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        基于不同干旱分區(qū)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站精度改進(jìn)探究

        2020-06-02 00:25:28
        水利技術(shù)監(jiān)督 2020年3期

        張 敏

        (法庫(kù)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心,遼寧 沈陽(yáng) 110400)

        近些年來,土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用,其技術(shù)的發(fā)展對(duì)于區(qū)域旱情的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警十分重要[1]。但是由于土壤含水量影響因素較多,使得土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度一直不高,很難在區(qū)域?qū)嶋H旱情監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用和推廣[2]。為提高土壤自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)的精度,許多學(xué)者展開其誤差修正的探討[3- 9],通過建立土壤自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工測(cè)定的土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,基于回歸方程對(duì)墑情進(jìn)行修正和改進(jìn),被許多旱情研究的學(xué)者認(rèn)為是當(dāng)前行之有效的方法,并在一些地區(qū)得到應(yīng)用[10- 15],但是該方法在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用,遼寧省屬于全國(guó)典型的干旱區(qū)域,旱情對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)影響程度較大,為此需要建立精度較高的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法,提高區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性。為此本文主要以遼寧地區(qū)為研究實(shí)例,對(duì)遼寧省不同干旱分區(qū)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站精度改進(jìn)對(duì)策進(jìn)行分析,研究成果可為遼寧省自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)提供重要的誤差修正方法。

        1 土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正方法

        應(yīng)用最小二乘法對(duì)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸修正,建立的回歸方程主要表達(dá)式為:

        θv=av2+bv+c

        (1)

        式中,θv—土壤墑情監(jiān)測(cè)值,%;v—傳感器輸出電壓,V;a,b,c—回歸方程的變量系數(shù)。

        在進(jìn)行數(shù)據(jù)修正后,通過對(duì)比人工測(cè)定土壤含水率數(shù)據(jù),分析修正誤差,從而分析其修正后的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度,當(dāng)誤差絕對(duì)值小于5%,符合測(cè)定要求,誤差計(jì)算方程為:

        (2)

        式中,xi—土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的含水率,%;ai—人工測(cè)定的土壤含水率,%;N—對(duì)比試驗(yàn)的次數(shù)。

        2 實(shí)例應(yīng)用

        2.1 遼寧省干旱概況

        遼寧省干旱主要分為3個(gè)分區(qū),分別為遼寧西部、遼寧中部以及遼寧南部地區(qū),遼寧西部地區(qū)年降水量在400~600mm之間屬于水資源相對(duì)貧乏的區(qū)域,農(nóng)作物產(chǎn)量相對(duì)較低,一般較易發(fā)生春旱,農(nóng)作物正常需水量維持在300~450mm之間。遼寧中部屬于平原地區(qū),年降水量在500~650mm之間,由于地勢(shì)較為平坦,因此其土壤較為肥沃,地下水量補(bǔ)給也較為充足。該區(qū)域?yàn)檫|寧省的主要糧食產(chǎn)區(qū),也是城市工業(yè)集聚地,用水量較為緊張,一旦出現(xiàn)旱情,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失程度較大。遼寧南部較易出現(xiàn)干旱的主要為大連區(qū)域,位于遼東半島的南部,年降水量在550~750mm之間,年降水量較為充沛,但徑流深一般在150~250mm之間,水資源量較為緊張,而大連作為遼寧南部沿海重要的工業(yè)型大城市,其農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及城市生活用水矛盾日益突出,一旦發(fā)生干旱,對(duì)于大連區(qū)域影響也較為明顯。

        2.2 相關(guān)性分析

        結(jié)合3個(gè)分區(qū)典型干旱監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析各數(shù)據(jù)類型,結(jié)果見表1—3。

        從表1中可看出,不同深度下的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性總體低于0.5,隨著深度的增加,其相關(guān)系數(shù)有所增加,表中20cm自動(dòng)B以及30cm自動(dòng)B為采用日均值處理后的土壤自動(dòng)墑情觀測(cè)值與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果,從表1中可以看出,通過日均值處理后,其相關(guān)系數(shù)相比于處理前有所增加,這是因?yàn)椴捎萌站堤幚砗?,其誤差得到一定程度的均化,使得其相關(guān)系數(shù)有所增加。表2為遼寧中部地區(qū)土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)墑情與人工土壤含水量的相關(guān)性分析結(jié)果,相比于遼寧西部地區(qū),其相關(guān)系數(shù)有所減小,這主要是因?yàn)檫|寧中部地區(qū)土壤含水量變化影響因素較多,因此其相關(guān)系數(shù)有所減小。而對(duì)于遼寧南部地區(qū)而言,其相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步降低,這是因?yàn)檫|寧南部受氣候變化影響較大,干旱發(fā)生程度有時(shí)高于遼寧西部及中部地區(qū),土壤含水量影響因素更為復(fù)雜,使得其相關(guān)系數(shù)相比于其他2個(gè)地區(qū)更有所減少。

        2.3 自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        結(jié)合墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)各干旱分區(qū)其與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4—6,并對(duì)其誤差直方分布進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示。

