JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

ב Situ חיישני לחות קרקע בקרקעות ללא הפרעה

Published: November 18, 2022
doi:
10.3791/64498
, , , , , , , ,
1Nevada Water Science Center,U.S. Geological Survey, 2Agricultural Research Service, Hydrology and Remote Sensing Lab.,U.S. Department of Agriculture, 3Agricultural Research Service, Conservation and Production Research Lab.,U.S. Department of Agriculture, 4South Dakota State University, 5National Water and Climate Center,U.S. Department of Agriculture, 6University of Oklahoma, 7Air Resources Lab,National Oceanic and Atmospheric Administration, 8National Integrated Drought Information System,National Oceanic and Atmospheric Administration, 9Snow Survey Staff,U.S. Department of Agriculture

Summary

קביעת תכולת מי הקרקע היא דרישת משימה קריטית עבור סוכנויות מדינתיות ופדרליות רבות. פרוטוקול זה מסנתז מאמצים רב-סוכנותיים למדידת תכולת מי הקרקע באמצעות חיישנים קבורים באתרם .

Abstract

לחות הקרקע משפיעה ישירות על הידרולוגיה תפעולית, ביטחון מזון, שירותי מערכות אקולוגיות ומערכת האקלים. עם זאת, האימוץ של נתוני לחות הקרקע היה איטי בשל איסוף נתונים לא עקבי, סטנדרטיזציה לקויה, ובדרך כלל משך שיא קצר. לחות הקרקע, או תכולת מי קרקע כמותית נפחית (SWC), נמדדת באמצעות חיישנים קבורים באתרם המסיקים SWC מתגובה אלקטרומגנטית. אות זה יכול להשתנות במידה ניכרת עם תנאי האתר המקומי כגון תכולת חרסית ומינרלוגיה, מליחות הקרקע או מוליכות חשמלית בתפזורת וטמפרטורת הקרקע; לכל אחד מאלה יכולות להיות השפעות משתנות בהתאם לטכנולוגיית החיישן.

יתר על כן, מגע לקוי בקרקע והשפלת חיישנים יכולים להשפיע על איכות הקריאות הללו לאורך זמן. שלא כמו חיישנים סביבתיים מסורתיים יותר, אין תקנים מקובלים, נוהלי תחזוקה או בקרות איכות עבור נתוני SWC. ככזה, SWC הוא מדידה מאתגרת עבור רשתות ניטור סביבתי רבות ליישם. כאן, אנו מנסים לקבוע סטנדרט מבוסס קהילה של תרגול עבור חיישני SWC באתרם , כך שלמחקר וליישומים עתידיים תהיה הדרכה עקבית לגבי בחירת האתר, התקנת חיישנים, פירוש נתונים ותחזוקה ארוכת טווח של תחנות ניטור.

הסרטון מתמקד בקונצנזוס רב-משרדי של שיטות עבודה מומלצות והמלצות להתקנת חיישני SWC באתרם . מאמר זה מציג סקירה כללית של פרוטוקול זה יחד עם השלבים השונים החיוניים לאיסוף נתוני SWC באיכות גבוהה ולטווח ארוך. פרוטוקול זה יהיה שימושי למדענים ומהנדסים המקווים לפרוס תחנה אחת או רשת שלמה.

Introduction

לחות הקרקע הוכרה לאחרונה כמשתנה אקלים חיוני במערכת האקלים התצפית הגלובלית1. לחות הקרקע, או תכולת מי קרקע כמותית נפחית (SWC), ממלאת תפקיד מרכזי בחלוקת שטף הקרינה הנכנסת לחום סמוי והגיוני בין פני כדור הארץ לאטמוספירה, ובחלוקת המשקעים בין נגר לחלחול2. עם זאת, השונות המרחבית-זמנית של לחות הקרקע בסקאלות הנקודה, השדה וקו פרשת המים מסבכת את יכולתנו למדוד SWC בקנה המידה המתאים הדרוש כדי לעמוד ביעדי מחקר או ניהול3. שיטות חדשות לכימות SWC, כולל רשתות קרקעיות של חיישנים באתרם , גלאים פרוקסימליים וחישה מרחוק, מספקות הזדמנויות ייחודיות למפות את השונות של SWC ברזולוציה חסרת תקדים4. באתרו חיישני SWC מספקים את רשומות הנתונים הרציפות והספציפיות ביותר לעומק, אך כפופים גם לנפחי חישה קטנים ולשונות בקנה מידה מקומי הטבועה בתכונות הקרקע, טופוגרפיה וכיסוי צמחייה5.

יתר על כן, קיים מחסור בתקנים או שיטות מקובלות להתקנה, כיול, אימות, תחזוקה ובקרת איכות של חיישני SWC באתרם . לחות הקרקע היא מטבעה פרמטר מאתגר למדידה ועשויה להיות המשתנה הקשה ביותר להבטחת איכות6. בעוד פרוטוקולים כלליים לאיסוף נתוני SWC הופקו על ידי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית7, הוועדה ללווייני תצפית על כדור הארץ8, הסוכנות הפדרלית מדווחת9 והאיגוד האמריקאי של קלימטולוגים מדינתיים10, יש הנחיות ספציפיות מוגבלות לגבי התקנה, תחזוקה, בקרת איכות ואימות של נתוני SWC מקבורים באתרם בדיקות. זה הפך את אימוץ טכנולוגיות כאלה למאתגר עבור רשתות ניטור תפעוליות, כגון Mesonets המדינה, להוסיף מדידות SWC. באופן דומה, זה גם מאתגר עבור הידרולוגים תפעוליים, למשל, במרכזי חיזוי נחלים, לשלב נתונים אלה לתוך זרימת העבודה שלהם. מטרת צילום וידאו זה והמאמר הנלווה אליו היא לספק הדרכה כזו ולתעד פרוטוקול התקנה מגובש עבור גשושיות SWC קבורות באתרן .

בחירת מיקום לניטור לחות קרקע באתרו
הקרקעות בכל תחום עניין (AOI) נוצרות באמצעות משוב ייחודי ומצומד לאורך זמן בין הטופוגרפיה, האקולוגיה, הגיאולוגיה והאקלים11,12. השונות של SWC על פני נופים הופכת את בחירת האתר להיבט קריטי בכל מחקר לחות קרקע. עבור מטרות מחקר מסוימות, אתר עשוי להיבחר כדי לייצג תכונה מסוימת או מיקרו-אתר על הנוף או המערכת האקולוגית. לצורך ניטור רשתות, האתר צריך להיות מייצג מרחבית של מרכיב נופי גדול יותר. המטרה היא למצוא מיקום המספק את הייצוג המרחבי הטוב ביותר של AOI. בשטח יש להגיע לשיקולים פרגמטיים יותר, כגון דרישות מכשור מטאורולוגי אחר, נגישות או היתר. עם זאת, יחידת מפת הקרקע הדומיננטית בתוך AOI היא בדרך כלל ייצוג מרחבי טוב של התנאים הסביבתיים של שטח גדול יותר13. ניתן לקבוע את יחידת מפת הקרקע הדומיננטית באמצעות סקר קרקע אינטרנטי (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); יחידת מפת קרקע זו צריכה להיות מאומתת גם עם בור רדוד או חור בדיקה.

תחנת ניטור טיפוסית יכולה לתפוס 5-50 מ ‘, בהתאם לצרכי החיישן ומספר המדידות הנלוות. איור 1 מתאר תחנת ניטור טיפוסית עם מגדל באורך 3 מטרים שמכיל אנמומטר למהירות הרוח וכיוונה, חיישן טמפרטורת אוויר ולחות יחסית, פירנומטר לקרינת שמש, ומארז עמיד בפני מזג אוויר ואטימה למים של התאחדות יצרני החשמל הלאומית (NEMA) (דירוג NEMA 4). מארז NEMA מכיל את פלטפורמת בקרת הנתונים (DCP), מודם סלולרי, וסת טעינה של פאנלים סולאריים, סוללה וחומרה קשורה אחרת (ראה טבלת חומרים; רכיבי מערכת). המגדל מספק גם פלטפורמה לאנטנת התקשורת, פאנל סולארי ומוט ברק. בדרך כלל נכלל גם גאז’ משקעים נוזלי (PPT), שיש למקם הרחק מהמגדל ובגובה הנמוך ביותר האפשרי כדי להפחית את השפעות הרוח על לכידת PPT. חיישני SWC צריכים להיות מותקנים במרחק מספיק (3-4 מ ‘) ובמדרון כך שלא תהיה הפרעה פוטנציאלית מהמגדל בגשם או בזרימה יבשתית. כל כבלים קשורים צריכים להיות קבורים בצינור לפחות 5 ס”מ מתחת לפני השטח.

Figure 1
איור 1: תחנת ניטור טיפוסית. סריקת USDA אוספת מידע מדי שעה על תכולת מי הקרקע וטמפרטורה בעומקים סטנדרטיים (5, 10, 20, 50 ו-100 ס”מ), טמפרטורת אוויר, לחות יחסית, קרינת שמש, מהירות וכיוון הרוח, משקעים ולחץ ברומטרי. ישנם מעל 200 אתרי סריקה ברחבי ארה”ב. קיצורים: SCAN = רשת ניתוח אקלים קרקע; NEMA = התאחדות יצרני החשמל הארצית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

עומק מדידה, כיוון ומספר חיישנים
באתרו חיישני SWC מותקנים בדרך כלל אופקית כדי לייצג עומקים מסוימים בקרקע (איור 2). רשתות לאומיות במימון פדרלי כגון רשת אקלים הקרקע (SCAN)14, רשת טלמטריית השלג (SNOTEL)15 ורשת ייחוס האקלים של ארה”ב (USCRN)16 מודדות SWC ב-5, 10, 20, 50 ו-100 ס”מ. עומקים אלה הושגו בקונצנזוס במהלך פיתוח SCAN ממגוון סיבות. עומק 5 ס”מ מתאים ליכולות חישה מרחוק17; עומקים של 10 ו-20 ס”מ הם מדידות היסטוריות לטמפרטורת הקרקע18; עומקים של 50 ו-100 ס”מ אזור שורשים מלא, אגירת מי קרקע.

גשושיות יכולות להיות בכיוון אנכי, אופקי או נוטה/זוויתי (איור 3). התקנה אופקית נפוצה ביותר להשגת מדידת טמפרטורת קרקע אחידה בעומק בדיד. בעוד שהחיישן עשוי להיות ממורכז בעומק בדיד, מדידת SWC היא נפח סביב הפח (כלומר, אלקטרודות), שיכול להשתנות עם רמות הלחות, תדירות המדידה והגיאומטריה של ההתקנה (אופקית, אנכית או זוויתית). בהתקנה אופקית, נפח החישה משלב לחות מעל ומתחת לעומק, ו-95% מנפח החישה הוא בדרך כלל בטווח של 3 ס”מ מהפחים19. מתקנים אנכיים או זוויתיים משלבים SWC לאורך הפחונים, כך שהתקנה אנכית יכולה לייצג את האחסון לכל אורך עומק החיישן20. חיישנים מסוימים אינם מודדים באופן שווה לאורך הגוונים שלהם. לדוגמה, מתנדי קו ההולכה רגישים יותר ללחות ליד ראש הגשושית שבו נוצרים הפולסים האלקטרומגנטיים21. מתקנים אנכיים מתאימים יותר לבדיקות עמוקות יותר שבהן שיפועי הטמפרטורה והלחות נוטים להיות מופחתים.

Figure 2
איור 2: התקנה של חיישני SWC באתרם . מיקום חיישן אופקי בעומקים נבחרים באמצעות (A,B) ג’יג ייחוס בעומק אפס ו-(C) לוח בעומק אפס או (D) ידית חפירה בעומק אפס לצורך ייחוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: כיוון של גשושיות אנכית, אופקית או בשיפוע . (A) הכנסה משופעת ואנכית ו-(B) הכנסה אופקית-אנכית ועומק מרכז הכנסה אופקי-אופקי של חיישן SWC בעל שלושה גוונים. קיצור: SWC = תכולת מי הקרקע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

התקנה לעומקים של פחות מ-50 ס”מ אינטואיטיבית יחסית, בעוד שחיישנים עמוקים יותר דורשים מעט יותר מאמץ. אזור שורש SWC או פרופיל אחסון מי קרקע דורש בדרך כלל מדידות של 1 או 2 מ ‘. כפי שמודגם בפרוטוקול זה, מתקנים בקוטר 0-50 ס”מ הושלמו בבור חפור או בבור חפור עם גשושיות המותקנות אופקית בקרקע ללא הפרעה, תוך מזעור ההפרעה לפני השטח. עבור חיישנים עמוקים יותר (למשל, 100 ס”מ), גם SCAN וגם USCRN מתקינים את החיישן אנכית בחורים נפרדים באמצעות מוט מאריך (איור 4).

בהתחשב בהטרוגניות של SWC, במיוחד קרוב לפני השטח, ובנפחי המדידה הקטנים של חיישנים, מדידות משולשות מאפשרות ייצוג סטטיסטי טוב יותר של SWC. עם זאת, פרופיל אחד של חיישנים באתרם אופייני לרוב הרשתות (לדוגמה, SCAN ו- SNOTEL). USCRN משתמש בשלושה פרופילים במרווחים של 3-4 מטרים זה מזה כדי לבצע מדידות משולשות בכל עומק16. יתר על כן, יתירות במדידה מוסיפה חוסן והמשכיות לרשומת התחנה אם קיימים משאבים כספיים זמינים.

Figure 4
איור 4: התקנת חיישנים. (A) חיישנים רדודים מותקנים בדרך כלל אופקית בקיר הצדדי של בור אדמה שנחפר. עבור חיישנים עמוקים יותר, (B) משתמשים באוגר ידני כדי לחפור בור לעומק באמצעות ייחוס בעומק אפס (למשל, עץ החוצה את התעלה) והחיישנים נדחפים אנכית לתחתית החורים באמצעות (C) קטע של צינור PVC ששונה כדי לאבטח את החיישן והכבל במהלך ההתקנה או (D) כלי התקנה. שכבות הקרקע מסומנות כקרקע עליונה (אופק A) וכאופקים תת-קרקעיים עם חרסיות טרנסלוקציה (Bt) והצטברות קרבונט (Bk). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

סוג חיישן SWC באתרו
חיישנים זמינים מסחרית מסיקים SWC מהתגובה הנמדדת לאות אלקטרומגנטי המופץ לאורך פחים במגע ישיר עם הקרקע22. חיישנים קבורים מתחלקים לחמש מחלקות בהתאם לסוג האות האלקטרומגנטי המופץ ולשיטת מדידת התגובה: קיבול, עכבה, רפלקטומטריה של תחום זמן, טרנסמיסומטריה של תחום זמן ותנודת קו שידור (טבלה משלימה S1, עם קישורים למידע של כל יצרן). טכנולוגיות אלה נוטות להתקבץ לפי תדירות הפעלה ויצרן. פחים ארוכים יותר משלבים נפח גדול יותר של אדמה; עם זאת, הם יכולים להיות קשים יותר להחדרה והם חשופים יותר לאובדן אותות בקרקעות עם חרסית ומוליכות חשמלית בתפזורת גבוהה יותר (BEC). יצרנים מדווחים על שגיאות מדידה SWC של 0.02-0.03 מ’3מ‘−3, בעוד שמשתמשים בדרך כלל מוצאים שהן גדולות משמעותית23. כיול תקין ותקינה של חיישנים אלקטרומגנטיים משפר ביצועים22; עם זאת, כיולים ספציפיים אלה לקרקע הם מעבר להיקף של פרוטוקול זה, המתמקד בהתקנה.

