吉林省國(guó)際河流水文站網(wǎng)建設(shè)匯報(bào)

1、吉林省墑情監(jiān)測(cè)中心 2015年11月,土壤水分監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)精度研究,辛玉琛,,匯報(bào)主要內(nèi)容：,,,? 開(kāi)展監(jiān)測(cè)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(kāi)展精度研究的必要性,一. 開(kāi)展研究的必要性,一. 開(kāi)展研究的必要性,儀器應(yīng)用現(xiàn)狀：防指一期工程市場(chǎng)準(zhǔn)入,一. 開(kāi)展研究的必要性,開(kāi)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(cè)手段——人工監(jiān)測(cè)→自動(dòng)監(jiān)測(cè)

2、提高服務(wù)時(shí)限——隨要隨報(bào),二. 精度研究,針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè)針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),移動(dòng)式土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng),1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),表1 移動(dòng)式土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表 單位：%,注：控制標(biāo)準(zhǔn)±15%是在滿(mǎn)足吉林省旱情分析最低要求的條件下制定出來(lái)的，下同。,1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),經(jīng)統(tǒng)計(jì):

3、 移動(dòng)式土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)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(duì)比觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng),1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),表2 固定式土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表 單位：%,1.針對(duì)旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),經(jīng)統(tǒng)計(jì): 固定式土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)中3家公司的合格率分別為56.3%、37.5%、4.2%；,2.針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)

4、急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),室內(nèi)土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng),2.針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),表3 室內(nèi)土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表 (單位：%),2.針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),經(jīng)統(tǒng)計(jì): 室內(nèi)對(duì)比觀測(cè)中4家公司的合格率分別為22.2%、22.2%、55.6%、33.3%。,2.針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),野外土壤水分采集儀對(duì)比觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng),2.

5、針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),2.針對(duì)吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)開(kāi)展對(duì)比觀測(cè),經(jīng)統(tǒng)計(jì): 野外對(duì)比觀測(cè)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(jì): 用灌漿排氣法

6、安裝儀器，對(duì)比觀測(cè)合格率為75.0%。,監(jiān)測(cè)精度不夠理想，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。但有一種儀器前景看好。監(jiān)測(cè)儀器要經(jīng)過(guò)野外對(duì)比觀測(cè)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(cè)范圍不科學(xué)；移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器存在的問(wèn)題有待進(jìn)一步解決；其它需要解決的問(wèn)題。,四. 結(jié)論及建議,1. 監(jiān)測(cè)精度不夠理想，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求；但有一種儀器前景看好 以吉林省開(kāi)展的對(duì)比觀測(cè)為例，目前已建立了25個(gè)站的土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)。而在中西

7、部的易旱區(qū)，各站的每個(gè)干旱等級(jí)對(duì)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(cè)儀器監(jiān)測(cè)土壤含水量，其結(jié)果就是：本來(lái)是中旱，監(jiān)測(cè)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(lái)是輕度干旱，監(jiān)測(cè)結(jié)果就可能是嚴(yán)重干旱或水分過(guò)多，有的則更糟，甚至?xí)缭絻蓚€(gè)干旱等級(jí)，用這樣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行旱情分析和受旱耕地面積計(jì)算顯然是不科學(xué)的。 插管式土壤水分采集儀通過(guò)灌漿排氣法安裝

8、儀器，其監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，誤差波動(dòng)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(cè)儀器要經(jīng)過(guò)野外對(duì)比觀測(cè)的驗(yàn)證才能決定是否投入使用 從儀器監(jiān)測(cè)土壤含水量的原理可知，即使儀器通過(guò)了檢測(cè)中心的檢測(cè)，也不能直接用于生產(chǎn)。因?yàn)闄z測(cè)中心的檢測(cè)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(guò)人工處理后才進(jìn)行儀器檢測(cè)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(cè)實(shí)際農(nóng)田的土壤含水量一定會(huì)產(chǎn)生誤差，此前開(kāi)展的對(duì)比觀測(cè)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(duì)比觀測(cè)的檢驗(yàn)。,四. 結(jié)論及建議,3. 0～100%的土壤含水量監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)儀器在吉林省墑情監(jiān)

