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吉林省中西部旱情应急监测系统工程建设研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/1/7 9:06:15  

摘要:吉林省是全国易旱省份之一,中西部地区素有“十年九旱”之说。旱情监测一直以人工监测方式进行,严重影响着抗旱工作的顺利进行。吉林省中西部旱情应急监测系统的建设与运行,为土壤墒情监测自动化的实现奠定了坚实基础。对工程的建设与运行进行了技术总结,提出了实现墒情监测自动化必须具备的11 个条件,以期对全国土壤墒情监测自动化的早日实现起到有力的推动。

关键词:旱情应急监测系统;建设;运行;吉林省

1 基本概况

吉林省是全国易旱省份之一,中西部地区素有“十年九旱”之说,近年来,几乎年年有旱情发生,并且干旱灾害造成的损失逐年递增。多年来,吉林省的墒情监测始终以人工监测的方式进行,严重影响了抗旱工作的顺利进行。2014年,吉林省中西部发生了较为严重的伏旱,吉林省墒情监测中心启动了旱情应急监测Ⅲ级响应。但是,由于旱情应急监测是通过人工监测的方式进行,呈现出信息量有限、时效性差、精度低、费时、费力等问题。灾情过后,省水利厅通过省财政厅批准,从国家特大抗旱补助费中安排资金400 万元,用于中西部墒情自动监测系统建设,取名吉林省中西部旱情应急监测系统工程。工程建设内容包括88处自动墒情站、1处省墒情中心信息服务平台、6处墒情分中心终端、1处省防终端、1处厅领导终端。工程于2015年底建设完成。按照国家水文设施验收规程规定,新建水文工程应进行一个汛期的试运行才能进行工程竣工验收,2016年为试运行期。目前工程已投入正常运行,效果良好。

2 工程建设

截至2014 年年底,国内仪器厂家生产的土壤水分采集仪的监测精度尚未达到生产要求,停留在只能定性观察旱情的变化趋势,不能用自动监测数据进行不同干旱等级对应的受旱耕地面积的定量计算,这就给工程建设造成了很大麻烦。如果按照常规程序进行工程建设或硬性进行工程建设,就有可能重蹈防指一期工程墒情自动监测系统的老路。工程建成后,为了保证系统的监测精度能够满足吉林省旱情分析要求,真正实现墒情监测自动化,先后开展了墒情监测仪器选型、墒情监测仪器监测误差控制研究、墒情监测仪器公式拟合形式研究、墒情监测仪器监测误差研究、墒情监测仪器参数调整研究、墒情自动监测系统运行与维护技术规程研究等多项墒情监测仪器应用技术的研究;先后开展了室内对比观测、野外对比观测、实地考察仪器厂家、仪器安装技术攻关、仪器应用对比实验、仪器安装工具研制、仪器安装方法等研究,均取得了前所未有的突破性成果。

在仪器选型上,通过市场调查、室内对比观测、野外对比观测、仪器厂家实地考察、仪器应用对比实验,最终确定插管式土壤水分采集仪作为本工程的备选仪器。在仪器监测精度控制研究中,首次提出根据旱情分析的实际需求,反推误差控制标准,即用烘干法与仪器法监测数据的相对误差≤±15%,测点合格率>90%作为仪器误差控制标准,这在国内尚属首例。在墒情监测仪器公式拟合形式的研究中,首次提出幂指数形式优于三次多项式的观点,提出了幂指数形式具有的三大优点。在墒情监测仪器监测误差研究中,首次提出仪器的监测误差由4 种误差组成,即仪器的固有误差、仪器的安装误差、仪器与被测对象的耦合误差和人为误差,提出了消除或降低这些误差的有效办法,应用后取得良好效果。在墒情监测仪器参数调整研究中,首次提出“调一点,管一线”的观点,大大降低了仪器公式野外率定的工作量和缩短了率定时间。在墒情自动监测系统运行与维护方面,研究总结出幂指数的插管式墒情监测仪器应用技术规程,应用后收到良好效果,大大提高了系统的监测精度。在墒情信息应用方面,提出基于GIS 平台实现不同干旱等级对应受旱耕地面积等值分析计算并实现了这一目标。

3 工程试运行

3.1 监测精度

2016 年春土壤解冻后,系统进入试运行状态。逐站开展了烘干法与仪器法的对比观测、仪器公式参数调整、插管式自动墒情站运行与维护技术规程的研究。2017 年系统进入运行状态。目前,88 处自动墒情站中,仪器监测精度均达到工程建设之初提出的精度要求,测站合格率达到100%,而在没有应用技术规程之前,测站合格率只有26.5%。应用技术规程前、后的部分测站合格率统计详见表1 和表2。

3.2 系统实现的功能

(1)系统实现了不同干旱等级对应受旱耕地面积等值分析与计算功能,并生成不同干旱等级受旱耕地面积等值分析计算成果图(见图1)和受旱面积成果表,吉林省中西部受旱面积统计见表3。使墒情信息服务的质量与水平得到大幅度提高。

(2)系统实现了远程调整仪器参数功能,研究提出的“调一点管一线”的参数调整新方法,使参数调整变得轻松、容易起来,大大降低了系统的运行成本。

(3)系统实现了远程监视仪器运行状态功能,提高了仪器的运行可靠性。报警控制条件:①土壤相对湿度超过100%时;②仪器一天不上报监测数据时;③ 仪器电池电压<3.2V 或电压>4V 时。

