في الموقع مستشعرات رطوبة التربة في التربة غير المضطربة

Summary

يعد تحديد محتوى المياه في التربة مطلبا مهما للعديد من الوكالات الحكومية والفيدرالية. يجمع هذا البروتوكول الجهود متعددة الوكالات لقياس محتوى المياه في التربة باستخدام أجهزة استشعار مدفونة في الموقع .

Abstract

تؤثر رطوبة التربة بشكل مباشر على الهيدرولوجيا التشغيلية والأمن الغذائي وخدمات النظم الإيكولوجية والنظام المناخي. ومع ذلك ، كان اعتماد بيانات رطوبة التربة بطيئا بسبب عدم اتساق جمع البيانات ، وضعف التوحيد القياسي ، ومدة التسجيل القصيرة عادة. يتم قياس رطوبة التربة ، أو محتوى ماء التربة الحجمي الكمي (SWC) ، باستخدام أجهزة استشعار مدفونة في الموقع تستنتج SWC من استجابة كهرومغناطيسية. يمكن أن تختلف هذه الإشارة اختلافا كبيرا مع ظروف الموقع المحلية مثل محتوى الطين وعلم المعادن ، وملوحة التربة أو التوصيل الكهربائي السائب ، ودرجة حرارة التربة ؛ يمكن أن يكون لكل منها تأثيرات متفاوتة اعتمادا على تقنية المستشعر.

علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤثر ضعف ملامسة التربة وتدهور أجهزة الاستشعار على جودة هذه القراءات بمرور الوقت. على عكس أجهزة الاستشعار البيئية التقليدية ، لا توجد معايير مقبولة أو ممارسات صيانة أو ضوابط جودة لبيانات SWC. على هذا النحو ، يعد SWC مقياسا صعبا للعديد من شبكات المراقبة البيئية لتنفيذه. هنا ، نحاول إنشاء معيار ممارسة قائم على المجتمع لأجهزة استشعار SWC في الموقع بحيث يكون للأبحاث والتطبيقات المستقبلية إرشادات متسقة بشأن اختيار الموقع وتركيب أجهزة الاستشعار وتفسير البيانات والصيانة طويلة الأجل لمحطات المراقبة.

يركز التصوير بالفيديو على إجماع متعدد الوكالات على أفضل الممارسات والتوصيات لتركيب أجهزة استشعار SWC في الموقع . تقدم هذه الورقة لمحة عامة عن هذا البروتوكول جنبا إلى جنب مع الخطوات المختلفة الأساسية لجمع بيانات SWC عالية الجودة وطويلة الأجل. سيكون هذا البروتوكول مفيدا للعلماء والمهندسين الذين يأملون في نشر محطة واحدة أو شبكة كاملة.

Introduction

تم الاعتراف مؤخرا برطوبة التربة كمتغير مناخي أساسي في نظام المراقبة العالمية^{للمناخ 1}. تلعب رطوبة التربة ، أو محتوى ماء التربة الحجمي الكمي (SWC) ، دورا رئيسيا في تقسيم تدفق الإشعاع الوارد إلى حرارة كامنة ومعقولة بين سطح الأرض والغلاف الجوي ، وتقسيم هطول الأمطار بين الجريان السطحي والتسلل². ومع ذلك ، فإن التباين الزماني المكاني لرطوبة التربة في مقاييس النقطة والحقل ومستجمعات المياه يعقد قدرتنا على قياس SWC على النطاق المناسب اللازم لتحقيق أهداف البحث أو الإدارة³. توفر الطرق الجديدة لقياس SWC ، بما في ذلك الشبكات الأرضية لأجهزة الاستشعار في الموقع ، وأجهزة الكشف القريبة ، والاستشعار عن بعد ، فرصا فريدة لرسم خريطة لتباين SWC بدقة^{غير مسبوقة 4}. في الموقع توفر مستشعرات SWC سجلات البيانات الأكثر استمرارية وعمقا ، ولكنها تخضع أيضا لأحجام استشعار صغيرة وتقلبات على المستوى المحلي متأصلة في خصائص التربة والتضاريس والغطاء النباتي⁵.

علاوة على ذلك ، هناك نقص في المعايير أو الأساليب المقبولة على نطاق واسع لتركيب أجهزة استشعار SWC في الموقع ومعايرتها والتحقق من صحتها وصيانتها ومراقبة جودتها. تعتبر رطوبة التربة بطبيعتها معلمة صعبة القياس وقد تكون أصعب متغير لضمان الجودة⁶. في حين تم إنتاج بروتوكولات عامة لجمع بيانات SWC من قبل الوكالة الدولية للطاقة^{الذرية 7} ، واللجنة المعنية بسواتل مراقبة الأرض⁸ ، وتقارير الوكالة الفيدرالية⁹ ، والرابطة الأمريكية لعلماء المناخ في الدولة¹⁰ ، هناك إرشادات محددة محدودة بشأن تركيب وصيانة ومراقبة الجودة والتحقق من بيانات SWC من دفن في الموقع المسابر. وقد جعل هذا اعتماد مثل هذه التقنيات تحديا لشبكات المراقبة التشغيلية ، مثل Mesonets الحكومية ، لإضافة قياسات SWC. وبالمثل ، من الصعب أيضا على علماء الهيدرولوجيا التشغيلية ، على سبيل المثال ، في مراكز التنبؤ بالأنهار ، دمج هذه البيانات في سير عملهم. الهدف من هذا التصوير بالفيديو والورقة المصاحبة له هو توفير مثل هذه الإرشادات وتوثيق بروتوكول تركيب متماسك لتحقيقات SWC المدفونة في الموقع .

اختيار موقع لمراقبة رطوبة التربة في الموقع
تتشكل التربة داخل أي منطقة اهتمام (AOI) من خلال ردود فعل فريدة ومقترنة بمرور الوقت بين التضاريس والبيئة والجيولوجيا والمناخ^11،12. إن تباين SWC عبر المناظر الطبيعية يجعل اختيار الموقع جانبا مهما لأي دراسة لرطوبة التربة. بالنسبة لبعض أهداف البحث ، يمكن اختيار موقع لتمثيل ميزة معينة أو موقع مصغر على المناظر الطبيعية أو النظام البيئي. لأغراض شبكات المراقبة ، يجب أن يكون الموقع ممثلا مكانيا لمكون أفقي أكبر. الهدف هو العثور على موقع يوفر أفضل تمثيل مكاني للهيئة العربية للتصنيع. في الميدان ، يجب الوصول إلى اعتبارات أكثر واقعية ، مثل متطلبات أجهزة الأرصاد الجوية الأخرى ، أو إمكانية الوصول ، أو الترخيص. ومع ذلك ، فإن وحدة خريطة التربة السائدة داخل AOI عادة ما تكون تمثيلا مكانيا جيدا للظروف البيئية لمنطقة أكبر¹³. يمكن تحديد وحدة خريطة التربة السائدة باستخدام مسح التربة على شبكة الإنترنت (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) ؛ يجب أيضا التحقق من وحدة خريطة التربة هذه باستخدام حفرة ضحلة أو فتحة اختبار.

يمكن أن تشغل محطة المراقبة النموذجية 5-50 م² ، اعتمادا على احتياجات المستشعر وعدد القياسات المساعدة. يصور الشكل 1 محطة مراقبة نموذجية ببرج يبلغ ارتفاعه 3 أمتار يحتوي على مقياس شدة الريح لسرعة الرياح واتجاهها ، ومستشعر درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية ، ومقياس البيرومتر للإشعاع الشمسي ، وحاوية مقاومة للطقس ومقاومة للماء من الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية (NEMA) (تصنيف NEMA 4). تضم حاوية NEMA منصة التحكم في البيانات (DCP) ، والمودم الخلوي ، ومنظم شحن الألواح الشمسية ، والبطارية ، والأجهزة الأخرى ذات الصلة (انظر جدول المواد ؛ مكونات النظام). يوفر البرج أيضا منصة لهوائي الاتصالات والألواح الشمسية ومانع الصواعق. عادة ما يتم تضمين مقياس هطول الأمطار السائل (PPT) ، والذي يجب وضعه بعيدا عن البرج وعلى أدنى ارتفاع ممكن لتقليل تأثيرات الرياح على التقاط PPT. يجب تثبيت مستشعرات SWC على مسافة كافية (3-4 م) ومنحدر صعودا بحيث لا يكون هناك تداخل محتمل من البرج على هطول الأمطار أو التدفق البري. يجب دفن أي كابلات ذات صلة في قناة لا تقل عن 5 سم تحت السطح.

الشكل 1: محطة مراقبة نموذجية. يجمع مسح وزارة الزراعة الأمريكية معلومات كل ساعة عن محتوى الماء في التربة ودرجة الحرارة على أعماق قياسية (5 و 10 و 20 و 50 و 100 سم) ودرجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية والإشعاع الشمسي وسرعة الرياح واتجاهها وهطول الأمطار والضغط الجوي. هناك أكثر من 200 موقع مسح ضوئي في جميع أنحاء الولايات المتحدة الأمريكية. الاختصارات: SCAN = شبكة تحليل مناخ التربة ؛ NEMA = الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عمق القياس واتجاهه وعدد المستشعرات
في الموقع عادة ما يتم تثبيت مستشعرات SWC أفقيا لتمثيل أعماق محددة في التربة (الشكل 2). تقيس الشبكات الوطنية الممولة فيدراليا مثل شبكة مناخ التربة (SCAN) ¹⁴ وشبكة القياس عن بعد للثلوج (SNOTEL) 15 والشبكة المرجعية للمناخ الأمريكية (USCRN) 16 SWC عند 5 و 10 و 20 و 50 و ¹⁰⁰ سم. تم الوصول إلى هذه الأعماق بالإجماع أثناء تطوير SCAN لعدة أسباب. يتوافق عمق 5 سم مع قدرات الاستشعار عن بعد¹⁷ ؛ أعماق 10 و 20 سم هي قياسات تاريخية لدرجة حرارة التربة¹⁸ ؛ عمق 50 و 100 سم كامل تخزين مياه التربة في منطقة الجذر.

يمكن توجيه المجسات رأسيا أو أفقيا أو مائلا / بزاوية (الشكل 3). التثبيت الأفقي هو الأكثر شيوعا لتحقيق قياس موحد لدرجة حرارة التربة على عمق منفصل. بينما قد يتم توسيط المستشعر على عمق منفصل ، فإن قياس SWC هو حجم حول الأسنان (أي الأقطاب الكهربائية) ، والتي يمكن أن تختلف باختلاف مستويات الرطوبة وتردد القياس وهندسة التثبيت (أفقي أو رأسي أو زاوية). للتركيب الأفقي ، يدمج حجم الاستشعار الرطوبة أعلى وأسفل العمق ، ويكون 95٪ من حجم الاستشعار عادة في حدود 3 سم من السنون¹⁹. تدمج التركيبات الرأسية أو الزاوية SWC على طول السنون ، لذلك يمكن أن يمثل التثبيت الرأسي التخزين على طول أعماق المستشعر^{بالكامل 20}. بعض أجهزة الاستشعار لا تقيس بالتساوي على طول أسنانها. على سبيل المثال ، تكون مذبذبات خط النقل أكثر حساسية للرطوبة بالقرب من رأس المسبار حيث يتم توليد النبضات الكهرومغناطيسية²¹. تعتبر التركيبات الرأسية أكثر ملاءمة للتحقيقات العميقة حيث تميل تدرجات درجة الحرارة والرطوبة إلى الانخفاض.

الشكل 2: تركيب مستشعرات SWC في الموقع . وضع المستشعر الأفقي على أعماق مختارة باستخدام (A ، B) رقصة مرجعية بدون عمق و (C) لوحة ذات عمق صفري أو (D) مقبض مجرفة بدون عمق كمرجع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: اتجاه المجسات رأسيا أو أفقيا أو عند ميل . (أ) الإدخال المائل والرأسي و (ب) الإدخال الأفقي والرأسي وعمق مركز الإدخال الأفقي الأفقي لمستشعر SWC ثلاثي العصارة. اختصار: SWC = محتوى ماء التربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يعد التثبيت على أعماق أقل من 50 سم أمرا بديهيا نسبيا ، بينما تستغرق المستشعرات الأعمق جهدا أكبر قليلا. عادة ما يتطلب SWC لمنطقة الجذر أو تخزين مياه التربة الجانبي قياسات تصل إلى 1 أو 2 متر. كما هو موضح في هذا البروتوكول ، يتم الانتهاء من التركيبات 0-50 سم في حفرة محفورة أو ثقب اوجير مع مجسات مثبتة أفقيا في التربة غير المضطربة ، مما يقلل من اضطراب السطح. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الأعمق (على سبيل المثال ، 100 سم) ، يقوم كل من SCAN و USCRN بتثبيت المستشعر عموديا في ثقوب منفصلة مثبتة يدويا باستخدام عمود تمديد (الشكل 4).

نظرا لعدم تجانس SWC ، لا سيما بالقرب من السطح ، وأحجام القياس الصغيرة لأجهزة الاستشعار ، تسمح القياسات الثلاثية بتمثيل إحصائي أفضل ل SWC. ومع ذلك ، فإن ملف تعريف واحد لأجهزة الاستشعار في الموقع نموذجي لمعظم الشبكات (مثل SCAN و SNOTEL). تستخدم USCRN ثلاثة ملفات تعريف متباعدة 3-4 أمتار لإجراء قياسات ثلاثية عند كل عمق¹⁶. وعلاوة على ذلك، يضيف التكرار في القياس مرونة واستمرارية إلى سجل المحطة إذا توفرت الموارد المالية.

