土壤蒸發(fā)試驗(yàn)受降雨影響的成因分析及應(yīng)對(duì)策略

馬占國(guó)

一、引言

為了掌握土壤蒸發(fā)的一般規(guī)律，人們借助水力式土壤蒸發(fā)器對(duì)土壤蒸發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)性研究，因受到人為因素及自然因素等多重影響，給研究成果帶來了一些不確定性，所以對(duì)土壤蒸發(fā)試驗(yàn)過程中可能造成誤差的因素進(jìn)行深入分析，及時(shí)調(diào)整方法和思路，對(duì)提高研究成果的可靠性具有重要意義。

二、土壤蒸發(fā)試驗(yàn)的影響因素及誤差來源分析

1.土壤蒸發(fā)試驗(yàn)受影響的因素

土壤蒸發(fā)試驗(yàn)是通過水力式土壤蒸發(fā)器，對(duì)自然界土壤蒸發(fā)現(xiàn)象的模擬，經(jīng)過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、分析，獲取土壤蒸發(fā)現(xiàn)象一般規(guī)律的研究活動(dòng)。因?yàn)橥寥勒舭l(fā)試驗(yàn)是在自然環(huán)境下進(jìn)行的，所以會(huì)受到溫度、濕度、日照、降雨、風(fēng)力等因素影響。這些因素一般情況下不是單獨(dú)發(fā)生作用的，通常它們會(huì)以幾種因素混合作用的形式共同影響蒸發(fā)現(xiàn)象的全過程。

2.土壤蒸發(fā)試驗(yàn)的誤差來源分析

土壤蒸發(fā)受影響的因素很復(fù)雜，這也是土壤蒸發(fā)試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的重要原因。在研究時(shí)必須考慮多重影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。土壤蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)將上述影響因素列為共同關(guān)注項(xiàng)目，進(jìn)行同步觀測(cè)。在長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，上述各影響因素相互作用后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成誤差的表現(xiàn)形式，會(huì)以降雨和凝結(jié)水（注：本文對(duì)凝結(jié)水的影響不做討論）的形式表現(xiàn)出來。在眾多造成誤差的影響因素中，降雨是最直接的誤差來源。量測(cè)工具精度的不達(dá)標(biāo)和降雨濺起的水花落到蒸發(fā)器內(nèi)，都會(huì)直接導(dǎo)致土壤蒸發(fā)成果產(chǎn)生誤差。想要降低誤差提高試驗(yàn)精度，就需要不斷地調(diào)整試驗(yàn)方法，盡可能減少可導(dǎo)致誤差的不利因素。

三、降雨對(duì)蒸發(fā)試驗(yàn)的影響形式及成因分析

1.降雨對(duì)蒸發(fā)試驗(yàn)的影響形式

雨天土壤蒸發(fā)量觀測(cè)起來比較困難，尤其是雨季，不但降雨強(qiáng)度大，而且歷時(shí)較長(zhǎng)，如：梅雨季節(jié)，有的年份可能連續(xù)降雨十幾天甚至更長(zhǎng)，此時(shí)的降雨量幾乎是同時(shí)段蒸發(fā)量的幾倍、幾十倍甚至上百倍，對(duì)于蒸發(fā)器來說要想準(zhǔn)確地觀測(cè)到蒸發(fā)量變得異常困難，稍有疏忽就會(huì)造成很大的誤差。長(zhǎng)期的觀察發(fā)現(xiàn)，降雨對(duì)土壤蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的方式有兩種：一種是降雨量的觀讀誤差，另一種是雨滴降落到地面濺起的水花落到蒸發(fā)器內(nèi)造成的影響。

2.降雨量觀讀誤差的成因分析

觀測(cè)雨量時(shí)使用的量杯精度為0.1mm，與土壤蒸發(fā)試驗(yàn)精度要求的0.02mm 相差5 倍。對(duì)于小于0.1mm 的雨量，用量杯量讀時(shí)只能靠估讀獲得，很容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差。另外，量杯的最大量程是10mm,當(dāng)降雨量P ＞10mm 時(shí)，就需要重復(fù)多次量取，很容易出現(xiàn)量杯內(nèi)的雨水未控干和多次估讀的情況，如：2020年9月18日的降雨量是223.0mm，如此大的降雨量，用量杯量取，至少需要重復(fù)量取23 次，量讀精度很難得到保證。因此，采用量杯量取的雨量值，在精度上不能滿足蒸發(fā)試驗(yàn)的精度要求。用較低精度的雨量值，計(jì)算得到的蒸發(fā)量精度自然不高，往往存在較大的誤差。因此在觀測(cè)時(shí)有必要采取應(yīng)對(duì)策略以消除誤差的源頭，提高測(cè)驗(yàn)精度。