בחירת החיישן צריכה לקחת בחשבון את הפלט הרצוי, שיטת המדידה, תדירות ההפעלה והתאימות למדידות אחרות. לפני 2010, רוב חיישני SWC היו אנלוגיים ודרשו מה-DCP לבצע מדידות של מתחים, התנגדויות או ספירות פולסים דיפרנציאליות, מה שדרש רכיבים יקרים יותר וערוצים נפרדים (או מרבבים) עבור כל חיישן. כעת, ממשק נתונים טורי בפרוטוקולי תקשורת (http://www.sdi-12.org/) של 1,200 באוד (SDI-12) מאפשר לחיישנים חכמים ליישם אלגוריתמי מדידה פנימיים ולאחר מכן לשדר נתונים דיגיטליים לאורך כבל תקשורת יחיד. כל חיישן יכול להיות מחווט יחד ברצף (כלומר, שרשרת חיננית) באמצעות חוט משותף המחובר באמצעות מחברי אום מנוף או בלוק הדקים (איור 5), כאשר לכל חיישן יש כתובת SDI-12 ייחודית (0-9, a-z ו-A-Z). חוט התקשורת המשותף של חיישני SDI-12 יוצר מעגל יחיד יחד עם חוט חשמל והארקה. מרבבים או מדידות כלשהן ב- DCP אינם נדרשים; במקום זאת, ה-DCP פשוט שולח ומקבל פקודות דיגיטליות ושורות טקסט. חיישני SWC רבים של SDI-12 כוללים גם טמפרטורת קרקע, היתר יחסי (ε) ומדידות BEC. מדידות כאלה שימושיות לאבחון חיישנים ולכיול ספציפי לקרקע. בשלב זה, המשתמש בחר אתר, קבע את סוג החיישן, מספרו, ועומקים, והשיג את כל החומרה וכלי השטח הדרושים (טבלה של חומרים). לכן, הם יכולים להמשיך לפרוטוקול ההתקנה.

Figure 5
איור 5: מחברי חיבור חוטים ובלוקי הדקים המשמשים לחיבור חוטי חשמל, הארקה ותקשורת משותפים לקלט יחיד בפלטפורמת איסוף הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

