DZN2型土壤水分觀測站常見故障排查

馮志強

（邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

監測土壤水分含量變化情況，是農業氣象、水文環境和生態環境監測的基礎性工作，在土壤中水分的移動狀況、不同深度水分含量變化及土壤與不同自然體之間的水分交換稱為土壤水分狀況，可在一定程度上影響土壤中氣體含量、物理性質、運動及固體結構，同時還在一定程度上制約土壤養分的溶解、轉移、吸收和微生物活動，并作用到土壤生產力中。土壤水分是保持水分平衡的重要項目之一，也是植物耗水的直接來源，對植物生理活動的影響較大，經常測定土壤水分狀況需對其變化規律進行熟練掌握，在農業生產服務和理論研究中的作用巨大。在監測、預警中小尺度天氣系統、防雷減災及各種類型專業氣象服務中，土壤水分占比發揮著重要作用，工作人員應將自動土壤水分站的日常維修維護工作，確保觀測的土壤水分觀測資料具有較強的代表性、比較性和準確性水平，并確保自動觀測系統可以正常工作。自邢臺市氣象部門安裝自動土壤水分觀測儀以來，由于該觀測儀可以在同一地點的不同深度進行安裝，方便了觀測工作的開展，還有效地縮短了土壤水分測定時間，使業務人員工作強度大幅度下降，可定點觀測土壤水分連續變化情況，同現代化氣象事業發展需求相符。

1 土壤水分自動觀測系統

1.1 土壤水分自動觀測站組成

土壤水分觀測站可以對土壤含水量進行及時準確地測量，進而完成采集、處理、存儲和傳輸土壤水分貯存量信息，可以在不同環境下進行全天候觀測，安裝維護極為方便，可靠性強，還支持多種通信方式，主要選用了土壤水分頻域反射測量技術與多通道數據采集技術。對于DZN2型土壤水分觀測站，其主要由室內、室外兩部分組成。其中，室內部分指計算機終端，主要是采集、傳輸和監控數據信息的軟件系統；室外部分主要是由通信系統、供電電源、采集器和傳感器組成。由于該儀器的配置具有靈活性、安裝和維修便利的特點，可以結合實際需求對多個傳感器進行安裝，以實現對不同層次土壤水分的觀測。供電部分則包含蓄電池、太陽能充放電控制器及電源變換器，若是在條件允許的情況下接入市電站點蓄電池，使其作為后備電池輔助供電，在野外沒有市電供應的情況下，可以將蓄電池與太陽能充放電進行結合，以確保設備正常運行；通信系統主要是結合當地信號狀態對運營商供電模塊型號進行選擇；傳感器包含接口控制板、可調試多點土壤傳感器探頭及總線3部分。

1.2 工作原理

在選用DZN2型自動土壤水分觀測儀對土壤體積含水量進行測定的過程中主要選用的是頻域反射法原理（FDR），通過傳感器發出歸一化頻率（SF）來對土壤水分含量間的指數關系進行構建，進而獲取土壤水分含量與頻率間的對應關系。相較于其他物質來說，水的介電常數相對較大，而土壤介電常數則會隨著水分含量的變化而發生改變，同時也會改變電容式傳感器電容兩端的電壓值，數據采集器在采收到電壓值后，發送至中央處理單元，隨后通過計算經過采集器中央處理單元線性與量化，獲取土壤中的水分含量數據，并在采集器的寄存器中儲存最終結果，用GPRS網絡傳輸到中心站服務器上，以實現土壤水分含量數據的采集、處理、存儲及傳輸流程。

2 土壤水分觀測站故障排除

2.1 供電系統故障

在土壤水分觀測站運行過程中，一旦供電系統出現故障問題，極易導致觀測數據缺失，降低土壤水分觀測數據質量。若是發現臺站觀測數據出現缺測，工作人員應第一時間將重點放在電源控制器上，查看供電模式是否出現了亮燈。通常情況下，從左到右電源控制器面板上分別有3個不同的指示燈，依次是太陽能板狀態指示燈、電池狀態指示燈和電源開關指示燈。若太陽能板狀態指示燈為綠色，說明供電正常。電池狀態指示燈為綠色，則說明蓄電池電壓無異常；為黃色，則說明壓力偏小；為紅色，則說明存在嚴重的欠壓現象，對日后運行極為不利。若是電源開關指示燈為橙色，則說明電源正常；若沒有亮，則可說明工作人員沒有打開電源開關，或是電池壓力偏低，直接造成控制器關閉。結合電源控制器面板上的指示燈狀態，可以對供電系統出現故障的原因進行初步判斷，為了盡快解決該問題，可以對接線端子進行加固，重新更換蓄電池。儀器電源充電時需利用到太陽能板，一旦有陰雨天或積雪灰塵將太陽能板覆蓋，太陽能板極易出現供電不足的情況，使土壤水分觀測數據丟失。臺站工作人員須定期清理太陽能板，并將太陽能板調整到最佳角度，使其更好地接收太陽光能。

