不同代表年份土壤蒸发与不同驱动要素之间的相关关系分析

汪莹莹

(安徽省水文局淠史杭蒸发实验站，安徽 六安 237000)

土壤蒸发指土壤中的水分通过上升和汽化从土壤表面进入大气的过程。是水文循环的一个重要环节。地球上年降水量约70%是以蒸发形式返回大气。对蒸发的观测研究不仅对水文科学具有重要意义，同时对水资源评价、规划与开发利用都具有重要的理论和实践意义。土壤蒸发过程受各种条件(如气象、土壤、植被等)的影响，要想在自然条件下获得蒸发量的绝对数值实属不易。蒸发量的确定对解决气象学、土壤学及其他水文气象学科中很多实际问题具有重要意义。土壤改良措施的规划，不同天气与气候条件下灌溉定额和灌溉时期的估计，农田土壤水分预报以及抗旱保墒等措施，都需要大量的土壤蒸发资料。

在水量平衡当中，我国最缺乏的资料就是土壤蒸发方面的资料，尤其是在水资源的管理、计算和规划方面的资料非常缺乏。水面蒸发，我国已经有一套成熟的观测方法，而且站点也比较多，但是土壤蒸发这一块，包括裸土蒸发、作物蒸发、森林蒸发等等几乎是空白。

我国是典型的季风气候，夏季季风强弱不同导致水旱灾害频繁，本文以中国安徽省西南部江淮丘陵区的淠史杭蒸发实验站为研究目标，以该站1983—2021年降水量为标准选取降水特丰年份、平水年份、特枯年份，分析相应年份裸土蒸发和降水量、水面蒸发量之间的相关关系。

1 资料和方法

1.1 流域和资料概况

淠史杭蒸发实验站地处淮河支流淠河中游地区，位于安徽省六安市望城岗街道，该站属于皖西丘陵地区是北亚热带向暖温带转换的过渡带，属于北亚热带湿润季风气候。冬冷夏热，雨量适中，四季分明，气候温和，光照充足，无霜期时间长。该站设站时间为1982年9月，设站目的是为淠史杭灌区灌溉用水的科学调度、水资源调查评价及计算、工程建设和规划等服务。是国家重要水文站，具体从事水面蒸发、土壤蒸发、降水量、气象实验及水平衡实验与研究。

水力式土壤蒸发器是20世纪50年代由中国科学院地理研究所从原苏联瓦尔达依蒸发实验研究所引进而来的。它由水池浮游系统、内外套筒、平衡法码、三角构架和微测计等主要部件组成，试验土柱圆面积0.2，深1.5m，容积可装0.3m3的原状土柱，该仪器观测方便，可以观测百分之二毫米的微量变化，称重感量达到十万分之四，能测土壤蒸发的日化过程，是目前陆面土壤蒸发较好仪器。也是目前华东地区仅存的一套高精度人工土壤蒸发器。资料十分珍贵。本次选取水力式土壤蒸发、E601B水面蒸发、降水量资料研究不同频次代表年份土壤蒸发与水面蒸发、降水量之间的相关关系。

1.2 研究方法

一元线性回归模型是统计学中回归分析预测理论的一种重要方法，应用于自然科学、工程技术和经济分析的各个领域，有较强的实用性，该方法的基本思想是：首先确定两个变量之间是否存在线性相关关系，然后用最小二乘法求出回归方程并进行预测，最后计算估计标准误差以确定回归模型的可靠程度。其中回归系数的确定是建立一元线性回归模型的重要一环。

测定两组变量是否存在线性关系，可以通过以下途径：

(1)画散点图，看数据是否大致沿直线分布；

(2)计算两组变量的相关系数：

式中，r—相关系数；N—样本量；i—样本序号。|r|越趋近1时，相关性越高；当|r|越趋近于0时，相关性越低。

本次研究将长系列雨量资料(1983—2021年)排频绘制皮尔逊Ⅲ频率曲线，基于六安市水资源规划对于长系列降水不同频次的分析，选取特丰水年(保证率<12.5%)、平水年(保证率37.5%～62.5%，参照多年平均值)、特枯水年(保证率>87.5%)。最终选取特丰水代表年份2010年、平水代表年份2015年、特枯水代表年份2019年。根据降水量挑选的特丰、平、特枯水代表年份，研究不同频次年份降水量对土壤蒸发的影响关系，分析土壤蒸发与水面蒸发的相关关系。

