吉林省國際河流水文站網(wǎng)建設(shè)匯報

1、吉林省墑情監(jiān)測中心 2015年11月,土壤水分監(jiān)測儀器監(jiān)測精度研究,辛玉琛,,匯報主要內(nèi)容：,,,? 開展監(jiān)測精度研究的必要性? 精度研究? 技術(shù)改進(jìn) ? 結(jié)論及建議? 后續(xù)研究,儀器應(yīng)用現(xiàn)狀開展精度研究的必要性,一. 開展研究的必要性,一. 開展研究的必要性,儀器應(yīng)用現(xiàn)狀：防指一期工程市場準(zhǔn)入,一. 開展研究的必要性,開展精度研究的必要性：提高站網(wǎng)密度——逐步實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面轉(zhuǎn)換改進(jìn)監(jiān)測手段——人工監(jiān)測→自動監(jiān)測

2、提高服務(wù)時限——隨要隨報,二. 精度研究,針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,移動式土壤水分采集儀對比觀測現(xiàn)場,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,表1 移動式土壤水分采集儀對比觀測統(tǒng)計表 單位：%,注：控制標(biāo)準(zhǔn)±15%是在滿足吉林省旱情分析最低要求的條件下制定出來的，下同。,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,經(jīng)統(tǒng)計:

3、 移動式土壤水分采集儀對比觀測中,廠家1的合格率為0；廠家2合格率為11.1%。,固定式土壤水分采集儀對比觀測現(xiàn)場,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,表2 固定式土壤水分采集儀對比觀測統(tǒng)計表 單位：%,1.針對旱情應(yīng)急監(jiān)測開展對比觀測,經(jīng)統(tǒng)計: 固定式土壤水分采集儀對比觀測中3家公司的合格率分別為56.3%、37.5%、4.2%；,2.針對吉林省中西部旱情應(yīng)

4、急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,室內(nèi)土壤水分采集儀對比觀測現(xiàn)場,2.針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,表3 室內(nèi)土壤水分采集儀對比觀測統(tǒng)計表 (單位：%),2.針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,經(jīng)統(tǒng)計: 室內(nèi)對比觀測中4家公司的合格率分別為22.2%、22.2%、55.6%、33.3%。,2.針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,野外土壤水分采集儀對比觀測現(xiàn)場,2.

5、針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,2.針對吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)開展對比觀測,經(jīng)統(tǒng)計: 野外對比觀測中3家公司的合格率分別為77.8%、74.1%、59.3%。；,改進(jìn)儀器外形；改進(jìn)儀器安裝方法；,三. 技術(shù)改進(jìn),三. 技術(shù)改進(jìn),改進(jìn)儀器外形：,三. 技術(shù)改進(jìn),改進(jìn)儀器安裝方法——螺旋鉆打孔，灌漿排氣法安裝儀器。,三. 技術(shù)改進(jìn),三. 技術(shù)改進(jìn),三. 技術(shù)改進(jìn),經(jīng)統(tǒng)計: 用灌漿排氣法

6、安裝儀器，對比觀測合格率為75.0%。,監(jiān)測精度不夠理想，難以滿足生產(chǎn)要求。但有一種儀器前景看好。監(jiān)測儀器要經(jīng)過野外對比觀測的驗(yàn)證才能決定是否投入使用；0～100%的土壤含水量監(jiān)測范圍不科學(xué)；移動監(jiān)測儀器存在的問題有待進(jìn)一步解決；其它需要解決的問題。,四. 結(jié)論及建議,1. 監(jiān)測精度不夠理想，難以滿足生產(chǎn)要求；但有一種儀器前景看好 以吉林省開展的對比觀測為例，目前已建立了25個站的土壤墑情評價指標(biāo)。而在中西

7、部的易旱區(qū)，各站的每個干旱等級對應(yīng)的土壤含水量的變化區(qū)間絕大部分都在2.0%左右，最小的變化區(qū)間是1.6%。如果用目前精度的監(jiān)測儀器監(jiān)測土壤含水量，其結(jié)果就是：本來是中旱，監(jiān)測結(jié)果就可能是適墑或是特大干旱，中間跨越了輕度干旱或嚴(yán)重干旱；本來是輕度干旱，監(jiān)測結(jié)果就可能是嚴(yán)重干旱或水分過多，有的則更糟，甚至?xí)缭絻蓚€干旱等級，用這樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行旱情分析和受旱耕地面積計算顯然是不科學(xué)的。 插管式土壤水分采集儀通過灌漿排氣法安裝

8、儀器，其監(jiān)測精度有望達(dá)到生產(chǎn)要求，前景看好。從表中可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，誤差波動小且接近控制標(biāo)準(zhǔn)，合格率已達(dá)75%。,四. 結(jié)論及建議,四. 結(jié)論及建議,2.監(jiān)測儀器要經(jīng)過野外對比觀測的驗(yàn)證才能決定是否投入使用 從儀器監(jiān)測土壤含水量的原理可知，即使儀器通過了檢測中心的檢測，也不能直接用于生產(chǎn)。因?yàn)闄z測中心的檢測方法和儀器廠家標(biāo)定公式的方法均屬于實(shí)驗(yàn)室法，土壤都是經(jīng)過人工處理后才進(jìn)行儀器檢測或公式標(biāo)定，具有明顯的半經(jīng)驗(yàn)

