自动墒情监测站数据误差成因及解决方法探讨

杨 威

（辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003）

土壤墒情监测是抗旱的重要基础工作，土壤水分含量是表达旱情的最直接指标[1]。近年来，各省依据国家防汛抗旱指挥部办公室公布的土壤水分监测仪器检测合格产品目录，相继建成了一批自动墒情监测站[2]，从运行情况看，一些自动墒情监测站监测的墒情数据（以下简称自动墒情监测站数据）精度较低[3]， 可靠性较差，不能直接用于旱情分析评价。经过检测合格的土壤水分监测仪器在实际应用中数据不理想，值得思考研究，找出问题所在和提出解决办法。

1 自动墒情监测站数据误差成因

评判土壤水分监测仪器数据精度是通过实验室检测[4]，与人工监测的墒情数据（以下简称人工墒情数据）进行比较获得的。在实验条件下（包括实验室和野外现场围栏内实验），土壤水分监测仪器和人工监测墒情的检测环境一致，土壤结构一致，检测人员的专业水平和操作能力较高，操作步骤统一，监测仪器和人工墒情数据可靠，误差影响因素以监测仪器精度为主，受环境和人为影响较小，得到的土壤水分监测仪器精度较高。

在野外现场实际生产条件下，人工监测墒情是在实际耕作的大田中取样，取样人员的操作方法、使用的仪器设备、计算结果取舍等各环节很难保持一致，造成人工墒情数据本身误差较大。而自动墒情监测站的监测仪器置于围栏保护下，受耕作、除草、施肥等各种条件影响，监测站即便建立在大田，围栏内土壤结构与大田内土壤结构也不能保持同步变化，自动墒情监测仪器监测的墒情数据只能代表无耕作的围栏内含水量，不能真实代表大田含水量。此时得到的土壤水分监测仪器精度较差，说明在实验条件下得到的土壤水分监测仪器精度，与野外实际生产条件下的自动墒情监测站的精度是 2 个不同的概念。

因此，使用检测合格的土壤水分监测仪器建立自动墒情监测站后，自动墒情监测站的误差除了监测仪器本身误差外，还包括监测站围栏内土壤环境和人工墒情监测等误差，只有将这 2 个误差降到最低，才能将自动墒情监测站数据通过人工墒情数据进行修正，达到可以直接使用的水平，满足旱情分析评价的需要。

2 减小自动墒情监测站环境误差的方法

自动墒情监测站环境误差主要体现在围栏结构、作物种植和环境管理 3 个方面。

2.1 围栏结构建设方面

自动墒情监测站围栏可使用塑钢、不锈钢等材质制作，栏杆疏密程度应在防止人畜进入的基础上做到通风透光，减少对传感器埋设地点土壤的遮挡。围栏基础应避免破坏天然地表环境，保证地表水可自由流动，土壤水分自由渗透[5]，确保自动墒情监测站通风透光和地表水流动情况不受围栏影响。

2.2 围栏内作物种植方面

围栏内传感器周边应同步种植与大田相同的作物，在不破坏传感器正常工作条件下，满足作物对地表的遮挡与围栏外大田一致，作物对土壤水分的吸收程度与围栏外大田一致，确保自动墒情监测站围栏内外的土壤水分损失不受有无作物和种植结构影响。

2.3 围栏内环境管理方面

自动墒情监测站历来重建设，轻管理，造成监测环境后期与建站初期相比差异较大。应安排专人对自动墒情监测站环境进行维护和管理，避免监测站成为堆积石块、杂草的垃圾场。在保证监测仪器正常工作的前提下，大田除草时围栏内应随之除草，大田松土时围栏内也应随之松土，确保围栏内外土壤结构变化同步。

3 减小人工墒情监测误差的方法

人工墒情监测是直接测量土壤水分的方法[6]，误差主要体现在仪器设备、操作方法、计算取舍 3 个方面。

3.1 仪器设备配置方面

人工墒情监测使用的仪器设备主要有天平、烘干箱、取土钻、铝盒、干燥器等，应在全省水文部门统一技术标准、采购条件下进行，避免各站仪器设备参差不齐。

电子天平要求使用感量为 0.01 g，最大量程为3000g 的电子天平，并配置校正砝码，便于及时校正天平。烘干箱采用电加热恒温干燥箱，工作温度为 105 ℃，误差为 ± 1℃。取土钻外表应有刻度，便于控制取样深度。为尽量减小土壤含水量深度差异，取土管内径一般不小于 30 mm，确保在土柱高度较小情况下取得规范要求的土壤质量。

3.2 操作方法方面

人工墒情监测应在有代表性的大田中固定一个取样区域，采用取土钻钻取土柱，以减少对取样区域土壤结构和作物的破坏，土柱中心对应监测深度，在保证取土量的同时尽量减小土柱高度，相当于点对点取样，土柱代表性好，监测数据精度较高。

