白 強(qiáng)，史魯豪，韋愛菊

（菏澤市水文局，山東 菏澤 274000）

土壤墑情是分析判斷農(nóng)業(yè)旱情最直接和必要的指標(biāo)，土壤墑情信息采集站是旱情信息采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1]。隨著社會的發(fā)展，人工墑情站存在監(jiān)測儀器、手段落后,墑情信息監(jiān)測的采集、傳輸速度慢，效率低的問題。為了探求墑情變化規(guī)律,為各級抗旱部門指導(dǎo)抗旱減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，菏澤市水文系統(tǒng)自1962 年起，在全市范圍內(nèi)開始布設(shè)墑情站網(wǎng)，開展墑情監(jiān)測工作，先后在全市布設(shè)了10 處人工墑情監(jiān)測站點(diǎn)。近年來,菏澤市水文系統(tǒng)充分利用符合墑情自動監(jiān)測站選址要求的現(xiàn)有人工監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程菏澤市墑情信息自動采集系統(tǒng)。本文對墑情檢測系統(tǒng)人工定率進(jìn)行分析。

1 菏澤市自動墑情監(jiān)測現(xiàn)狀

菏澤市墑情信息自動采集系統(tǒng)包括9 個(gè)固定墑情監(jiān)測站、9 套移動墑情監(jiān)測設(shè)備（建設(shè)45 個(gè)移動墑情監(jiān)測點(diǎn)，5 個(gè)移動墑情監(jiān)測點(diǎn)配1 套移動墑情監(jiān)測設(shè)備）和1 套墑情采集標(biāo)定設(shè)備[2～4]。由于移動墑情站和固定墑情站的參數(shù)率定步驟和程序是一致的，本次墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)人工率定選擇探頭固定且連續(xù)監(jiān)測的9 處固定墑情站進(jìn)行參數(shù)的率定分析。菏澤市固定墑情監(jiān)測站基本情況見表1。

表1 菏澤市固定墑情監(jiān)測站基本情況表

2 自動監(jiān)測和人工比測

根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2015）的要求，人工取樣監(jiān)測嚴(yán)格按照人工取土烘干法的監(jiān)測步驟和程序測定土壤含水量，在各固定站探頭附近人工野外采集土樣，在實(shí)驗(yàn)室對土樣稱重，烘干土樣再稱重，通過比較原始土樣和烘干后土樣的重量差計(jì)算土壤的重量含水率和干容重，換算得到土壤體積含水率。同樣按照規(guī)范附錄F 土壤水分自動監(jiān)測儀器率定與比測方法的要求，與取樣時(shí)刻固定站終端機(jī)顯示的體積含水率進(jìn)行對比。

菏澤市墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)固定站安裝完畢后，進(jìn)行了四次比測，分別為 2016 年 6 月 1 日、2017 年 9 月 11 日、2017 年 9月 22 日和 2017 年 10 月 21 日。2016 年 6 月 1 日和 2017 年 9月22 日取樣比測后對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)率定、修正。誤差統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各比測日期體積含水率人工與遙測絕對誤差統(tǒng)計(jì)表

3 誤差評價(jià)

從單站的絕對誤差分析來看，2017 年10 月21 日監(jiān)測數(shù)據(jù)曹縣李廟站、鄄城箕山站誤差最大，分別達(dá)到11.4、11.2，且隨著參數(shù)率定，比測誤差不但沒有減小，反而有增加的趨勢；單縣黃寺誤差最小，為1.3；其它墑情站誤差在2.1～5.1 之間。根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》[5（]SL364-2015）絕對誤差在4%范圍內(nèi)的要求，準(zhǔn)確性評估結(jié)果為66.7%。見表2。

從各站絕對誤差的均值分析，總體來看各站的絕對誤差均值隨著設(shè)備參數(shù)的不斷率定和修正而呈逐步減小的趨勢，2016 年6 月1 日安裝后初值是-8.4，按照比測結(jié)果參數(shù)調(diào)整后，2017 年9 月11 日和9 月22 日比測絕對誤差均值是-3.8、-2.5。根據(jù)9 月22 日比測結(jié)果和觀測時(shí)刻傳感器電壓對參數(shù)進(jìn)行最后一次調(diào)整后，10 月21 日又進(jìn)行了一次驗(yàn)證性比測，受個(gè)別測站誤差較大的影響，絕對誤差均值上升到了4.7。見表3。

