土壤蒸發試驗受降雨影響的成因分析及應對策略

馬占國

一、引言

為了掌握土壤蒸發的一般規律，人們借助水力式土壤蒸發器對土壤蒸發現象進行試驗性研究，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，所以對土壤蒸發試驗過程中可能造成誤差的因素進行深入分析，及時調整方法和思路，對提高研究成果的可靠性具有重要意義。

二、土壤蒸發試驗的影響因素及誤差來源分析

1.土壤蒸發試驗受影響的因素

土壤蒸發試驗是通過水力式土壤蒸發器，對自然界土壤蒸發現象的模擬，經過長期監測、分析，獲取土壤蒸發現象一般規律的研究活動。因為土壤蒸發試驗是在自然環境下進行的，所以會受到溫度、濕度、日照、降雨、風力等因素影響。這些因素一般情況下不是單獨發生作用的，通常它們會以幾種因素混合作用的形式共同影響蒸發現象的全過程。

2.土壤蒸發試驗的誤差來源分析

土壤蒸發受影響的因素很復雜，這也是土壤蒸發試驗產生誤差的重要原因。在研究時必須考慮多重影響因素對試驗結果的影響。土壤蒸發試驗時已經將上述影響因素列為共同關注項目，進行同步觀測。在長期的監測實踐中發現，上述各影響因素相互作用后，對試驗數據造成誤差的表現形式，會以降雨和凝結水（注：本文對凝結水的影響不做討論）的形式表現出來。在眾多造成誤差的影響因素中，降雨是最直接的誤差來源。量測工具精度的不達標和降雨濺起的水花落到蒸發器內，都會直接導致土壤蒸發成果產生誤差。想要降低誤差提高試驗精度，就需要不斷地調整試驗方法，盡可能減少可導致誤差的不利因素。

三、降雨對蒸發試驗的影響形式及成因分析

1.降雨對蒸發試驗的影響形式

雨天土壤蒸發量觀測起來比較困難，尤其是雨季，不但降雨強度大，而且歷時較長，如：梅雨季節，有的年份可能連續降雨十幾天甚至更長，此時的降雨量幾乎是同時段蒸發量的幾倍、幾十倍甚至上百倍，對于蒸發器來說要想準確地觀測到蒸發量變得異常困難，稍有疏忽就會造成很大的誤差。長期的觀察發現，降雨對土壤蒸發試驗數據產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器內造成的影響。

2.降雨量觀讀誤差的成因分析

觀測雨量時使用的量杯精度為0.1mm，與土壤蒸發試驗精度要求的0.02mm 相差5 倍。對于小于0.1mm 的雨量，用量杯量讀時只能靠估讀獲得，很容易產生讀數誤差。另外，量杯的最大量程是10mm,當降雨量P ＞10mm 時，就需要重復多次量取，很容易出現量杯內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試驗的精度要求。用較低精度的雨量值，計算得到的蒸發量精度自然不高，往往存在較大的誤差。因此在觀測時有必要采取應對策略以消除誤差的源頭，提高測驗精度。

3.雨滴濺起的水花對蒸發量影響性狀的分析

降雨時落到地面的雨滴會濺起水花，水花的多少、濺起的高度和向四周拋射的距離及對蒸發器造成的影響，與降雨的歷時、強度、雨滴落到地面時獲得的動能和雨滴的落地點距離蒸發器的遠近都有密切關系。其中一部分水花濺起后生成的細小水珠，會落到蒸發器內部，雨強越大，單位時間內濺落到蒸發器里的雨水越多，對蒸發量的影響也越大。這種現象等同于給蒸發器內的原狀土體進行額外灌水。由于雨滴降落到地面時濺起的水花，向四周飛射的毫無規律，無法通過觀測手段對其進行量化，也沒有辦法衡量其對蒸發結果影響的深度，實踐中只能通過對降雨時的現場觀察及根據計算得到的蒸發量E 是否符合邏輯，判斷蒸發試驗受影響的大致情況。正是因為雨滴濺起的水花對土壤蒸發試驗數據會造成影響，因此，需要采取針對性措施，避免其對試驗數據的精度造成影響。

