DZN2型土壤水分观测站常见故障排查

冯志强

（邢台市气象局，河北 邢台 054000）

监测土壤水分含量变化情况，是农业气象、水文环境和生态环境监测的基础性工作，在土壤中水分的移动状况、不同深度水分含量变化及土壤与不同自然体之间的水分交换称为土壤水分状况，可在一定程度上影响土壤中气体含量、物理性质、运动及固体结构，同时还在一定程度上制约土壤养分的溶解、转移、吸收和微生物活动，并作用到土壤生产力中。土壤水分是保持水分平衡的重要项目之一，也是植物耗水的直接来源，对植物生理活动的影响较大，经常测定土壤水分状况需对其变化规律进行熟练掌握，在农业生产服务和理论研究中的作用巨大。在监测、预警中小尺度天气系统、防雷减灾及各种类型专业气象服务中，土壤水分占比发挥着重要作用，工作人员应将自动土壤水分站的日常维修维护工作，确保观测的土壤水分观测资料具有较强的代表性、比较性和准确性水平，并确保自动观测系统可以正常工作。自邢台市气象部门安装自动土壤水分观测仪以来，由于该观测仪可以在同一地点的不同深度进行安装，方便了观测工作的开展，还有效地缩短了土壤水分测定时间，使业务人员工作强度大幅度下降，可定点观测土壤水分连续变化情况，同现代化气象事业发展需求相符。

1 土壤水分自动观测系统

1.1 土壤水分自动观测站组成

土壤水分观测站可以对土壤含水量进行及时准确地测量，进而完成采集、处理、存储和传输土壤水分贮存量信息，可以在不同环境下进行全天候观测，安装维护极为方便，可靠性强，还支持多种通信方式，主要选用了土壤水分频域反射测量技术与多通道数据采集技术。对于DZN2型土壤水分观测站，其主要由室内、室外两部分组成。其中，室内部分指计算机终端，主要是采集、传输和监控数据信息的软件系统；室外部分主要是由通信系统、供电电源、采集器和传感器组成。由于该仪器的配置具有灵活性、安装和维修便利的特点，可以结合实际需求对多个传感器进行安装，以实现对不同层次土壤水分的观测。供电部分则包含蓄电池、太阳能充放电控制器及电源变换器，若是在条件允许的情况下接入市电站点蓄电池，使其作为后备电池辅助供电，在野外没有市电供应的情况下，可以将蓄电池与太阳能充放电进行结合，以确保设备正常运行；通信系统主要是结合当地信号状态对运营商供电模块型号进行选择；传感器包含接口控制板、可调试多点土壤传感器探头及总线3部分。

1.2 工作原理

在选用DZN2型自动土壤水分观测仪对土壤体积含水量进行测定的过程中主要选用的是频域反射法原理（FDR），通过传感器发出归一化频率（SF）来对土壤水分含量间的指数关系进行构建，进而获取土壤水分含量与频率间的对应关系。相较于其他物质来说，水的介电常数相对较大，而土壤介电常数则会随着水分含量的变化而发生改变，同时也会改变电容式传感器电容两端的电压值，数据采集器在采收到电压值后，发送至中央处理单元，随后通过计算经过采集器中央处理单元线性与量化，获取土壤中的水分含量数据，并在采集器的寄存器中储存最终结果，用GPRS网络传输到中心站服务器上，以实现土壤水分含量数据的采集、处理、存储及传输流程。

2 土壤水分观测站故障排除

2.1 供电系统故障

在土壤水分观测站运行过程中，一旦供电系统出现故障问题，极易导致观测数据缺失，降低土壤水分观测数据质量。若是发现台站观测数据出现缺测，工作人员应第一时间将重点放在电源控制器上，查看供电模式是否出现了亮灯。通常情况下，从左到右电源控制器面板上分别有3个不同的指示灯，依次是太阳能板状态指示灯、电池状态指示灯和电源开关指示灯。若太阳能板状态指示灯为绿色，说明供电正常。电池状态指示灯为绿色，则说明蓄电池电压无异常；为黄色，则说明压力偏小；为红色，则说明存在严重的欠压现象，对日后运行极为不利。若是电源开关指示灯为橙色，则说明电源正常；若没有亮，则可说明工作人员没有打开电源开关，或是电池压力偏低，直接造成控制器关闭。结合电源控制器面板上的指示灯状态，可以对供电系统出现故障的原因进行初步判断，为了尽快解决该问题，可以对接线端子进行加固，重新更换蓄电池。仪器电源充电时需利用到太阳能板，一旦有阴雨天或积雪灰尘将太阳能板覆盖，太阳能板极易出现供电不足的情况，使土壤水分观测数据丢失。台站工作人员须定期清理太阳能板，并将太阳能板调整到最佳角度，使其更好地接收太阳光能。