2.2 采集器問題

在土壤水分觀測站運行過程中，若是發現觀測數據終端故障，應根據以下順序逐一檢查采集器。

（1）查看供電情況。對紅色電源指示燈的常亮情況進行檢查，若不亮，需檢查接線端子連接處是否松動，并重新拔插；若是啟動仍舊異常，需對電池電壓進行測量。正常情況下的電壓值為12～15 V，若是測出的電壓值不在該數值范圍內，需替換電池，之后對電壓數據進行測量；若該數據正常，則說明采集板出現故障，對其進行更換。

（2）查看采集程序運行情況。對黃色RUN指示燈閃爍狀況進行檢查，若是采集出現故障，此時的燈將不閃爍或不亮，應直接更換。

（3）檢查串口通信。在調式軟件的基礎上，同時結合采集器通信，開展讀時鐘操作，若采集器串口通信出現增長的情況，此時的讀時鐘數據正常；反之，則是串口通信異常，說明采集器故障，重新更換即可。

（4）對GPRS通信狀況進行檢查。應認真檢查GPRS通信指示燈情況，若是綠燈常亮，則中心服務器登陸成功；反之，需對GPRS天線接口的脫落情況、安裝的SIM卡是否牢固等狀況進行檢查。在保證這些設備正常的情況下，需對GPRS信號強弱再次進行檢查，若是檢查到各個單元均正常，而仍舊不能登陸到服務器，則說明GPRS模塊出現故障問題，要更換采集器。

2.3 傳感器故障問題

對于土壤水分觀測站來說，若是發現故障數據跳變異常、缺失、不在正常范圍內，則說明傳感器出現故障問題。為了盡快解決這些問題，需根據以下步驟對傳感器各單元進行認真檢查。

（1）外觀查看。工作人員在斷開電源開關后，方能檢查傳感器，將傳感器放水保護蓋打開，將傳感器取出之后，對里面的進水情況進行查看。若是有水珠或銹蝕現象出現，則說明傳感器套管內有進水情況，會對傳感器測量的準確性產生影響，需及時將套管防水工作做好，并對傳感器進行更換。

（2）檢查接線端子。在傳感器外觀正常的情況下，需做好接線端子的檢查工作，不同深度層安裝的傳感器是否出現脫落，在對不同深度層傳感器排線插針進行按壓后，應確保不同器件連接的可靠性；全面查看傳感器內部電路板與銅環跳板間的連接線是否脫落，若是出現脫落，可以選擇焊接。

（3）調試軟件。可充分利用自動土壤水分觀測系統軟件，以有效讀取觀測到的土壤水分數值。正常數值范圍在30～80 kHz，若是讀取的數值超過該范圍，則說明該層傳感器出現故障，需更換對應深度層的傳感器。

2.4 深層水分數據變化異常

若是出現降水天氣或是高溫天氣造成蒸發速率加大，此時將會打破水分的變化規律，這種情況是從淺層逐漸朝著深層進行改變。若是在土壤水分觀測中發現深層次數據大幅度升高或下降的情況，則可能是以下原因：①觀測區內水分淺，在地下水分變化中，水分變化波動較大現象在深層次處表現的最為明顯，這種情況屬于正常現象；②在傳感器套管安裝中，周圍土壤出現龜裂，在出現降水或人工灌溉中，水流將會借助于管壁周圍流到深層次土壤中，使深層次土壤水分突變。在對土壤水分觀測中，若是深層次水分異常變化，須第一時間進入現場，查看土壤龜裂情況，并結合地下水位變化，以對傳感器的異常情況作進一步判斷。

