“衡邵干旱走廊”土壤墒情自动监测系统研究

胡兴艺

（湖南省水文水资源勘测局，湖南 长沙 410007）



“衡邵干旱走廊”土壤墒情自动监测系统研究

胡兴艺

（湖南省水文水资源勘测局，湖南 长沙 410007）

摘 要：旱灾是湖南省各类自然灾害中最主要的自然灾害之一，基于湖南省抗旱体系不完善，旱情信息来源少、监测技术手段落后等问题，确定以湖南省常年旱情较为严重的“衡邵干旱走廊”为典型研究区域，对土壤墒情自动监测系统进行研究。在研究过程中，采用现代数据采集技术，成功解决土壤墒情信息的自动采集、传输、存储和处理等关键技术问题。在土壤水分传感器性能综合比选、墒情站设计和实施方面积累宝贵经验，为今后抗旱减灾工作提供技术指导。

关键词：干旱；土壤墒情；自动监测；传感器

0　引言

干旱是湖南省最主要的自然灾害之一，旱灾对农业的影响在各类自然灾害中所占比重也最大，解决湖南省的干旱问题已迫在眉睫。

“衡邵干旱走廊”位于雪峰山脉以南，五岭山脉以北，是以湘江、资水流域分水岭为中轴线分布的广大丘陵地区，是湖南省粮食主产区，也是湖南省水资源量最少的地区。“衡邵干旱走廊”处于副热带高压中心，同时又受东面的衡山山脉、天光山及南面的五峰山影响，雨量显著减少，极易出现夏旱或夏秋连旱［1］。据统计，平均 1.2年就发生 1 次旱灾，平均 3～5年大旱 1 次，大旱、特大旱灾发生频繁，历来就是著名的干旱区。由于降雨时空分布不均，水利工程薄弱，山体岩石裸露，植被涵养水源能力较差，水资源开发利用程度不一，工程调控水资源能力不强，水质恶化较严重，产业结构不合理等原因，加之全球气候变化影响，导致“衡邵干旱走廊”区域干旱问题越来越凸显。近 20年来，累计受旱面积超过 7×107hm2，干旱已成为制约该地区经济发展、民生改善、生态安全的最大瓶颈。

旱情监测是开展防旱减灾工作的重要基础，是制定科学抗旱决策的重要依据［2］。目前，湖南省的抗旱体系还不完善，旱情信息来源少、监测技术手段落后；旱情信息采集基础较为薄弱、站网布设不足，自动化程度低。国家防汛抗旱指挥部于 2008年12月完成了对全国旱情监测的统一规划［3-4］，湖南省也将进行大规模的旱情监测系统建设。

2013年夏季，湖南省自 7月初旱情出现后，受持续晴热高温和降水严重偏少影响，旱情持续蔓延，农林牧业损失严重。面对如此严重旱情，中南勘测设计研究院和湖南省水文水资源勘测局迅速做出反应，确定以湖南省常年旱情较为严重的“衡邵干旱走廊”为典型研究区域，大力开展土壤墒情自动监测技术研究及站网建设工作，建立了“衡邵干旱走廊”土壤墒情自动监测系统，为科学抗旱提供数据来源和决策依据服务。

1　系统建设情况分析

1.1建设范围及规模

旱情自动监测技术研究项目以“衡邵干旱走廊”为典型研究区域，土壤墒情监测站网主要分布于衡阳、邵阳、娄底 3 个地市。考虑到旱情监测范围与应用研究需求，站网规模定为 23 个固定监测站，广泛分布于衡阳、邵阳、娄底的每个县级行政单元，站网信息如表 1 所示（受篇幅限制，仅列举部分站点）。

表1　“衡邵干旱走廊”土壤墒情监测站信息表

1.2通信方式与工作体制

监测站点均采用移动 GPRS 通信信道，当 GPRS信道发送不成功时，本地存储该条报文，直到下次GPRS 成功上线后，会自动补报之前遗漏的数据。采用定时自报和召测兼容的混合工作体制。

设计依据如下：SL 61—2015《水文自动测报系统技术规范》；SL 247—2012《水文资料整编规范》；SL 364—2015《土壤墒情监测规范》；SL 651—2014《水文监测数据通信规约》。

1.3建设目标

根据旱情监测应用研究需求，确定项目建设目标如下：1）建设 23 个土壤墒情监测站；2）通过监测站建设，实现土壤墒情信息自动采集、固态存储、自动传输等功能；3）通过建设监测站至中心站的数据传输通信网，确保监测站的数据传输通信的畅通，提高土壤墒情信息传输的可靠性和时效性。

1.4中心站布置

中心站布置在湖南省水文水资源勘测局中心机房，设备包括通信设备、电源系统、前置机、网络安全设备及相关外设。中心站不新增硬件设备，只需在前置机上配置添加相应测站信息即可。监测站采用 GPRS 通信信道将采集的土壤墒情信息传输到中心站后，由前置机统一接收，通过安装在前置机上的水情测报通讯控制系统软件即可看到监测到的土壤墒情相关信息。

1.5监测站建设

监测站建设采用边勘查边安装的方式进行，经技术人员现场勘查符合安装要求后，安装人员进行测站安装调试；对不符合测站选址要求的立刻重新勘查，寻找合适的监测站安装位置。

1.5.1测站选址

监测站选址是土壤墒情监测站网建设的重中之重，测站选址必须要求具有较好的代表性，能够反映当地的普遍情况。选址要求如下：1）固定站选址，测站尽可能选择在非耕作的旱地上；2）土质应有代表性，避免选择在灌溉区或易受灌溉影响的区域，力求不受水塘、水渠、水沟等影响，以尽可能反映天然情况；3）周边地形地势要相对平缓，不宜在较高的大山脚下及较陡的山脚下选择场地；4）交通较方便，距公路不要太远，也不宜太靠近公路；5）1 个县有多个监测站时，选址应考虑对大范围的分布控制，不要相距太近；6）尽量靠近现有的雨量或水文站，便于设备维护与测站管理［5］。

