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摘 要：为有效实现蒸发的自动记录与存储，长江委水文局研制生产的CJH-E1型降雨蒸发系统，具有计量精准、结构简单、操作便捷、运行稳定等优点。该文介绍了该系统的结构、性能、工作过程及简易操作流程。并以黄家港水文站的比测为例，分别以天、月为单位，分析了该系统的降雨、蒸发误差，从而计算出单月、总量的平均误差，能够满足《水面蒸发观测规范》。为该系统的顺利投产提供了理论与实践依据。
关键词：蒸发系统 结构 原理 比测分析
中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）11（b）-0062-05
Abstract： In order to effectively realize the automatic recording and storage of evaporation， cjh-e1 rainfall evaporation system developed by Hydrological Bureau of Yangtze River Commission has the advantages of accurate measurement， simple structure， convenient operation and stable operation. This paper introduces the structure， performance， working process and simple operation flow of the system. Taking huangjiagang hydrological station as an example， the rainfall and evaporation errors of the system are analyzed in the unit of days and months， so as to calculate the average error of single month and total amount， which can meet the requirements of "water surface evaporation observation specification". It provides a theoretical and practical basis for the smooth operation of the system.
Key Words： Evaporation system; Structure; Principle; Comparative analysis
黃家港水文站位于丹江口大坝下游6km处，是大坝的出库控制站，多年来，为丹江口水库下泄流量、生态调水，以及汉江中下游防汛抗旱起到了尖兵和耳目的作用。该站的蒸发观测为丹江口水库的水量平衡、气象因子分析等提供了理论依据。随着长江水文自动化、信息化的建设，如何实现蒸发观测的自动采集、存储等一直困扰着水文基层职工。经长江委水文局技术中心研制并生产的CJH-E1型降雨蒸发系统，自2018年在该站投入运行以来，一直较稳定，并成功收集了完整的比测资料。经分析，其平均偏差满足《水面蒸发观测规范》规范要求。
1 CHJ-E1型降雨蒸发器主要性能
1.1 蒸发器构造
CJH-E1型降雨蒸发系统由E601B蒸发皿、数字式雨量计、蒸发测量传感器、采集控制器、给排水设备、数据传输及供电设备组成。
其中蒸发系统由E601B蒸发器（温度传感器、蒸发测针）、蒸发器给排水设备组成，雨量采集设备由承雨口、雨量筒、雨量传感器以及给排水设备组成。
1.2 工作模式
CHJ-E1型降雨蒸发系统可满足人工观测与仪器自记，其中E601B蒸发器水面高度利用测针进行人工观测，观测时测针放置在蒸发桶外壁的测针底座上，调节测针高度使得测针针尖刚好接触水面，此时测针读数即为水面高度。记录单位观测时间内液面高度差，即可得蒸发量。
