Определение содержания воды в почве является критически важным требованием для многих государственных и федеральных агентств. Этот протокол обобщает межведомственные усилия по измерению содержания воды в почве с использованием заглубленных датчиков in situ .
Влажность почвы напрямую влияет на оперативную гидрологию, продовольственную безопасность, экосистемные услуги и климатическую систему. Однако принятие данных о влажности почвы было медленным из-за непоследовательного сбора данных, плохой стандартизации и, как правило, короткой продолжительности записи. Влажность почвы или количественное объемное содержание воды в почве (SWC) измеряется с помощью заглубленных датчиков in situ , которые определяют SWC по электромагнитному отклику. Этот сигнал может значительно варьироваться в зависимости от местных условий, таких как содержание глины и минералогия, засоленность почвы или объемная электропроводность, а также температура почвы; Каждый из них может оказывать различное воздействие в зависимости от технологии датчика.
Кроме того, плохой контакт с почвой и деградация датчиков могут со временем повлиять на качество этих показаний. В отличие от более традиционных датчиков окружающей среды, не существует общепринятых стандартов, методов технического обслуживания или контроля качества данных SWC. Таким образом, SWC является сложным измерением для многих сетей мониторинга окружающей среды. Здесь мы пытаемся установить стандарт практики на уровне сообщества для датчиков SWC in situ , чтобы будущие исследования и приложения имели последовательные рекомендации по выбору площадки, установке датчиков, интерпретации данных и долгосрочному обслуживанию станций мониторинга.
Видеосъемка сосредоточена на межведомственном консенсусе передового опыта и рекомендаций по установке датчиков SWC in situ . В этом документе представлен обзор этого протокола, а также различные шаги, необходимые для высококачественного и долгосрочного сбора данных SWC. Этот протокол будет полезен ученым и инженерам, надеющимся развернуть одну станцию или целую сеть.
Влажность почвы недавно была признана важной климатической переменной в Глобальной системе наблюдений за климатом1. Влажность почвы, или количественное объемное содержание воды в почве (SWC), играет важную роль в разделении потока поступающего излучения на скрытое и ощутимое тепло между поверхностью земли и атмосферой и распределении осадков между стоком и инфильтрацией2. Однако пространственно-временная изменчивость влажности почвы в точечных, полевых и водосборных масштабах усложняет нашу способность измерять SWC в соответствующем масштабе, необходимом для достижения целей исследований или управления3. Новые методы количественной оценки SWC, включая наземные сети датчиков in situ , проксимальные детекторы и дистанционное зондирование, предоставляют уникальные возможности для картирования вариаций SWC с беспрецедентным разрешением4. На месте Датчики SWC обеспечивают наиболее непрерывную во времени и для конкретной глубины запись данных, но также подвержены небольшим объемам зондирования и изменчивости локального масштаба, присущей свойствам почвы, топографии и растительному покрову5.
Кроме того, отсутствуют стандарты или общепринятые методы установки, калибровки, валидации, технического обслуживания и контроля качества датчиков SWC in situ . Влажность почвы по своей сути является сложным параметром для измерения и может быть самой сложной переменной для обеспечения качества6. Несмотря на то, что общие протоколы для сбора данных SWC были разработаны Международным агентством по атомной энергии7, Комитетом по спутникам наблюдения Земли8, докладамифедерального агентства 9 и Американской ассоциацией государственных климатологов10, существуют ограниченные конкретные рекомендации по установке, техническому обслуживанию, контролю качества и проверке данных SWC из захоронения in situ Зонды. Это затруднило внедрение таких технологий для сетей оперативного мониторинга, таких как государственные мезонеты, для добавления измерений SWC. Точно так же оперативным гидрологам, например, в речных прогностических центрах, также сложно включить эти данные в свой рабочий процесс. Цель этой видеосъемки и сопроводительного документа состоит в том, чтобы предоставить такое руководство и задокументировать согласованный протокол установки для подземных зондов SWC in situ .