四、水力式土壤蒸發試驗成果受到降雨影響的應對策略

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，不可避免地會產生估讀誤差及視角誤差等情況，但是采用稱重法測量降雨量，不但方法簡單，而且可以最大限度地提高雨量的觀測精度。電子秤具有操作簡單、精度高（0.01g）、能夠滿足蒸發試驗的精度要求等優點，所以選擇參與土壤蒸發試驗的雨量時，其觀測手段應該采用稱重法獲取。已知雨水的重量，經過G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）的換算，即可得到準確的降雨量值。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。具體觀測方法是：首先將儲水瓶連同里面的雨水一起放置電子秤上稱重，得到儲水瓶與雨水的總重量，然后將儲水瓶里的雨水倒出，并將儲水瓶控干水分，之后繼續稱量儲水瓶的重量，最后將總重量減去儲水瓶的重量便得到雨水的重量。根據：G=ρ*V（1）和V=πR2P（2）計算得到實際降雨量P=G/31.4（mm）。

2.雨滴濺起的水花造成土壤蒸發試驗數據誤差的應對策略

雨滴快速從高空墜到地面，由于本身的脆弱，降落到地面后會受到地面的反沖力作用，致使原本較大的雨滴，瞬間碎裂成許多細小的水珠四散飛濺。經過長期觀察發現，這些細小的水珠向外飛射的距離可以達到30cm，高度約達到20cm。因此落到距離蒸發器較近的雨滴，碎裂后濺起的水珠，很容易落到蒸發器內，引起蒸發器實際接受到的雨量，比實際降雨量大。根據蒸發量平衡方程：E=K（△H-△h）+P+X+Z-Y（3）；計算得到的E 值要比實際情況偏小，甚至出現E ≤0 的情況。式中:E 表示蒸發量；K 為蒸發系數，由實際率定獲得；△H 是蒸發器浮船發生的垂向位移；△h 是蒸發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對。首先將蒸發器周圍30cm 環狀地帶的地形，由原來的水平地面，改造成內側高、外側低、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的沖擊力，會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，會受到草坪的第一次消能作用，使雨滴對地面的沖擊力被提前消減掉一部分。此時的雨滴繼續沖向地面的力量已經很弱，雨滴繼續到達地面時，又會受到坡面地形的第二次消能。經過兩次消能作用后的雨滴，幾乎不會再有濺起水花的可能，即使仍然會有個別小水珠濺起，也會被草坪上的矮草所阻擋。由于造成蒸發器額外灌水的因素已經消除，所以土壤蒸發試驗成果的質量得到了提高。

五、改變雨量的觀測方法及對蒸發器周圍地形改造的可行分析

1.改變雨量觀測方法的可行分析

從表1的試驗分析中可以發現，盡管兩次量讀的雨量值是一樣的，但是經過稱重后發現還是存在偏差，同時隨著量讀次數的增加，誤差也在不斷地增加，幾乎達到總量的2.5%，這僅僅是量讀產生的偏差，由于量讀次數多也很容易造成計數錯誤，從兩種方法得到的結果分析可知，秤重法更優于量讀法。詳見表1。

表1 量讀法與秤重法誤差實驗分析表

2.對蒸發器周圍地形進行改造的可行分析

2020年6月末對姚李蒸發試驗站的水力式土壤蒸發器周圍地形進行了上述改造，改造后水花四濺的現象全部消失。通過改造前后6月、7月兩場連續降雨過程及蒸發量的對比分析，發現改造前的蒸發量明顯偏小，還存在蒸發量E ＜0 和誤差訂正的情況。從改造后7月份降雨過程看，無論是降雨強度還是降雨歷時都比6月份大許多，但是觀測數據沒有出現E＜0 或需要改正的狀況，相比改造前數值變化更加平穩、更符合實際情況，見表2（注：觀測規范要求，當0＜E＞-0.5 時，蒸發量記為0；當0＜E＜-0.5 時，蒸發量要做誤差改正，記為0+）。從上述對比分析得出結論，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，對水力式土壤蒸發器外圍地形的改造達到了預設目標。

表2 2020年姚李蒸發試驗站部分時段降雨量與蒸發量對照分析表

六、結語

降雨會給土壤蒸發試驗造成不利影響。本文對影響成因進行了分析，并對改變雨量觀測方法和改造蒸發器周圍地形進行了研究。通過采取一系列應對措施，實現了提升土壤蒸發試驗精度的目的，為今后的試驗研究工作，拓展了一條新思路■