胡淑红 王钦钊 欧阳千林 杨溢

摘要：针对研究区域江西省现有墒情监测站网体系建设中监测站网布设密度、监测能力不足、旱情评价体系不全、监测信息服务平台功能单一、运维模式不能完全满足现阶段防旱抗旱需求等问题，剖析原因并提出了应对策略：优化墒情自动站网监测体系；建设旱情监测服务管理平台；加强墒情监测评估体系研究；优化运维管理。相关经验可供类似地区墒情监测借鉴。

关 键 词：

墒情监测站网； 旱情预警评估； 运维方式； 应对策略

中图法分类号： P237

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.054

0 引 言

土壤墒情是作物根系层的土壤含水量状况［1］，是反映干旱程度的重要指标之一，土壤墒情监测是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源管理利用、防旱抗旱减灾决策的重要基础工作［2］。墒情站是观测土壤含水量变化的水文测站［3］，截至2020年底，中国共建有墒情站4 218处［4］。鉴于全球气候环境变化，极端天气事件发生频次增加等因素影响［5］，中国现有墒情监测站网体系构建已不能完全满足极端干旱事件防御及防旱抗旱减灾决策需求。墒情站网布设方面，SL364-2015《土壤墒情监测规范》规定了墒情站网布设原则、布设密度［6］；孙凯［7］利用聚类分析方法、Davies Bouldin index，分析研究区域内布设固定墒情监测站的位置与数目问题；张成才等［8］在抗旱规划的基础上，优先考虑河南省粮食核心区以及旱灾易发区的分区布设原则；吴迪等［9］运用 ArcGIS 技术，综合考虑山西省地形地貌、农业气候、土壤类型等自然地理属性，以及灌溉和雨养农业区、粮食主产区、易旱区等空间分布特点，提出了基于多源信息的土壤墒情站网规划布设原则和方法；姜波等［10］综合考虑农业气候、地形地貌、土壤类型、农业灌溉和易旱程度等特点，分区规划了吉林省墒情站网；黄艳艳［11］提出了遥感数据主导的地面固定墒情站网的优化布局方法，以及考虑了遥感信息的地面墒情站网布设。但目前中国墒情监测站网体系仍存在站网密度不足、覆盖不全，监测能力不足，旱情评价体系不全等问题。鉴于此，本文选取属亚热带湿润季风气候区、降水丰沛但时空分布不均、干旱灾害多发频发的江西省为研究区域，分析墒情监测站網体系现状及存在问题，研究应对策略，为健全完善中国墒情监测站网体系提供参考。

1 墒情监测站网体系

1.1 站 网

目前，江西省范围内共建有墒情自动监测固定站106处。其中一期68站分别于2004年建成30处、2009年建成38处（含墒情试验站2处），已建成投产十多年，部分站点周边环境发生改变，墒情监测失去代表性，部分站点传感器等设备严重老化。2020年9月完成一期68处站点升级改造。二期墒情自动监测站于2016年建成38处，2020～2022年8月底分批完成了二期站点改造。江西省墒情自动监测固定站网分布见图1。

2016年11月建成墒情移动人工监测站点397处，未安装固定设备，仅供临时取土分析。

1.2 墒情监测信息服务平台

墒情监测信息服务平台主要设置“实时墒情”“墒情简报”“查询服务”“数据维护”四大功能，通过“实时墒情”中墒情信息、土壤相对湿度、区域旱情三大板块，可了解各墒情站点具体干旱程度；可查询各站日、月、年报表数据，为旱情分析统计提供支持；异常数据可报警人工维护，平台初步实现墒情在线监测，能够有效地反映土壤旱情的分布情况及干旱程度。

1.3 2022年防旱抗旱服务情况

自8月16日起，有效运用106处固定墒情站监测成果，首次全面开展全省397处移动墒情站数据监测分析，完成人工墒情数据采集2 392次，细化表征了全省各区域墒情变化情况。