Выбор места для мониторинга влажности почвы in situ
Почвы в любой интересующей их области (АОИ) формируются благодаря уникальной и связанной обратной связи с течением времени между топографией, экологией, геологией и климатом11,12. Изменчивость SWC в разных ландшафтах делает выбор участка критическим аспектом для любого исследования влажности почвы. Для некоторых исследовательских целей может быть выбран участок, представляющий конкретный объект или микроучасток в ландшафте или экосистеме. Для целей сетей мониторинга участок должен быть пространственно репрезентативным для более крупного ландшафтного компонента. Цель состоит в том, чтобы найти место, которое обеспечивает наилучшее пространственное представление AOI. На местах необходимо учитывать более прагматичные соображения, такие как требования к другим метеорологическим приборам, доступности или разрешениям. Тем не менее, доминирующая единица почвенной карты в пределах АОИ обычно является хорошим пространственным представлением условий окружающей среды на более крупной территории13. Доминирующая единица почвенной карты может быть определена с помощью Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Этот блок карты почвы также должен быть сверен с неглубокой ямой или испытательной ямой.
Типичная станция мониторинга может занимать 5-50м2, в зависимости от потребностей датчика и количества вспомогательных измерений. На рисунке 1 изображена типичная станция мониторинга с 3-метровой башней, в которой находится анемометр скорости и направления ветра, датчик температуры и относительной влажности воздуха, пиранометр солнечной радиации и атмосферостойкий и водонепроницаемый корпус Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) (рейтинг NEMA 4). В корпусе NEMA размещены платформа управления данными (DCP), сотовый модем, регулятор заряда солнечной панели, аккумулятор и другое сопутствующее оборудование (см . Таблицу материалов; Компоненты системы). Башня также предоставляет платформу для антенны связи, солнечной панели и громоотвода. Также обычно в комплект входит датчик жидких осадков (PPT), который следует размещать вдали от башни и на минимально возможной высоте, чтобы уменьшить влияние ветра на улавливание PPT. Датчики SWC должны быть установлены на достаточном расстоянии (3-4 м) и вверх по склону, чтобы не было потенциальных помех от башни ни для осадков, ни для наземного потока. Любые связанные кабели должны быть проложены в кабелепроводе на глубине не менее 5 см под поверхностью.
Рисунок 1: Типичная станция мониторинга. USDA SCAN собирает ежечасную информацию о содержании воды в почве и температуре на стандартных глубинах (5, 10, 20, 50 и 100 см), температуре воздуха, относительной влажности, солнечной радиации, скорости и направлении ветра, осадках и атмосферном давлении. В США насчитывается более 200 сайтов SCAN. Сокращения: SCAN = Сеть анализа почвенного климата; NEMA = Национальная ассоциация производителей электрооборудования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Глубина измерения, ориентация и количество датчиков
На месте Датчики SWC обычно устанавливаются горизонтально для представления определенных глубин в почве (рис. 2). Финансируемые из федерального бюджета национальные сети, такие как Сеть почвенного климата (SCAN)14, Сеть телеметрии снега (SNOTEL)15 и Справочная климатическая сеть США (USCRN)16, измеряют SWC на расстоянии 5, 10, 20, 50 и 100 см. Эти глубины были достигнуты консенсусом во время разработки SCAN по целому ряду причин. Глубина 5 см соответствует возможностям дистанционного зондирования17; Глубины 10 и 20 см являются историческими измерениями температуры почвы18; Глубины 50 и 100 см завершают хранение воды в почве корневой зоны.
Зонды могут быть ориентированы вертикально, горизонтально или под наклоном/углом наклона (рис. 3). Горизонтальная установка наиболее распространена для достижения равномерного измерения температуры почвы на дискретной глубине. В то время как датчик может быть центрирован на дискретной глубине, измерение SWC представляет собой объем вокруг зубьев (т. е. электродов), который может варьироваться в зависимости от уровня влажности, частоты измерений и геометрии установки (горизонтальный, вертикальный или угловой). При горизонтальной установке считывающий объем объединяет влагу выше и ниже глубины, и 95% считывающего объема обычно находится в пределах 3 см от зубьев19. Вертикальные или угловые установки интегрируют SWC вдоль пальцев, поэтому вертикальная установка может представлять собой хранилище по всей длине датчика глубиной20. Некоторые датчики неравномерно измеряют длину зубьев. Например, осцилляторы линий передачи более чувствительны к влаге вблизи головки зонда, где генерируются электромагнитные импульсы21. Вертикальные установки больше подходят для более глубоких зондов, где градиенты температуры и влажности имеют тенденцию к уменьшению.
