不同代表年份土壤蒸發與不同驅動要素之間的相關關系分析

汪瑩瑩

(安徽省水文局淠史杭蒸發實驗站，安徽 六安 237000)

土壤蒸發指土壤中的水分通過上升和汽化從土壤表面進入大氣的過程。是水文循環的一個重要環節。地球上年降水量約70%是以蒸發形式返回大氣。對蒸發的觀測研究不僅對水文科學具有重要意義，同時對水資源評價、規劃與開發利用都具有重要的理論和實踐意義。土壤蒸發過程受各種條件(如氣象、土壤、植被等)的影響，要想在自然條件下獲得蒸發量的絕對數值實屬不易。蒸發量的確定對解決氣象學、土壤學及其他水文氣象學科中很多實際問題具有重要意義。土壤改良措施的規劃，不同天氣與氣候條件下灌溉定額和灌溉時期的估計，農田土壤水分預報以及抗旱保墑等措施，都需要大量的土壤蒸發資料。

在水量平衡當中，我國最缺乏的資料就是土壤蒸發方面的資料，尤其是在水資源的管理、計算和規劃方面的資料非常缺乏。水面蒸發，我國已經有一套成熟的觀測方法，而且站點也比較多，但是土壤蒸發這一塊，包括裸土蒸發、作物蒸發、森林蒸發等等幾乎是空白。

我國是典型的季風氣候，夏季季風強弱不同導致水旱災害頻繁，本文以中國安徽省西南部江淮丘陵區的淠史杭蒸發實驗站為研究目標，以該站1983—2021年降水量為標準選取降水特豐年份、平水年份、特枯年份，分析相應年份裸土蒸發和降水量、水面蒸發量之間的相關關系。

1 資料和方法

1.1 流域和資料概況

淠史杭蒸發實驗站地處淮河支流淠河中游地區，位于安徽省六安市望城崗街道，該站屬于皖西丘陵地區是北亞熱帶向暖溫帶轉換的過渡帶，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候。冬冷夏熱，雨量適中，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期時間長。該站設站時間為1982年9月，設站目的是為淠史杭灌區灌溉用水的科學調度、水資源調查評價及計算、工程建設和規劃等服務。是國家重要水文站，具體從事水面蒸發、土壤蒸發、降水量、氣象實驗及水平衡實驗與研究。

水力式土壤蒸發器是20世紀50年代由中國科學院地理研究所從原蘇聯瓦爾達依蒸發實驗研究所引進而來的。它由水池浮游系統、內外套筒、平衡法碼、三角構架和微測計等主要部件組成，試驗土柱圓面積0.2，深1.5m，容積可裝0.3m3的原狀土柱，該儀器觀測方便，可以觀測百分之二毫米的微量變化，稱重感量達到十萬分之四，能測土壤蒸發的日化過程，是目前陸面土壤蒸發較好儀器。也是目前華東地區僅存的一套高精度人工土壤蒸發器。資料十分珍貴。本次選取水力式土壤蒸發、E601B水面蒸發、降水量資料研究不同頻次代表年份土壤蒸發與水面蒸發、降水量之間的相關關系。

1.2 研究方法

一元線性回歸模型是統計學中回歸分析預測理論的一種重要方法，應用于自然科學、工程技術和經濟分析的各個領域，有較強的實用性，該方法的基本思想是：首先確定兩個變量之間是否存在線性相關關系，然后用最小二乘法求出回歸方程并進行預測，最后計算估計標準誤差以確定回歸模型的可靠程度。其中回歸系數的確定是建立一元線性回歸模型的重要一環。

測定兩組變量是否存在線性關系，可以通過以下途徑：

(1)畫散點圖，看數據是否大致沿直線分布；

(2)計算兩組變量的相關系數：

式中，r—相關系數；N—樣本量；i—樣本序號。|r|越趨近1時，相關性越高；當|r|越趨近于0時，相關性越低。

本次研究將長系列雨量資料(1983—2021年)排頻繪制皮爾遜Ⅲ頻率曲線，基于六安市水資源規劃對于長系列降水不同頻次的分析，選取特豐水年(保證率<12.5%)、平水年(保證率37.5%～62.5%，參照多年平均值)、特枯水年(保證率>87.5%)。最終選取特豐水代表年份2010年、平水代表年份2015年、特枯水代表年份2019年。根據降水量挑選的特豐、平、特枯水代表年份，研究不同頻次年份降水量對土壤蒸發的影響關系，分析土壤蒸發與水面蒸發的相關關系。