3.雨滴濺起的水花對(duì)蒸發(fā)量影響性狀的分析

降雨時(shí)落到地面的雨滴會(huì)濺起水花，水花的多少、濺起的高度和向四周拋射的距離及對(duì)蒸發(fā)器造成的影響，與降雨的歷時(shí)、強(qiáng)度、雨滴落到地面時(shí)獲得的動(dòng)能和雨滴的落地點(diǎn)距離蒸發(fā)器的遠(yuǎn)近都有密切關(guān)系。其中一部分水花濺起后生成的細(xì)小水珠，會(huì)落到蒸發(fā)器內(nèi)部，雨強(qiáng)越大，單位時(shí)間內(nèi)濺落到蒸發(fā)器里的雨水越多，對(duì)蒸發(fā)量的影響也越大。這種現(xiàn)象等同于給蒸發(fā)器內(nèi)的原狀土體進(jìn)行額外灌水。由于雨滴降落到地面時(shí)濺起的水花，向四周飛射的毫無規(guī)律，無法通過觀測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行量化，也沒有辦法衡量其對(duì)蒸發(fā)結(jié)果影響的深度，實(shí)踐中只能通過對(duì)降雨時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)觀察及根據(jù)計(jì)算得到的蒸發(fā)量E 是否符合邏輯，判斷蒸發(fā)試驗(yàn)受影響的大致情況。正是因?yàn)橛甑螢R起的水花對(duì)土壤蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)造成影響，因此，需要采取針對(duì)性措施，避免其對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度造成影響。

四、水力式土壤蒸發(fā)試驗(yàn)成果受到降雨影響的應(yīng)對(duì)策略

1.稱重法可以有效降低雨量的量讀誤差

用量杯量取雨量時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生估讀誤差及視角誤差等情況，但是采用稱重法測(cè)量降雨量，不但方法簡(jiǎn)單，而且可以最大限度地提高雨量的觀測(cè)精度。電子秤具有操作簡(jiǎn)單、精度高（0.01g）、能夠滿足蒸發(fā)試驗(yàn)的精度要求等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇參與土壤蒸發(fā)試驗(yàn)的雨量時(shí)，其觀測(cè)手段應(yīng)該采用稱重法獲取。已知雨水的重量，經(jīng)過G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）的換算，即可得到準(zhǔn)確的降雨量值。式（1）、（2）中：G 為雨水的重量（g）、V 為雨水的體積（g/cm3）、P 為降雨量（mm）；R=10cm 為雨量器承雨器的截面半徑；ρ=1g/cm3為水的密度；取π=3.14。具體觀測(cè)方法是：首先將儲(chǔ)水瓶連同里面的雨水一起放置電子秤上稱重，得到儲(chǔ)水瓶與雨水的總重量，然后將儲(chǔ)水瓶里的雨水倒出，并將儲(chǔ)水瓶控干水分，之后繼續(xù)稱量?jī)?chǔ)水瓶的重量，最后將總重量減去儲(chǔ)水瓶的重量便得到雨水的重量。根據(jù)：G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）計(jì)算得到實(shí)際降雨量P=G/31.4（mm）。

2.雨滴濺起的水花造成土壤蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的應(yīng)對(duì)策略