Рисунок 2: Установка датчиков SWC in situ . Горизонтальное размещение датчика на выбранной глубине с помощью (A, B) эталонного приспособления нулевой глубины и (C) доски нулевой глубины или (D) рукоятки лопаты нулевой глубины для эталона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Ориентация зондов по вертикали, горизонтали или под наклоном . (A) наклонная и вертикальная вставка и (B) горизонтально-вертикальная вставка и горизонтально-горизонтальная глубина центра вставки трехтонного датчика SWC. Аббревиатура: SWC = содержание воды в почве. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Установка на глубину менее 50 см относительно интуитивно понятна, в то время как более глубокие датчики требуют немного больше усилий. Корневая зона SWC или профильное хранение почвенных вод обычно требует измерений до 1 или 2 м. Как показано в этом протоколе, установки 0-50 см выполняются в выкопанном котловане или шнековой яме с зондами, установленными горизонтально в ненарушенном грунте, что сводит к минимуму поверхностное нарушение. Для более глубоких датчиков (например, 100 см) как SCAN, так и USCRN устанавливают датчик вертикально в отдельные отверстия с ручным шнеком с помощью удлинителя (рис. 4).
Учитывая неоднородность SWC, особенно вблизи поверхности, и небольшие объемы измерений датчиков, тройные измерения позволяют лучше статистически представить SWC. Тем не менее, один профиль датчиков in situ типичен для большинства сетей (например, SCAN и SNOTEL). USCRN использует три профиля, расположенных на расстоянии 3-4 м друг от друга, для проведения тройных измерений на каждой глубине16. Кроме того, избыточность измерений повышает отказоустойчивость и непрерывность записи станции при наличии финансовых ресурсов.
Рисунок 4: Установка датчиков . (A) Неглубокие датчики обычно устанавливаются горизонтально в боковую стенку выкопанного грунта. Для более глубоких датчиков (B) ручной шнек используется для рытья ямы на глубину с использованием эталона нулевой глубины (например, древесина, охватывающая траншею), и датчики проталкиваются вертикально в дно отверстий с помощью (C) секции трубы из ПВХ, модифицированной для крепления датчика и кабеля во время установки, или (D) монтажного инструмента. Почвенные слои отмечаются как верхний слой почвы (горизонт А) и подпочвенные горизонты с транслоцированными глинами (Bt) и карбонатными накоплениями (Bk). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Тип датчика SWC in situ
Коммерчески доступные датчики выводят SWC из измеренной реакции на электромагнитный сигнал, распространяемый вдоль зубьев в непосредственном контакте с почвой22. Скрытые датчики делятся на пять классов в зависимости от типа распространяемого электромагнитного сигнала и метода измерения отклика: емкость, импеданс, рефлектометрия во временной области, передача во временной области и колебания линии передачи (дополнительная таблица S1 со ссылками на информацию каждого производителя). Эти технологии, как правило, группируются по рабочей частоте и производителю. Более длинные зубья объединяют больший объем почвы; однако их может быть труднее вставлять, и они более подвержены потерям сигнала в почвах с глиной и более высокой объемной электропроводностью (BEC). Производители сообщают о погрешностях измерений SWC 0,02-0,03 м3м−3, в то время как пользователи обычно обнаруживают, что они значительно больше 23. Надлежащая калибровка и стандартизация электромагнитных датчиков повышает производительность22; Однако эти калибровки, специфичные для почвы, выходят за рамки этого протокола, который фокусируется на установке.