1. הכנה מוקדמת של חיישנים בדוק את כתובת SDI-12. חיישנים מוגדרים לכתובת ברירת מחדל על-ידי היצרן. חבר בנפרד כל חיישן לפלטפורמת בקרת נתונים (DCP) באמצעות ?! פקודה לביצוע שאילתה על כתובת החיישן.הערה: לכל חיישן בקו נתונים משותף חייבת להיות כתובת ייחודית (לדוגמה, 0-9). עיין במדריך החיישן לקבלת כתובת SDI-12 ושינוי ערך חיישן, במידת הצורך. בצע מדידה (למשל, ” aM!”, כאשר a היא הכתובת) באוויר, חול יבש ושקוע במים.הערה: מדידות אוויר צריכות לקרוא 0.00 מ ‘3מ’-3 (היתר יחסי [ε] ~ 1), לשחק חול < 0.02 מ' 3 מ' 3 (ε < 4), ומים ~ 1.00 מ' 3 מ’-3 (ε ~ 80). רשום ערכים אלה יחד עם המספר הסידורי וכתובת SDI-12 של כל חיישן בספר מעבדה. באמצעות סמן, תייג את ראש החיישן ואת קצה הכבל במספר הכתובת. בדוק את תוכנית DCP. רכיבי DCP מסוימים הם מסוג plug-and-play, אך רובם דורשים תוכנית כדי לבצע מדידות ולתעד נתונים. הגדירו את חיישני SWC ואת כל חיישני העזר במעבדה, וחברו את כולם ל-DCP ולסוללה. השאירו את חיישני SWC תלויים באוויר, מוכנסים לחול משחק יבש או שקועים במים, כדי להבטיח שהפחים לא נוגעים.הערה: מדידות האוויר צריכות לקרוא 0.00 מ ‘3מ’-3 (היתר יחסי [ε] ~ 1), לשחק חול < 0.02 מ' 3 מ' 3 (ε < 4), ומים ~ 1.00 מ' 3 מ’-3 (ε ~ 80). תן למערכת לפעול במשך הלילה או יותר. ודא שהנתונים נרשמים בשיעורים המתאימים ושהערכים (לדוגמה, מספר נכון של עמודות, ספרות משמעותיות) מתאימים. בדוק גם יציאות חיישן SWC נלוות (למשל, טמפרטורה ו- BEC). אפשר למערכת לפעול לפחות יום אחד. ודא שטבלאות הנתונים נכונות.הערה: רכיבי DCP מסוימים הם מסוג הכנס-הפעל, אך רובם דורשים תוכנית כדי לבצע מדידות ולתעד נתונים. 2. קבע את פריסת השדה לפני תחילת כל חפירה, התקשר 811 (ארה”ב וקנדה) לפחות יומיים לפני החפירה כדי לוודא את נוכחותה של תשתית תת קרקעית כלשהי (למשל, חוטי חשמל, אספקת מים, צינורות גז). אי הבטחת אישורים כאלה עלולה להוביל לעונשים משמעותיים ולאחריות. אמת את יחידת מפת הקרקע במיקום הבור. השתמש באפליקציית USDA SoilWeb, הזמינה עבור טלפונים חכמים של iOS ו- Android, כדי לבצע שאילתה על המיקום. חפרו חור בדיקה באמצעות אוגר ידני בקוטר 5-10 ס”מ כדי לבדוק שמרקם השדה תואם את תיאור יחידת המפה. בדוק אם יש בעיות כגון שכבות קשות (למשל, מחבתות מחרשה, קאליש או אופק ארגילי) או שכבות עם שברי סלע גבוהים; כל אחד מהמקרים יכול להקשות על החדרת הבדיקה, או אפילו להפוך אותה לבלתי אפשרית. קבע את המיקום הטוב ביותר עבור החיישנים. כל חיישן יותקן בפן האנכי של אדמה ללא הפרעה.הערה: אם קיים שיפוע כלשהו, הפנים צריכות להיות בשיפוע כדי למזער זרימה מועדפת המתרחשת דרך אדמה מופרעת ולאורך תעלות כבלים. השתמש ביריעה קטנה (1 מ’2) של דיקט או ברזנט כדי להגן על פני הקרקע ולמנוע מעובדי שדה לכרסם על הקרקע ללא הפרעה. קבע את מיקום תורן המכשיר. ודא שהחיישנים רחוקים כראוי מהתורן כדי למזער את תנועת הרגליים ואת כל ההשפעות מהמגדל.הערה: מלאי כבלים 5 מ ‘מספיקים בדרך כלל עבור רוב ההתקנות.השתמש באורך הכבל הקצר ביותר האפשרי כדי למזער את הפרעות פני השטח ואת הפוטנציאל לשבירה.הערה: אם תורן המכשירים כבר מוצב באתר קיים, ייתכן שיהיה צורך בעופרת ארוכה יותר כדי להגיע לקרקע מייצגת; לחלופין, ניתן לשקול טכנולוגיות אלחוטיות (ראה “מחשבות נוספות על בחירת האתר”). ודא שהמרחק הכולל למעמד המכשיר הוא 80%-90% מאורך הכבל כדי לקחת בחשבון כבל נוסף הדרוש לניתוב מעומק ההתקנה, דרך הצינור ומעלה אל תוך המארז.הערה: ניהול חוטים יכול להיות מסורבל כאשר חיישני SWC רבים מגיעים לנקודה מרכזית. כבלים דקים יותר דורשים הטמנה בתעלות PVC, בעוד כבלים קשיחים ועבים יותר ניתן להטמין ישירות. עבור שניהם, לחפור תעלה בעומק >10 ס”מ וברוחב 10-15 ס”מ. ודא שלמארז יש נקודת כניסה לכל חיישנים מעל פני הקרקע ויציאת צינור עבור חיישנים מתחת לפני הקרקע (איור 5). הר את המארז בגובה נוח (1 מ ‘) לחיווט. המלצה: שחררו חיישן. הנח את ראש החיישן על פני הבור ומקם אותו בקצה הכבל במעמד לוח המחוונים. ודא שאורך הכבל נכון וכוונן לפי הצורך. 3. חפירת בור האדמה הערה: ניתן לחפור את בור הקרקע באופן ידני או מכני. המטרה היא למזער את ההפרעה הכוללת לאתר. עבור הבור שנחפר ביד הונח ברזנט גדול נוסף (2 מ’2) צמוד לשטח החפירה. השתמש בשפך צר (למשל, צלף) כדי לחפור חור מלבני לעומק של ~55 ס”מ. ודא שפני הבור, המוגנים כיום על ידי דיקט או ברזנט (שלב 2.4), אנכיים (או חתוכים מעט) כך שלכל חיישן תהיה אדמה ללא הפרעה מעליו. כמו כן, ודא כי הבור הוא 20-40 ס”מ רוחב ~ 25% יותר מאשר אורך חיישן כולל. התחל להסיר אדמה במרווחים של 10 ס”מ והנחת כל הרמה בקצה הרחוק של הברזנט, תוך התקרבות עם כל הפרש; לשבור את כל סתימות ולהסיר סלעים גדולים.הערה: ודא ששטח החפירה קטן ככל האפשר ומאפשר מספיק מקום להכנסת הבדיקה האופקית העמוקה ביותר. עבור אוגר חור פוסט הידראולי, השתמש בקוטר רחב (>30 ס”מ) ובאוגרת נגרר באורך 1 מ’.הערה: עמדות גדר של שניים או אדם אחד יכולות להיות מסוכנות.הגדר את האוגר ~ 5 ס”מ אחורה מפני הבור המיועדים. קודחים עד >50 ס”מ, ומגביהים את האוגר מדי פעם כדי לגרש אדמה. השתמש בפס צר כדי ליצור פני בור שטוחים ואנכיים. השתמשו במגבת יד או במגבת יד כדי להעביר אדמה מהבור אל הברזנט.הערה: הקרקע שנחפרה תהיה מעורבת היטב; אין דרך להימנע מכך. בצע תעלה חפורה מכנית באמצעות ציוד כבד.הערה: אלא אם כן יש צורך בהתקנה אופקית מתחת ל-100 ס”מ, אין לעודד ציוד חפירה גדול. ההתמודדות עם ערימת השלל (כלומר, אדמה חפורה) יכולה להיות מאתגרת, והמסילות והמייצבים של המחפרון גורמים להפרעה משמעותית.השתמש במחפרון קל משקל עם דלי צר, רצוי פחות מ -50 ס”מ, כדי לחפור תעלה צרה דומה לעומק של 100 או 200 ס”מ.הערה: הימנע מהזזת המחפרון כדי למזער את ההשפעה על פני השטח. התחילו להסיר את הקרקע במרווחים של 10 ס”מ והניחו כל הרמה בקצה הרחוק של הברזנט, תוך התקרבות עם כל הפרש. ודא ששטח החפירה קטן ככל האפשר ובעומק של ~55 ס”מ, מה שמאפשר מספיק מקום להכניס את הבדיקה האופקית העמוקה ביותר. עבור תעלת כבל החיישן, חפרו תעלה מגב בור האדמה למגדל המכשירים. השתמש חפירה חפירה בסיוע מטטוק פיק או פולאסקי בקטעים קשים. חפרו תעלה ישרה, צרה (~ 10 ס”מ), >10 ס”מ עומק, הנחת הקרקע בצד אחד של התעלה. 4. הרכבה/הקמה של מעמד המכשירים והמתחם הערה: מעמד המכשירים כולל שלוש אפשרויות: מוט פשוט, חצובה או מגדל. עבור תחנת לחות קרקע בסיסית עם gage PPT, מוט פלדה מגולוון או מעמד מכשירים נירוסטה (120 ס”מ גובה) עם רגליים מספיק. עבור מדידות מטאורולוגיות בסיסיות, יש צורך בתורן גבוה יותר כדי להתקין חיישנים בגובה 2 מ ‘. רוב המזונטים מעדיפים מגדלים בגובה 10 מ’; עם זאת, מגדלים כאלה הם מעבר להיקף של פרוטוקול זה. השתמש בעמוד פלדה מגולוון.הערה: צינור מים מפלדה מגולוונת בקוטר 4 ס”מ, ~ 3 מ ‘אורך היא השיטה החסכונית ביותר.סוגרים ביד חור קטן לעומק מינימלי של 60 ס”מ. מקמו את המוט בתוך החור. ודא שגובה המוט מספיק מעל הקרקע כדי להכיל את המארז, הפאנל הסולארי וכל האנטנות הדרושות.הערה: מומלץ גובה של <2 מ'. מערבבים בטון מהיר או קצף עמוד גדר, בהתאם להוראות.הערה: בטון אסור בחלק מהאדמות הפדרליות, וכמה בעלי קרקעות פרטיים עשויים להתנגד. חלופות קצף להתקנת עמודי גדר הן חלופה טובה ואינן דורשות מים. יוצקים את כל החומר סביב המוט ומוודאים שהוא מפולס באמצעות רמת טורפדו. תנו לבטון להתרפא במשך מספר שעות (רצוי למשך הלילה) והדקו את המוט באמצעות פלטה כדי להבטיח שהוא יישאר ישר. למרות שקצף מרפא תוך 30 דקות, הקפד להחזיק את הצינור במקום לפחות 2 דקות, וודא שהוא נשאר אנכי. מעמד ללוח מחוונים או חצובה (ראה הוראות יצרן)שחררו או שחררו כל אחת משלוש רגלי העמידה. סובבו או האריכו כל רגל ומיקום על קצה התעלה שנחפרה. הכנס את תורן המכשיר לרגליים והדק. התאימו את אורך כל רגל כדי להבטיח שהתורן אנכי. תקעו כל רגל באדמה ובדקו שוב את התורן עם רמת טורפדו. באמצעות U-bolts, להרכיב את המארז על מעמד המכשיר ב 1-1.5 מ ‘. היד להדק את הברגים כדי לאבטח אותו; גובהו הסופי וההידוק יתרחש מאוחר יותר.הערה: מומלץ להרכיב בצד הצפוני של המוט כדי למנוע פגיעה בראש על הפאנל הסולארי מאוחר יותר. 5. אפיון קרקע ואיסוף דגימות הערה: אפיון חזותי של הקרקע הוא קריטי לפענוח דינמיקת לחות הקרקע לאחר ההתקנה. איסוף דוגמאות יכול לסייע לפרשנות עם נתונים כמותיים. אסוף דגימות גם אם המימון אינו זמין או אם מתקנים פנימיים אינם יכולים לעבד אותן. ייבשו אותם באוויר ושמרו אותם בארכיון, למקרה שיהיה צורך באפיון הקרקע בעתיד. לתיאור קרקע בסיסי, שימו לב לעומק של כל שינוי ברור בצבע הקרקע או במרקם (אופקים).הערה: המרכז הלאומי לסקר קרקע מספק סקירה מצוינת של תיאורי פרופיל הקרקע ופרשנויות24. אם המיקום אינו אידיאלי, זה הזמן לזוז. לאפיון קרקע בסיסי, אספו דגימות קרקע מייצגות בשקית הקפאה של 1 ליטר (1 ליטר) בכל עומק חיישן, בהתאם להליך של לורנס ואחרים 25.עם החזרה למשרד או למעבדה, הניחו את כל שקיות הליטר על הדלפק, פתוחות, והניחו להן להתייבש באוויר למשך 48 שעות לפחות.הערה: ייבוש באוויר מסיר את רוב לחות הקרקע תוך שמירה על התכונות האורגניות והכימיות לניתוחים עתידיים. שלח את הדגימות למעבדת שלוחה אוניברסיטאית (למשל, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) או למעבדה מסחרית (למשל, http://www.al-labs-west.com/) לניתוחים נוספים. לחלופין, הפעל את המדגם בתוך החברה על ידי טכנאים מיומנים, בשיטות מקובלות המפורטות להלן. ביצוע ניתוח מעבדה בסיסי, כולל פרמטרים פיזיים של הקרקע כגון התפלגות גודל חלקיקים26, חלק סלע (RF; אחוז משקל גדול מ -2 מ”מ), חלק קרקע (SF; אחוז פחות מ -2 מ”מ), ומרקם (חול, סחף ואחוזי חרסית). בדוק את הפרמטרים הכימיים הבסיסיים, כולל מוליכות חשמלית של משחה רוויה (dS m-1)27 וחומר אורגני28. מומלץ: בצע דגימת ליבת קרקע נפחית בעומקים של 5, 10, 20 ו-50 ס”מ באמצעות מכשיר קורינג לאיסוף דגימה נפחית ללא הפרעה. קבע את צפיפות הקרקע בתפזורת (BD; g cm-3) מתוך משקל הקרקע היבשה הכולל ונפח הליבה29. נקבוביות קרקע (φ; [-]) הוא הגבול הפיזי העליון של SWC. עבור קרקעות מינרליות, העריכו φ כ-1 – BD/PD, כאשר צפיפות החלקיקים (PD) עבור קרקעות מינרליות בעיקר קוורץ היא 2.65 גרם סמ”ק-3.הערה: דגימות עבור BD נאספות בליבה בעלת נפח ידוע או באמצעות פדות קרקע29. 6. החדרה אופקית של בדיקות 5, 10, 20 ו -50 ס”מ הערה: המטרה היא להבטיח מגע מלא של הקרקע סביב פחי החיישן, תוך הימנעות מרווחי אוויר. גזור בזהירות את כל האזיקונים ופתח כל חיישן, תוך הסרת כל סליל בכבלים. מקם את ראש החיישן ליד בור הקרקע והכבל בתעלה. עומק ההתקנה מוגדר כמרכז החיישן כאשר הוא מותקן אופקית, בין אם פני החיישן עגולים או מלבניים. התקן את החיישן בעומק המדויק מתחת לפני הקרקע ואופקית ככל האפשר לתוך הקרקע. השתמש בהפניה לעומק אפס ובהתקן מדידה (סרט מדידה או סרגל) לקבלת עומק חיישן מדויק (איור 2) ובמרווח כדי לשמור על מרווח בין קבצים במהלך ההכנסה (איור 2C). ראשית, הכנס את חיישן 50 ס”מ. דחפו את החיישן אופקית לתוך האדמה, נסו לא לנענע את החיישן מכיוון שזה יכול ליצור רווחים. מכיוון שבדיקה של 50 ס”מ היא לעתים קרובות הקשה ביותר, השתמש במוט הארקה כדי לספק מינוף נוסף לדחוף את החיישן פנימה, תוך זהירות לא לשבור את ראש האפוקסי או להפריד את הפחונים. חזור על תהליך ההחדרה, ועבוד כלפי מעלה לעומק חיישן של 20, 10 ו- 5 ס”מ. סטגר (איור 2D) או ערם (איור 2B) את החיישנים.הערה: תזמון המדידה בפרוטוקולי SDI-12 מונע בדרך כלל מחיישנים לקרוא בו-זמנית וליצור הפרעה בין חיישנים סמוכים (למשל, עומקים של 5 ו-10 ס”מ). כיוון כל כבל חיישן לאותו צד של פני הבור, ואפשר לו להיתלות בתחתית בור החפירה. צלמו את החור שנחפר ואת החיישנים בעזרת סרט מדידה לקנה מידה (איור 6A). השתמש ב- GPS כדי לקבוע את קווי הרוחב והאורך בטווח של מטרים ספורים מהבור. אם אתם חופרים מספר אתרים ביום, השתמשו בשלט עם מזהה ייחודי כדי להבדיל בין הבורות. איור 6: תמונות לדוגמה עבור מטא-נתונים . (A) בור הקרקע המכשור עם סרט מדידה לקנה מידה, (B) תעלת הכבל שנחפרה בחזרה לתורן המכשיר, ותמונות האתר הסופיות הפונות (C) צפונה ו-(D) דרומה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 7. החדרה אנכית לבדיקה בקוטר 100 ס”מ עבור התקנות חיישנים בעומקים גדולים מ-50 ס”מ, צרו חור נפרד לכל חיישן בתוך תעלת הכבל או בקרבתה (איור 4A). בעזרת אוגר ידני (קוטר 5-10 ס”מ), חופרים לעומק ההתקנה המתאים. העומק מוגדר כמרכז המדידה (למשל, 50 ס”מ) פחות מחצית מאורך הפח ביחס לייחוס עומק האפס (איור 4B). מסדרים את האדמה שנחפרה על ברזנט לפי סדר הוצאתה. התקן את החיישן אנכית על-ידי דחיפתו לתחתית החור באמצעות כלי התקנה (איור 4C,4D). ארוז מחדש את חור האוגר עם האדמה שנחפרה מהעמוק ביותר לשדוד ביותר. החליפו את הקרקע במעליות קטנות, ארזו אותה מספיק כדי למנוע גישור אדמה בתוך החור ויצירת חללים.