2 研究结果

2.1 特丰、平、特枯水年份土壤实际蒸发量与降水量的相关关系

为了提高分析的科学性，考虑季节因素，将年降水日的日数按照月份划分为7组，分别是：1—4月、5月、6月、7月、8月、9月、10—12月。按照两种时间尺度来分析土壤蒸发量和降水量的相关关系。分别是：1d降水尺度和10d累计降水尺度。考虑10d降水量样本数量有限，按照月份划分为3组，分别是：1—4月、5—9月、10—12月，符合江淮丘陵区对于汛期和非汛期的划分。

1d降水量和10d累计降水量两种时间尺度下土壤实际蒸发量与降水量的散点分布图如图1—3所示，两者相关关系分析结果见表1。

从表1中可以看出：①1d尺度相关性特别是汛期多呈负相关，这与水力式土壤蒸发器的观测特点有关，水力式土壤蒸发器经过多年的运行，其能承受的降雨强度降低，为避免仪器下沉，在汛期集中降雨和暴雨时段采取相关避雨措施，另外在降雨集中期或者降雨较大的时期土壤达到田间持水量之后，土壤不再吸收水分，降雨流失，土壤蒸发还维持原来的数值，导致降雨虽大，但蒸发量还维持在一定的范围导致相关性较差。这就解释了丰水年、平水年土壤实际蒸发量和降水量多呈负相关的原因。枯水年份因降雨少且不集中，当降雨土壤潮湿时，蒸发在土表进行，土壤蒸发随着降雨的增加而增大，干旱时土壤内毛细管的供水作用停止，蒸发仅在深层进行，蒸发值随降雨的减小而减少。因此枯水年分土壤实际蒸发量与降水量呈现较好的相关性。

图1 特丰水年土壤实际蒸发量与降水量的关系

图2 平水年土壤实际蒸发量与降水量的关系

图3 特枯水年土壤实际蒸发量与降水量的关系

表1 丰平枯水年份不同时间尺度土壤实际蒸发量和降水量相关关系

②10d尺度较1d尺度的相关性好且均为正相关，这是因为土壤蒸发除了受降水量的影响，还受到许多因素(比如土壤质地、土温、日照、风速、饱和差等)的影响，每天每月的情况会更复杂一些，10d的数值在一定程度上减少了误差，提高了数据的代表性。其中平水年份的相关性最好，相关关系平均在0.45以上。

2.2 丰平枯水年份土壤实际蒸发量与水面蒸发量的相关关系

将逐日降水量数据按照有雨日和无雨日划分成两部分，分别统计1d水面蒸发量、10d累计水面蒸发量与相应的土壤实际蒸发量，分析不同时间尺度下两者的相关关系，1d降水量和10d累计降水量两种时间尺度下土壤实际蒸发量与水面蒸发量的散点分布图如图4—9所示，两者相关关系分析结果见表2。

图4 1d尺度特丰水年有雨日和无雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

图5 10d尺度特丰水年有雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

图6 1d尺度平水年有雨日和无雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

图7 10d尺度平水年有雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

图8 1d尺度特枯水年有雨日和无雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

图9 10d尺度特枯水年有雨日土壤实际蒸发量和水面蒸发量之间的关系

表2 丰枯平水代表年土壤实际蒸发量与水面蒸发量的相关关系

水面蒸发强度完全受控于当时当地的气象条件，如降水、温度、风速、湿度等；土壤蒸发强度除了受气象因素影响外，还受地温、土壤岩性、包气带分布结构等因素影响，表层土壤受外界环境变化影响较大，含水量较高的表层土壤中的水分容易蒸发，初期蒸发量较大，土壤水分流失快，土壤蒸发基本受控于气象条件，蒸发按蒸发能力进行；含水量快速降低，会在土壤表面形成干燥的表层，在干燥表层以下的土壤层，受外界环境变化的影响随深度的增加而减弱，这时候孔隙中的气体与外部的交换迟缓，属于半封闭状态，土壤蒸发基本上与土壤含水量、土壤蒸发能力成正比。

