一体化土壤墒情监测方案

一、项目背景与行业痛点

土壤含水状态是降雨入渗、坡体水文响应、农业墒情、生态水分循环以及部分地质灾害形成过程中的重要基础参数。在滑坡、土质边坡、泥石流物源区、库岸边坡、公路铁路高边坡等应用场景中，降雨首先作用于地表并向土体内部入渗，随着不同深度土层体积含水率逐渐增加，土体基质吸力、有效应力、抗剪强度及地下水补给条件可能发生变化。因此，相比单纯记录降雨量，对不同土层含水率进行连续监测能够更直接反映降雨真正进入坡体后的水分响应过程。

土壤墒情具有明显的垂向分层特征和时间滞后特征。相同降雨条件下，表层土体可能在较短时间内快速增湿，而深层土体需要经过一定入渗过程后才出现响应；黏性土、砂土、残积土、人工填土及风化岩的水分保持能力和入渗速度差异较大，不同坡位、植被条件和地表覆盖状态也会形成明显空间差异。因此，单一深度、单一测点的含水率数据通常不足以解释整个坡体水分变化。

传统人工土壤水分检测能够获得某一时刻样品含水状态，但难以连续记录降雨开始、湿润锋下移、土壤快速增湿、接近高含水状态以及雨后消退全过程。对于强降雨诱发地质灾害监测，小时级甚至更高时间分辨率的数据对于识别降雨入渗速度和坡体水分响应具有重要意义。

S-CGSM02一体化土壤墒情监测站采用分层土壤水分监测方式，在不同土层布设含水率传感器，连续获得体积含水率变化，并通过数据采集、通信和远程平台形成长期时间序列。系统可扩展土壤温度和雨量，将“天空降雨量”与“真正进入土体的水量变化”建立时间对应关系。

实际项目中，土壤墒情监测常见的技术问题并非传感器是否能够输出一个含水率数值，而是传感器是否安装在具有代表性的土层、探针是否与周围土体充分接触、量程和标定模型是否适合现场土壤、不同深度是否具有统一时间基准，以及含水率变化是否能够与降雨、地下水和坡体变形进行联合解释。

典型问题包括：传感器周围存在空气间隙导致测量值偏低；安装回填土与原状土性质差异过大；传感器探针平行于明显裂隙或安装在局部积水位置；不同土壤类型采用相同介电标定曲线；高盐分土壤造成介电测量偏差；仅布设表层传感器而无法识别湿润锋向深部推进；只使用固定含水率阈值而不考虑不同土层天然含水背景；雨量明显增加但土壤水分没有响应时未排查传感器接触和地表径流影响；含水率达到高值但坡体没有出现任何变形时直接将其解释为滑坡预警。

因此，一体化土壤墒情监测应按照“土层结构调查—监测层位确定—分层土壤水分感知—实时数据采集—降雨入渗分析—垂向水分梯度分析—地下水响应分析—坡体变形联合分析”的技术路线进行设计，而不是将若干水分传感器简单埋入土中。

本方案构建：

地质与土壤调查 → 典型坡位选择 → 土层划分 → 分层体积含水率传感器 → 土壤温度 → 自动雨量 → 实时数据采集 → 4G/有线/项目通信网络 → SIYB®监测平台 → 含水率变化速率 → 垂向湿润锋分析 → 土壤水分储量分析 → 降雨入渗响应 → 墒情与地下水/位移联合分析 → 分级预警 → 现场复核 → 专业研判

的一体化土壤墒情在线监测体系。

二、建设目标与监测目标

1. 建设目标

建设由分层土壤水分传感器、土壤温度传感器、自动雨量监测设备、数据采集终端、供电系统、通信设备及SIYB®数据管理平台组成的一体化土壤墒情监测系统，对目标区域不同深度土层体积含水率进行长期连续观测。

系统通过统一测点坐标、土层深度、土壤类型、传感器编号和时间基准，建立具有明确空间和深度属性的土壤水分数据体系，并进一步与降雨、地下水位、GNSS表面位移、深部位移和裂缝等监测参数进行联合分析。

2. 监测目标

连续监测不同土层体积含水率，掌握表层、中层和深层土体水分状态；监测土壤水分随降雨发生的响应时间、增长幅度和变化速率；识别湿润锋由浅层向深层推进过程；分析雨后土壤水分消退速度和持续高含水状态时间；建立不同土层正常含水率背景区间；分析不同坡位和不同监测点之间土壤水分空间差异；辅助识别土体接近高饱和状态的趋势；建立降雨—土壤含水率—地下水位—坡体变形之间的时间关系；为滑坡、泥石流、工程边坡及其他降雨敏感型地质灾害风险研判提供水分参数依据。