9、半理論的特征。用這樣的儀器監(jiān)測實(shí)際農(nóng)田的土壤含水量一定會產(chǎn)生誤差，此前開展的對比觀測結(jié)果已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。所以，儀器投入使用前，一定要進(jìn)行野外對比觀測的檢驗(yàn)。,四. 結(jié)論及建議,3. 0～100%的土壤含水量監(jiān)測范圍不科學(xué) 目前儀器廠家提供的技術(shù)參數(shù)中土壤含水量監(jiān)測范圍都是0～100%。表面看這樣的儀器很有吸引力，事實(shí)上這樣的儀器不可選。目前廠家標(biāo)定的儀器公式多數(shù)是三次多項(xiàng)式或冪指數(shù)形式。下圖是某廠家監(jiān)測儀器在吉林省墑情監(jiān)

10、測中心實(shí)驗(yàn)地塊測得的儀器電壓與土壤含水量的關(guān)系圖。可以看出，關(guān)系點(diǎn)呈不同變化趨勢的帶狀，關(guān)系線上各點(diǎn)曲率不同，實(shí)測點(diǎn)與擬合曲線的誤差大小也不同。在抗旱的實(shí)際工作中，最受關(guān)注的是土壤出現(xiàn)輕旱以后的土壤含水量的變化。對于吉林省來說，最受關(guān)注的土壤含水量變化范圍是5%～15%，往下往上標(biāo)定公式都沒有實(shí)際意義。相反由于標(biāo)定的范圍是0～100%的整個區(qū)間，很容易造成5%～15%有效區(qū)間的誤差增大。如果只針對有意義區(qū)間進(jìn)行公式標(biāo)定，其公式形式很有可

11、能不是整個區(qū)間的公式形式，監(jiān)測精度也會隨之提高。因此，建議儀器廠家在標(biāo)定儀器公式時事先了解儀器使用者所在地不同干旱等級的土壤含水量變化區(qū)間，有針對性的進(jìn)行儀器公式標(biāo)定。并在產(chǎn)品說明書中說明，讓用戶有所選擇。這是提高儀器監(jiān)測精度的有效途徑之一。,四. 結(jié)論及建議,四. 結(jié)論及建議,某廠家監(jiān)測儀器電壓與土壤含水量關(guān)系圖,4.移動監(jiān)測儀器存在的問題有待進(jìn)一步解決 （1）插管式移動監(jiān)測儀器 針對插管式移動監(jiān)測儀器難以

12、承擔(dān)移動監(jiān)測任務(wù)的實(shí)際問題，建議對固定插管式儀器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)移動監(jiān)測之目的。具體思路是：把固定儀器的集成部分與儀器外殼分離，做成即插即拔的形式，同時加工若干個能夠密封的儀器外殼與監(jiān)測儀器配合使用。當(dāng)要開展移動監(jiān)測時，事先將儀器外殼用灌漿排氣法把外殼安裝到監(jiān)測地塊并達(dá)到穩(wěn)定期。開始監(jiān)測時，只需帶著移動儀器到達(dá)監(jiān)測地塊，打開儀器外殼，取出集成部分，插到監(jiān)測地塊的儀器外殼里即可開始監(jiān)測工作，測完后拔出集成部分裝回到運(yùn)輸外殼，封好監(jiān)測地塊的儀

13、器外殼，監(jiān)測工作結(jié)束。這樣既快捷，又避免了在干旱時人工鉆孔的麻煩。,四. 結(jié)論及建議,（2）插針式移動監(jiān)測儀器 插針式移動監(jiān)測儀器存在的主要問題是傳感器探針難以準(zhǔn)確、輕易地插入目的層。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，水平插入時需開挖一個比較大的土坑，才能把40cm的探針插入目的層，費(fèi)時、費(fèi)力、損壞莊稼；垂直插入時，目的層難以控制。當(dāng)土壤出現(xiàn)干旱時，土壤板結(jié)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，其硬度象石頭一樣，單靠人手的力量，探針根本插不進(jìn)土壤里。而且移動式監(jiān)測

14、儀器多數(shù)是在土壤出現(xiàn)干旱時使用，建議廠家解決探針插入困難的問題。,四. 結(jié)論及建議,5. 其它需要解決的問題 （1）儀器準(zhǔn)確度如何控制 現(xiàn)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2006）規(guī)定，對不同類型的傳感器在使用前均應(yīng)按常規(guī)的率定方法來率定檢驗(yàn)。土壤含水量的量測誤差應(yīng)為｜δ｜≤2.5% ，這一誤差標(biāo)準(zhǔn)不能有效控制儀器的市場準(zhǔn)入,吉林省就是一個明顯例子。建議修訂規(guī)范，由絕對誤差控制改為相對誤差控制，并確定具體的相對誤差