从图表中可以看出：①1d无雨日中特丰、平水年份的点群位置较低，特枯水年份基本在45°角附近，比特丰、平水年份的点群高一些。说明1d无雨日中的大部分时间水面蒸发量是大于土壤实际蒸发量的；有雨日中，在某阈值内土壤实际蒸发量与水面蒸发呈正相关且部分大于水面蒸发，超过这一阈值，会出现水面蒸发值增大，土壤实际蒸发量减小的趋向。1d有雨日特丰、平水、特枯年份的阈值分别为2.0mm、3.0mm、1.5mm；10d有雨日中，特丰、平水、特枯水年份的阈值分别为6.0mm、8.0mm、4.0mm。这说明在一定范围的充分供水条件下，土壤蒸发量略大于同气象条件下的水面蒸发量，这是由于水的热容量大于土壤，以至于同气象条件下，土壤增温比水体要快，因而蒸发量也大。但在不充分供水条件下，也就是一般情况下，土壤蒸发量一般要小于水面蒸发量。但在降雨集中期或者降雨较大的时期，水力式土壤蒸发器避雨观测或者土壤达到田间持水量之后，土壤不再吸收多余水分，土壤蒸发能力受限，水面蒸发能力持续上升，导致超出某一阈值后水面蒸发与土壤实际蒸发量的差距明显。

②从相关关系方面看：1d有雨日中，特丰水年份多呈负相关且相关性较低，最大值为7月仅0.20；平水年份相关关系除7月为-0.10，其余为正相关，最大值为8月0.77；特枯水年份相关关系总体最好，除6月为-0.30外，其余为正相关，最大值为7月1.00。1d无雨日中，特丰水年6、7、8月为负相关，其余为正相关，最大值为5月0.22；平水年份整体相关性最好且都为正相关，最大值为10—12月0.62；枯水年份多为负相关，相关性较低，最大值为6月-0.16。10d有雨日是三组数据中相关关系最好的且全部为正相关，其中特枯水年份相关性最好，平均相关系数达0.61以上，平水年份相关关系稍差，主要表现是10—12月相关关系为0.07，其余月份相关关系均在0.40以上。

3 结语

(1)土壤实际蒸发量和降水量1d尺度中特丰水年、平水年土壤实际蒸发量和降水量多呈负相关相关，特枯水年份土壤实际蒸发量与降水量呈现较好的相关性。10d尺度较1d尺度的相关性好且均为正相关，其中特枯水年份的相关性最好，相关关系平均在0.45以上。

(2)1d无雨日中的大部分时间水面蒸发量时大于土壤实际蒸发量的，有雨日中，在某阈值内土壤实际蒸发量与水面蒸发呈正相关且略部分大于水面蒸发，超过这一阈值，会出现水面蒸发值增大，土壤实际蒸发量减小的趋向。

(3)从相关关系方面看：1d无雨日中，平水年整体相关性最好且都为正相关，最大值为10—12月0.62，1d和10d有雨日中，特枯水年份相关关系总体最好，平均相关系数达0.61以上。

(4)本文的研究结果为不同频次年份丘陵区水资源的管理、计算和规划方面提供技术参考，填补土壤蒸发资料的空白，但由于本文采用的土壤蒸发器因运行年份较长，承受的降雨强度降低，近几年在汛期集中降雨和暴雨时段采取相关避雨措施导致此段时间的土壤蒸发数值不能完全反映真实天气下的土壤蒸发，后期可以参照更加精确地土壤蒸发观测仪器数据对该时段内土壤蒸发进行修正。