漢陽(yáng)陵帝陵外藏坑土壤含水率的影響因子分析

李莎

摘 要：為探明漢陽(yáng)陵外藏坑土壤含水率變化特征及主要影響因素，文章對(duì)漢陽(yáng)陵21號(hào)坑西端土體2011—2017年含水率的變化及影響含水率的環(huán)境因素進(jìn)行分析，如土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法找出含水率與其他因子之間及含水率變化速率與其他因子變化速率的關(guān)系及權(quán)重。結(jié)果表明，含水率隨著時(shí)間的變化呈降低趨勢(shì)，每年呈現(xiàn)季節(jié)規(guī)律，夏季最高，冬季最低。相對(duì)濕度、土壤溫度、空氣溫度均與含水率具有一定關(guān)聯(lián)性，從年均值來(lái)看，與含水率的關(guān)聯(lián)排序依次是空氣溫度、土壤溫度、相對(duì)濕度;從月均值來(lái)看，排序在不同月份間存在波動(dòng)，但大部分月份都是溫度的影響大于相對(duì)濕度，只有11月例外。以期該研究可為漢陽(yáng)陵后續(xù)調(diào)控及預(yù)防性保護(hù)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：含水率;環(huán)境因子;灰色關(guān)聯(lián)法

引言

漢陽(yáng)陵位于陜西省咸陽(yáng)市渭城區(qū)正陽(yáng)鎮(zhèn)張家灣后溝村北的咸陽(yáng)塬上，環(huán)繞帝陵四周有86座外藏坑。2006年，在帝陵?yáng)|側(cè)北部外藏坑建設(shè)了我國(guó)第一座全封閉式的地下遺址博物館?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)外藏坑土遺址依然存在裂隙、片狀剝蝕、風(fēng)化、鹽析等病害，墓坑中的這些病害與土壤含水率的變化有密不可分的關(guān)系，土體含水率的變化對(duì)土體影響的研究已有一些成果①，研究土體含水率的影響因素將為科學(xué)調(diào)控遺址博物館的環(huán)境提供依據(jù)。關(guān)于漢陽(yáng)陵外藏坑環(huán)境的變化已有較多的研究成果②，但這些研究更多偏重于遺址博物館運(yùn)行初期環(huán)境條件溫度、濕度、空氣質(zhì)量等的變化和影響。馮永亨等③通過(guò)分析多個(gè)微環(huán)境因子分別與土壤含水率變化的關(guān)系，提出了土壤含水率影響因素為環(huán)境溫濕度，與此類(lèi)似的研究在漢陽(yáng)陵基本取得了類(lèi)似的研究結(jié)果④，基本涵蓋土壤含水率的影響因素。分析土壤含水率和溫度等的關(guān)聯(lián)變化及趨勢(shì)，可以看出直接影響因素主要有土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度，但缺乏三者之間影響程度差別的研究。本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，探討三者的影響程度主次關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)分析法是一種確定權(quán)重的分析方法，在氣象、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)等方面已有一些研究成果⑤。此方法適用于漢陽(yáng)陵數(shù)據(jù)的分析，可對(duì)含水率影響因子進(jìn)行排序。本文試圖從遺址本體含水率角度出發(fā)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律及確定影響含水率變化的主要因素，從而為漢陽(yáng)陵博物館的進(jìn)一步監(jiān)測(cè)調(diào)控提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在漢陽(yáng)陵21號(hào)坑遺址表面布設(shè)溫度、含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)，坑道底部布設(shè)大氣溫濕度傳感器。遺址表面溫度及含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)起始時(shí)間為2010年4月30日，監(jiān)測(cè)頻率為每30分鐘監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)設(shè)備為防潮型土壤溫度、土壤水分含量傳感器（型號(hào)MW307EA）。其中土壤溫度的測(cè)量范圍為零下40～50攝氏度，測(cè)量精度±0.1攝氏度;土壤水分含量的測(cè)量范圍為0%～100%，測(cè)量精度為±3%?？拥赖撞繙貪穸缺O(jiān)測(cè)項(xiàng)目自2010年4月30日起，監(jiān)測(cè)頻率為每30分鐘監(jiān)測(cè)一次，儀器設(shè)備為防潮型大氣溫濕度傳感器（型號(hào)MW301EA1）。環(huán)境溫度測(cè)量范圍為零下20～80攝氏度，測(cè)量精度為±0.3攝氏度;環(huán)境相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0%～100%，測(cè)量精度為±2%。選取21號(hào)坑2011—2018年的已監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，包括土壤表面含水率、土壤溫度、微環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)。本篇所用數(shù)據(jù)去除了異常值，并取整點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

