Summary
토양 수분 함량 측정은 많은 주 및 연방 기관의 중요한 임무 요구 사항입니다. 이 프로토콜은 매설 현장 센서를 사용하여 토양 수분 함량을 측정하기 위한 여러 기관의 노력을 종합 합니다 .
Abstract
토양 수분은 운영 수문학, 식량 안보, 생태계 서비스 및 기후 시스템에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 토양 수분 데이터의 채택은 일관되지 않은 데이터 수집, 열악한 표준화 및 일반적으로 짧은 기록 기간으로 인해 느립니다. 토양 수분 또는 정량적 체적 토양 수분 함량(SWC)은 전자기 응답에서 SWC를 추론하는 매립형 현장 센서를 사용하여 측정됩니다. 이 신호는 점토 함량 및 광물학, 토양 염분 또는 벌크 전기 전도도, 토양 온도와 같은 현지 현장 조건에 따라 상당히 다를 수 있습니다. 이들 각각은 센서 기술에 따라 다양한 영향을 미칠 수 있습니다.
또한 열악한 토양 접촉 및 센서 열화는 시간이 지남에 따라 이러한 판독값의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 기존의 환경 센서와 달리 SWC 데이터에 대해 승인된 표준, 유지보수 관행 또는 품질 관리가 없습니다. 따라서 SWC는 많은 환경 모니터링 네트워크가 구현하기 어려운 측정입니다. 여기에서 우리는 현장 SWC 센서에 대한 커뮤니티 기반 실행 표준을 수립하여 향후 연구 및 응용 프로그램이 현장 선택, 센서 설치, 데이터 해석 및 모니터링 스테이션의 장기 유지 관리에 대한 일관된 지침을 갖도록 시도합니다.
비디오 촬영은 현장 SWC 센서 설치에 대한 모범 사례 및 권장 사항에 대한 여러 기관의 합의에 중점을 둡니다. 이 백서에서는 고품질 및 장기 SWC 데이터 수집에 필수적인 다양한 단계와 함께 이 프로토콜에 대한 개요를 제공합니다. 이 프로토콜은 단일 스테이션 또는 전체 네트워크를 배포하려는 과학자 및 엔지니어에게 유용합니다.
Introduction
토양 수분은 최근 지구 관측 기후 시스템 (Global Observing Climate System)에서 필수 기후 변수로 인식되었습니다1. 토양 수분 또는 정량적 체적 토양 수분 함량(SWC)은 유입되는 방사선의 플럭스를 지구 표면과 대기 사이의 잠열과 현열로 분할하고 유출수와 침투 사이의 강수량을 분할하는 데 중요한 역할을 한다2. 그러나 지점, 밭 및 유역 규모에서 토양 수분의 시공간적 변동성은 연구 또는 관리 목표를 달성하는 데 필요한 적절한 규모로 SWC를 측정하는 능력을 복잡하게 만듭니다3. 현장 센서, 근위 감지기 및 원격 감지의 지상 기반 네트워크를 포함하여 SWC를 정량화하는 새로운 방법은 전례 없는 해상도로 SWC의 변화를 매핑할 수 있는 고유한 기회를 제공합니다4. 현장 SWC 센서는 가장 시간적으로 연속적이고 깊이에 특화된 데이터 기록을 제공하지만, 토양 특성, 지형 및 식생 덮개에 내재된 작은 감지 볼륨과 국부적 규모의 변동성도 영향을 받습니다5.
또한 현장 SWC 센서의 설치, 교정, 검증, 유지보수 및 품질 관리에 대한 표준 또는 널리 인정되는 방법이 부족 합니다 . 토양 수분은 본질적으로 측정하기 어려운 변수이며 품질을 보장하는 데 가장 어려운 변수일 수있습니다 6. 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency)7, 지구관측위성위원회(Committee on Earth Observation Satellites)8, 연방기관보고서(Federal agency reports)9, 미국기후학자협회(American Association of State Climatologists)10 등에서 SWC 데이터 수집을 위한 일반적인 프로토콜이 작성되었지만, 현장 매설에서 SWC 데이터의 설치, 유지보수, 품질 관리 및 검증에 대한 구체적인 지침은 제한적이다 프로브. 이로 인해 SWC 측정을 추가하기 위해 상태 Mesonets와 같은 운영 모니터링 네트워크에서 이러한 기술을 채택하는 것이 어려워졌습니다. 마찬가지로, 예를 들어 하천 예측 센터의 운영 수문학자도 이러한 데이터를 워크플로에 통합하는 것이 어렵습니다. 이 비디오 촬영 및 첨부 문서의 목적은 이러한 지침을 제공하고 매 립형 SWC 프로브에 대한 응집력 있는 설치 프로토콜을 문서화하는 것입니다.
현장 토양 수분 모니터링을 위한 위치 선택
모든 관심 영역(AOI) 내의 토양은 지형, 생태학, 지질학 및 기후11,12 사이에서 시간이 지남에 따라 고유하고 결합된 피드백을 통해 형성됩니다. 경관 전반에 걸친 SWC의 가변성은 부지 선택을 모든 토양 수분 연구에서 중요한 측면으로 만듭니다. 일부 연구 목표의 경우 조경 또는 생태계의 특정 기능 또는 마이크로 사이트를 나타내기 위해 사이트를 선택할 수 있습니다. 네트워크를 모니터링하기 위해 사이트는 더 큰 랜드스케이프 구성 요소를 공간적으로 대표해야 합니다. 목표는 AOI의 최상의 공간 표현을 제공하는 위치를 찾는 것입니다. 현장에서는 다른 기상 계측, 접근성 또는 허가의 요구 사항과 같은 보다 실용적인 고려 사항에 도달해야 합니다. 그러나, AOI 내의 지배적인 토양 맵 유닛은 일반적으로 더 큰 지역(13)의 환경 조건의 좋은 공간적 표현이다. 지배적 인 토양 맵 유닛은 웹 토양 조사 (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/)를 사용하여 결정될 수 있습니다. 이 토양 지도 장치는 얕은 구덩이 또는 테스트 구멍으로도 확인해야 합니다.
일반적인 모니터링 스테이션은 센서 요구 사항과 보조 측정 횟수에 따라 5-50m2를 차지할 수 있습니다. 그림 1은 풍속 및 풍향 풍속계, 기온 및 상대 습도 센서, 일사량용 일사계, NEMA(National Electrical Manufacturers Association) 내후성 및 방수 인클로저(NEMA 등급 4)가 있는 3m 타워가 있는 일반적인 모니터링 스테이션을 보여줍니다. NEMA 인클로저에는 데이터 제어 플랫폼(DCP), 셀룰러 모뎀, 태양 전지판 충전 조절기, 배터리 및 기타 관련 하드웨어가 있습니다(재료 표 참조; 시스템 구성 요소). 타워는 또한 통신 안테나, 태양 전지판 및 피뢰침을 위한 플랫폼을 제공합니다. 액체 침전(PPT) 게이지도 일반적으로 포함되며, 이는 PPT 캡처에 대한 바람 영향을 줄이기 위해 타워에서 멀리 떨어진 가능한 가장 낮은 고도에 배치해야 합니다. SWC 센서는 강우량이나 육로에서 타워의 잠재적인 간섭이 없도록 충분한 거리(3-4m)와 오르막에 설치해야 합니다. 모든 관련 케이블은 표면 아래 최소 5cm의 도관에 묻혀 있어야 합니다.
그림 1: 일반적인 모니터링 스테이션. USDA SCAN은 표준 깊이(5, 10, 20, 50 및 100cm)의 토양 수분 함량 및 온도, 대기 온도, 상대 습도, 일사량, 풍속 및 방향, 강수량 및 기압에 대한 시간별 정보를 수집합니다. 미국 전역에 200개 이상의 SCAN 사이트가 있습니다. 약어: SCAN = 토양 기후 분석 네트워크; NEMA = 전국 전기 제조업체 협회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
측정 깊이, 방향 및 센서 수
현장 SWC 센서는 일반적으로 토양의 특정 깊이를 나타내기 위해 수평으로 설치됩니다(그림 2). 토양 기후 네트워크(SCAN)14, 스노우 텔레메트리 네트워크(SNOTEL)15 및 미국 기후 참조 네트워크(USCRN)16와 같은 연방 자금 지원을 받는 전국 네트워크는 5, 10, 20, 50 및 100cm에서 SWC를 측정합니다. 이러한 깊이는 다양한 이유로 SCAN 개발 과정에서 합의를 통해 도달했습니다. 5cm 깊이는 원격 감지 능력(17)에 대응한다; 10cm 및 20cm 깊이는 토양 온도18에 대한 역사적 측정치입니다. 50cm 및 100cm 깊이는 뿌리 영역 토양 물 저장을 완료합니다.
프로브는 수직, 수평 또는 경사/각도로 방향을 지정할 수 있습니다(그림 3). 수평 설치는 개별 깊이에서 균일 한 토양 온도 측정을 달성하는 데 가장 일반적입니다. 센서는 개별 깊이의 중앙에 위치할 수 있지만 SWC 측정은 타인(즉, 전극) 주위의 부피로, 수분 수준, 측정 빈도 및 설치 형상(수평, 수직 또는 각)에 따라 달라질 수 있습니다. 수평 설치의 경우, 감지 볼륨은 깊이 위와 아래의 수분을 통합하며, 감지 볼륨의 95%는 일반적으로 타인(19)의 3cm 이내에 있다. 수직 또는 각진 설치는 타인을 따라 SWC를 통합하므로 수직 설치는 센서 깊이(20)의 전체 길이에 따른 스토리지를 나타낼 수 있습니다. 일부 센서는 타인을 따라 고르게 측정하지 않습니다. 예를 들어, 전송선 발진기는 전자기 펄스가 생성되는 프로브 헤드 근처의 습기에 더 민감하다(21). 수직 설치는 온도 및 수분 구배가 감소하는 경향이 있는 더 깊은 프로브에 더 적합합니다.
그림 2: 현장 SWC 센서 설치. (A,B) 깊이가 0인 기준 지그 및 (C) 깊이가 0인 보드 또는 (D) 참조용 깊이가 0인 셔블 핸들을 사용하여 선택한 깊이에 수평 센서 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 프로브의 수직, 수평 또는 경사 방향. (A) 3색 SWC 센서의 경사 및 수직 삽입 및 (B) 수평-수직 삽입 및 수평-수평 삽입 중심 깊이. 약어: SWC = 토양 수분 함량. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
50cm 미만의 깊이에 설치하는 것은 비교적 직관적이지만 더 깊은 센서는 약간 더 많은 노력이 필요합니다. 뿌리 구역 SWC 또는 프로파일 토양 수분 저장은 일반적으로 1m 또는 2m까지 측정해야 합니다. 이 프로토콜에 설명된 바와 같이, 0-50cm 설치는 방해받지 않는 토양에 수평으로 설치된 프로브가 있는 굴착된 구덩이 또는 오거 구멍에서 완료되어 표면 교란을 최소화합니다. 더 깊은 센서(예: 100cm)의 경우 SCAN과 USCRN 모두 연장 폴을 사용하여 별도의 수동 오거 구멍에 센서를 수직으로 설치합니다(그림 4).
SWC의 이질성, 특히 표면 근처와 센서의 작은 측정 볼륨을 감안할 때 삼중 측정을 통해 SWC를 더 잘 통계적으로 표현할 수 있습니다. 그러나 현장 센서의 한 프로파일은 대부분의 네트워크(예: SCAN 및 SNOTEL)에서 일반적입니다. USCRN은 3-4m 간격으로 3개의 프로파일을 사용하여 각 깊이16에서 삼중 측정을 수행합니다. 또한 측정의 중복성은 재정 자원을 사용할 수 있는 경우 스테이션 기록에 복원력과 연속성을 추가합니다.
