基于隨機森林模型的潛水蒸發影響因素及模擬研究

梅海鵬，黃夢楠

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院（安徽省水利工程質量檢測中心站），安徽 蚌埠 233000；2.水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000）

潛水蒸發影響著區域水循環、大田土壤水分利用效率等，該過程易受到土壤溫度、土壤濕度、太陽凈輻射、空氣濕度等多種水文氣象要素影響。因此，能夠掌握潛水蒸發的規律、探明潛水蒸發的影響因素，對優化區域水資源配置、挖掘農業節水潛力等方面具有重要意義。本文基于五道溝實驗站地中蒸滲儀設備，利用隨機森林模型，研究在有、無作物情況下影響潛水蒸發的水文氣象因素，并對相應情況下潛水蒸發進行模擬，以期為區域地下水調控和農業節水工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

該試驗于2018—2020 年在五道溝水文水資源實驗站地中蒸滲儀試驗場進行。試驗選取蒸滲儀2 套，為保障足夠的水分供給，地下水埋深均設置為0.2m，測筒內土壤均為當地砂姜黑土原狀土。試驗分為無作物、有作物兩組同期進行，其中，無作物測筒編號為L，種植作物測筒為編號l。試驗作物為當地典型作物冬小麥和夏玉米，在測筒內進行輪作，冬小麥種植下測筒編號為lW，夏玉米種植下測筒編號為lC。各蒸滲儀測筒管理方式一致，除天然降水外，不對測筒內作物進行額外灌溉，其他與大田管理一致。

日潛水蒸發觀測：蒸滲儀測筒與觀測室內補水瓶連接，當蒸滲儀測筒內產生潛水蒸發時蒸滲儀測筒內水分減少，在大氣壓強作用下補水瓶向蒸滲儀測筒補水，當日8 時與前一日8 時補水瓶內水位差值即為前一日潛水蒸發量。

1.2 數據處理

為避免冬季土壤凍融對潛水蒸發觀測的影響，各年度冬小麥潛水蒸發數據選取2 月至收割日期間數據，夏玉米為整個生育期數據系列。選擇測筒無入滲量產生時期的觀測數據，避免降水對潛水蒸發的影響。各年度各組潛水蒸發數據選取時段及有效數據天數見表1。

表1 潛水蒸發試驗設計及有效數據天數表

本研究共篩選了17 個水文氣象要素，分析不同水文氣象要素對潛水蒸發量的影響程度。研究選取的有效數據日同期水文氣象要素由五道溝實驗站標準氣象場和高精度氣象站測量。具體包括：水面蒸發數據（E601B）、最高溫度（Tmax）、最低溫度（LT）、日照時數（SUN）、相對濕度（RH）、飽和水汽壓差（VPD）、露點溫度（DT）、地表溫度（LST）、梯度土壤溫度（ST20、ST40）、空氣濕度（H）、凈輻射（NR）、梯度土壤濕度（SH20、SH30、SH40）、風速（WS）、日均氣溫（MT）等。

1.3 研究方法

基于隨機森林回歸模型（RF）對蒸滲儀潛水蒸發量進行預測，以RF 模型節點純度增加值作為變量重要性評估指標，評估輸入參數氣象要素對潛水蒸發影響的重要性。將各數據系列總量的80%作為訓練集率定模型，剩余20%作為測試集測試模型性能。數據處理利用SPSS（R26.0），隨機森林模型構建利用Matlab（2016b）。