        表1 遼寧西部地區(qū)自動(dòng)土壤含水率與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

        表2 遼寧中部地區(qū)自動(dòng)土壤含水率與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

        表3 遼寧南部地區(qū)自動(dòng)土壤含水率與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

        表4 遼寧西部地區(qū)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位:%

        表5 遼寧中部地區(qū)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位:%

        表6 遼寧南部地區(qū)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位:%

        圖1 各干旱分布不同土壤深度下的誤差直方分布結(jié)果

        從誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出,20、30cm深度下自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差均在20%以上,且各干旱誤差最大值在33.08%~84.71%之間,最低值在-24.60%~-47.36%之間,可見各干旱分區(qū)不同深度下的誤差均較大,且不能有效滿足土壤墑情監(jiān)測(cè)的規(guī)范要求。分析其誤差來源,主要受到土壤不同深度含水量的變化影響,在深度20和30cm處的土壤含水量縱向及側(cè)向變化較大,使得其土壤含水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)難度較大,此外土壤自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)頻數(shù)及頻率對(duì)誤差均值影響也較大。從遼寧西部地區(qū)誤差直方分布結(jié)果可看出,當(dāng)頻數(shù)為25,概率為0.3時(shí)20cm深度下誤差直方最小,30cm深度下頻數(shù)為28,概率為0.45時(shí)誤差直方最小。而對(duì)于遼寧中部地區(qū),當(dāng)頻數(shù)為18,概率為0.3時(shí)20cm深度下誤差直方最小,30cm深度下頻數(shù)為22,概率為0.50時(shí)誤差直方最小。在遼寧南部地區(qū),當(dāng)頻數(shù)為15,概率為0.5時(shí)20、30cm深度下誤差直方均最小。

        2.4 誤差修定曲線

        結(jié)合各干旱分布典型土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立不同分區(qū)各干旱深度下的回歸方程,見表7,并制定不同分區(qū)的誤差修訂曲線,結(jié)果如圖2所示。

        表7 各干旱分區(qū)誤差修訂回歸方程

        圖2 各干旱分區(qū)自動(dòng)土壤墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差修訂曲線

        表7為通過回歸分析得到的各干旱分區(qū)不同土壤深度下的土壤自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的回歸方程,為對(duì)各回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn),繪制了各干旱分區(qū)的誤差修訂曲線。從圖2中可以看出,采用回歸方程對(duì)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后,各深度下自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)和人工測(cè)定數(shù)據(jù)之間的吻合度均較好。通過前面的誤差分析可以看出,自動(dòng)墑情誤差較大的原因主要為各時(shí)間段測(cè)定誤差及儀器的頻數(shù)設(shè)置的誤差,通過建立回歸方程,可以對(duì)土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差部分消除,提高自動(dòng)墑情測(cè)定的精度,且結(jié)合各分區(qū)不同深度下的誤差修訂曲線,可以對(duì)區(qū)域內(nèi)其他墑情站點(diǎn)進(jìn)行誤差消除,提高其自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)精度,從精度評(píng)定結(jié)果可看出,相比于修正前,采用誤差修訂曲線進(jìn)行修正后,土壤自動(dòng)墑情站點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度提高15%~30%,基本可滿足墑情監(jiān)測(cè)的精度要求。

        2.5 誤差修正方程對(duì)比

        結(jié)合不同回歸方程對(duì)各自動(dòng)墑情類型下的誤差精度進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表8—10。其中,BZC為標(biāo)準(zhǔn)差,MAX為最大誤差,MIN為最小誤差,JDWC為絕對(duì)誤差。

        從不同回歸方程的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果均可看出,隨著回歸次數(shù)的增加,不同類別的誤差均有所減小,這主要是因?yàn)榛貧w次數(shù)的增加,使得各類誤差得到一定程度的均化,但是回歸次數(shù)的不斷增加,也不能完全提高自動(dòng)墑情的誤差測(cè)定精度。從分析結(jié)果可看出,對(duì)于遼寧省各干旱分區(qū)而言,采用一元三次回歸方程進(jìn)行誤差修正后,其精度可得到有效提高,可滿足旱情監(jiān)測(cè)的精度規(guī)范需求。因此建議在各干旱分區(qū),隨著自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)系列的不斷增加,逐步采用一元三次回歸方程進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的修正,提高各區(qū)域墑情監(jiān)測(cè)的精度。

        3 結(jié)論

        (1)在土壤墑情站點(diǎn)建立的初期,由于墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少,很難構(gòu)建誤差修正方程,建議可采用日均值的方式,對(duì)不同深度下的土壤墑情進(jìn)行誤差修正。

        表8 遼寧西部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位:%

        表9 遼寧中部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位:%

        表10 遼寧南部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位:%

        (2)由于建立回歸方程需要的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及人工觀測(cè)數(shù)據(jù)較多,因此可以通過相鄰?fù)寥雷詣?dòng)墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元數(shù)據(jù)差分,構(gòu)建自回歸方程。

        (3)遼寧西部地區(qū)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)頻數(shù)應(yīng)調(diào)節(jié)在25~28之間,遼寧中部地區(qū)應(yīng)在18~22之間,遼寧南部地區(qū)應(yīng)在15~18之間。

        (4)本文未對(duì)影響土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度主要影響因子進(jìn)行分析,在以后研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其主要影響因子,從而更有效降低墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)誤差。

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