الشكل 4: تركيب أجهزة الاستشعار . (أ) عادة ما يتم تركيب المستشعرات الضحلة أفقيا في الجدار الجانبي لحفرة التربة المحفورة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الأعمق ، (B) يتم استخدام مثقاب يدوي لحفر حفرة إلى العمق باستخدام مرجع عمق صفري (على سبيل المثال ، الخشب الذي يمتد عبر الخندق) ويتم دفع المستشعرات عموديا في قاع الثقوب باستخدام (C) قسم من الأنابيب البلاستيكية المعدلة لتأمين المستشعر والكابل أثناء التثبيت أو (D) أداة التثبيت. يشار إلى طبقات التربة على أنها تربة سطحية (أفق) وآفاق تحت التربة مع الطين المنقول (Bt) وتراكم الكربونات (Bk). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نوع مستشعر SWC في الموقع
تستنتج المستشعرات المتاحة تجاريا SWC من الاستجابة المقاسة للإشارة الكهرومغناطيسية المنتشرة على طول الأسنان في اتصال مباشر مع التربة²². تنقسم المستشعرات المدفونة إلى خمس فئات اعتمادا على نوع الإشارة الكهرومغناطيسية المنتشرة وطريقة قياس الاستجابة: السعة ، والمقاومة ، وقياس انعكاس المجال الزمني ، وقياس انتقال المجال الزمني ، وتذبذب خط النقل (الجدول التكميلي S1 ، مع روابط لمعلومات كل مصنع). تميل هذه التقنيات إلى التجمع حسب تردد التشغيل والشركة المصنعة. تدمج الأسنان الأطول حجما أكبر من التربة ؛ ومع ذلك ، قد يكون إدخالها أكثر صعوبة وتكون أكثر عرضة لفقدان الإشارة في التربة ذات الطين والتوصيل الكهربائي السائب العالي (BEC). أبلغ المصنعون عن أخطاء قياس SWC من 0.02-0.03 م3 م ^{− 3} ، بينما يجد المستخدمون عادة أن هذه أكبر بكثير²³. تعمل المعايرة المناسبة وتوحيد أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية على تحسين الأداء²² ؛ ومع ذلك ، فإن هذه المعايرة الخاصة بالتربة تتجاوز نطاق هذا البروتوكول ، الذي يركز على التثبيت.

يجب أن يأخذ اختيار المستشعر في الاعتبار الإخراج المطلوب وطريقة القياس وتردد التشغيل والتوافق مع القياسات الأخرى. قبل عام 2010 ، كانت معظم مستشعرات SWC تناظرية وتتطلب من DCP إجراء قياسات للجهد التفاضلي أو المقاومة أو عدد النبضات ، الأمر الذي يتطلب مكونات أكثر تكلفة وقنوات فردية (أو مضاعفات) لكل مستشعر. الآن ، تسمح واجهة البيانات التسلسلية عند بروتوكولات اتصال 1,200 baud (SDI-12) (http://www.sdi-12.org/) لأجهزة الاستشعار الذكية بتنفيذ خوارزميات القياس الداخلية ثم نقل البيانات الرقمية عبر كابل اتصال واحد. يمكن توصيل كل مستشعر معا بالتسلسل (أي سلسلة ديزي) باستخدام سلك مشترك متصل بواسطة صامولة ذراع أو موصلات كتلة طرفية (الشكل 5) مع كل مستشعر له عنوان SDI-12 فريد (0-9 ، a-z ، و A-Z). يشكل سلك الاتصال المشترك لأجهزة استشعار SDI-12 دائرة واحدة جنبا إلى جنب مع سلك الطاقة والأرض. مضاعف الإرسال أو أي قياسات في DCP غير مطلوبة ؛ بدلا من ذلك ، يقوم DCP ببساطة بإرسال واستقبال الأوامر الرقمية وأسطر النص. تتضمن العديد من مستشعرات SDI-12 SWC أيضا درجة حرارة التربة والسماحية النسبية (ε) وقياسات BEC. هذه القياسات مفيدة لتشخيص أجهزة الاستشعار والمعايرة الخاصة بالتربة. في هذه المرحلة ، يكون المستخدم قد اختار موقعا ، وحدد نوع المستشعر ورقمه وأعماقه ، وحصل على جميع الأجهزة والأدوات الميدانية اللازمة (جدول المواد). وبالتالي ، يمكنهم المتابعة إلى بروتوكول التثبيت.

الشكل 5: موصلات لصق الأسلاك والكتل الطرفية المستخدمة لربط أسلاك الطاقة والأرض والاتصالات المشتركة بمدخل واحد على منصة جمع البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1. إعداد التثبيت المسبق لأجهزة الاستشعار

1. تحقق من عنوان SDI-12. يتم تعيين المستشعرات على عنوان افتراضي من قبل الشركة المصنعة. قم بتوصيل كل مستشعر بشكل منفصل بمنصة التحكم في البيانات (DCP) باستخدام ؟! للاستعلام عن عنوان المستشعر.
   ملاحظة: يجب أن يكون لكل مستشعر على خط بيانات مشترك عنوان فريد (على سبيل المثال، 0-9). راجع دليل المستشعر الخاص بمعالجة SDI-12 وتغيير قيمة المستشعر، إذا لزم الأمر.
2. خذ قياسا (على سبيل المثال ، "aM!" ، حيث a هو العنوان) في الهواء والرمل الجاف والمغمور في الماء.
   ملاحظة: يجب أن تقرأ قياسات الهواء 0.00 م 3 م-3 (السماحية النسبية [ε] ~ 1) ، رمل اللعب < 0.02 م 3 م 3 (ε < 4) ، والماء ~ 1.00 م 3 م ^-3 (ε ~ 80).
3. سجل هذه القيم مع الرقم التسلسلي وعنوان SDI-12 لكل مستشعر في دفتر المختبر. باستخدام علامة ، قم بتسمية رأس المستشعر ونهاية الكبل برقم العنوان.
4. تحقق من برنامج DCP. بعض DCPs عبارة عن توصيل وتشغيل ، لكن معظمها يتطلب برنامجا لإجراء القياسات وتسجيل البيانات. قم بإعداد مستشعرات SWC وأي مستشعرات مساعدة في المختبر ، وقم بتوصيلها جميعا ب DCP والبطارية. اترك مستشعرات SWC معلقة في الهواء ، أو إدخالها في رمل اللعب الجاف ، أو غمرها في الماء ، لضمان عدم لمس السنون.
   ملاحظة: يجب أن تقرأ قياسات الهواء 0.00 م 3 م-3 (السماحية النسبية [ε] ~ 1) ، ولعب الرمل < 0.02 م 3 م 3 (ε < 4) ، والماء ~ 1.00 م 3 م ^-3 (ε ~ 80).
5. دع النظام يعمل بين عشية وضحاها أو لفترة أطول. تحقق من أن البيانات يتم تسجيلها بالمعدلات المناسبة وأن القيم (على سبيل المثال ، العدد الصحيح للأعمدة ، والأرقام المهمة) مناسبة.
6. تحقق من أي مخرجات مستشعر SWC إضافية (على سبيل المثال ، درجة الحرارة و BEC) أيضا. السماح للنظام لتشغيل لمدة 1 يوم على الأقل. تحقق من صحة جداول البيانات.
   ملاحظة: بعض DCPs هي التوصيل والتشغيل ولكن معظمها يتطلب برنامجا لإجراء القياسات وتسجيل البيانات.

2. تحديد تخطيط الحقل

1. قبل البدء في أي حفر ، اتصل بالرقم 811 (الولايات المتحدة وكندا) قبل يومين على الأقل من الحفر للتحقق من وجود أي بنية تحتية تحت الأرض (مثل الأسلاك الكهربائية وإمدادات المياه وأنابيب الغاز). يمكن أن يؤدي عدم ضمان مثل هذه التصاريح إلى عقوبات ومسؤولية كبيرة.
2. تحقق من وحدة خريطة التربة في موقع الحفرة. استخدم تطبيق USDA SoilWeb ، المتاح للهواتف الذكية التي تعمل بنظامي التشغيل iOS و Android ، للاستعلام عن الموقع. احفر حفرة اختبار باستخدام مثقاب يدوي بقطر 5-10 سم للتحقق من أن نسيج الحقل متوافق مع وصف وحدة الخريطة. تحقق من وجود أي مشاكل مثل الطبقات الصلبة (على سبيل المثال ، أحواض المحراث أو الكاليشي أو آفاق الأرجيلية) أو الطبقات ذات الشظايا الصخرية العالية ؛ في كلتا الحالتين يمكن أن تجعل إدخال المسبار صعبا ، أو حتى مستحيلا.
3. تحديد أفضل موقع لأجهزة الاستشعار. سيتم تثبيت كل مستشعر في الوجه الرأسي للتربة غير المضطربة.
   ملاحظة: في حالة وجود أي منحدر ، يجب أن يكون الوجه منحدرا لتقليل التدفق التفضيلي الذي يحدث عبر التربة المضطربة وعلى طول خنادق الكابلات.
4. استخدم ورقة صغيرة (1 م²) من الخشب الرقائقي أو قماش القنب لحماية سطح التربة ومنع العمال الميدانيين من الطحن على التربة دون عائق.
5. تحديد موقع صاري الصك. تأكد من أن المستشعرات بعيدة بشكل مناسب عن الصاري لتقليل حركة السير على الأقدام وأي تأثيرات من البرج.
   ملاحظة: تعد الكابلات المخزنة بطول 5 أمتار كافية بشكل عام لمعظم التركيبات.
   1. استخدم أقصر طول ممكن للكابل لتقليل اضطراب السطح واحتمال الكسر.
      ملاحظة: إذا كان صاري الجهاز موجودا بالفعل في موقع موجود ، فقد تكون هناك حاجة إلى سلك أطول للوصول إلى تربة تمثيلية ؛ بدلا من ذلك ، يمكن النظر في التقنيات اللاسلكية (انظر "أفكار إضافية حول اختيار الموقع").
   2. تأكد من أن المسافة الإجمالية إلى حامل العدادات هي 80٪ -90٪ من طول الكابل لحساب الكابل الإضافي اللازم للتوجيه من عمق التثبيت ، عبر القناة ، وحتى العلبة.
      ملاحظة: يمكن أن تكون إدارة الأسلاك محرجة عندما تصل العديد من مستشعرات SWC إلى نقطة مركزية.
   3. تتطلب الكابلات الرقيقة الدفن في قنوات PVC ، بينما يمكن دفن الكابلات الأكثر صلابة وسميكة مباشرة. لكليهما ، احفر خندقا بعمق >10 سم وعرض 10-15 سم.
   4. تأكد من أن العلبة بها نقطة دخول لأي مستشعرات فوق الأرض ومنفذ قناة لأجهزة الاستشعار تحت الأرض (الشكل 5). قم بتركيب العلبة على ارتفاع مريح (1 متر) للأسلاك.
   5. توصية: قم بفك جهاز استشعار. ضع رأس المستشعر على وجه الحفرة وضعه على طرف الكابل عند حامل العدادات. تحقق من صحة طول الكابل واضبطه حسب الحاجة.

3. حفر حفرة التربة

ملاحظة: يمكن حفر حفرة التربة يدويا أو ميكانيكيا. الهدف هو تقليل الاضطراب العام للموقع.

1. بالنسبة للحفرة المحفورة يدويا ، ضع قماش مشمع أكبر آخر (2 م²) بجوار منطقة الحفر. استخدم الأشياء بأسمائها الحقيقية الضيقة (على سبيل المثال ، القناص النار) لحفر حفرة مستطيلة على عمق ~ 55 سم. تأكد من أن وجه الحفرة ، المحمي حاليا بالخشب الرقائقي أو قماش القنب (الخطوة 2.4) ، عمودي (أو مقطوع قليلا) بحيث يكون لكل مستشعر تربة غير مضطربة فوقه. تأكد أيضا من أن الحفرة بعرض 20-40 سم و ~ 25٪ أطول من إجمالي طول المستشعر. ابدأ في إزالة التربة بزيادات 10 سم ووضع كل مصعد على الطرف البعيد من قماش القنب ، مع الاقتراب مع كل زيادة ؛ تفتيت أي كتل وإزالة الصخور الكبيرة.
   ملاحظة: تأكد من أن منطقة الحفر صغيرة قدر الإمكان وتسمح بمساحة كافية لإدخال أعمق مسبار أفقي.
2. بالنسبة لمثقاب فتحة العمود الهيدروليكي ، استخدم قطرا عريضا (>30 سم) ومثقاب بطول 1 متر مثبت على مقطورة.
   ملاحظة: يمكن أن تكون مثاقب السياج لشخصين أو شخص واحد خطيرة.
   1. قم بإعداد البريمة ~ 5 سم للخلف من وجه الحفرة المقصود.
   2. حفر لأسفل حتى >50 سم ، ورفع اوجير من حين لآخر لطرد التربة.
   3. استخدم الأشياء بأسمائها الحقيقية الضيقة لإنشاء وجه حفرة مسطح وعمودي.
   4. استخدم مجرفة أو مجرفة يدوية لنقل التربة من الحفرة إلى قماش القنب.
      ملاحظة: سيتم خلط التربة المحفورة جيدا ؛ لا توجد طريقة لتجنب هذا.
3. اصنع خندقا محفورا ميكانيكيا باستخدام المعدات الثقيلة.
   ملاحظة: ما لم يكن التثبيت الأفقي أقل من 100 سم ضروريا ، لا يتم تشجيع معدات الحفر الكبيرة. قد يكون التعامل مع كومة الغنائم (أي التربة المحفورة) أمرا صعبا ، كما أن مسارات ومثبتات المحراث الخلفي تسبب اضطرابا كبيرا.
   1. استخدم حفارا خلفيا خفيف الوزن مع دلو ضيق ، من الناحية المثالية أقل من 50 سم ، لحفر خندق ضيق مماثل بعمق 100 أو 200 سم.
      ملاحظة: تجنب تحريك المحراث الخلفي لتقليل تأثير السطح.
   2. ابدأ في إزالة التربة بزيادات قدرها 10 سم ووضع كل مصعد على الطرف البعيد من قماش القنب ، واقترب مع كل زيادة. تأكد من أن منطقة الحفر صغيرة قدر الإمكان وعلى عمق ~ 55 سم ، مما يتيح مساحة كافية لإدخال أعمق مسبار أفقي.
4. بالنسبة لخندق كابل المستشعر ، احفر خندقا من الجزء الخلفي من حفرة التربة إلى برج الأجهزة. استخدم مجرفة حفر الخنادق بمساعدة حصيرة أو بولاسكي في الأقسام الصلبة. حفر خندق مستقيم وضيق (~ 10 سم) بعمق >10 سم ، ووضع التربة على جانب واحد من الخندق.