此外，各站点所在地应交通较方便，基本有道路相通，大部分站点车辆均可直接到达。

1.5.2测站结构

监测站的建设采用监测、报警、控制一体化的结构设计，以遥测终端为核心，实现墒情信息的采集、存储、传输，以及查询应答、可编程等测控功能。一体化监测站主要由土壤水分传感器、遥测终端、通信和供电设备等组成［6-7］。

1.5.3测站设备配置

土壤墒情固定站单站设备配置如图 1 所示。

图1　土壤墒情固定站单站设备配置图

2　系统监测方法和数据分析

2.1监测方法

因为土壤的容积含水量是单位土壤总容积中水分所占的容积分数，故可以不考虑土样的容重。土壤的容积含水量定义为

式中：Vw为土样中水的体积；Vs为土样的总体积。

自动监测系统选用 AZS-2 型土壤水分传感器测量土壤的容积含水量，该仪器采用频域反射（FDR）原理测量土壤中水分的含量。频域反射技术是一种较为常用的测量介电常数的方法，介电常数变化被转换成直流电压，直流电压在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。表 2 给出了 AZS-2土壤水分传感器的输出电压与土壤含水量的对应关系（按 0～1 000 mV 输出）。

表2　AZS-2输出电压与土壤含水量的对应关系

为避开农业灌溉对观测结果产生的影响，传感器探头采用固定埋设法，仪器周围设置保护围栏。

系统分别监测离地面 10，20 和 40 cm 处的 3 个土层的土壤含水量，传感器埋设时在垂直方向上要错开，为了避免监测误差，相邻层水平间距错开 30 cm左右。

2.2数据分析

通过对系统站点数据采集和自动监测，表 3 列举了衡东站 2015年6月16—26日每天 8 时离地面10，20 和 40 cm 处采集到的土壤体积含水量数据。

土壤墒情监测对农业种植而言是一项非常重要的工作，特别在干旱季节尤为重要。由于受监测仪器精度限制，土壤墒情自动监测一直以来被忽略。从衡东站 10，20 和 40 cm 处 3 个传感器传回的土壤墒情数据分析，20 cm 处土层含水量低于 10 和 40 cm处，主要原因是由于受前期降水影响，早期降水下渗至 40 cm 处，近期降水还来不及下渗至 20 cm 处造成的。由此看出，不同土层和时段，土壤含水量分布都存在一定差异，通过研究该区域土壤墒情，对合理选择农业灌溉时机和提高作物产量具有重要意义。

表3　衡东站不同土层土壤体积含水量表　m3/m3

3　结语

“衡邵干旱走廊”土壤墒情自动监测系统于2013年8月开始实施安装调试工作，历时 45 天完成23 个固定监测站点的安装调试，调试成功后，所有站点自报数据基本正常。

通过土壤墒情监测站网建设的研究，成功解决了土壤墒情信息的自动采集、传输、接收、存储、管理等关键技术问题［8］，在土壤水分传感器性能综合比选、墒情站安装与维护等方面积累了宝贵经验，同时为“衡邵干旱走廊”区域的抗旱减灾工作提供了技术指导。

参考文献：

［1］ 胡兴艺，李正最，李炳辉. RC 阻容模型在土壤墒情动态分析中的应用［J］. 土壤与作物，2014 （3）: 99-104.

［2］ 张卫华，魏朝富，靳军英. 水文土壤学理论及其应用研究进展［J］. 水利水电技术，2008，39 （10）: 1-4.

［3］ 张瑞瑞，陈立平，郭建华. 农田土壤监测无线传感器网络通信平台［J］. 农业工程学报，2008，24 （2）: 81-84.

［4］ 常玉宏. 土壤墒情（旱情）监测系统［J］. 中国水利，2007，（13）: 69-69.

［5］ 杨建青，王吉星，章树安，等. 土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究［J］. 水文，2012，32 （5）: 57-61.

［6］ 胡兴艺. 广义线性水库模型及其 RC（阻容）网络模拟［J］.长江科学院院报，2009 （5）: 18-21.

［7］ 胡兴艺. 水情信息采集系统 GSM 通信信道的设计考虑［J］. 水文，2007，27 （1）: 59-61.

［8］ 胡兴艺. 水情信息采集系统可靠性模型分析［J］. 水文，2002 （5）: 47-50.

Study on Soil Moisture Automatic Monitoring System in “Heng Shao Drought Corridor”

HU Xingyi
（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hunan province，Changsha 410007，China）

Abstract:Drought is one of the main natural disasters of Hunan Province. Because drought relief system is not perfect，drought information source is little，monitoring technical means is backward in Hunan province，the article chooses "Heng Shao drought corridor" which is more serious drought perennial of Hunan Province as a typical research area，and studies the soil moisture automatic monitoring system. In the course of the study，it adopts modern data acquisition technology，successfully solves key technology problems of automatic collection，transmission，storage and processing in the soil moisture information. It accumulates valuable experience in the aspects of soil moisture sensor performance comprehensive selection，moisture station design and implementation and provides technical guidance for drought relief work in the future.

Key words:drought；soil moisture；automatic monitoring；sensor

中图分类号：S157

文献标识码：A

文章编号：1674-9405（2016）03-0044-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.010

收稿日期：2016-03-17

作者简介：胡兴艺（1973-），男，湖南汨罗人，高级工程师，主要从事水文、土壤墒情和监测仪器应用等工作。