(4)系统实现了对监测信息的接收、存储、显示、查询、统计、打印、上传以及系统设置、测站管理等功能。

4 技术总结

(1)仪器公式是幂指数形式。幂指数函数具有自己的三大优点:①幂指数适用于连续型函数,仪器介电参数与土壤含水量之间恰恰存在着内在的、一一对应的函数关系;②公式中各参数的数学概念清楚;③公式参数可以调整,使得提高仪器监测精度的目标变成现实。三次多项式不具有幂指数函数的优点,公式参数很难调整,仪器的监测精度也就无法得到提高。仪器公式选用幂指数形式(y=axb+c),而不是三次多项式(y=ax3+bx2+cx+d)。

(2)仪器公式分层设置。根据《土壤墒情监测规范》(SL364—2006)规定,墒情监测分3 层同时进行,因此,一台仪器必须同时设置3 组公式参数,分别用于计算不同土层的土壤含水量。只有这样,参数调整才能变得容易。否则,无法进行参数调整。

(3)用灌浆排气法将插管式土壤水分监测仪器安装到现场。从仪器监测土壤含水量的原理可知,影响插管式墒情监测仪器监测精度的主要因素是仪器外壳与土壤间的空气介层。只有把此间的空气排除掉,仪器的监测精度才能提高。实践证明,用灌浆排气法安装仪器效果良好。

(4)对仪器进行逐站对比观测,并对仪器公式参数进行调整,使其适合该站土壤特性。仪器公式参数是在实验室条件下率定出来的,而实验室的土壤是经过人工处理过的,与实际农田的土壤存在很大差异。实践证明,这种差异最终通过公式参数表现出来,只有逐站进行对比观测,并调整公式参数,才能使仪器的公式参数适合该站土壤特性,从而提高仪器的监测精度。

需要强调的是,仪器公式率定或标定在此前的工程规划、工程建设方案制定、以往的学术论文中,都强调在仪器安装到现场后,要求对仪器公式进行率定或标定,并且要满足不同土壤含水量条件下、时间不少于3 个月、数据不少于30 组。实践证明,开展这样的仪器公式的率定或标定工作非常难,遇到的客观问题根本无法得到解决。这种观点需要转变。因此,要想实现墒情监测自动化,必须在理论与实践之间找到具有可操作性的解决方案。本文提出的“调一点管一线”的参数调整新方法很好解决了理论与实践的矛盾。如果使用仪器公式形式是幂指数的监测仪器,只需进行1~3 组对比观测,根据对比观测结果进行仪器参数调整,就可使仪器的监测精度达到要求。

(5)仪器参数调整实现远程控制。仪器参数调整要在省中心信息服务平台上进行,不能在站点调整。实践证明,每个站都可能进行参数调整,否则仪器的监测精度达不到要求。本工程在没有进行参数调整的情况下,测站合格率只有26.5%,而且,如果不能实现在后台调整参数,那么系统的运行成本将会大幅度提高。

(6)规范自动墒情站运行与维护操作规程。包括:自动墒情站运行与维护技术要点、自动墒情站仪器安装技术要点、自动墒情站对比观测人工取样技术要点、自动墒情站仪器参数调整技术要点、测站管理技术要点、仪器法测定田间持水量技术要点,应用后效果良好。如果不按照这些要点去做,就无法得到满意的监测精度和具有代表性的自动监测数据。

(7)自动墒情站要建设在具有代表性的农田里。想要保证监测数据的代表性,一定要根据当地的地形地貌、土壤类型、农作物种类、地下水埋深等,把仪器安装在具有代表性的农田里。只有这样,监测到的墒情数据才能用于不同干旱等级对应受旱耕地面积的计算,否则,分析计算出来的受旱耕地面积与实际情况就会存在很大差距,成果失去真实性。

(8)测站管理要跟上。自动墒情站虽然建在农田里,如果测站管理跟不上,监测数据虽然能满足精度要求,但也会失去代表性。测站管理主要包括及时松土、除草、灌溉(当农田进行大范围灌溉时,要带上测站同时进行灌溉)、附属设施维护等。

(9)测站设备设施的安全保障措施。本工程在各自动墒情站安装了全景摄像头(假的),为防止仪器被盗、被破坏起到了很好的震慑和警示作用,并在支架上安装了警示牌,上书“xx 墒情监测站抗旱监测设施受法律保护,任何单位和个人不得侵占和破坏吉林省人民政府防汛抗旱指挥部”。实践证明,震慑和警示作用明显,工程建完一年多了,尚未发现被盗、被破坏现象,保证了仪器正常运行。

(10)专业的系统运行与维护人员。负责系统运行的维护人员一定要懂技术、肯钻研、心细、肯吃苦。熟练掌握仪器安装技术、对比观测技术、仪器参数调整技术、系统运行故障判断与排除技术等。否则,难以保证系统的正常运行。

(11)经费保障。系统运行费主要包括差旅费、测站基础设施维修费及看护费、测站设施占地补偿费、仪器维护维修费、通信费等,其中差旅费占比较大的比重。

参考文献

[1] 中华人民共和国水利部. 土壤墒情监测规范(SL364- 2006)[S].2066.

[2] 辛玉琛,王洪义,杨春生,等. 插管式土壤水分采集仪应用研究[J]. 水利技术监督,2016,24(4):40-43.

[3] 辛玉琛,周璐. 如何提高插管式土壤水分采集仪的监测精度[J].吉林水利,2017(2):30-35.

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