При выборе датчика следует учитывать желаемый выходной сигнал, метод измерения, рабочую частоту и совместимость с другими измерениями. До 2010 года большинство датчиков SWC были аналоговыми и требовали, чтобы DCP выполнял измерения дифференциальных напряжений, сопротивлений или количества импульсов, что требовало более дорогих компонентов и отдельных каналов (или мультиплексоров) для каждого датчика. Теперь последовательный интерфейс передачи данных со скоростью 1 200 бод (SDI-12) по протоколам связи (http://www.sdi-12.org/) позволяет интеллектуальным датчикам реализовывать внутренние алгоритмы измерения, а затем передавать цифровые данные по одному кабелю связи. Каждый датчик может быть соединен последовательно (т. е. последовательным подключением) с помощью общего провода, соединенного рычажной гайкой или разъемами клеммной колодки (рис. 5), при этом каждый датчик имеет уникальный адрес SDI-12 (0-9, a-z и A-Z). Общий коммуникационный провод датчиков SDI-12 образует единую цепь вместе с проводом питания и заземления. Мультиплексоры или какие-либо измерения на ДКП не требуются; вместо этого DCP просто отправляет и получает цифровые команды и строки текста. Многие датчики SDI-12 SWC также включают измерения температуры почвы, относительной диэлектрической проницаемости (ε) и BEC. Такие измерения полезны для диагностики датчиков и калибровки для конкретной почвы. На этом этапе пользователь выбрал площадку, определил тип, количество и глубину датчика, а также получил все необходимое оборудование и полевой инструмент (Таблица материалов). Таким образом, они могут перейти к протоколу установки.
Рисунок 5: Соединители для сращивания проводов и клеммные колодки, используемые для соединения общих силовых, заземляющих и коммуникационных проводов к одному входу на платформе сбора данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Состояние влажности почвы является результатом множества различных факторов окружающей среды, включая осадки, растительность, солнечное излучение и относительную влажность, а также гидравлические и физические свойства почвы. Они взаимодействуют в пространстве и времени в разных пространственных и временных масштабах. Чтобы моделировать и прогнозировать водный, энергетический и углеродный циклы, необходимо понимать состояние SWC. Одним из наиболее распространенных типов автоматизированных измерительных технологий является электромагнитный датчик SWC с зубьями, предназначенными для установки на месте в ненарушенную почву. Этот протокол предназначен для предоставления рекомендаций по процессу установки этих распространенных типов заглубляемых датчиков. Точность, производительность и стоимость, как правило, пропорциональны рабочей частоте датчиков; Низкочастотные датчики стоят дешевле, но в большей степени подвержены влиянию факторов почвы и окружающей среды45. Калибровка для конкретной почвы или участка может повысить точность низкочастотных датчиков. Метод измерения также влияет на производительность датчика из-за лежащей в основе физики электромагнитного поля (ЭМП).
Два основных электромагнитных физических закона управляют электромагнитным зондированием. Одним из них является закон Гаусса, который описывает, как распространяемая ЭДС датчика зависит как от ε, так и от BEC среды. Однако диэлектрическая проницаемость увеличивается с SWC, то же самое происходит и с BEC. Следовательно, датчики, зависящие от закона Гаусса, подвержены влиянию SWC, BEC и температурного воздействия на BEC, а также любых помех от солености. Методы измерения емкости подчиняются закону Гаусса и, таким образом, более подвержены этим эффектам46. Кроме того, закон Гаусса описывает зависимость емкости от геометрического фактора, который изменяется в зависимости от формы ЭДС в почве. Исследования показали, что форма ЭДС изменяется в зависимости от структуры почвы и мелкомасштабной пространственной изменчивости содержания воды вокруг пальцев датчика. Мелкомасштабная пространственная изменчивость содержания воды и структуры почвы велика в большинстве почв, что приводит к изменениям геометрических факторов и последующим изменениям емкости, которые имеют мало общего с изменениями среднего содержания воды в почве. Эти факторы снижают точность емкостного датчика и увеличивают вариабельность данных46,47,48. Методы импеданса и колебаний линии передачи также зависят от закона Гаусса, в то время как методы рефлектометрии во временной области и трансмиссометрии во временной области зависят от уравнений Максвелла, которые не включают геометрический фактор и не зависят от BEC. Хотя ни один датчик не является беспроблемным, методы во временной области, как правило, значительно более точны и менее смещены, чем методы, основанные на емкости или импедансе.