2.5 土壤龜裂引起數據異常

在實際的土壤水分觀測中，若是有一段時間的表層數據持續下降，就會導致最終觀測到的土壤水分觀測數值與0接近，出現這種情況的原因可能是傳感器四周的土壤龜裂。需要引起工作人員注意的是，若是土壤屬于黏性，出現龜裂的概率較大，在土壤與傳感器間會有縫隙出現，須及時發現龜裂現象并選擇科學有效的解決辦法。根據傳感器測量原理，在縫隙出現后，會造成空氣中的傳感器感應四周土壤的比例加大，使最終觀測到的土壤介電常數與實際值之間出現較大偏差，造成土壤水分值測量結果偏低。針對這種問題，需要工作人員挖開傳感器周圍的土壤，直至挖到未開裂深度為止，應控制開挖范圍在控制器周圍0.3 m內，回填時可以選用大田中不同層次的松散土壤，將其盡量壓實，并同原來土壤狀態盡量保持一致，使土壤可以接觸到傳感器套管。在安裝傳感器時，應嚴格按照規范要求進行，相較于土壤表面位置，傳感器安裝位置都是通過大量計算獲取的，在處理龜裂土壤或者翻動圍欄內部的土壤時，應保證土壤表面始終與傳感器保護套標識的地平線齊平，土壤表面過高或過低均會降低測量值的準確性。

3 土壤水分觀測站維護

3.1 日常維護

（1）應始終確保土壤水分觀測站相關設備始終處于連續運行狀態，每天9時和17時前10 min對計算機顯示的實時觀測數據進行檢查，判斷數據是否正常。

（2）結合業務需求，每周巡視觀測場、土壤水分觀測儀等設備1～2次。

（3）每天20時利用土壤水分觀測儀計算機終端對前1 d數據采集的完整性、準確性情況進行檢查，一旦發現數據缺失需及時進行補充，還要第一時間向省級信息技術保障中心報告異常數據。

（4）每日準確記錄觀測簿，在業務傳輸軟件的基礎上上傳規定的氣象報文，以編制氣象記錄報表和制作數據文件。

（5）若是水分觀測儀出現故障，應在值班日志中進行詳細記錄，結合故障狀況聯系生產常見問題進行必要處理。

（6）在對比人工觀測數據期間，應將記錄和分析人工與自動觀測數據工作做好，同時完成數據文件的制作和編制氣象記錄報表，并將規定氣象報文借助于業務傳輸軟件進行上傳。

3.2 場地維護

在土壤水分觀測站點中，包含規定地段、作物地段的土壤水分觀測工作，因安裝設備場地較為特殊和供電方式的獨特性，在場地日常維護中，需做好以下工作。

（1）定期維護儀器，自動土壤水分觀測儀，傳感器、采集和整機每年定期進行至少1次的全面檢查，主要是查看采集器箱，空氣開關是否處于啟動保護而分開狀態，采集器/轉換模塊/通信模塊指示燈的顯示狀態；在對機箱內設備進行清潔時應選擇毛刷；查看各個電纜的破損情況，各接線處連接松動情況；還要對供電和防雷設施進行檢查。每3個月取出安裝管SDI-12接口處的干燥劑，利用烘箱烤干后重新放好。另外，在春季需對防雷設施的有效性進行檢查，還要多次測量接地電阻值，以將雷電對儀器設備的危害程度降到最低。

（2）根據規定對傳感器進行查看，始終確保其完好性水平，防止出現超檢。

（3）針對無人值守的自動土壤水分觀測儀，其每月1次的現場維護和檢查會由上級部門派遣專人負責，并將檢查和維護情況詳細記錄到值班日記中，還要在備注欄中摘入對觀測數據有影響的情況。

（4）對于備份器件、設備應交由專人保管，始終確保存放同規定要求相符。

（5）因傳感器周邊土壤長期不耕作，特別是對于黏土來說，在嚴重干旱時會造成土壤龜裂。為了避免這種情況出現，每年農田耕作的過程中，可以選擇鐵鍬翻出土壤水分傳感器周圍半徑50 cm范圍內深度在20～30 cm處的土壤，并將土塊砸碎，對照原有的土層進行回填壓實，壓實后將虛土覆蓋1～2 cm厚；或是在超過20 mm的降水停止72 h后，做好傳感器四周半徑50 cm范圍內的松土工作。若傳感器四周土壤出現龜裂，可直接取出傳感器四周半徑50 cm范圍深度的10～20 cm土壤，砸碎土塊后，對照原土層回填壓實，之后覆蓋虛土。若是春季觀測場內存在較深的積雪，應及時將其清除干凈。禁止選用砂石、雜草等物覆蓋在傳感器及四周土壤上。