土壤蒸发试验受降雨影响的成因分析及应对策略

2021-08-05马占国

治淮 2021年5期

马占国

一、引言

为了掌握土壤蒸发的一般规律，人们借助水力式土壤蒸发器对土壤蒸发现象进行试验性研究，因受到人为因素及自然因素等多重影响，给研究成果带来了一些不确定性，所以对土壤蒸发试验过程中可能造成误差的因素进行深入分析，及时调整方法和思路，对提高研究成果的可靠性具有重要意义。

二、土壤蒸发试验的影响因素及误差来源分析

1.土壤蒸发试验受影响的因素

土壤蒸发试验是通过水力式土壤蒸发器，对自然界土壤蒸发现象的模拟，经过长期监测、分析，获取土壤蒸发现象一般规律的研究活动。因为土壤蒸发试验是在自然环境下进行的，所以会受到温度、湿度、日照、降雨、风力等因素影响。这些因素一般情况下不是单独发生作用的，通常它们会以几种因素混合作用的形式共同影响蒸发现象的全过程。

2.土壤蒸发试验的误差来源分析

土壤蒸发受影响的因素很复杂，这也是土壤蒸发试验产生误差的重要原因。在研究时必须考虑多重影响因素对试验结果的影响。土壤蒸发试验时已经将上述影响因素列为共同关注项目，进行同步观测。在长期的监测实践中发现，上述各影响因素相互作用后，对试验数据造成误差的表现形式，会以降雨和凝结水（注：本文对凝结水的影响不做讨论）的形式表现出来。在众多造成误差的影响因素中，降雨是最直接的误差来源。量测工具精度的不达标和降雨溅起的水花落到蒸发器内，都会直接导致土壤蒸发成果产生误差。想要降低误差提高试验精度，就需要不断地调整试验方法，尽可能减少可导致误差的不利因素。

三、降雨对蒸发试验的影响形式及成因分析

1.降雨对蒸发试验的影响形式

雨天土壤蒸发量观测起来比较困难，尤其是雨季，不但降雨强度大，而且历时较长，如：梅雨季节，有的年份可能连续降雨十几天甚至更长，此时的降雨量几乎是同时段蒸发量的几倍、几十倍甚至上百倍，对于蒸发器来说要想准确地观测到蒸发量变得异常困难，稍有疏忽就会造成很大的误差。长期的观察发现，降雨对土壤蒸发试验数据产生影响的方式有两种：一种是降雨量的观读误差，另一种是雨滴降落到地面溅起的水花落到蒸发器内造成的影响。

2.降雨量观读误差的成因分析

观测雨量时使用的量杯精度为0.1mm，与土壤蒸发试验精度要求的0.02mm 相差5 倍。对于小于0.1mm 的雨量，用量杯量读时只能靠估读获得，很容易产生读数误差。另外，量杯的最大量程是10mm,当降雨量P ＞10mm 时，就需要重复多次量取，很容易出现量杯内的雨水未控干和多次估读的情况，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，至少需要重复量取23 次，量读精度很难得到保证。因此，采用量杯量取的雨量值，在精度上不能满足蒸发试验的精度要求。用较低精度的雨量值，计算得到的蒸发量精度自然不高，往往存在较大的误差。因此在观测时有必要采取应对策略以消除误差的源头，提高测验精度。

3.雨滴溅起的水花对蒸发量影响性状的分析

降雨时落到地面的雨滴会溅起水花，水花的多少、溅起的高度和向四周抛射的距离及对蒸发器造成的影响，与降雨的历时、强度、雨滴落到地面时获得的动能和雨滴的落地点距离蒸发器的远近都有密切关系。其中一部分水花溅起后生成的细小水珠，会落到蒸发器内部，雨强越大，单位时间内溅落到蒸发器里的雨水越多，对蒸发量的影响也越大。这种现象等同于给蒸发器内的原状土体进行额外灌水。由于雨滴降落到地面时溅起的水花，向四周飞射的毫无规律，无法通过观测手段对其进行量化，也没有办法衡量其对蒸发结果影响的深度，实践中只能通过对降雨时的现场观察及根据计算得到的蒸发量E 是否符合逻辑，判断蒸发试验受影响的大致情况。正是因为雨滴溅起的水花对土壤蒸发试验数据会造成影响，因此，需要采取针对性措施，避免其对试验数据的精度造成影响。

