日照市土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)實踐

彭 濤 時 偉 張鳳旺

日照市土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)實踐

彭 濤1時 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呈增長趨勢，呈現(xiàn)的特點是發(fā)生頻度增加、持續(xù)時間長，造成的危害不斷擴(kuò)大。據(jù)資料統(tǒng)計，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)對旱情和最大限度減少干旱災(zāi)害造成的損失，及時為各級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)作物種植重點區(qū)域建設(shè)土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)，以實時監(jiān)測和掌握重點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。

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，多年平均日照時數(shù)2530h，多年平均相對濕度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)的侵入和臺風(fēng)、臺風(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，降水的時空分布差異很大，總的分布趨勢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，降至西北部內(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，建立一個墑情信息自動采集、傳輸?shù)谋O(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為日照市的抗旱測報工作提供及時、準(zhǔn)確的土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開發(fā)墑情監(jiān)測中心應(yīng)用軟件系統(tǒng)，整合現(xiàn)有雨量遙測、山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的降雨、水情、工程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時查詢。并將查詢、分析的結(jié)果以點分布圖、等值線、面分布圖、統(tǒng)計圖表、過程線等方式生動直觀地顯示出現(xiàn)，為各級防汛抗旱指揮機(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監(jiān)測站網(wǎng)主要由固定式土壤墑情監(jiān)測站、監(jiān)測信息傳輸和輔助系統(tǒng)、監(jiān)測中心接收處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.固定式土壤墑情監(jiān)測站

日照市土壤墑情信息采集采用固定式土壤墑情監(jiān)測站。信息采集的過程包括墑情信息監(jiān)測、記錄和存儲，主要設(shè)備包括傳感器、數(shù)據(jù)線、存儲器等。固定式土壤墑情監(jiān)測站安裝地選擇在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)具有代表性的地點。如果所選監(jiān)測區(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，一般要建立多個固定式墑情監(jiān)測站。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、存儲和傳送，采用的傳感器為土壤水分空間分布快速測試儀。每天按照設(shè)定時間采集四次20cm、40cm兩個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)和采集時間可以根據(jù)實際工作需要進(jìn)行設(shè)定。監(jiān)測站采用太陽能、蓄電池供電，續(xù)航時間長，可以長期在無人值守的狀態(tài)下自動工作。

圖1 日照市土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)圖

固定式土壤墑情監(jiān)測站的布設(shè)，主要是根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2006）中關(guān)于墑情站點選擇密度的有關(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，同時還適當(dāng)考慮監(jiān)測站點布設(shè)區(qū)域內(nèi)地貌、土壤、氣象和種植作物分布情況，監(jiān)測站點位置的選擇具有區(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個區(qū)縣共建設(shè)了25個土壤墑情信息監(jiān)測站。

固定式土壤墑情監(jiān)測站建設(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)測信息傳輸和輔助系統(tǒng)

墑情監(jiān)測信息的傳輸系統(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)測站點墑情信息的接收存儲、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)測信息接收軟件、計算機(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)測站建設(shè)效果圖

3.墑情信息接收系統(tǒng)

在項目建設(shè)實施過程中設(shè)計開發(fā)了“日照市土壤墑情信息查詢系統(tǒng)”，方便客戶遠(yuǎn)程查詢設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過登錄“查詢系統(tǒng)”可以以圖表形式查詢實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可以表格形式保存于本地電腦。

實時數(shù)據(jù)：設(shè)備當(dāng)前的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括監(jiān)測時間、20cm處含水率、40cm處含水率等，以及對于特定時段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析結(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)開始時間和結(jié)束時間，查詢時間段內(nèi)的監(jiān)測數(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：查看各個墑情監(jiān)測站點有關(guān)監(jiān)測通道監(jiān)測值的曲線圖，可以直觀了解監(jiān)測值的變化走勢。

建立各監(jiān)測站點檔案，包括墑情監(jiān)測站代碼、站址、行政區(qū)劃碼、經(jīng)度、緯度、管理單位名稱、設(shè)站時間、墑情觀測項目情況介紹等，并可對基本信息進(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)測站邊界條件影響，土壤墑情自動監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)與農(nóng)田土壤墑情的實際狀況存在不可避免的誤差，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度符合《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2006）和《農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T1782-2009）要求，在土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)建成后又專門對自動監(jiān)測設(shè)備的精度進(jìn)行率定，組織實施了日照市土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)率定項目。

2.率定的主要技術(shù)要求

通過現(xiàn)場取樣和實驗室測定與自動監(jiān)測站網(wǎng)站點監(jiān)測設(shè)備測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過長系列數(shù)據(jù)分析，測定存在的誤差值和誤差范圍。

土壤墑情監(jiān)測站墑情信息率定，利用取土烘干法進(jìn)行監(jiān)測站土壤墑情信息的對比率定，率定時間選擇在了3～11月份，結(jié)合墑情自動監(jiān)測站的施工進(jìn)度，墑情監(jiān)測站聯(lián)網(wǎng)傳輸相對穩(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)測規(guī)范》（SL364-2006）和《農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T1782-2009）要求，則要建立實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)和自動監(jiān)測設(shè)備測報數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，并確定對自動監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)修正系數(shù)。

3.推定監(jiān)測站墑情與對應(yīng)大田墑情的關(guān)聯(lián)系數(shù)

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

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

五、結(jié)束語

日照市土壤墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)成功運行以來，能實時監(jiān)測和記錄土壤墑情信息，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整性好，能及時準(zhǔn)確地監(jiān)控土壤墑情信息，在可靠性和實用性上達(dá)到了設(shè)計要求。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)測的技術(shù)手段，對于防止日照市農(nóng)業(yè)旱情的延續(xù)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)和進(jìn)行適時適量灌溉具有重要的作用。同時，實施日照市土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)率定項目，測定了土壤墑情監(jiān)測站自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)與農(nóng)田土壤墑情的實際狀況之間的誤差，通過對墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析修正，修正了土壤墑情監(jiān)測站測定數(shù)值與對應(yīng)大田作物墑情之間的相關(guān)系數(shù)，使測量的墑情數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性大大提高，對于類似系統(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.山東省日照市計量測試所276826）