雨滴快速?gòu)母呖諌嫷降孛?，由于本身的脆弱，降落到地面后?huì)受到地面的反沖力作用，致使原本較大的雨滴，瞬間碎裂成許多細(xì)小的水珠四散飛濺。經(jīng)過長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)小的水珠向外飛射的距離可以達(dá)到30cm，高度約達(dá)到20cm。因此落到距離蒸發(fā)器較近的雨滴，碎裂后濺起的水珠，很容易落到蒸發(fā)器內(nèi)，引起蒸發(fā)器實(shí)際接受到的雨量，比實(shí)際降雨量大。根據(jù)蒸發(fā)量平衡方程：E=K（△H-△h）+P+X+Z-Y（3）；計(jì)算得到的E 值要比實(shí)際情況偏小，甚至出現(xiàn)E ≤0 的情況。式中:E 表示蒸發(fā)量；K 為蒸發(fā)系數(shù)，由實(shí)際率定獲得；△H 是蒸發(fā)器浮船發(fā)生的垂向位移；△h 是蒸發(fā)器水池里的水位漲落變化值；P 是降雨量；X 是土壤水滲漏量；Z 是溢流量。要消除額外灌水的影響，就要從阻斷雨滴濺起水花的基本條件做出應(yīng)對(duì)。首先將蒸發(fā)器周圍30cm 環(huán)狀地帶的地形，由原來的水平地面，改造成內(nèi)側(cè)高、外側(cè)低、俯角為45°的坡狀地形。如此改造以后，雨滴快速降落到坡地上時(shí)的沖擊力，會(huì)被坡面地形大量地分解。這樣雖然可以降低水花濺起的高度和影響范圍，但不能使這種影響完全消除。因此第二步需要在坡地上鋪上一層草皮，如此改造后，雨滴在落到地面之前，會(huì)受到草坪的第一次消能作用，使雨滴對(duì)地面的沖擊力被提前消減掉一部分。此時(shí)的雨滴繼續(xù)沖向地面的力量已經(jīng)很弱，雨滴繼續(xù)到達(dá)地面時(shí)，又會(huì)受到坡面地形的第二次消能。經(jīng)過兩次消能作用后的雨滴，幾乎不會(huì)再有濺起水花的可能，即使仍然會(huì)有個(gè)別小水珠濺起，也會(huì)被草坪上的矮草所阻擋。由于造成蒸發(fā)器額外灌水的因素已經(jīng)消除，所以土壤蒸發(fā)試驗(yàn)成果的質(zhì)量得到了提高。

五、改變雨量的觀測(cè)方法及對(duì)蒸發(fā)器周圍地形改造的可行分析

1.改變雨量觀測(cè)方法的可行分析

從表1的試驗(yàn)分析中可以發(fā)現(xiàn)，盡管兩次量讀的雨量值是一樣的，但是經(jīng)過稱重后發(fā)現(xiàn)還是存在偏差，同時(shí)隨著量讀次數(shù)的增加，誤差也在不斷地增加，幾乎達(dá)到總量的2.5%，這僅僅是量讀產(chǎn)生的偏差，由于量讀次數(shù)多也很容易造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，從兩種方法得到的結(jié)果分析可知，秤重法更優(yōu)于量讀法。詳見表1。

表1 量讀法與秤重法誤差實(shí)驗(yàn)分析表

2.對(duì)蒸發(fā)器周圍地形進(jìn)行改造的可行分析

2020年6月末對(duì)姚李蒸發(fā)試驗(yàn)站的水力式土壤蒸發(fā)器周圍地形進(jìn)行了上述改造，改造后水花四濺的現(xiàn)象全部消失。通過改造前后6月、7月兩場(chǎng)連續(xù)降雨過程及蒸發(fā)量的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)改造前的蒸發(fā)量明顯偏小，還存在蒸發(fā)量E ＜0 和誤差訂正的情況。從改造后7月份降雨過程看，無論是降雨強(qiáng)度還是降雨歷時(shí)都比6月份大許多，但是觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)E＜0 或需要改正的狀況，相比改造前數(shù)值變化更加平穩(wěn)、更符合實(shí)際情況，見表2（注：觀測(cè)規(guī)范要求，當(dāng)0＜E＞-0.5 時(shí)，蒸發(fā)量記為0；當(dāng)0＜E＜-0.5 時(shí)，蒸發(fā)量要做誤差改正，記為0+）。從上述對(duì)比分析得出結(jié)論，改造后降雨濺起的水花被顯著抑制，消除了額外灌水的影響，因此，對(duì)水力式土壤蒸發(fā)器外圍地形的改造達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)。

表2 2020年姚李蒸發(fā)試驗(yàn)站部分時(shí)段降雨量與蒸發(fā)量對(duì)照分析表

六、結(jié)語

降雨會(huì)給土壤蒸發(fā)試驗(yàn)造成不利影響。本文對(duì)影響成因進(jìn)行了分析，并對(duì)改變雨量觀測(cè)方法和改造蒸發(fā)器周圍地形進(jìn)行了研究。通過采取一系列應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)了提升土壤蒸發(fā)試驗(yàn)精度的目的，為今后的試驗(yàn)研究工作，拓展了一條新思路■