הערה: כלי אריזה עשויים להיות חתיכת PVC מכוסה או דיבלים מעץ. יש להימנע מנזק לראש החיישן או לכבל. 8. השלמת התקנת החיישן והחיווט ל-DCP אם כבלי החיישן קבורים ישירות, ודא שהקצוות העיליים הזורמים לתוך המארז נמצאים בצינור PVC באמצעות מחבר מחיצה כדי להיכנס למארז (איור 5).הערה: אם אתה משתמש בכבל גשם מופרד (שלב 9.1), הקפד לכלול כבל זה בעת ניתוב לתוך המארז. אם אתם משתמשים בצינור, הניחו אותו בתעלת הכבל וחתכו לאורך הרצוי. הזן את הכבל דרך הצינור – זה עשוי לדרוש חוט משיכה או סרט דגים כדי למשוך את הכבלים דרך. השתמש בצינור גמיש או במרפק טאטוא של 90° בתוספת אורך של צינור אנכי כדי לנתב את הכבלים מיציאת צינור לתחתית המארז. הניחו את הכבל או הכבל/צינור בתחתית תעלת הכבל. משוך את קצוות הכבל דרך יציאת המארז התחתונה ואבטח באמצעות אזיקונים. אם יש כבל עודף במארז, משוך אותו חזרה דרך הצינור וסליל בתחתית תעלת החפירה. צלמו את בור ההתקנה ואת התעלה בעזרת כבלים המובילים חזרה למתחם (איור 6B). לחיווט חיישן לחות קרקע, השתמש במתח משותף (5-12 וולט) ובחוט הארקה עבור כל חיישן SDI-12. השתמשו במחברי מנוף, מחברי חיבור או בלוקי הדקים (איור 5) כדי להפוך את החיבורים האלה לקלים ובטוחים יותר. אם אתה משתמש ביותר מסוג אחד של חיישן, השתמש ביציאת תקשורת אחרת ב-DCP, אם זמינה.הערה: חיישן SDI-12 פגום אחד עלול להפריע לחיישנים אחרים בסדרה. 9. חיישנים נלווים והגדרת חומרה משקעים (PPT) gageהערה: כדי לשפר את התפיסה, יש להתקין את גלי הגשם על תורן אנכי נפרד קרוב ככל האפשר למפלס הקרקע. התקנת הגאז’ גבוה יותר על תושבת הזרוע הצולבת יכולה להפחית את התפיסה עקב מהירויות רוח גדולות יותר.קבע את המיקום. התקן את גאז’ הגשם נמוך ככל האפשר מעל כיסוי הקרקע (~ 1 מ ‘) ובמרחק כפול מגובה כל חסימה סמוכה30. המיקום האידיאלי קרוב לתעלת הכבל.הערה: כבל גאז’ הגשם ייקבר לצד כבלי החיישן לפני הכניסה לתחתית המארז. התקן תורן אנכי. באמצעות אוגר ידני, לחפור חור לעומק ~ 50 ס”מ. קבע קטע של צינור פלדה מגולוון באורך מספיק במלט או קצף (ראה שלב 4.1). לאחר הריפוי, התקן את הגאז’ באמצעות מהדקי צינור או בסיס הרכבה שטוח, בהתאם להוראות החיישן. ודא כי gage הוא ישר לחלוטין.הערה: לרוב הגאג’ים יש רמת בועות מובנית. העבירו כבלים בין כלוב הגשם למתחם בצינור התת קרקעי עם כבלי לחות הקרקע. עבור gage הטיה, חוט את שני המובילים לתוך ערוץ ספירת פולסים על DCP.הערה: החוטים יכולים להיכנס לכל צד. הקפידו להסיר את החלק העליון ולבדוק שמנגנון ההטיה חופשי לתנועה. הדליים מאובטחים לעתים קרובות במהלך המשלוח עם גומיות.הערה: כלובי גשם דורשים ניקוי וכיול שגרתיים. אם אתם מרכיבים את מכלוב הגשם ישירות על מעמד המכשיר או על זרועו הצולבת, בצעו את שלב 9.2. חיישנים אחריםהתקן מדידות נלוות וכל אנטנה לתורן האנכי או לתושבות זרוע צולבת בגובה המתאים מעל הקרקע10,30. המסלול מוביל אל הכניסה למתחם שמעל פני הקרקע, ומאובטח במידת הצורך באמצעות אזיקונים. חוט לערוצי המדידה המתאימים ב- DCP. מוט הארקההתקן מוט הארקה נחושת באורך >1 מ’ 0.5 מ’ מתורן המכשיר. השתמש בדרייבר עמוד גדר כדי להכניס את המוט לאדמה, והשאיר ~ 20 ס”מ חשוף. הצמידו חוט נחושת כבד (8-10) למוט באמצעות מהדק קרקע. אבטח את הקצה השני של המארז או החצובה.הערה: הארקה עשויה שלא להיות מומלצת בכל המצבים. חבר את הסוללה.הערה: רוב DCPs צריך 5-24 וולט (V), אם כי 12 V הוא הנפוץ ביותר 7 או 12 אמפר שעות (AH) מספיק כדי להפעיל את רוב תחנות לחות הקרקע. חבילת סוללות 12V 12AH וסת מתח משמשים כאן.ודא שוסת הטעינה נמצא במצב כבוי . באמצעות מולטי מטר המוגדר ל- DC עבור מתח זרם ישיר, ודא שהמתח בסוללה מספיק (>10V עבור סוללת 12V) וזהה את + ו – הדקים, אם אינם מסומנים. החלק את מחבר המסוף של החוט השחור (-) מעל ההדקים על עמוד הקרקע (-) של הסוללה, ואת החוט האדום מעל עמוד הסוללה +. חבר את הקצה השני של החוטים האדומים/שחורים ליציאת BAT בווסת המתח. פאנל סולאריהערה: לוח של 10 או 20 ואט מספיק בדרך כלל. הספק מוגבר נדרש בקווי רוחב גבוהים יותר, באזורים מוצלים יותר, או במערכות עם צריכת חשמל גבוהה (למשל, מודמים סלולריים, מצלמות). הפאנל צריך להיות מכוון לקליטת קרינת שמש מקסימלית במהלך שנה אחת.עטפו סרט חשמלי בנפרד סביב כל עופרת בלוח הסולארי.הערה: חוטים אלה יישאו זרם אם הלוח נחשף לאור השמש. באמצעות ברגי U, הרכיבו את הפאנל הסולארי מעל המארז ובצד מעמד המכשירים הפונה לקו המשווה (למשל, דרומה בארה”ב). השתמש בזווית המתאימה לקו הרוחב של האתר, בדרך כלל 25° עד 35° בארה”ב הטרמינלית. נתב את הכבל לנקודת הכניסה למתחם שמעל פני הקרקע. הסר את הקלטת ממוליכי החלונית. באמצעות הגדרה של מספר מטרים ל- A עבור אמפר, ודא שהתפוקה של הפאנל הסולארי היא >0.1 A . באמצעות הגדרת מספר מטרים ל- DC למתח זרם ישר, ודא שיציאת הפאנל הסולארי היא >10V וזהה את המוליכים + (בדרך כלל אדום) ו – – (בדרך כלל שחור), אם אינם מסומנים. חבר את ה- עופרת מהפאנל הסולארי ליציאת G (הארקה), ואז את הליד + מיציאת SOLAR בווסת הטעינה.הערה: כסו את הפאנל הסולארי בברזנט או משהו אטום כדי למזער ניצוצות. בדקו שנורת ה-CHG או נורית הטעינה דולקת כעת. תקשורת נתונים מרחוקהערה: מדידת שימוש בנתונים סלולאריים מספקת את היכולת לשדר ולשלוח נתונים מה-DCP. אפליקציות לטלפונים חכמים, כגון OpenSignal, יכולות למדוד את עוצמת האות ואת הכיוון למגדל הסלולרי הקרוב ביותר. עדיפות לאנטנות רב-כיווניות, מרובות פסים; עם זאת, אנטנה מסוג כיווני (Yagi) יכולה לשפר את האות באזורים מרוחקים יותר.חבר את האנטנה לחלק העליון של תורן המכשירים באמצעות ברגי U שסופקו. חבר את הכבל הקואקסיאלי לאנטנה ונתב קצה אחר לתוך המארז דרך צינור החיישן שמעל הקרקע. אבטח את הכבל באמצעות אזיקונים. חבר את הקצה השני למודם הסלולרי במארז. הפעלת המערכתהערה: בשלב זה, ההנחה היא שתוכנית DCP כתובה, וכל החיישנים מחווטים בצורה מתאימה. הפאנל הסולארי והסוללה הנטענת מחוברים לווסת מתח עם חוט חשמל אדום/שחור המחובר ליציאות החשמל DCP.העבר את המתג הדו-מצבי בווסת המתח למצב מופעל. הפעל את תוכנת DCP וחבר מחשב נייד ל- DCP. ודא שכל החיישנים מדווחים על ערכים ולא על מספר (NaN) או ערך שגיאה. בדוק כל חיישן קרקע עבור ערכי SWC, BEC ו- T. ודא שערכי SWC הם >0.05 מ’ 3/מ’ 3 ו- <0.60 מ' 3/מ’ 3. בדוק כל חיישן מחוץ לטווח; הכנס מחדש או החלף כל חיישן שמוטל בספק. שפכו מעט מים דרך כלוב הגשם וודאו שה-DCP רושם ספירות.הערה: ערכי BEC נמוכים (<0.001) יכולים להצביע על מגע חיישן לקוי (או קרקעות יבשות מאוד). בעת התקנה בעונות חמות יותר, T הוא בדרך כלל החם ביותר בחלק העליון והקר ביותר בתחתית. בדוק את עוצמת התקשורת הסלולרית. עקוב אחר תיעוד היצרן כדי לקבוע את עוצמת האות.הערה: עוצמת האות צריכה להיות > -100 dBm כדי להבטיח איכות אות סבירה. ניתן לסובב אנטנות כיוון כדי לשפר את האות. אפשרויות תקשורת רבות אחרות קיימות מעבר לסלולר (למשל, לוויין). השלמת 10.Site ברגע שכל מה שנמצא מתחת לפני הקרקע מתפקד, והכבלים או הכבלים בצינור נמצאים כולם בתעלה ומנותבים לתוך המתחם, מלא ואטם את פתחי המתחם שמעל ומתחת לפני הקרקע במרק חשמלי כדי להגן מפני לחות ולהרחיק חרקים מהמכלאה. סמן את ההיקף החיצוני של מיקומי חיישנים על פני השטח עם הימור קבוע עם סימון בהיר. ממלאים את השטח שנחפר באמצעות הקרקע שעל הברזנט ובסדר ההסרה ההפוך (שלב 3.1) (העמוק ביותר עד הרדוד ביותר). התחילו באריזה ידנית של האדמה כנגד פני התעלה וסביב ראש החיישן בגובה 50 ס”מ, תוך הקפדה להימנע מהפרעה לחיישן. תמוך בראש החיישן תוך כדי אריזת אדמה סביבו כך שפח החיישן לא יזוז. ודא שכל כבלי החיישן הנותרים עדיין ממוקמים בסמוך לתחתית התעלה; לאחר מכן, לכסות אותם בזהירות עם אדמה עמוקה יותר מן הברזנט. דחסו את האדמה לתחתית הבור כדי לאבטח את הכבלים, נזהרו שלא למשוך אותם כלפי מטה בכל כוח. השתמש בכוח מספיק במהלך הדחיסה כדי להבטיח צפיפות תפזורת דומה של החומר שהוסר.הערה: קרקעות רטובות יותר במהלך ההתקנה יכולות בקלות להידחס יתר על המידה, בעוד שקרקעות יבשות יותר עשויות להישאר רופפות ללא קשר לכוח. ממלאים את הבור בהרמות של 10 ס”מ, מחליקים ודוחסים את המשטח עד שמגיעים לחיישן של 20 ס”מ. שוב, ארוז בזהירות ידנית את האדמה מתחת ומסביב לחיישן, לפני שתחזור למלא בחזרה עוד 10 ס”מ להרים את האדמה. לבסוף, ארוז ידנית את הקרקע סביב חיישן 10 ס”מ, ולאחר מכן חיישן 5 ס”מ, להבטיח ששניהם יישארו אופקיים ובמקומם. ממלאים את שארית בור האדמה בקרקעות עליונות מהברזנט.הערה: כל האדמה שהוסרה צריכה לחזור לבור. שאריות אדמה מעידות על כך שהאדמה לא נארזה לצפיפות הצובר המקורית. באמצעות חפירת התעלה, לדחוף את הקרקע שנחפרה לצד התעלה מעל הצינור. ודא שהכל קבור לחלוטין ומתחת ל -5 ס”מ. השתמשו במגרפת פלדה כדי ליישר את האדמה הארוזה מחדש בבור ובתעלה עם המשטח המקורי. אדמה קומפקטית בתעלה המוליכה מספיק כדי למזער כל זרימה מועדפת לאתר ההתקנה. אופציונלי: פזרו מעט אדמה דיאטומית סביב כל פתח תת-קרקעי ועל פני השטח כדי להרתיע נמלים, חשופיות וחרקים אחרים. מומלץ: השתמש בחיישן SWC נייד כדי לבצע קריאות של אדמת פני השטח סביב חיישנים באתרם כדי לסייע באימות נתונים לאורך זמן ובכל צרכי קנה המידה. קח קריאות בכיוונים קרדינליים (צפון, דרום, מזרח ומערב) במרחקים עקביים (למשל, 5, 10, 25 ו -50 מטר). 11. מטה-נתונים של תחנת הקלטה, הנתונים שמאחורי הנתונים23 הערה: מטה-נתונים של מסמכים בעת ההתקנה וכל ביקור באתר (ראה טבלה 1). דיווח מטה-נתונים עקבי תומך בקהילה ההולכת וגדלה של פרקטיקות והוא קריטי להבטחת שלמות הנתונים והרשת. תעד את פרטי ההתקנה, כולל מזהה אתר ייחודי, תאריך התקנה, מספרים סידוריים של חיישנים, כתובות SDI-12 תואמות, כיווני הכנסה (אופקיים או אנכיים) ועומקים. תאר את פרופיל הקרקע וצלם תמונות משויכות. רשום מזהי דגימות עבור כל דגימות הקרקע שנאספו. עבור מיקום האתר, רשום את קו הרוחב והאורך, הגובה, המדרון, היבט, שימושי הקרקע וכיסוי הקרקע. רשמו לעצמכם את פרטי בעל הקרקע ופרטי יצירת קשר, כמו גם את נגישות האתר, כולל קודי שער או מנעול. באמצעות אפליקציית המצפן בטלפון חכם (או מצפן אמיתי) ובסרט מדידה, מדדו את הזווית והמרחק לבור החיישן (ולכל חורי החיישן) משתי נקודות התייחסות (למשל, מוט הארקה או רגל חצובה).הערה: זה יעזור לשלש את עמדותיהם מאוחר יותר. צלמו את התחנה שהושלמה ואת ההתמצאות צפונה (איור 6C), דרומה (איור 6D), מזרחה ומערבה מתורן המכשירים. הגדר את מיקום התקנת החיישן באמצעות סימון או פריטים נפרדים אחרים. טבלה 1: מטה-נתונים של תחנות לאיסוף נתוני לחות קרקע. קיצורים: דצמבר = יורד; GPS = מערכת מיקום גלובלית; 3DEP = תוכנית גובה תלת מימדית; O&M = תפעול ותחזוקה; SSURGO = מסד נתונים גיאוגרפי של סקר קרקע; Mukey = מפתח יחידת מפה. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו. 12. תפעול ותחזוקה הערה: יש להוסיף יומן תחזוקה מפורט לרשומת המטה-נתונים, כולל החלפת חיישן, בריאות או שינויים בצמחייה, או כל הפרעה באתר. ביצוע ביקורות שגרתיות באתר מדי שנה לכל הפחות (טבלה 2). הקלט כיולים או החלפות של חיישנים. הקפידו על ניהול צמחייה שוטף, במיוחד עבור תחנות קבועות, כך שהאתר לא יהפוך למגודל או חריג לסביבה. התאימו את ניהול בעלי החיים לחיות הבר המקומיות, אולי כולל גידור. במקרה של כשל בחיישן, בצע ביקור באתר חירום והתקן תחליף (טבלה 2). טבלה 2: לוח זמנים לדוגמה לתחזוקה. קיצור: DCP = פלטפורמת בקרת נתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