系统最终应能够回答：当前各深度土层含水率是多少、哪一层最先响应降雨、表层水分是否已经向深层传递、当前含水率相对于历史正常值增加多少、水分增长速度是否异常、土体是否长期维持高含水状态、同一场降雨后湿润锋推进到什么深度、地下水位是否随后上升、坡体位移是否进一步响应，以及当前异常属于真实入渗过程还是传感器安装或测量异常。

三、需求分析

1. 监测层位应依据土层结构确定

土壤墒情监测不宜机械采用统一埋深。应根据表土层、残积层、坡积层、人工填土、强风化层及潜在滑动带位置确定监测深度，使每个传感器具有明确的地层意义。

2. 应采用分层监测

单一表层含水率不能反映整个坡体入渗过程。典型地质灾害项目建议至少形成浅层、中层和深层三个水分监测层级，并根据坡体厚度和滑带深度进一步增加监测层。

3. 典型布设深度需项目化确定

普通浅层入渗项目可参考0.2m、0.5m、1.0m等层位；土层较厚或滑动带较深的项目可进一步增加1.5m、2.0m或其他深度。以上属于工程布设示例，不应替代现场地质勘察确定的实际深度。

4. 传感器必须与原状土充分接触

介电式土壤水分传感器对探针周边介质非常敏感。安装区域不得形成明显空气间隙、大块石空腔或与原状土性质明显不同的松散回填区。

5. 高砾石含量土体需评估代表性

当土体中碎石、砾石比例较高时，传感器有效测量体积内的固体组成可能与综合色土层存在差异，应增加现场标定或多点布设。

6. 不同土壤类型宜进行现场标定

通用介电标定能够满足常规趋势监测，但对于黏土、高有机质土、高盐土和高砾石含量土体，建议采用现场取样烘干法结果建立修正关系，提高体积含水率绝对值的工程可信度。

7. 土壤盐分会影响部分介电传感器

电导率较高的土壤可能对FDR或电容式传感器产生附加影响，因此盐碱地、尾矿库、工业污染场地等应用应结合土壤电导率进行设备选型和标定。

8. 土壤温度宜同步监测

温度变化会影响土壤介电特性、传感器电子器件及水分迁移过程。高精度长期监测建议同步采集土壤温度，并进行温度补偿或趋势辅助分析。

9. 土壤墒情应与降雨同步监测

降雨量反映输入条件，土壤含水率反映入渗结果。两者同时监测才能区分“降雨很多但大量形成地表径流”与“降雨真正进入坡体并造成含水状态增加”等不同水文过程。

10. 地质灾害项目应与地下水和位移联合

土壤水分增加本身并不等于坡体失稳。若土壤含水率增加后进一步出现地下水位上升、深部位移增加、GNSS表面位移加速或裂缝扩展，其风险意义明显高于单一水分指标异常。

11. 预警阈值应分土层设置

表层、中层和深层土体天然含水背景及饱和条件不同，不宜采用统一百分比阈值。应分别建立历史正常范围、高含水关注区间和变化速率指标。

12. 事件期应提高监测时间分辨率

强降雨、台风、连续阴雨或坡体出现变形异常期间，可根据项目策略提高采集频率，以完整记录湿润锋向下传播和高含水状态形成过程。

四、总体解决方案

S-CGSM02一体化土壤墒情监测方案采用“分层水分感知＋土壤温度＋降雨输入＋远程采集＋综合在线分析”的总体技术路线。

项目首先开展地形、土层和地质条件调查，在具有代表性的坡位、滑坡后缘、中部、前缘、泥石流物源区或工程边坡选择监测断面，根据土层厚度和潜在滑动层位确定不同深度传感器布设位置。

土壤水分传感器采用介电测量原理，连续测量不同土层体积含水率。土壤温度作为辅助参数同步采集，自动雨量站记录降雨输入。所有数据通过现场采集终端形成统一时间戳，并通过4G、蜂窝、有线或项目配置通信网络实时传输至SIYB®监测平台。

平台对不同深度含水率进行实时展示、历史趋势、变化速率、垂向梯度、水分储量、高含水持续时间及降雨响应分析，并根据项目配置与地下水位、深部位移、表面位移和裂缝数据进行关联。

总体技术链路为：

现场调查 → 土层划分 → 分层埋设 → 体积含水率监测 → 土壤温度监测 → 雨量监测 → 数据采集终端 → 4G/有线通信 → SIYB®监测平台 → 含水率变化速率 → 垂向水分梯度 → 湿润锋识别 → 土壤水分储量 → 降雨入渗响应 → 地下水响应 → 位移响应 → 分级预警 → 现场核查。