그림 4: 센서 설치. (A) 얕은 센서는 일반적으로 굴착된 토양 구덩이의 측벽에 수평으로 설치됩니다. 더 깊은 센서의 경우, (B) 핸드 오거를 사용하여 깊이가 0인 기준(예: 트렌치에 걸쳐 있는 목재)을 사용하여 구멍을 깊이 파고 센서를 사용하여 구멍 바닥으로 수직으로 밀어 넣습니다. 토양층은 표토(A horizon)와 전위된 점토(Bt)와 탄산염 축적(Bk)이 있는 심토 지평선으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
현장 SWC 센서 유형
시판되는 센서는 토양(22)과 직접 접촉하는 타인을 따라 전파되는 전자기 신호에 대한 측정된 응답으로부터 SWC를 추론한다. 매립형 센서는 전파되는 전자기 신호의 유형과 응답 측정 방법에 따라 커패시턴스, 임피던스, 시간 영역 반사 측정, 시간 영역 투과계 및 전송선 진동의 5가지 등급으로 나뉩니다(보충 표 S1, 각 제조업체 정보에 대한 링크 포함). 이러한 기술은 작동 주파수 및 제조업체별로 그룹화되는 경향이 있습니다. 더 긴 타인은 더 많은 양의 토양을 통합합니다. 그러나 삽입하기가 더 어려울 수 있으며 점토가 있고 벌크 전기 전도도(BEC)가 더 높은 토양에서 신호 손실이 더 많이 발생합니다. 제조업체는 SWC 측정 오차가 0.02-0.03 m3m−3라고 보고하는 반면, 사용자는 일반적으로 이러한 오차가 훨씬 더 크다고 생각한다 23. 전자기 센서의 적절한 교정 및 표준화는 성능을 향상시킵니다22; 그러나 이러한 토양별 보정은 설치에 중점을 둔 이 프로토콜의 범위를 벗어납니다.
센서 선택은 원하는 출력, 측정 방법, 작동 주파수 및 다른 측정과의 호환성을 고려해야 합니다. 2010년 이전에는 대부분의 SWC 센서가 아날로그였으며 DCP가 차동 전압, 저항 또는 펄스 수를 측정해야 했기 때문에 각 센서에 대해 더 비싼 구성 요소와 개별 채널(또는 멀티플렉서)이 필요했습니다. 이제 1,200 보드(SDI-12) 통신 프로토콜(http://www.sdi-12.org/)의 직렬 데이터 인터페이스를 통해 스마트 센서는 내부 측정 알고리즘을 구현한 다음 단일 통신 케이블을 통해 디지털 데이터를 전송할 수 있습니다. 각 센서에는 고유한 SDI-12 주소(0-9, a-z 및 A-Z)가 있는 레버 너트 또는 단자대 커넥터(그림 5)로 연결된 공통 와이어를 사용하여 각 센서를 순차적으로(즉, 데이지 체인) 함께 배선할 수 있습니다. SDI-12 센서의 공통 통신 와이어는 전원 및 접지선과 함께 단일 회로를 형성합니다. 멀티플렉서 또는 DCP에서의 측정은 필요하지 않습니다. 대신 DCP는 단순히 디지털 명령과 텍스트 줄을 보내고 받습니다. 많은 SDI-12 SWC 센서에는 토양 온도, 상대 유전율(ε) 및 BEC 측정도 포함되어 있습니다. 이러한 측정은 센서 진단 및 토양별 교정에 유용합니다. 이 시점에서 사용자는 사이트를 선택하고 센서 유형, 수 및 깊이를 결정하고 필요한 모든 하드웨어 및 현장 도구(재료 표)를 얻었습니다. 따라서 설치 프로토콜로 진행할 수 있습니다.
그림 5: 공통 전력, 접지 및 통신 전선을 데이터 수집 플랫폼의 단일 입력에 연결하는 데 사용되는 전선 접합 커넥터 및 단자대. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
1. 센서의 사전 설치 준비
- SDI-12 주소를 확인하십시오. 센서는 제조업체에서 기본 주소로 설정합니다. 를 사용하여 각 센서를 데이터 제어 플랫폼(DCP)에 별도로 배선합니다 . 센서의 주소를 쿼리하는 명령입니다.
알림: 공통 데이터 라인의 각 센서에는 고유한 주소(예: 0-9)가 있어야 합니다. 필요한 경우 센서 값을 지정하고 변경하는 SDI-12에 대해서는 센서 설명서를 참조하십시오. - 공기, 마른 모래, 물에 잠긴 상태에서 측정(예: " aM!", 여기서 a 는 주소)을 합니다.
알림: 공기 측정은 0.00m 3m-3(상대 유전율[ε] ~1), 놀이 모래 < 0.02m 3m 3(ε < 4), 물 ~1.00m 3m-3(ε ~80)이어야 합니다. - 이 값을 각 센서의 일련 번호 및 SDI-12 주소와 함께 랩 북에 기록하십시오. 마커를 사용하여 센서 헤드와 케이블 끝에 주소 번호를 표시합니다.
- DCP 프로그램을 확인하십시오. 일부 DCP는 플러그 앤 플레이 방식이지만 대부분은 측정을 수행하고 데이터를 기록하는 프로그램이 필요합니다. 실험실에서 SWC 센서와 보조 센서를 모두 DCP 및 배터리에 연결합니다. SWC 센서를 공중에 매달아 두거나, 마른 모래 속에 삽입하거나, 물에 담그고 타인이 닿지 않도록 하십시오.
알림: 공기 측정은 0.00m 3m-3(상대 유전율[ε] ~1), 놀이 모래 < 0.02m 3m 3(ε < 4), 물 ~1.00m 3m-3(ε ~80)이어야 합니다. - 시스템을 밤새 또는 그 이상 실행하십시오. 데이터가 적절한 속도로 기록되고 있고 값(예: 올바른 열 수, 유효 자릿수)이 적절한지 확인합니다.
- 보조 SWC 센서 출력(예: 온도 및 BEC)도 확인하십시오. 최소 1일 동안 시스템을 실행할 수 있습니다. 데이터 테이블이 올바른지 확인합니다.
참고: 일부 DCP는 플러그 앤 플레이 방식이지만 대부분은 측정 및 데이터 기록을 위한 프로그램이 필요합니다.
2. 필드 레이아웃 결정
- 굴착을 시작하기 전에 굴착 최소 811일 전에 2(미국 및 캐나다)에 전화하여 지하 기반 시설(예: 전선, 상수도, 가스 파이프)이 있는지 확인하십시오. 이러한 허가를 보장하지 않으면 상당한 처벌과 책임을 질 수 있습니다.
- 구덩이 위치에서 토양 맵 단위를 확인합니다. iOS 및 Android 스마트폰에서 사용할 수 있는 USDA SoilWeb 앱을 사용하여 위치를 쿼리합니다. 직경 5-10cm의 핸드 오거를 사용하여 테스트 구멍을 파서 필드 텍스처가 맵 단위 설명과 일치하는지 확인합니다. 단단한 층(예: 쟁기 팬, 칼리체 또는 아르길릭 지평선) 또는 높은 암석 조각이 있는 층과 같은 문제가 있는지 확인하십시오. 두 경우 모두 프로브 삽입을 어렵거나 불가능하게 만들 수 있습니다.
- 센서에 가장 적합한 위치를 결정합니다. 각 센서는 방해받지 않는 토양의 수직면에 설치됩니다.
알림: 경사가 있는 경우 교란된 토양과 케이블 트렌치를 따라 발생하는 우선적인 흐름을 최소화하기 위해 면이 위쪽으로 기울어져야 합니다. - 작은(1m2) 합판이나 방수포를 사용하여 토양 표면을 보호하고 현장 작업자가 방해받지 않은 토양에서 밀링하는 것을 방지합니다.
- 계측기 마스트의 위치를 결정합니다. 보행자와 타워의 영향을 최소화하기 위해 센서가 마스트에서 적절하게 멀리 떨어져 있는지 확인하십시오.
알림: 스톡 5m 케이블은 일반적으로 대부분의 설치에 충분합니다.- 표면 방해와 파손 가능성을 최소화하기 위해 가능한 가장 짧은 케이블 길이를 사용하십시오.
알림: 계기 마스트가 기존 현장에 이미 있는 경우 대표 토양에 도달하기 위해 더 긴 리드가 필요할 수 있습니다. 또는 무선 기술을 고려할 수 있습니다("사이트 선택에 대한 추가 생각" 참조). - 설치 깊이에서 도관을 거쳐 인클로저로 라우팅하는 데 필요한 추가 케이블을 고려하여 기기 스탠드까지의 총 거리가 케이블 길이의 80%-90%인지 확인하십시오.
알림: 많은 SWC 센서가 중심점에 올 때 와이어 관리가 어색할 수 있습니다. - 더 얇은 케이블은 PVC 도관에 매설해야 하는 반면, 더 단단하고 두꺼운 케이블은 직접 매설할 수 있습니다. 둘 다 깊이 >10cm, 너비 10-15cm의 트렌치를 파십시오.
- 인클로저에 지상 센서를 위한 진입점과 지상 센서를 위한 도관 포트가 있는지 확인합니다(그림 5). 배선을 위해 편안한 높이(1m)에 인클로저를 장착하십시오.
- 권장 사항: 센서를 풉니다. 센서 헤드를 피트 면에 놓고 기기 스탠드의 케이블 끝에 위치시킵니다. 케이블 길이가 올바른지 확인하고 필요에 따라 조정합니다.
- 표면 방해와 파손 가능성을 최소화하기 위해 가능한 가장 짧은 케이블 길이를 사용하십시오.
3. 토양 구덩이 굴착
알림: 토양 구덩이는 수동 또는 기계적으로 굴착할 수 있습니다. 목표는 전반적인 사이트 방해를 최소화하는 것입니다.
- 손으로 파낸 구덩이의 경우 굴착 지역에 인접한 또 다른 더 큰 방수포 (2m2)를 놓습니다. 좁은 삽(예: 명사수)을 사용하여 ~55cm 깊이의 직사각형 구멍을 굴착합니다. 현재 합판이나 방수포로 보호되고 있는 구덩이 면(2.4단계)이 수직(또는 약간 잘림)인지 확인하여 각 센서가 그 위에 방해받지 않는 흙을 갖도록 합니다. 또한 피트의 너비가 20-40cm이고 전체 센서 길이보다 ~25% 더 긴지 확인하십시오. 10cm 단위로 흙을 제거하기 시작하고 각 리프트를 방수포의 맨 끝에 놓고 각 증가에 더 가까이 이동합니다. 덩어리를 부수고 큰 바위를 제거하십시오.
알림: 굴착 영역이 가능한 한 작고 가장 깊은 수평 프로브를 삽입할 수 있는 충분한 공간을 확보해야 합니다. - 유압식 포스트 홀 오거의 경우 넓은 직경(>30cm)과 1m 길이의 트레일러 장착 오거를 사용하십시오.
알림: 2인용 또는 1인용 울타리 기둥 오거는 위험할 수 있습니다.- 의도한 구덩이 면에서 ~5cm 뒤쪽으로 오거를 설치합니다.
- >50cm까지 드릴다운하고 때때로 오거를 들어 흙을 배출합니다.
- 좁은 스페이드를 사용하여 평평하고 수직적인 구덩이 면을 만듭니다.
- 삽이나 손 흙손을 사용하여 구덩이에서 방수포로 흙을 옮깁니다.
참고: 굴착된 토양은 잘 혼합됩니다. 이것을 피할 방법이 없습니다.
- 중장비를 사용하여 기계적으로 파낸 트렌치를 만드십시오.
알림: 100cm 미만의 수평 설치가 필요한 경우가 아니면 대형 굴착 장비를 권장하지 않습니다. 전리품 더미(즉, 굴착된 토양)를 처리하는 것은 어려울 수 있으며 백호의 트랙과 안정 장치는 심각한 교란을 일으킵니다.- 50cm 미만의 좁은 버킷이 있는 경량 백호를 사용하여 유사한 좁은 트렌치를 100cm 또는 200cm 깊이로 파십시오.
알림: 표면 충격을 최소화하기 위해 백호를 움직이지 마십시오. - 흙을 10cm 단위로 제거하기 시작하고 각 리프트를 방수포의 맨 끝에 놓고 각 증가에 따라 더 가까이 이동합니다. 굴착 영역이 가능한 한 작고 ~55cm 깊이에 있는지 확인하여 가장 깊은 수평 프로브를 삽입할 수 있는 충분한 공간을 확보하십시오.
- 50cm 미만의 좁은 버킷이 있는 경량 백호를 사용하여 유사한 좁은 트렌치를 100cm 또는 200cm 깊이로 파십시오.
- 센서 케이블 트렌치의 경우 토양 구덩이 뒤쪽에서 계기판까지 트렌치를 파십시오. 단단한 부분에서는 곡괭이 매트 또는 풀라스키의 도움을 받는 도랑 삽을 사용하십시오. 직선의 좁은 (~ 10cm), >10cm 깊이의 트렌치를 굴착하여 트렌치의 한쪽면에 흙을 깔아줍니다.
