不同代表年份土壤蒸發(fā)與不同驅(qū)動要素之間的相關(guān)關(guān)系分析

汪瑩瑩

(安徽省水文局淠史杭蒸發(fā)實驗站，安徽 六安 237000)

土壤蒸發(fā)指土壤中的水分通過上升和汽化從土壤表面進(jìn)入大氣的過程。是水文循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)。地球上年降水量約70%是以蒸發(fā)形式返回大氣。對蒸發(fā)的觀測研究不僅對水文科學(xué)具有重要意義，同時對水資源評價、規(guī)劃與開發(fā)利用都具有重要的理論和實踐意義。土壤蒸發(fā)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(fā)量的絕對數(shù)值實屬不易。蒸發(fā)量的確定對解決氣象學(xué)、土壤學(xué)及其他水文氣象學(xué)科中很多實際問題具有重要意義。土壤改良措施的規(guī)劃，不同天氣與氣候條件下灌溉定額和灌溉時期的估計，農(nóng)田土壤水分預(yù)報以及抗旱保墑等措施，都需要大量的土壤蒸發(fā)資料。

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

我國是典型的季風(fēng)氣候，夏季季風(fēng)強(qiáng)弱不同導(dǎo)致水旱災(zāi)害頻繁，本文以中國安徽省西南部江淮丘陵區(qū)的淠史杭蒸發(fā)實驗站為研究目標(biāo)，以該站1983—2021年降水量為標(biāo)準(zhǔn)選取降水特豐年份、平水年份、特枯年份，分析相應(yīng)年份裸土蒸發(fā)和降水量、水面蒸發(fā)量之間的相關(guān)關(guān)系。

1 資料和方法

1.1 流域和資料概況

淠史杭蒸發(fā)實驗站地處淮河支流淠河中游地區(qū)，位于安徽省六安市望城崗街道，該站屬于皖西丘陵地區(qū)是北亞熱帶向暖溫帶轉(zhuǎn)換的過渡帶，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)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(shè)站時間為1982年9月，設(shè)站目的是為淠史杭灌區(qū)灌溉用水的科學(xué)調(diào)度、水資源調(diào)查評價及計算、工程建設(shè)和規(guī)劃等服務(wù)。是國家重要水文站，具體從事水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、降水量、氣象實驗及水平衡實驗與研究。

水力式土壤蒸發(fā)器是20世紀(jì)50年代由中國科學(xué)院地理研究所從原蘇聯(lián)瓦爾達(dá)依蒸發(fā)實驗研究所引進(jìn)而來的。它由水池浮游系統(tǒng)、內(nèi)外套筒、平衡法碼、三角構(gòu)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(dá)到十萬分之四，能測土壤蒸發(fā)的日化過程，是目前陸面土壤蒸發(fā)較好儀器。也是目前華東地區(qū)僅存的一套高精度人工土壤蒸發(fā)器。資料十分珍貴。本次選取水力式土壤蒸發(fā)、E601B水面蒸發(fā)、降水量資料研究不同頻次代表年份土壤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、降水量之間的相關(guān)關(guān)系。

1.2 研究方法

一元線性回歸模型是統(tǒng)計學(xué)中回歸分析預(yù)測理論的一種重要方法，應(yīng)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析的各個領(lǐng)域，有較強(qiáng)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(guān)關(guān)系，然后用最小二乘法求出回歸方程并進(jìn)行預(yù)測，最后計算估計標(biāo)準(zhǔn)誤差以確定回歸模型的可靠程度。其中回歸系數(shù)的確定是建立一元線性回歸模型的重要一環(huán)。

測定兩組變量是否存在線性關(guān)系，可以通過以下途徑：

(1)畫散點(diǎn)圖，看數(shù)據(jù)是否大致沿直線分布；

(2)計算兩組變量的相關(guān)系數(shù)：

式中，r—相關(guān)系數(shù)；N—樣本量；i—樣本序號。|r|越趨近1時，相關(guān)性越高；當(dāng)|r|越趨近于0時，相關(guān)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(guī)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(jù)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(fā)的影響關(guān)系，分析土壤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的相關(guān)關(guān)系。

2 研究結(jié)果

2.1 特豐、平、特枯水年份土壤實際蒸發(fā)量與降水量的相關(guān)關(guān)系

為了提高分析的科學(xué)性，考慮季節(jié)因素，將年降水日的日數(shù)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(fā)量和降水量的相關(guān)關(guān)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(shù)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(qū)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(fā)量與降水量的散點(diǎn)分布圖如圖1—3所示，兩者相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果見表1。