五、系统架构设计

1. 土层对象层

包括表层土、坡积层、残积层、人工填土、软弱土层及项目需要监测的其他土层。每个传感器应具有明确深度和土层属性。

2. 土壤墒情感知层

采用分层体积含水率传感器监测不同深度土体水分变化，并根据项目配置土壤温度。

3. 降雨输入层

自动雨量站连续获取降雨量、降雨强度和累计雨量，为土壤入渗分析提供外部输入。

4. 数据采集层

统一采集各层土壤含水率、温度和雨量，完成参数转换、时间管理及传感器状态读取。

5. 供电层

根据现场条件采用市电或太阳能供电。山区无市电监测点宜根据设备总功耗进行光伏和电池容量设计。

6. 通信层

根据项目现场条件采用4G/蜂窝、有线网络、短消息或卫星等通信方式。

7. 平台分析层

完成实时墒情、分层曲线、变化速率、垂向分布、雨水响应、极值和阈值状态管理。

8. 综合风险层

地质灾害应用中，将土壤墒情与降雨、地下水、GNSS、裂缝和深部位移进行联合分析，形成水文—变形综合在线监测链。

六、监测内容与监测方法

1. 土壤体积含水率

以土壤中水的体积与总体积之比表示，单位通常采用%VWC或m³/m³，是本系统核心监测参数。

2. 浅层土壤含水率

主要反映降雨开始后的快速入渗和表层蒸发过程，对短时降雨响应较敏感。

3. 中层土壤含水率

用于判断湿润锋是否由表层进一步向坡体内部传递。

4. 深层土壤含水率

用于监测靠近潜在滑动带、重要地层或较深土体的长期水分变化，深层响应通常较表层存在明显滞后。

5. 土壤温度

用于分析季节性温度、水分迁移和传感器温度影响，并辅助判断冻融或地表环境变化。

6. 降雨量

记录分钟、小时、过程及累计雨量，与各土层含水率建立输入—响应关系。

7. 水分变化速率

用于识别土壤短时间快速增湿和快速失水过程。

8. 高含水持续时间

统计土壤含水率持续处于项目高含水关注区间的时间。

9. 垂向含水率分布

比较不同深度同一时刻体积含水率变化，分析湿润锋及坡体水分垂向迁移。

七、技术原理与算法模型

1. 体积含水率

土壤体积含水率定义为：

θ_v = V_w / V_t × 100%

其中Vw为土壤水体积，Vt为土体总体积。

2. 介电测量原理

液态水的介电常数明显高于空气和大多数土壤矿物，因此土壤表观介电常数会随含水率增加而显著变化。FDR或电容式土壤水分传感器通过测量探针周围土体介电响应，经标定模型换算为体积含水率。

其工程关系可表示为：

θ_v = f(ε_a, SoilType, Temperature, EC)

其中εa为土壤表观介电常数，SoilType为土壤类型，Temperature为温度，EC代表土壤电导特性。对于精度要求较高的工程，应通过现场土样进行项目化标定。

3. 含水率变化量

Δθ = θ(t) - θ₀

用于表示当前土壤水分相对于初始基线或长期背景的变化。

4. 含水率变化速率

V_θ = [θ(t₂) - θ(t₁)] / (t₂-t₁)

快速正增长可反映强降雨入渗过程，长期缓慢下降则常与排水、蒸发和植物耗水有关。

5. 垂向水分梯度

相邻两个深度的水分梯度可表示为：

G_θ = [θ(z₂) - θ(z₁)] / (z₂-z₁)

结合时间变化可以辅助判断湿润锋由浅层向深层推进过程。

6. 土层水分储量

对于厚度为Δz的分层土体，可估算单位面积土壤水分储量：

W = Σ θ_v,i × Δz_i

在统一单位条件下，可将综合色分层体积含水率转换为等效水层厚度，用于比较不同时间土壤整体蓄水变化。

7. 相对饱和度

当项目已经获得土壤孔隙率n时，可辅助计算：

S_r = θ_v / n × 100%

该指标可用于表示孔隙中被水占据的比例。孔隙率应来自土工试验，不应采用统一假定值。

8. 降雨—土壤水分响应滞后

τ_R-θ = t_{moisture response} - t_{rainfall start}

不同深度分别计算响应时间，可用于评价水分向下迁移速度。

9. 湿润锋传播时间

对于两个深度z1和z2：

τ₁₂ = t_response,z2 - t_response,z1

当不同降雨事件中该时间具有一定稳定性时，可作为本站入渗过程的重要特征指标。

10. 高含水持续时间

当某土层含水率超过项目关注值θc时：

T_wet = ΣΔt(θ ≥ θ_c)