2.2 采集器问题

在土壤水分观测站运行过程中，若是发现观测数据终端故障，应根据以下顺序逐一检查采集器。

（1）查看供电情况。对红色电源指示灯的常亮情况进行检查，若不亮，需检查接线端子连接处是否松动，并重新拔插；若是启动仍旧异常，需对电池电压进行测量。正常情况下的电压值为12～15 V，若是测出的电压值不在该数值范围内，需替换电池，之后对电压数据进行测量；若该数据正常，则说明采集板出现故障，对其进行更换。

（2）查看采集程序运行情况。对黄色RUN指示灯闪烁状况进行检查，若是采集出现故障，此时的灯将不闪烁或不亮，应直接更换。

（3）检查串口通信。在调式软件的基础上，同时结合采集器通信，开展读时钟操作，若采集器串口通信出现增长的情况，此时的读时钟数据正常；反之，则是串口通信异常，说明采集器故障，重新更换即可。

（4）对GPRS通信状况进行检查。应认真检查GPRS通信指示灯情况，若是绿灯常亮，则中心服务器登陆成功；反之，需对GPRS天线接口的脱落情况、安装的SIM卡是否牢固等状况进行检查。在保证这些设备正常的情况下，需对GPRS信号强弱再次进行检查，若是检查到各个单元均正常，而仍旧不能登陆到服务器，则说明GPRS模块出现故障问题，要更换采集器。

2.3 传感器故障问题

对于土壤水分观测站来说，若是发现故障数据跳变异常、缺失、不在正常范围内，则说明传感器出现故障问题。为了尽快解决这些问题，需根据以下步骤对传感器各单元进行认真检查。

（1）外观查看。工作人员在断开电源开关后，方能检查传感器，将传感器放水保护盖打开，将传感器取出之后，对里面的进水情况进行查看。若是有水珠或锈蚀现象出现，则说明传感器套管内有进水情况，会对传感器测量的准确性产生影响，需及时将套管防水工作做好，并对传感器进行更换。

（2）检查接线端子。在传感器外观正常的情况下，需做好接线端子的检查工作，不同深度层安装的传感器是否出现脱落，在对不同深度层传感器排线插针进行按压后，应确保不同器件连接的可靠性；全面查看传感器内部电路板与铜环跳板间的连接线是否脱落，若是出现脱落，可以选择焊接。

（3）调试软件。可充分利用自动土壤水分观测系统软件，以有效读取观测到的土壤水分数值。正常数值范围在30～80 kHz，若是读取的数值超过该范围，则说明该层传感器出现故障，需更换对应深度层的传感器。

2.4 深层水分数据变化异常

若是出现降水天气或是高温天气造成蒸发速率加大，此时将会打破水分的变化规律，这种情况是从浅层逐渐朝着深层进行改变。若是在土壤水分观测中发现深层次数据大幅度升高或下降的情况，则可能是以下原因：①观测区内水分浅，在地下水分变化中，水分变化波动较大现象在深层次处表现的最为明显，这种情况属于正常现象；②在传感器套管安装中，周围土壤出现龟裂，在出现降水或人工灌溉中，水流将会借助于管壁周围流到深层次土壤中，使深层次土壤水分突变。在对土壤水分观测中，若是深层次水分异常变化，须第一时间进入现场，查看土壤龟裂情况，并结合地下水位变化，以对传感器的异常情况作进一步判断。