Процедура состоит из нескольких важных этапов. Для разреженной сети необходим правильный выбор площадки и расположение датчиков, чтобы иметь наиболее подходящее пространственное представление SWC. Выбор участка может в большей степени зависеть от внешних факторов, таких как доступ к земле или другие требования к атмосферному мониторингу, где влажность почвы является вспомогательным измерением. Мезомасштабные метеорологические объекты расположены на широких и открытых, хорошо ухоженных травянистых поверхностях, чтобы свести к минимуму любые микромасштабные воздействия. Такие места могут быть менее идеальными для мониторинга SWC. Если применимо, беспроводные сенсорные технологии следует рассматривать как 49,50,51,52,53, чтобы обеспечить мониторинг SWC вдали от существующей станции мониторинга окружающей среды и в репрезентативной почве. Работа с активными сельскохозяйственными операциями и ирригационным оборудованием является сложной задачей. Большинство сетей (например, SCAN и USDA-ARS) остаются на окраинах полей, чтобы избежать обработки почвы, такой как плуги или комбайны, которые могут перерезать кабели и выкапывать датчики. Любой датчик и кабель in situ должны быть достаточно заглублены и иметь достаточно низкий профиль поверхности, чтобы избежать выводов при работе на ферме. Беспроводные системы53 и съемные скважинные датчики47 могут быть более подходящими. Сохранение подземных вод с использованием крупномасштабного орошения на основе влажности почвы54 является растущей областью для датчиков SWC; этот протокол относится к пространственно репрезентативным долгосрочным данным SWC в ненарушенных почвах.
Некоторые почвы труднее измерить, чем другие. В каменистых, гравийных или очень сухих почвах может быть невозможно вставить зубья без каких-либо повреждений. Один из вариантов — выкопать почвенную яму и установить датчики на место во время обратной засыпки, пытаясь уплотнить их до исходного BD. Каменистые почвы, как правило, имеют небольшую структуру, которая, вероятно, заживет после нескольких циклов увлажнения и сушки; Однако такое нарушение никогда не может быть по-настоящему репрезентативным для гидрологии почвы участка. В качестве альтернативы, если датчики установлены на дне отверстий шнека, удаленный грунт можно просеять для удаления камней и переупаковать в отверстие достаточно глубоко, чтобы разместить зубья датчика. Затем датчик можно установить вертикально, а отверстие шнека заполнить оставшимся непросеянным грунтом с частым уплотнением по мере добавления грунта.
Корни в лесной почве создают аналогичные проблемы для введения зонда, однако в некоторых ситуациях корни могут быть срезаны. Лесные почвы часто имеют органические (O) горизонты поверх минеральной почвы, которые могут иметь очень низкий BD и высокую удельную поверхность, с большим количеством связанной воды, что приводит к очень нелинейным откликам датчиков при более высоких SWC55. Кроме того, практик устанавливает нулевое датумное в качестве либо вершины O-горизонта, либо в качестве минеральной почвы, отмечающей это в метаданных. Богатые глиной почвы и обширные глины с высоким потенциалом усадки / набухания могут быть чрезвычайно проводящими к электромагнитным сигналам во влажном состоянии и могут трескаться при высыхании. Такие почвы могут нуждаться в дополнительных поправках, чтобы получить разумный SWC из необработанных измерений56,57. На неглубоких почвах коренные породы или ограничительный почвенный горизонт (например, каличе или хардпан) могут встречаться до достижения идеальной максимальной глубины. Возможно, потребуется изменить местоположение или просто не устанавливать более глубокие датчики. Чрезмерно сухие или влажные почвы могут быть сложными, и также предпочтительно выбирать даты установки вне сезонных экстремальных условий. Сухая почва может быть очень прочной, и может оказаться невозможным вставить датчик без повреждений. При необходимости предварительно подготовленные отверстия могут быть заполнены водой, чтобы смягчить поверхность ямы, хотя может пройти некоторое время, прежде чем почвы вернутся в естественное состояние. Влажные почвы могут быть слишком слабыми, чтобы поддерживать забои котлованов, или траншея может быть заполнена водой. Также легче чрезмерно уплотнить влажную почву.