用于区别短时水分峰值与持续高含水状态。

11. 降雨入渗响应指数

可根据项目长期数据建立：

I_infiltration = Δθ / R

其中Δθ为特定土层在降雨过程中的含水率变化，R为对应累计降雨。该指标主要用于同一监测点不同降雨事件之间的趋势比较，不直接表示真实入渗系数。

12. 水文—变形联合风险模型

地质灾害应用可建立：

Risk = f(Rainfall, θ_shallow, θ_deep, V_θ, T_wet, Groundwater, DeepDisplacement, SurfaceDisplacement, Crack)

模型权重和控制值应通过项目地质条件、历史事件和长期监测数据确定。

八、系统功能设计

系统支持多层土壤体积含水率实时监测、土壤温度扩展、雨量监测扩展、不同深度综合在线管理、含水率变化量计算、含水率变化速率分析、历史最大值与最小值统计、高含水持续时间统计、垂向水分梯度分析、土壤水分储量分析、湿润锋传播分析、降雨—墒情联合分析、墒情—地下水联合分析、墒情—深部位移联合分析、墒情—GNSS位移联合分析、墒情—裂缝联合分析、分层阈值预警、变化速率预警、多参数联合预警、设备在线状态监测、供电状态监测、通信状态管理、历史趋势查询、日周月报表、数据导出、告警确认及事件处置记录。

九、硬件组成与配置方案

1. S-CGSM02一体化土壤墒情监测站

作为综合在线监测节点，集成多层土壤水分感知、数据采集、通信、供电及户外防护功能。

2. 土壤体积含水率传感器

采用FDR/介电式测量技术，根据项目深度分层安装，用于长期测量不同土层体积含水率。

3. 土壤温度传感器

可与水分传感器一体化配置或独立布设，用于土壤温度测量和水分数据辅助修正。

4. 分层安装组件

用于不同深度土壤水分传感器固定、定位及线缆保护。

5. 自动雨量站

地质灾害和坡面入渗项目建议配置，用于形成降雨—土壤水分完整监测链。

6. 数据采集终端

负责多层传感器数据实时采集、时间管理、设备状态采集和远程数据上传。

7. 4G通信单元

常规野外监测点可通过4G公网实时上传数据；特殊场景可根据项目采用有线、短消息或卫星链路。

8. 太阳能供电系统

无市电野外监测点采用太阳能组件、充电控制器和电池供电，容量按传感器数量、采集频率和通信功耗进行设计。

9. 户外防护箱

用于安装数据采集、通信、电源和浪涌保护设备。

10. 防雷及浪涌保护

用于户外长线缆、电源及通信接口雷电和浪涌防护。

11. SIYB®数据管理平台

用于墒情实时数据、分层曲线、降雨关联、变化速率、预警和运维管理。

十、核心设备参数

1. S-CGSM02系统级参数

系统型号：S-CGSM02。

产品类别：一体化土壤墒情监测站。

核心监测：不同土层体积含水率。

布设方式：分层埋设，具体深度根据土层结构、滑带条件及项目监测目的确定。

辅助参数：土壤温度、雨量可扩展。

数据输出：体积含水率、变化速率、阈值状态。

通信方式：4G/蜂窝、有线、短消息或卫星链路，可根据项目配置。

2. 土壤水分传感器建议工程参数

以下参数为本方案根据常规工程应用生成的建议设计值，用于设备选型、设计院设备表及招标技术参数编制，并非原S-CGSM02说明书已经确认的出厂参数。最终供货参数应在技术协议中确认。

测量原理：FDR频域反射/高频介电测量。

测量参数：土壤体积含水率VWC。

测量范围：0～100%VWC。

推荐有效精度：±3%VWC；经项目土壤专项标定后，可将设计目标提高至约±2%VWC。

分辨率：0.1%VWC。

重复性：≤1%VWC。

响应时间：≤1s。

工作温度：-40～80℃。

供电电压：DC 9～24V。

数字输出：RS485。

通信协议：MODBUS-RTU。

模拟输出：可根据项目选配4～20mA。

探针防护等级：建议IP68。

标准线缆：建议5m，可根据埋深及现场距离定制。

适用介质：一般矿质土、坡积土、残积土及其他经现场标定验证的土体。

3. 土壤温度建议参数

测量范围：-40～80℃。

准确度：±0.5℃。

分辨率：0.1℃。

输出：可与土壤水分一体化采用RS485 MODBUS-RTU。

4. 推荐分层配置

浅层边坡可采用3层配置，例如0.2m、0.5m和1.0m；土层较厚或需要掌握深部入渗过程时，可增加1.5m、2.0m或按照地质剖面设置其他层位。具体深度应以项目地质勘察和现场土层结构为准。

