(shè)備、水泥立桿、儀器設(shè)備箱等。

圖2 固定式土壤墑情監(jiān)測(cè)站建設(shè)效果圖

3.墑情信息接收系統(tǒng)

在項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施過程中設(shè)計(jì)開發(fā)了“日照市土壤墑情信息查詢系統(tǒng)”，方便客戶遠(yuǎn)程查詢?cè)O(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過登錄“查詢系統(tǒng)”可以以圖表形式查詢實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可以表格形式保存于本地電腦。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：設(shè)備當(dāng)前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、20cm處含水率、40cm處含水率等，以及對(duì)于特定時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（如當(dāng)天最低值、最高值、平均值等）。

歷史數(shù)據(jù)：根據(jù)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，查詢時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以刪除數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)到本地。

歷史曲線：查看各個(gè)墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)有關(guān)監(jiān)測(cè)通道監(jiān)測(cè)值的曲線圖，可以直觀了解監(jiān)測(cè)值的變化走勢(shì)。

建立各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)檔案，包括墑情監(jiān)測(cè)站代碼、站址、行政區(qū)劃碼、經(jīng)度、緯度、管理單位名稱、設(shè)站時(shí)間、墑情觀測(cè)項(xiàng)目情況介紹等，并可對(duì)基本信息進(jìn)行完善或更改。

四、土壤墑情率定

1.率定的主要任務(wù)

由于受傳感器設(shè)備精度及固定墑情監(jiān)測(cè)站邊界條件影響，土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與農(nóng)田土壤墑情的實(shí)際狀況存在不可避免的誤差，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）和《農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T1782-2009）要求，在土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建成后又專門對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度進(jìn)行率定，組織實(shí)施了日照市土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定項(xiàng)目。

2.率定的主要技術(shù)要求

通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定與自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)分析，測(cè)定存在的誤差值和誤差范圍。

土壤墑情監(jiān)測(cè)站墑情信息率定，利用取土烘干法進(jìn)行監(jiān)測(cè)站土壤墑情信息的對(duì)比率定，率定時(shí)間選擇在了3～11月份，結(jié)合墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的施工進(jìn)度，墑情監(jiān)測(cè)站聯(lián)網(wǎng)傳輸相對(duì)穩(wěn)定的墑情信息后開始標(biāo)定。

若誤差值超過《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）和《農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T1782-2009）要求，則要建立實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，并確定對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)修正系數(shù)。

3.推定監(jiān)測(cè)站墑情與對(duì)應(yīng)大田墑情的關(guān)聯(lián)系數(shù)

分別在監(jiān)測(cè)站和對(duì)應(yīng)農(nóng)田取樣測(cè)定土壤墑情，通過測(cè)定的墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析推定監(jiān)測(cè)站墑情觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)農(nóng)田墑情的相關(guān)系數(shù)。

每月10日、25日作為常規(guī)測(cè)次取樣測(cè)定土壤墑情；取樣日遇到降雨時(shí)，增加取樣檢測(cè)次數(shù)，當(dāng)日降雨量小于25mm，雨后3天取樣測(cè)定墑情；當(dāng)日降雨量大于25mm，雨后5天取樣測(cè)定墑情；取樣日前后遇連續(xù)降雨則取樣時(shí)間向后順延，時(shí)間選擇暫定的3～11月份。

五、結(jié)束語

日照市土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)成功運(yùn)行以來，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄土壤墑情信息，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整性好，能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控土壤墑情信息，在可靠性和實(shí)用性上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用進(jìn)一步完善了日照市土壤墑情監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，對(duì)于防止日照市農(nóng)業(yè)旱情的延續(xù)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)和進(jìn)行適時(shí)適量灌溉具有重要的作用。同時(shí)，實(shí)施日照市土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定項(xiàng)目，測(cè)定了土壤墑情監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與農(nóng)田土壤墑情的實(shí)際狀況之間的誤差，通過對(duì)墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析修正，修正了土壤墑情監(jiān)測(cè)站測(cè)定數(shù)值與對(duì)應(yīng)大田作物墑情之間的相關(guān)系數(shù)，使測(cè)量的墑情數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性大大提高，對(duì)于類似系統(tǒng)的建設(shè)有著很好的借鑒意義

（作者單位：1.山東省日照市水利局276826 2.山東省日照市計(jì)量測(cè)試所276826）