4. 계기 스탠드 및 인클로저 조립/설치
알림: 계기 스탠드에는 간단한 기둥, 삼각대 또는 타워의 세 가지 옵션이 있습니다. PPT 게이지가 있는 기본 토양 수분 스테이션의 경우 다리가 있는 아연 도금 강철 기둥 또는 스테인리스 스틸 계기판 스탠드(높이 120cm)로 충분합니다. 기본적인 기상 측정의 경우 2m에 센서를 설치하기 위해 더 높은 마스트가 필요합니다. 대부분의 mesonets는 10m 높이의 타워를 선호합니다. 그러나 이러한 타워는 이 프로토콜의 범위를 벗어납니다.
- 아연 도금 강철 기둥을 사용하십시오.
알림: 직경 4cm, 아연 도금 강철 수도관, ~3m 길이가 가장 경제적인 방법입니다.- 핸드 오거는 최소 60cm 깊이의 작은 구멍입니다. 구멍에 기둥을 놓습니다. 기둥 높이가 인클로저, 태양 전지판 및 필요한 안테나를 고정할 수 있을 만큼 충분히 높은지 확인하십시오.
알림: <2m의 높이를 권장합니다. - 지침에 따라 퀵 셋 콘크리트 또는 울타리 포스트 폼을 혼합하십시오.
참고: 일부 연방 토지에서는 콘크리트가 허용되지 않으며 일부 사유지 소유자는 반대할 수 있습니다. 울타리 기둥 설치를 위한 폼 대안은 좋은 대안이며 물이 필요하지 않습니다. - 기둥 주위에 재료를 붓고 어뢰 수평을 사용하여 수평이 되도록 합니다. 콘크리트를 몇 시간(이상적으로는 하룻밤) 동안 경화시키고 기둥이 수평을 유지하도록 버팀대로 고정합니다. 폼은 30분 안에 경화되지만 파이프가 수직을 유지하도록 최소 2분 동안 제자리에 고정해야 합니다.
- 핸드 오거는 최소 60cm 깊이의 작은 구멍입니다. 구멍에 기둥을 놓습니다. 기둥 높이가 인클로저, 태양 전지판 및 필요한 안테나를 고정할 수 있을 만큼 충분히 높은지 확인하십시오.
- 악기 스탠드 또는 삼각대(제조업체 지침 참조)
- 세 개의 스탠드 다리를 각각 풀거나 볼트를 풉니다.
- 각 다리를 회전하거나 확장하고 굴착된 트렌치의 끝 부분에 위치합니다.
- 계기 마스트를 다리에 삽입하고 조입니다.
- 돛대가 수직이 되도록 각 다리의 길이를 조정합니다.
- 각 다리를 토양에 걸고 어뢰 수준으로 돛대를 다시 확인하십시오.
- U-볼트를 사용하여 인클로저를 계기 스탠드에 1-1.5m에 장착합니다. 볼트를 손으로 조여 고정하십시오. 최종 높이와 조임은 나중에 발생합니다.
알림: 나중에 태양 전지판에 머리가 부딪히지 않도록 기둥의 북쪽에 장착하는 것이 좋습니다.
5. 토양 특성화 및 시료 채취
알림: 토양을 시각적으로 특성화하는 것은 설치 후 토양 수분 역학을 해석하는 데 중요합니다. 샘플 수집은 정량적 데이터로 해석하는 데 도움이 될 수 있습니다. 자금을 사용할 수 없거나 사내 시설에서 처리할 수 없는 경우에도 샘플을 수집합니다. 장래에 토양 특성화가 필요할 경우를 대비하여 자연 건조하고 보관하십시오.
- 기본적인 토양 설명의 경우 토양 색상이나 질감(지평선)의 명백한 변화의 깊이에 유의하십시오.
참고: 국립 토양 조사 센터(National Soil Survey Center)는 토양 프로파일 설명 및 해석에 대한 훌륭한 개요를 제공합니다24. 위치가 이상적이지 않다면 지금이 이사할 때입니다. - 기본적인 토양 특성 분석을 위해 Lawrence et al.25의 절차에 따라 각 센서 깊이에서 1쿼트(1L) 냉동 백에 대표 토양 샘플을 수집합니다.
- 사무실이나 연구실로 돌아오면 1쿼트 백을 모두 카운터에 놓고 개봉하여 최소 48시간 동안 자연 건조시킵니다.
참고: 공기 건조는 대부분의 토양 수분을 제거하면서 향후 분석을 위해 유기 및 화학적 특성을 보존합니다. - 추가 분석을 위해 샘플을 대학 확장 실험실(예: https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) 또는 상업 실험실(예: http://www.al-labs-west.com/)에 제출합니다. 또는 아래에 명시된 승인된 방법을 사용하여 숙련된 기술자가 사내에서 샘플을 실행합니다.
- 입자 크기 분포 26, 암석 분율(RF, 중량 백분율 2mm 이상), 토양 분율(SF, 백분율2mm 미만) 및 질감(모래, 미사 및 점토 비율)과 같은 물리적 토양 매개변수를 포함한 기본 실험실 분석을 수행합니다. 포화 페이스트 전기 전도도(dS m-1)27 및 유기물28을 포함한 기본 화학 매개변수를 확인하십시오.
- 권장 사항: 코어링 장치를 사용하여 5, 10, 20 및 50cm 깊이에서 체적 토양 코어 샘플링을 수행하여 방해받지 않는 체적 샘플을 수집합니다. 총 건조 토양 중량 및 코어 부피29로부터 토양 부피 밀도 (BD; g cm-3)를 결정한다. 토양 다공성 (φ; [-]) 는 SWC의 물리적 상한선입니다. 광물 토양의 경우 φ 1 - BD/PD로 추정하며, 여기서 주로 석영 광물 토양의 입자 밀도(PD)는 2.65g cm-3입니다.
참고: BD용 샘플은 알려진 부피의 코어에서 수집되거나 토양 peds29를 사용하여 수집됩니다.
- 사무실이나 연구실로 돌아오면 1쿼트 백을 모두 카운터에 놓고 개봉하여 최소 48시간 동안 자연 건조시킵니다.
6. 5cm, 10cm, 20cm 및 50cm 프로브의 수평 삽입
알림: 목표는 에어 갭을 피하면서 센서 타인 주변의 완전한 토양 접촉을 보장하는 것입니다.
- 지퍼 타이를 조심스럽게 잘라내고 각 센서를 풀어 케이블의 코일을 제거합니다. 센서 헤드를 토양 구덩이 근처에 배치하고 케이블을 트렌치에 배치합니다.
- 설치 깊이는 센서의 면이 원형인지 직사각형인지에 관계없이 수평으로 설치할 때 센서의 중심으로 정의됩니다. 지표면 아래의 정확한 깊이와 가능한 한 토양에 수평으로 센서를 설치하십시오. 정확한 센서 깊이를 위해 제로 깊이 기준과 측정 장치(줄자 또는 눈금자)를 사용하고(그림 2) 삽입 중에 타인 간격을 유지하기 위해 스페이서를 사용합니다(그림 2C).
- 먼저 50cm 센서를 삽입합니다. 센서를 토양에 수평으로 밀어 넣고 틈이 생길 수 있으므로 센서를 흔들지 않도록 하십시오. 50cm 프로브가 가장 어려운 경우가 많기 때문에 접지봉을 사용하여 센서를 밀어 넣을 수 있는 더 많은 지렛대를 제공하고 에폭시 헤드가 부러지거나 타인이 분리되지 않도록 주의하십시오. 센서 깊이가 20cm, 10cm 및 5cm까지 올라가면서 삽입 과정을 반복합니다. 스태거(그림 2D) 또는 스택(그림 2B) 센서.
알림: SDI-12 프로토콜의 측정 타이밍은 일반적으로 센서가 동시에 판독하고 인접한 센서(예: 5cm 및 10cm 깊이) 간에 간섭을 생성하는 것을 방지합니다. - 각 센서 케이블을 구덩이 면의 같은 쪽에 배치하여 굴착 구덩이 바닥에 걸 수 있도록 합니다. 눈금에 대한 줄자로 굴착된 구멍과 센서의 사진을 찍습니다(그림 6A). GPS를 사용하여 구덩이에서 몇 미터 이내의 위도와 경도를 확인하십시오. 하루에 여러 현장을 발굴하는 경우 고유 식별자가 있는 플래카드를 사용하여 구덩이를 구별하십시오.
그림 6: 메타데이터에 대한 예제 사진. (A) 스케일용 줄자가 있는 계측된 토양 구덩이, (B) 계기 마스트로 다시 굴착된 케이블 트렌치, (C) 북쪽과 (D) 남쪽을 향한 최종 현장 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
7. 100cm 프로브의 수직 삽입
- 50cm 이상의 깊이에 센서를 설치하는 경우 케이블 트렌치 내부 또는 근처에 각 센서에 대해 별도의 구멍을 뚫습니다(그림 4A).
- 핸드 오거(직경 5-10cm)를 사용하여 적절한 설치 깊이로 파십시오. 깊이는 측정 중심(예: 50cm)에서 0 깊이 기준과 관련된 타인 길이의 절반을 뺀 값으로 정의됩니다(그림 4B).
- 굴착 된 토양을 제거 된 순서대로 방수포에 배열하십시오.
- 설치 도구를 사용하여 센서를 구멍 바닥에 밀어 수직으로 설치합니다(그림 4C,4D). 굴착 된 토양으로 오거 구멍을 가장 깊은 곳에서 가장 얕은 곳으로 다시 포장하십시오. 작은 리프트로 토양을 교체하고 구멍에 토양이 연결되고 공극이 생기는 것을 방지하기 위해 충분히 포장하십시오.
알림: 포장 도구는 뚜껑이 있는 PVC 또는 목재 다웰 조각일 수 있습니다. 센서 헤드나 케이블이 손상되지 않도록 하십시오.
8. 센서 설치 및 DCP 배선 완료
- 센서 케이블이 직접 매설된 경우 격벽 커넥터를 사용하여 인클로저로 들어가는 지상 끝이 PVC 도관에 있는지 확인합니다(그림 5).
알림: 분리된 레인 게이지를 사용하는 경우(9.1단계) 인클로저에 배선할 때 이 케이블을 포함해야 합니다. - 도관을 사용하는 경우 케이블 트렌치에 배치하고 원하는 길이로 자릅니다. 도관을 통해 케이블을 공급하십시오 - 케이블을 당기기 위해 당김 끈이나 피쉬 테이프가 필요할 수 있습니다. 유연한 도관 또는 90° 스윕 엘보와 길이 수직 도관을 사용하여 케이블을 도관 포트에서 인클로저 바닥으로 배선합니다.
- 케이블 또는 케이블/도관을 케이블 트렌치 바닥에 놓습니다. 하단 인클로저 포트를 통해 케이블 끝을 당기고 지퍼 타이로 고정합니다. 인클로저에 여분의 케이블이 있는 경우 굴착 트렌치 바닥에 있는 도관과 코일을 통해 다시 당깁니다.
- 인클로저로 다시 연결되는 케이블이 있는 설치 피트와 트렌치의 사진을 찍습니다(그림 6B).
- 토양 수분 센서 배선의 경우 각 SDI-5 센서에 공통 전원(12-12볼트)과 접지선을 사용하십시오. 레버 커넥터, 스플라이스 커넥터 또는 단자대(그림 5)를 사용하여 이러한 연결을 더 쉽고 안전하게 만들 수 있습니다. 두 가지 이상의 센서 유형을 사용하는 경우 DCP에서 다른 통신 포트를 사용합니다(사용 가능한 경우).
알림: 하나의 결함이 있는 SDI-12 센서가 직렬의 다른 센서를 방해할 수 있습니다.
9. 보조 센서 및 하드웨어 설정
- 강수량 (PPT) 게이지
알림: 어획량을 개선하려면 레인 게이지를 가능한 한 지면에 가까운 별도의 수직 마스트에 설치해야 합니다. 크로스 암 마운트에 게이지를 더 높게 설치하면 더 빠른 풍속으로 인해 캐치를 줄일 수 있습니다.- 위치를 결정합니다. 레인 게이지는 지상 덮개 위(~1m)에서 가능한 한 낮게 설치하고 주변 장애물 높이의 두 배인거리에 설치하십시오 30. 이상적인 위치는 케이블 트렌치와 가깝습니다.
