胡淑紅 王欽釗 歐陽千林 楊溢

摘要：針對研究區(qū)域江西省現(xiàn)有墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系建設(shè)中監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)密度、監(jiān)測能力不足、旱情評價體系不全、監(jiān)測信息服務(wù)平臺功能單一、運(yùn)維模式不能完全滿足現(xiàn)階段防旱抗旱需求等問題，剖析原因并提出了應(yīng)對策略：優(yōu)化墑情自動站網(wǎng)監(jiān)測體系；建設(shè)旱情監(jiān)測服務(wù)管理平臺；加強(qiáng)墑情監(jiān)測評估體系研究；優(yōu)化運(yùn)維管理。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似地區(qū)墑情監(jiān)測借鑒。

關(guān) 鍵 詞：

墑情監(jiān)測站網(wǎng)； 旱情預(yù)警評估； 運(yùn)維方式； 應(yīng)對策略

中圖法分類號： P237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.054

0 引 言

土壤墑情是作物根系層的土壤含水量狀況［1］，是反映干旱程度的重要指標(biāo)之一，土壤墑情監(jiān)測是水循環(huán)規(guī)律研究、農(nóng)牧業(yè)灌溉、水資源管理利用、防旱抗旱減災(zāi)決策的重要基礎(chǔ)工作［2］。墑情站是觀測土壤含水量變化的水文測站［3］，截至2020年底，中國共建有墑情站4 218處［4］。鑒于全球氣候環(huán)境變化，極端天氣事件發(fā)生頻次增加等因素影響［5］，中國現(xiàn)有墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系構(gòu)建已不能完全滿足極端干旱事件防御及防旱抗旱減災(zāi)決策需求。墑情站網(wǎng)布設(shè)方面，SL364-2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》規(guī)定了墑情站網(wǎng)布設(shè)原則、布設(shè)密度［6］；孫凱［7］利用聚類分析方法、Davies Bouldin index，分析研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)固定墑情監(jiān)測站的位置與數(shù)目問題；張成才等［8］在抗旱規(guī)劃的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮河南省糧食核心區(qū)以及旱災(zāi)易發(fā)區(qū)的分區(qū)布設(shè)原則；吳迪等［9］運(yùn)用 ArcGIS 技術(shù)，綜合考慮山西省地形地貌、農(nóng)業(yè)氣候、土壤類型等自然地理屬性，以及灌溉和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)、糧食主產(chǎn)區(qū)、易旱區(qū)等空間分布特點(diǎn)，提出了基于多源信息的土壤墑情站網(wǎng)規(guī)劃布設(shè)原則和方法；姜波等［10］綜合考慮農(nóng)業(yè)氣候、地形地貌、土壤類型、農(nóng)業(yè)灌溉和易旱程度等特點(diǎn)，分區(qū)規(guī)劃了吉林省墑情站網(wǎng)；黃艷艷［11］提出了遙感數(shù)據(jù)主導(dǎo)的地面固定墑情站網(wǎng)的優(yōu)化布局方法，以及考慮了遙感信息的地面墑情站網(wǎng)布設(shè)。但目前中國墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系仍存在站網(wǎng)密度不足、覆蓋不全，監(jiān)測能力不足，旱情評價體系不全等問題。鑒于此，本文選取屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)、降水豐沛但時空分布不均、干旱災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)的江西省為研究區(qū)域，分析墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系現(xiàn)狀及存在問題，研究應(yīng)對策略，為健全完善中國墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系提供參考。

1 墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系

1.1 站 網(wǎng)

目前，江西省范圍內(nèi)共建有墑情自動監(jiān)測固定站106處。其中一期68站分別于2004年建成30處、2009年建成38處（含墑情試驗(yàn)站2處），已建成投產(chǎn)十多年，部分站點(diǎn)周邊環(huán)境發(fā)生改變，墑情監(jiān)測失去代表性，部分站點(diǎn)傳感器等設(shè)備嚴(yán)重老化。2020年9月完成一期68處站點(diǎn)升級改造。二期墑情自動監(jiān)測站于2016年建成38處，2020～2022年8月底分批完成了二期站點(diǎn)改造。江西省墑情自動監(jiān)測固定站網(wǎng)分布見圖1。