2 結果與分析

2.1 潛水蒸發預測模型

將試驗期有效潛水蒸發量數據系列隨機劃分出80%數據量作為訓練集，對隨機森林模型進行訓練，利用剩余的20%數據系列對模型進行評價。分別以L、lW和lC潛水蒸發量作為輸出變量，以相應的17 個水文氣象要素作為特征變量建立RF 模型，模型評價指標見表2。各模型的訓練集評價指標均優于測試集指標，與其他神經網絡類預測模型表現類似，當進行訓練集數據范圍以外的預測時，某些噪音較大的樣本集易導致模型誤差，同時，一些未考慮到的氣象要素、環境因素同樣會帶來預測誤差。訓練集中各模型NSE數值排序為RFC＞RFW＞RFL，RFC的NSE 更接近1，表明RFW模型質量最好，RFL質量相對較差，但RMSE與MAE 指標均為RFL＞RFW＞RFC，表明訓練集中無作物條件下對潛水蒸發量的誤差最小，夏玉米種植條件下最大，這與冬小麥、夏玉米種植條件下潛水蒸發量要高于無作物情況下潛水蒸發量有關。在測試集中，各模型NSE 指標與訓練集有所不同，各模型的NSE為RFW＞RFC＞RFL，測試集中RFW模型表現最好，RFL相對較差，但RFL的RMSE 與MAE 最低，分別為0.701mm 和0..526mm，RFW的RMSE 與MAE 略高于RFL，分別高出0.144mm 和0.083mm，但比RFC要低。由圖1 基于各RF 模型計算的預測值與實測值關系，預測值與實測值R2在0.726～0.895 之間，在三種種植條件中以冬小麥種植條件下的模型預測效果更好，無作物條件下最差。綜合考慮各項指標，作物種植條件下基于水文氣象要素建立的潛水蒸發預測RF 模型質量要優于無作物條件，冬小麥種植條件下的RF 模型優于夏玉米種植條件下的RF 模型。

圖1 不同種植條件下RF 模型對潛水蒸發的模擬效果圖

表2 不同種植條件下RF 模型評價指標

2.2 氣象要素重要性評估

圖2 為各RF 模型對不同氣象要素在模擬潛水蒸發量時的重要性排序，在無作物條件下，太陽凈輻射（NR）、40cm 埋深土壤溫度（ST40）和空氣濕度（H）對潛水蒸發的影響更為重要；冬小麥種植條件下以40cm 土壤含水量（SH40），太陽凈輻射（NR）和地表溫度（LST）對潛水蒸發影響更大；夏玉米種植條件下40cm 埋深土壤溫度（ST40）和太陽凈輻射（NR）是影響潛水蒸發的主要因素。在三種植條件下均表現出NR 是影響潛水蒸發量的重要因素，而不同的種植條件下影響因素重要程度存在差異。無作物條件下NR 是影響潛水蒸發最重要的因素，在冬小麥和夏玉米種植條件下SH40、ST40分別為最重要的影響因素，NR 則為第二重要因素。可見，在作物種植情況下，由于作物葉面積指數和作物根系的影響，使得土壤梯度溫度和土壤含水量對潛水蒸發的影響程度提高。根據圖2（a）對于無作物條件下，空氣中的水分含量（H、RH）也對潛水蒸發有著重要的影響；根據圖2（b），冬小麥種植條件下溫度要素（LST、ST40、Tmax）和VPD 對潛水蒸發也有著一定的影響；根據圖2（c），夏玉米種植條件下VPD、SH20、WS 對潛水蒸發的影響也尤為重要。

圖2 不同水文氣象因素對潛水蒸發重要性排序圖

3 討論

根據隨機森林模型（RF）對17 個水文氣象因子影響潛水蒸發的重要程度評估結果，NR 對于有無作物種植條件下的潛水蒸發量影響重要性均靠前，表明太陽凈輻射是潛水蒸發的重要驅動力，太陽凈輻射改變了土壤溫度梯度，加劇了潛水蒸發的進行。但是在作物種植條件下，作物葉片影響了地表對太陽凈輻射的吸收，在作物葉片蒸騰影響及根系吸水情況下，土壤含水量和土壤溫度對潛水蒸發的影響程度變大。太陽凈輻射、地表空氣濕度和土壤梯度溫度共同驅動無作物條件下土壤的潛水蒸發；在保障足夠的土壤含水量情況下，太陽凈輻射和土壤溫度梯度是影響小麥種植條件下潛水蒸發的主要因素；除太陽凈輻射和土壤梯度溫度外，飽和水汽壓差和風速對夏玉米條件下的潛水蒸發也十分重要。

4 結論

無作物條件下太陽凈輻射量對于裸土的潛水蒸發量影響最為重要，其次為土壤溫度和空氣濕度；在一定的太陽凈輻射條件下，40cm 埋深土壤含水量和40cm 土壤溫度分別是冬小麥和夏玉米種植條件下最影響潛水蒸發的因素。相比與冬小麥種植條件下，水汽飽和壓差對夏玉米條件下的潛水蒸發影響更大。基于RF 模型通過氣象要素對無作物、冬小麥種植和夏玉米種植條件下的潛水蒸發預測具有較高的精度，可作為潛水蒸發的預測工具