알림: 레인 게이지 케이블은 인클로저 바닥에 들어가기 전에 센서 케이블과 함께 묻혀 있습니다. - 수직 마스트를 설치하십시오. 핸드 오거를 사용하여 ~50cm 깊이의 구멍을 굴착합니다. 시멘트 또는 폼에 충분한 길이의 아연 도금 강관 단면을 설정하십시오 (4.1 단계 참조).
- 경화 후 호스 cl을 사용하여 게이지를 설치하십시오.amp센서 지침에 따라 s 또는 플랫 마운트 베이스. 게이지가 완벽하게 수평인지 확인하십시오.
참고: 대부분의 게이지에는 버블 레벨이 내장되어 있습니다. - 토양 수분 케이블을 사용하여 지하 도관의 레인 게이지와 인클로저 사이에 케이블을 연결합니다.
- 티핑 게이지의 경우 두 리드를 DCP의 펄스 카운트 채널에 연결합니다.
알림: 전선은 양쪽으로 들어갈 수 있습니다. - 상단을 제거하고 팁 메커니즘이 자유롭게 움직이는지 확인하십시오. 버킷은 종종 고무 밴드로 배송 중에 고정됩니다.
알림: 레인 게이지는 일상적인 청소 및 보정이 필요합니다. 레인 게이지를 계기판 스탠드 또는 크로스 암에 직접 장착하는 경우 9.2단계를 따르십시오.
- 위치를 결정합니다. 레인 게이지는 지상 덮개 위(~1m)에서 가능한 한 낮게 설치하고 주변 장애물 높이의 두 배인거리에 설치하십시오 30. 이상적인 위치는 케이블 트렌치와 가깝습니다.
- 다른 센서
- 지상10,30 위의 적절한 높이에 수직 마스트 또는 크로스 암 마운트에 보조 측정 및 안테나를 설치하십시오.
- 경로는 지상 인클로저 입구로 연결되며 필요한 경우 케이블 타이로 고정됩니다. DCP의 적절한 측정 채널에 배선합니다.
- 접지봉
- 계기판에서 >1m 길이의 구리 접지봉을 0.5m 설치하십시오. 울타리 포스트 드라이버를 사용하여 막대를 지면에 삽입하고 ~20cm가 노출되도록 합니다.
- 접지 cl을 사용하여 무거운 (8-10) 게이지 구리선을 막대에 고정합니다.amp. 다른 쪽 끝을 인클로저 또는 삼각대에 고정합니다.
알림: 모든 상황에서 접지가 권장되지 않을 수 있습니다.
- 배터리를 연결합니다.
알림: 대부분의 DCP에는 5-24볼트(V)가 필요하지만 12V가 가장 일반적이며 7 또는 12암페어 시간(AH)이면 대부분의 토양 수분 스테이션에 전원을 공급하기에 충분합니다. 여기에는 12V 12AH 배터리 팩과 전압 조정기가 사용됩니다.- 충전 조절기가 꺼짐 위치에 있는지 확인하십시오. 직류 전압에 대해 DC 로 설정된 멀티미터를 사용하여 볼륨이 있는지 확인하십시오.tage 배터리의 경우 충분하고(10V 배터리의 경우 >12V) 표시되지 않은 경우 + 및 - 단자를 식별합니다.
- 검은색(-) 와이어의 터미널 커넥터를 배터리 접지(-) 포스트의 스페이드 단자 위로 밀고 빨간색 와이어를 + 배터리 포스트 위로 밉니다. 빨간색/검은색 전선의 다른 쪽 끝을 볼륨의 BAT 포트에 꽂습니다.tag전자 조정기.
- 태양 전지판
알림: 일반적으로 10와트 또는 20와트 패널이면 충분합니다. 증가된 와트tage는 더 높은 위도, 더 그늘진 영역 또는 전력 소모가 높은 시스템(예: 셀룰러 모뎀, 카메라)에서 필요합니다. 패널은 1년 동안 최대 입사 태양 복사를 받을 수 있도록 방향을 잡아야 합니다.- 태양 전지판의 각 리드 주위에 전기 테이프를 별도로 감습니다.
알림: 이 전선은 패널이 햇빛에 노출되면 전류를 전달합니다. - U-볼트를 사용하여 인클로저 위와 적도를 향한 계기판 측면(예: 미국 남부)에 태양 전지판을 장착합니다. 사이트 위도에 적절한 각도를 사용합니다(일반적으로 미국 종착지에서는 25°에서 35°).
- 케이블을 지상 인클로저 진입점으로 배선합니다. 패널 리드에서 테이프를 제거합니다. 암페어에 대해 A 로 설정된 멀티미터를 사용하여 태양 전지판의 출력이 >0.1A인지 확인합니다.
- 직류 전압에 대해 DC로 설정된 멀티미터를 사용하여 태양 전지판의 출력이 >10V인지 확인하고 표시되지 않은 경우 +(보통 빨간색) 및 -(보통 검은색) 리드를 식별합니다. 태양 전지판의 - 리드를 G(접지) 포트에 연결한 다음 충전 조절기의 SOLAR 포트에서 + 리드를 연결합니다.
알림: 스파크를 최소화하기 위해 태양 전지판을 방수포나 불투명한 것으로 덮으십시오. - 이제 CHG 또는 충전 표시등이 켜져 있는지 확인합니다.
- 태양 전지판의 각 리드 주위에 전기 테이프를 별도로 감습니다.
- 원격 데이터 통신
참고: 셀룰러 데이터 원격 측정은 DCP에서 데이터를 전송 및 전송하는 기능을 제공합니다. OpenSignal과 같은 스마트폰 앱은 신호 강도와 가장 가까운 기지국으로 향하는 방향을 측정할 수 있습니다. 무지향성, 다중 대역 안테나가 선호됩니다. 그러나 지향성(Yagi)형 안테나는 더 먼 지역에서 신호를 향상시킬 수 있습니다.- 제공된 U-볼트를 사용하여 안테나를 계기판 마스트 상단에 부착합니다.
- 동축 케이블을 안테나에 연결하고 다른 쪽 끝을 지상 센서 도관을 통해 인클로저로 배선합니다. 지퍼 타이로 케이블을 고정합니다.
- 다른 쪽 끝을 인클로저의 셀룰러 모뎀에 연결합니다.
- 시스템 전원 켜기
알림: 이 시점에서 DCP 프로그램이 작성되고 모든 센서가 적절한 방식으로 배선되었다고 가정합니다. 태양 전지판과 충전식 배터리는 볼륨에 연결됩니다.tage DCP 전원 포트에 연결된 빨간색/검은색 전원 와이어가 있는 조정기.- 전압 조정기의 토글을 켭니다. DCP 소프트웨어를 실행하고 랩톱을 DCP에 연결합니다. 모든 센서가 NaN(Not-a-Number) 또는 오류 값이 아닌 값을 보고하는지 확인합니다.
- 각 토양 센서에서 SWC, BEC 및 T 값을 확인합니다. SWC 값이 >0.05m 3/m 3 및 <0.60m 3/m 3인지 확인합니다. 범위를 벗어난 센서가 있는지 확인하십시오. 의심스러운 센서를 다시 삽입하거나 교체하십시오. 레인 게이지를 통해 약간의 물을 붓고 DCP가 카운트를 기록하고 있는지 확인합니다.
알림: 낮은 BEC 값(<0.001)은 센서 접촉 불량(또는 매우 건조한 토양)을 나타낼 수 있습니다. 따뜻한 계절에 설치할 때 T는 일반적으로 상단이 가장 따뜻하고 하단이 가장 시원합니다. - 셀룰러 통신 강도를 확인합니다. 제조업체의 설명서에 따라 신호 강도를 확인하십시오.
알림: 적절한 신호 품질을 보장하려면 신호 강도가 -100dBm> 있어야 합니다. 방향 안테나를 회전하여 신호를 향상시킬 수 있습니다. 셀룰러(예: 위성) 외에도 많은 다른 통신 옵션이 존재합니다.
10.Site 완료
- 지하의 모든 것이 작동하고 도관의 케이블 또는 케이블이 모두 트렌치에 있고 인클로저로 라우팅되면 습기로부터 보호하고 곤충이 인클로저에 들어오지 못하도록 전기 퍼티로 지상 및 지하 인클로저 입구의 개구부를 채우고 밀봉합니다.
- 표면에 있는 센서 위치의 외부 둘레를 밝은 플래그가 있는 영구적인 말뚝으로 묘사합니다.
- 방수포의 토양을 사용하여 굴착 된 지역을 채우고 제거의 역순으로 (3.1 단계) (가장 깊은 것부터 가장 얕은 것까지). 먼저 트렌치 면과 센서 헤드 주위를 50cm로 손으로 포장하고 센서가 방해받지 않도록 주의하십시오. 센서 헤드를 지지하면서 센서 헤드가 움직이지 않도록 주변에 흙을 포장합니다.
- 나머지 모든 센서 케이블이 여전히 트렌치 바닥 근처에 있는지 확인하십시오. 그런 다음 방수포에서 더 깊은 흙으로 조심스럽게 덮으십시오. 흙을 구덩이 바닥으로 압축하여 케이블을 고정하고 어떤 힘으로도 아래로 당기지 않도록 주의하십시오. 제거된 재료의 유사한 부피 밀도를 보장하기 위해 압축하는 동안 충분한 힘을 사용하십시오.
알림: 설치 중 습한 토양은 쉽게 과도하게 압축될 수 있는 반면 건조한 토양은 힘에 관계없이 느슨하게 유지될 수 있습니다. - 10cm 리프트로 구덩이를 다시 채우고 20cm 센서에 도달할 때까지 표면을 매끄럽게 하고 압축합니다. 다시 말하지만, 센서 아래와 주변의 흙을 조심스럽게 손으로 포장한 후 다시 10cm 높이의 흙을 다시 채웁니다.
- 마지막으로 10cm 센서 주위에 흙을 손으로 포장한 다음 5cm 센서로 흙을 포장하여 둘 다 수평과 제자리에 유지되도록 합니다. 토양 구덩이의 나머지 부분을 방수포의 상부 토양으로 채 웁니다.
알림: 제거된 모든 흙은 구덩이로 다시 들어가야 합니다. 남은 토양은 토양이 원래의 벌크 밀도로 채워지지 않았음을 나타냅니다. - 도랑 삽을 사용하여 도랑 옆의 굴착된 흙을 도관 위로 밀어 넣습니다. 모든 것이 완전히 묻혀 있고 5cm 미만인지 확인하십시오.
- 강철 갈퀴를 사용하여 구덩이의 재포장된 토양을 평평하게 하고 원래 표면과 같은 높이의 트렌치를 만듭니다. 도관 트렌치의 토양을 충분히 압축하여 설치 장소로의 우선적인 흐름을 최소화합니다.
- 선택 사항: 개미, 민달팽이 및 기타 곤충을 막기 위해 지하 개구부 주변과 표면에 규조토를 뿌립니다.
- 권장 사항: 휴대용 SWC 센서를 사용하여 현장 센서 주변의 표면 토양을 판독하여 시간 경과에 따른 데이터 검증 및 스케일링 요구 사항을 지원합니다. 일정한 거리(예: 5m, 10m, 25m, 50m)에서 기본 방향(북쪽, 남쪽, 동쪽 및 서쪽)으로 판독합니다.
11. 레코드 스테이션 메타 데이터, 데이터 뒤에있는 데이터23
참고: 설치 및 각 사이트 방문 시 메타데이터를 문서화합니다( 표 1 참조). 일관된 메타데이터 보고는 성장하는 실무 커뮤니티를 지원하며 데이터 및 네트워크 무결성을 보장하는 데 매우 중요합니다.
- 고유 사이트 식별자, 설치 날짜, 센서 일련 번호, 해당 SDI-12 주소, 삽입 방향(수평 또는 수직) 및 깊이를 포함한 설치 세부 정보를 문서화합니다.
- 토양 프로필을 설명하고 관련 사진을 찍습니다. 수집된 모든 토양 샘플에 대한 샘플 식별자를 기록합니다.
- 대지 위치의 경우 위도와 경도, 고도, 경사, 측면, 토지 이용 및 토지 피복을 기록합니다.