蒸发量自记系统也利用E601B蒸发器，通过连通管与蒸发测量筒相连，蒸发器液面高度改变会影响测量筒内浮球位置，使传感器记录数据。降雨自记系统传感器通过雨量筒液面变化记录雨量。在降雨期间，采集该时段累计降雨量，降雨结束后，控制器以蒸发桶内水位数据扣除降雨量，并将该水位作为量测下一时段蒸发量的起点。自记系统传感器采用磁致伸缩传感器，测验量程均为330 mm，精度为0.01 mm，满足水文测验规范。
在安装降雨、蒸发器的测量桶时采用单点悬挂结构，保证测量筒一直处于铅直状态，确保测量记录精度。
1.3 主要性能特点
（1）该系统采用行业最先进的传感器，分辨力达10 μm，完全满足水文气象行业蒸发和降雨观测规范要求。
（2）采用抗风浪设计，大大减小了风浪因素干扰造成的测量误差，既适合陆地水面蒸发量监测，也适合大水体水面蒸发量监测。
（3）双传感器互补测量，计量精度不受降雨强度影响。
（4）友好的用户访问解决方案，可以通过手机发送短信指令，查询系统工作状态。
（5）超低功耗设计，38 Ah的蓄电池供电，在不充电的情况下可以持续工作1个月以上。 （6）监测数据既可以采用有线方式传输，也可以无线方式传输，安装方便灵活。
2 系统安装调试
该蒸发系统由太阳能浮充，12 V铅酸蓄电池供电，控制器根据规定的任务，定时采集电池电压、雨量传感器液位高度、蒸发传感器液位高度、水温等信息，并根据需要将采集的信息发送到数据接收平台，数据接收平台根据各个时刻的容器液位值，计算日降雨量和日蒸发量。
2.1 蒸发安装
蒸发系统主要包括蒸发器、蒸发测量筒、给排水系统的安装调试。
测量筒的安装：测量筒安装应尽量保持竖直，安装时可以在筒上标最高水位线H4（近似和蒸发器的溢流孔等高）和最低水位线H1（在溢流表孔下方6 cm），以便后期维护比测，也可以在蒸发器内壁标上同样的水位线。可以通过充水试验来确定水位线的位置。该蒸发系统没有溢流筒，为了准确计量，溢流孔应该用橡皮塞堵住。
补水桶的安装：补水桶和连通器之间设置有补水阀，正常工作时处于关闭状态，需要补水时阀门自动打开给连通器补水（补水阀直接与自来水管相连）。
蒸发人工排水阀的使用：系统维护时，当需要降低连通器的水位时，可打开人工排水阀。清洗蒸发测量筒时关闭清洗阀，打开蒸发人工排水阀可以排除污水。
清洗阀的使用：清洗E601B蒸发器时，可以关闭清洗阀防止空气进入连通管路形成栓塞，避免测量数据失真，另外还可以根据实际情况调节人工阀的开度，减小测量误差。
整个蒸发液位工作过程如图2所示，蒸发采集管路部分主要由蒸发传感器、测量筒、连通阀、蒸发人工排水阀、蒸发自动排水阀、补水阀、清洗阀、E601B蒸发器等组成。正常工作时连通阀和清洗阀处于打开状态，其他阀门处于关闭状态，蒸发器和测量筒构成一个连通器，确保E601B蒸发器与蒸发测量筒的液位高度一致。当由于太阳或者风的原因，E601B蒸发器里面的液位降低时，蒸发测量筒的液位相应地降低。
2.2 雨量安装
图2左侧部分是雨量采集设备结构示意图，主要由承雨口、导流管、雨量传感器、雨量筒、雨量自动排水阀、雨量人工排水阀等组成。
在安装过程中要根据相关规范要求，承雨口必须水平安装。雨量导流管上端和承雨口漏斗末端连接，下端和雨量筒的进水口连接，连接部位应做到密封。
排水管及阀门的安装：雨量筒的最下端有排水孔，雨量人工排水阀、雨量自动排水阀和雨量筒最下端的排水孔通过三通相连，各水管接头处应该密封。平时各阀门处于关闭状态，当筒内水位達到预定高度时雨量自动排水阀将会打开启动排水，水位高度降低到预定高度时，阀门会自动关闭。清洗雨量筒时可以打开雨量人工排水阀以排除污水，清洗完毕阀门应关闭。
为了保证测量精度，雨量筒应尽可能竖直。该系统通过重力作用来保证雨量筒处于竖直状态。
2.3 系统调试
蒸发连通器水面初始化后有少许空气滞留在管路中容易形成栓塞影响水的流动性，需要进行“排气”操作。图2右侧蒸发器中的水经过清洗阀后分成两路，一路通往蒸发自动排水阀和补水阀用作给排水管，另一路通往测量筒形成连通器，使用时这2根管子可以互换。通常空气栓塞对用作给排水的管路影响小，可以不排气，只用对连通管进行排气操作。如图2所示，排气分向左排气和向右排气两步进行。
（1）向左排气。完成向E601B蒸发器注水后，如图2所示打开蒸发人工排水阀，让水从E601B沿管路流出，冲出管中气泡。为了提高水流速度使排气更彻底，可以在排水阀末端接一截硅胶软管，使管口下垂，提高排水水头以提高水流速度。