Representative Results

רשת SCAN החלה כפרויקט פיילוט של NRCS בשנת 1991. זוהי רשת איסוף נתוני SWC הפועלת הארוכה ביותר15 והבסיס לתוצאות המייצגות בפרוטוקול זה. כל אתרי הסריקה החלו במקור עם חיישן קיבוליות אנלוגי. אתר התקנת השדה (SCAN 2049) בבלטסוויל, מרילנד, המשמש ברכיב הווידיאו של פרוטוקול זה, מנטר (איור 7A) את טמפרטורת האוויר והקרקע לפי שעה (איור 7B) בעומקים של 5, 10, 20, 50 ו-100 ס”מ. PPT יומי, אחסון מי קרקע (SWS) עד 20 ס”מ, והשינוי שלהם לאורך זמן (dSWS) מוצגים באיור 7C. עבור כל אירוע PPT, הייתה עלייה חדה ב- SWC בקרבת פני השטח (5 ו- 10 ס”מ) ועלייה מוחלשת ומאוחרת יותר בעומקים גדולים יותר ככל שחזית ההרטבה התפשטה כלפי מטה תחת כוח הכבידה. במהלך אירועים בתחילת פברואר ואפריל 2022, החיישן העמוק ביותר בגובה 100 ס”מ הגיע לרמה של 0.33 מ’3/מ’, שנמשכה מספר ימים. תנאים אלה מצביעים על משך רוויה קצר. צפיפות הצובר היבשה של אופק הקרקע מנתוני האפיון (טבלה 3) הייתה 1.73 גרם לסמ”ק3, עם נקבוביות משוערת (φ) של 0.35 [-], מה שמספק עדות נוספת לכך שחלל הנקבוביות היה מלא כולו במים. בהתחשב בחול החולי / החולי של פרופיל הקרקע, התנאים הרוויים נוצרו ככל הנראה על ידי ניקוז לקוי או שולחן מים רדודים שעיכב ניקוז. שימו לב, טמפרטורת האוויר באתר זה יורדת מתחת לאפס ברוב הערבים עד אפריל; עם זאת, טמפרטורות הקרקע נותרו מעל 2 מעלות צלזיוס ולא הייתה אינדיקציה למים קפואים בנתוני SWC בעומק כלשהו. איור 7: תוצאות לדוגמה מתחנת שדה (SCAN 2049) הממוקמת בבלטסוויל, מרילנד. (A) טמפרטורת אוויר וקרקע לפי שעה, (B) SWC לשעה, ו-(C) משקעים יומיים, אגירת מי קרקע עד 20 ס”מ, וההפרש ביניהם לאורך זמן. קיצורים: SWC = תכולת מי קרקע; PPT = משקעים; SWS = אחסון מי קרקע; dSWS = הבדלים ב- SWS לאורך זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. טבלה 3: נתוני האתר ואפיון הקרקע לדוגמאות נתונים המוצגות בתוצאות המייצגות. כל הנתונים המוצגים באיורים ובטבלאות נלקחו ממסד הנתונים המקוון של NRCS בכתובת האתר שצוינה עבור כל אתר. נתוני אפיון הקרקע לא היו זמינים עבור הר השולחן (#808). קיצורים: NRCS = שירות שימור משאבי טבע; URL = מאתר משאבים אחיד; c = חימר; FSL = נול חולי דק; ls = חול מתועב; s = חול; sc = חימר חולי; scl = נול חימר חולי; si = סחף; sil = נול כחוש; sl = נול חולי; nd = אין נתונים; BD = צפיפות בתפזורת 33 kPa. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו. דוגמה קיצונית יותר של רוויה מוצגת באיור 8 עבור מיקום סריקה (2110) ליד יאזו, מיסיסיפי. לקרקעות תכולת חרסית גבוהה מאוד (מעל 60%), צפיפויות בתפזורת נמוכות הנעות בין 1.06 ל -1.23 גרם לסמ”ק 3, ו φ הנע בין 0.54 ל -0.60 [-] (טבלה 3). אירוע ה-PPT הראשון של ~40 מ”מ ב-13 באפריל 2020 רווי את הקרקע ל-SWC של >0.60 מ’ 3/מ’ 3 בכל העומקים במשך 12 ימים רצופים – ערכים קרובים מאוד φ הנמדדים. אירוע שני של 70 מ”מ ליום ב-20 באפריל 2020 לא השפיע על dSWS, מה שמרמז על עודף נגר רווי. תקופה דומה של רוויה בלטה בנובמבר 2020. בעוד שלא הייתה מדידה ב-100 ס”מ, ה-SWC ב-50 ס”מ נשאר יציב ב-0.39 מ’ 3/מ’ 3, למעט בסוף הקיץ שם הוא ירד במידה צנועה ל-0.36 מ’ 3/מ’ 3. הערות האתר (טבלה משלימה S2) מציינות שנעשה שימוש בכיול31 הספציפי לחיישן ‘loam’, כמו במקרה של חיישני קיבוליות המשמשים ברוב אתרי SCAN ו- USCRN. שתי הדוגמאות ממחישות את חשיבות אפיון הקרקע ונתוני BD, שנאספו במהלך אפיון האתר (שלב 5), על פענוח נתוני SWC. איור 8: תוצאות לדוגמה מאתר לח וממוזג (SCAN 2110) הממוקם ליד יאזו, מיסיסיפי . (A) טמפרטורת אוויר וקרקע לפי שעה, (B) SWC לשעה, ו-(C) משקעים יומיים ושינוי באגירת מי קרקע. קיצורים: SWC = תכולת מי קרקע; PPT = משקעים; SWS = אחסון מי קרקע; dSWS = הבדלים ב- SWS לאורך זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 9 מציג סדרת זמן פשוטה יותר של SWC באתרו בחמישה עומקים עם חמישה אירועי הרטבה שגורמים להתפשטות רציפה של חזית ההרטבה כלפי מטה בפרופיל הקרקע. אתר סריקה זה (2189) היה ממוקם ליד סן לואיס אוביספו, קליפורניה, באקלים ים תיכוני עם אביב רטוב וקיץ ארוך ויבש על אדמת נול חולית עם φ הנע בין 0.37 ל -0.51 [-] (טבלה 3). התגובה להרטבת פני הקרקע הייתה מהירה וירדה בעוצמתה עם העומק. אירוע ה-PPT הגדול האחרון במשך 5 ימים הספיק כדי להראות תגובה בעומקים של 50 ו-100 ס”מ. ככל שהעומק גדל, המחזור היומי של משרעת טמפרטורת הקרקע פחת, והזמן של טמפרטורות מקסימום ומינימה פיגר עוד יותר אחרי טמפרטורת האוויר ועומקים רדודים יותר (איור 9A). בעוד שמאפיינים אלה יכולים להיות שימושיים כדי להבחין בין עומקי חיישנים, כפי שנדון בסעיף הבא, הייתה גם השפעה ניכרת על תנודות SWC בעומקים של 5 ו -10 ס”מ. משרעת SWC הייתה ~0.02 מ’ 3/מ’ 3 ב-5 ס”מ, ~0.01 מ’ 3/מ’ 3 ב-10 ס”מ, וזניח יותר בחיישנים העמוקים יותר. הוא היה גם בפאזה עם טמפרטורות הקרקע, וסביר יותר להניח שהרעש נגרם בחיישן על ידי תנודות טמפרטורה ולא סביר שהוא תוצאה של תנועה פיזית כלשהי של לחות הקרקע או משקעים בפועל. באתר יבש זה (2189) יש שינויים יומיים גדולים בהרבה בטמפרטורת הקרקע מאשר באתר התקנת שדה מסיק יותר (2049), אשר אינו מראה רעשי טמפרטורה בנתוני SWC (איור 7B). איור 9: דוגמאות נגזרות מאתר ים תיכוני צחיח למחצה (SCAN 2189) הממוקם ליד סן לואיס אוביספו, קליפורניה . (A) טמפרטורת אוויר וקרקע לפי שעה, (B) SWC לשעה, ו-(C) משקעים יומיים ושינוי באגירת מי קרקע. קיצורים: SWC = תכולת מי קרקע; PPT = משקעים; SWS = אחסון מי קרקע; dSWS = הבדלים ב- SWS לאורך זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 10 מציג את אחת הפרשנויות המאתגרות יותר של נתוני SWC שקיימות עם אדמה קפואה וכיסוי שלג. אתר זה (808) היה ממוקם ליד Boseman, MT, בגובה 1,474 רגל מעל פני הים. טמפרטורות האוויר היומיות עלו מדי פעם על טמפרטורות המקפיאות במהלך החורף (דצמבר, ינואר ופברואר) של 2020. טמפרטורות הקרקע נותרו קצת מעל 0 °C (75 °F) עד מרץ. נוכחות השלג על פני השטח תבודד את הקרקע משינויים בטמפרטורת האוויר. יתר על כן, בקרקעות לחות, שחרור חום סמוי וצריכת אנרגיה, המלווים בתהליכי מעבר פאזה הקשורים למחזורי הקפאה-הפשרה, חוצצים את טמפרטורות הקרקע, ושומרים אותן קרוב מאוד ל-0 מעלות צלזיוס עד להשלמת שינויי הפאזה הללו. ε הקרח הקטנה בקרקעות קפואות מופיעה כירידה דרמטית ב-SWC ואחריה עלייה במהלך ההפשרה ללא כל אינדיקציה ל-PPT. זה היה בולט במיוחד באמצע דצמבר ובאמצע מרץ, כאשר טמפרטורות האוויר ירדו במהירות SWC ב 5 ו 10 ס”מ ירד במשך 3 ימים ולאחר מכן התאושש. טמפרטורת הקרקע של 100 ס”מ הגיעה לנקודת הקיפאון באמצע נובמבר והייתה בשפל בסתיו הקודם, כל החורף, ולא השתנתה במהלך הפשרת האביב, מה שמרמז על כך שייתכן שהיא לא הייתה תקינה. עם זאת, הירידות המהירות וההתאוששות בחיישנים האחרים עשויים להיות שינויים אמיתיים במי הקרקע הנוזליים או לא; פירוש נתונים כאלה יכול להיות מאתגר ביותר ללא מדידות נלוות של נוכחות השלג או עומקו. לעתים קרובות, נתוני SWC בהקפאה או מתחת לאפס מצונזרים בבקרת איכות. דיון נוסף על טמפרטורות הקרקע ליד הקיפאון מוצג בסעיף בקרת איכות רשומת הנתונים. איור 10: תוצאות לדוגמה מאתר אלפיני צחיח למחצה (SCAN 808) הממוקם ליד Three Forks, מונטנה . (A) טמפרטורת אוויר וקרקע לפי שעה, (B) SWC לשעה, ו-(C) משקעים יומיים ושינוי באגירת מי קרקע. קיצורים: SWC = תכולת מי קרקע; PPT = משקעים; SWS = אחסון מי קרקע; dSWS = הבדלים ב- SWS לאורך זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. דוגמאות ונתוני אפיון נוספים נשלפו ממסד הנתונים SCAN (ראה טבלה 3 עבור Uniform Resource Locator, [URL]). הדיווח ובקרת האיכות של נתונים אלה זקוקים לפרשנות כלשהי כדי לקבוע אם קיים מנגנון פיזי המסביר התנהגות בלתי יציבה כלשהי. הפרשנות שלנו חסרה כל ידע באתר מקומי, ולמרות שנים של הערכת סדרות זמן SWC, זה עדיין יכול להיות מאתגר להעריך חיישן טוב או התקנה מאחד כושל או רע. איור 11 מציג דוגמאות נפוצות של רשומות נתונים בעייתיות, שנבחרו באופן אקראי מ-40 תחנות סריקה בין 2020 ל-2021. השגיאות הנפוצות ביותר כוללות קוצים (איור 11A) ושינויי מדרגות כלפי מעלה (איור 11B) או כלפי מטה (איור 11C), כפי שסומן על-ידי רשת לחות הקרקע הבינלאומית32. עבור כל אחד מאלה, אין אירוע PPT מקביל כדי להסביר שינויים כאלה, והם יכולים להיחשב שגויים. הבעיה עם עליות מיידיות או ירידות היא מורכבת יותר כאשר מסתכלים רק על אמצעים יומיומיים, אשר יכולים להסתיר אירועים כאלה. עדיף להסיר אותם לפני ביצוע כל חישוב ממוצע. תחילתו וסופו של שינוי שלב עשויים להיות ברורים, אך קשה למלא נתונים כלשהם בין לבין. איננו ניגשים למילוי נתונים בפרוטוקול זה, אלא רק מסמנים נתונים שגויים. התנהגות לא יציבה (איור 11D) מציגה את עצמה כתנודות פראיות ללא כל תגובה לאירועי PPT. במקרים מסוימים, קפיצות עשויות להיעלם לאחר בדיקות חיווט והחלפת מרבבים, כפי שמוצג באיור 11A לאחר אוגוסט 2020. לעתים קרובות יותר, התנהגות לא יציבה היא הקדמה לחיישן כושל, כפי שמוצג באיור 11E. החיישן בעומק 10 ס”מ נתן התרעה סבירה על התנהגות לא יציבה בינואר וכשל בסוף מרץ. עם זאת, החיישן בעומק 5 ס”מ נכשל ללא אזהרה מוקדמת ב-1 במרץ 2021. איור 11: דוגמאות לרשומות בעייתיות. (A) סריקה 2084, Uapb-Marianna, ארקנסו, מראה ירידות תקופתיות ב-5 ס”מ, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, ניו מקסיקו, עם שינוי צעד חיובי בעומק 50 ס”מ, (C) SCAN 808, הר השולחן, מונטנה, עם שינוי צעד כלפי מטה, קוצים, ואפילו התאוששות בעומק 50 ס”מ, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, ללא תגובה לאירועי משקעים בחיישן 5 או 10 ס”מ, עם התאוששות מסוימת של חיישן 10 ס”מ ואחריו כישלון בולט של שניהם, ו-(E) SCAN 2027, ליטל ריבר, ג’ורג’יה, עם חיישן תקלה בעומק 20 ס”מ וכשל קטסטרופלי בעומק 5 ו-20 ס”מ. עומק החיישן מסומן כ- 5 ס”מ (שחור), 10 ס”מ (כחול), 20 ס”מ (כתום), 50 ס”מ (אפור כהה) ו- 100 ס”מ (צהוב). קיצורים: SWC = תכולת מי קרקע; PPT = משקעים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. בסריקה 2084, האתר החל לתעד נתונים ב-2/6/2004 והיו בו מספר הערות של התנהגות לא יציבה הקשורה למרבבים SDI-12, אשר הוחלפו מספר פעמים (טבלה משלימה S2). עם זאת, החיישנים מקוריים, ולאחר 18 שנים, נשארים פונקציונליים. בסריקה 2015 איסוף הנתונים החל ב-25/10/1993 והחיישן בקוטר 50 ס”מ באיור 11B נחשב חשוד בשנת 2017 (טבלה משלימה S2). האתר הוותיק ביותר, SCAN 808, החל לדווח ב-30/9/1986 והוסב לתחנת SCAN ב-25/10/2006; עד היום לא הוחלפו בו חיישנים. אנומליות, כפי שניתן לראות באיור 11E, לא תמיד גורמות לכישלון, מאחר שבאיור 10 יש נתונים סבירים. סריקה 2006 החלה לדווח ב-10/1/1993; החיישנים המקוריים בקוטר 5 ו-10 ס”מ באיור 11D הוחלפו ב-24/1/2022. סריקה 2027 החלה לדווח ב-19/5/1999; החיישנים המקוריים בקוטר 5 ו-10 ס”מ באיור 11E הוחלפו ב-13/8/2021. כאמור, אתרי SCAN החלו עם חיישן קיבוליות אנלוגי. רבים מהחיישנים הללו החזיקו מעמד יותר מ-20 שנה, ולמרות שלא בהכרח הפיקו את הנתונים באיכות הגבוהה ביותר לאורך כל הדרך, הם נשארו פונקציונליים. קביעת הנקודה שבה יש להחליף חיישן נותרה שאלה פתוחה עבור מתרגלים. מטא-נתונים של אתרים ומאפייני קרקע עבור אתרים באיור 11 ניתן למצוא בטבלה משלימה S3. דיווח נתוניםחיישני SWC רציפים באתרם מדווחים על שלושה עד שישה ערכים לכל מרווח זמן הקלטה. יחד עם כל המדידות הנלוות, הפריסה ארוכת הטווח של חיישני SWC מייצרת כמויות גדולות של נתוני ערך יחידה שיש לאחסן ולמסור. מדידות סביבתיות נעשות במרווחי דגימה בדידים שנצברים לאורך זמן ומדווחים כרשומת הנתונים. תדירות הדגימה של מדידה אטמוספרית משתנה בהתאם למדידה; הוא גדול יותר למדידות רוח וקרינת שמש (<10 שניות) וגדול יותר למדידות טמפרטורת אוויר ולחות (60 שניות)30. ערכי דגימה אלה ממוצעים או מצטברים על פני מרווח דיווח שיכול לנוע בין 5 דקות לשעה אחת. באופן דומה, SWC ניתן לדגום באופן מיידי במרווח הדיווח או לדגום (למשל, כל 5 דקות) וממוצע לממוצעים של 30 דקות או 60 דקות, מכיוון שהדינמיקה של SWC איטית יחסית בהשוואה. למרות שממוצע מדגימות תכופות יותר יכול להפחית רעש מתנודות טמפרטורה, הפרעות חשמליות ושונות חיישן אינהרנטית, זה לא מומלץ, מכיוון שקפיצות נתונים יכולות להטות את הערך הממוצע כפי שנדון קודם לכן. רוב רשומות נתוני SWC יכולות להסתפק בחישה בכל שעה, אך עבור אזורים עם תנאי ניקוז במהירות גבוהה יותר (קרקע חולית) ו- PPT אינטנסיבי (תנאי מונסון), רשתות מסוימות מקליטות במרווח זמן של 20 דקות כדי ללכוד באופן מלא אירועי גשם. לבסוף, העברת נתונים או טלמטריה יכולה להיות מוגבלת על ידי הטכנולוגיה (למשל, מערכות לוויין) או להיות בעלת רמות עלות המבוססות על גודל ותדירות הנתונים. מיטוב מרווחי דיווח ומשתנים טלמטריים יכול לסייע בשליטה בעלויות. לדוגמה, העברת ערכים גולמיים (למשל, ε או ספירות) עדיפה על ערכים נגזרים (למשל, SWC) שניתן לחשב לאחר עיבוד. רזולוציית הנתונים יכולה גם להשפיע על גודל חבילת מדידת השימוש; עם זאת, חשוב להציג את SWC כאחוז (0.0-100.0%) ברזולוציה של 0.1% או כעשרוני (0.00-1.00) ברזולוציה של 0.001 מ’ 3 מ’-3. הגרסה העשרונית ב-m 3 m-3 עדיפה מאוד כדי למנוע בלבול עם שינויים באחוזים של תכולת המים בניתוחים ובדיווחים מאוחרים יותר, וכדי למנוע בלבול עם תכולת מים על בסיס מסה (g/g) שעשויה להיות מדווחת גם כאחוז תכולת מים. טמפרטורת הקרקע, ε ו-BEC מדווחים בדרך כלל ברזולוציות של 0.1°C, 0.1 [-] ו-0.1 dS m-1, בהתאמה. בקרת איכות רשומת נתוניםתהליך בקרת האיכות של רשומת הנתונים מאמת את הנתונים ומתעד את איכותם. הערות שדה מדויקות ויומני כיול חיוניים לעיבוד רשומת הנתונים. השלבים האופייניים בעיבוד רשומה הם הערכה ראשונית, הסרת נתונים שגויים ברורים, יישום של חישובים או תיקונים בעלי ערך נגזר והערכת נתונים סופית. רשומות SWC מורכבות בדרך כלל מאות (למשל, ε, ספירות או mV), טמפרטורת קרקע ו- BEC המשמשים בדרגות שונות להפקת SWC. חיישנים עשויים גם להפיק SWC שמקורו על-ידי היצרן. עם זאת, אין חיישן המודד ישירות SWC; חישוב זה יכול להיות חלק משלב חישוב הנתונים, בהנחה שמשוואת כיול מתאימה זמינה והופכת לחלק מרשומת המטה-נתונים. רשומה עשויה להיות מדידה מיידית או ממוצע לאורך תקופה מסוימת. רצוי לשמור נתונים גולמיים כך שניתן יהיה לחשב את הפורמטים המתאימים ביותר לבקרת איכות ושיפורים במשוואות כיול או הבנת חיישנים ניתן ליישם על הנתונים הגולמיים. מאפייני החיישן צריכים להכתיב אם יירשמו ערכים מיידיים או ערכים ממוצעים של קריאות מרובות, אם כי ערכים מיידיים מועדפים מסיבות שניתנו קודם לכן. קיימות מספר דרכים לשלב נתונים נלווים (ראה אימות נתונים להלן) בזרימת עבודה של בקרת איכות. משקעים הם הבדיקה הראשונה – “האם SWC גדל לאחר אירוע גשם?” ישנם מצבים בהם SWC יכול לגדול ללא PPT (למשל, הפשרת שלג, הזרמת מי תהום, השקיה). הבדיקה השנייה היא השוואת השינוי באגירת מי הקרקע לעומת הכמות הכוללת של PPT עבור אירוע מסוים (איור 7C). באופן אידיאלי, אירוע זה צריך להיות אירוע גשם מבודד בעוצמה נמוכה. משקעים חודרים לקרקע מפני השטח ומחלחלים כלפי מטה. השיא ב-SWC צריך להיות בעל דפוס דומה כלפי מטה (איור 7B). עם זאת, זרימה מועדפת עלולה לגרום למים שחודרים לעקוף חיישן רדוד או לגרום לתגובה מהירה בחיישנים עמוקים יותר. בעוד שאלו עשויות להיות תגובות “אמיתיות”, דחיסה לקויה של תעלת ההתקנה או סביב חיישן בודד יכולה להעדיף להזרים מים לכיוון החיישן. יש להשתמש בהטיה בהרטבה מקדימה יש להשתמש בזהירות ובשכל ישר כאשר מפרשים תגובות חריגות לאירועי גשם או הפשרת שלגים. כפי שמודגם בטבלה 3, BD מכתיב את הגבול העליון של שטח נקבוביות הקרקע, φ [-], בקרקעות מינרליות. תכולת מים הגדולה באופן שגרתי מ-φ מעידה על חיישן לא תקין או על כיול חיישן לא מתאים. במקרה הראשון, הנתונים עשויים להימחק מהרשומה. במקרה האחרון, כיול מחדש עשוי לאפשר שמירה על הרשומה, עם ערכים המשתנים בהתאם לכיול מחדש. טמפרטורת הקרקע היא משתנה נוסף המסייע לנתוני בקרת איכות. טמפרטורת הקרקע מתפשטת כלפי מטה בעמוד הקרקע ונחלשת עם עומקה (איור 7A). הטמפרטורה צריכה להגיע לשיא מוקדם יותר וגבוהה יותר קרוב לפני השטח עם זמן השהיה הולך וגדל משיא פני השטח ככל שעומק החיישן גדל. עיכובים כלשהם בחיישן שאינם תקינים עשויים להצביע על עומק שזוהה באופן שגוי או על כתובת SDI-12 שגויה. כפי שמוצג באיור 10 ונדון בו, חיישנים אלקטרומגנטיים תלויים בשינויים ε, הנעים בין ~3 עבור קרח ל~80 עבור מים. שינויים בין מים לקרח נרשמים על ידי חיישני SWC. עם זאת, ייתכן שיהיה צורך להעלות את סף הסימון, מכיוון שנפח החישה של החיישן שונה מנפח החישה של תרמיסטור טמפרטורת הקרקע, והסף יכול להיות גבוה עד 4 מעלות צלזיוס. מכיוון שמידת הקיפאון והכמות היחסית של מים נוזליים יכולות להיות חשובות להערכת הידרולוגיית הקרקע, יש לסמן נתונים אלה כמושפעים מהקפאה ולא בהכרח להסירם. ברמה הבסיסית ביותר, בקרת איכות צריכה לתרץ כל תגובת חיישן לא יציבה למנגנון פיזי כלשהו, אחרת זו שגיאה. למרות שגרות בקרת איכות אוטומטיות הן דרישה עבור רשתות גדולות ומקורות נתונים נפרדים13,33,34,35, אין תחליף לעיניים על נתונים כדי לשמור על איכות הנתונים לטווח ארוך. אימות נתוניםאחד ההיבטים המאתגרים ביותר של נתוני SWC הוא אימות – “האם החיישן מספק נתונים טובים ומדויקים?” רוב החיישנים הסביבתיים נגישים לאחר הפריסה וניתן להחליפם בחיישן חדש לאחר זמן מה, להחזירם ליצרן או למעבדה כדי לכייל אותם מחדש בהתאם לתקנים, ו/או לאמת את הנתונים מול דגימה שנאספה מהשטח. ארגונים מטאורולוגיים פועלים לפי נהלים קפדניים עבור חיישנים אטמוספריים, כולל סיבובי חיישנים, תחזוקת חיישנים וכיולים בשטח המאפשרים תחזוקה מונעת לשמש כמעבר הראשון של אימות נתונים10,30. חיישני SWC קבורים באתרם ולא ניתן לבקר או לכייל אותם מחדש ללא הפרעה משמעותית לאתר ונזק פוטנציאלי לחיישן. יתר על כן, אין תקנים מקובלים לחיישני SWC, וככאלה, אימות נתונים דורש ידע מסוים על תגובת החיישן הצפויה וביטחון מסוים בחיישן עצמו. שניהם דורשים ניסיון מעשי ושיטות עבודה מומלצות המיושמות בשטח (כלומר, תחזוקת האתר ובדיקות). אם בעיות ביצועים חריגות, כפי שמוצג באיור 11, הופכות כרוניות, קיימת סבירות גבוהה לכשל של החיישן, ויש להחליפו. לחיישנים אלקטרומגנטיים אין חלקים נעים, והחוט והמעגלים נוטים להיות חזקים. לאחר 3 שנים, רשת תצפית הקרקע של טקסס דיווחה על שיעור כשל של 2% בחיישני מתנד קו שידור21. לאחר יותר מ-10 שנות שירות, רשת תגובת האקלים של ארה”ב דיווחה על עלייה ניכרת בשיעור הכשל של חיישני עכבה ב-15-18 בדיקות ל-100 בין השנים 2014 ל-201736. כפי שניתן לראות באיור 11, רוב חיישני הסריקה היו בני יותר מ-20 שנה לפני כישלון. החלפת חיישן לפני תקלה עדיפה, כך שניתן יהיה להעריך מחדש את החיישן באוויר, במים ובחול כדי לבדוק אם יש סחף מול ערכי קדם-פריסה, אם אלה נרשמו (למשל, שלב 1), בין היתר. החלפה שגרתית אינה מעשית עם חיישני SWC ונעשית לעיתים רחוקות ברשתות גדולות, ואיננו מודעים להערכות ארוכות טווח של שינוי חיישן SWC אלקטרומגנטי לאורך זמן. רשת USCRN עוברת כעת לטכנולוגיית חיישנים חדשה לאחר למעלה מ-10 שנים באמצעות חיישני קיבול. התוכנית היא שתהיה חפיפה מינימלית של שנתיים בין חיישנים ישנים וחדשים כדי לבצע התאמות כלשהן. ביקורי תחזוקה קבועים צריכים לכלול אימות של נתוני SWC, באופן אידיאלי במגוון תנאי לחות. ניתן לעשות זאת בעקיפין באמצעות חיישן נייד, המכויל באופן אידיאלי לחלק מדגימות הקרקע או ישירות לליבות קרקע נפחיות שנאספו באתר. הגישה הטובה ביותר היא להשוות קריאות חיישנים באתרם עם SWC מדגימות קרקע נפחיות בעומקים שווי ערך37 (איור 12). תחזוקה מתוזמנת צריכה לנסות לכסות מגוון של תנאי לחות קרקע כך שניתן יהיה להשוות רגרסיה פשוטה בין מדידות SWC ישירות / עקיפות לבין קריאות חיישן מקריות. דגימת קרקע עמוקה יותר יכולה להתבצע בחורי אוגר או עם מכשירי ציפוי מכניים. אימות חיישני פני השטח (למשל, 5 ו -10 ס”מ) עשוי להספיק מכיוון שהחיישנים העמוקים יותר צריכים לעקוב אחר תגובה אופיינית דומה ל- PPT, כפי שנדון קודם לכן. ישנן מספר מגבלות של הערכת SWC פוסט הוק זו. החיסרון העיקרי הוא שהדגימות הנפחיות אינן יכולות (וגם לא צריכות) להילקח ישירות אל החיישנים ואינן יכולות לייצג באמת את ה-SWC בתוך נפח החישה סביב הפחונים (בטווח של 3 ס”מ). זה מוביל לחיסרון השני; ייתכן שיהיה צורך במיקומי דגימה ובעומקים רבים נוספים כדי לקבל ערך SWC מייצג של השדה. זה יכול גם לגרום להרבה חורים והפרעות סביב האתר. חסרון שלישי הוא הקושי להשיג דגימות קרקע נפחיות בעומק ללא חפירה המשבשת את פרופיל הקרקע. איור 12: נתוני SWC נפחיים. נתוני SWC מ-60 ס”מ3 ליבות קרקע שנלקחו כנתוני כיול שדה בהשוואה ל-SWC מחיישנים באתרם בעומקים של 15, 30, 45 ו-60 ס”מ, במרקמים הנעים בין חול דק וחרסית. נתון זה נלקח מ Evett et al.37. קיצור: SWC = תכולת מי הקרקע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. ה-NRCS פיתח שיטת דיגום קרקע בחורי אוגר באמצעות צינור דגימה נפחי (בדיקה בסגנון מדרה) על מוט מאריך לדגימות בתחתית חור אוגר38. ניתן לשלב מדידות ישירות אלה גם עם מדידות עקיפות מחיישנים ניידים37,39,40 כדי לספק הערכה מכויילת של הייצוגיות המרחבית של חיישנים באתרם 13,41. כפי שמתואר בשלב 10.10 של הפרוטוקול, ניתן לחזור על תהליך זה כדי לאפשר למדד כלשהו (למשל, שגיאת ריבוע ממוצע שורש, הטיה, קורלציה) לקבוע כל סטייה עדכנית של חיישני באתרם מהדגימה הישירה או מהערכות עקיפות של SWC. פרטים נוספים מוצגים גם על ידי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית סבא”א7. נתוני חפירת הקרקע ואפיון המוצגים בשלבים 3 ו-5 מספקים גם נתונים על φ (SWC לא יעלה על ערך זה). מרקם הקרקע והאופקיות ממחישים אזורים בעלי מוליכות גבוהה/נמוכה ואגירת מי קרקע. צעדים אלה עולים בקנה אחד עם פרוטוקול דגימת קרקע יער25. ניתן להשתמש בקנה המידה הרצוי של ייצוגיות כדי לאסוף את מערך נתוני האימות, ולאחר מכן, ניתן לשנות את קנה המידה של התחנה לטביעת הרגל המאומתת42. אם סוג חיישן תחנה מוחלף, יהיה זה הגיוני לאסוף קבוצה נוספת של נתוני אימות במגוון תנאי מי קרקע כדי ללכוד שוב את הטיית ההתקנה. ערכות נתונים נלוות יכולות לסייע באימות והערכה של נתוני SWC. ברור כי סדרת זמן הידרולוגית משופרת באופן דרמטי עם gage PPT באתר כדי לאמת את העיתוי, משך וגודל האירועים. חיישני פוטנציאל מטרי קרקע מספקים את מצב האנרגיה של מי הקרקע, קריטי לכימות המים הזמינים של הצמח. חיישנים מטאורולוגיים, כולל טמפרטורת אוויר, לחות יחסית, מהירות רוח וקרינת שמש, מאפשרים חישוב ישיר של אידוי ייחוס (ET), שהוא מדריך שימושי לספיגת מי צמחים יחסית, ולפיכך, קצב ייבוש הקרקע43. מספר חיישני מזג אוויר חסכוניים מסוג All-in-One זמינים עם פלט SDI-12. מידע על מפלס מי התהום ממתמר לחץ הוא מדידה חשובה נוספת, אם שולחן המים קרוב לפני השטח וניתן להתקין באר ניטור. לבסוף, מצלמת שטח יכולה לספק גם ערך מדעי וגם ערך אבטחת אתר. תמונות דיגיטליות יכולות לתעד צמיחת צמחייה וירוק44, וניתן להעריך את מצבה הכללי של התחנה ללא ביקור בשטח. טבלה משלימה S1: טכנולוגיות חיישן SWC נפוצות (אך לא כולל) באתרן. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה. טבלה משלימה S2: יומני היסטוריית חיישנים שחולצו ממסד הנתונים המקוון של NRCS עבור כל האתרים המוצגים בפרוטוקול זה. הנתונים זמינים דרך כל כתובת URL. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. טבלה משלימה S3: נתוני אתר ואפיון קרקע לדוגמאות נתונים המוצגות באיור 11. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