基于106处固定墒情站和397处移动墒情站监测成果，江西水文根据相关气象信息，利用土壤墒情预报模型，首创开展10天预报、10天预测、10天展望“三个10天”的墒情滚动预报，预警预报全省旱情演变情况。

墒情平台提供了实时墒情监测信息、土壤相对湿度变化分析、省市区域土壤相对湿度分布图、墒情简报、墒情业务报表数据的查询统计等服务支撑（见图2）。

2 存在的主要问题

2.1 站网布设密度、监测能力不足

（1） 站网布设密度不足。江西省位于中国地形的第三级阶梯中，整体地形地貌以丘陵地貌为主，现有固定墒情站106处，墒情站网密度约为1.07站/县、1 575 km2/站，远未达到相关最低站网密度布设要求。根据SL365-2015《土壤墒情监测规范》以及SL34-2013《水文站网规划技术导则》中布设最低密度要求，江西省作为国家粮食主产区、易旱地区，墒情站网最低密度要求为“一般地区2～3站/县，国家粮食主产区、水资源短缺地区、易旱地区3～5站/县”“丘陵区，单站控制耕作面积100～500 km2”。依据《全国抗旱规划》（2011年）中布设要求，固定站按全国受旱县每县5处，其他县每县3处进行布设。站网密度尚未能控制区域内代表作物土壤含水量时空变化特征，南坡和北坡、坡上和坡下土壤含水量变化不同，无法等同于大田管理尺度平均根区土壤含水量。

（2） 监测能力不足。江西省现有墒情站点503处，但自动化监测未能全覆盖，章贡区、安源区、东湖区、信州区、庐山市、九江县等12个县（市区）无固定自动监测墒情站点。固定站点监测数据未与遥感等大尺度监测数据融合，区域墒情数据代表性不足。移动人工监测站点需采用人工钻孔取土烘干的监测方式，费时费力，时间、交通成本较高，时效性滞后。

（3） 因人类活动致使站点位置功能变化，部分自动监测站点失去代表性。如上饶市铅山县湖坊站、抚州市宜黄县棠阴站所处位置原为旱地现已改为水田，赣州市定南县天九站原壤土现改建为停车场，墒情监测数据已无参考价值。

2.2 信息服务平台功能单一，旱情评价体系不全

旱情监测评估作为旱灾防御工作的重要支撑，能够有效降低灾害损失。旱情评估的重要手段之一是干旱指标的确定和融合。江西省目前构建的平台实现了土壤墒情在线监测和依据土壤墒情进行旱情评价，但平台缺乏耕地作物分布、提灌工程等基础信息；缺少与气象干旱、水文干旱、农业干旱、经济社会干旱、河流的断流情况、水资源的储蓄情况及水资源的风险调度与精细管理等要素相应的关联；缺少结合耕地作物、提灌工程以及降水分布、地表水、地下水、气温等水文气象因子进行综合旱情评估功能［12］；缺少针对当前土壤干旱情况，结合未来几天的气候状况对江西省的旱情进行预警预报的功能；缺少定性量化的旱情评价指标率定，难以形成闭合完整的旱情监测服务体系。

2.3 总包式运维方式不能完全满足新时期防旱抗旱需求

目前江西省墒情站点运维方式是江西省水文监测中心总包式运维模式，未充分发挥各流域中心的能动性。江西省水文监测中心签约运维公司运行维护基本响应及时，但2022年特大干旱期间少数站点数据异常报修后，受疫情影响未能及时响应，需技术人员插补修正以保证数据质量与时效。