铝盒称量采用电子天平，每次称量要进行校正。烘干应严格按照规范要求的温度和时间进行，一般情况下，沙土烘干 6 h，壤土烘干 7 h，粘土烘干 8 h。烘干结束将铝盒放入干燥器中冷却至常温时称重，也可直接在烘箱中冷却（烘箱断电暂不开门）至常温后再称量[7]。

3.3 计算数据取舍方面

规范要求同一监测深度的 3 次土壤质量含水量数据中最大值与最小值的差值应 ≤ 1.5%[8]。计算时要对同一深度 3 个数据进行判断和取舍，如最大最小值之差 ＞1.5%，用最大和最小数据分别与中间数比较，舍去偏差较大的；如剩余 2 个数据之差≤ 1.5%，可以直接计算；如剩余 2 个数据之差还 ＞1.5%，应重新取样补测，不可无判断取舍步骤直接进行算数平均计算。

4 自动墒情监测站数据修正方法

辽宁省人工墒情监测站每年自 3 月 21 日到 9 月21 日，每月逢 1，11，21 日 8 时在大田进行人工墒情监测，干旱时期每月逢 6，16，26 日进行加测。自动墒情监测站每整点进行一次自动监测，监测数据自动发送到省级信息接收平台。当人工墒情监测在仪器设备、监测方法及数据取舍等方面均符合规范要求，自动墒情监测站围栏内环境与大田环境一致，即人工和自动墒情监测站的墒情数据均准确可靠时，可将监测日 8 时的人工墒情数据，与同一时间墒情信息接收平台接收到的同一站点自动墒情监测站数据列入电子表格，生成各监测深度的含水量过程线并进行对比分析，得到自动监测仪器各深度的系统偏差，对自动墒情监测站数据进行修正。

草河站人工和自动墒情站的监测环境均符合要求，有一定的代表性，具备对比分析的条件。草河站 10 cm 数据统计表如表 1 所示。

表 1 中使用的监测仪器直接显示体积含水量，通过干密度换算成质量含水量，6 月 1 日后与人工墒情监测进行对比分析，发现 2016 年 3 月 21 日到6 月 1 日，10 cm 深度自动墒情监测站数据与人工墒情数据趋势一致，自动墒情监测站数据偏小，系统偏差大约为 9%。在下一个人工墒情监测日 6 月11 日之前，在数据接收平台加入修正值 9% 进行修正，6 月 11 日到 9 月 21 日自动墒情监测站数据与人工墒情数据吻合度较高，误差符合规范要求，数据在 6 月 1 日前和修正后的过程线如图 1 所示，自动墒情监测站数据修正后可直接用于旱情分析。

表 1 草河站 10 cm 人工墒情与自动墒情监测站数据统计表

图 1 草河站 10 cm 人工与自动墒情监测过程线图（修正时间为 6 月 2—10 日）

对于自动墒情监测站数据与人工墒情数据关联性较差的测站，可能是监测仪器本身精度较低，或者自动墒情监测站与人工墒情监测地点土壤质地差异较大，可采用更换监测仪器或迁移自动墒情监测站的方法解决，直到两者数据关联性良好为止。

修正方法有以下 2 种：1）对于可远程修改监测仪器参数的自动墒情监测站，将监测仪器率定公式常数项按照偏差大小进行修正；2）对于不能远程修改监测仪器参数的自动墒情监测站，在数据接收平台上增加修正系数选项，按照偏差大小输入修正值。

注意系统偏差会随着温度、时间等要素的变化而改变，应安排专人定期监控自动墒情监测站数据与人工墒情数据的偏差，及时调整修正值，确保自动墒情监测站数据与人工墒情数据的误差符合规范要求。

5 结语

通过草河站人工墒情和自动墒情监测站数据可以看出，修正数据的前提条件是人工墒情监测和自动墒情监测站环境都要符合要求，监测数据准确且可靠，有明显系统偏差，修正后才有效果。因此，人工墒情监测要有统一的仪器设备、操作步骤和数据取舍方法，自动墒情监测站要在建设时和后期管理上有明确的要求，确保监测环境与实际耕作的大田同步变化。对于人工与自动均符合要求但无明显系统偏差的站点，要分析监测环境土质差异和自动墒情监测仪器质量问题，可采用迁站或更换设备的方法解决。

特定的专业人员在环境一致的实验条件下进行对比分析，只能解决监测仪器本身精度问题，在实际生产中不具备代表性。将自动墒情监测站数据与水文站日常监测的人工墒情数据进行对比分析，可从根本上解决自动墒情监测站数据准确度问题，既提高基层测站人工墒情监测的技术水平，也为今后自动墒情监测站的建设和管理提供依据。