מצב לחות הקרקע הוא תוצאה של גורמים סביבתיים רבים ושונים, כולל משקעים, צמחייה, קרינת שמש ולחות יחסית, יחד עם תכונות הידראוליות ופיזיקליות של הקרקע. אלה פועלים על פני מרחב וזמן בסקאלות מרחביות וזמניות שונות. כדי למדל ולחזות את מחזורי המים, האנרגיה והפחמן, יש להבין את מצב SWC. אחד הסוגים הנפוצים ביותר של טכנולוגיות מדידה אוטומטיות הוא חיישן SWC אלקטרומגנטי עם פחים שנועדו להחדיר באתרם לאדמה ללא הפרעה. פרוטוקול זה נועד לספק הדרכה לתהליך ההתקנה של סוגים נפוצים אלה של חיישנים הניתנים לקבורה. דיוק, ביצועים ועלות הם בדרך כלל פרופורציונליים לתדירות ההפעלה של החיישנים; חיישנים בתדר נמוך יותר עולים פחות, אך מבולבלים יותר על ידי גורמי קרקע וסביבה45. כיול ספציפי לקרקע או לאתר יכול לשפר את הדיוק של חיישנים בתדר נמוך יותר. שיטת המדידה משפיעה גם על ביצועי החיישנים בשל הפיזיקה הבסיסית של השדה האלקטרומגנטי (EMF).

שני חוקים פיזיקליים אלקטרומגנטיים עיקריים שולטים בחישה אלקטרומגנטית. אחד מהם הוא חוק גאוס, המתאר כיצד ה-EMF המתפשט של החיישן תלוי הן ב-ε והן ב-BEC של התווך. עם זאת, ה-Permittivity עולה עם SWC, כך גם ה-BEC. לכן, חיישנים התלויים בחוק גאוס מושפעים מ-SWC, BEC, ומהשפעת הטמפרטורה על BEC, כמו גם כל הפרעה מהמליחות. שיטות חישת קיבוליות מצייתות לחוק גאוס ולכן מועדות יותר להשפעות אלה46. בנוסף, חוק גאוס מתאר את התלות של הקיבול בגורם גיאומטרי, המשתנה עם צורת ה- EMF בקרקע. מחקרים הוכיחו כי צורת ה- EMF משתנה עם מבנה הקרקע והשונות המרחבית בקנה מידה קטן של תכולת המים סביב פחי החיישן. השתנות מרחבית בקנה מידה קטן של תכולת המים ומבנה הקרקע גדולה ברוב הקרקעות, וכתוצאה מכך שינויים בגורמים גיאומטריים וכתוצאה מכך שינויים בקיבול שאין להם קשר לשינויים בתכולת מי הקרקע הממוצעים בתפזורת. גורמים אלה מפחיתים את דיוק חיישן הקיבול ומגדילים את שונות הנתונים46,47,48. שיטות העכבה ותנודת קו ההולכה תלויות גם הן בחוק גאוס, בעוד ששיטות רפלקטומטריה של תחום הזמן וטרנסמיסומטריה של תחום הזמן תלויות במשוואות מקסוול, שאינן כוללות גורם גאומטרי ואינן תלויות ב-BEC. בעוד שאף חיישן אינו נטול בעיות, שיטות תחום הזמן נוטות להיות מדויקות יותר באופן ניכר ופחות מוטות מאשר שיטות מבוססות קיבוליות או עכבה.

ישנם מספר שלבים קריטיים בהליך. עבור רשת דלילה, בחירת אתר נכונה ומיקום חיישן נדרשים כדי לקבל את הייצוג המרחבי המתאים ביותר של SWC. בחירת האתר עשויה להיות מושפעת יותר מגורמים חיצוניים, כגון גישה לקרקע, או דרישות ניטור אטמוספריות אחרות שבהן לחות הקרקע היא המדידה הנלווית. אתרים מטאורולוגיים בקנה מידה מזוגרפי ממוקמים על משטחי דשא רחבים ופתוחים ומטופחים היטב כדי למזער השפעות בקנה מידה מיקרו. מיקומים כאלה עשויים להיות פחות אידיאליים לניטור SWC. במידת הצורך, יש לשקול טכנולוגיות חיישנים אלחוטיים 49,50,51,52,53 כדי לאפשר ניטור SWC להתרחש הרחק מתחנת הניטור הסביבתי הקיימת ובקרקע מייצגת. העבודה סביב פעילות חקלאית פעילה וציוד השקיה היא מאתגרת. רוב הרשתות (למשל, SCAN ו-USDA-ARS) נשארות בשולי השדות כדי להימנע מפעילויות עיבוד כגון מחרשות או קוצרים שיכולים לחתוך את הכבלים ולחשוף חיישנים. כל חיישן וכבל באתרם צריכים להיות קבורים מספיק ובעלי פרופיל משטח נמוך מספיק כדי להימנע מהסקת מסקנות לגבי פעולות בחווה. מערכות אלחוטיות53 וחיישני קידוח נשלפים47 עשויים להיות מתאימים יותר. שימור מי תהום באמצעות השקיה בקנה מידה גדול, מבוססת לחות קרקע54 הוא שדה גידול עבור חיישני SWC; פרוטוקול זה מתייחס לייצוג מרחבי של נתוני SWC ארוכי טווח בקרקעות ללא הפרעה.