- 토지 소유자와 연락처 정보, 게이트 또는 잠금 코드를 포함한 사이트 접근성을 기록해 두십시오.
- 스마트폰(또는 실제 나침반)과 측정 테이프에서 나침반 앱을 사용하여 두 개의 기준점(예: 접지봉 또는 삼각대 다리)에서 센서 피트(및 센서 오거 구멍)까지의 각도와 거리를 측정합니다.
참고: 이렇게 하면 나중에 위치를 삼각 측량하는 데 도움이 됩니다. - 완성된 스테이션과 계기 마스트에서 북쪽(그림 6C), 남쪽(그림 6D), 동쪽 및 서쪽 방향의 사진을 찍습니다. 센서 설치 위치를 플래그 지정 또는 기타 별개의 항목으로 설명합니다.
표 1: 토양 수분 데이터 수집을 위한 스테이션 메타데이터. 약어: 12월 = 감소; GPS = 글로벌 포지셔닝 시스템; 3DEP = 3D 고도 프로그램; O&M = 운영 및 유지 보수; SSURGO = 토양 조사 지리 데이터베이스; Mukey = 맵 단위 키. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
12. 운영 및 유지 보수
알림: 센서 교체, 식생 상태 또는 변경 사항, 현장 교란을 포함한 자세한 유지 관리 로그를 메타데이터 레코드에 추가해야 합니다.
- 최소한 매년 정기 현장 검사를 수행합니다(표 2). 센서 보정 또는 교체를 기록합니다.
- 특히 영구 스테이션의 경우 정기적인 식생 관리를 보장하여 부지가 무성하거나 주변 지역에 변칙적이지 않도록 합니다.
- 울타리를 포함하여 지역 야생 동물에 동물 관리를 적용하십시오.
- 센서 고장이 발생한 경우 긴급 현장을 방문하여 교체품을 설치하십시오(표 2).
표 2: 유지 관리 일정의 예. 약어: DCP = 데이터 제어 플랫폼. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Representative Results
SCAN 네트워크는 1991년 NRCS의 시범 프로젝트로 시작되었습니다. 이것은 가장 오래 동작하는 SWC 데이터 수집 네트워크(15)이며, 이 프로토콜의 대표적인 결과의 기초이다. 모든 SCAN 현장은 원래 아날로그 커패시턴스 센서로 시작되었습니다. 이 프로토콜의 비디오 구성 요소에 사용되는 메릴랜드주 벨츠빌의 현장 설치 사이트(SCAN 2049)는 5, 10, 20, 50 및 100cm 깊이에서 시간별 공기 및 토양 온도(그림 7B)를 모니터링합니다. 일일 PPT, 토양 수분 저장량 (SWS) 20 cm, 및 시간 경과에 따른 변화 (dSWS)는 도 7C에 나타내었다. 각 PPT 이벤트에 대해 표면 근처(5cm 및 10cm)에서 SWC가 급격히 증가했으며 습윤 전면이 중력 하에서 아래쪽으로 전파됨에 따라 더 깊은 깊이에서 더 감쇠되고 지연된 증가가 있었습니다. 2022년 2월 초와 4월의 행사 기간 동안 100cm의 가장 깊은 센서는 0.33m 3/m3의 고원에 도달했으며 며칠 동안 지속되었습니다. 이러한 조건은 짧은 포화 기간을 나타냅니다. 특성화 데이터(표 3)의 토양 지평선 건조 벌크 밀도는 1.73g/cm3였으며 추정 다공성(φ)은 0.35[-]로 기공 공간이 완전히 물로 채워졌다는 추가 증거를 제공합니다. 토양 프로파일의 사질양토/양토를 감안할 때, 포화 조건은 배수가 불량하거나 배수를 방해하는 얕은 지하수면에 의해 생성되었을 가능성이 큽니다. 이 사이트의 기온은 4월까지 대부분의 저녁에 영하로 떨어집니다. 그러나 토양 온도는 2 °C 이상으로 유지되었으며 SWC 데이터에는 어떤 깊이에서도 얼어 붙은 물의 표시가 없었습니다.
그림 7: 메릴랜드주 벨츠빌에 위치한 필드 스테이션(SCAN 2049)의 결과 예. (A) 시간당 공기 및 토양 온도, (B) 시간별 SWC, (C) 일일 강수량, 20cm까지의 토양 수분 저장 및 시간 경과에 따른 차이. 약어: SWC = 토양 수분 함량; PPT = 강수량; SWS = 토양 수분 저장; dSWS = 시간 경과에 따른 SWS의 차이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 3: 대표 결과에 제시된 데이터 예에 대한 현장 데이터 및 토양 특성화. 그림과 표에 제시된 모든 데이터는 각 사이트에 대해 명시된 URL의 NRCS 온라인 데이터베이스에서 검색되었습니다. 토양 특성화 데이터는 테이블 마운틴(#808)에 사용할 수 없습니다. 약어: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = URI(Uniform Resource Locator); c = 점토; FSL = 고운 사질양토; ls = 양토 모래; s = 모래; SC = 모래 점토; SCL = 모래 점토 양토; si = 미사; SIL = 미사질 양토; SL = 사질양토; nd = 데이터 없음; BD = 부피 밀도 33kPa. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
포화의 보다 극단적인 예는 미시시피주 Yazoo 근처의 SCAN 위치(2110)에 대해 그림 8에 나와 있습니다. 토양은 매우 높은 점토 함량 (60 % 이상), 1.06 내지 1.23 g / cm3 범위의 낮은 벌크 밀도 및 0.54 내지 0.60 [-] 범위의 φ을 갖는다 (표 3). 2020 년 4 월 13 일 ~ 40mm의 첫 번째 PPT 이벤트는 토양을 12 일 연속 모든 깊이에서 >0.60m3 / m3의 SWC로 포화 시켰으며 측정 된 φ에 매우 가까운 값입니다. 2020 년 4 월 20 일 70mm / 일의 두 번째 이벤트는 dSWS에 영향을 미치지 않았으며 포화 초과 유출을 시사합니다. 2020년 11월에도 비슷한 포화 기간이 두드러졌습니다. 100cm에서 측정이 없었지만 50cm에서 SWC는 0.36m 3/m 3로 완만하게 떨어진 늦여름을 제외하고는 0.39m 3/m 3에서 안정적으로 유지되었습니다. 현장 노트(보충 표 S2)는 대부분의 SCAN 및 USCRN 사이트에서 사용되는 커패시턴스 센서의 경우와 마찬가지로 '양토' 센서-특정 교정(31)이 사용되었음을 나타낸다. 두 예 모두 SWC 데이터 해석에 대한 현장 특성화(5단계) 중에 수집된 토양 특성화 및 BD 데이터의 중요성을 보여줍니다.
그림 8: 미시시피 주 Yazoo 근처에 위치한 습하고 온화한 지역(SCAN 2110)의 예시 결과. (A) 시간당 공기 및 토양 온도, (B) 시간별 SWC, (C) 일일 강수량 및 토양 수분 저장 변화. 약어: SWC = 토양 수분 함량; PPT = 강수량; SWS = 토양 수분 저장; dSWS = 시간 경과에 따른 SWS의 차이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9는 토양 프로파일에서 습윤 선단이 아래쪽으로 순차적으로 전파되는 5개의 습윤 이벤트와 함께 5개의 깊이에서 현장 SWC의 보다 간단한 시계열(in situ SWC)을 보여줍니다. 이 SCAN 사이트(2189)는 0.37에서 0.51 사이의 φ사질양토 토양에 습한 봄과 길고 건조한 여름이 있는 지중해성 기후의 캘리포니아 샌루이스오비스포 근처에 위치했습니다[-](표 3). 토양 표면 습윤에 대한 반응은 빠르며 깊이에 따라 크기가 감소했습니다. 5 일 동안의 마지막 대규모 PPT 이벤트는 50 및 100 cm 깊이에서 반응을 보이기에 충분했습니다. 깊이가 증가함에 따라 토양 온도 진폭의 일주주기가 감소하고 최대 및 최소 온도의 시간은 기온과 얕은 깊이보다 더 뒤쳐졌습니다 (그림 9A). 이러한 특성은 센서 깊이를 구별하는 데 유용할 수 있지만 다음 섹션에서 논의한 바와 같이 5cm 및 10cm 깊이에서 SWC의 변동에도 주목할만한 효과가 있었습니다. SWC 진폭은 5cm에서 ~0.02m 3/m 3, 10cm에서 ~0.01m 3/m 3였으며 더 깊은 센서에서는 더 무시할 수 있었습니다. 또한 토양 온도와 위상이 같았으며 온도 변동에 의해 센서에서 소음이 유발되었을 가능성이 더 높으며 토양 수분 또는 실제 강수량의 물리적 이동의 결과일 가능성은 거의 없습니다. 이 건조 현장(2189)은 SWC 데이터에서 온도 노이즈를 나타내지 않는 더 많은 mesic field 설치 현장(2049)보다 토양 온도의 일주 변화가 훨씬 더 큽니다(그림 7B).
그림 9: 캘리포니아주 샌루이스오비스포 근처에 위치한 반건조 지중해 지역(SCAN 2189)의 예시 결과. (A) 시간당 공기 및 토양 온도, (B) 시간별 SWC, (C) 일일 강수량 및 토양 수분 저장 변화. 약어: SWC = 토양 수분 함량; PPT = 강수량; SWS = 토양 수분 저장; dSWS = 시간 경과에 따른 SWS의 차이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10은 얼어붙은 토양과 적설과 함께 존재하는 보다 까다로운 SWC 데이터 해석 중 하나를 보여줍니다. 이 사이트(808)는 해발 4,474피트의 몬태나주 보스만 근처에 위치했습니다. 2020년 겨울(12월, 1월, 2월) 동안 일일 기온이 때때로 영하의 기온을 초과했습니다. 토양 온도는 3월까지 0 °C 이상을 유지했습니다. 표면에 눈이 있으면 기온 변화로부터 토양을 단열할 수 있습니다. 또한, 습한 토양에서는 동결-해동 주기와 관련된 상전이 과정을 동반한 잠열의 방출 및 에너지 소비, 완충된 토양 온도, 이러한 상 변화가 완료될 때까지 0°C에 매우 가깝게 유지합니다. 얼어붙은 토양에서 얼음의 작은 ε은 SWC의 극적인 감소로 나타나고 PPT의 징후 없이 해동 중에 증가합니다. 이는 12월 중순과 3월 중순에 가장 뚜렷하게 나타났는데, 기온이 급격히 떨어지고 5cm와 10cm의 SWC가 3일 동안 감소했다가 반등했습니다. 100cm의 토양 온도는 11월 중순에 빙점에 도달했고 이전 가을과 겨울 내내 낮은 SWC를 유지했으며 봄철 해빙 중에도 변하지 않아 오작동이 있었을 수 있음을 시사합니다. 그러나 다른 센서의 급격한 하락 및 회복은 액체 토양 물의 실제 변화일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 이러한 데이터를 해석하는 것은 눈의 존재 또는 깊이에 대한 보조 측정 없이는 매우 어려울 수 있습니다. 종종 동결 또는 그 이하의 SWC 데이터는 품질 관리에서 중도절단됩니다. 동결에 가까운 토양 온도에 대한 자세한 논의는 데이터 기록 품질 관리 섹션에 나와 있습니다.
그림 10: 몬태나주 쓰리 포크스(Three Forks) 근처에 위치한 반건조 고산 지대(SCAN 808)의 예시 결과. (A) 시간별 공기 및 토양 온도, (B) 시간별 SWC, (C) 일일 강수량 및 토양 수분 저장 변화. 약어: SWC = 토양 수분 함량; PPT = 강수량; SWS = 토양 수분 저장; dSWS = 시간 경과에 따른 SWS의 차이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
다른 예제 및 특성화 데이터는 SCAN 데이터베이스에서 가져왔습니다(Uniform Resource Locator, [URL]에 대한 표 3 참조). 이러한 데이터의 보고 및 품질 관리는 불규칙한 동작을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘이 있는지 확인하기 위해 약간의 해석이 필요합니다. 우리의 해석은 현지 현장 지식이 부족하고 SWC 시계열을 수년간 평가했음에도 불구하고 고장 나거나 나쁜 센서에서 좋은 센서 또는 설치를 평가하는 것은 여전히 어려울 수 있습니다.