4. تجميع / تركيب حامل الأدوات والعلبة

ملاحظة: يحتوي حامل العدادات على ثلاثة خيارات: عمود بسيط أو حامل ثلاثي القوائم أو برج. بالنسبة لمحطة رطوبة التربة الأساسية المزودة بمقياس PPT ، يكفي وجود عمود فولاذي مجلفن أو حامل أدوات من الفولاذ المقاوم للصدأ (طوله 120 سم) مع أرجل. لقياسات الأرصاد الجوية الأساسية ، هناك حاجة إلى صاري أطول لتثبيت أجهزة استشعار على ارتفاع 2 متر. معظم mesonets تفضل أبراج بطول 10 أمتار. ومع ذلك ، فإن هذه الأبراج خارج نطاق هذا البروتوكول.

1. استخدم عمودا فولاذيا مجلفنا.
   ملاحظة: قطر 4 سم ، أنبوب مياه فولاذي مجلفن ، ~ 3 أمتار هو الطريقة الأكثر اقتصادا.
   1. اوجير اليد ثقب صغير على عمق لا يقل عن 60 سم. ضع القطب في الحفرة. تأكد من أن ارتفاع العمود فوق سطح الأرض بدرجة كافية لاستيعاب العلبة والألواح الشمسية وأي هوائيات مطلوبة.
      ملاحظة: يوصى بارتفاع <2 متر.
   2. امزج الخرسانة سريعة الضبط أو رغوة السياج ، وفقا للتعليمات.
      ملاحظة: لا يسمح بالخرسانة في بعض الأراضي الفيدرالية ، وقد يعترض بعض ملاك الأراضي الخاصة. بدائل الرغوة لتركيبات السياج هي بديل جيد ولا تتطلب ماء.
   3. صب أي من المادتين حول العمود وتأكد من أنه مستو باستخدام مستوى طوربيد. دع الخرسانة تعالج لعدة ساعات (من الناحية المثالية طوال الليل) وقم بتأمين العمود بالأقواس لضمان بقائه مستويا. على الرغم من أن الرغوة تعالج في 30 دقيقة ، تأكد من تثبيت الأنبوب في مكانه لمدة 2 دقيقة على الأقل ، مع ضمان بقائه عموديا.
2. حامل العدادات أو حامل ثلاثي القوائم (انظر تعليمات الشركة المصنعة)
   1. قم بفك أو فك كل من أرجل الوقوف الثلاثة.
   2. قم بتدوير أو تمديد كل ساق وموضع على نهاية الخندق المحفور.
   3. أدخل صاري الصك في الساقين وشد.
   4. اضبط طول كل ساق للتأكد من أن الصاري عمودي.
   5. حصة كل ساق في التربة والتحقق من الصاري مرة أخرى مع مستوى طوربيد.
3. باستخدام مسامير U ، قم بتركيب العلبة على حامل الأدوات عند 1-1.5 متر. شد البراغي يدويا لتأمينها ؛ سيحدث ارتفاعه النهائي وتشديده لاحقا.
   ملاحظة: يوصى بالتركيب على الجانب الشمالي من العمود لتجنب الاصطدام برأس المرء على الألواح الشمسية لاحقا.

5. توصيف التربة وجمع العينات

ملاحظة: يعد توصيف التربة بصريا أمرا بالغ الأهمية لتفسير ديناميكيات رطوبة التربة بعد التثبيت. يمكن أن يساعد جمع العينات في التفسير بالبيانات الكمية. جمع العينات حتى لو كان التمويل غير متوفر أو كانت المرافق الداخلية غير قادرة على معالجتها. جففها بالهواء وأرشفها ، في حالة الحاجة إلى توصيف التربة في المستقبل.

1. للحصول على وصف أساسي للتربة ، لاحظ عمق أي تغييرات واضحة في لون التربة أو نسيجها (الآفاق).
   ملاحظة: يقدم المركز الوطني لمسح التربة نظرة عامة ممتازة على أوصاف وتفسيرات ملامح التربة²⁴. إذا لم يكن الموقع مثاليا ، فقد حان الوقت للتحرك.
2. لتوصيف التربة الأساسي ، اجمع عينات التربة التمثيلية في كيس تجميد سعة 1 لتر (1 لتر) عند كل عمق مستشعر ، باتباع إجراء Lawrence et ^al.25.
   1. عند العودة إلى المكتب أو المختبر ، ضع جميع أكياس 1 لتر على المنضدة ، وافتحها واتركها تجف في الهواء لمدة 48 ساعة على الأقل.
      ملاحظة: يزيل التجفيف بالهواء معظم رطوبة التربة مع الحفاظ على الخصائص العضوية والكيميائية للتحليلات المستقبلية.
   2. تقديم العينات إما إلى مختبر إرشادي جامعي (على سبيل المثال ، https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) أو مختبر تجاري (على سبيل المثال ، http://www.al-labs-west.com/) لمزيد من التحليلات. بدلا من ذلك ، قم بتشغيل العينة داخليا بواسطة فنيين مدربين ، باستخدام الطرق المقبولة الموضحة أدناه.
   3. إجراء التحليل المختبري الأساسي ، بما في ذلك معلمات التربة الفيزيائية مثل توزيع حجم الجسيمات²⁶ ، وجزء الصخور (RF ؛ نسبة الوزن أكبر من 2 مم) ، وجزء التربة (SF ؛ النسبة المئوية أقل من 2 مم) ، والملمس (نسب الرمل والطمي والطين). تحقق من المعلمات الكيميائية الأساسية ، بما في ذلك التوصيل الكهربائي للمعجون المشبع (dS ^m-1)²⁷ والمواد العضوية²⁸.
   4. موصى به: قم بإجراء أخذ عينات من لب التربة الحجمي على أعماق 5 و 10 و 20 و 50 سم باستخدام جهاز حفر لجمع عينة حجمية غير مضطربة. تحديد الكثافة الظاهرية للتربة (BD ؛ g ^cm-3) من إجمالي وزن التربة الجافة والحجم الأساسي²⁹. مسامية التربة (φ; [-]) هو الحد العلوي المادي ل SWC. بالنسبة للتربة المعدنية ، قدر φ على أنه 1 - BD / PD ، حيث تبلغ كثافة الجسيمات (PD) للتربة المعدنية التي يغلب عليها الكوارتز 2.65 جم ^{سم -3}.
      ملاحظة: يتم جمع عينات BD إما في قلب بحجم معروف أو باستخدام دواسة التربة²⁹.

6. الإدخال الأفقي للمجسات 5 و 10 و 20 و 50 سم

ملاحظة: الهدف هو ضمان ملامسة التربة الكاملة حول أسنان المستشعر ، وتجنب أي فجوات هوائية.

1. قم بقص أي روابط مضغوطة بعناية وافتح كل مستشعر ، وقم بإزالة أي ملف في الكابلات. ضع رأس المستشعر بالقرب من حفرة التربة والكابل في الخندق.
2. يتم تعريف عمق التثبيت على أنه مركز المستشعر عند تثبيته أفقيا ، بغض النظر عما إذا كان وجه المستشعر مستديرا أو مستطيلا. قم بتثبيت المستشعر على العمق الدقيق تحت سطح الأرض وأفقيا في التربة قدر الإمكان. استخدم مرجع عمق صفري وجهاز قياس (شريط قياس أو مسطرة) للحصول على عمق مستشعر دقيق (الشكل 2) وفاصل للحفاظ على تباعد السنون أثناء الإدخال (الشكل 2C).
3. أولا ، أدخل مستشعر 50 سم. ادفع المستشعر أفقيا في التربة ، محاولا عدم تذبذب المستشعر لأن ذلك يمكن أن يخلق فجوات. نظرا لأن المسبار الذي يبلغ طوله 50 سم غالبا ما يكون الأكثر صعوبة ، استخدم قضيب التأريض لتوفير المزيد من النفوذ لدفع هذا المستشعر للداخل ، مع الحرص على عدم كسر رأس الإيبوكسي أو فصل السنون. كرر عملية الإدخال ، واعمل لأعلى إلى أعماق المستشعر 20 و 10 و 5 سم. ترنح (الشكل 2D) أو مكدس (الشكل 2B) أجهزة الاستشعار.
   ملاحظة: يمنع توقيت القياس في بروتوكولات SDI-12 عموما أجهزة الاستشعار من القراءة في وقت واحد وتوليد تداخل بين أجهزة الاستشعار المجاورة (على سبيل المثال ، أعماق 5 و 10 سم).
4. قم بتوجيه كل كابل مستشعر إلى نفس الجانب من وجه الحفرة ، مما يسمح لهم بالتعليق في قاع حفرة الحفر. التقط صورة للفتحة المحفورة وأجهزة الاستشعار باستخدام شريط قياس للمقياس (الشكل 6 أ). استخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحديد خطوط الطول والعرض على بعد أمتار قليلة من الحفرة. في حالة التنقيب في مواقع متعددة في يوم واحد ، استخدم لافتة ذات معرف فريد للتمييز بين الحفر.

الشكل 6: أمثلة على صور فوتوغرافية للبيانات الوصفية . (أ) حفرة التربة المزودة بأجهزة مع شريط قياس للمقياس ، (ب) حفر خندق الكابل مرة أخرى إلى سارية الجهاز ، وصور الموقع النهائية التي تواجه (ج) شمالا و (د) جنوبا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

7. الإدراج الرأسي لمسبار 100 سم

1. بالنسبة لتركيبات المستشعر على أعماق تزيد عن 50 سم ، قم بعمل ثقب منفصل لكل مستشعر في خندق الكابل أو بالقرب منه (الشكل 4 أ).
2. باستخدام مثقاب يدوي (قطر 5-10 سم) ، احفر إلى عمق (عمق) التثبيت المناسب. يتم تعريف العمق على أنه مركز القياس (على سبيل المثال ، 50 سم) ناقص نصف طول السنون بالنسبة إلى مرجع العمق الصفري (الشكل 4 ب).
3. رتب التربة المحفورة على قماش القنب بالترتيب الذي تمت إزالته به.
4. قم بتثبيت المستشعر عموديا عن طريق دفعه إلى قاع الحفرة باستخدام أداة التثبيت (الشكل 4C ، 4D). أعد تعبئة ثقب البريمة بالتربة المحفورة من الأعمق إلى الضحلة. استبدل التربة في مصاعد صغيرة ، وقم بتعبئتها بشكل كاف لمنع سد التربة في الحفرة وخلق فراغات.
   ملاحظة: قد تكون أدوات التعبئة عبارة عن قطعة مغطاة من PVC أو مسامير خشبية. تجنب تلف رأس المستشعر أو الكابل.

8. استكمال تركيب المستشعر والأسلاك إلى DCP

1. إذا تم دفن كبلات المستشعر مباشرة ، فتأكد من أن الأطراف الموجودة فوق سطح الأرض التي تصل إلى العلبة موجودة في قناة PVC باستخدام موصل حاجز لدخول العلبة (الشكل 5).
   ملاحظة: في حالة استخدام مقياس مطر منفصل (الخطوة 9.1) ، تأكد من تضمين هذا الكبل عند التوجيه إلى العلبة.
2. في حالة استخدام القناة ، ضعها في خندق الكابل واقطعها إلى الطول المطلوب. قم بتغذية الكابل من خلال القناة - قد يتطلب ذلك خيط سحب أو شريط سمك لسحب الكابلات من خلاله. استخدم قناة مرنة أو كوع مسح بزاوية 90 درجة بالإضافة إلى طول القناة الرأسية لتوجيه الكابلات من منفذ القناة إلى أسفل العلبة.
3. ضع الكبل أو الكابل / القناة في الجزء السفلي من خندق الكابل. اسحب أطراف الكابل من خلال منفذ العلبة السفلي وقم بتثبيتها برباط مضغوط. إذا كان هناك كابل زائد في العلبة ، فاسحبه للخلف عبر القناة والملف الموجود في الجزء السفلي من خندق الحفر.
4. التقط صورة لحفرة التثبيت والخندق مع الكابلات المؤدية إلى العلبة (الشكل 6 ب).
5. بالنسبة لأسلاك مستشعر رطوبة التربة ، استخدم طاقة مشتركة (5-12 فولت) وسلكا أرضيا لكل مستشعر SDI-12. استخدم موصلات الرافعة أو موصلات لصق أو كتل طرفية (الشكل 5) لجعل هذه الاتصالات أسهل وأكثر أمانا. في حالة استخدام أكثر من نوع واحد من أجهزة الاستشعار، استخدم منفذ اتصالات مختلفا على DCP، إذا كان متاحا.
   ملاحظة: يمكن لمستشعر SDI-12 الخاطئ مقاطعة المستشعرات الأخرى في سلسلة.