5. 传感器参数应用边界

±3%VWC属于建议工程选型指标，并不意味着在所有土壤类型和全部含水范围内都能够保持相同绝对误差。黏土、高盐土、有机质土、砾石土及人工填土应通过现场土样验证或专项标定确定修正系数。

十一、软件平台与数据展示

SIYB®数据管理平台按照“项目—隐患点—监测站—监测剖面—土层—传感器”的层级组织土壤墒情监测数据，并保存监测点坐标、坡位、土层性质、埋设深度、传感器编号和初始标定信息。

1. 实时墒情总览

显示不同监测点及不同深度当前体积含水率、土壤温度、变化速率和告警状态。

2. 分层墒情曲线

将浅层、中层和深层含水率置于统一时间轴，直接观察水分向深层传播过程。

3. 深度剖面

按照监测深度展示某一时刻不同土层体积含水率，可对比不同日期的土壤水分垂向分布。

4. 降雨—墒情联合页面

采用降雨柱状图与多层含水率曲线同步展示，分析降雨开始后各土层响应顺序和响应幅度。

5. 墒情变化速率

显示不同土层单位时间含水率增长和下降速度，识别快速入渗过程。

6. 高含水持续时间

统计各土层进入项目高含水关注区间后的累计持续时间。

7. 土壤水分储量

根据分层含水率和土层厚度计算监测剖面的等效水分储量变化。

8. 水文—变形联合页面

将雨量、土壤含水率、地下水位、深部位移、GNSS和裂缝数据按照统一时间轴展示。

9. 设备状态

展示传感器、数据采集终端、通信和供电状态。

10. 告警与运维记录

保存告警时间、触发层位、触发指标、阈值、确认人员、现场核查结果和设备维护记录。

十二、数据分析与智能应用

1. 降雨入渗过程分析

比较降雨开始时间与不同深度土壤含水率开始增加时间，分析雨水由地表向坡体内部迁移过程。

2. 湿润锋传播分析

当浅层、中层和深层传感器依次出现明显含水率增加，可计算湿润锋到达不同深度的时间，并比较不同降雨过程中的传播速度差异。

3. 前期含水状态分析

相同降雨量在干燥土体和已经湿润的土体中可能产生完全不同的响应。平台应将降雨开始前的初始含水率作为事件分析的重要背景参数。

4. 高含水持续状态分析

部分坡体风险并不取决于单次含水率峰值，而与土体长时间保持较高含水状态有关，因此应统计高含水持续时间和消退速度。

5. 垂向水分梯度分析

比较不同深度水分状态，可识别表层已经湿润但深层尚未响应、全层同步增湿以及深层长期保持高含水等不同水文模式。

6. 不同坡位对比分析

通过后缘、中部、前缘或坡顶、坡腰、坡脚多个监测站比较，可分析坡体不同区域入渗和排水条件差异。

7. 墒情—地下水响应分析

深层土壤含水率增加后，如果地下水位随后出现明显升高，可逐步建立“土壤入渗—地下水补给”的时间关系。

8. 墒情—深部位移分析

当高含水状态形成后潜在滑动带附近深部位移速率同步增加，可作为水文条件影响深部剪切活动的重要辅助证据。

9. 墒情—表面位移分析

将土壤水分与GNSS表面位移、裂缝扩展进行时间关联，分析坡体由水分增加向宏观变形发展的过程。

10. 传感器异常识别

单层含水率突然跳变而相邻深度、雨量及土壤温度均无合理响应时，应优先检查传感器接触、电缆及安装位置。

11. 现场标定模型优化

将传感器读数与现场取样烘干法或实验室测定结果进行周期对比，可不断优化不同土层的修正关系，提高长期监测一致性。

十三、预警机制与决策支撑

一体化土壤墒情监测预警不宜仅采用“含水率超过某一百分比”的单一判断，而应综合色绝对含水率、变化速率、高含水持续时间、垂向传播、降雨条件、地下水和坡体变形建立分层预警逻辑。