2 研究結果

2.1 特豐、平、特枯水年份土壤實際蒸發量與降水量的相關關系

為了提高分析的科學性，考慮季節因素，將年降水日的日數按照月份劃分為7組，分別是：1—4月、5月、6月、7月、8月、9月、10—12月。按照兩種時間尺度來分析土壤蒸發量和降水量的相關關系。分別是：1d降水尺度和10d累計降水尺度?？紤]10d降水量樣本數量有限，按照月份劃分為3組，分別是：1—4月、5—9月、10—12月，符合江淮丘陵區對于汛期和非汛期的劃分。

1d降水量和10d累計降水量兩種時間尺度下土壤實際蒸發量與降水量的散點分布圖如圖1—3所示，兩者相關關系分析結果見表1。

從表1中可以看出：①1d尺度相關性特別是汛期多呈負相關，這與水力式土壤蒸發器的觀測特點有關，水力式土壤蒸發器經過多年的運行，其能承受的降雨強度降低，為避免儀器下沉，在汛期集中降雨和暴雨時段采取相關避雨措施，另外在降雨集中期或者降雨較大的時期土壤達到田間持水量之后，土壤不再吸收水分，降雨流失，土壤蒸發還維持原來的數值，導致降雨雖大，但蒸發量還維持在一定的范圍導致相關性較差。這就解釋了豐水年、平水年土壤實際蒸發量和降水量多呈負相關的原因?？菟攴菀蚪涤晟偾也患校斀涤晖寥莱睗駮r，蒸發在土表進行，土壤蒸發隨著降雨的增加而增大，干旱時土壤內毛細管的供水作用停止，蒸發僅在深層進行，蒸發值隨降雨的減小而減少。因此枯水年分土壤實際蒸發量與降水量呈現較好的相關性。

圖1 特豐水年土壤實際蒸發量與降水量的關系

圖2 平水年土壤實際蒸發量與降水量的關系

圖3 特枯水年土壤實際蒸發量與降水量的關系

表1 豐平枯水年份不同時間尺度土壤實際蒸發量和降水量相關關系

②10d尺度較1d尺度的相關性好且均為正相關，這是因為土壤蒸發除了受降水量的影響，還受到許多因素(比如土壤質地、土溫、日照、風速、飽和差等)的影響，每天每月的情況會更復雜一些，10d的數值在一定程度上減少了誤差，提高了數據的代表性。其中平水年份的相關性最好，相關關系平均在0.45以上。

2.2 豐平枯水年份土壤實際蒸發量與水面蒸發量的相關關系

將逐日降水量數據按照有雨日和無雨日劃分成兩部分，分別統計1d水面蒸發量、10d累計水面蒸發量與相應的土壤實際蒸發量，分析不同時間尺度下兩者的相關關系，1d降水量和10d累計降水量兩種時間尺度下土壤實際蒸發量與水面蒸發量的散點分布圖如圖4—9所示，兩者相關關系分析結果見表2。

圖4 1d尺度特豐水年有雨日和無雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

圖5 10d尺度特豐水年有雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

圖6 1d尺度平水年有雨日和無雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

圖7 10d尺度平水年有雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

圖8 1d尺度特枯水年有雨日和無雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

圖9 10d尺度特枯水年有雨日土壤實際蒸發量和水面蒸發量之間的關系

表2 豐枯平水代表年土壤實際蒸發量與水面蒸發量的相關關系

水面蒸發強度完全受控于當時當地的氣象條件，如降水、溫度、風速、濕度等；土壤蒸發強度除了受氣象因素影響外，還受地溫、土壤巖性、包氣帶分布結構等因素影響，表層土壤受外界環境變化影響較大，含水量較高的表層土壤中的水分容易蒸發，初期蒸發量較大，土壤水分流失快，土壤蒸發基本受控于氣象條件，蒸發按蒸發能力進行；含水量快速降低，會在土壤表面形成干燥的表層，在干燥表層以下的土壤層，受外界環境變化的影響隨深度的增加而減弱，這時候孔隙中的氣體與外部的交換遲緩，屬于半封閉狀態，土壤蒸發基本上與土壤含水量、土壤蒸發能力成正比。