그림 11은 2020년에서 2021년 사이에 40개의 SCAN 스테이션에서 무작위로 선택된 문제 데이터 기록의 일반적인 예를 보여줍니다. 가장 일반적인 오류에는 국제 토양수분 네트워크(International Soil Moisture Network)에 의해 표시된 바와 같이 스파이크(그림 11A) 및 상향(그림 11B) 또는 하향(그림 11C)의 단계 변화가 포함됩니다. 이들 각각에 대해 이러한 변경 사항을 설명하는 동시 PPT 이벤트가 없으며 잘못된 것으로 간주될 수 있습니다. 즉각적인 급증 또는 하락 문제는 이러한 이벤트를 숨길 수 있는 일일 평균만 볼 때 더욱 복잡해집니다. 평균 계산을 하기 전에 제거하는 것이 가장 좋습니다. 단계 변경의 시작과 끝은 분명할 수 있지만 그 사이에 데이터를 채우는 것은 어렵습니다. 우리는 이 프로토콜에서 데이터 채우기에 접근하지 않고 잘못된 데이터에만 플래그를 지정합니다. 불규칙한 동작(그림 11D)은 PPT 이벤트에 대한 응답 없이 급격한 변동으로 나타납니다. 경우에 따라 2020년 8월 이후 그림 11A와 같이 배선 점검 및 멀티플렉서 교체 후 스파이크가 사라질 수 있습니다. 더 자주, 불규칙한 동작은 그림 11E에서 볼 수 있듯이 고장난 센서의 전주곡입니다. 10cm 깊이의 센서는 1 월에 불규칙한 동작에 대한 합리적인 경고를 주었고 3 월 말에 실패했습니다. 그러나 2021년 3월 1일 5cm 깊이의 센서가 경고 없이 고장났습니다.
그림 11: 문제점 레코드의 예. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, 5cm에서 주기적인 딥을 보임, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, 50cm 깊이에서 양의 단계 변화, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, 50cm 깊이에서 하향 단계 변화, 스파이크 및 심지어 회복, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, 5 또는 10 cm 센서에서 강수 이벤트에 대한 반응이 없음을 보여 10 cm 센서의 일부 복구 후 둘 다의 현저한 고장이 뒤따랐으며, (E) SCAN 2027, 조지아 주 리틀 리버, 20cm의 글리치 센서와 5 및 20 cm 깊이의 치명적인 고장. 센서 깊이는 5cm(검정색), 10cm(파란색), 20cm(주황색), 50cm(진한 회색) 및 100cm(노란색)로 표시됩니다. 약어: SWC = 토양 수분 함량; PPT = 강수량. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
SCAN 2084에서 사이트는 2004년 2월 6일에 데이터를 기록하기 시작했으며 여러 번 교체된 SDI-12 멀티플렉서와 관련된 불규칙한 동작에 대한 몇 가지 메모를 가지고 있었습니다(보충 표 S2). 그러나 센서는 원본이며 18년이 지난 후에도 계속 작동합니다. SCAN 2015에서 데이터 수집은 1993년 10월 25일에 시작되었으며 그림 11B의 50cm 센서는 2017년에 의심스러운 것으로 간주되었습니다(보충 표 S2). 가장 오래된 사이트인 SCAN 808은 1986년 9월 30일에 보고를 시작했으며 2006년 10월 25일에 SCAN 스테이션으로 전환되었습니다. 현재까지 센서를 교체하지 않았습니다. 그림 11E에서 볼 수 있듯이 그림 10에는 적절한 데이터가 있으므로 항상 오류가 발생하는 것은 아닙니다. SCAN 2006은 1993년 10월 1일에 보고를 시작했습니다. 그림 11D의 원래 5cm 및 10cm 센서는 2022년 1월 24일에 교체되었습니다. SCAN 2027은 1999년 5월 19일에 보고를 시작했습니다. 그림 11E의 원래 5cm 및 10cm 센서는 2021년 8월 13일에 교체되었습니다. 앞서 언급했듯이 SCAN 사이트는 아날로그 커패시턴스 센서로 시작되었습니다. 이러한 센서 중 상당수는 20년 이상 지속되었으며 전체적으로 최고 품질의 데이터를 생성하는 것은 아니지만 기능을 유지했습니다. 센서를 교체할 지점을 결정하는 것은 실무자에게 미해결 문제로 남아 있습니다. 그림 11의 부지에 대한 부지 메타데이터 및 토양 특성은 보충 표 S3에서 찾을 수 있습니다.
데이터 보고
연속 in situ SWC 센서는 시간 기록 간격당 3-6개의 값을 보고합니다. 보조 측정과 함께 SWC 센서를 장기간 배치하면 저장 및 전달해야 하는 대량의 단위 값 데이터가 생성됩니다. 환경 측정은 시간이 지남에 따라 집계되고 데이터 레코드로 보고되는 개별 샘플링 간격으로 수행됩니다. 대기 측정 샘플링 주파수는 측정에 따라 다릅니다. 바람 및 태양 복사 측정(<10초)의 경우 더 크고 공기 온도 및 습도(60초)의 경우 더 큽니다.30. 이러한 샘플 값은 5분에서 1시간 사이의 보고 간격에 걸쳐 평균화되거나 누적됩니다. 유사하게, SWC는 보고 간격에서 즉각적으로 샘플링되거나 (예를 들어, 5분마다) 샘플링될 수 있고, SWC의 동역학이 상대적으로 느리기 때문에, 30분 또는 60분 평균으로 평균화될 수 있다. 더 빈번한 샘플링을 통해 평균을 구하면 온도 변동, 전기적 간섭 및 고유한 센서 변동성으로 인한 노이즈를 줄일 수 있지만, 데이터 스파이크가 앞서 설명한 대로 평균값을 편향시킬 수 있기 때문에 권장되지 않습니다. 대부분의 SWC 데이터 기록은 매시간 감지에 만족할 수 있지만 배수 속도가 더 빠른 지역(모래 토양)과 집중적인 PPT(몬순 조건)의 경우 일부 네트워크는 강우 이벤트를 완전히 캡처하기 위해 20분 간격으로 기록합니다. 마지막으로, 데이터 전송 또는 텔레메트리는 기술(예: 위성 시스템)에 의해 제한되거나 데이터 크기 및 주파수에 따라 비용 계층이 있을 수 있습니다. 보고 간격과 원격 측정 변수를 최적화하면 비용을 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 후처리에서 계산할 수 있는 파생 값(예: SWC)보다 원시 값(예: ε 또는 카운트)을 전송하는 것이 좋습니다. 데이터 확인은 원격 분석 패키지 크기에도 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 SWC를 0.1%의 분해능에서 백분율(0.0-100.0%) 또는 0.001m3m-3의 분해능에서 소수점(0.00-1.00)으로 나타내는 것이 중요합니다. m 3 m-3 단위의십진수 버전은 추후 분석 및 보고에서 수분 함량의 백분율 변화와의 혼동을 피하고 수분 함량 백분율로도 보고될 수 있는 질량 기준 수분 함량(g/g)과의 혼동을 피하기 위해 크게 선호됩니다. 토양 온도, ε 및 BEC는 일반적으로 각각 0.1°C, 0.1[-] 및 0.1dS m-1 분해능에서 보고됩니다.
데이터 기록 품질 관리
데이터 레코드 품질 관리 프로세스는 데이터를 확인하고 품질을 문서화합니다. 정확한 현장 메모와 교정 로그는 데이터 기록을 처리하는 데 필수적입니다. 레코드 처리의 일반적인 단계는 초기 평가, 명백한 오류 데이터 제거, 파생 값 계산 또는 수정 적용, 최종 데이터 평가입니다. SWC 레코드는 일반적으로 SWC를 도출하기 위해 다양한 각도로 사용되는 신호(예: ε, 카운트 또는 mV), 토양 온도 및 BEC로 구성됩니다. 센서는 또한 제조자에 의해 유도된 SWC를 출력할 수 있다. 그러나 SWC를 직접 측정하는 센서는 없습니다. 이 계산은 적절한 보정 방정식을 사용할 수 있고 메타데이터 레코드의 일부로 구성된다고 가정할 때 데이터 계산 단계의 일부일 수 있습니다. 레코드는 순간 측정값이거나 일정 기간 동안의 평균일 수 있습니다. 품질 관리를 위해 가장 적절한 형식을 계산할 수 있도록 원시 데이터를 유지하고 교정 방정식 또는 센서 이해의 개선을 원시 데이터에 적용할 수 있도록 하는 것이 바람직합니다. 센서 특성은 순간 값 또는 여러 판독값의 평균값을 기록할지 여부를 결정해야 하지만 이전에 주어진 이유로 순간 값이 선호됩니다.
보조 데이터(아래 데이터 검증 참조)를 품질 관리 워크플로에 통합하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 강수량은 첫 번째 점검입니다 - "비가 내린 후 SWC가 증가 했습니까?" PPT없이 SWC가 증가 할 수있는 상황이 있습니다 (예 : 눈 녹기, 지하수 배출, 관개). 두 번째 검사는 특정 이벤트에 대한 PPT의 총량과 토양 수분 저장량의 변화를 비교하는 것입니다 (그림 7C). 이상적으로, 이 사건은 고립된 저강도 강우 사건이어야 합니다. 강수량은 표면에서 토양에 침투하여 아래쪽으로 스며든다. SWC의 피크는 하향 유사한 패턴을 따라야 합니다(그림 7B). 그러나 우선 흐름으로 인해 침투하는 물이 얕은 센서를 우회하거나 더 깊은 센서에서 빠른 반응을 일으킬 수 있습니다. 이는 '실제' 반응일 수 있지만 설치 트렌치 또는 개별 센서 주변의 압축이 불량하면 우선적으로 물이 센서 쪽으로 유입될 수 있습니다. 습윤 전선 도착의 편향은 강우량이나 눈이 녹는 사건에 대한 비정상적인 반응을 해석할 때 주의와 상식을 가지고 사용해야 합니다. 표 3에 예시된 바와 같이, BD는 광물성 토양에서 토양 공극 공간의 상한, φ [-]를 나타낸다. 일반적으로 φ보다 큰 수분 함량은 센서가 오작동하거나 센서가 부적절하게 보정되었음을 나타냅니다. 전자의 경우 데이터가 레코드에서 말소될 수 있습니다. 후자의 경우, 재보정을 통해 재보정에 따라 수정된 값으로 레코드를 유지할 수 있습니다.
토양 온도는 품질 관리 데이터에 도움이 되는 또 다른 변수입니다. 토양 온도는 토양 기둥에서 아래쪽으로 전파되고 깊이에 따라 감쇠됩니다(그림 7A). 온도는 센서 깊이가 증가함에 따라 표면 피크에서 지연 시간이 증가함에 따라 표면 가까이에서 더 일찍 그리고 더 높아야 합니다. 순서가 잘못된 센서 지연은 잘못 식별된 깊이 또는 잘못된 SDI-12 주소를 나타낼 수 있습니다. 그림 10과 그 안에서 논의된 바와 같이, 전자기 센서는 얼음의 경우 ~3에서 물의 경우 ~80 범위의 ε 변화에 의존합니다. 물과 얼음 사이의 변화는 SWC 센서에 의해 기록됩니다. 그러나 센서의 감지 볼륨이 토양 온도 서미스터의 감지 볼륨과 다르고 임계값이 4°C까지 높을 수 있으므로 플래그 임계값을 높여야 할 수 있습니다. 동결 정도와 액체 물의 상대적인 양은 토양 수문학을 평가하는 데 중요할 수 있기 때문에 이러한 데이터는 동결의 영향을 받는 것으로 표시되어야 하며 반드시 제거되는 것은 아닙니다. 가장 기본적인 수준에서, 품질 관리는 일부 물리적 메커니즘에 대한 불규칙한 센서 응답을 합리화해야 하며, 그렇지 않으면 오류입니다. 자동화된 품질 관리 루틴은 대규모 네트워크 및 이질적인 데이터 소스(13,33,34,35)에 대한 요구 사항이지만, 장기적인 데이터 품질을 유지하기 위해 데이터를 주시하는 것을 대체할 수 있는 것은 없습니다.