1. 分层含水率阈值预警

分别针对浅层、中层和深层建立历史正常区间及项目关注值，避免不同土层使用相同固定阈值。

2. 快速增湿预警

土壤含水率在短时间持续快速增加，即使尚未达到最终关注值，也可作为强入渗事件的重要趋势信息。

3. 高含水持续时间预警

当深层土体长时间保持项目高含水状态时，可提高风险关注等级。

4. 湿润锋深层推进预警

浅层、中层和深层依次明显增湿，表明降雨入渗已经向坡体深部发展，可结合滑动带位置判断风险意义。

5. 降雨—墒情联合预警

强降雨持续发生，同时多层土壤水分快速增加时，应加强地下水及变形监测。

6. 墒情—地下水联合预警

深层土壤水分持续增加并伴随地下水位快速上升时，表明坡体水文环境正在进一步改变。

7. 墒情—深部位移联合预警

高含水状态与潜在滑动带深部位移加速同步出现时，应提高异常事件优先级。

8. 墒情—表面变形联合预警

土壤高含水、地下水升高、GNSS位移增加及裂缝扩展形成连续物理链条时，应进入重点现场核查和专业研判。

9. 设备异常判别

含水率出现瞬间极端跳变、长期固定值或明显超出合理物理范围时，应先检查探针、土体接触、通信和供电状态。

10. 告警闭环

墒情异常 → 原始数据检查 → 相邻土层比较 → 雨量过程核对 → 地下水位分析 → 深部位移分析 → GNSS与裂缝核查 → 现场土体和设备检查 → 专业研判 → 风险等级确认 → 后续持续监测。

十四、项目实施方案

1. 项目资料调查

收集地形地貌、地质勘察、土层结构、滑动面、地下水、历史降雨、植被、地表覆盖及历史灾害资料。

2. 监测剖面确定

根据坡体主滑方向、地形和水文条件确定代表性土壤墒情监测剖面。

3. 土层调查

明确不同土层厚度、土质类别、砾石含量、密实度和含水特征，为分层传感器布设提供依据。

4. 监测深度设计

根据土层结构确定浅、中、深层传感器位置，并重点覆盖降雨入渗路径及潜在滑动层以上土体。

5. 传感器量程和精度确认

普通项目建议采用0～100%VWC量程、±3%VWC或更高准确度等级的传感器。

6. 安装坑或钻孔施工

根据传感器结构采用剖面开挖、水平插入或钻孔安装方式，尽量减少对原状土结构的扰动。

7. 传感器安装

探针应与目标土层充分接触，避免空气间隙和石块直接顶压传感器。

8. 分层位置记录

记录每只传感器坐标、埋深、土层类型、安装方向、设备编号和现场照片。

9. 回填恢复

开挖安装项目应优先使用原土分层回填并恢复接近原始密实状态，避免形成异常人工渗水通道。

10. 雨量站安装

选择无遮挡、能够代表项目降雨条件的位置安装自动雨量设备。

11. 数据采集终端安装

配置各传感器通信地址、参数名称、深度、单位及采样周期。

12. 供电系统设计

根据现场市电条件和设备总功耗配置市电或太阳能系统。

13. 通信配置

常规项目采用4G/蜂窝网络实时上传；特殊地区根据项目采用有线、短消息或卫星通信。

14. 防雷及线缆保护

户外长线缆应采用穿管、埋地或其他机械防护，并配置必要浪涌保护。

15. 初始稳定期采集

正式分析前积累正常天气条件下不同土层含水率基线。

16. 土样校准

精度要求较高的项目在传感器附近采集代表性土样，通过烘干法或项目认可方法建立现场修正关系。

17. 降雨事件验证

通过实际降雨过程检查浅、中、深层水分响应是否符合现场水文规律。

18. 联合数据接入

将雨量、地下水、GNSS、裂缝和深部位移接入统一SIYB®平台。

19. 预警规则初始化

依据初始基线、土壤性质、历史降雨和地质灾害机理设置分层关注值及变化速率条件。

20. 工程验收

验收宜包括传感器埋深、土层属性、传感器参数、数据采集、雨量关联、通信、平台、初始基线、现场校准及运维档案。

十五、运维服务保障

一体化土壤墒情监测长期运维应重点关注传感器—土体耦合关系、数据合理性及监测点环境变化。定期检查传感器线缆、接头、采集终端、太阳能供电及通信状态；雨季前后检查监测区域是否发生冲刷、开裂、施工扰动或动物破坏；发现单层数据长期偏离其他层位时应综合色雨量、温度和现场条件排查；传感器更换后应重新记录埋深、土层和初始基线；对于高精度项目应定期开展土样比对；长期植被变化、坡面硬化、排水设施建设或地表覆盖变化后，应重新评价监测点代表性。

十六、项目优势与方案价值

S-CGSM02一体化土壤墒情监测站采用分层监测方式，可由单一表层水分测量扩展为坡体内部水分垂向传播分析。通过浅、中、深层体积含水率同步监测，可识别降雨开始后湿润锋如何从表层逐步向深部推进，并量化不同土层响应时间和持续高含水状态。

土壤墒情与雨量联合能够由“降了多少雨”进一步分析“有多少降雨真正改变了坡体含水状态”；与地下水位联合可研究入渗向地下水补给的过程；与深部位移、GNSS和裂缝联合，可进一步建立由降雨输入、水分增加、水位升高到坡体变形的水文—力学风险链。