（2）向右排气。有时由于管路敷设不平向左排气不彻底需要向右排气，即水流从人工排水阀流入到E601B蒸发器中。如图3所示向右排气示意图左侧，备好一桶水（水量大于10 L）和一根虹吸管，将水桶放置在仪器柜顶上，虹吸管一段放在水桶中启动虹吸管使水流出，打开蒸发人工排水阀使水流出，然后将虹吸管的另一端接在人工排水阀的管口实现向右排气，待水快吸完时关闭排水阀即可。为了排气彻底，可以提高水桶高度以提高虹吸速度。向右排气应避免虹吸管中的空气流入连通管形成新的空气栓塞。
3 系统设置
系统管路安装完毕后应给雨量筒和蒸发器内的水面进行初始化设置，方法具体如下。
缓慢给雨量筒注水，直到水面高度刚好超过容器P1刻度线（为了人工观读方便容器上贴有刻度尺，P1刻度线一般在3 cm刻度位置）。
向E601B蒸发器注水（注意打开清洗阀、连通阀、关闭蒸发人工阀门），直到水面高度达到溢流孔的位置，等待2 min确保测量筒和蒸发筒液面高度一致，此时的水位线为系统工作时的最高水位线H4，待设备上电后记录下此时的传感器液位读数，供设置“最高限制水位”参数时用，贴上刻度纸以便人工观测比较。容器水面进行初始化结束后应仔细观察各水管接头处是否有漏水现象，管路漏水将导致测量结果失真。
4 比测分析
自2018年9月CJH-E1型降雨蒸发系统在长江委水文汉江局投入使用以来，测站安排专人负责系统的运行，并收集了详细的比测资料，其比测结果分析如下（其中自记蒸发或人工数据观测不全的日期没有纳入比测）。
4.1 当日雨量与蒸发比测分析
以刚开始运行的当月数据为例进行每天的雨量和蒸发量分析，自2018年9月14日至2018年9月30日共17个样本，具体见表1。
当日降雨范围为0.4～18.9 mm，总降雨量为66.3mm（以人工观测的为准），与人工观测想比较，误差最大了4.64%，平均相对误差为0.41%。每日蒸发量从0.2～4.1 mm，总蒸发量为35.4 mm（以人工观测的为准），与人工观测想比较，误差最大为-8.31%，平均相对误差为-1.98%。平均相对偏差小于国家标准《水面蒸发观测规范》（GB/T 21327-2007）相对偏差不超过±3%的要求。 4.2 以月为单位分析比测
以月为单位，对当月的降雨和蒸发量进行分析，选取的时间段为2018年9月至2019年6月，共10个月的样本，其结果见表2。
总降雨量为433.2 mm（以人工观测的为准），当月误差最大为-6.45%、当月误差最小为-0.13%，平均相对误差为0.50%;总蒸发量510.9 mm（以人工观测的为准），当月误差最小为-0.46%，当月误差最大为-3.95%，平均相对误差为1.98%。平均相对偏差小于国家标准《水面蒸发观测规范》（GB/T 21327-2007）相对偏差不超过±3%的要求。
以上两组比测分析数据说明，在仪器运行正常的情况下，CJH-E1型雨量蒸发系统的数据与人工观测的比较，其平均相对偏差能满足《水面蒸发观测规范》规范要求，小于±3%的误差范围。
5 结语
CJH-E1型降雨蒸发系统自安装以来，经过系统的调试、比测等工作，达到了理想的效果。特别是该系统运行的稳定性，既减轻了测站人员的观测劳动强度，又确保了数据的连续性、完整性。充分实现了水利水文自动化的建设要求，为下一步丹江口水库的水量平衡、探求蒸发器折算系数、水面蒸发经验公式及气象因子与蒸发量的关系等提供科学的参考依据，为水资源研究、降雨径流预报等提供水面蒸发及其附属项目的基础数据。
参考文献
[1] 冯能操，陈兴农，吴竞博.丹江口水库水面蒸发监测站的建设及运行[J].人民长江，2018，49（2）：29-34.
[2] QX/T 54-2007，地面气象观测规范.第10部分：蒸发观测[S].北京：气象出版社，2007.
[3] SD 265-1988，水面蒸发观测规范[S].北京：水利电力出版社，1988.
[4] 梁智杰.数字水面蒸发站在容县水文站的应用分析[J].广西水利水电，2020（1）：88-90，95.
[5] 孔令启，陆建伟，王军.在線数字化水面蒸发观测系统及其应用[J].江苏水利，2019（11）：46-50.
[6] 张丽花.基于磁致伸缩技术的水面蒸发在线监测系统应用[J].人民长江，2019，50（7）：87-91.