3 应对策略

3.1 优化墒情站网体系建设

（1） 增设墒情自动监测站网。依据《全国抗旱规划》《江西省水文基础设施建设

“十四五”规划》，按照综合考虑江西省农业气候、地形地貌、土壤类型、粮食主产区、易旱区等因素的布设原则，统筹规划，分步实施，实现墒情自动监测站网的全覆盖。

一期建设遵照“每个有耕地的县（市区）至少布设一个基本墒情站”“国家粮食主产区、水资源短缺地区和易旱地区最低布设密度要求”等布设原则，拟于2025年前新建固定自动监测站2处，改造建设有代表性的88 处移动站为固定自动监测站。建成后，填补12个县市区无自动墒情站点空白，自动监测站点将达到196处，基本符合一般地区2～3站/县的要求，全省布设密度为852 km2/站。

二期建设按照江西省粮食主产区分布在36个县（市区），水资源短缺地区5个县区（萍乡市所属县区）［13］，易旱地区有35个县（市区），其中重复20个县（市区），结合“国家粮食主产区、水资源短缺地区和易旱地区最低布设密度要求3～5站/县”的布设原则，及利用聚类分析方法、Davies Bouldin 指标准则［14］，该区域拟增设2站/县，共112处固定自动墒情站，该区域站点增设后基本符合《土壤墒情监测规范》最低布设要求，站点数量能实现最大程度的真实刻画出临近最广区域的墒情状况［7］，全省布设密度为 542 km2/站。

（2） 配置人工便携式自动墒情监测（移动自动墒情监测）设备。按照GB/T 28418－2012《土壤水分（墒情）监测仪器基本技术条件》等有关要求，购置移动自动墒情监测设备18套，每套含墒情监测仪器、通信设备和接收设备3部分［15］，设备均按土壤水分传感器、蓝牙采集仪、手持终端PDA、采集APP软件、取土钻、便携式设备箱等设备统一标准配置。

（3） 迁移失去代表性的自动监测站点。依据站点迁移原则，迁移站点选择地块应为代表性耕作地块，宜选取地形较为平坦区域，首选附近布设的移动墒情站点，移动站点不符合设站要求时，在附近地块再综合考虑土壤质地、农作物种植结构、地形地貌和水文地质等代表性条件，另选适宜地块。

3.2 建設旱情监测预警服务管理平台

全球气候变化背景下，干旱发生频率及旱灾损失程度呈显著增强的趋势［16-17］，建设“江西省旱情监测预警服务管理平台”是补齐旱情监测预警服务信息化短板［18-19］的具体行动。

（1） 平台功能。平台拟基于气象、水文、墒情、遥感等多元信息，利用现代化监测信息技术手段，通过防旱抗旱系统基础数据库、水文气象数据库、地理信息数据库、遥测信息数据库等数据库设计开发，系统功能界面设计，实现水文干旱、气象干旱、遥感旱情监测，实现旱情信息报送、查询、分析、统计、管理及预警预测评估等功能，提高干旱信息的质量与时效，提供自动化、对象化、定制化、标准化的旱情产品服务。平台总体架构见图3。

（2） 旱情评估系统。鉴于墒情只是单一要素，气象干旱与实际旱情不相符等状况，旱情评估系统应融合多源数据，如气象干旱、水文干旱、农业干旱、经济社会干旱和地表河流的断流、地下水情况及土壤、作物、灌溉等下垫面条件，构建面向不同区域、不同对象、不同时期的闭合的智能化多维度旱情监测预警评估系统，实现综合旱情等不同指标监测结果的对比分析，编绘省、市级旱情监测一张图［20］、旱情预警评估一张图［21］，为江西省防旱抗旱决策提供科学参考。

3.3 加强墒情监测评估体系研究

墒情站网建设是国民经济发展和水利建设中的基础性工作，受国民经济发展程度和布局的影响很大，站网建设、监测技术、旱情评估等方面长期的科学研究实践很有必要。

（1） 顶层设计墒情自动监测站网建设。以“整体布局、优化站网、需求牵引、急用先行”为原则，按照相关布设密度要求，根据气候类型、地形地貌、土壤类型、作物种类、粮食主产区、易旱区等影响因素，选择有代表性的区域，布设墒情站点。

