汉阳陵帝陵外藏坑土壤含水率的影响因子分析

李莎

摘 要：为探明汉阳陵外藏坑土壤含水率变化特征及主要影响因素，文章对汉阳陵21号坑西端土体2011—2017年含水率的变化及影响含水率的环境因素进行分析，如土壤温度、空气温度、相对湿度，运用灰色关联分析法找出含水率与其他因子之间及含水率变化速率与其他因子变化速率的关系及权重。结果表明，含水率随着时间的变化呈降低趋势，每年呈现季节规律，夏季最高，冬季最低。相对湿度、土壤温度、空气温度均与含水率具有一定关联性，从年均值来看，与含水率的关联排序依次是空气温度、土壤温度、相对湿度;从月均值来看，排序在不同月份间存在波动，但大部分月份都是温度的影响大于相对湿度，只有11月例外。以期该研究可为汉阳陵后续调控及预防性保护提供依据。

关键词：含水率;环境因子;灰色关联法

引言

汉阳陵位于陕西省咸阳市渭城区正阳镇张家湾后沟村北的咸阳塬上，环绕帝陵四周有86座外藏坑。2006年，在帝陵东侧北部外藏坑建设了我国第一座全封闭式的地下遗址博物馆。现场调查发现外藏坑土遗址依然存在裂隙、片状剥蚀、风化、盐析等病害，墓坑中的这些病害与土壤含水率的变化有密不可分的关系，土体含水率的变化对土体影响的研究已有一些成果①，研究土体含水率的影响因素将为科学调控遗址博物馆的环境提供依据。关于汉阳陵外藏坑环境的变化已有较多的研究成果②，但这些研究更多偏重于遗址博物馆运行初期环境条件温度、湿度、空气质量等的变化和影响。冯永亨等③通过分析多个微环境因子分别与土壤含水率变化的关系，提出了土壤含水率影响因素为环境温湿度，与此类似的研究在汉阳陵基本取得了类似的研究结果④，基本涵盖土壤含水率的影响因素。分析土壤含水率和温度等的关联变化及趋势，可以看出直接影响因素主要有土壤温度、空气温度、相对湿度，但缺乏三者之间影响程度差别的研究。本文采用灰色关联分析法，探讨三者的影响程度主次关系。灰色关联分析法是一种确定权重的分析方法，在气象、农业、地质等方面已有一些研究成果⑤。此方法适用于汉阳陵数据的分析，可对含水率影响因子进行排序。本文试图从遗址本体含水率角度出发，运用灰色关联分析法研究含水率随时间的变化规律及确定影响含水率变化的主要因素，从而为汉阳陵博物馆的进一步监测调控提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

在汉阳陵21号坑遗址表面布设温度、含水率监测点，坑道底部布设大气温湿度传感器。遗址表面温度及含水率监测点起始时间为2010年4月30日，监测频率为每30分钟监测一次，监测设备为防潮型土壤温度、土壤水分含量传感器（型号MW307EA）。其中土壤温度的测量范围为零下40～50摄氏度，测量精度±0.1摄氏度;土壤水分含量的测量范围为0%～100%，测量精度为±3%。坑道底部温湿度监测项目自2010年4月30日起，监测频率为每30分钟监测一次，仪器设备为防潮型大气温湿度传感器（型号MW301EA1）。环境温度测量范围为零下20～80摄氏度，测量精度为±0.3摄氏度;环境相对湿度测量范围为0%～100%，测量精度为±2%。选取21号坑2011—2018年的已监测数据为研究对象，包括土壤表面含水率、土壤温度、微环境温度、相对湿度的数据。本篇所用数据去除了异常值，并取整点数据进行整理分析。

1.2 研究方法

本文将分析含水率的变化规律及影响因素，运用灰色关联分析法对含水率与相关因子之间的关联度进行排序，找出主要影响因素。灰色关联分析法是一种确定权重的方法，在综合决策中，权重系数分配的准确性和科学性是至关重要的。灰色系统这个概念的提出是相对于白色系统和黑色系统而言的，最初是由控制科学与工程的邓聚龙教授提出的①。一般认为关联度在0.8以上表示关联性很大，0.5～0.8表示有一定关联性，0.5以下可认为无关联②。灰色关联度对数据量要求很小，只需要4个以上数据即可进行分析③。

本文以含水率为参考列，设为列;以土壤温度、空气温度、相对湿度为对比列，设为列。在进行灰色关联分析时首先对各数据列进行无量纲化处理，采用标准序列进行无量纲，即

2 结果与讨论

2.1 含水率的变化特征

选取从2011—2018年8年间21号坑西端的整点数据，分析自监测以来完整年份的含水率变化情况，运用Origin软件，以时间为自变量，土壤含水率为因变量，绘制土壤含水率的变化规律图（图1）。