데이터 검증
SWC 데이터의 가장 어려운 측면 중 하나는 "센서가 정확하고 좋은 데이터를 제공하는가"를 검증하는 것입니다. 대부분의 환경 센서는 배포 후 액세스할 수 있으며 일정 기간 후에 새 센서로 교체하거나 제조업체 또는 실험실로 반환하여 표준에 따라 재보정하거나 현장에서 수집한 샘플에 대해 데이터를 검증할 수 있습니다. 기상 조직은 센서 회전, 센서 유지 보수 및 예방 유지 보수가 데이터 검증10,30의 첫 번째 통과 역할을 할 수 있도록 하는 현장 교정을 포함하여 대기 센서에 대한 엄격한 절차를 따릅니다. SWC 센서는 현장에 매립되어 있으며 심각한 현장 교란 및 센서의 잠재적 손상 없이는 감사하거나 재보정할 수 없습니다. 또한 SWC 센서에 대해 승인된 표준이 없기 때문에 데이터 검증을 위해서는 예상되는 센서 응답에 대한 약간의 지식과 센서 자체에 대한 약간의 확신이 필요합니다. 둘 다 현장에서 따라야 하는 실무 경험과 모범 사례(예: 현장 유지 관리 및 검사)가 필요합니다. 그림 11과 같이 비정상적인 성능 문제가 만성화되면 센서가 고장날 가능성이 높으므로 교체해야 합니다.
전자기 센서에는 움직이는 부품이 없으며 전선과 회로가 견고한 경향이 있습니다. 3년 후, 텍사스 토양 관측 네트워크(Texas Soil Observation Network)는 전송선 발진기 센서(21)에 대해 2%의 고장률을 보고했다. 10년 이상의 서비스 끝에 미국 기후 대응 네트워크(U.S. Climate Response Network)는 2014년부터 2017년까지 100개당 15-18개의 프로브에서 임피던스 센서의 고장률이 현저히 증가했다고 보고했습니다36. 그림 11에서 볼 수 있듯이 대부분의 SCAN 센서는 고장이 발생하기 전에 20년 이상 된 센서였습니다. 고장이 발생하기 전에 센서를 교체하는 것이 바람직하며, 이를 통해 공기, 물 및 모래에서 센서를 재평가하여 사전 배치 값에 대한 드리프트를 확인할 수 있습니다(예: 1단계). 일상적인 교체는 SWC 센서에서 다소 비실용적이며 대규모 네트워크에서는 거의 수행되지 않으며 시간 경과에 따른 전자기 SWC 센서 변화에 대한 장기적인 평가를 알지 못합니다. USCRN 네트워크는 커패시턴스 센서를 사용하여 10년 이상 지난 후 현재 새로운 센서 기술로 마이그레이션하고 있습니다. 계획은 조정을 위해 기존 센서와 새 센서 사이에 최소 2년의 겹침을 두는 것입니다.
정기적인 유지보수 방문에는 이상적으로는 다양한 수분 조건에서 SWC 데이터 검증이 포함되어야 합니다. 이는 휴대용 센서를 사용하여 간접적으로 수행할 수 있으며, 일부 토양 샘플 또는 현장에서 수집된 체적 토양 코어에 직접 보정하는 것이 이상적입니다. 가장 좋은 방법은 등가 깊이37에서 체적 토양 샘플의 SWC와 현장 센서 판독값을 비교하는 것입니다(그림 12). 예정된 유지 관리는 직접/간접 SWC 측정과 일치 센서 판독값 간의 간단한 회귀를 비교할 수 있도록 다양한 토양 수분 조건을 다루려고 시도해야 합니다. 더 깊은 토양 샘플링은 오거 구멍이나 기계적 코어링 장치를 사용하여 수행할 수 있습니다. 표면 센서들(예를 들어, 5 및 10 cm)의 검증은 이전에 논의된 바와 같이, 더 깊은 센서들이 PPT에 대한 유사한 특성 응답을 따라야 하기 때문에 충분할 수 있다. 이 사후 SWC 평가에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 주요 단점은 체적 샘플을 센서에서 직접 채취할 수 없고(또는 그래야 함) 타인 주변의 감지 체적(3cm 이내) 내에서 SWC를 진정으로 대표하지 못할 수 있다는 것입니다. 이것은 두 번째 단점으로 이어집니다. 대표 필드 SWC 값을 얻기 위해 더 많은 샘플링 위치와 깊이가 필요할 수 있습니다. 이로 인해 사이트 주변에 많은 구멍과 방해가 발생할 수 있습니다. 세 번째 단점은 토양 프로파일을 방해하는 굴착 없이 깊이에서 체적 토양 샘플을 얻기가 어렵다는 것입니다.
그림 12: 체적 SWC 데이터. 양토, 고운 모래에서 점토에 이르는 질감에서 15, 30, 45 및 60cm 깊이의 현장 센서의 SWC와 현장 보정 데이터로 가져온 60cm3 토양 코어의 SWC 데이터. 이 수치는 Evett et al.37에서 채택되었습니다. 약어: SWC = 토양 수분 함량. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
NRCS는 오거 구멍(38)의 바닥에 있는 샘플용 연장 막대에 체적 샘플링 튜브(Madera 스타일 프로브)를 사용하여 오거 구멍에서 토양 샘플링 방법을 개발했습니다. 이러한 직접 측정은 또한 휴대용 센서(37,39,40)로부터의 간접 측정과 결합되어 현장 센서의 공간 대표성(13,41)에 대한 보정된 평가를 제공할 수 있다. 프로토콜 단계 10.10에서 설명된 바와 같이, 이 프로세스는 SWC의 직접 샘플링 또는 간접 추정치로부터 현장 센서의 임의의 최근 편차를 결정하기 위해 일부 메트릭(예를 들어, 제곱 평균 제곱근 오차, 바이어스, 상관관계)을 허용하기 위해 반복될 수 있다. 자세한 내용은 국제 원자력기구 (IAEA)IAEA 7에서도 발표합니다. 3단계와 5단계에 제시된 토양 굴착 및 특성화 데이터는 φ에 대한 데이터도 제공합니다(SWC는 이 값을 초과해서는 안 됨). 토양 질감과 수평선은 높은/낮은 전도도 및 토양 수분 보유 영역을 보여줍니다. 이러한 단계는 산림 토양 샘플링 프로토콜25와 매우 일치합니다. 원하는 대표성 스케일이 검증 데이터 세트를 수집하는 데 사용될 수 있고, 그 후, 스테이션은 검증된 풋프린트(42)로 스케일링될 수 있다. 스테이션 센서 유형이 교체되는 경우 다양한 토양 수분 조건에서 다른 검증 데이터 세트를 수집하여 설치 편향을 다시 캡처하는 것이 합리적입니다.
보조 데이터 세트는 SWC 데이터의 검증 및 평가에 도움이 될 수 있습니다. 사건의 타이밍, 기간 및 규모를 확인하기 위해 현장 PPT 게이지를 통해 수문학적 시계열이 극적으로 개선되는 것은 분명합니다. 토양 매트릭스 전위 센서는 토양수의 에너지 상태를 제공하며, 이는 식물이 사용할 수 있는 물을 정량화하는 데 중요합니다. 기온, 상대 습도, 풍속 및 일사량을 포함한 기상 센서는 상대적인 식물 수분 흡수량에 대한 유용한 지침인 기준 증발산량(ET)을 직접 계산할 수 있게 하여 토양 건조율(43)을 계산할 수 있습니다. 몇 가지 경제적인 올인원 기상 센서를 SDI-12 출력과 함께 사용할 수 있습니다. 압력 트랜스듀서의 지하수 수위 정보는 지하수면이 지표면 근처에 있고 모니터링 우물을 설치할 수 있는 경우 또 다른 중요한 측정입니다. 마지막으로, 현장 카메라는 과학적 가치와 현장 보안 가치를 모두 제공할 수 있습니다. 디지털 이미지는 식생의 성장과 녹지(44)를 기록할 수 있으며, 현장 방문 없이 스테이션의 일반적인 상태를 평가할 수 있다.
보충 표 S1: 일반적인(포함되지 않음) 현장 SWC 센서 기술. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 S2: 이 프로토콜에 제시된 모든 사이트에 대한 NRCS 온라인 데이터베이스에서 추출된 센서 이력 로그. 각 URL을 통해 데이터를 사용할 수 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 S3: 그림 11에 제시된 데이터 예에 대한 현장 데이터 및 토양 특성화. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
토양 수분 상태는 토양 수력학적 및 물리적 특성과 함께 강수량, 식생, 일사조도, 상대 습도 등 다양한 환경 요인의 결과입니다. 이들은 서로 다른 공간적, 시간적 규모로 공간과 시간에 걸쳐 상호 작용합니다. 물, 에너지 및 탄소 순환을 모델링하고 예측하려면 SWC 상태를 이해해야 합니다. 자동 측정 기술의 가장 일반적인 유형 중 하나는 방해받지 않는 토양에 현장에서 삽입되도록 되어 있는 타인이 있는 전자기 SWC 센서입니다. 이 프로토콜은 이러한 일반적인 유형의 매립형 센서를 설치하는 프로세스에 대한 지침을 제공하도록 설계되었습니다. 정확도, 성능 및 비용은 일반적으로 센서의 작동 주파수에 비례합니다. 저주파 센서는 비용이 적게 들지만 토양 및 환경 요인에 의해 더 혼란스러워집니다45. 토양 또는 현장별 교정은 저주파 센서의 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 측정 방법은 전자기장(EMF)의 기본 물리학으로 인해 센서 성능에도 영향을 미칩니다.
전자기 감지를 지배하는 두 가지 주요 전자기 물리 법칙이 있습니다. 하나는 가우스의 법칙으로, 센서의 전파된 EMF가 매질의 ε과 BEC에 어떻게 의존하는지 설명합니다. 그러나 SWC에서는 투과율이 증가하지만 BEC도 증가합니다. 따라서 가우스의 법칙에 의존하는 센서는 SWC, BEC 및 BEC에 대한 온도 영향과 염분의 간섭에 의해 영향을 받습니다. 커패시턴스 감지 방법은 가우스의 법칙을 따르므로 이러한 효과가 더 많이 발생합니다46. 또한 가우스의 법칙은 토양의 EMF 모양에 따라 변하는 기하학적 요인에 대한 커패시턴스의 의존성을 설명합니다. 연구에 따르면 EMF 모양은 토양 구조와 센서 타인 주변의 수분 함량의 소규모 공간적 변동성에 따라 변하는 것으로 나타났습니다. 수분 함량과 토양 구조의 소규모 공간적 변동성은 대부분의 토양에서 커서 기하학적 요인 변화와 그에 따른 커패시턴스 변화를 초래하며, 이는 대량 평균 토양 수분 함량 변화와 거의 관련이 없습니다. 이러한 요인은 커패시턴스 센서 정확도를 감소시키고 데이터 가변성을 증가시킵니다46,47,48. 임피던스 및 전송선 발진 방법도 가우스의 법칙에 의존하는 반면, 시간 영역 반사 측정 및 시간 영역 투과 측정 방법은 기하학적 요인을 포함하지 않고 BEC에 의존하지 않는 맥스웰 방정식에 의존합니다. 문제가 없는 센서는 없지만 시간 영역 방법은 정전 용량 기반 또는 임피던스 기반 방법보다 훨씬 더 정확하고 편향이 덜한 경향이 있습니다.
절차에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 희소 네트워크의 경우 SWC의 가장 적절한 공간 표현을 위해 적절한 사이트 선택 및 센서 위치가 필요합니다. 부지 선택은 토지 접근과 같은 외부 요인 또는 토양 수분이 보조 측정인 기타 대기 모니터링 요구 사항의 영향을 더 많이 받을 수 있습니다. 중간 규모의 기상 사이트는 미세 규모의 영향을 최소화하기 위해 넓고 개방적이며 잘 다듬어진 잔디 표면에 위치합니다. 이러한 위치는 SWC 모니터링에 적합하지 않을 수 있습니다. 해당되는 경우 무선 센서 기술은49,50,51,52,53으로 간주되어 SWC 모니터링이 기존 환경 모니터링 스테이션에서 멀리 떨어져 있고 대표적인 토양에서 발생할 수 있습니다. 활발한 농장 운영 및 관개 장비를 중심으로 작업하는 것은 어려운 일입니다. 대부분의 네트워크(예: SCAN 및 USDA-ARS)는 케이블을 절단하고 센서를 발굴할 수 있는 쟁기 또는 수확기와 같은 경작 활동을 피하기 위해 들판의 변두리에 머물러 있습니다. 모든 현장 센서 및 케이블은 충분히 매설되어야 하며 농장 내 작업으로 추론하지 않도록 표면 프로파일이 충분히 낮아야 합니다. 무선 시스템(53) 및 탈착식 시추공 센서(47)가 더 적절할 수 있다. 대규모 토양 수분 기반 관개를 이용한 지하수 보전(54)은 SWC 센서의 성장 분야이다. 이 프로토콜은 방해받지 않은 토양에서 공간적으로 대표되는 장기 SWC 데이터와 관련이 있습니다.
