自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及維護(hù)

孔慶偉

摘要 本文介紹了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的工作原理、組成，安裝要點(diǎn)、日常應(yīng)用和維護(hù)注意事項(xiàng)，通過(guò)分析常見(jiàn)故障，提出了相應(yīng)的解決辦法，以期更好地為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞 土壤水分；自動(dòng)觀測(cè)儀；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；傳感器；故障

中圖分類號(hào) S237；S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）19-0208-01

隨著“智慧氣象”口號(hào)的提出，氣象為農(nóng)服務(wù)精細(xì)化程度越來(lái)越高，周口市作為產(chǎn)糧大市，對(duì)氣象防災(zāi)減災(zāi)能力提出了更高的要求。自動(dòng)化土壤水分觀測(cè)儀的出現(xiàn)為周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和干旱監(jiān)測(cè)提供了很大的幫助。土壤水分觀測(cè)是生態(tài)環(huán)境、水文環(huán)境、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，了解、掌握土壤水分變化規(guī)律對(duì)干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)服務(wù)具有重要的意義[1]。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的使用不僅縮短了測(cè)定時(shí)間、減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，而且實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)土壤水分的連續(xù)觀測(cè)，適應(yīng)當(dāng)前智慧氣象發(fā)展的需要，從而取代了傳統(tǒng)的烘干稱重法。目前，周口市統(tǒng)一安裝、使用的DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀是利用頻域反射法（frequancy domain reflection，F(xiàn)DR）原理，根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)中的頻率變化，計(jì)算土壤含水量。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀具有儀器安裝簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)精度高、不破壞土層結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，對(duì)林業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)研究具有重要意義。

1 工作原理

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀主要利用電容土壤水分傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)土壤含水量的探測(cè)。電容土壤水分傳感器內(nèi)有一由2個(gè)銅環(huán)組成的單桿多節(jié)式傳感器，傳感器外部包套著PVC管以防止水或其他流體的干擾，進(jìn)而影響土壤含水量的監(jiān)測(cè)[2]。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀利用LC振蕩電路原理，描述振蕩頻率收到電容（C）、電感（L）變化的影響。由于采用固定的電感值，因而電容的改變決定頻率的變化，2個(gè)銅環(huán)之間、套管及套管外的土壤部分會(huì)影響電容的變化。電容值的改變會(huì)引起 LC 振蕩器振蕩頻率變化，之后傳感器把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、土壤相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)換、修正，最后得出土壤水分含量[3]。

2 儀器組成及安裝要點(diǎn)

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀主要組成部分包括傳感器、采集器、無(wú)線通信模塊、供電模塊（蓄電池、太陽(yáng)能電池板）等。其安裝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：要嚴(yán)格按照規(guī)范選址，應(yīng)選擇在地下水位常年>2 m的地方，切勿安裝在地勢(shì)低洼的地方；護(hù)管口應(yīng)高出地面30 cm，不能太貼近地面；傳感器距離采集箱的距離應(yīng)>1 m，同時(shí)儀器距離觀測(cè)場(chǎng)邊緣護(hù)欄>1 m。

3 日常應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)氣象情報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)中的應(yīng)用

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在農(nóng)業(yè)氣象情報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)中的應(yīng)用主要為農(nóng)業(yè)氣象周報(bào)、月報(bào)以及每旬6日的加測(cè)土壤水分監(jiān)測(cè)公報(bào)。

3.2 在專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用主要包括制作夏收夏種、秋收秋種、春耕春播、抗旱等專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)資料。利用土壤水分觀測(cè)的實(shí)時(shí)資料制作專題決策服務(wù)材料，為政府部門及時(shí)了解旱情的發(fā)展提供重要的參考信息。

3.3 在重大天氣過(guò)程影響評(píng)估中的應(yīng)用

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在重大天氣過(guò)程影響評(píng)估中的應(yīng)用主要為制作墑情變化對(duì)比分布圖。通過(guò)制作、分析降水前后墑情變化對(duì)比分布圖，在發(fā)生旱情時(shí)為決策部門、農(nóng)業(yè)人員提供服務(wù)。此外，利用自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料進(jìn)行降水入滲深度的實(shí)時(shí)分析，通過(guò)多層逐時(shí)曲線圖可以了解降水入滲深度的變化情況。

3.4 在決策服務(wù)中的應(yīng)用

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在決策服務(wù)中的應(yīng)用主要是利用觀測(cè)資料實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)制作臨時(shí)性的決策服務(wù)材料。例如，在重大氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)和重要的農(nóng)事活動(dòng)期間，政府部門需要了解作物當(dāng)前的墑情情況，此時(shí)則需利用自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料制作出墑情分布圖，以供決策服務(wù)參考。

