漢陽陵帝陵外藏坑土壤含水率的影響因子分析

李莎

摘 要：為探明漢陽陵外藏坑土壤含水率變化特征及主要影響因素，文章對漢陽陵21號坑西端土體2011—2017年含水率的變化及影響含水率的環境因素進行分析，如土壤溫度、空氣溫度、相對濕度，運用灰色關聯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系及權重。結果表明，含水率隨著時間的變化呈降低趨勢，每年呈現季節規律，夏季最高，冬季最低。相對濕度、土壤溫度、空氣溫度均與含水率具有一定關聯性，從年均值來看，與含水率的關聯排序依次是空氣溫度、土壤溫度、相對濕度;從月均值來看，排序在不同月份間存在波動，但大部分月份都是溫度的影響大于相對濕度，只有11月例外。以期該研究可為漢陽陵后續調控及預防性保護提供依據。

關鍵詞：含水率;環境因子;灰色關聯法

引言

漢陽陵位于陜西省咸陽市渭城區正陽鎮張家灣后溝村北的咸陽塬上，環繞帝陵四周有86座外藏坑。2006年，在帝陵東側北部外藏坑建設了我國第一座全封閉式的地下遺址博物館。現場調查發現外藏坑土遺址依然存在裂隙、片狀剝蝕、風化、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系，土體含水率的變化對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調控遺址博物館的環境提供依據。關于漢陽陵外藏坑環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行初期環境條件溫度、濕度、空氣質量等的變化和影響。馮永亨等③通過分析多個微環境因子分別與土壤含水率變化的關系，提出了土壤含水率影響因素為環境溫濕度，與此類似的研究在漢陽陵基本取得了類似的研究結果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聯變化及趨勢，可以看出直接影響因素主要有土壤溫度、空氣溫度、相對濕度，但缺乏三者之間影響程度差別的研究。本文采用灰色關聯分析法，探討三者的影響程度主次關系。灰色關聯分析法是一種確定權重的分析方法，在氣象、農業、地質等方面已有一些研究成果⑤。此方法適用于漢陽陵數據的分析，可對含水率影響因子進行排序。本文試圖從遺址本體含水率角度出發，運用灰色關聯分析法研究含水率隨時間的變化規律及確定影響含水率變化的主要因素，從而為漢陽陵博物館的進一步監測調控提供依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

在漢陽陵21號坑遺址表面布設溫度、含水率監測點，坑道底部布設大氣溫濕度傳感器。遺址表面溫度及含水率監測點起始時間為2010年4月30日，監測頻率為每30分鐘監測一次，監測設備為防潮型土壤溫度、土壤水分含量傳感器（型號MW307EA）。其中土壤溫度的測量范圍為零下40～50攝氏度，測量精度±0.1攝氏度;土壤水分含量的測量范圍為0%～100%，測量精度為±3%。坑道底部溫濕度監測項目自2010年4月30日起，監測頻率為每30分鐘監測一次，儀器設備為防潮型大氣溫濕度傳感器（型號MW301EA1）。環境溫度測量范圍為零下20～80攝氏度，測量精度為±0.3攝氏度;環境相對濕度測量范圍為0%～100%，測量精度為±2%。選取21號坑2011—2018年的已監測數據為研究對象，包括土壤表面含水率、土壤溫度、微環境溫度、相對濕度的數據。本篇所用數據去除了異常值，并取整點數據進行整理分析。

1.2 研究方法

本文將分析含水率的變化規律及影響因素，運用灰色關聯分析法對含水率與相關因子之間的關聯度進行排序，找出主要影響因素。灰色關聯分析法是一種確定權重的方法，在綜合決策中，權重系數分配的準確性和科學性是至關重要的。灰色系統這個概念的提出是相對于白色系統和黑色系統而言的，最初是由控制科學與工程的鄧聚龍教授提出的①。一般認為關聯度在0.8以上表示關聯性很大，0.5～0.8表示有一定關聯性，0.5以下可認為無關聯②。灰色關聯度對數據量要求很小，只需要4個以上數據即可進行分析③。