2016年11月建成墑情移動人工監(jiān)測站點(diǎn)397處，未安裝固定設(shè)備，僅供臨時取土分析。

1.2 墑情監(jiān)測信息服務(wù)平臺

墑情監(jiān)測信息服務(wù)平臺主要設(shè)置“實(shí)時墑情”“墑情簡報”“查詢服務(wù)”“數(shù)據(jù)維護(hù)”四大功能，通過“實(shí)時墑情”中墑情信息、土壤相對濕度、區(qū)域旱情三大板塊，可了解各墑情站點(diǎn)具體干旱程度；可查詢各站日、月、年報表數(shù)據(jù)，為旱情分析統(tǒng)計提供支持；異常數(shù)據(jù)可報警人工維護(hù)，平臺初步實(shí)現(xiàn)墑情在線監(jiān)測，能夠有效地反映土壤旱情的分布情況及干旱程度。

1.3 2022年防旱抗旱服務(wù)情況

自8月16日起，有效運(yùn)用106處固定墑情站監(jiān)測成果，首次全面開展全省397處移動墑情站數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，完成人工墑情數(shù)據(jù)采集2 392次，細(xì)化表征了全省各區(qū)域墑情變化情況。

基于106處固定墑情站和397處移動墑情站監(jiān)測成果，江西水文根據(jù)相關(guān)氣象信息，利用土壤墑情預(yù)報模型，首創(chuàng)開展10天預(yù)報、10天預(yù)測、10天展望“三個10天”的墑情滾動預(yù)報，預(yù)警預(yù)報全省旱情演變情況。

墑情平臺提供了實(shí)時墑情監(jiān)測信息、土壤相對濕度變化分析、省市區(qū)域土壤相對濕度分布圖、墑情簡報、墑情業(yè)務(wù)報表數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計等服務(wù)支撐（見圖2）。

2 存在的主要問題

2.1 站網(wǎng)布設(shè)密度、監(jiān)測能力不足

（1） 站網(wǎng)布設(shè)密度不足。江西省位于中國地形的第三級階梯中，整體地形地貌以丘陵地貌為主，現(xiàn)有固定墑情站106處，墑情站網(wǎng)密度約為1.07站/縣、1 575 km2/站，遠(yuǎn)未達(dá)到相關(guān)最低站網(wǎng)密度布設(shè)要求。根據(jù)SL365-2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》以及SL34-2013《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》中布設(shè)最低密度要求，江西省作為國家糧食主產(chǎn)區(qū)、易旱地區(qū)，墑情站網(wǎng)最低密度要求為“一般地區(qū)2～3站/縣，國家糧食主產(chǎn)區(qū)、水資源短缺地區(qū)、易旱地區(qū)3～5站/縣”“丘陵區(qū)，單站控制耕作面積100～500 km2”。依據(jù)《全國抗旱規(guī)劃》（2011年）中布設(shè)要求，固定站按全國受旱縣每縣5處，其他縣每縣3處進(jìn)行布設(shè)。站網(wǎng)密度尚未能控制區(qū)域內(nèi)代表作物土壤含水量時空變化特征，南坡和北坡、坡上和坡下土壤含水量變化不同，無法等同于大田管理尺度平均根區(qū)土壤含水量。

（2） 監(jiān)測能力不足。江西省現(xiàn)有墑情站點(diǎn)503處，但自動化監(jiān)測未能全覆蓋，章貢區(qū)、安源區(qū)、東湖區(qū)、信州區(qū)、廬山市、九江縣等12個縣（市區(qū)）無固定自動監(jiān)測墑情站點(diǎn)。固定站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)未與遙感等大尺度監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，區(qū)域墑情數(shù)據(jù)代表性不足。移動人工監(jiān)測站點(diǎn)需采用人工鉆孔取土烘干的監(jiān)測方式，費(fèi)時費(fèi)力，時間、交通成本較高，時效性滯后。

（3） 因人類活動致使站點(diǎn)位置功能變化，部分自動監(jiān)測站點(diǎn)失去代表性。如上饒市鉛山縣湖坊站、撫州市宜黃縣棠陰站所處位置原為旱地現(xiàn)已改為水田，贛州市定南縣天九站原壤土現(xiàn)改建為停車場，墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)已無參考價值。