（2） 提升墒情监测能力。充分运用现代监测手段，从现阶段定点观测为主向空间大尺度采集技术手段发展。卫星遥感技术具有监测范围广、空间分辨率高、信息采集实时性强、业务应用性好等特性［22］，综合多源遥感的监测已成为重要发展趋势，尤以微波遥感和光学遥感的结合应用较多［23-24］，有效融合定点观测、遥感观测等数据源，提高区域墒情数据的精准性、及时性、代表性。

（3） 墒情预警预报研究。墒情预警预报是农田用水和区域水资源管理的一项基础工作，墒情预警预报主要是田间土壤含水率的预警预报。基于现有墒情站点数据，融合地球资源卫星（ERS）数据、3S数据、数字等高模型（DEM）数据［25-26］等，利用水量平衡、统计算法、关联分析等方法，剖析墒情变化特点和规律，构建土壤墒情预警预报模型及系统平台［27］，获取土壤墒情短、中、长期预报成果。

（4） 构建旱情评估体系。四大干旱及地下水干旱、生态干旱［28-29］的旱情监测指标多达百种［30］，存在干旱监测指标不确定性、尺度效应和旱情等级划分标准不一致性；评估方法也包含概率统计、模糊综合评估、风险评估［31］等各类方法。基于干旱网格分区，定点观测（墒情、水位、降雨等）与大尺度观测（微波遥感）多源数据融合，以“监测数据-分析评估-预警预报-决策应用”为主线，由单指标向多指标，单变量向多变量发展，构建指标体系［32-33］，评估不同干旱指标的适用性［34］，研探旱情监测指标阈值率定技术［35］，量化预警评估指标，逐步构建面向农业、林地、草地、生态的旱情综合监测评估体系，植入江西省旱情监测服务管理平台，实现旱情风险监测预警评估。

3.4 优化运维管理

（1） 调整运维模式。充分发挥各流域中心、监测大队的能动性，采用年度运维资金下达各流域中心，实行各流域中心属地墒情站点的运维管理模式，便于就近管理，及时发现问题，解决问题。

（2） 落实运维责任。① 明确流域中心辖区内站点运维责任。加大属地站点巡查力度，摸清墒情监测设施设备及周围环境现状、存在问题，及时运维。② 强化运维公司履约责任。加强运维公司履约行为约束，及时解决墒情监测设施设备存在问题。③ 省中心加强运维监管督导考核。定期或不定期现场巡检和查勘，发现问题，提出解决方案，督促整改；制定不同旱情条件下墒情站点运维原则，开展墒情站点运维及监测情况通报，并纳入年度考核内容。

4 结 论

本文以江西省为例，系统分析了湿润地区墒情站網现状，解析存在问题，研究应对策略，提出现代化墒情监测体系构建、墒情预警预报、干旱评估体系、运维模式等问题解决的技术方法，得出以下结论。

（1） 墒情站网布设应综合全球气候变化导致的干旱频次、干旱程度呈上升趋势的需求，及经济社会发展布局影响要求，顶层设计“一区一策”的站网建设，满足旱情监测预警评估要求。

（2） 墒情监测要运用遥感等高新技术，提升墒情大尺度监测能力，融合多元数据，从定点监测向区域监测发展，提高墒情数据的精准性、时效性及代表性。

（3） 分析湿润地区墒情变化规律及墒情与其他干旱指标耦合关系，研探墒情预警预报模型及方法；构建适用干旱指标体系，分析应用具有普适性、能广泛应用的指标，如SPI、旱警水位、土壤含水量等量化指标，率定指标阈值，完善构建旱情评估体系；建设智能化旱情监测预警服务管理平台；实现旱情风险预警评估。

（4） 墒情监测数据的质量与时效是构建墒情监测站网体系的关键，需因地制宜采用运维模式，明晰落实运维责任。

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（编辑：黄文晋）