9. أجهزة الاستشعار الإضافية وإعداد الأجهزة

1. مقياس هطول الأمطار (PPT)
   ملاحظة: لتحسين الصيد ، يجب تثبيت عدادات المطر على صاري عمودي منفصل بالقرب من مستوى الأرض قدر الإمكان. يمكن أن يؤدي تثبيت المقياس أعلى على حامل الذراع المتقاطع إلى تقليل الصيد بسبب سرعات الرياح الأكبر.
   1. تحديد الموقع. قم بتثبيت مقياس المطر على أدنى مستوى ممكن فوق الغطاء الأرضي (~ 1 م) وعلى مسافة ضعف ارتفاع أي عائق قريب³⁰. الموقع المثالي قريب من خندق الكابل.
      ملاحظة: سيتم دفن كابل قياس المطر بجانب كبلات المستشعر قبل الدخول إلى الجزء السفلي من العلبة.
   2. تثبيت الصاري العمودي. باستخدام مثقاب يدوي ، احفر حفرة على عمق ~ 50 سم. ضع قسما من الأنابيب الفولاذية المجلفنة بطول كاف في الأسمنت أو الرغوة (انظر الخطوة 4.1).
   3. بعد المعالجة ، قم بتثبيت المقياس باستخدام مشابك خرطوم أو قاعدة تثبيت مسطحة ، وفقا لتعليمات المستشعر. تأكد من أن المقياس مستوي تماما.
      ملاحظة: تحتوي معظم العدادات على مستوى فقاعة مدمج.
   4. قم بتشغيل الكابلات بين مقياس المطر والعلبة في القناة تحت الأرض باستخدام كابلات رطوبة التربة.
   5. للحصول على مقياس قلب ، قم بتوصيل السلكين بقناة عد النبضات على DCP.
      ملاحظة: يمكن أن تدخل الأسلاك في أي من الجانبين.
   6. تأكد من إزالة الجزء العلوي وتحقق من أن آلية الانقلاب تتحرك بحرية. غالبا ما يتم تأمين الجرافات أثناء الشحن باستخدام الأربطة المطاطية.
      ملاحظة: تتطلب مقاييس المطر تنظيفا ومعايرة روتينيين. في حالة تركيب مقياس المطر مباشرة على حامل العدادات أو الذراع المتقاطعة ، اتبع الخطوة 9.2.
2. أجهزة استشعار أخرى
   1. قم بتثبيت القياسات الإضافية وأي هوائي على الصاري الرأسي أو حوامل الذراع المتقاطعة على الارتفاع المناسب فوق سطح الأرض^10,30.
   2. يؤدي الطريق إلى مدخل العلبة فوق الأرض ، وآمن عند الحاجة باستخدام روابط الكابلات. قم بالتوصيل بقنوات القياس المناسبة على DCP.
3. قضيب التأريض
   1. قم بتركيب قضيب تأريض نحاسي بطول >1 متر على بعد 0.5 متر من صاري الجهاز. استخدم برنامج تشغيل عمود السياج لإدخال القضيب في الأرض ، تاركا ~ 20 سم مكشوفا.
   2. قم بتأمين الأسلاك النحاسية الثقيلة (8-10) بالقضيب باستخدام مشبك أرضي. قم بتأمين الطرف الآخر من العلبة أو الحامل ثلاثي القوائم.
      ملاحظة: قد لا يكون التأريض مستحسنا في جميع المواقف.
4. قم بتوصيل البطارية.
   ملاحظة: تحتاج معظم DCPs إلى 5-24 فولت (V) ، على الرغم من أن 12 فولت هو الأكثر شيوعا و 7 أو 12 أمبير ساعة (AH) كافية لتشغيل معظم محطات رطوبة التربة. يتم استخدام حزمة بطارية 12V 12AH ومنظم الجهد هنا.
   1. تأكد من أن منظم الشحن في وضع إيقاف التشغيل . باستخدام عداد متعدد مضبوط على التيار المستمر للجهد الحالي المباشر ، تحقق من أن الجهد على البطارية كاف (>10 فولت لبطارية 12 فولت) وحدد أطراف + و - ، إذا لم يتم تمييزها.
   2. حرك الموصل الطرفي للسلك الأسود (-) فوق طرف الأشياء بأسمائها الحقيقية على العمود الأرضي (-) للبطارية ، والسلك الأحمر فوق عمود البطارية +. قم بتوصيل الطرف الآخر من الأسلاك الحمراء / السوداء بمنفذ BAT على منظم الجهد.
5. الألواح الشمسية
   ملاحظة: عادة ما تكون اللوحة 10 أو 20 واط كافية. هناك حاجة إلى زيادة القوة الكهربائية في خطوط العرض العليا ، أو المناطق الأكثر ظلالا ، أو على الأنظمة ذات السحب العالي للطاقة (مثل أجهزة المودم الخلوية والكاميرات). يجب أن تكون موجهة لوحة لتلقي أقصى قدر من الإشعاع الشمسي الحادث على مدار 1 سنة.
   1. لف الشريط الكهربائي بشكل منفصل حول كل سلك على اللوحة الشمسية.
      ملاحظة: ستحمل هذه الأسلاك التيار إذا تعرضت اللوحة لأشعة الشمس.
   2. باستخدام مسامير U ، قم بتركيب الألواح الشمسية فوق العلبة وعلى جانب حامل العدادات المواجه لخط الاستواء (على سبيل المثال ، الجنوب في الولايات المتحدة الأمريكية). استخدم الزاوية المناسبة لخط عرض الموقع ، عادة من 25 درجة إلى 35 درجة في الولايات المتحدة الأمريكية.
   3. قم بتوجيه الكابل إلى نقطة دخول العلبة فوق الأرض. قم بإزالة الشريط من أسلاك اللوحة. باستخدام مجموعة متعددة الأمتار على A للتيار ، تحقق من أن خرج اللوحة الشمسية هو >0.1 أمبير.
   4. باستخدام مجموعة متعددة العدادات على التيار المستمر للجهد الحالي المباشر ، تحقق من أن خرج الألواح الشمسية هو >10 فولت وحدد الخيوط + (عادة ما تكون حمراء) و - (عادة ما تكون سوداء) ، إذا لم يتم تمييزها. قم بتوصيل الرصاص من الألواح الشمسية إلى منفذ G (الأرضي) ، ثم الرصاص + من منفذ SOLAR على منظم الشحن.
      ملاحظة: قم بتغطية الألواح الشمسية بقماش القنب أو شيء معتم لتقليل الشرر.
   5. تأكد من أن CHG أو مصباح الشحن مضاء الآن.
6. اتصالات البيانات عن بعد
   ملاحظة: يوفر القياس عن بعد للبيانات الخلوية القدرة على إرسال البيانات وإرسالها من DCP. يمكن لتطبيقات الهواتف الذكية ، مثل OpenSignal ، قياس قوة الإشارة والتوجه إلى أقرب برج خلوي. يفضل استخدام هوائيات متعددة الاتجاهات ومتعددة النطاقات. ومع ذلك ، يمكن للهوائي الاتجاهي (Yagi) تحسين الإشارة في المناطق النائية.
   1. قم بتوصيل الهوائي بالجزء العلوي من صاري الجهاز باستخدام مسامير U المرفقة.
   2. قم بتوصيل الكبل المحوري بالهوائي وقم بتوجيه الطرف الآخر إلى العلبة من خلال قناة المستشعر الموجودة فوق الأرض. قم بتأمين الكابل برباط مضغوط.
   3. قم بتوصيل الطرف الآخر بالمودم الخلوي في العلبة.
7. تشغيل النظام
   ملاحظة: في هذه المرحلة ، الافتراض هو أن برنامج DCP مكتوب ، وأن جميع أجهزة الاستشعار سلكية بطريقة مناسبة. يتم توصيل الألواح الشمسية والبطارية القابلة لإعادة الشحن بمنظم جهد بسلك طاقة أحمر / أسود متصل بمنافذ طاقة DCP.
   1. قم بتبديل مفتاح التبديل على منظم الجهد إلى تشغيل. قم بتشغيل برنامج DCP وقم بتوصيل جهاز كمبيوتر محمول ب DCP. تأكد من أن جميع أجهزة الاستشعار تقوم بالإبلاغ عن القيم وليس رقم (NaN) أو قيمة خطأ.
   2. تحقق من كل مستشعر للتربة بحثا عن قيم SWC و BEC و T. تأكد من أن قيم SWC هي >0.05 م 3 / م 3 و <0.60 م 3 /^{م 3}. تحقق من أي مستشعر خارج النطاق ؛ أعد إدخال أو استبدل أي مستشعر مشكوك فيه. صب بعض الماء من خلال مقياس المطر وتحقق من أن DCP يسجل العد.
      ملاحظة: يمكن أن تشير قيم BEC المنخفضة (<0.001) إلى ضعف ملامسة المستشعر (أو التربة الجافة جدا). عند التثبيت في المواسم الأكثر دفئا ، يكون T بشكل عام أكثر دفئا في الأعلى وأروع في الأسفل.
   3. تحقق من قوة الاتصال الخلوي. اتبع وثائق الشركة المصنعة لتحديد قوة الإشارة.
      ملاحظة: يجب أن تكون قوة الإشارة > -100 ديسيبل ميلي واط لضمان جودة إشارة لائقة. يمكن تدوير هوائيات الاتجاه لتحسين الإشارة. توجد العديد من خيارات الاتصال الأخرى خارج الهاتف الخلوي (مثل الأقمار الصناعية).

الانتهاء من 10.Site

1. بمجرد التأكد من أن كل شيء تحت الأرض يعمل ، وأن الكابلات أو الكابلات الموجودة في القناة كلها في الخندق ويتم توجيهها إلى العلبة ، املأ وختم فتحات مداخل العلبة فوق وتحت الأرض بمعجون كهربائي للحماية من الرطوبة وإبعاد الحشرات عن العلبة.
2. حدد المحيط الخارجي لمواقع أجهزة الاستشعار على السطح بحصص دائمة مع وضع علامات ساطعة.
3. ردم المنطقة المحفورة باستخدام التربة الموجودة على قماش القنب وبالترتيب العكسي للإزالة (الخطوة 3.1) (الأعمق إلى الضحل). ابدأ بتعبئة التربة يدويا على وجه الخندق وحول رأس المستشعر على ارتفاع 50 سم ، مع الحرص على تجنب إزعاج المستشعر. ادعم رأس المستشعر أثناء تعبئة التربة حوله حتى لا تتحرك أسنان المستشعر.
4. تأكد من أن جميع كابلات الاستشعار المتبقية لا تزال موضوعة بالقرب من قاع الخندق ؛ ثم قم بتغطيتها بعناية بتربة أعمق من قماش القنب. قم بضغط التربة في قاع الحفرة لتأمين الكابلات ، مع الحرص على عدم سحبها لأسفل بأي قوة. استخدم قوة كافية أثناء الضغط لضمان كثافة سائبة مماثلة للمادة التي تمت إزالتها.
   ملاحظة: يمكن بسهولة ضغط التربة الأكثر رطوبة أثناء التثبيت بشكل مفرط ، بينما قد تظل التربة الأكثر جفافا فضفاضة بغض النظر عن القوة.
5. ردم الحفرة في مصاعد 10 سم ، وتنعيم وضغط السطح حتى يتم الوصول إلى مستشعر 20 سم. مرة أخرى ، قم بتعبئة التربة بعناية أسفل المستشعر وحوله ، قبل العودة إلى ردم 10 سم أخرى من التربة.
6. أخيرا ، قم بتعبئة التربة يدويا حول مستشعر 10 سم ، ثم مستشعر 5 سم ، مع التأكد من بقاء كلاهما أفقيا وفي مكانه. املأ ما تبقى من حفرة التربة بالتربة العلوية من قماش القنب.
   ملاحظة: يجب أن تعود كل التربة التي تمت إزالتها إلى الحفرة. تشير التربة المتبقية إلى أن التربة لم تكن معبأة بالكثافة الظاهرية الأصلية.
7. باستخدام مجرفة حفر الخنادق ، ادفع التربة المحفورة بجانب الخندق فوق القناة. تأكد من دفن كل شيء بالكامل وأقل من 5 سم.
8. استخدم أشعل النار من الفولاذ لتسوية التربة المعاد تعبئتها في الحفرة وتدفق الخندق مع السطح الأصلي. التربة المدمجة في خندق القناة بما يكفي لتقليل أي تدفق تفضيلي إلى موقع التثبيت.
9. اختياري: رش بعض التراب الدياتومي حول أي فتحة تحت السطح وعلى السطح لتثبيط النمل والرخويات والحشرات الأخرى.
10. موصى به: استخدم مستشعر SWC محمول لأخذ قراءات التربة السطحية حول المستشعرات في الموقع للمساعدة في التحقق من البيانات بمرور الوقت وأي احتياجات تحجيم. خذ قراءات في الاتجاهات الأساسية (الشمال والجنوب والشرق والغرب) على مسافات ثابتة (على سبيل المثال ، 5 و 10 و 25 و 50 مترا).

