寧夏自動墑情監測儀器標定的過程分析

馬尚賢++馮瑞++高鶴

摘 要：采集寧夏墑情站代表性土樣，采用“人工造墑”的方式對自動墑情監測儀器公式進行標定。標定之后，使用人工取土烘干法監測數據與監測儀器監測數據進行比測。結果表明，30組比測數據絕對誤差均小于±4%，達到規范規定要求，由此說明標定的公式準確可靠，可進行業務化應用。

關鍵詞：寧夏 自動墑情監測 公式標定 烘干法 比測

中圖分類號：X85 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（b）-0092-03

土壤墑情，也即土壤中的水分狀況，是最重要和最常用的土壤信息。它是科學地調節土壤水分狀況進行節水灌溉、實現科學用水和灌溉自動化的基礎[1]。寧夏受自然環境和大氣環流影響，使降水量在時間、空間上的分配極不均勻，而且多集中在夏季，干旱頻發，給自治區農業生產和水資源開發利用帶來了諸多不利影響[2]。自動墑情監測儀是利用頻率反射法（FDR）原理來測定土壤含水量的自動化儀器，安裝后需進行標定才能投入業務化運行。儀器標定的原理是將人工取土烘干法獲得的土壤含水量與實測的傳感器頻率值進行分析比較，建立土壤含水量與測定頻率之間的關系[3]。建設自動墑情監測系統，合理布設監測站點，及時、準確、系統地監測旱情變化，科學合理地進行分析和預測，對指導抗旱有著重大的現實意義[4]。

2016年《國家防汛抗旱指揮系統二期工程寧夏建設項目》開始建設，寧夏回族自治區作為全國試點省份之一，在全區建設了39個自動墑情監測站，2017年開始對監測儀器公式進行分類標定。標定過程中選取寧夏11種代表性土樣，分別是石嘴山市壤土、固原市壤土（層狀）、固原市黑土、固原市壤土、吳忠市砂壤土、吳忠市鴉兒溝砂土（砂度大）、吳忠市狼布掌砂土（砂度大）、吳忠市砂土（砂度小）、吳忠市白漿土、中衛市紅膠泥、中衛市白漿土。本文將寧夏自動墑情監測儀器標定的過程進行分析，對今后自動墑情監測站的建設及標定工作有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 所需工具

2kg電子天平、環刀、采集終端（RTU）、恒溫烘干箱、導管式傳感器、孔徑2mm的土壤篩等。

1.2 土樣取樣

取土位置在墑情觀測場傳感器埋設位置0.5～1.0m以內，切出深50cm的剖面，分別在10、20、40cm處取土樣。

1.3 土樣預處理

取回的土樣平鋪在陰涼通風處風干。風干后，先將土碾碎，再用孔徑2mm的土壤篩過篩，獲得土樣備用。

1.4 制備特定體積含水量土樣

對10cm、20cm、40cm三層處的土樣分別配置不同濕度的樣本，每層制作樣本的土壤體積含水量區間共有7個，分別為小于10%、10%～15%、15%～20%、20%～25%、25%～30%、30%～35%和大于35%七個等級，最后得到21個樣本。配置完成的土樣攪拌均勻后，放入密封塑料袋內靜置平衡24h。

1.5 填裝土柱制備標準土樣

預制含水量土樣靜置24h后，取出攪拌均勻，分多層裝填。依據設計土柱高度分層，每層高度2cm。每層裝入的土樣量依據分層數平均分配。裝填中為使導管式傳感器外管壁與土樣緊密接觸，先放入導管式傳感器再裝填土樣。

1.6 儀器測量土樣含水量

使用導管式傳感器對制備好的21個土樣含水量進行測量，獲取測量值，每個土樣定點測量6次，取平均值。

1.7 烘干法測量土樣含水量

通過專用環刀在各個土柱樣本中取樣、烘干、稱重，每個土柱取3個樣本，取平均值后獲得對應樣本的實際土壤重量含水量，再換算為土壤體積含水量。體積含水量由實測的重量含水量乘以相應的干容重換算得出[5]。其中，干容重由實驗確定。

1.8 公式標定

對烘干法實測的土壤體積含水量值與采集終端顯示的傳感器監測值進行分析比較，使用Excel軟件擬合出土壤體積含水量與儀器監測值之間的關系曲線，得出標定公式。

2 實驗結果與討論

本文以吳忠市狼布掌砂土為例進行分析。表1為不同深度土壤樣本在不同檢測區間的傳感器監測值與烘干法實測的土壤體積含水量之間的對比，以傳感器監測值作為x軸，通過烘干法實測的土壤體積含水量作為y軸，擬合出曲線，結果如圖1所示。

3 人工取土烘干法與監測儀器數據比測

將標定公式輸入墑情遙測站監控軟件，記錄遙測數據，與同時間該站點人工取土烘干法實測的墑情數據進行比測，比測數據為30組，比測時間為4個月，達到規范要求[6]。人工取土位置在距離監測儀器埋設點0.5～1.0m范圍內，取土時避開降雨日及大雨后地表積水日。比測結果見表2。

通過分析可知，30組比測數據絕對誤差均小于±4%，達到規范規定要求[6]，表明標定的公式準確可靠，可進行業務化應用。

4 結語

自動墑情監測儀器所測數據基本能夠反映寧夏的土壤墑情變化規律，滿足政府部門對抗旱工作的需要，為墑情的監測提供了方便快捷的途徑，既節省了人力、物力，又提高了工作效率。

參考文獻

[1] 鄧英春，許永輝.土壤水分測量方法研究綜述[J].水文， 2007，27（4）：20-24.

[2] 王寧，郭立兵，楊林平，等.寧夏回族自治區抗旱減災“十一五”規劃[R].銀川：寧夏水文水資源勘測局， 2005.

[3] 郭衛華，李波，張新時，等.FDR系統在土壤水分連續動態監測中的應用[J].干旱區研究，2003，20（4）：247-251.

[4] 常玉宏.土壤墑情（旱情）監測系統[J].中國水利，2007（13）：69.

[5] 楊詩秀，雷志棟.田間土壤含水率的空間結構及取樣數目確定[J].地理學報，1993（5）：447-456.

[6] 中華人民共和國水利部.土壤墑情監測規范[S].北京：中國水利水電出版社，2015.endprint