系统采用模块化结构，可根据山区滑坡、公路边坡、库岸、尾矿库、泥石流物源区及农业生态监测等不同对象调整传感器层数、埋深和辅助参数。

最终形成：

土层调查 → 分层墒情感知 → 土壤温度 → 降雨输入 → 实时采集 → 远程通信 → 含水率变化速率 → 垂向水分梯度 → 湿润锋传播 → 水分储量 → 地下水响应 → 深部/表面变形联合 → 分级预警 → 现场复核 → 专业研判

的一体化土壤墒情综合在线监测体系。

十七、应用场景

1. 山区滑坡

监测不同深度土体降雨入渗过程及其与地下水和坡体变形之间的关系。

2. 泥石流物源区

监测松散物源层含水状态，为降雨诱发泥石流风险分析提供基础数据。

3. 公路铁路高边坡

用于分析强降雨条件下边坡内部水分迁移和长期高含水状态。

4. 隧道洞口边坡

用于洞口仰坡土层水分变化及降雨入渗监测。

5. 水库库岸

用于降雨、库区水文环境及坡体土壤含水变化监测。

6. 尾矿库及排土场

用于表层和内部含水状态变化监测，并与渗流和变形参数联合分析。

7. 矿山边坡

用于土质边坡、排土场和矿区地质灾害风险监测。

8. 基坑及工程边坡

用于降雨期间填土及边坡土体水分状态监测。

9. 地质灾害治理工程

用于排水和坡面防护措施实施前后土体入渗条件对比。

10. 农田墒情监测

用于不同耕层土壤水分连续监测、灌溉决策及旱情分析。

11. 林业与生态监测

用于森林、草地、生态修复区及长期生态观测站土壤水分研究。

12. 科研试验

用于土壤水分运移、降雨入渗、坡面水文和土体水分动力学研究。

十八、效益分析

连续土壤墒情监测能够减少人工取样之间的时间盲区，完整记录强降雨期间土壤水分变化过程；分层布设可获得比单一表层测点更加完整的垂向水分信息；降雨与含水率统一分析能够量化坡体实际入渗响应；变化速率和高含水持续时间可提高对异常水文状态的识别能力；与地下水、深部位移、GNSS和裂缝联合能够增强地质灾害风险机理分析；长期数据可以建立不同土层自身水分基线并逐步优化项目预警条件；治理工程实施前后墒情变化可用于评价坡面防水、截排水和生态恢复措施效果。

十九、标准规范与技术依据

1. DZ/T 0221-2006《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》

用于滑坡、崩塌、泥石流专业监测设计。地质灾害项目中的土壤墒情属于降雨入渗和水文环境辅助监测要素，可结合灾害机理进行布设。

2. DZ/T 0460-2023《地质灾害自动化仪器监测预警规范》

用于地质灾害自动化仪器监测预警系统设计、建设和运行，S-CGSM02用于地质灾害自动化监测项目时可结合该标准开展系统建设。

3. DZ/T 0439-2023《地质灾害监测预警设备检测技术要求》

用于地质灾害监测预警设备性能检测和设备选型。

4. GB/T 40112-2021《地质灾害危险性评估规范》

用于地质灾害危险性、地质环境和风险条件评价，为土壤墒情监测点和监测层位设置提供基础资料。

5. SL/T 364-2015《土壤墒情监测规范》

适用于土壤墒情监测相关技术工作，可作为土壤水分监测方法、站点建设和数据应用的技术参考。

6. NY/T 1782-2025《农田土壤墒情监测技术规范》

用于农业土壤墒情监测项目。S-CGSM02用于农田、农业生态或灌溉应用时，可结合该标准确定监测点、土层和监测方法。

7. NY/T 3180-2018《土壤墒情监测数据采集规范》

涉及农业墒情数据采集、数据整理及应用时可作为技术参考。

8. 项目土工与地质勘察资料

对于地质灾害和工程边坡项目，传感器安装位置、监测深度和预警阈值应以地质勘察、土工试验、滑动面分析和现场水文条件作为直接工程依据。

DZ/T 0221-2006《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》。

DZ/T 0460-2023《地质灾害自动化仪器监测预警规范》。

DZ/T 0439-2023《地质灾害监测预警设备检测技术要求》。

GB/T 40112-2021《地质灾害危险性评估规范》。

SL/T 364-2015《土壤墒情监测规范》。

NY/T 1782-2025《农田土壤墒情监测技术规范》。

NY/T 3180-2018《土壤墒情监测数据采集规范》。

项目所在地地质灾害、农业、水利及工程安全监测技术要求。

项目地质勘察、土工试验、水文地质和稳定性评价资料。

《S-CGSM02一体化土壤墒情监测站产品说明书》。

二十、成功案例

以下内容为典型应用案例示例，用于说明一体化土壤墒情监测系统的工程应用方法，不作为未经核实的实际客户项目业绩。

案例一：强降雨湿润锋向深层推进

某土质滑坡设置0.2m、0.5m、1.0m和1.5m四层土壤水分监测。强降雨开始后，0.2m层首先快速增湿，随后0.5m和1.0m监测层依次出现响应，1.5m层响应明显滞后。通过不同深度响应时间建立该坡体的典型降雨入渗过程。