本文以含水率為參考列，設為列;以土壤溫度、空氣溫度、相對濕度為對比列，設為列。在進行灰色關聯分析時首先對各數據列進行無量綱化處理，采用標準序列進行無量綱，即

2 結果與討論

2.1 含水率的變化特征

選取從2011—2018年8年間21號坑西端的整點數據，分析自監測以來完整年份的含水率變化情況，運用Origin軟件，以時間為自變量，土壤含水率為因變量，繪制土壤含水率的變化規律圖（圖1）。

圖1表明2011—2018年含水率呈逐年下降的趨勢，雖然2016—2018年的數據由于設備故障存在大量缺測現象，但不影響整體趨勢。8年內含水率最大值是13.07%，最小值是8.7%。每年含水率變化都呈現出先升高后降低的趨勢，并呈現季節性規律。2011年7月、2012年8月、2013—2015年的每年9月到達最高值，即夏季炎熱潮濕時含水率偏高;2011—2012年的每年12月、2013年1月、2014—2015年的每年2月達到最低值，即寒冷干燥的冬季含水率偏低。

2.2 含水率與環境因子的關系及權重分析

運用灰色關聯度法，擬找出和土壤含水率有關的因素間的權重大小。因2016—2018年數據缺測較多，因此數據選取2011—2015年每年的日均值，將含水率的日均值作為對比列，影響因子的日均值作為參考列，具體計算按文章1.2中方法在Excel 2016中實現。含水率與土壤溫度關聯度用R1表示，含水率與空氣溫度的關聯度用R2表示，含水率與相對濕度的關聯度用R3表示，年際關聯度結果如表1所示。

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

土壤含水率在一年內呈現周期性變化，為了查明在一年不同時間三個因素的影響程度，現對每月的關聯度進行分析。因2011年博物館運行初期與后期規律不一致，因此選取2012—2015年的月平均值進行分析，并作月關聯度圖，結果如表2、圖2所示。

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

圖2表明5—10月，含水率與相關因子的關聯度都大于0.7，呈現出較高的關聯度，且排序大小依次是空氣溫度、土壤溫度、相對濕度，這與高溫高濕下蒸發與物理吸附同時發生有關。溫度升高，水分分解蒸散，土壤表面溫度越高，分子動能越大，溢出表面的水分子就越強，但相對濕度越大，蒸散能力越弱①，因此相對濕度和溫度都有影響。11月含水率與相對濕度的關聯大于0.8，呈現出高度相關，與空氣溫度、土壤溫度呈現出一定關聯度，排序為相對濕度、空氣溫度、土壤溫度，此時溫度下降蒸發減少，土壤干燥，對大氣水分的吸收會急劇增強，水分又被土壤吸濕吸附②，因此該月主要是相對濕度對含水率影響更大。12月到次年的3月，含水率與相關因子的關聯度都大于0.7，呈現出較高的關聯度，且排序大小依次是土壤溫度、空氣溫度、相對濕度，土壤與空氣的吸附相對較弱，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、空氣溫度呈現高度相關，與相對濕度無關，當月空氣溫度、土壤溫度都低于平均值，相對濕度突升，理論上應該與相對濕度關聯度更大，但可能存在滯后，因此4月依然和之前的幾個月一樣與溫度關聯度更大。

從年際、月際關聯度的總體結果來看，漢陽陵外藏坑土壤含水率的影響因素主要是空氣溫度，個別月份顯示土壤溫度的關聯度大，是因土壤溫度受空氣溫度影響，11月顯示相對濕度對含水率的影響最大，但這個月不影響總體結果。

3 結論

2011—2018年含水率呈現逐年下降趨勢，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出先升高后降低的趨勢，并呈現季節性規律，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、相對濕度，這三者對含水率的影響程度在時間上呈現不同強弱關系。首先在年變化中略有差異，2011年博物館的運行初期與含水率關聯排序依次是相對濕度、空氣溫度、土壤溫度。2012—2015年，從全年的整體趨勢來看，對土壤含水率影響強弱依次為空氣溫度、土壤溫度、相對濕度。一年內不同時期的關聯度也存在月際差異，5—10月（高溫高濕）、12月到次年的3月（低溫低濕）與三者關聯度都比較高，且與溫度的關聯度高于相對濕度，其中高溫高濕使空氣溫度與含水率的關聯度大于土壤溫度，低溫低濕時剛好相反。11月含水率與相對濕度的關聯度最大，4月剛好相反。