從表1中可以看出：①1d尺度相關(guān)性特別是汛期多呈負(fù)相關(guān)，這與水力式土壤蒸發(fā)器的觀測特點(diǎn)有關(guān)，水力式土壤蒸發(fā)器經(jīng)過多年的運(yùn)行，其能承受的降雨強(qiáng)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(guān)避雨措施，另外在降雨集中期或者降雨較大的時期土壤達(dá)到田間持水量之后，土壤不再吸收水分，降雨流失，土壤蒸發(fā)還維持原來的數(shù)值，導(dǎo)致降雨雖大，但蒸發(fā)量還維持在一定的范圍導(dǎo)致相關(guān)性較差。這就解釋了豐水年、平水年土壤實際蒸發(fā)量和降水量多呈負(fù)相關(guān)的原因?？菟攴菀蚪涤晟偾也患校?dāng)降雨土壤潮濕時，蒸發(fā)在土表進(jìn)行，土壤蒸發(fā)隨著降雨的增加而增大，干旱時土壤內(nèi)毛細(xì)管的供水作用停止，蒸發(fā)僅在深層進(jìn)行，蒸發(fā)值隨降雨的減小而減少。因此枯水年分土壤實際蒸發(fā)量與降水量呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。

圖1 特豐水年土壤實際蒸發(fā)量與降水量的關(guān)系

圖2 平水年土壤實際蒸發(fā)量與降水量的關(guān)系

圖3 特枯水年土壤實際蒸發(fā)量與降水量的關(guān)系

表1 豐平枯水年份不同時間尺度土壤實際蒸發(fā)量和降水量相關(guān)關(guān)系

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

2.2 豐平枯水年份土壤實際蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系

將逐日降水量數(shù)據(jù)按照有雨日和無雨日劃分成兩部分，分別統(tǒng)計1d水面蒸發(fā)量、10d累計水面蒸發(fā)量與相應(yīng)的土壤實際蒸發(fā)量，分析不同時間尺度下兩者的相關(guān)關(guān)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(fā)量與水面蒸發(fā)量的散點(diǎn)分布圖如圖4—9所示，兩者相關(guān)關(guān)系分析結(jié)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(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

圖5 10d尺度特豐水年有雨日土壤實際蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

圖6 1d尺度平水年有雨日和無雨日土壤實際蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

圖7 10d尺度平水年有雨日土壤實際蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

圖8 1d尺度特枯水年有雨日和無雨日土壤實際蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

圖9 10d尺度特枯水年有雨日土壤實際蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系

表2 豐枯平水代表年土壤實際蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系

水面蒸發(fā)強(qiáng)度完全受控于當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，如降水、溫度、風(fēng)速、濕度等；土壤蒸發(fā)強(qiáng)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(jié)構(gòu)等因素影響，表層土壤受外界環(huán)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(fā)，初期蒸發(fā)量較大，土壤水分流失快，土壤蒸發(fā)基本受控于氣象條件，蒸發(fā)按蒸發(fā)能力進(jìn)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(huán)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(tài)，土壤蒸發(fā)基本上與土壤含水量、土壤蒸發(fā)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(diǎn)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(diǎn)群高一些。說明1d無雨日中的大部分時間水面蒸發(fā)量是大于土壤實際蒸發(fā)量的；有雨日中，在某閾值內(nèi)土壤實際蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)呈正相關(guān)且部分大于水面蒸發(fā)，超過這一閾值，會出現(xiàn)水面蒸發(fā)值增大，土壤實際蒸發(fā)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(fā)量略大于同氣象條件下的水面蒸發(fā)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(fā)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(fā)量一般要小于水面蒸發(fā)量。但在降雨集中期或者降雨較大的時期，水力式土壤蒸發(fā)器避雨觀測或者土壤達(dá)到田間持水量之后，土壤不再吸收多余水分，土壤蒸發(fā)能力受限，水面蒸發(fā)能力持續(xù)上升，導(dǎo)致超出某一閾值后水面蒸發(fā)與土壤實際蒸發(fā)量的差距明顯。

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

3 結(jié)語

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

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

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

(4)本文的研究結(jié)果為不同頻次年份丘陵區(qū)水資源的管理、計算和規(guī)劃方面提供技術(shù)參考，填補(bǔ)土壤蒸發(fā)資料的空白，但由于本文采用的土壤蒸發(fā)器因運(yùn)行年份較長，承受的降雨強(qiáng)度降低，近幾年在汛期集中降雨和暴雨時段采取相關(guān)避雨措施導(dǎo)致此段時間的土壤蒸發(fā)數(shù)值不能完全反映真實天氣下的土壤蒸發(fā)，后期可以參照更加精確地土壤蒸發(fā)觀測儀器數(shù)據(jù)對該時段內(nèi)土壤蒸發(fā)進(jìn)行修正。