案例二：相同雨量产生不同墒情响应

某边坡两场降雨累计雨量接近，但第二场降雨发生前土壤已经处于较高含水状态，因此深层含水率上升更快，地下水位响应也更加明显。该现象说明前期土壤水分条件是降雨风险分析的重要变量。

案例三：雨量较大但深层墒情响应有限

某陡坡发生短历时强降雨，表层含水率快速增加，但中深层变化较小。现场调查发现坡面径流明显，大量降雨并未进入深层土体，因此不能仅根据累计雨量判断深层水文状态。

案例四：深层高含水后地下水上升

某滑坡中深层土壤水分持续增加后，地下水监测孔随后出现明显水位升高，形成“降雨—土壤增湿—地下水补给”的完整时间关系。

案例五：墒情与深部位移同步变化

某滑坡长期监测显示，深层土壤水分达到历史高位并持续一定时间后，潜在滑动带附近深部位移速率逐渐增加，为水文条件影响坡体内部剪切活动提供辅助依据。

案例六：传感器接触不良造成异常低值

某监测站中层传感器长期明显低于浅层和深层，并且强降雨期间几乎没有变化。现场开挖检查发现探针附近存在明显空气间隙，重新安装并保证与原状土充分接触后数据恢复合理响应。

案例七：高盐土壤造成测值偏差

某特殊场地介电式传感器与现场土样结果存在系统偏差。通过综合色土壤电导特性和烘干法水分结果重新建立修正曲线后，在线数据与人工测定结果一致性得到改善。

案例八：边坡排水治理效果评价

某边坡实施截排水和坡面防护后，在相似降雨条件下深层含水率峰值降低、响应时间延长、雨后水分消退速度加快，同时地下水位和位移响应减弱，为治理效果评价提供连续数据。

案例九：泥石流物源区高含水状态识别

某泥石流沟松散物源区布设多层墒情设备。连续降雨后浅层和中层土体均保持长期高含水状态，平台结合后续降雨预报和现场沟道条件提高风险关注等级。

案例十：长期监测优化分层预警规则

某滑坡初期对所有土层采用相同含水率阈值，导致表层频繁产生提示。经过多个雨季积累后，分别建立浅层快速响应、中层入渗传播和深层长期高含水三类判断规则，使预警逻辑更加符合实际坡体水文过程。

二十一、参考文献

1. 《S-CGSM02 一体化土壤墒情监测站产品说明书》，V1.0，2026年9月。

2. DZ/T 0221-2006《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》。

3. DZ/T 0460-2023《地质灾害自动化仪器监测预警规范》。

4. DZ/T 0439-2023《地质灾害监测预警设备检测技术要求》。

5. GB/T 40112-2021《地质灾害危险性评估规范》。

6. SL/T 364-2015《土壤墒情监测规范》。

7. NY/T 1782-2025《农田土壤墒情监测技术规范》。

8. NY/T 3180-2018《土壤墒情监测数据采集规范》。

9. 项目所在地地质灾害、水利、农业及工程安全监测技术要求。

10. 项目工程地质、水文地质、土工试验及稳定性评价资料。

11. 项目土壤水分传感器、自动雨量站、数据采集终端和通信设备技术资料。

S-CGSM02一体化土壤墒情监测站适用于山区滑坡、泥石流物源区、公路铁路高边坡、水库库岸、尾矿库、矿山边坡、基坑、地质灾害治理工程以及农业、林业和生态环境长期土壤水分监测。

一体化土壤墒情监测的技术核心不是获得某一个土层的单一含水率数值，而是通过多层传感器建立“深度—含水率—时间”的土壤水分剖面，识别降雨进入土体以后湿润锋如何向深层推进、高含水状态持续多长时间，以及这种水分变化是否进一步引起地下水和坡体变形响应。

最终形成“土层调查—分层体积含水率—土壤温度—降雨监测—实时采集—远程通信—含水率变化速率—垂向水分梯度—湿润锋传播—土壤水分储量—地下水响应—深部/表面位移联合分析—分级预警—现场复核—专业研判”的完整一体化土壤墒情监测方案。