Выходной сигнал датчика должен включать диэлектрическую проницаемость, а не только SWC, чтобы впоследствии можно было внести поправки или калибровку для конкретной почвы. Высокочастотные датчики более подходят для почв с высоким BEC, в то время как более короткие зубья могут быть проще установить в более компактных почвах. Однако, возможно, наиболее важным шагом является контакт с почвой; Плохой контакт ухудшает сигнал от любого электромагнитного датчика. Наконец, обратная засыпка раскопок звучит тривиально, но она является ключом к минимизации предпочтительного потока в зону датчиков, защите кабелей и предотвращению того, чтобы животные беспокоили территорию. Калибровка для конкретной почвы или участка может повысить точность датчика, но требует большей детализации, чем это возможно в этом протоколе. Полевые почвы, отрегулированные или переупакованные до различных уровней SWC, идеально подходят для проверки линейности отклика и могут служить калибровкой для некоторых типовдатчиков 21 для конкретного участка. Диэлектрические жидкости также могут быть эффективными средами для проверки отклика58 датчика. Водяные бани с регулируемой температурой могут использоваться для улучшения калибровки температуры почвы59. Этот протокол является первым шагом на пути к установлению стандартной рабочей процедуры для установки датчиков SWC in situ, поскольку не существует ни существующего метода, ни какого-либо общепринятого метода калибровки для датчиковSWC 60,61.
Несмотря на то, что мониторинг SWC был в центре внимания этого протокола, этот метод имеет ограничения, и сам по себе SWC не может дать полную картину состояния почвенных вод. Многие экосистемные процессы также регулируются водным потенциалом почвы, который реже измеряется in situ62. Водный потенциал почвы, недавно рассмотренный С. Ло, Н. Лу, К. Чжаном и В. Ликосом 63, представляет собой энергетическое состояние воды; такие датчики могут в меньшей степени зависеть от свойств почвы и обеспечивать контроль качества датчиков64 SWC. Кроме того, объемное поле SWC включает гравий, камни, корни и пустотное пространство (например, предпочтительные пути потока). На месте Датчики SWC, как правило, перемещаются вокруг камней и корней, а ограниченный объем измерений, сосредоточенный вокруг зубьев, может упустить дискретные, но важные аспекты SWC объемного поля.
Мы надеемся, что этот протокол приведет к более согласованным и единообразным данным SWC для широкого круга применений, включая мониторинг засухи, прогнозирование водоснабжения, управление водосборными бассейнами, управление сельским хозяйством и планирование урожая. Появление платформ дистанционного зондирования4 значительно расширило возможности оценки SWC в глобальном масштабе, но эти продукты нуждаются в наземной проверке, которая по-прежнему разумно собирается только сетями 65 in situ. Компьютерные достижения позволили разработать моделированиеSWC 66 с гиперразрешением, создающее высокое разрешение и субсуточное состояние SWC, но эти продукты также нуждаются в оценках SWC in situ, чтобы обеспечить некоторую основу для расчета неопределенности. Часто первый вопрос, который задают при внедрении нового продукта: «Что такое неопределенность?» Для продуктов SWC первичным сравнением для валидации являются сетевые данные67 in situ.
Недавно были расширены сети, связанные с Национальной скоординированной сетью мониторинга влажности почвы (NCSMMN), включая проект Инженерного корпуса армии США по влажности почвы в бассейне реки Верхний Миссури и создание сети на юго-востоке США при поддержке NOAA, все они предназначены для улучшения прогнозирования и мониторинга водных опасностей и поддержки принятия решений по управлению ресурсами. Определенность и точность оценок SWC для таких приложений могут быть достигнуты только с помощью тщательных протоколов и процедур, обеспечивающих уверенность в целостности данных. NCSMMN – это многопрофильная инициатива, возглавляемая федеральным правительством, целью которой является оказание помощи, руководства и поддержки путем создания сообщества практиков в области измерения, интерпретации и применения влажности почвы – «сети людей», которая связывает поставщиков данных, исследователей и общественность68. Этот протокол является продуктом усилий NCSMMN. В ближайшее время будет запущен рабочий процесс контроля качества данных.
The authors have nothing to disclose.
Авторы признают финансовую поддержку со стороны NOAA-NIDIS, Национальной скоординированной сети мониторинга влажности почвы (NCSMMN) и программы USGS Next Generation Water Obobservation Systems (NGWOS). Мы благодарим членов Исполнительного комитета NCSMMN, в том числе Б. Бейкера, Д. Болтена, С. Коннелли,. Гобла, Т. Окснера, С. Квиринга, М. Свободы и М. Волошина, за вклад в этот протокол. Мы благодарим г-на М. Уивера (Геологическая служба США) за первоначальное рассмотрение проекта протокола.
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 |