1.2 研究方法

本文將分析含水率的變化規(guī)律及影響因素，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)含水率與相關(guān)因子之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，找出主要影響因素?；疑P(guān)聯(lián)分析法是一種確定權(quán)重的方法，在綜合決策中，權(quán)重系數(shù)分配的準(zhǔn)確性和科學(xué)性是至關(guān)重要的。灰色系統(tǒng)這個(gè)概念的提出是相對(duì)于白色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)而言的，最初是由控制科學(xué)與工程的鄧聚龍教授提出的①。一般認(rèn)為關(guān)聯(lián)度在0.8以上表示關(guān)聯(lián)性很大，0.5～0.8表示有一定關(guān)聯(lián)性，0.5以下可認(rèn)為無(wú)關(guān)聯(lián)②?；疑P(guān)聯(lián)度對(duì)數(shù)據(jù)量要求很小，只需要4個(gè)以上數(shù)據(jù)即可進(jìn)行分析③。

本文以含水率為參考列，設(shè)為列;以土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度為對(duì)比列，設(shè)為列。在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)首先對(duì)各數(shù)據(jù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理，采用標(biāo)準(zhǔn)序列進(jìn)行無(wú)量綱，即

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率的變化特征

選取從2011—2018年8年間21號(hào)坑西端的整點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析自監(jiān)測(cè)以來(lái)完整年份的含水率變化情況，運(yùn)用Origin軟件，以時(shí)間為自變量，土壤含水率為因變量，繪制土壤含水率的變化規(guī)律圖（圖1）。

圖1表明2011—2018年含水率呈逐年下降的趨勢(shì)，雖然2016—2018年的數(shù)據(jù)由于設(shè)備故障存在大量缺測(cè)現(xiàn)象，但不影響整體趨勢(shì)。8年內(nèi)含水率最大值是13.07%，最小值是8.7%。每年含水率變化都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并呈現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律。2011年7月、2012年8月、2013—2015年的每年9月到達(dá)最高值，即夏季炎熱潮濕時(shí)含水率偏高;2011—2012年的每年12月、2013年1月、2014—2015年的每年2月達(dá)到最低值，即寒冷干燥的冬季含水率偏低。

2.2 含水率與環(huán)境因子的關(guān)系及權(quán)重分析

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法，擬找出和土壤含水率有關(guān)的因素間的權(quán)重大小。因2016—2018年數(shù)據(jù)缺測(cè)較多，因此數(shù)據(jù)選取2011—2015年每年的日均值，將含水率的日均值作為對(duì)比列，影響因子的日均值作為參考列，具體計(jì)算按文章1.2中方法在Excel 2016中實(shí)現(xiàn)。含水率與土壤溫度關(guān)聯(lián)度用R1表示，含水率與空氣溫度的關(guān)聯(lián)度用R2表示，含水率與相對(duì)濕度的關(guān)聯(lián)度用R3表示，年際關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表1所示。

表1表明關(guān)聯(lián)度都大于0.5，說(shuō)明含水率與土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度都存在一定關(guān)聯(lián)。根據(jù)結(jié)果將關(guān)聯(lián)度排序，從年均值看，與含水率關(guān)聯(lián)關(guān)系依次為空氣溫度、土壤溫度、相對(duì)濕度，但年與年間存在略微差異。2011年博物館運(yùn)行初期處于高濕度的環(huán)境條件下，資料環(huán)境濕度一般為100%，因含水率日變化極小，造成計(jì)算結(jié)果中環(huán)境濕度和土壤含水率關(guān)聯(lián)度最大，其結(jié)果僅有參考價(jià)值。2012—2015年隨著環(huán)境濕度逐漸變小，含水率的影響因素之間的主次關(guān)系突然變化，基本呈現(xiàn)R2≥R1>R3，即對(duì)土壤含水率影響主要受環(huán)境溫度和土體溫度控制，由于土體溫度主要受環(huán)境溫度影響，所以二者是一致的。