11. تسجيل البيانات الوصفية للمحطة ، البيانات الكامنة وراء البيانات²³

ملاحظة: توثيق البيانات الوصفية عند التثبيت وكل زيارة للموقع (انظر الجدول 1). يدعم الإبلاغ المتسق عن البيانات الوصفية مجتمع الممارسة المتنامي وهو أمر بالغ الأهمية لضمان سلامة البيانات والشبكات.

1. قم بتوثيق تفاصيل التثبيت ، بما في ذلك معرف الموقع الفريد وتاريخ التثبيت والأرقام التسلسلية للمستشعر وعناوين SDI-12 المقابلة واتجاهات الإدراج (أفقيا أو رأسيا) والأعماق.
2. صف ملف تعريف التربة والتقط الصور المرتبطة بها. سجل معرفات العينات لأي عينات تربة تم جمعها.
3. بالنسبة لموقع الموقع ، سجل خطوط الطول والعرض والارتفاع والمنحدر والجانب واستخدام الأرض والغطاء الأرضي.
4. قم بتدوين مالك الأرض ومعلومات الاتصال ، بالإضافة إلى إمكانية الوصول إلى الموقع ، بما في ذلك رموز البوابة أو القفل.
5. باستخدام تطبيق Compass على هاتف ذكي (أو بوصلة فعلية) وشريط قياس ، قم بقياس الزاوية والمسافة إلى حفرة المستشعر (وأي ثقوب في مثقاب المستشعر) من نقطتين مرجعيتين (على سبيل المثال ، قضيب التأريض أو ساق حامل ثلاثي القوائم).
   ملاحظة: سيساعد هذا في تثليث مراكزهم لاحقا.
6. التقط صورا للمحطة المكتملة والاتجاهات شمالا (الشكل 6C) وجنوبا (الشكل 6D) وشرقا وغربا من سارية الجهاز. حدد موقع تركيب المستشعر مع وضع علامات أو عناصر مميزة أخرى.

الجدول 1: البيانات الوصفية للمحطة لجمع بيانات رطوبة التربة. الاختصارات: ديسمبر = متناقص. GPS = نظام تحديد المواقع العالمي ؛ 3DEP = برنامج الارتفاع ثلاثي الأبعاد ؛ O &M = التشغيل والصيانة ؛ SSURGO = قاعدة البيانات الجغرافية لمسح التربة ؛ Mukey = مفتاح وحدة الخريطة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

12. التشغيل والصيانة

ملاحظة: يجب إضافة سجل صيانة مفصل إلى سجل البيانات الوصفية ، بما في ذلك استبدال المستشعر أو صحة الغطاء النباتي أو التغييرات أو أي اضطراب في الموقع.

1. إجراء عمليات تفتيش روتينية للموقع سنويا كحد أدنى (الجدول 2). سجل أي عمليات معايرة أو استبدال للمستشعر.
2. ضمان الإدارة المنتظمة للنباتات ، خاصة بالنسبة للمحطات الدائمة حتى لا يصبح الموقع متضخما أو شاذا في المنطقة المحيطة.
3. تكييف إدارة الحيوانات مع الحياة البرية المحلية ، وربما بما في ذلك المبارزة.
4. في حالة فشل المستشعر ، قم بزيارة موقع الطوارئ وقم بتثبيت بديل (الجدول 2).

الجدول 2: مثال على جدول الصيانة. اختصار: DCP = منصة التحكم في البيانات. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

Representative Results

بدأت شبكة SCAN كمشروع تجريبي ل NRCS في عام 1991. إنها أطول شبكة لجمع بيانات SWC عاملة¹⁵ وأساس النتائج التمثيلية في هذا البروتوكول. بدأت جميع مواقع SCAN في الأصل بمستشعر السعة التناظرية. يراقب موقع التثبيت الميداني (SCAN 2049) في بيلتسفيل بولاية ماريلاند ، المستخدم في مكون الفيديو لهذا البروتوكول ، (الشكل 7 أ) درجة حرارة الهواء والتربة كل ساعة و (الشكل 7 ب) SWC كل ساعة على عمق 5 و 10 و 20 و 50 و 100 سم. يظهر PPT اليومي ، وتخزين مياه التربة (SWS) إلى 20 سم ، وتغيره بمرور الوقت (dSWS) في الشكل 7C. لكل حدث PPT ، كانت هناك زيادة حادة في SWC بالقرب من السطح (5 و 10 سم) وزيادة أكثر تخفيفا وتأخرا في أعماق أكبر حيث انتشرت جبهة الترطيب إلى أسفل تحت الجاذبية. خلال الأحداث التي وقعت في أوائل فبراير وأبريل من عام 2022 ، وصل أعمق مستشعر عند 100 سم إلى هضبة 0.33 م 3 / م³ ، والتي استمرت لعدة أيام. مثل هذه الظروف تشير إلى مدة تشبع قصيرة. كانت الكثافة الظاهرية الجافة لأفق التربة من بيانات التوصيف (الجدول 3) 1.73 جم / سم³ ، مع مسامية تقديرية (φ) تبلغ 0.35 [-] ، مما يوفر دليلا إضافيا على أن مساحة المسام كانت مملوءة بالكامل بالماء. بالنظر إلى الرمال الطينية الرملية / الطميية لملف التربة ، فإن الظروف المشبعة نتجت على الأرجح عن سوء الصرف أو منسوب المياه الضحلة التي تمنع الصرف. لاحظ أن درجة حرارة الهواء في هذا الموقع تنخفض إلى ما دون درجة التجمد في معظم الأمسيات حتى أبريل. ومع ذلك ، ظلت درجات حرارة التربة أعلى من 2 درجة مئوية ولم يكن هناك ما يشير إلى وجود مياه مجمدة في بيانات SWC على أي عمق.

الشكل 7: مثال على النتائج من المحطة الميدانية (SCAN 2049) الموجودة في بيلتسفيل بولاية ماريلاند. أ: درجة حرارة الهواء والتربة كل ساعة، ب: SWC كل ساعة، ج: هطول الأمطار يوميا، تخزين مياه التربة حتى 20 سم، وفرقه بمرور الوقت. الاختصارات: SWC = محتوى ماء التربة ؛ PPT = هطول الأمطار. SWS = تخزين مياه التربة ؛ dSWS = الاختلافات في SWS بمرور الوقت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 3: بيانات الموقع وتوصيف التربة لأمثلة البيانات المقدمة في النتائج التمثيلية. تم استرجاع جميع البيانات المقدمة في الأشكال والجداول من قاعدة بيانات NRCS على الإنترنت على عنوان URL المدون لكل موقع. لم تكن بيانات توصيف التربة متاحة لجبل الطاولة (# 808). الاختصارات: NRCS = خدمة الحفاظ على الموارد الطبيعية. URL = محدد موقع الموارد الموحد ؛ ج = طين ؛ FSL = الطميية الرملية الناعمة. ls = رمل طميي ؛ ق = الرمل ؛ SC = الطين الرملي ؛ SCL = الطميية الطينية الرملية ؛ سي = الطمي ؛ sil = الطميية الغرينية ؛ SL = الطميية الرملية ؛ الثانية = لا توجد بيانات ؛ BD = الكثافة الظاهرية 33 كيلو باسكال. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

يظهر مثال أكثر تطرفا للتشبع في الشكل 8 لموقع المسح الضوئي (2110) بالقرب من يازو ، ميسيسيبي. تحتوي التربة على محتويات طينية عالية جدا (أعلى من 60٪) ، وكثافة سائبة منخفضة تتراوح من 1.06 إلى 1.23 جم / سم 3 ، وتتراوح φ من 0.54 إلى 0.60 [-] (الجدول 3). أدى حدث PPT الأول ~ 40 مم في 13 أبريل 2020 إلى تشبع التربة إلى SWC من >0.60 م³ / م³ في جميع الأعماق لمدة 12 يوما متتاليا - قيم قريبة جدا من φ المقاسة. لم يكن للحدث الثاني البالغ 70 مم / يوم في 20 أبريل 2020 أي تأثير على dSWS ، مما يشير إلى الجريان السطحي للتشبع الزائد. كانت فترة تشبع مماثلة ملحوظة في نوفمبر 2020. في حين لم يكن هناك قياس عند 100 سم ، ظل SWC عند 50 سم ثابتا عند 0.39 م 3 / م 3 ، باستثناء أواخر الصيف حيث انخفض بشكل متواضع إلى 0.36 م 3 /^{م 3}. تشير ملاحظات الموقع (الجدول التكميلي S2) إلى أنه تم استخدام المعايرة الخاصة بالمستشعر "الطميوي"³¹ ، كما هو الحال بالنسبة لأجهزة استشعار السعة المستخدمة في معظم مواقع SCAN و USCRN. يوضح كلا المثالين أهمية توصيف التربة وبيانات BD ، التي تم جمعها أثناء توصيف الموقع (الخطوة 5) ، بشأن تفسير بيانات SWC.

الشكل 8: مثال على النتائج من موقع رطب ومعتدل (SCAN 2110) يقع بالقرب من Yazoo ، ميسيسيبي . (أ) درجة حرارة الهواء والتربة كل ساعة، (ب) SWC كل ساعة، (ج) هطول الأمطار يوميا والتغير في تخزين مياه التربة. الاختصارات: SWC = محتوى ماء التربة ؛ PPT = هطول الأمطار. SWS = تخزين مياه التربة ؛ dSWS = الاختلافات في SWS بمرور الوقت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يقدم الشكل 9 سلسلة زمنية أكثر وضوحا ل SWC في الموقع على خمسة أعماق مع خمسة أحداث ترطيب تؤدي إلى الانتشار المتسلسل لجبهة الترطيب لأسفل في ملف التربة. يقع موقع المسح الضوئي هذا (2189) بالقرب من سان لويس أوبيسبو ، كاليفورنيا ، في مناخ البحر الأبيض المتوسط مع ربيع رطب وصيف طويل وجاف على تربة طينية رملية يتراوح φ من 0.37 إلى 0.51 [-] (الجدول 3). كانت الاستجابة لترطيب سطح التربة سريعة وانخفضت في الحجم مع العمق. كان حدث PPT الكبير الأخير على مدار 5 أيام كافيا لإظهار الاستجابة على أعماق 50 و 100 سم. مع زيادة العمق ، انخفضت الدورة النهارية لسعة درجة حرارة التربة ، وتأخر وقت درجات الحرارة القصوى والدنيا أكثر عن درجة حرارة الهواء والأعماق الضحلة (الشكل 9 أ). في حين أن هذه الخصائص يمكن أن تكون مفيدة للتمييز بين أعماق أجهزة الاستشعار ، كما تمت مناقشته في القسم التالي ، كان هناك أيضا تأثير ملحوظ على تقلب SWC على أعماق 5 و 10 سم. كانت سعة SWC ~ 0.02 م 3 / م 3 عند 5 سم ، ~ 0.01 م 3 / م ³ عند 10 سم ، وأكثر إهمالا في أجهزة الاستشعار الأعمق. كما أنه كان في مرحلة مع درجات حرارة التربة ، ومن المرجح أن تكون الضوضاء ناتجة في المستشعر عن تقلبات درجات الحرارة ومن غير المرجح أن تكون نتيجة لأي حركة فيزيائية لرطوبة التربة أو هطول الأمطار الفعلي. يحتوي هذا الموقع الأكثر جفافا (2189) على تغيرات نهارية أكبر بكثير في درجة حرارة التربة من موقع التثبيت الميداني الأكثر ميسيك (2049) ، والذي لا يظهر أي ضوضاء في درجة الحرارة في بيانات SWC (الشكل 7B).

الشكل 9: نتائج مثال من موقع شبه قاحل في البحر الأبيض المتوسط (SCAN 2189) يقع بالقرب من سان لويس أوبيسبو ، كاليفورنيا. (أ) درجة حرارة الهواء والتربة كل ساعة، (ب) SWC كل ساعة، ج: هطول الأمطار يوميا والتغير في تخزين مياه التربة. الاختصارات: SWC = محتوى ماء التربة ؛ PPT = هطول الأمطار. SWS = تخزين مياه التربة ؛ dSWS = الاختلافات في SWS بمرور الوقت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يقدم الشكل 10 أحد تفسيرات بيانات SWC الأكثر تحديا الموجودة مع التربة المتجمدة والغطاء الثلجي. يقع هذا الموقع (808) بالقرب من بوسمان ، MT ، على ارتفاع 4474 قدما فوق مستوى سطح البحر. تجاوزت درجات حرارة الهواء اليومية أحيانا درجات الحرارة المتجمدة خلال فصل الشتاء (ديسمبر ويناير وفبراير) من عام 2020. ظلت درجات حرارة التربة أعلى بقليل من 0 درجة مئوية حتى مارس. وجود الثلج على السطح من شأنه أن يعزل التربة عن التغيرات في درجة حرارة الهواء. علاوة على ذلك ، في التربة الرطبة ، فإن إطلاق الحرارة الكامنة واستهلاك الطاقة ، مصحوبا بعمليات انتقال الطور المتعلقة بدورات التجميد والذوبان ، يؤدي إلى تخزين درجات حرارة التربة ، مما يجعلها قريبة جدا من 0 درجة مئوية حتى تكتمل هذه التغييرات المرحلية. يظهر ε الصغير للجليد في التربة المتجمدة على شكل انخفاضات كبيرة في SWC تليها زيادات أثناء الذوبان دون أي إشارة إلى PPT. كان هذا أكثر وضوحا في منتصف ديسمبر ومنتصف مارس ، عندما انخفضت درجات حرارة الهواء بسرعة وانخفض SWC عند 5 و 10 سم لمدة 3 أيام ثم انتعش. وصلت درجة حرارة التربة عند 100 سم إلى نقطة التجمد في منتصف نوفمبر وكانت عند درجة حرارة منخفضة في الخريف السابق ، طوال فصل الشتاء ، ولم تتغير خلال ذوبان الجليد في الربيع ، مما يشير إلى أنها ربما كانت معطلة. ومع ذلك ، فإن الانخفاضات السريعة والانتعاش في أجهزة الاستشعار الأخرى قد تكون أو لا تكون تغييرات حقيقية في مياه التربة السائلة ؛ يمكن أن يكون تفسير مثل هذه البيانات أمرا صعبا للغاية دون قياسات إضافية لوجود الثلج أو عمقه. في كثير من الأحيان ، تخضع بيانات SWC عند درجة التجمد أو أقل من الرقابة في مراقبة الجودة. يتم تقديم مزيد من المناقشة حول درجات حرارة التربة القريبة من درجة التجمد في قسم مراقبة جودة سجل البيانات.