四、水力式土壤蒸发试验成果受到降雨影响的应对策略

1.称重法可以有效降低雨量的量读误差

用量杯量取雨量时，不可避免地会产生估读误差及视角误差等情况，但是采用称重法测量降雨量，不但方法简单，而且可以最大限度地提高雨量的观测精度。电子秤具有操作简单、精度高（0.01g）、能够满足蒸发试验的精度要求等优点，所以选择参与土壤蒸发试验的雨量时，其观测手段应该采用称重法获取。已知雨水的重量，经过G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）的换算，即可得到准确的降雨量值。式（1）、（2）中：G 为雨水的重量（g）、V 为雨水的体积（g/cm3）、P 为降雨量（mm）；R=10cm 为雨量器承雨器的截面半径；ρ=1g/cm3为水的密度；取π=3.14。具体观测方法是：首先将储水瓶连同里面的雨水一起放置电子秤上称重，得到储水瓶与雨水的总重量，然后将储水瓶里的雨水倒出，并将储水瓶控干水分，之后继续称量储水瓶的重量，最后将总重量减去储水瓶的重量便得到雨水的重量。根据：G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）计算得到实际降雨量P=G/31.4（mm）。

2.雨滴溅起的水花造成土壤蒸发试验数据误差的应对策略

雨滴快速从高空坠到地面，由于本身的脆弱，降落到地面后会受到地面的反冲力作用，致使原本较大的雨滴，瞬间碎裂成许多细小的水珠四散飞溅。经过长期观察发现，这些细小的水珠向外飞射的距离可以达到30cm，高度约达到20cm。因此落到距离蒸发器较近的雨滴，碎裂后溅起的水珠，很容易落到蒸发器内，引起蒸发器实际接受到的雨量，比实际降雨量大。根据蒸发量平衡方程：E=K（△H-△h）+P+X+Z-Y（3）；计算得到的E 值要比实际情况偏小，甚至出现E ≤0 的情况。式中:E 表示蒸发量；K 为蒸发系数，由实际率定获得；△H 是蒸发器浮船发生的垂向位移；△h 是蒸发器水池里的水位涨落变化值；P 是降雨量；X 是土壤水渗漏量；Z 是溢流量。要消除额外灌水的影响，就要从阻断雨滴溅起水花的基本条件做出应对。首先将蒸发器周围30cm 环状地带的地形，由原来的水平地面，改造成内侧高、外侧低、俯角为45°的坡状地形。如此改造以后，雨滴快速降落到坡地上时的冲击力，会被坡面地形大量地分解。这样虽然可以降低水花溅起的高度和影响范围，但不能使这种影响完全消除。因此第二步需要在坡地上铺上一层草皮，如此改造后，雨滴在落到地面之前，会受到草坪的第一次消能作用，使雨滴对地面的冲击力被提前消减掉一部分。此时的雨滴继续冲向地面的力量已经很弱，雨滴继续到达地面时，又会受到坡面地形的第二次消能。经过两次消能作用后的雨滴，几乎不会再有溅起水花的可能，即使仍然会有个别小水珠溅起，也会被草坪上的矮草所阻挡。由于造成蒸发器额外灌水的因素已经消除，所以土壤蒸发试验成果的质量得到了提高。

五、改变雨量的观测方法及对蒸发器周围地形改造的可行分析

1.改变雨量观测方法的可行分析

从表1的试验分析中可以发现，尽管两次量读的雨量值是一样的，但是经过称重后发现还是存在偏差，同时随着量读次数的增加，误差也在不断地增加，几乎达到总量的2.5%，这仅仅是量读产生的偏差，由于量读次数多也很容易造成计数错误，从两种方法得到的结果分析可知，秤重法更优于量读法。详见表1。

表1 量读法与秤重法误差实验分析表

2.对蒸发器周围地形进行改造的可行分析

2020年6月末对姚李蒸发试验站的水力式土壤蒸发器周围地形进行了上述改造，改造后水花四溅的现象全部消失。通过改造前后6月、7月两场连续降雨过程及蒸发量的对比分析，发现改造前的蒸发量明显偏小，还存在蒸发量E ＜0 和误差订正的情况。从改造后7月份降雨过程看，无论是降雨强度还是降雨历时都比6月份大许多，但是观测数据没有出现E＜0 或需要改正的状况，相比改造前数值变化更加平稳、更符合实际情况，见表2（注：观测规范要求，当0＜E＞-0.5 时，蒸发量记为0；当0＜E＜-0.5 时，蒸发量要做误差改正，记为0+）。从上述对比分析得出结论，改造后降雨溅起的水花被显著抑制，消除了额外灌水的影响，因此，对水力式土壤蒸发器外围地形的改造达到了预设目标。