土壤含水率在一年內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，為了查明在一年不同時(shí)間三個(gè)因素的影響程度，現(xiàn)對(duì)每月的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析。因2011年博物館運(yùn)行初期與后期規(guī)律不一致，因此選取2012—2015年的月平均值進(jìn)行分析，并作月關(guān)聯(lián)度圖，結(jié)果如表2、圖2所示。

表2表明5—10月土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度都高于平均值，即高溫高濕;11月空氣溫度、相對(duì)濕度都低于平均值，但土壤溫度高于平均值，應(yīng)與土壤的保溫作用有關(guān);12月到次年的3月空氣溫度、土壤溫度、相對(duì)濕度都低于平均值，即低溫低濕;4月份空氣溫度、土壤溫度都低于平均值，相對(duì)濕度高。

圖2表明5—10月，含水率與相關(guān)因子的關(guān)聯(lián)度都大于0.7，呈現(xiàn)出較高的關(guān)聯(lián)度，且排序大小依次是空氣溫度、土壤溫度、相對(duì)濕度，這與高溫高濕下蒸發(fā)與物理吸附同時(shí)發(fā)生有關(guān)。溫度升高，水分分解蒸散，土壤表面溫度越高，分子動(dòng)能越大，溢出表面的水分子就越強(qiáng)，但相對(duì)濕度越大，蒸散能力越弱①，因此相對(duì)濕度和溫度都有影響。11月含水率與相對(duì)濕度的關(guān)聯(lián)大于0.8，呈現(xiàn)出高度相關(guān)，與空氣溫度、土壤溫度呈現(xiàn)出一定關(guān)聯(lián)度，排序?yàn)橄鄬?duì)濕度、空氣溫度、土壤溫度，此時(shí)溫度下降蒸發(fā)減少，土壤干燥，對(duì)大氣水分的吸收會(huì)急劇增強(qiáng)，水分又被土壤吸濕吸附②，因此該月主要是相對(duì)濕度對(duì)含水率影響更大。12月到次年的3月，含水率與相關(guān)因子的關(guān)聯(lián)度都大于0.7，呈現(xiàn)出較高的關(guān)聯(lián)度，且排序大小依次是土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度，土壤與空氣的吸附相對(duì)較弱，因此含水率的變化更多與土壤溫度相互作用。4月含水率與土壤溫度、空氣溫度呈現(xiàn)高度相關(guān)，與相對(duì)濕度無(wú)關(guān)，當(dāng)月空氣溫度、土壤溫度都低于平均值，相對(duì)濕度突升，理論上應(yīng)該與相對(duì)濕度關(guān)聯(lián)度更大，但可能存在滯后，因此4月依然和之前的幾個(gè)月一樣與溫度關(guān)聯(lián)度更大。

從年際、月際關(guān)聯(lián)度的總體結(jié)果來(lái)看，漢陽(yáng)陵外藏坑土壤含水率的影響因素主要是空氣溫度，個(gè)別月份顯示土壤溫度的關(guān)聯(lián)度大，是因土壤溫度受空氣溫度影響，11月顯示相對(duì)濕度對(duì)含水率的影響最大，但這個(gè)月不影響總體結(jié)果。

3 結(jié)論

2011—2018年含水率呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，含水率最大值為13.07%，最小值為8.7%。每年含水率變化都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并呈現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律，夏季含水率較高、冬季較低。

含水率的影響因素主要有土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度，這三者對(duì)含水率的影響程度在時(shí)間上呈現(xiàn)不同強(qiáng)弱關(guān)系。首先在年變化中略有差異，2011年博物館的運(yùn)行初期與含水率關(guān)聯(lián)排序依次是相對(duì)濕度、空氣溫度、土壤溫度。2012—2015年，從全年的整體趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)土壤含水率影響強(qiáng)弱依次為空氣溫度、土壤溫度、相對(duì)濕度。一年內(nèi)不同時(shí)期的關(guān)聯(lián)度也存在月際差異，5—10月（高溫高濕）、12月到次年的3月（低溫低濕）與三者關(guān)聯(lián)度都比較高，且與溫度的關(guān)聯(lián)度高于相對(duì)濕度，其中高溫高濕使空氣溫度與含水率的關(guān)聯(lián)度大于土壤溫度，低溫低濕時(shí)剛好相反。11月含水率與相對(duì)濕度的關(guān)聯(lián)度最大，4月剛好相反。