الشكل 10: مثال على النتائج من موقع جبال الألب شبه القاحل (SCAN 808) يقع بالقرب من ثري فوركس ، مونتانا . (أ) درجة حرارة الهواء والتربة كل ساعة، (ب) SWC كل ساعة، (ج) هطول الأمطار يوميا والتغير في تخزين مياه التربة. الاختصارات: SWC = محتوى ماء التربة ؛ PPT = هطول الأمطار. SWS = تخزين مياه التربة ؛ dSWS = الاختلافات في SWS بمرور الوقت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم سحب أمثلة أخرى وبيانات توصيف من قاعدة بيانات SCAN (انظر الجدول 3 لتحديد موقع الموارد الموحد ، [URL]). يحتاج الإبلاغ عن هذه البيانات ومراقبة جودتها إلى بعض التفسير لتحديد ما إذا كانت هناك آلية مادية لشرح أي سلوك غير منتظم. يفتقر تفسيرنا إلى أي معرفة بالموقع المحلي ، وعلى الرغم من سنوات من تقييم السلاسل الزمنية ل SWC ، لا يزال من الصعب تقييم مستشعر أو تثبيت جيد من جهاز استشعار فاشل أو سيئ.

يعرض الشكل 11 أمثلة شائعة لسجلات بيانات المشكلات ، تم اختيارها عشوائيا من 40 محطة SCAN بين عامي 2020 و 2021. تشمل الأخطاء الأكثر شيوعا الارتفاعات (الشكل 11 أ) وتغيرات الخطوة إما لأعلى (الشكل 11 ب) أو لأسفل (الشكل 11 ج) ، كما أشارت إليها الشبكة الدولية لرطوبة التربة³². لكل من هذه ، لا يوجد حدث PPT متزامن لشرح مثل هذه التغييرات ، ويمكن اعتبارها خاطئة. تتفاقم مشكلة الارتفاعات أو الانخفاضات الفورية عند النظر فقط إلى الوسائل اليومية ، والتي يمكن أن تخفي مثل هذه الأحداث. من الأفضل إزالتها قبل إجراء أي حساب متوسط. قد تكون بداية ونهاية تغيير الخطوة واضحة ، ولكن من الصعب ملء أي بيانات بينهما. نحن لا نقترب من ملء البيانات في هذا البروتوكول ، بل نضع علامة على البيانات الخاطئة فقط. السلوك غير المنتظم (الشكل 11 د) يقدم نفسه على أنه تذبذب جامح دون أي استجابة لأحداث PPT. في بعض الحالات ، قد تختفي المسامير بعد فحص الأسلاك واستبدال مضاعف الإرسال ، كما هو موضح في الشكل 11 أ بعد أغسطس 2020. في كثير من الأحيان ، يكون السلوك غير المنتظم مقدمة لفشل جهاز استشعار ، كما هو موضح في الشكل 11E. أعطى المستشعر على عمق 10 سم تحذيرا معقولا من السلوك غير المنتظم في يناير والفشل في أواخر مارس. ومع ذلك ، فشل المستشعر على عمق 5 سم دون سابق إنذار في 1 مارس 2021.

الشكل 11: أمثلة على سجلات المشاكل. (أ) المسح الضوئي 2084 ، Uapb-Marianna ، أركنساس ، يظهر انخفاضات دورية عند 5 سم ، (B) SCAN 2015 ، Adams Ranch # 1 ، نيو مكسيكو ، مع تغيير إيجابي في الخطوة على عمق 50 سم ، (C) SCAN 808 ، جبل الطاولة ، مونتانا ، مع تغيير خطوة هبوطية ، ومسامير ، وحتى التعافي على عمق 50 سم ، (D ) SCAN 2006 ، Bushland # 1 ، تكساس ، لا يظهر أي استجابة لأحداث هطول الأمطار عند مستشعر 5 أو 10 سم ، مع بعض الاسترداد لمستشعر 10 سم متبوعا بالفشل البارز لكليهما ، و (E) SCAN 2027 ، ليتل ريفر ، جورجيا ، مع مستشعر خلل عند 20 سم وفشل كارثي في كل من عمق 5 و 20 سم. يشار إلى أعماق المستشعر على أنها 5 سم (أسود) و 10 سم (أزرق) و 20 سم (برتقالي) و 50 سم (رمادي غامق) و 100 سم (أصفر). الاختصارات: SWC = محتوى ماء التربة ؛ PPT = هطول الأمطار. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في SCAN 2084 ، بدأ الموقع في تسجيل البيانات في 2/6/2004 وكان لديه العديد من الملاحظات عن السلوك غير المنتظم المتعلق بمضاعف الإرسال SDI-12 ، والتي تم استبدالها عدة مرات (الجدول التكميلي S2). ومع ذلك ، فإن المستشعرات أصلية ، وبعد 18 عاما ، تظل تعمل. في SCAN 2015 ، بدأ جمع البيانات في 10/25/1993 واعتبر مستشعر 50 سم في الشكل 11B مشتبها به في عام 2017 (الجدول التكميلي S2). أقدم موقع ، SCAN 808 ، بدأ الإبلاغ في 9/30/1986 وتم تحويله إلى محطة SCAN في 10/25/2006 ؛ لم يتم استبدال أي أجهزة استشعار حتى الآن. الحالات الشاذة ، كما هو موضح في الشكل 11E ، لا تؤدي دائما إلى الفشل ، لأن الشكل 10 يحتوي على بيانات معقولة. بدأت SCAN 2006 الإبلاغ في 10/1/1993 ؛ تم استبدال المستشعرات الأصلية 5 و 10 سم في الشكل 11D في 1/24/2022. بدأ SCAN 2027 الإبلاغ في 5/19/1999 ؛ تم استبدال المستشعرات الأصلية 5 و 10 سم في الشكل 11E في 8/13/2021. كما لوحظ ، بدأت مواقع المسح الضوئي بجهاز استشعار السعة التناظرية. استمرت العديد من أجهزة الاستشعار هذه لأكثر من 20 عاما ، وعلى الرغم من أنها لا تنتج بالضرورة بيانات عالية الجودة طوال الوقت ، إلا أنها ظلت تعمل. يظل تحديد النقطة التي يجب عندها استبدال جهاز الاستشعار سؤالا مفتوحا للممارسين. يمكن العثور على البيانات الوصفية للموقع وخصائص التربة للمواقع في الشكل 11 في الجدول التكميلي S3.

الإبلاغ عن البيانات
تبلغ مستشعرات SWC المستمرة في الموقع عن ثلاث إلى ست قيم لكل فاصل زمني لتسجيل الوقت. إلى جانب أي قياسات إضافية ، يولد النشر طويل الأجل لأجهزة استشعار SWC كميات كبيرة من بيانات قيمة الوحدة التي يجب تخزينها وتسليمها. يتم إجراء القياسات البيئية على فترات منفصلة لأخذ العينات يتم تجميعها بمرور الوقت والإبلاغ عنها كسجل للبيانات. يختلف تردد أخذ عينات قياس الغلاف الجوي حسب القياس. إنه أكبر بالنسبة لقياسات إشعاع الرياح والطاقة الشمسية (<10 ثوان) وأكبر بالنسبة لدرجة حرارة الهواء والرطوبة (60 ثانية) ³⁰. يتم حساب متوسط قيم العينات هذه أو تجميعها خلال فترة إعداد التقارير التي يمكن أن تتراوح من 5 دقائق إلى 1 ساعة. وبالمثل ، يمكن أخذ عينات من SWC على الفور في فترة الإبلاغ أو أخذ عينات (على سبيل المثال ، كل 5 دقائق) ومتوسطها في متوسطات 30 دقيقة أو 60 دقيقة ، نظرا لأن ديناميكيات SWC أبطأ نسبيا بالمقارنة. على الرغم من أن المتوسط من أخذ العينات بشكل متكرر يمكن أن يقلل من الضوضاء الناتجة عن تقلبات درجات الحرارة والتداخل الكهربائي وتقلب أجهزة الاستشعار المتأصلة ، إلا أنه غير مستحسن ، لأن طفرات البيانات يمكن أن تؤدي إلى تحيز القيمة المتوسطة كما تمت مناقشته سابقا. يمكن أن تكون معظم سجلات بيانات SWC راضية عن الاستشعار في كل ساعة ، ولكن بالنسبة للمناطق ذات ظروف الصرف ذات السرعة العالية (التربة الرملية) و PPT المكثف (الظروف الموسمية) ، تسجل بعض الشبكات على فاصل زمني مدته 20 دقيقة لالتقاط أحداث هطول الأمطار بالكامل. وأخيرا، يمكن أن يكون نقل البيانات أو القياس عن بعد محدودا بالتكنولوجيا (مثل الأنظمة الساتلية) أو أن يكون له مستويات تكلفة تستند إلى حجم البيانات وترددها. يمكن أن يساعد تحسين فترات إعداد التقارير والمتغيرات التي يتم قياسها عن بعد في التحكم في التكاليف. على سبيل المثال ، يفضل إرسال القيم الأولية (على سبيل المثال ، ε أو العدد) على القيم المشتقة (على سبيل المثال ، SWC) التي يمكن حسابها في مرحلة ما بعد المعالجة. يمكن أن تؤثر دقة البيانات أيضا على حجم حزمة القياس عن بعد ؛ ومع ذلك ، من المهم تمثيل SWC إما كنسبة مئوية (0.0-100.0٪) بدقة 0.1٪ أو كرقم عشري (0.00-1.00) بدقة 0.001 م 3 م ^-3. يفضل إلى حد كبير استخدام النسخة العشرية في m 3 ^m-3 لتجنب الخلط مع التغيرات في النسبة المئوية لمحتوى الماء في التحليلات والتقارير اللاحقة ، ولتجنب الخلط مع محتويات الماء على أساس الكتلة (g / g) التي يمكن الإبلاغ عنها أيضا كنسبة مئوية من محتوى الماء. عادة ما يتم الإبلاغ عن درجة حرارة التربة و ε و BEC عند 0.1 درجة مئوية و 0.1 [-] و 0.1 ديسيبل م ^-1 على التوالي.

مراقبة جودة سجل البيانات
تتحقق عملية مراقبة جودة سجل البيانات من البيانات وتوثق جودتها. تعد الملاحظات الميدانية الدقيقة وسجلات المعايرة ضرورية في معالجة سجل البيانات. الخطوات النموذجية في معالجة السجل هي التقييم الأولي ، وإزالة البيانات الخاطئة الواضحة ، وتطبيق أي حسابات أو تصحيحات ذات قيمة مشتقة ، وتقييم البيانات النهائي. تتكون سجلات SWC عموما من إشارة (على سبيل المثال ، ε أو العد أو mV) ، ودرجة حرارة التربة ، و BEC التي تستخدم بدرجات متفاوتة لاشتقاق SWC. قد تقوم المستشعرات أيضا بإخراج SWC مشتق من الشركة المصنعة. ومع ذلك ، لا يوجد مستشعر يقيس SWC مباشرة ؛ يمكن أن يكون هذا الحساب جزءا من خطوة حساب البيانات ، على افتراض توفر معادلة معايرة مناسبة وجعلها جزءا من سجل البيانات الوصفية. قد يكون السجل قياسا فوريا أو متوسطا خلال فترة ما. من المستحسن الحفاظ على البيانات الخام بحيث يمكن حساب أنسب الأشكال لمراقبة الجودة ويمكن تطبيق التحسينات في معادلات المعايرة أو فهم المستشعر على البيانات الأولية. يجب أن تحدد خصائص المستشعر ما إذا كان يتم تسجيل القيم اللحظية أو القيم المتوسطة للقراءات المتعددة ، على الرغم من تفضيل القيم اللحظية للأسباب المذكورة سابقا.