從圖表中可以看出：①1d無雨日中特豐、平水年份的點群位置較低，特枯水年份基本在45°角附近，比特豐、平水年份的點群高一些。說明1d無雨日中的大部分時間水面蒸發量是大于土壤實際蒸發量的；有雨日中，在某閾值內土壤實際蒸發量與水面蒸發呈正相關且部分大于水面蒸發，超過這一閾值，會出現水面蒸發值增大，土壤實際蒸發量減小的趨向。1d有雨日特豐、平水、特枯年份的閾值分別為2.0mm、3.0mm、1.5mm；10d有雨日中，特豐、平水、特枯水年份的閾值分別為6.0mm、8.0mm、4.0mm。這說明在一定范圍的充分供水條件下，土壤蒸發量略大于同氣象條件下的水面蒸發量，這是由于水的熱容量大于土壤，以至于同氣象條件下，土壤增溫比水體要快，因而蒸發量也大。但在不充分供水條件下，也就是一般情況下，土壤蒸發量一般要小于水面蒸發量。但在降雨集中期或者降雨較大的時期，水力式土壤蒸發器避雨觀測或者土壤達到田間持水量之后，土壤不再吸收多余水分，土壤蒸發能力受限，水面蒸發能力持續上升，導致超出某一閾值后水面蒸發與土壤實際蒸發量的差距明顯。

②從相關關系方面看：1d有雨日中，特豐水年份多呈負相關且相關性較低，最大值為7月僅0.20；平水年份相關關系除7月為-0.10，其余為正相關，最大值為8月0.77；特枯水年份相關關系總體最好，除6月為-0.30外，其余為正相關，最大值為7月1.00。1d無雨日中，特豐水年6、7、8月為負相關，其余為正相關，最大值為5月0.22；平水年份整體相關性最好且都為正相關，最大值為10—12月0.62；枯水年份多為負相關，相關性較低，最大值為6月-0.16。10d有雨日是三組數據中相關關系最好的且全部為正相關，其中特枯水年份相關性最好，平均相關系數達0.61以上，平水年份相關關系稍差，主要表現是10—12月相關關系為0.07，其余月份相關關系均在0.40以上。

3 結語

(1)土壤實際蒸發量和降水量1d尺度中特豐水年、平水年土壤實際蒸發量和降水量多呈負相關相關，特枯水年份土壤實際蒸發量與降水量呈現較好的相關性。10d尺度較1d尺度的相關性好且均為正相關，其中特枯水年份的相關性最好，相關關系平均在0.45以上。

(2)1d無雨日中的大部分時間水面蒸發量時大于土壤實際蒸發量的，有雨日中，在某閾值內土壤實際蒸發量與水面蒸發呈正相關且略部分大于水面蒸發，超過這一閾值，會出現水面蒸發值增大，土壤實際蒸發量減小的趨向。

(3)從相關關系方面看：1d無雨日中，平水年整體相關性最好且都為正相關，最大值為10—12月0.62，1d和10d有雨日中，特枯水年份相關關系總體最好，平均相關系數達0.61以上。

(4)本文的研究結果為不同頻次年份丘陵區水資源的管理、計算和規劃方面提供技術參考，填補土壤蒸發資料的空白，但由于本文采用的土壤蒸發器因運行年份較長，承受的降雨強度降低，近幾年在汛期集中降雨和暴雨時段采取相關避雨措施導致此段時間的土壤蒸發數值不能完全反映真實天氣下的土壤蒸發，后期可以參照更加精確地土壤蒸發觀測儀器數據對該時段內土壤蒸發進行修正。