表3 各站人工與遙測絕對誤差均值表

4 誤差原因分析

通過對比分析影響遙測、人工觀測精度等各方面因素，得出產(chǎn)生誤差的原因主要為：

（1）設(shè)備安裝方式。固定站在設(shè)計(jì)與廠家設(shè)備安裝時(shí)，為減少對耕作的影響，主要設(shè)置在代表性地塊的一側(cè)，并設(shè)置3 m×3 m 不銹鋼圍欄觀測場，為防止耕作時(shí)受到碰撞、破壞，土壤水份傳感器全部安裝在觀測場內(nèi)，與墑情遙測終端機(jī)RTU 有線連接，安裝條件要求高且復(fù)雜。一般田間耕作層為一年兩耕或一年一耕，而土壤水份傳感器安裝在觀測場內(nèi)，雖然能保證監(jiān)測的連接性和穩(wěn)定性，但由于輪耕次數(shù)的差異，造成土壤干容重相差較大，即便是人工比測時(shí)土壤重量含水率一致，但換算得到的體積含水率與自動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測值也可能有較大差異，而失去了代表性。2017 年10 月21 日對曹縣李廟閘固定站進(jìn)行第四次比測時(shí)，由于歷次人工取樣比測擾動面積超出觀測場的范圍，而改在耕作地塊取樣，換算得到的體積含水率誤差超出了10%。

（2）公式率定形式。根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2015）要求，人工比測宜覆蓋不同季節(jié)和不同土壤濕度等級，一般在經(jīng)過一次較大的降水后，在自然干燥過程中測得不同含水量數(shù)據(jù)對應(yīng)的監(jiān)測儀器信號值，參與擬合率定公式的數(shù)據(jù)一般不少于10 組，數(shù)據(jù)點(diǎn)在公式曲線上均勻分布，能并涵蓋含水量從高到低變化范圍。廠家在安裝完畢后在2016 年6 月1 日僅進(jìn)行了一次比測就以這次比測成果進(jìn)行了公式的率定，雖然在正式試用前又進(jìn)行了兩次比測并據(jù)此調(diào)整了公式參數(shù)，但從2017年10 月21 日第四次比測結(jié)果顯示，仍然達(dá)不到規(guī)范規(guī)定的絕對誤差小于等于4%的要求。當(dāng)前儀器的公式率定方法甚至連廠家技術(shù)人員都講不清楚，無法對現(xiàn)場技術(shù)人員作公式率定方面的針對性培訓(xùn)。

（3）人工墑情取樣和監(jiān)測誤差。為避免人工比測取樣誤差，在取測過程中取樣人員嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定，在同一監(jiān)測點(diǎn)的同一采集點(diǎn)深度重復(fù)取樣3 次，以重量含水率小于等于1%為誤差控制標(biāo)準(zhǔn)，但在取樣過程仍然會有個(gè)別土樣超出1%的誤差范圍。取樣和監(jiān)測人員操作熟練程度和對人工取樣監(jiān)測規(guī)范的遵守程度也是造成比測誤差的重要原因。

（4）監(jiān)測設(shè)備因素。墑情設(shè)備在各種土壤類型、干旱程度等前提下，工作原理沒有針對性，雖然測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機(jī)理無關(guān)，但設(shè)備自動監(jiān)測值是通過土壤導(dǎo)電性以及與土壤墑情值建立函數(shù)關(guān)系的，監(jiān)測設(shè)備精度也存在一定的誤差。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）自動墑情監(jiān)測站布設(shè)基本合理，菏澤市七縣二區(qū)的所有行政區(qū)內(nèi)均有墑情自動監(jiān)測站布設(shè)。

（2）大部分站的絕對誤差隨著設(shè)備參數(shù)的不斷率定和修正而呈逐步減小的趨勢，但曹縣李廟站.鄄城箕山站誤差增大，土壤體積含水率絕對誤差在4%范圍內(nèi)準(zhǔn)確性評估結(jié)果為66.7%；曹縣李廟閘誤差增大，分析原因?yàn)槿斯と釉诟鞯貕K取樣，沒有按要求在自動監(jiān)測觀測場的范圍內(nèi)取樣。

5.2 建議

（1）對現(xiàn)有固定站進(jìn)行改建，對土壤水份傳感器探頭安裝進(jìn)行必要的再培訓(xùn)，并盡可能將傳感器與墑情遙測終端機(jī)RTU 間改造成無線連接，每年在小麥春灌前將探頭埋入耕作田塊并及時(shí)人工取樣率定、修正公式，提高墑情監(jiān)測的代表性；

（2）簡化參數(shù)率定方法，由廠家提供不同土壤類型的儀器標(biāo)準(zhǔn)公式擬合率定曲線，培訓(xùn)現(xiàn)場技術(shù)人員能夠根據(jù)人工比測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)公式率定曲線系統(tǒng)性偏離情況對率定公式進(jìn)行率定、修改；

（3）加強(qiáng)人工取樣人員培訓(xùn)，在詳細(xì)掌握人工取樣、監(jiān)測規(guī)程的基礎(chǔ)上，為盡可能避免重復(fù)取樣誤差超限（重量含水率小于等于1%），可將重復(fù)取樣點(diǎn)由3 個(gè)增加到4 個(gè)；

（4）督促和引導(dǎo)設(shè)備廠家提高設(shè)備監(jiān)測精度，加強(qiáng)現(xiàn)有設(shè)備的后期管理和維護(hù)。