קרקעות מסוימות קשות יותר למדידה מאחרות. בקרקעות סלעיות, חצץ או יבשות מאוד, ייתכן שלא ניתן יהיה להכניס את הפח ללא כל נזק. אפשרות אחת היא לחפור את בור הקרקע ולהניח את החיישנים במקומם תוך כדי מילוי אחורי, בניסיון לדחוס ל- BD המקורי. קרקעות סלעיות נוטות להיות בעלות מבנה מועט, אשר צפוי להחלים לאחר מספר מחזורי הרטבה וייבוש; עם זאת, הפרעה כזו לעולם לא תייצג באמת את הידרולוגיית הקרקע של האתר. לחלופין, אם חיישנים מותקנים בתחתית חורי האוגר, ניתן לנפות את האדמה שהוסרה כדי להסיר אבנים ולארוז מחדש בחור עמוק מספיק כדי להכיל את פחי החיישן. לאחר מכן ניתן להתקין את החיישן אנכית, ולמלא מחדש את חור האוגר באדמה הנותרת שאינה מנופה, עם דחיסה תכופה ככל שמתווספת אדמה.

שורשים באדמת יער מציבים אתגרים דומים להחדרת גשושיות, אולם ניתן לחתוך שורשים במצבים מסוימים. לקרקעות יער יש לעתים קרובות אופקים אורגניים (O) על גבי הקרקע המינרלית, אשר יכולים להיות בעלי BD נמוך מאוד ושטח פנים ספציפי גבוה, עם כמויות גדולות של מים קשורים וכתוצאה מכך תגובות חיישן מאוד לא ליניאריות ב- SWCs55 גבוהים יותר. יתר על כן, המתרגל מגדיר את נתון האפס כראש אופק ה-O או כציון הקרקע המינרלית אשר במטא-נתונים. קרקעות עשירות בחרסית וחרסיות רחבות ידיים בעלות פוטנציאל התכווצות/התנפחות גבוה יכולות להיות מוליכות מאוד לאותות אלקטרומגנטיים כאשר הן רטובות ועלולות להיסדק כאשר הן יבשות. קרקעות כאלה עשויות להזדקק לתיקונים נוספים כדי לקבל SWC סביר ממדידות הגלם56,57. בקרקעות רדודות ניתן להיתקל בסלע האם או באופק קרקע מגביל (למשל, קלישאה או קשיח) לפני שמגיעים לעומק המקסימלי האידיאלי. ייתכן שיהיה צורך לשנות מיקום או פשוט לא להתקין את החיישנים העמוקים יותר. קרקעות יבשות או רטובות מדי יכולות להיות מאתגרות, ועדיף גם לבחור תאריכי התקנה מחוץ לקיצוניות עונתית. אדמה יבשה יכולה להיות חזקה מאוד, וייתכן שלא ניתן יהיה להכניס חיישן ללא נזק. במידת הצורך, ניתן למלא חורים מוכנים מראש במים כדי לרכך את פני הבור, אם כי ייתכן שיחלוף זמן מה עד שהקרקעות יחזרו למצב טבעי. קרקעות רטובות יכולות להיות חלשות מכדי לתמוך בפני בורות או שהתעלה יכולה להתמלא במים. כמו כן, קל יותר לדחוס יתר על המידה אדמה רטובה.

פלט החיישן צריך לכלול היתר, לא רק SWC, כך שניתן יהיה לבצע תיקונים או כיולים ספציפיים לקרקע מאוחר יותר. חיישנים בתדר גבוה יותר מתאימים יותר בקרקעות BEC גבוהות, בעוד שחיישנים קצרים יותר עשויים להיות קלים יותר להתקנה בקרקעות קומפקטיות יותר. אבל אולי הצעד הקריטי ביותר הוא מגע עם הקרקע; מגע לקוי פוגע באות מכל חיישן אלקטרומגנטי. לבסוף, מילוי חוזר של החפירה נשמע טריוויאלי, אך הוא המפתח למזעור הזרימה המועדפת לאזור החיישנים, שמירה על הכבלים מוגנים והרתעת בעלי חיים מלהפריע לאזור. כיול ספציפי לקרקע או לאתר יכול לשפר את דיוק החיישן, אך דורש פירוט רב יותר ממה שמתאפשר בפרוטוקול זה. קרקעות שדה שהותאמו או נארזו מחדש לרמות SWC משתנות הן אידיאליות לבדיקת ליניאריות התגובה ויכולות לשמש ככיול ספציפי לאתר עבור סוגי חיישנים מסוימים21. נוזלים דיאלקטריים יכולים גם להיות מדיה יעילה לבדיקת תגובת חיישן58. אמבטיות מים מבוקרות טמפרטורה יכולות לשמש לשיפור כיול טמפרטורת הקרקע59. פרוטוקול זה הוא הצעד הראשון לקראת קביעת נוהל הפעלה סטנדרטי להתקנת חיישני SWC באתרם, שכן אין שיטה קיימת, וגם לא שיטת כיול מקובלת לחיישני SWC60,61.

בעוד ניטור SWC היה המוקד של פרוטוקול זה, לשיטה יש מגבלות, ו- SWC לבדו אינו יכול לתת תמונה מלאה של מצב מי הקרקע. תהליכים אקולוגיים רבים מווסתים גם על ידי פוטנציאל מי הקרקע, אשר נמדד פחות באתרו62. פוטנציאל מי הקרקע, שנסקר לאחרונה על ידי S. Luo, N. Lu, C. Zhang ו- W. Likos 63, הוא מצב האנרגיה של המים; חיישנים כאלה עשויים להיות מושפעים פחות מתכונות הקרקע ולספק בקרת איכות לחיישני SWC64. יתר על כן, שדה הצובר כולל חצץ, סלעים, שורשים וחלל ריק (למשל, נתיבי זרימה מועדפים). באתרו חיישני SWC ממוקמים בדרך כלל מחדש סביב סלעים ושורשים, ונפח המדידה המוגבל, המרוכז סביב הפחונים, עלול להחמיץ היבטים נפרדים אך חשובים של SWC שדה הצובר .

יש לקוות שפרוטוקול זה יוביל לנתוני SWC הרמוניים ואחידים יותר עבור מגוון רחב של יישומים, כולל ניטור בצורת, חיזוי אספקת מים, ניהול פרשת מים, ניהול חקלאי ותכנון יבולים. הופעתן של פלטפורמות חישה מרחוק4 שיפרה מאוד את היכולת להעריך SWC ברחבי העולם, אך מוצרים אלה זקוקים לאימות קרקעי, שעדיין נאסף באופן סביר רק על ידי רשתות באתרן 65. התקדמות המחשב אפשרה לפתח מידול SWC66 ברזולוציה גבוהה, המייצר סטטוס SWC ברזולוציה גבוהה ותת-יומית, אך מוצרים אלה זקוקים גם להערכות באתרם של SWC כדי לספק בסיס כלשהו לחישוב אי הוודאות. לעתים קרובות, השאלה הראשונה שנשאלת כאשר מוצר חדש מוצג היא “מהי אי הוודאות?” עבור מוצרי SWC, ההשוואה העיקרית לאימות היא נתוני רשת באתרם 67.

לאחרונה בוצעו הרחבות רשת הקשורות לרשת הלאומית המתואמת לניטור לחות קרקע (NCSMMN), כולל פרויקט לחות הקרקע של אגן נהר מיזורי העליון של חיל ההנדסה של צבא ארה”ב ובניית הרשת בדרום מזרח ארה”ב הנתמכת על ידי NOAA, כולם נועדו לשפר את חיזוי סיכוני המים, ניטור ולספק תמיכה בהחלטות ניהול משאבים. ודאות ודיוק של הערכות SWC עבור יישומים כאלה יכולים להתבצע רק באמצעות פרוטוקולים ונהלים יסודיים כדי לספק ביטחון בשלמות הנתונים. NCSMMN הוא מאמץ פדרלי, רב מוסדי שמטרתו לספק סיוע, הדרכה ותמיכה על ידי בניית קהילה של תרגול סביב מדידת לחות הקרקע, פרשנות, ויישום – “רשת של אנשים” המקשרת ספקי נתונים, חוקרים, ואת הציבור68. פרוטוקול זה הוא תוצר של מאמצי NCSMMN. זרימת עבודה של בקרת איכות נתונים עומדת להגיע.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים על תמיכה כספית מ-NOAA-NIDIS, הרשת הלאומית לניטור לחות קרקע מתואמת (NCSMMN), ותוכנית USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS). אנו מודים לחברי הוועד המנהל של NCSMMN, כולל ב. בייקר, ג ‘בולטן, ס ‘קונלי, פ ‘גובל, ט’ אוקסנר, ס ‘קווירינג, מ’ סבובודה ומ’ וולושין על הקלט על פרוטוקול זה. אנו מודים ל-M. Weaver (USGS) על הסקירה הראשונית של טיוטת הפרוטוקול.