2.2 信息服務(wù)平臺功能單一，旱情評價體系不全

旱情監(jiān)測評估作為旱災(zāi)防御工作的重要支撐，能夠有效降低災(zāi)害損失。旱情評估的重要手段之一是干旱指標(biāo)的確定和融合。江西省目前構(gòu)建的平臺實(shí)現(xiàn)了土壤墑情在線監(jiān)測和依據(jù)土壤墑情進(jìn)行旱情評價，但平臺缺乏耕地作物分布、提灌工程等基礎(chǔ)信息；缺少與氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱、經(jīng)濟(jì)社會干旱、河流的斷流情況、水資源的儲蓄情況及水資源的風(fēng)險調(diào)度與精細(xì)管理等要素相應(yīng)的關(guān)聯(lián)；缺少結(jié)合耕地作物、提灌工程以及降水分布、地表水、地下水、氣溫等水文氣象因子進(jìn)行綜合旱情評估功能［12］；缺少針對當(dāng)前土壤干旱情況，結(jié)合未來幾天的氣候狀況對江西省的旱情進(jìn)行預(yù)警預(yù)報的功能；缺少定性量化的旱情評價指標(biāo)率定，難以形成閉合完整的旱情監(jiān)測服務(wù)體系。

2.3 總包式運(yùn)維方式不能完全滿足新時期防旱抗旱需求

目前江西省墑情站點(diǎn)運(yùn)維方式是江西省水文監(jiān)測中心總包式運(yùn)維模式，未充分發(fā)揮各流域中心的能動性。江西省水文監(jiān)測中心簽約運(yùn)維公司運(yùn)行維護(hù)基本響應(yīng)及時，但2022年特大干旱期間少數(shù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)異常報修后，受疫情影響未能及時響應(yīng)，需技術(shù)人員插補(bǔ)修正以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量與時效。

3 應(yīng)對策略

3.1 優(yōu)化墑情站網(wǎng)體系建設(shè)

（1） 增設(shè)墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)。依據(jù)《全國抗旱規(guī)劃》《江西省水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

“十四五”規(guī)劃》，按照綜合考慮江西省農(nóng)業(yè)氣候、地形地貌、土壤類型、糧食主產(chǎn)區(qū)、易旱區(qū)等因素的布設(shè)原則，統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)的全覆蓋。

一期建設(shè)遵照“每個有耕地的縣（市區(qū)）至少布設(shè)一個基本墑情站”“國家糧食主產(chǎn)區(qū)、水資源短缺地區(qū)和易旱地區(qū)最低布設(shè)密度要求”等布設(shè)原則，擬于2025年前新建固定自動監(jiān)測站2處，改造建設(shè)有代表性的88 處移動站為固定自動監(jiān)測站。建成后，填補(bǔ)12個縣市區(qū)無自動墑情站點(diǎn)空白，自動監(jiān)測站點(diǎn)將達(dá)到196處，基本符合一般地區(qū)2～3站/縣的要求，全省布設(shè)密度為852 km2/站。

二期建設(shè)按照江西省糧食主產(chǎn)區(qū)分布在36個縣（市區(qū)），水資源短缺地區(qū)5個縣區(qū)（萍鄉(xiāng)市所屬縣區(qū)）［13］，易旱地區(qū)有35個縣（市區(qū)），其中重復(fù)20個縣（市區(qū)），結(jié)合“國家糧食主產(chǎn)區(qū)、水資源短缺地區(qū)和易旱地區(qū)最低布設(shè)密度要求3～5站/縣”的布設(shè)原則，及利用聚類分析方法、Davies Bouldin 指標(biāo)準(zhǔn)則［14］，該區(qū)域擬增設(shè)2站/縣，共112處固定自動墑情站，該區(qū)域站點(diǎn)增設(shè)后基本符合《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》最低布設(shè)要求，站點(diǎn)數(shù)量能實(shí)現(xiàn)最大程度的真實(shí)刻畫出臨近最廣區(qū)域的墑情狀況［7］，全省布設(shè)密度為 542 km2/站。

（2） 配置人工便攜式自動墑情監(jiān)測（移動自動墑情監(jiān)測）設(shè)備。按照GB/T 28418－2012《土壤水分（墑情）監(jiān)測儀器基本技術(shù)條件》等有關(guān)要求，購置移動自動墑情監(jiān)測設(shè)備18套，每套含墑情監(jiān)測儀器、通信設(shè)備和接收設(shè)備3部分［15］，設(shè)備均按土壤水分傳感器、藍(lán)牙采集儀、手持終端PDA、采集APP軟件、取土鉆、便攜式設(shè)備箱等設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)配置。

（3） 遷移失去代表性的自動監(jiān)測站點(diǎn)。依據(jù)站點(diǎn)遷移原則，遷移站點(diǎn)選擇地塊應(yīng)為代表性耕作地塊，宜選取地形較為平坦區(qū)域，首選附近布設(shè)的移動墑情站點(diǎn)，移動站點(diǎn)不符合設(shè)站要求時，在附近地塊再綜合考慮土壤質(zhì)地、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、地形地貌和水文地質(zhì)等代表性條件，另選適宜地塊。