일부 토양은 다른 토양보다 측정하기가 더 어렵습니다. 바위가 많거나 자갈이 많거나 매우 건조한 토양에서는 손상 없이 타인을 삽입하는 것이 불가능할 수 있습니다. 한 가지 옵션은 토양 구덩이를 굴착하고 되메우는 동안 센서를 제자리에 놓고 원래 BD로 압축하는 것입니다. 암석 토양은 구조가 거의 없는 경향이 있으며 여러 번의 습윤 및 건조 주기 후에 치유될 가능성이 높습니다. 그러나 그러한 교란은 결코 현장의 토양 수문학을 진정으로 대표하지 않을 수 있습니다. 또는 오거 구멍의 바닥에 센서를 설치하는 경우 제거된 흙을 체로 쳐서 돌을 제거하고 센서 타인을 수용할 수 있을 만큼만 구멍에 다시 포장할 수 있습니다. 그런 다음 센서를 수직으로 설치할 수 있으며 오거 구멍은 체질되지 않은 나머지 토양으로 다시 채워지며 토양이 추가될 때 자주 압축됩니다.
산림 토양의 뿌리는 프로브 삽입과 유사한 문제를 제기하지만 일부 상황에서는 뿌리를 절단할 수 있습니다. 산림 토양은 종종 광물 토양 위에 유기물(O) 지평선을 가지며, 이는 매우 낮은 BD와 높은 비표면적을 가질 수 있으며, 많은 양의 결합된 물이 더 높은 SWC에서 매우 비선형적인 센서 응답을 초래합니다(55). 또한 실무자는 제로 데이텀을 O-horizon의 상단 또는 메타데이터에 있는 광물 토양 기록으로 설정합니다. 점토가 풍부한 토양과 수축/팽창 가능성이 높은 팽창성 점토는 젖었을 때 전자기 신호에 매우 전도성이 있고 건조할 때 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 토양은 원시 측정56,57에서 합리적인 SWC를 얻기 위해 추가 수정이 필요할 수 있습니다. 얕은 토양에서는 이상적인 최대 깊이에 도달하기 전에 기반암 또는 제한적인 토양 지평선(예: 칼리시 또는 하드팬)을 만날 수 있습니다. 위치를 변경하거나 단순히 더 깊은 센서를 설치하지 않아야 할 수도 있습니다. 지나치게 건조하거나 습한 토양은 어려울 수 있으며 계절적 극단을 벗어난 설치 날짜를 선택하는 것이 좋습니다. 건조한 토양은 매우 강할 수 있으며 손상 없이 센서를 삽입하는 것이 불가능할 수 있습니다. 필요한 경우 미리 구멍을 채워 구덩이 표면을 부드럽게 할 수 있지만 토양이 자연 상태로 돌아가기까지 시간이 걸릴 수 있습니다. 젖은 토양은 너무 약해서 구덩이 면을 지지할 수 없거나 트렌치에 물이 채워질 수 있습니다. 젖은 토양을 과도하게 압축하는 것도 더 쉽습니다.
센서 출력에는 SWC뿐만 아니라 유전율이 포함되어야 나중에 수정 또는 토양별 보정을 수행할 수 있습니다. 고주파 센서는 BEC가 높은 토양에 더 적합하지만 더 짧은 타인은 더 조밀한 토양에 설치하기가 더 쉬울 수 있습니다. 그러나 아마도 가장 중요한 단계는 토양 접촉입니다. 접촉 불량은 모든 전자기 센서의 신호를 저하시킵니다. 마지막으로, 굴착을 되메우는 것은 사소해 보이지만 센서 영역으로의 우선적인 흐름을 최소화하고 케이블을 보호하며 동물이 해당 영역을 방해하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 토양 또는 현장별 교정은 센서 정확도를 향상시킬 수 있지만 이 프로토콜에서 가능한 것보다 더 많은 세부 정보가 필요합니다. 다양한 SWC 레벨로 조정되거나 재포장된 밭 토양은 반응의 선형성을 확인하는데 이상적이며, 일부 센서 유형(21)에 대한 현장-특이적 교정 역할을 할 수 있다. 유전체 액체는 또한 센서 응답(58)을 체크하는 효과적인 매체가 될 수 있다. 온도 조절 수조는 토양 온도 보정을 개선하는 데 사용할 수 있습니다59. 이 프로토콜은 SWC 센서60,61에 대해 기존 방법이나 승인된 교정 방법이 없기 때문에 현장 SWC 센서 설치를 위한 표준 작동 절차를 수립하기 위한 첫 번째 단계입니다.
SWC 모니터링이 이 프로토콜의 초점이었지만 이 방법에는 한계가 있으며 SWC만으로는 토양 수분 상태에 대한 완전한 그림을 제공할 수 없습니다. 많은 생태계 과정은 또한 토양 수분 잠재력에 의해 규제되며, 이는 덜 일반적으로 현장에서 측정됩니다62. 최근 S. Luo, N. Lu, C. Zhang 및 W. Likos 63에 의해 검토 된 토양 수분 잠재력은 물의 에너지 상태입니다. 이러한 센서는 토양 특성에 덜 영향을 받을 수 있고, SWC 센서(64)에 대한 품질 관리를 제공할 수 있다. 또한, 벌크 필드 SWC는 자갈, 암석, 뿌리 및 공극 공간(예를 들어, 우선적 유동 경로)을 포함한다. 현장 SWC 센서는 일반적으로 암석과 뿌리 주위에 재배치되며, 타인 주위에 집중된 제한된 측정 볼륨은 벌크 필드 SWC의 개별적이지만 중요한 측면을 놓칠 수 있습니다.
이 프로토콜은 가뭄 모니터링, 물 공급 예측, 유역 관리, 농업 관리 및 작물 계획을 포함한 광범위한 응용 분야에 대해 보다 조화되고 균일한 SWC 데이터로 이어질 것입니다. 원격 감지 플랫폼(remote sensing platform)4의 출현은 SWC를 전 세계적으로 추정하는 능력을 크게 향상시켰지만, 이들 제품은 지상 검증을 필요로 하며, 이는 여전히 현장 네트워크(65)에 의해서만 합리적으로 수집된다. 컴퓨터 발전은 초-해상도 SWC 모델링(66)이 개발되어 고분해능 및 서브-일(sub-daily) SWC 상태를 생성할 수 있게 해주었지만, 이들 제품은 또한 불확실성을 계산하기 위한 어떤 기초를 제공하기 위해 SWC의 현장 추정을 필요로 한다. 종종 신제품이 출시될 때 묻는 첫 번째 질문은 "불확실성은 무엇입니까?"입니다. SWC 제품의 경우, 검증을 위한 1차 비교는 현장 네트워크 데이터(67)이다.
미 육군 공병대 미주리 강 유역 상류 토양 수분 프로젝트와 NOAA가 지원하는 미국 남동부 네트워크 구축을 포함하여 NCSMMN(National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network)과 관련된 최근 네트워크 확장이 있었으며, 모두 수자원 위험 예측, 모니터링 및 자원 관리 의사 결정 지원을 제공하도록 설계되었습니다. 이러한 응용 프로그램에 대한 SWC 추정치의 확실성과 정확성은 데이터 무결성에 대한 확신을 제공하기 위한 철저한 프로토콜과 절차를 통해서만 달성할 수 있습니다. NCSMMN은 토양 수분 측정, 해석 및 적용에 관한 실천 커뮤니티(데이터 제공자, 연구원 및 대중을 연결하는 "사람들의 네트워크")를 구축하여 지원, 지침 및 지원을 제공하는 것을 목표로 하는 연방 주도의 다중 기관 노력입니다68. 이 프로토콜은 NCSMMN 노력의 산물입니다. 데이터 품질 관리 워크플로가 곧 출시될 예정입니다.
Disclosures
상호, 회사 또는 제품 이름의 사용은 설명 목적으로만 사용되며 미국 정부의 보증을 의미하지 않습니다. 이 기사는 미국 정부 저작물이며 미국에서 공개 도메인에 있습니다. USDA는 기회 균등 고용주이자 제공자입니다.
Acknowledgments
저자는 NOAA-NIDIS, NCSMMN (National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network) 및 USGS NGWOS (Next Generation Water Observing Systems) 프로그램의 재정 지원을 인정합니다. 이 프로토콜에 대한 의견을 주신 B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda 및 M. Woloszyn을 포함한 NCSMMN 집행위원회 위원들에게 감사드립니다. 프로토콜 초안에 대한 초기 검토에 대해 M. Weaver(USGS)에게 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- GCOS Steering Committee. The Global Observing System for Climate: Implementation Needs. Report No. GCOS-200. World Meteorological Organization, Global Climate Observing System. , Geneva, Switzerland. 315 (2016).
- 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).
- Vereecken, H., et al. On the value of soil moisture measurements in vadose zone hydrology: A review. Water Resources Research. 44 (4), (2008).
- Babaeian, E., et al. proximal, and satellite remote sensing of soil moisture. Reviews of Geophysics. 57 (2), 530-616 (2019).
- 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).
- 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).
- IAEA. Field Estimation of Soil Water Content. Training Course Series. Report No. 30. International Atomic Energy Agency. , Vienna, Austria. (2008).
- 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).
- Johnson, A. I. Methods of Measuring Soil Moisture in the Field. Report No. 25 Water-Supply Paper 1619-U. U.S. Geological Survey. , Denver, CO. (1962).
- Fiebrich, C., et al. The American Association of State Climatologists' Recommendations and Best Practices for Mesonets. , Version 1 36 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schaefer, G. L., Paetzold, F. 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. Hubbard, K., Sivakumar, M. V. K. , Lincoln, NE. 187-194 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Patrignani, A., Ochsner, T. E., Feng, L., Dyer, D., Rossini, P. R. Calibration and validation of soil water reflectometers. Vadose Zone Journal. , 20190 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cosh, M. H., et al. Developing a strategy for the national coordinated soil moisture monitoring network. Vadose Zone Journal. 20 (4), 20139 (2021).
- Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., Benham, E. C. Field Book for Describing and Sampling Soils. Version 3.0. , National Soil Survey Center. Lincoln, NE. (2012).
- 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).
- Gee, G. W., Or, D. 2.4 Particle-size Analysis. Methods of Soil Analysis, Part 4. Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. 5, Soil Science Society of America Book Series 255-293 (2002).
- Rhoades, J. D. Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. Sparks, D. L. 5, Soil Science Society of America and American Society of Agronomy 417-435 (1996).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. Sparks, D. L. 5, Soil Science Society of America and American Society of Agronomy 961-1010 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis, Part 4: Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. 5, Soil Science Society of America 201-228 (2002).
- WMO. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. Report No. WMO-No. 8. World Meteorological Organization. , Geneva, Switzerland. 548 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Evett, S. R. Soil water and monitoring technology. Irrigation of Agricultural Crops. 30, 23-84 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Allen, R. G., et al. The ASCE Standardized Reference Evapotranspiration Equation. American Society of Civil Engineers. , (2005).
- Krueger, E. S., et al. Grassland productivity estimates informed by soil moisture measurements: Statistical and mechanistic approaches. Agronomy Journal. 113 (4), 3498-3517 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bogena, H. R., et al. Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability. Vadose Zone Journal. 9 (4), 1002-1013 (2010).
- 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).
- Li, X., et al. Internet of Things to network smart devices for ecosystem monitoring. Science Bulletin. 64 (17), 1234-1245 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bircher, S., et al. Soil moisture sensor calibration for organic soil surface layers. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems. 5 (1), 109-125 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Novick, K. A., et al. Confronting the water potential information gap. Nature Geoscience. 15 (3), 158-164 (2022).
- Luo, S., Lu, N., Zhang, C., Likos, W. Soil water potential: A historical perspective and recent breakthroughs. Vadose Zone Journal. 20203, (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gruber, A., et al. Validation practices for satellite soil moisture retrievals: What are (the) errors. Remote Sensing of Environment. 244, 111806 (2020).
- 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).