3.5 在精細(xì)化農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在精細(xì)化農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用主要包括灌溉、播種、收獲、機(jī)耕氣象等級(jí)預(yù)報(bào)等。

4 日常維護(hù)

結(jié)合近年來(lái)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀運(yùn)行情況，總結(jié)日常維護(hù)中注意事項(xiàng)，具體如下：每天定時(shí)查看技術(shù)裝備監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，檢查設(shè)備是否正常運(yùn)行；設(shè)備維護(hù)人員每周至少到現(xiàn)場(chǎng)查看1～2次，查看圍欄是否遭破壞、傳感器是否遭浸泡、采集器箱體是否受損、箱內(nèi)接線是否松動(dòng)；每天定時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查看數(shù)據(jù)是否存在異常，分層查看土壤墑情，查看數(shù)據(jù)是否有缺失或者明顯錯(cuò)誤，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則需及時(shí)處理；每天填寫維護(hù)日志，規(guī)范記錄數(shù)據(jù)資料及運(yùn)行狀態(tài)。

5 常見(jiàn)故障及維修

5.1 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)

發(fā)現(xiàn)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)檢查供電情況，打開(kāi)采集箱，觀察蓄電池、太陽(yáng)能電池板、供電輸出線路是否有松動(dòng)，如果沒(méi)有明顯松動(dòng)，用萬(wàn)用表測(cè)量電源模塊電壓值，一般情況下，太陽(yáng)能電池板供電電壓為18 V左右，蓄電池電壓略大于12 V，輸出電壓為12 V左右，測(cè)量各部件電壓是否正常，如有損壞，利用替換法查看電壓是否正常。如果各部件電壓均正常，則需檢查通訊卡是否能正常上網(wǎng)，以確保通訊卡正常。如果通訊卡可以正常上網(wǎng)，下一步應(yīng)利用替換法檢查采集器是否正常。如果采集器也正常，用筆記本聯(lián)通采集器，打開(kāi)調(diào)試軟件查看傳感器是否正常工作，進(jìn)而基本可以確定問(wèn)題出現(xiàn)在哪個(gè)環(huán)節(jié)[4]。

5.2 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀間斷性無(wú)數(shù)據(jù)

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀發(fā)生間斷性無(wú)數(shù)據(jù)一般是蓄電池出現(xiàn)問(wèn)題，供電不足。白天有太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)能電池板可持續(xù)充電能正常工作，晚上太陽(yáng)能板不能充電，儲(chǔ)存的電量耗盡，數(shù)據(jù)中斷。解決這種故障的辦法就是更換蓄電池。

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀發(fā)生間斷性無(wú)數(shù)據(jù)有時(shí)是因?yàn)榛拘盘?hào)不穩(wěn)定，通訊卡網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)續(xù)，解決辦法就是嘗試更換不同的運(yùn)營(yíng)商，比如原來(lái)是聯(lián)通卡，則更換為移動(dòng)卡。

5.3 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)異常

引起土壤水分值異常的主要原因有傳感器安裝不到位或安裝時(shí)操作過(guò)程魯莽，造成探測(cè)管與土壤形成縫隙；由于干旱引起黏性土壤龜裂；冬季由于土壤水分相變引起機(jī)測(cè)水分值急劇下降；傳感器周圍長(zhǎng)期不松土造成土壤板結(jié)；傳感器進(jìn)水導(dǎo)致探頭損壞。解決以上問(wèn)題的辦法為挖開(kāi)傳感器周圍的土壤至未開(kāi)裂的深度，選取附近松散的潮濕土壤進(jìn)行回填、砸實(shí)，以確保土壤與傳感器套管緊密接觸。如果存在空洞或石塊，應(yīng)去除石塊、填補(bǔ)空洞。如果傳感器損壞，則需要更換傳感器。

6 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在日常工作中可能會(huì)出現(xiàn)各種異常情況，觀測(cè)員需要隨時(shí)注意自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的變化，認(rèn)真分析判斷，以保障自動(dòng)土壤水分站的正常運(yùn)行，避免數(shù)據(jù)丟失和異常情況的出現(xiàn)，更好地發(fā)揮自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在氣象為農(nóng)服務(wù)工作中的作用。

7 參考文獻(xiàn)

[1] 陳海波.DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀常見(jiàn)問(wèn)題分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（3）：54-57.

[2] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當(dāng)代土壤水分測(cè)量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001（3）：25-26.

[3] 冶林茂，吳志剛，牛素軍，等.GStar-Ⅰ型電容式土壤水分監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31（3）：82-85.

[4] 裴建勛，姚繼東.DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀常見(jiàn)故障分析[J].吉林氣象，2017，24（1）：31-33.