3.2 建設(shè)旱情監(jiān)測預(yù)警服務(wù)管理平臺

全球氣候變化背景下，干旱發(fā)生頻率及旱災(zāi)損失程度呈顯著增強(qiáng)的趨勢［16-17］，建設(shè)“江西省旱情監(jiān)測預(yù)警服務(wù)管理平臺”是補(bǔ)齊旱情監(jiān)測預(yù)警服務(wù)信息化短板［18-19］的具體行動。

（1） 平臺功能。平臺擬基于氣象、水文、墑情、遙感等多元信息，利用現(xiàn)代化監(jiān)測信息技術(shù)手段，通過防旱抗旱系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、水文氣象數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、遙測信息數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫設(shè)計開發(fā)，系統(tǒng)功能界面設(shè)計，實(shí)現(xiàn)水文干旱、氣象干旱、遙感旱情監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)旱情信息報送、查詢、分析、統(tǒng)計、管理及預(yù)警預(yù)測評估等功能，提高干旱信息的質(zhì)量與時效，提供自動化、對象化、定制化、標(biāo)準(zhǔn)化的旱情產(chǎn)品服務(wù)。平臺總體架構(gòu)見圖3。

（2） 旱情評估系統(tǒng)。鑒于墑情只是單一要素，氣象干旱與實(shí)際旱情不相符等狀況，旱情評估系統(tǒng)應(yīng)融合多源數(shù)據(jù)，如氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱、經(jīng)濟(jì)社會干旱和地表河流的斷流、地下水情況及土壤、作物、灌溉等下墊面條件，構(gòu)建面向不同區(qū)域、不同對象、不同時期的閉合的智能化多維度旱情監(jiān)測預(yù)警評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合旱情等不同指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的對比分析，編繪省、市級旱情監(jiān)測一張圖［20］、旱情預(yù)警評估一張圖［21］，為江西省防旱抗旱決策提供科學(xué)參考。

3.3 加強(qiáng)墑情監(jiān)測評估體系研究

墑情站網(wǎng)建設(shè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水利建設(shè)中的基礎(chǔ)性工作，受國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和布局的影響很大，站網(wǎng)建設(shè)、監(jiān)測技術(shù)、旱情評估等方面長期的科學(xué)研究實(shí)踐很有必要。

（1） 頂層設(shè)計墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)。以“整體布局、優(yōu)化站網(wǎng)、需求牽引、急用先行”為原則，按照相關(guān)布設(shè)密度要求，根據(jù)氣候類型、地形地貌、土壤類型、作物種類、糧食主產(chǎn)區(qū)、易旱區(qū)等影響因素，選擇有代表性的區(qū)域，布設(shè)墑情站點(diǎn)。

（2） 提升墑情監(jiān)測能力。充分運(yùn)用現(xiàn)代監(jiān)測手段，從現(xiàn)階段定點(diǎn)觀測為主向空間大尺度采集技術(shù)手段發(fā)展。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實(shí)時性強(qiáng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用性好等特性［22］，綜合多源遙感的監(jiān)測已成為重要發(fā)展趨勢，尤以微波遙感和光學(xué)遙感的結(jié)合應(yīng)用較多［23-24］，有效融合定點(diǎn)觀測、遙感觀測等數(shù)據(jù)源，提高區(qū)域墑情數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、及時性、代表性。

（3） 墑情預(yù)警預(yù)報研究。墑情預(yù)警預(yù)報是農(nóng)田用水和區(qū)域水資源管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，墑情預(yù)警預(yù)報主要是田間土壤含水率的預(yù)警預(yù)報?；诂F(xiàn)有墑情站點(diǎn)數(shù)據(jù)，融合地球資源衛(wèi)星（ERS）數(shù)據(jù)、3S數(shù)據(jù)、數(shù)字等高模型（DEM）數(shù)據(jù)［25-26］等，利用水量平衡、統(tǒng)計算法、關(guān)聯(lián)分析等方法，剖析墑情變化特點(diǎn)和規(guī)律，構(gòu)建土壤墑情預(yù)警預(yù)報模型及系統(tǒng)平臺［27］，獲取土壤墑情短、中、長期預(yù)報成果。