10、測(cè)中心實(shí)驗(yàn)地塊測(cè)得的儀器電壓與土壤含水量的關(guān)系圖?？梢钥闯觯P(guān)系點(diǎn)呈不同變化趨勢(shì)的帶狀，關(guān)系線(xiàn)上各點(diǎn)曲率不同，實(shí)測(cè)點(diǎn)與擬合曲線(xiàn)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(duì)于吉林省來(lái)說(shuō)，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(méi)有實(shí)際意義。相反由于標(biāo)定的范圍是0～100%的整個(gè)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(duì)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(gè)區(qū)間的公式形式，監(jiān)測(cè)精度也會(huì)隨之提高。因此，建議儀器廠家在標(biāo)定儀器公式時(shí)事先了解儀器使用者所在地不同干旱等級(jí)的土壤含水量變化區(qū)間，有針對(duì)性的進(jìn)行儀器公式標(biāo)定。并在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中說(shuō)明，讓用戶(hù)有所選擇。這是提高儀器監(jiān)測(cè)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(cè)儀器電壓與土壤含水量關(guān)系圖,4.移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器存在的問(wèn)題有待進(jìn)一步解決 （1）插管式移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器 針對(duì)插管式移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器難以

12、承擔(dān)移動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)際問(wèn)題，建議對(duì)固定插管式儀器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)加工若干個(gè)能夠密封的儀器外殼與監(jiān)測(cè)儀器配合使用。當(dāng)要開(kāi)展移動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，事先將儀器外殼用灌漿排氣法把外殼安裝到監(jiān)測(cè)地塊并達(dá)到穩(wěn)定期。開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)，只需帶著移動(dòng)儀器到達(dá)監(jiān)測(cè)地塊，打開(kāi)儀器外殼，取出集成部分，插到監(jiān)測(cè)地塊的儀器外殼里即可開(kāi)始監(jiān)測(cè)工作，測(cè)完后拔出集成部分裝回到運(yùn)輸外殼，封好監(jiān)測(cè)地塊的儀

13、器外殼，監(jiān)測(cè)工作結(jié)束。這樣既快捷，又避免了在干旱時(shí)人工鉆孔的麻煩。,四. 結(jié)論及建議,（2）插針式移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器 插針式移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器存在的主要問(wèn)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(shí)需開(kāi)挖一個(gè)比較大的土坑，才能把40cm的探針插入目的層，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、損壞莊稼；垂直插入時(shí)，目的層難以控制。當(dāng)土壤出現(xiàn)干旱時(shí)，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(dòng)式監(jiān)測(cè)

14、儀器多數(shù)是在土壤出現(xiàn)干旱時(shí)使用，建議廠家解決探針插入困難的問(wèn)題。,四. 結(jié)論及建議,5. 其它需要解決的問(wèn)題 （1）儀器準(zhǔn)確度如何控制 現(xiàn)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）規(guī)定，對(duì)不同類(lèi)型的傳感器在使用前均應(yīng)按常規(guī)的率定方法來(lái)率定檢驗(yàn)。土壤含水量的量測(cè)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(chǎng)準(zhǔn)入,吉林省就是一個(gè)明顯例子。建議修訂規(guī)范，由絕對(duì)誤差控制改為相對(duì)誤差控制，并確定具體的相對(duì)誤差

15、值，或根據(jù)本省不同干旱等級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤含水量變化范圍而定。就吉林省而言，監(jiān)測(cè)儀器的準(zhǔn)確性要滿(mǎn)足± 15%的相對(duì)誤差時(shí)才能投入實(shí)際應(yīng)用。即吉林省對(duì)儀器的準(zhǔn)確性控制標(biāo)準(zhǔn)是± 15%相對(duì)誤差。,四. 結(jié)論及建議,（2）儀器平均無(wú)故障時(shí)間如何控制 建議將規(guī)范中儀器平均無(wú)故障時(shí)間由25000小時(shí)增至50000小時(shí)，即實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行期至少達(dá)到3-5年。25000小時(shí)不過(guò)是3年的時(shí)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(kāi)始出現(xiàn)故障，不夠科學(xué)。,四. 結(jié)論及建議,（3）儀器檢測(cè)機(jī)制需要完善 建議在儀器檢測(cè)中心增加野外對(duì)比觀測(cè)檢測(cè)環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)合格的儀器不經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比觀測(cè)不能直接用于生產(chǎn)，所以應(yīng)把這一環(huán)節(jié)納入檢測(cè)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(cè)精度的有效途徑之一,四. 結(jié)論及建議,針對(duì)插管式土壤水分采集儀開(kāi)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(cè)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(jì): 用螺旋鉆打孔，環(huán)刀鉆切削鉆孔，灌漿排氣法安裝儀器，對(duì)比觀測(cè)合格率為: 棚內(nèi)固定設(shè)備：100%； 棚內(nèi)移動(dòng)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(guò)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(shí)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)和參數(shù)微調(diào)，用滿(mǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(dòng)站，怎么辦？先安殼，后測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wèn)題，不僅取決于儀器出廠時(shí)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(guò)檢測(cè)中心檢測(cè)合格；還取決于使用過(guò)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(cè)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(cè)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(wèn)題，不僅取決于儀器出廠時(shí)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(guò)檢測(cè)中心檢測(cè)合格；還取決于使用過(guò)程中，能否嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行安裝、