[7] 张子敬，翟晋浩，李明慧，等.潜水蒸发监测技术的改进[J].河南水利与南水北调，2018，47（7）：84-86.
[8] 杨溯，高然.水面蒸发量自动监测装置液位计的选型[J].吉林水利，2018（7）：49-52.
关键词：蒸发系统 结构 原理 比测分析
中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）11（b）-0062-05
Abstract： In order to effectively realize the automatic recording and storage of evaporation， cjh-e1 rainfall evaporation system developed by Hydrological Bureau of Yangtze River Commission has the advantages of accurate measurement， simple structure， convenient operation and stable operation. This paper introduces the structure， performance， working process and simple operation flow of the system. Taking huangjiagang hydrological station as an example， the rainfall and evaporation errors of the system are analyzed in the unit of days and months， so as to calculate the average error of single month and total amount， which can meet the requirements of "water surface evaporation observation specification". It provides a theoretical and practical basis for the smooth operation of the system.
Key Words： Evaporation system; Structure; Principle; Comparative analysis
黃家港水文站位于丹江口大坝下游6km处，是大坝的出库控制站，多年来，为丹江口水库下泄流量、生态调水，以及汉江中下游防汛抗旱起到了尖兵和耳目的作用。该站的蒸发观测为丹江口水库的水量平衡、气象因子分析等提供了理论依据。随着长江水文自动化、信息化的建设，如何实现蒸发观测的自动采集、存储等一直困扰着水文基层职工。经长江委水文局技术中心研制并生产的CJH-E1型降雨蒸发系统，自2018年在该站投入运行以来，一直较稳定，并成功收集了完整的比测资料。经分析，其平均偏差满足《水面蒸发观测规范》规范要求。
1 CHJ-E1型降雨蒸发器主要性能
1.1 蒸发器构造
CJH-E1型降雨蒸发系统由E601B蒸发皿、数字式雨量计、蒸发测量传感器、采集控制器、给排水设备、数据传输及供电设备组成。
其中蒸发系统由E601B蒸发器（温度传感器、蒸发测针）、蒸发器给排水设备组成，雨量采集设备由承雨口、雨量筒、雨量传感器以及给排水设备组成。
1.2 工作模式
CHJ-E1型降雨蒸发系统可满足人工观测与仪器自记，其中E601B蒸发器水面高度利用测针进行人工观测，观测时测针放置在蒸发桶外壁的测针底座上，调节测针高度使得测针针尖刚好接触水面，此时测针读数即为水面高度。记录单位观测时间内液面高度差，即可得蒸发量。
蒸发量自记系统也利用E601B蒸发器，通过连通管与蒸发测量筒相连，蒸发器液面高度改变会影响测量筒内浮球位置，使传感器记录数据。降雨自记系统传感器通过雨量筒液面变化记录雨量。在降雨期间，采集该时段累计降雨量，降雨结束后，控制器以蒸发桶内水位数据扣除降雨量，并将该水位作为量测下一时段蒸发量的起点。自记系统传感器采用磁致伸缩传感器，测验量程均为330 mm，精度为0.01 mm，满足水文测验规范。