هناك عدة طرق لدمج البيانات الإضافية (انظر التحقق من البيانات أدناه) في سير عمل مراقبة الجودة. هطول الأمطار هو الفحص الأول - "هل زاد SWC بعد حدث المطر؟" هناك حالات يمكن أن تزيد فيها SWC بدون PPT (على سبيل المثال ، ذوبان الثلوج ، تصريف المياه الجوفية ، الري). الفحص الثاني هو مقارنة التغير في تخزين مياه التربة مقابل الكمية الإجمالية ل PPT لحدث معين (الشكل 7C). من الناحية المثالية ، يجب أن يكون هذا الحدث حدثا معزولا منخفض الكثافة لهطول الأمطار. يتسلل هطول الأمطار إلى التربة من السطح ويتسرب إلى أسفل. يجب أن تتبع الذروة في SWC نمطا هبوطيا مشابها (الشكل 7B). ومع ذلك ، يمكن أن يتسبب التدفق التفضيلي في تسرب المياه لتجاوز جهاز استشعار ضحل أو يسبب استجابة سريعة في أجهزة استشعار أعمق. في حين أن هذه قد تكون استجابات "حقيقية" ، إلا أن الضغط الضعيف لخندق التثبيت أو حول مستشعر فردي يمكن أن يوجه المياه بشكل تفضيلي نحو المستشعر. يجب استخدام التحيز في ترطيب الوصول الأمامي بحذر وحس سليم عند تفسير الاستجابات غير العادية لأحداث هطول الأمطار أو ذوبان الثلوج. كما هو موضح في الجدول 3 ، تملي BD الحد الأعلى لمساحة مسام التربة ، φ [-] ، في التربة المعدنية. تشير محتويات الماء التي يزيد حجمها بشكل روتيني عن φ إما إلى خلل في المستشعر أو معايرة غير مناسبة للمستشعر. في الحالة الأولى ، قد يتم محو البيانات من السجل. في الحالة الأخيرة ، قد تسمح إعادة المعايرة بالاحتفاظ بالسجل ، مع تعديل القيم وفقا لإعادة المعايرة.

درجة حرارة التربة هي متغير آخر يساعد على بيانات مراقبة الجودة. تنتشر درجة حرارة التربة لأسفل في عمود التربة وتخفف مع العمق (الشكل 7 أ). يجب أن تصل درجة الحرارة إلى ذروتها في وقت مبكر وأعلى بالقرب من السطح مع زيادة وقت التأخير من ذروة السطح مع زيادة عمق المستشعر. قد يكون أي تأخر في المستشعر خارج الترتيب مؤشرا على عمق تم تحديده بشكل خاطئ أو عنوان SDI-12 غير صحيح. كما هو موضح في الشكل 10 ومناقشته فيه ، تعتمد المستشعرات الكهرومغناطيسية على التغيرات في ε ، والتي تتراوح من ~ 3 للجليد إلى ~ 80 للمياه. يتم تسجيل التغييرات بين الماء والجليد بواسطة مستشعرات SWC. ومع ذلك ، قد يكون من الضروري رفع عتبة العلم ، حيث يختلف حجم الاستشعار للمستشعر عن حجم الاستشعار لثرمستور درجة حرارة التربة ، ويمكن أن تصل العتبة إلى 4 درجات مئوية. نظرا لأن درجة التجمد والكمية النسبية للمياه السائلة يمكن أن تكون مهمة لتقييم هيدرولوجيا التربة ، يجب وضع علامة على هذه البيانات على أنها تتأثر بالتجمد وليس بالضرورة إزالتها. على المستوى الأساسي ، يجب أن تبرر مراقبة الجودة أي استجابة غير منتظمة لأجهزة الاستشعار لبعض الآليات الفيزيائية وإلا فهي خطأ. على الرغم من أن إجراءات مراقبة الجودة الآلية هي مطلب للشبكات الكبيرة ومصادر البيانات المتباينة^13،33،³⁴،^{35 ،} لا يوجد بديل عن العيون على البيانات للحفاظ على جودة البيانات على المدى الطويل.

التحقق من البيانات
أحد أكثر جوانب بيانات SWC تحديا هو التحقق - "هل يوفر المستشعر بيانات جيدة ودقيقة؟" يمكن الوصول إلى معظم أجهزة الاستشعار البيئية بعد النشر ويمكن استبدالها بجهاز استشعار جديد بعد فترة معينة ، وإعادتها إلى الشركة المصنعة أو المختبر لإعادة معايرتها وفقا للمعايير ، و / أو التحقق من البيانات مقابل عينة تم جمعها من الميدان. تتبع منظمات الأرصاد الجوية إجراءات صارمة لأجهزة الاستشعار الجوية ، بما في ذلك دوران أجهزة الاستشعار ، وصيانة أجهزة الاستشعار ، والمعايرة الميدانية التي تسمح للصيانة الوقائية لتكون بمثابة المرور الأول للتحقق من البيانات^10,30. يتم دفن مستشعرات SWC في الموقع ولا يمكن تدقيقها أو إعادة معايرتها دون حدوث اضطراب كبير في الموقع وتلف محتمل للمستشعر. علاوة على ذلك ، لا توجد معايير مقبولة لأجهزة استشعار SWC ، وعلى هذا النحو ، يتطلب التحقق من البيانات بعض المعرفة باستجابة المستشعر المتوقعة وبعض الثقة في المستشعر نفسه. وكلاهما يتطلب خبرة عملية وأفضل الممارسات المتبعة في الميدان (أي صيانة الموقع وعمليات التفتيش). إذا أصبحت مشكلات الأداء غير العادية ، كما هو موضح في الشكل 11 ، مزمنة ، فهناك احتمال كبير لفشل المستشعر ، ويجب استبداله.

لا تحتوي المستشعرات الكهرومغناطيسية على أجزاء متحركة ، ويميل السلك والدوائر إلى أن تكون قوية. بعد 3 سنوات ، أبلغت شبكة مراقبة التربة في تكساس عن معدل فشل بنسبة 2٪ لأجهزة استشعار مذبذب خط النقل²¹. بعد أكثر من 10 سنوات من الخدمة ، أبلغت شبكة الاستجابة للمناخ الأمريكية عن زيادة ملحوظة في معدل فشل أجهزة استشعار المعاوقة عند 15-18 مجسا لكل 100 من 2014 إلى 2017³⁶. كما هو موضح في الشكل 11 ، كان عمر معظم مستشعرات المسح أكثر من 20 عاما قبل الفشل. يفضل استبدال المستشعر قبل الفشل بحيث يمكن إعادة تقييم المستشعر في الهواء والماء والرمل للتحقق من الانجراف مقابل قيم ما قبل النشر ، إذا تم تسجيلها (على سبيل المثال ، الخطوة 1) ، من بين أسباب أخرى. الاستبدال الروتيني غير عملي إلى حد ما مع مستشعرات SWC ونادرا ما يتم إجراؤه في الشبكات الكبيرة ، ونحن لسنا على علم بأي تقييمات طويلة الأجل لتغيير مستشعر SWC الكهرومغناطيسي بمرور الوقت. تنتقل شبكة USCRN حاليا إلى تقنية استشعار جديدة بعد أكثر من 10 سنوات باستخدام مستشعرات السعة. الخطة هي أن يكون الحد الأدنى من التداخل 2 سنوات بين أجهزة الاستشعار القديمة والجديدة لإجراء أي تعديلات.

يجب أن تشمل زيارات الصيانة المنتظمة التحقق من بيانات SWC ، من الناحية المثالية عبر مجموعة من ظروف الرطوبة. يمكن تحقيق ذلك بشكل غير مباشر باستخدام مستشعر محمول ، تمت معايرته بشكل مثالي لبعض عينات التربة أو مباشرة إلى نوى التربة الحجمية التي تم جمعها في الموقع. أفضل نهج هو مقارنة قراءات أجهزة الاستشعار في الموقع مع SWC من عينات التربة الحجمية على أعماق مكافئة³⁷ (الشكل 12). يجب أن تحاول الصيانة المجدولة تغطية مجموعة من ظروف رطوبة التربة بحيث يمكن مقارنة الانحدار البسيط بين قياسات SWC المباشرة / غير المباشرة وقراءات أجهزة الاستشعار المتزامنة. يمكن أخذ عينات أعمق من التربة في ثقوب البريمة أو باستخدام أجهزة الحفر الميكانيكية. قد يكون التحقق من أجهزة الاستشعار السطحية (على سبيل المثال ، 5 و 10 سم) كافيا لأن أجهزة الاستشعار الأعمق يجب أن تتبع استجابة مميزة مماثلة ل PPT ، كما تمت مناقشته سابقا. هناك العديد من القيود على هذا التقييم اللاحق ل SWC. العيب الأساسي هو أن العينات الحجمية لا يمكن (ولا ينبغي) أن تؤخذ مباشرة على أجهزة الاستشعار وقد لا تكون ممثلة حقا ل SWC ضمن حجم الاستشعار حول السنون (في حدود 3 سم). هذا يؤدي إلى العيب الثاني. قد تكون هناك حاجة إلى العديد من مواقع أخذ العينات والأعماق للحصول على قيمة SWC لحقل تمثيلي. يمكن أن يؤدي هذا أيضا إلى الكثير من الثقوب والإزعاج حول الموقع. العيب الثالث هو صعوبة الحصول على عينات التربة الحجمية في العمق دون حفر يعطل ملف التربة.

الشكل 12: بيانات SWC الحجمية. بيانات SWC من 60 سم³ نوى التربة مأخوذة كبيانات معايرة ميدانية مقارنة ب SWC من أجهزة استشعار في الموقع على أعماق 15 و 30 و 45 و 60 سم ، في قوام يتراوح من الطمي والرمل الناعم إلى الطين. تم تكييف هذا الرقم من Evett et ^al.37. اختصار: SWC = محتوى ماء التربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

طور NRCS طريقة لأخذ عينات التربة في ثقوب البريمة باستخدام أنبوب أخذ العينات الحجمي (مسبار على غرار ماديرا) على قضيب تمديد للعينات الموجودة في قاع ثقب البريمة³⁸. يمكن أيضا دمج هذه القياسات المباشرة مع قياسات غير مباشرة من أجهزة الاستشعار المحمولة³⁷،^39،40 لتوفير تقييم معاير للتمثيل المكاني لأجهزة الاستشعار في الموقع ^13,41. كما هو موضح في الخطوة 10.10 من البروتوكول ، يمكن تكرار هذه العملية للسماح لبعض المقاييس (على سبيل المثال ، جذر متوسط مربع الخطأ ، والتحيز ، والارتباط) بتحديد أي انحراف حديث لأجهزة الاستشعار في الموقع عن أخذ العينات المباشرة أو التقديرات غير المباشرة ل SWC. كما يتم تقديم المزيد من التفاصيل من قبل الوكالة الدولية للطاقة^{الذرية 7}. كما توفر بيانات حفر التربة وتوصيفها الواردة في الخطوتين 3 و 5 بيانات عن φ (يجب ألا يتجاوز SWC هذه القيمة). يوضح نسيج التربة والأفق مناطق الموصلية العالية / المنخفضة واحتباس مياه التربة. وتتماشى هذه الخطوات إلى حد كبير مع بروتوكول أخذ عينات من تربة الغابات^{رقم 25}. يمكن استخدام مقياس التمثيل المطلوب لجمع مجموعة بيانات التحقق ، وبعد ذلك ، يمكن توسيع نطاق المحطة إلى البصمة التي تم التحقق من صحتها⁴². إذا تم استبدال نوع مستشعر المحطة ، فسيكون من المعقول جمع مجموعة أخرى من بيانات التحقق عبر مجموعة متنوعة من ظروف مياه التربة لالتقاط تحيز التثبيت مرة أخرى.

يمكن أن تساعد مجموعات البيانات الإضافية في التحقق من بيانات SWC وتقييمها. من الواضح أن السلاسل الزمنية الهيدرولوجية قد تحسنت بشكل كبير باستخدام مقياس PPT في الموقع للتحقق من توقيت الأحداث ومدتها وحجمها. توفر مستشعرات إمكانات التربة حالة الطاقة لمياه التربة ، وهي ضرورية لتحديد كمية المياه المتاحة في النبات. تسمح مستشعرات الأرصاد الجوية ، بما في ذلك درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية وسرعة الرياح والإشعاع الشمسي ، بالحساب المباشر للتبخر المرجعي (ET) ، وهو دليل مفيد لامتصاص مياه النبات النسبي ، وبالتالي معدل تجفيف التربة⁴³. تتوفر العديد من مستشعرات الطقس الاقتصادية الكل في واحد مع إخراج SDI-12. تعد معلومات مستوى المياه الجوفية من محول الضغط قياسا قيما آخر ، إذا كان منسوب المياه الجوفية بالقرب من السطح ويمكن تركيب بئر مراقبة. أخيرا ، يمكن أن توفر الكاميرا الميدانية قيمة علمية وقيمة أمان الموقع. يمكن للصور الرقمية تسجيل نمو الغطاء النباتي وخضرته⁴⁴ ، ويمكن تقييم الحالة العامة للمحطة دون زيارة ميدانية.

الجدول التكميلي S1: تقنيات استشعار SWC الشائعة (ولكن ليست شاملة ). الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الجدول التكميلي S2: سجلات محفوظات أجهزة الاستشعار المستخرجة من قاعدة بيانات NRCS على الإنترنت لجميع المواقع المعروضة في هذا البروتوكول. البيانات المتاحة من خلال كل عنوان URL. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الجدول التكميلي S3: بيانات الموقع وتوصيف التربة لأمثلة البيانات المعروضة في الشكل 11. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

حالة رطوبة التربة هي نتيجة للعديد من العوامل البيئية المختلفة ، بما في ذلك هطول الأمطار ، والغطاء النباتي ، والإشعاع الشمسي ، والرطوبة النسبية ، إلى جانب الخصائص الهيدروليكية والفيزيائية للتربة. تتفاعل هذه عبر المكان والزمان على نطاقات مكانية وزمانية مختلفة. لنمذجة دورات المياه والطاقة والكربون والتنبؤ بها ، من الضروري فهم حالة SWC. أحد أكثر أنواع تقنيات القياس الآلي شيوعا هو مستشعر SWC الكهرومغناطيسي مع أسنان من المفترض إدخالها في الموقع في التربة غير المضطربة. تم تصميم هذا البروتوكول لتوفير إرشادات لعملية تثبيت هذه الأنواع الشائعة من أجهزة الاستشعار القابلة للنسخ. عادة ما تتناسب الدقة والأداء والتكلفة مع تردد تشغيل المستشعرات ؛ أجهزة الاستشعار ذات التردد المنخفض تكلف أقل ولكنها أكثر إرباكا بسبب التربة والعوامل البيئية⁴⁵. يمكن أن تؤدي المعايرة الخاصة بالتربة أو الموقع إلى تحسين دقة أجهزة الاستشعار ذات التردد المنخفض. تؤثر طريقة القياس أيضا على أداء المستشعر بسبب الفيزياء الأساسية للمجال الكهرومغناطيسي (EMF).