Materials

System components, essential This system is the typcial micro-station used in the TxSON soil moisture network. The TxSON meteorlogical station is listed under optional components. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034 
Battery, sealed rechargable 12 V 12 AH  Campbell Scientific  BP12 7 amp-hour (AH) minimum
Charging regulator Campbell Scientific  CH200 Charge regulator, needed for any unregulated solar panel
Conduit, schedule 40 PVC, 1 to 2" diameter   Any home supply store Diameter sized appropriate to number of sensors and cable thickness. Length dependent on height of enclosure
Data aquistion software Campbell Scientific  PC400 Free versions with limited programability, for more basic applications, manual downloads and simple sensor configurations
Data control platform Campbell Scientific  CR300 Any SDI-12 compatible DCP is sufficint. Many also have integrated cellular modems available 
Enclosure (NEMA), 10 x 12 inch, -DC 2 conduits for cables, -MM tripod mast mount Campbell Scientific  ENC10/12-DC-MM Two bottom conduits are required for above and below ground instruments
Mounting pole (47 inch) with pedestal legs Campbell Scientific  CM305-PL Smaller footprint, not tall enough for weather sensors
Rain Gage with 8 in. Orifice, 20 ft of cable Campbell Scientific  TE525WS-L20-PT Recommend installing rain gage on a separate vertical pole some distance from the instrument stand
Sensors, 12 cm water content reflectometer, 17ft cable, -VS SDI-12 address varies Campbell Scientific  CS655-17-PT-VS See Supplement Table 1 for more options 
Solar panel, 20 W Campbell Scientific  SP20 Use higher wattage panels for northern sites and lower for southern sites with higher exposre
System components, optional
Cellular Antenna, 2 dB multiband omnidirectional  Campbell Scientific  32262 Directional antennas can improve signal, if the tower location is known. 
Cellular modem for Verizon/ATT Campbell Scientific  CELL210/205 Provider is site-dependent
Crossarm mount, 4 feet Campbell Scientific  CM204 Ideal for mounting 2 m sensors 
Data aquistion software, advanced Campbell Scientific  Loggernet More advanced commercial sofware that includes remote communications options and advanced programming
DIN Rail Perforated Steel Phoenix Contact 1207639 Used to mount terminal blocks inside enclosure
Galvanized steel water pipe, 1.5 or 2 inch diameter, 10 ft in length Any home supply store The most economical option for an instrument mast. Can be cut to length. Replaces the 47 inch mounting pole with legs
Instrument tripod, 10 foot stainless-Steel with grounding kit Campbell Scientific  CM110 Taller instrument stand for 2 m meteorologic sensors
Lever nut connectors, five ports (Figure 5) Digi-Key 222-415/VE00/1000 Connect one SDI-12 wire to 4 sensor wires. Alternative to DIN rail.
Null modem cable  Campbell Scientific  18663 Inteface cable between DCP with modem. Not required for integrated cellular modems
Plug-in bridge – FBS 3-5 Phoenix Contact 3030174 Used to connect the curcuit of multiple terminal blocks. Available at mouser.com
Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 gallon) Any home supply store Altnerative to concrete when using a steel pipe mast or for precipation gage pole. Two part foam mixture
Sensor, air temperature and relative humidity, 10 ft cable  Campbell Scientific  HygroVUE10-10-PT Lower accuracy and pression option. Replacable chips are the fastest means to meet annual calibration cycles. 
Sensor, solar radiation pyranometer, digital thermopile  Campbell Scientific  CS320 Most inexpensive, ISO class C (second class). Better options are available but much more expensive
Sensor, wind speed anemometer, 10 ft cable Met One 014A-10 More expensive options include wind direction, or sonic sensors with no moving parts
Solar shield for air temperature and relative humidity sensor Campbell Scientific  RAD10E All air temperature sensors require sheilded from the sun
Terminal blocks (Figure 5), feed-through  Phoenix Contact 3064085 The most secure method to connect multiple SDI-12 sensor wires. Available at mouser.com
Field tools, essential
Freezer bags: quart and gallon sized Any grocery store Storage for soil samples collected for characterization
Miscellaneous digging tools including hand trowl, flat spade, and pointed spade Any home supply store Backup tools to aid excavation'
Shovel (Sharpshooter) 16 in. D-handle drain spade Razorback Manual tool for excavating soil pit. Any narrow pointed spade will work. 
Shovel, trenching, 4 in wide steel blade  Any home supply store Ideal trenching tool for burying cable or conduit
Soil auger (<4 in diameter) with T-handle or and extension bar as needed for r test holes AMS Samplers 400.06 Recommended for test holes. The auger type should match soil, but 'regular' performs well in most soils
Tarp (plastic) or plywood sheet Any home supply store Soil management during excavation and trenching
Field tools, optional
2,000 lb Mini Excavator Sunbelt Rentals 350110 Rental equipment for mechanical excavation
Breaker or digging bar Any home supply store Useful to break rocks and cut roots during excavation
Galvanized Cattle Fence Panel, 16 ft x 50 in Tractor Supply Co.  350207799 Recommend cutting fencing panels into 8' sections
Pick mattock or pulaski  Any home supply store Great for loosening in hard or rocky soils 
Post Hole Auger Hydraulic Tow Behind with 18" diameter auger Sunbelt Rentals 700033 Rental equipment for mechanical excavation
Post hole digger, 48 in handle Any home supply store Useful to clear soil in bottom of pit, or for test holes
Steel fence T-posts, 6 feet tall and fence post driver, ~14 lb. Any home supply store Fencing support and installation
Steel rake Any home supply store Ideal for smoothing disturbed soil at field area
Every Day Carry (EDC), recommendations for any field technician's toolbag
Adjustable wrench with insulated handle  Any home supply store
Assorted UV-resistant zip ties Any home supply store Critical for neat wiring 
Diagonal cutting pliers Any home supply store Efficient way to cut light and heavy wires and snip zip ties
Digital camera, GPS, and compass Misc.  Ideally, these are all on your smartphone
Digital multimeter Any home supply store Key tool for troubleshooting power and connectivity issues in electrical systems
Electrical tape  Any home supply store Non-black tape can be used for labeling 
Electrician's Puddy for filling entrance holes of enclosures Any home supply store Needed to close and seal all conduit ports in the enclosure
Hex key sets in both standard and metric sizes Any home supply store Required for many sensor mounts
Magnetic torpedo level (8 to 12") Any home supply store Needed to get instrument stand vertical and leveling any meteorlogical sensors
Metric tape measure  Any home supply store Critical for inserting probes and sampling soils – both use metric depths. 
Pliers: needle nose, lineman's, and channel-lock Any home supply store Lineman's pliers are essential for bailing wire fences. 
Portable drill, bits, nut drivers Any home supply store
Ratchet wrench and appropriate socket sizes  Any home supply store Ratch wrenches can get into tight spaces around sensor mounts where standard box wrenches do not work
Safety: first aid kit, water (5 gallons),  trash bags, gloves, sunscreen, insect repellent Any home supply store
Screw drivers: small and large size with insulated handles  Any home supply store Screws on DCP and terminal blocks are very small. Small flat and phillips heads are required. Larger tools will also come in handy
Sharpies, pencils, and notebook Forestry Supplier Basic record keeping is essential for metadata
Step ladder, 6 ft Any home supply store Hard to install 2m sensors without a ladder
Utility knife and box cutter Any home supply store
Vegetation control: hand loppers, weed whacker, saw Any home supply store Depending on the environment, vegetation can quickly overwhelm a fenced off areas.
Wire strippers (8-20 gage) Any home supply store Essential tool for preparing wires for insertion into DCP or terminal blocks. Self-adjusting strippers are the latest rage
Annual Maintenance Supplies
Battery cleaner (baking soda) and brush Any grocery store
Cleaning:compressed air, isopropyl alcohol, tooth brush, pipe cleaners, paper towels  Any grocery store
Desiccant, silica gel bags Clariant Desi Pak Reusable after oven drying at 105 °C for over 24 h. Swap out annually. 
Field calibration device for rain gage R.M. Young 52260 Device that drips water into a rain gage at varying intensity 
Handheld Weather Meter Kestrel Instruments 0830 Direct measurement of air temperature, relative humidity, and wind speed for field verification
One quart and one gallon freezer bags Any grocery store Storage for any gravimetric soil samples
Portable soil moisture sensor  Delta-T Devics SM150T A variety of sensors exist. See evaluation at https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033
Soil core sampler, 2-1/4 in. Diameter Soilmoisture Equipment Corp. 0200 Gravimetric soil moisture and bulk density sampler 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. GCOS Steering Committee. The Global Observing System for Climate: Implementation Needs. Report No. GCOS-200. World Meteorological Organization, Global Climate Observing System. , 315 (2016).
  2. Seneviratne, S. I., et al. Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate: A review. Earth-Science Reviews. 99 (3-4), 125-161 (2010).
  3. Vereecken, H., et al. On the value of soil moisture measurements in vadose zone hydrology: A review. Water Resources Research. 44 (4), (2008).
  4. Babaeian, E., et al. proximal, and satellite remote sensing of soil moisture. Reviews of Geophysics. 57 (2), 530-616 (2019).
  5. Ochsner, T. E., et al. State of the art in large-scale soil moisture monitoring. Soil Science Society of America Journal. 77 (6), 1888-1919 (2013).
  6. Fiebrich, C. A., Morgan, C. R., McCombs, A. G., Hall, P. K., McPherson, R. A. Quality assurance procedures for mesoscale meteorological data. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 27 (10), 1565-1582 (2010).
  7. IAEA. Field Estimation of Soil Water Content. Training Course Series. Report No. 30. International Atomic Energy Agency. , (2008).
  8. Montzka, C., et al. Soil Moisture Product Validation Good Practices, Protocol Version 1.0. Committee on Earth Observation Satellites, Working Group on Calibration and Validation, Land Product Validation Subgroup. , (2020).
  9. Johnson, A. I. Methods of Measuring Soil Moisture in the Field. Report No. 25 Water-Supply Paper 1619-U. U.S. Geological Survey. , (1962).
  10. Fiebrich, C., et al. . The American Association of State Climatologists’ Recommendations and Best Practices for Mesonets. , 36 (2019).
  11. Caldwell, T. G., Young, M. H., McDonald, E. V., Zhu, J. T. Soil heterogeneity in Mojave Desert shrublands: Biotic and abiotic processes. Water Resources Research. 48 (9), (2012).
  12. Lin, H. S. Three principles of soil change and pedogenesis in time and space. Soil Science Society of America Journal. 75 (6), 2049-2070 (2011).
  13. Caldwell, T. G., et al. The Texas soil observation network: A comprehensive soil moisture dataset for remote sensing and land surface model validation. Vadose Zone Journal. 18, 100034 (2019).
  14. Schaefer, G. L., Cosh, M. H., Jackson, T. J. The USDA natural resources conservation service soil climate analysis network (SCAN). Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24 (12), 2073-2077 (2007).
  15. Schaefer, G. L., Paetzold, F., Hubbard, K., Sivakumar, M. V. K. SNOTEL (SNOpack and TELemetry) and SCAN (soil climate analysis network). Automated Weather Stations for Applications in Agriculture and Water Resources Management: Current Use and Future Perspectives. , 187-194 (2001).
  16. Palecki, M. A., Bell, J. E. U.S. Climate Reference Network soil moisture observations with triple redundancy: Measurement variability. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  17. Chan, S. K., et al. Assessment of the SMAP passive soil moisture product. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 54 (8), 4994-5007 (2016).
  18. Hu, Q., Feng, S. A daily soil temperature dataset and soil temperature climatology of the contiguous United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (8), 1139-1156 (2003).
  19. Patrignani, A., Ochsner, T. E., Feng, L., Dyer, D., Rossini, P. R. Calibration and validation of soil water reflectometers. Vadose Zone Journal. , 20190 (2022).
  20. Adams, J. R., Berg, A. A., McNairn, H. Field level soil moisture variability at 6-and 3-cm sampling depths: implications for microwave sensor validation. Vadose Zone Journal. 12 (3), (2013).
  21. Caldwell, T. G., Bongiovanni, T., Cosh, M. H., Halley, C., Young, M. H. Field and laboratory evaluation of the CS655 soil water content sensor. Vadose Zone Journal. 17, 170214 (2018).
  22. Vaz, C. M. P., Jones, S., Meding, M., Tuller, M. Evaluation of standard calibration functions for eight electromagnetic soil moisture sensors. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  23. Cosh, M. H., et al. Developing a strategy for the national coordinated soil moisture monitoring network. Vadose Zone Journal. 20 (4), 20139 (2021).
  24. Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., Benham, E. C. . Field Book for Describing and Sampling Soils. Version 3.0. , (2012).
  25. Lawrence, G. B., et al. Methods of soil resampling to monitor changes in the chemical concentrations of forest soils. Journal of Visualized Experiments. (117), e54815 (2016).
  26. Gee, G. W., Or, D., Dane, J. H., Topp, G. C. 2.4 Particle-size Analysis. Methods of Soil Analysis, Part 4. Physical Methods. 5, 255-293 (2002).
  27. Rhoades, J. D., Sparks, D. L. Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. 5, 417-435 (1996).
  28. Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. 5, 961-1010 (1996).
  29. Grossman, R. B., Reinsch, T. G., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis, Part 4: Physical Methods. 5, 201-228 (2002).
  30. WMO. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. Report No. WMO-No. 8. World Meteorological Organization. , 548 (2018).
  31. Seyfried, M. S., Murdock, M. D. Measurement of soil water content with a 50-MHz soil dielectric sensor. Soil Science Society of America Journal. 68 (2), 394-403 (2004).
  32. Dorigo, W., et al. The International Soil Moisture Network: serving Earth system science for over a decade. Hydrology and Earth System Sciences. 25 (11), 5749-5804 (2021).
  33. Xia, Y., Ford, T. W., Wu, Y., Quiring, S. M., Ek, M. B. Automated Quality control of in situ soil moisture from the North American soil moisture database using NLDAS-2 products. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 54 (6), 1267-1282 (2015).
  34. Dorigo, W. A., et al. Global automated quality control of in situ soil moisture data from the International Soil Moisture Network. Vadose Zone Journal. 12 (3), (2013).
  35. Liao, W., Wang, D., Wang, G., Xia, Y., Liu, X. Quality control and evaluation of the observed daily data in the North American soil moisture database. Journal of Meteorological Research. 33 (3), 501-518 (2019).
  36. Wilson, T. B., et al. Evaluating time domain reflectometry and coaxial impedance sensors for soil observations by the U.S. Climate Reference Network. Vadose Zone Journal. 19 (1), 20013 (2020).
  37. Evett, S. R., et al. Resolving discrepancies between laboratory-determined field capacity values and field water content observations: implications for irrigation management. Irrigation Science. 37 (6), 751-759 (2019).
  38. Evett, S. R. Soil water and monitoring technology. Irrigation of Agricultural Crops. 30, 23-84 (2007).
  39. Kim, H., Cosh, M. H., Bindlish, R., Lakshmi, V. Field evaluation of portable soil water content sensors in a sandy loam. Vadose Zone Journal. 19 (1), 20033 (2020).
  40. Cosh, M. H., Jackson, T. J., Bindlish, R., Famiglietti, J. S., Ryu, D. Calibration of an impedance probe for estimation of surface soil water content over large regions. Journal of Hydrology. 311 (1-4), 49-58 (2005).
  41. Cosh, M. H., Evett, S. R., McKee, L. Surface soil water content spatial organization within irrigated and non-irrigated agricultural fields. Advances In Water Resources. 50, 55-61 (2012).
  42. Coopersmith, E. J., et al. Deploying temporary networks for upscaling of sparse network stations. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 52, 433-444 (2016).
  43. Allen, R. G., et al. The ASCE Standardized Reference Evapotranspiration Equation. American Society of Civil Engineers. , (2005).
  44. Krueger, E. S., et al. Grassland productivity estimates informed by soil moisture measurements: Statistical and mechanistic approaches. Agronomy Journal. 113 (4), 3498-3517 (2021).
  45. Kizito, F., et al. Frequency, electrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor. Journal of Hydrology. 352 (3-4), 367-378 (2008).
  46. Evett, S. R., Schwartz, R. C., Casanova, J. J., Heng, L. K. Soil water sensing for water balance, ET and WUE. Agricultural Water Management. 104, 1-9 (2012).
  47. Evett, S. R., Schwartz, R. C., Tolk, J. A., Howell, T. A. Soil profile water content determination: spatiotemporal variability of electromagnetic and neutron probe sensors in access tubes. Vadose Zone Journal. 8 (4), 926-941 (2009).
  48. Evett, S. R., Tolk, J. A., Howell, T. A. Soil profile water content determination: sensor accuracy, axial response, calibration, temperature dependence, and precision. Vadose Zone Journal. 5 (3), 894-907 (2006).
  49. Bogena, H. R., et al. Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability. Vadose Zone Journal. 9 (4), 1002-1013 (2010).
  50. Kerkez, B., Glaser, S. D., Bales, R. C., Meadows, M. W. Design and performance of a wireless sensor network for catchment-scale snow and soil moisture measurements. Water Resources Research. 48 (9), 09515 (2012).
  51. Li, X., et al. Internet of Things to network smart devices for ecosystem monitoring. Science Bulletin. 64 (17), 1234-1245 (2019).
  52. Moghaddam, M., et al. A wireless soil moisture smart sensor web using physics-based optimal control: concept and initial demonstrations. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 3 (4), 522-535 (2010).
  53. Evett, S. R., Thompson, A. I., Schomberg, H. H., Andrade, M. A., Anderson, J. Solar node and gateway wireless system functions in record breaking polar vortex outbreak of February 2021. Agrosystems, Geosciences and Environment. 4 (4), 20193 (2021).
  54. Irmak, S., et al. Large-scale on-farm implementation of soil moisture-based irrigation management strategies for increasing maize water productivity. Transactions of the ASABE. 55 (3), 881-894 (2012).
  55. Bircher, S., et al. Soil moisture sensor calibration for organic soil surface layers. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems. 5 (1), 109-125 (2016).
  56. Singh, J., Lo, T., Rudnick, D. R., Irmak, S., Blanco-Canqui, H. Quantifying and correcting for clay content effects on soil water measurement by reflectometers. Agricultural Water Management. 216, 390-399 (2019).
  57. Schwartz, R. C., Casanova, J. J., Pelletier, M. G., Evett, S. R., Baumhardt, R. L. Soil permittivity response to bulk electrical conductivity for selected soil water sensors. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  58. Blonquist, J. M., Jones, S. B., Robinson, D. A. Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 2. Evaluation of seven sensing systems. Vadose Zone Journal. 4 (4), 1059-1069 (2005).
  59. Naranjo, R. Methods for installation, removal, and downloading data from the temperature profiling probe (TROD). Report No. Open-File Report 2019-1066. U.S. Geological Survey. , 14 (2019).
  60. Jones, S. B., Blonquist, J. M., Robinson, D. A., Rasmussen, V. P., Or, D. Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 1. Methodology. Vadose Zone Journal. 4 (4), 1048-1058 (2005).
  61. Jones, S. B., Sheng, W., Xu, J., Robinson, D. A. Electromagnetic sensors for water content: the need for international testing standards. 2018 12th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances. , 1-9 (2018).
  62. Novick, K. A., et al. Confronting the water potential information gap. Nature Geoscience. 15 (3), 158-164 (2022).
  63. Luo, S., Lu, N., Zhang, C., Likos, W. Soil water potential: A historical perspective and recent breakthroughs. Vadose Zone Journal. 20203, (2022).
  64. Jackisch, C., et al. Soil moisture and matric potential-an open field comparison of sensor systems. Earth System Science Data. 12 (1), 683-697 (2020).
  65. Colliander, A., et al. Validation and scaling of soilmoisture in a semi-arid environment: SMAP validation experiment 2015 (SMAPVEX15). Remote Sensing of Environment. 196, 101-112 (2017).
  66. Vergopolan, N., et al. High-resolution soil moisture data reveal complex multi-scale spatial variability across the United States. Geophysical Research Letters. 49 (15), (2022).
  67. Gruber, A., et al. Validation practices for satellite soil moisture retrievals: What are (the) errors. Remote Sensing of Environment. 244, 111806 (2020).
  68. Baker, C. B., et al. Working toward a National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network: vision, progress, and future directions. Bulletin of the American Meteorological Society. , (2022).

Tags

Soil MoistureIn-situ SensorsSoil Water ContentClimate VariableSensor InstallationSoil HydrologyData CollectionUSDAARSHydrology And Remote Sensing LaboratorySDI-12Soil TextureSoil DisturbanceSensor Cable

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Caldwell, T. G., Cosh, M. H., Evett, S. R., Edwards, N., Hofman, H., Illston, B. G., Meyers, T., Skumanich, M., Sutcliffe, K. In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils. J. Vis. Exp. (189), e64498, doi:10.3791/64498 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image