在安装降雨、蒸发器的测量桶时采用单点悬挂结构，保证测量筒一直处于铅直状态，确保测量记录精度。
1.3 主要性能特点
（1）该系统采用行业最先进的传感器，分辨力达10 μm，完全满足水文气象行业蒸发和降雨观测规范要求。
（2）采用抗风浪设计，大大减小了风浪因素干扰造成的测量误差，既适合陆地水面蒸发量监测，也适合大水体水面蒸发量监测。
（3）双传感器互补测量，计量精度不受降雨强度影响。
（4）友好的用户访问解决方案，可以通过手机发送短信指令，查询系统工作状态。
（5）超低功耗设计，38 Ah的蓄电池供电，在不充电的情况下可以持续工作1个月以上。 （6）监测数据既可以采用有线方式传输，也可以无线方式传输，安装方便灵活。
2 系统安装调试
该蒸发系统由太阳能浮充，12 V铅酸蓄电池供电，控制器根据规定的任务，定时采集电池电压、雨量传感器液位高度、蒸发传感器液位高度、水温等信息，并根据需要将采集的信息发送到数据接收平台，数据接收平台根据各个时刻的容器液位值，计算日降雨量和日蒸发量。
2.1 蒸发安装
蒸发系统主要包括蒸发器、蒸发测量筒、给排水系统的安装调试。
测量筒的安装：测量筒安装应尽量保持竖直，安装时可以在筒上标最高水位线H4（近似和蒸发器的溢流孔等高）和最低水位线H1（在溢流表孔下方6 cm），以便后期维护比测，也可以在蒸发器内壁标上同样的水位线。可以通过充水试验来确定水位线的位置。该蒸发系统没有溢流筒，为了准确计量，溢流孔应该用橡皮塞堵住。
补水桶的安装：补水桶和连通器之间设置有补水阀，正常工作时处于关闭状态，需要补水时阀门自动打开给连通器补水（补水阀直接与自来水管相连）。
蒸发人工排水阀的使用：系统维护时，当需要降低连通器的水位时，可打开人工排水阀。清洗蒸发测量筒时关闭清洗阀，打开蒸发人工排水阀可以排除污水。
清洗阀的使用：清洗E601B蒸发器时，可以关闭清洗阀防止空气进入连通管路形成栓塞，避免测量数据失真，另外还可以根据实际情况调节人工阀的开度，减小测量误差。
整个蒸发液位工作过程如图2所示，蒸发采集管路部分主要由蒸发传感器、测量筒、连通阀、蒸发人工排水阀、蒸发自动排水阀、补水阀、清洗阀、E601B蒸发器等组成。正常工作时连通阀和清洗阀处于打开状态，其他阀门处于关闭状态，蒸发器和测量筒构成一个连通器，确保E601B蒸发器与蒸发测量筒的液位高度一致。当由于太阳或者风的原因，E601B蒸发器里面的液位降低时，蒸发测量筒的液位相应地降低。
2.2 雨量安装
图2左侧部分是雨量采集设备结构示意图，主要由承雨口、导流管、雨量传感器、雨量筒、雨量自动排水阀、雨量人工排水阀等组成。
在安装过程中要根据相关规范要求，承雨口必须水平安装。雨量导流管上端和承雨口漏斗末端连接，下端和雨量筒的进水口连接，连接部位应做到密封。
排水管及阀门的安装：雨量筒的最下端有排水孔，雨量人工排水阀、雨量自动排水阀和雨量筒最下端的排水孔通过三通相连，各水管接头处应该密封。平时各阀门处于关闭状态，当筒内水位達到预定高度时雨量自动排水阀将会打开启动排水，水位高度降低到预定高度时，阀门会自动关闭。清洗雨量筒时可以打开雨量人工排水阀以排除污水，清洗完毕阀门应关闭。
为了保证测量精度，雨量筒应尽可能竖直。该系统通过重力作用来保证雨量筒处于竖直状态。
2.3 系统调试
蒸发连通器水面初始化后有少许空气滞留在管路中容易形成栓塞影响水的流动性，需要进行“排气”操作。图2右侧蒸发器中的水经过清洗阀后分成两路，一路通往蒸发自动排水阀和补水阀用作给排水管，另一路通往测量筒形成连通器，使用时这2根管子可以互换。通常空气栓塞对用作给排水的管路影响小，可以不排气，只用对连通管进行排气操作。如图2所示，排气分向左排气和向右排气两步进行。
（1）向左排气。完成向E601B蒸发器注水后，如图2所示打开蒸发人工排水阀，让水从E601B沿管路流出，冲出管中气泡。为了提高水流速度使排气更彻底，可以在排水阀末端接一截硅胶软管，使管口下垂，提高排水水头以提高水流速度。