2.5 土壤龟裂引起数据异常

在实际的土壤水分观测中，若是有一段时间的表层数据持续下降，就会导致最终观测到的土壤水分观测数值与0接近，出现这种情况的原因可能是传感器四周的土壤龟裂。需要引起工作人员注意的是，若是土壤属于黏性，出现龟裂的概率较大，在土壤与传感器间会有缝隙出现，须及时发现龟裂现象并选择科学有效的解决办法。根据传感器测量原理，在缝隙出现后，会造成空气中的传感器感应四周土壤的比例加大，使最终观测到的土壤介电常数与实际值之间出现较大偏差，造成土壤水分值测量结果偏低。针对这种问题，需要工作人员挖开传感器周围的土壤，直至挖到未开裂深度为止，应控制开挖范围在控制器周围0.3 m内，回填时可以选用大田中不同层次的松散土壤，将其尽量压实，并同原来土壤状态尽量保持一致，使土壤可以接触到传感器套管。在安装传感器时，应严格按照规范要求进行，相较于土壤表面位置，传感器安装位置都是通过大量计算获取的，在处理龟裂土壤或者翻动围栏内部的土壤时，应保证土壤表面始终与传感器保护套标识的地平线齐平，土壤表面过高或过低均会降低测量值的准确性。

3 土壤水分观测站维护

3.1 日常维护

（1）应始终确保土壤水分观测站相关设备始终处于连续运行状态，每天9时和17时前10 min对计算机显示的实时观测数据进行检查，判断数据是否正常。

（2）结合业务需求，每周巡视观测场、土壤水分观测仪等设备1～2次。

（3）每天20时利用土壤水分观测仪计算机终端对前1 d数据采集的完整性、准确性情况进行检查，一旦发现数据缺失需及时进行补充，还要第一时间向省级信息技术保障中心报告异常数据。

（4）每日准确记录观测簿，在业务传输软件的基础上上传规定的气象报文，以编制气象记录报表和制作数据文件。

（5）若是水分观测仪出现故障，应在值班日志中进行详细记录，结合故障状况联系生产常见问题进行必要处理。

（6）在对比人工观测数据期间，应将记录和分析人工与自动观测数据工作做好，同时完成数据文件的制作和编制气象记录报表，并将规定气象报文借助于业务传输软件进行上传。

3.2 场地维护

在土壤水分观测站点中，包含规定地段、作物地段的土壤水分观测工作，因安装设备场地较为特殊和供电方式的独特性，在场地日常维护中，需做好以下工作。

（1）定期维护仪器，自动土壤水分观测仪，传感器、采集和整机每年定期进行至少1次的全面检查，主要是查看采集器箱，空气开关是否处于启动保护而分开状态，采集器/转换模块/通信模块指示灯的显示状态；在对机箱内设备进行清洁时应选择毛刷；查看各个电缆的破损情况，各接线处连接松动情况；还要对供电和防雷设施进行检查。每3个月取出安装管SDI-12接口处的干燥剂，利用烘箱烤干后重新放好。另外，在春季需对防雷设施的有效性进行检查，还要多次测量接地电阻值，以将雷电对仪器设备的危害程度降到最低。

（2）根据规定对传感器进行查看，始终确保其完好性水平，防止出现超检。

（3）针对无人值守的自动土壤水分观测仪，其每月1次的现场维护和检查会由上级部门派遣专人负责，并将检查和维护情况详细记录到值班日记中，还要在备注栏中摘入对观测数据有影响的情况。

（4）对于备份器件、设备应交由专人保管，始终确保存放同规定要求相符。

（5）因传感器周边土壤长期不耕作，特别是对于黏土来说，在严重干旱时会造成土壤龟裂。为了避免这种情况出现，每年农田耕作的过程中，可以选择铁锹翻出土壤水分传感器周围半径50 cm范围内深度在20～30 cm处的土壤，并将土块砸碎，对照原有的土层进行回填压实，压实后将虚土覆盖1～2 cm厚；或是在超过20 mm的降水停止72 h后，做好传感器四周半径50 cm范围内的松土工作。若传感器四周土壤出现龟裂，可直接取出传感器四周半径50 cm范围深度的10～20 cm土壤，砸碎土块后，对照原土层回填压实，之后覆盖虚土。若是春季观测场内存在较深的积雪，应及时将其清除干净。禁止选用砂石、杂草等物覆盖在传感器及四周土壤上。