15、值，或根據(jù)本省不同干旱等級對應(yīng)的土壤含水量變化范圍而定。就吉林省而言，監(jiān)測儀器的準(zhǔn)確性要滿足± 15%的相對誤差時才能投入實(shí)際應(yīng)用。即吉林省對儀器的準(zhǔn)確性控制標(biāo)準(zhǔn)是± 15%相對誤差。,四. 結(jié)論及建議,（2）儀器平均無故障時間如何控制 建議將規(guī)范中儀器平均無故障時間由25000小時增至50000小時，即實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行期至少達(dá)到3-5年。25000小時不過是3年的時間，而從建設(shè)、試運(yùn)行到投入正常運(yùn)行就得1

16、年半到2年，儀器進(jìn)入正常運(yùn)行期1年多就開始出現(xiàn)故障，不夠科學(xué)。,四. 結(jié)論及建議,（3）儀器檢測機(jī)制需要完善 建議在儀器檢測中心增加野外對比觀測檢測環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)室檢測合格的儀器不經(jīng)過實(shí)際對比觀測不能直接用于生產(chǎn)，所以應(yīng)把這一環(huán)節(jié)納入檢測范圍，應(yīng)把它放在儀器出廠前進(jìn)行，而不應(yīng)放在出廠后。這也是提高儀器監(jiān)測精度的有效途徑之一,四. 結(jié)論及建議,針對插管式土壤水分采集儀開展的后續(xù)研究 （用螺旋鉆打孔，環(huán)刀鉆切削鉆孔，

17、灌漿排氣法安裝儀器）,五. 后續(xù)研究,五.后續(xù)研究,大棚內(nèi) 大棚外,五.后續(xù)研究,某公司監(jiān)測儀器電壓與土壤含水量關(guān)系圖,五.后續(xù)研究,五.后續(xù)研究,五.后續(xù)研究,五.后續(xù)研究,五.后續(xù)研究,經(jīng)統(tǒng)計: 用螺旋鉆打孔，環(huán)刀鉆切削鉆孔，灌漿排氣法安裝儀器，對比觀測合格率為: 棚內(nèi)固定設(shè)備：100%； 棚內(nèi)移動設(shè)備：93.1%； 棚外固定設(shè)備：93.1%。,五.后續(xù)研

18、究,結(jié)論： 插管式土壤水分采集儀通過冪指數(shù)函數(shù)擬合公式，用螺旋鉆打孔，環(huán)刀鉆切削鉆孔，灌漿排氣法安裝儀器，適時進(jìn)行對比觀測和參數(shù)微調(diào)，用滿足旱情分析要求的誤差做控制等一系列操作，可以達(dá)到旱情分析對數(shù)據(jù)的精度要求。,五.后續(xù)研究,插管式土壤水分采集儀使用三字經(jīng) 插管式，形簡單。頻域法，觸面寬。高集成，科技含。先標(biāo)定，初定參。 擬公式，冪指函。想應(yīng)用，對比關(guān)。定誤差，靠實(shí)踐。固定站，怎么辦？ 環(huán)刀鉆，灌漿安。

19、穩(wěn)定期，七八天。試運(yùn)行，微調(diào)參。調(diào)參期，三五天。 運(yùn)行期，偶檢驗(yàn)。第二年，要調(diào)參。誤差大，重新安。誤差小，微調(diào)參。 合要求，照運(yùn)轉(zhuǎn)。移動站，怎么辦？先安殼，后測驗(yàn)。各環(huán)節(jié)，同固站。 此程序，環(huán)扣環(huán)。想偷工，必遇難。此循環(huán)，很簡單。保精度，照此辦。,五.后續(xù)研究,需要強(qiáng)調(diào)的是： 土壤水分監(jiān)測儀器不同于其它儀器儀表，它能否應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，解決生產(chǎn)實(shí)際問題，不僅取決于儀器出廠時要性能穩(wěn)定，各項(xiàng)介電參數(shù)穩(wěn)定，標(biāo)定的公式

20、形式是冪指數(shù)形式，經(jīng)過檢測中心檢測合格；還取決于使用過程中，能否嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行安裝、調(diào)試、檢驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)與管理，每一環(huán)節(jié)都不能疏忽或漏掉。否則，監(jiān)測精度難以保證。,五.后續(xù)研究,需要強(qiáng)調(diào)的是： 土壤水分監(jiān)測儀器不同于其它儀器儀表，它能否應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，解決生產(chǎn)實(shí)際問題，不僅取決于儀器出廠時要性能穩(wěn)定，各項(xiàng)介電參數(shù)穩(wěn)定，標(biāo)定的公式形式是冪指數(shù)形式，經(jīng)過檢測中心檢測合格；還取決于使用過程中，能否嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行安裝、