（2）向右排气。有时由于管路敷设不平向左排气不彻底需要向右排气，即水流从人工排水阀流入到E601B蒸发器中。如图3所示向右排气示意图左侧，备好一桶水（水量大于10 L）和一根虹吸管，将水桶放置在仪器柜顶上，虹吸管一段放在水桶中启动虹吸管使水流出，打开蒸发人工排水阀使水流出，然后将虹吸管的另一端接在人工排水阀的管口实现向右排气，待水快吸完时关闭排水阀即可。为了排气彻底，可以提高水桶高度以提高虹吸速度。向右排气应避免虹吸管中的空气流入连通管形成新的空气栓塞。
3 系统设置
系统管路安装完毕后应给雨量筒和蒸发器内的水面进行初始化设置，方法具体如下。
缓慢给雨量筒注水，直到水面高度刚好超过容器P1刻度线（为了人工观读方便容器上贴有刻度尺，P1刻度线一般在3 cm刻度位置）。
向E601B蒸发器注水（注意打开清洗阀、连通阀、关闭蒸发人工阀门），直到水面高度达到溢流孔的位置，等待2 min确保测量筒和蒸发筒液面高度一致，此时的水位线为系统工作时的最高水位线H4，待设备上电后记录下此时的传感器液位读数，供设置“最高限制水位”参数时用，贴上刻度纸以便人工观测比较。容器水面进行初始化结束后应仔细观察各水管接头处是否有漏水现象，管路漏水将导致测量结果失真。
4 比测分析
自2018年9月CJH-E1型降雨蒸发系统在长江委水文汉江局投入使用以来，测站安排专人负责系统的运行，并收集了详细的比测资料，其比测结果分析如下（其中自记蒸发或人工数据观测不全的日期没有纳入比测）。
4.1 当日雨量与蒸发比测分析
以刚开始运行的当月数据为例进行每天的雨量和蒸发量分析，自2018年9月14日至2018年9月30日共17个样本，具体见表1。
当日降雨范围为0.4～18.9 mm，总降雨量为66.3mm（以人工观测的为准），与人工观测想比较，误差最大了4.64%，平均相对误差为0.41%。每日蒸发量从0.2～4.1 mm，总蒸发量为35.4 mm（以人工观测的为准），与人工观测想比较，误差最大为-8.31%，平均相对误差为-1.98%。平均相对偏差小于国家标准《水面蒸发观测规范》（GB/T 21327-2007）相对偏差不超过±3%的要求。 4.2 以月为单位分析比测
以月为单位，对当月的降雨和蒸发量进行分析，选取的时间段为2018年9月至2019年6月，共10个月的样本，其结果见表2。
总降雨量为433.2 mm（以人工观测的为准），当月误差最大为-6.45%、当月误差最小为-0.13%，平均相对误差为0.50%;总蒸发量510.9 mm（以人工观测的为准），当月误差最小为-0.46%，当月误差最大为-3.95%，平均相对误差为1.98%。平均相对偏差小于国家标准《水面蒸发观测规范》（GB/T 21327-2007）相对偏差不超过±3%的要求。
以上两组比测分析数据说明，在仪器运行正常的情况下，CJH-E1型雨量蒸发系统的数据与人工观测的比较，其平均相对偏差能满足《水面蒸发观测规范》规范要求，小于±3%的误差范围。
5 结语
CJH-E1型降雨蒸发系统自安装以来，经过系统的调试、比测等工作，达到了理想的效果。特别是该系统运行的稳定性，既减轻了测站人员的观测劳动强度，又确保了数据的连续性、完整性。充分实现了水利水文自动化的建设要求，为下一步丹江口水库的水量平衡、探求蒸发器折算系数、水面蒸发经验公式及气象因子与蒸发量的关系等提供科学的参考依据，为水资源研究、降雨径流预报等提供水面蒸发及其附属项目的基础数据。
参考文献
[1] 冯能操，陈兴农，吴竞博.丹江口水库水面蒸发监测站的建设及运行[J].人民长江，2018，49（2）：29-34.
[2] QX/T 54-2007，地面气象观测规范.第10部分：蒸发观测[S].北京：气象出版社，2007.
[3] SD 265-1988，水面蒸发观测规范[S].北京：水利电力出版社，1988.
[4] 梁智杰.数字水面蒸发站在容县水文站的应用分析[J].广西水利水电，2020（1）：88-90，95.
[5] 孔令启，陆建伟，王军.在線数字化水面蒸发观测系统及其应用[J].江苏水利，2019（11）：46-50.
[6] 张丽花.基于磁致伸缩技术的水面蒸发在线监测系统应用[J].人民长江，2019，50（7）：87-91.
[7] 张子敬，翟晋浩，李明慧，等.潜水蒸发监测技术的改进[J].河南水利与南水北调，2018，47（7）：84-86.
[8] 杨溯，高然.水面蒸发量自动监测装置液位计的选型[J].吉林水利，2018（7）：49-52.