يحكم قانونان فيزيائيان كهرومغناطيسيان رئيسيان الاستشعار الكهرومغناطيسي. أحدهما هو قانون غاوس ، الذي يصف كيف يعتمد EMF المنتشر للمستشعر على كل من ε و BEC للوسط. ومع ذلك ، تزداد السماحية مع SWC ، وكذلك BEC. لذلك ، تتأثر أجهزة الاستشعار التي تعتمد على قانون غاوس ب SWC و BEC وتأثير درجة الحرارة على BEC ، وكذلك أي تداخل من الملوحة. تطيع طرق استشعار السعة قانون غاوس وبالتالي فهي أكثر عرضة لهذه التأثيرات⁴⁶. بالإضافة إلى ذلك ، يصف قانون غاوس اعتماد السعة على عامل هندسي ، والذي يتغير مع شكل EMF في التربة. أظهرت الأبحاث أن شكل المجالات الكهرمغنطيسية يتغير مع بنية التربة والتباين المكاني على نطاق صغير لمحتوى الماء حول أسنان الاستشعار. التباين المكاني على نطاق صغير لمحتوى الماء وبنية التربة كبير في معظم أنواع التربة ، مما يؤدي إلى تغيرات في العوامل الهندسية وما يترتب على ذلك من تغيرات في السعة لا علاقة لها بالتغيرات في محتوى الماء في التربة بالكتلة. تقلل هذه العوامل من دقة مستشعر السعة وتزيد من تباين البيانات⁴⁶،^47،48. تعتمد طرق المعاوقة وتذبذب خط النقل أيضا على قانون غاوس ، بينما تعتمد طرق قياس انعكاس المجال الزمني وقياس انتقال المجال الزمني على معادلات ماكسويل ، والتي لا تتضمن عاملا هندسيا ولا تعتمد على BEC. على الرغم من عدم وجود مستشعر خال من المشكلات ، إلا أن طرق المجال الزمني تميل إلى أن تكون أكثر دقة وأقل تحيزا بشكل ملحوظ من الطرق القائمة على السعة أو المعاوقة.

هناك العديد من الخطوات الحاسمة في الإجراء. بالنسبة للشبكة المتفرقة ، هناك حاجة إلى اختيار الموقع المناسب وموقع المستشعر للحصول على التمثيل المكاني الأنسب ل SWC. قد يتأثر اختيار الموقع بشكل أكبر بالعوامل الخارجية ، مثل الوصول إلى الأرض ، أو متطلبات مراقبة الغلاف الجوي الأخرى حيث تكون رطوبة التربة هي القياس الإضافي. تقع مواقع الأرصاد الجوية على نطاق متوسط على أسطح عشبية واسعة ومفتوحة ومشذبة جيدا لتقليل أي تأثيرات مجهرية. قد تكون هذه المواقع أقل مثالية لمراقبة SWC. إن أمكن ، ينبغي اعتبار تقنيات الاستشعار اللاسلكية⁴⁹،⁵⁰،⁵¹،^52،53 للسماح بمراقبة SWC بعيدا عن محطة المراقبة البيئية الحالية وفي التربة التمثيلية. يمثل العمل حول العمليات الزراعية النشطة ومعدات الري تحديا. تبقى معظم الشبكات (مثل SCAN و USDA-ARS) على أطراف الحقول لتجنب أنشطة الحراثة مثل المحاريث أو الحصادات التي يمكن أن تقطع الكابلات وتكشف أجهزة الاستشعار. يجب دفن أي مستشعر وكابل في الموقع بشكل كاف وأن يكون له مظهر سطح منخفض بدرجة كافية لتجنب الاستدلال على العمليات في المزرعة. قد تكون الأنظمة اللاسلكية⁵³ وأجهزة استشعار البئر القابلة للإزالة⁴⁷ أكثر ملاءمة. حفظ المياه الجوفية باستخدام الري على نطاق واسع القائم على رطوبة التربة⁵⁴ هو مجال متنام لأجهزة استشعار SWC. يتعلق هذا البروتوكول ببيانات SWC طويلة الأجل الممثلة مكانيا في التربة غير المضطربة.

يصعب قياس بعض أنواع التربة أكثر من غيرها. في التربة الصخرية أو الحصوية أو الجافة جدا ، قد يكون من المستحيل إدخال الأسنان دون أي ضرر. أحد الخيارات هو حفر حفرة التربة ووضع المستشعرات في مكانها أثناء الردم ، في محاولة للضغط على BD الأصلي. تميل التربة الصخرية إلى أن يكون لها بنية قليلة ، والتي من المحتمل أن تلتئم بعد عدة دورات ترطيب وتجفيف ؛ ومع ذلك ، قد لا يكون هذا الاضطراب ممثلا حقا لهيدرولوجيا التربة في الموقع. بدلا من ذلك ، إذا تم تركيب مستشعرات في قاع ثقوب البريمة ، فيمكن غربلة التربة التي تمت إزالتها لإزالة الحجارة وإعادة تعبئتها في الحفرة بعمق كاف لاستيعاب أسنان المستشعر. يمكن بعد ذلك تثبيت المستشعر عموديا ، وإعادة ملء فتحة البريمة بالتربة المتبقية غير المنخلة ، مع الضغط المتكرر عند إضافة التربة.

تشكل الجذور في تربة الغابات تحديات مماثلة لإدخال المسبار ، ولكن يمكن قطع الجذور في بعض الحالات. غالبا ما يكون لتربة الغابات آفاق عضوية (O) فوق التربة المعدنية ، والتي يمكن أن يكون لها BD منخفض جدا ومساحة سطح محددة عالية ، مع كميات كبيرة من المياه المنبثقة مما يؤدي إلى استجابات مستشعر غير خطية للغاية عند SWCs^{أعلى 55}. علاوة على ذلك ، يقوم الممارس بتعيين المسند الصفري إما أعلى الأفق O أو التربة المعدنية - مع ملاحظة ذلك في البيانات الوصفية. يمكن أن تكون التربة الغنية بالطين والطين الواسع ذو الإمكانات العالية للانكماش / الانتفاخ موصلة للغاية للإشارات الكهرومغناطيسية عندما تكون رطبة وقد تتشقق عندما تجف. قد تحتاج هذه التربة إلى تصحيحات إضافية للحصول على SWC معقول من القياسات الخام^56,57. في التربة الضحلة ، يمكن مواجهة صخر الأساس أو أفق التربة المقيد (على سبيل المثال ، caliche أو hardpan) قبل الوصول إلى أقصى عمق مثالي. قد يكون من الضروري تغيير الموقع أو ببساطة عدم تثبيت جهاز (مستشعرات) أعمق. يمكن أن تكون التربة شديدة الجفاف أو الرطبة صعبة ، ويفضل أيضا اختيار تواريخ التثبيت خارج الحدود الموسمية القاسية. يمكن أن تكون التربة الجافة قوية جدا ، وقد يكون من المستحيل إدخال جهاز استشعار دون تلف. إذا لزم الأمر ، يمكن ملء الثقوب المزخرفة بالماء لتنعيم وجه الحفرة ، على الرغم من أن الأمر قد يستغرق بعض الوقت قبل أن تعود التربة إلى حالتها الطبيعية. يمكن أن تكون التربة الرطبة أضعف من أن تدعم وجوه الحفرة أو يمكن أن يمتلئ الخندق بالماء. من الأسهل أيضا الإفراط في ضغط التربة الرطبة.

يجب أن يتضمن خرج المستشعر السماحية ، وليس فقط SWC ، بحيث يمكن إجراء التصحيحات أو المعايرة الخاصة بالتربة لاحقا. تعد المستشعرات عالية التردد أكثر ملاءمة في تربة BEC العالية ، بينما قد يكون تركيب الأسنان الأقصر أسهل في التربة الأكثر إحكاما. ومع ذلك ، ربما تكون الخطوة الأكثر أهمية هي ملامسة التربة. يؤدي ضعف الاتصال إلى تدهور الإشارة من أي مستشعر كهرومغناطيسي. أخيرا ، يبدو ردم الحفريات تافها ، لكنه أساسي لتقليل التدفق التفضيلي إلى منطقة المستشعرات ، والحفاظ على حماية الكابلات ، وتثبيط الحيوانات عن إزعاج المنطقة. يمكن أن تؤدي المعايرة الخاصة بالتربة أو الموقع إلى تحسين دقة المستشعر ولكنها تتطلب تفاصيل أكثر مما هو ممكن في هذا البروتوكول. تعتبر التربة الحقلية المعدلة أو المعاد تعبئتها إلى مستويات SWC مختلفة مثالية للتحقق من خطية الاستجابة ويمكن أن تكون بمثابة معايرة خاصة بالموقع لبعض أنواع أجهزة الاستشعار²¹. يمكن أن تكون السوائل العازلة أيضا وسائط فعالة للتحقق من استجابة المستشعر⁵⁸. يمكن استخدام الحمامات المائية التي يتم التحكم في درجة حرارتها لتحسين معايرة درجة حرارة التربة⁵⁹. هذا البروتوكول هو الخطوة الأولى نحو إنشاء إجراء تشغيل قياسي لتركيب مستشعر SWC في الموقع ، حيث لا توجد طريقة حالية ، ولا أي طريقة مقبولة للمعايرة لأجهزة استشعار SWC^60,61.

في حين أن مراقبة SWC كانت محور هذا البروتوكول ، فإن الطريقة لها قيود ، ولا يمكن ل SWC وحدها إعطاء صورة كاملة عن حالة مياه التربة. وكثير من عمليات النظم الإيكولوجية تنظمها أيضا إمكانات مياه التربة، التي تقاس بدرجة أقل شيوعا في الموقع⁶². إمكانات مياه التربة ، التي استعرضها مؤخرا S. Luo و N. Lu و C. Zhang و W. Likos ⁶³ ، هي حالة الطاقة المائية. قد تكون هذه المستشعرات أقل تأثرا بخصائص التربة وتوفر مراقبة الجودة لأجهزة استشعار SWC⁶⁴. علاوة على ذلك ، يشتمل SWC للحقل السائب على الحصى والصخور والجذور ومساحة الفراغ (على سبيل المثال ، مسارات التدفق التفضيلية). في الموقع يتم إعادة وضع مستشعرات SWC بشكل عام حول الصخور والجذور ، وقد يفوت حجم القياس المحدود ، الذي يتركز حول الأسنان ، جوانب منفصلة ولكنها مهمة من SWC للحقل السائب.

ومن المأمول أن يؤدي هذا البروتوكول إلى بيانات أكثر اتساقا وتوحيدا لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك رصد الجفاف، والتنبؤ بإمدادات المياه، وإدارة مستجمعات المياه، والإدارة الزراعية، وتخطيط المحاصيل. وقد أدى ظهور منصات الاستشعار عن بعد⁴ إلى تعزيز القدرة على تقدير SWC بشكل كبير على الصعيد العالمي، ولكن هذه المنتجات تحتاج إلى التحقق من صحة الأرض، والتي لا تزال تجمع بشكل معقول فقط بواسطة الشبكات^{الموقعية 65}. سمحت التطورات الحاسوبية بتطوير نمذجة SWC فائقة الدقة⁶⁶ ، مما ينتج عنه حالة SWC عالية الدقة ودون يومية ، ولكن هذه المنتجات تحتاج أيضا إلى تقديرات في الموقع ل SWC لتوفير بعض الأساس لحساب عدم اليقين. في كثير من الأحيان ، يكون السؤال الأول الذي يطرح عند تقديم منتج جديد هو "ما هو عدم اليقين؟" بالنسبة لمنتجات SWC ، فإن المقارنة الأولية للتحقق هي بيانات الشبكة في الموقع ⁶⁷.

كانت هناك توسعات حديثة في الشبكة مرتبطة بالشبكة الوطنية المنسقة لمراقبة رطوبة التربة (NCSMMN) ، بما في ذلك مشروع رطوبة التربة في حوض نهر ميسوري العلوي التابع لسلاح المهندسين بالجيش الأمريكي وبناء شبكة جنوب شرق الولايات المتحدة المدعومة من NOAA ، وكلها مصممة لتحسين التنبؤ بمخاطر المياه ومراقبتها وتوفير دعم قرار إدارة الموارد. لا يمكن تحقيق اليقين والدقة في تقديرات SWC لمثل هذه التطبيقات إلا من خلال بروتوكولات وإجراءات شاملة لتوفير الثقة في سلامة البيانات. NCSMMN هو جهد متعدد المؤسسات بقيادة فيدرالية يهدف إلى تقديم المساعدة والتوجيه والدعم من خلال بناء مجتمع من الممارسة حول قياس رطوبة التربة وتفسيرها وتطبيقها - "شبكة من الأشخاص" تربط بين مزودي البيانات والباحثين والجمهور⁶⁸. هذا البروتوكول هو نتاج جهود NCSMMN. ومن الوشيك إنشاء سير عمل لمراقبة جودة البيانات.

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