（4） 構(gòu)建旱情評估體系。四大干旱及地下水干旱、生態(tài)干旱［28-29］的旱情監(jiān)測指標(biāo)多達(dá)百種［30］，存在干旱監(jiān)測指標(biāo)不確定性、尺度效應(yīng)和旱情等級劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致性；評估方法也包含概率統(tǒng)計、模糊綜合評估、風(fēng)險評估［31］等各類方法?；诟珊稻W(wǎng)格分區(qū)，定點(diǎn)觀測（墑情、水位、降雨等）與大尺度觀測（微波遙感）多源數(shù)據(jù)融合，以“監(jiān)測數(shù)據(jù)-分析評估-預(yù)警預(yù)報-決策應(yīng)用”為主線，由單指標(biāo)向多指標(biāo)，單變量向多變量發(fā)展，構(gòu)建指標(biāo)體系［32-33］，評估不同干旱指標(biāo)的適用性［34］，研探旱情監(jiān)測指標(biāo)閾值率定技術(shù)［35］，量化預(yù)警評估指標(biāo)，逐步構(gòu)建面向農(nóng)業(yè)、林地、草地、生態(tài)的旱情綜合監(jiān)測評估體系，植入江西省旱情監(jiān)測服務(wù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)旱情風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警評估。

3.4 優(yōu)化運(yùn)維管理

（1） 調(diào)整運(yùn)維模式。充分發(fā)揮各流域中心、監(jiān)測大隊的能動性，采用年度運(yùn)維資金下達(dá)各流域中心，實(shí)行各流域中心屬地墑情站點(diǎn)的運(yùn)維管理模式，便于就近管理，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

（2） 落實(shí)運(yùn)維責(zé)任。① 明確流域中心轄區(qū)內(nèi)站點(diǎn)運(yùn)維責(zé)任。加大屬地站點(diǎn)巡查力度，摸清墑情監(jiān)測設(shè)施設(shè)備及周圍環(huán)境現(xiàn)狀、存在問題，及時運(yùn)維。② 強(qiáng)化運(yùn)維公司履約責(zé)任。加強(qiáng)運(yùn)維公司履約行為約束，及時解決墑情監(jiān)測設(shè)施設(shè)備存在問題。③ 省中心加強(qiáng)運(yùn)維監(jiān)管督導(dǎo)考核。定期或不定期現(xiàn)場巡檢和查勘，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案，督促整改；制定不同旱情條件下墑情站點(diǎn)運(yùn)維原則，開展墑情站點(diǎn)運(yùn)維及監(jiān)測情況通報，并納入年度考核內(nèi)容。

4 結(jié) 論

本文以江西省為例，系統(tǒng)分析了濕潤地區(qū)墑情站網(wǎng)現(xiàn)狀，解析存在問題，研究應(yīng)對策略，提出現(xiàn)代化墑情監(jiān)測體系構(gòu)建、墑情預(yù)警預(yù)報、干旱評估體系、運(yùn)維模式等問題解決的技術(shù)方法，得出以下結(jié)論。

（1） 墑情站網(wǎng)布設(shè)應(yīng)綜合全球氣候變化導(dǎo)致的干旱頻次、干旱程度呈上升趨勢的需求，及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展布局影響要求，頂層設(shè)計“一區(qū)一策”的站網(wǎng)建設(shè)，滿足旱情監(jiān)測預(yù)警評估要求。

（2） 墑情監(jiān)測要運(yùn)用遙感等高新技術(shù)，提升墑情大尺度監(jiān)測能力，融合多元數(shù)據(jù)，從定點(diǎn)監(jiān)測向區(qū)域監(jiān)測發(fā)展，提高墑情數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、時效性及代表性。

（3） 分析濕潤地區(qū)墑情變化規(guī)律及墑情與其他干旱指標(biāo)耦合關(guān)系，研探墑情預(yù)警預(yù)報模型及方法；構(gòu)建適用干旱指標(biāo)體系，分析應(yīng)用具有普適性、能廣泛應(yīng)用的指標(biāo)，如SPI、旱警水位、土壤含水量等量化指標(biāo)，率定指標(biāo)閾值，完善構(gòu)建旱情評估體系；建設(shè)智能化旱情監(jiān)測預(yù)警服務(wù)管理平臺；實(shí)現(xiàn)旱情風(fēng)險預(yù)警評估。

（4） 墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量與時效是構(gòu)建墑情監(jiān)測站網(wǎng)體系的關(guān)鍵，需因地制宜采用運(yùn)維模式，明晰落實(shí)運(yùn)維責(zé)任。

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（編輯：黃文晉）