图1表明2011—2018年含水率呈逐年下降的趋势，虽然2016—2018年的数据由于设备故障存在大量缺测现象，但不影响整体趋势。8年内含水率最大值是13.07%，最小值是8.7%。每年含水率变化都呈现出先升高后降低的趋势，并呈现季节性规律。2011年7月、2012年8月、2013—2015年的每年9月到达最高值，即夏季炎热潮湿时含水率偏高;2011—2012年的每年12月、2013年1月、2014—2015年的每年2月达到最低值，即寒冷干燥的冬季含水率偏低。

2.2 含水率与环境因子的关系及权重分析

运用灰色关联度法，拟找出和土壤含水率有关的因素间的权重大小。因2016—2018年数据缺测较多，因此数据选取2011—2015年每年的日均值，将含水率的日均值作为对比列，影响因子的日均值作为参考列，具体计算按文章1.2中方法在Excel 2016中实现。含水率与土壤温度关联度用R1表示，含水率与空气温度的关联度用R2表示，含水率与相对湿度的关联度用R3表示，年际关联度结果如表1所示。

表1表明關联度都大于0.5，说明含水率与土壤温度、空气温度、相对湿度都存在一定关联。根据结果将关联度排序，从年均值看，与含水率关联关系依次为空气温度、土壤温度、相对湿度，但年与年间存在略微差异。2011年博物馆运行初期处于高湿度的环境条件下，资料环境湿度一般为100%，因含水率日变化极小，造成计算结果中环境湿度和土壤含水率关联度最大，其结果仅有参考价值。2012—2015年随着环境湿度逐渐变小，含水率的影响因素之间的主次关系突然变化，基本呈现R2≥R1>R3，即对土壤含水率影响主要受环境温度和土体温度控制，由于土体温度主要受环境温度影响，所以二者是一致的。

土壤含水率在一年内呈现周期性变化，为了查明在一年不同时间三个因素的影响程度，现对每月的关联度进行分析。因2011年博物馆运行初期与后期规律不一致，因此选取2012—2015年的月平均值进行分析，并作月关联度图，结果如表2、图2所示。

表2表明5—10月土壤温度、空气温度、相对湿度都高于平均值，即高温高湿;11月空气温度、相对湿度都低于平均值，但土壤温度高于平均值，应与土壤的保温作用有关;12月到次年的3月空气温度、土壤温度、相对湿度都低于平均值，即低温低湿;4月份空气温度、土壤温度都低于平均值，相对湿度高。

图2表明5—10月，含水率与相关因子的关联度都大于0.7，呈现出较高的关联度，且排序大小依次是空气温度、土壤温度、相对湿度，这与高温高湿下蒸发与物理吸附同时发生有关。温度升高，水分分解蒸散，土壤表面温度越高，分子动能越大，溢出表面的水分子就越强，但相对湿度越大，蒸散能力越弱①，因此相对湿度和温度都有影响。11月含水率与相对湿度的关联大于0.8，呈现出高度相关，与空气温度、土壤温度呈现出一定关联度，排序为相对湿度、空气温度、土壤温度，此时温度下降蒸发减少，土壤干燥，对大气水分的吸收会急剧增强，水分又被土壤吸湿吸附②，因此该月主要是相对湿度对含水率影响更大。12月到次年的3月，含水率与相关因子的关联度都大于0.7，呈现出较高的关联度，且排序大小依次是土壤温度、空气温度、相对湿度，土壤与空气的吸附相对较弱，因此含水率的变化更多与土壤温度相互作用。4月含水率与土壤温度、空气温度呈现高度相关，与相对湿度无关，当月空气温度、土壤温度都低于平均值，相对湿度突升，理论上应该与相对湿度关联度更大，但可能存在滞后，因此4月依然和之前的几个月一样与温度关联度更大。

从年际、月际关联度的总体结果来看，汉阳陵外藏坑土壤含水率的影响因素主要是空气温度，个别月份显示土壤温度的关联度大，是因土壤温度受空气温度影响，11月显示相对湿度对含水率的影响最大，但这个月不影响总体结果。

3 结论

2011—2018年含水率呈现逐年下降趋势，含水率最大值为13.07%，最小值为8.7%。每年含水率变化都呈现出先升高后降低的趋势，并呈现季节性规律，夏季含水率较高、冬季较低。

含水率的影响因素主要有土壤温度、空气温度、相对湿度，这三者对含水率的影响程度在时间上呈现不同强弱关系。首先在年变化中略有差异，2011年博物馆的运行初期与含水率关联排序依次是相对湿度、空气温度、土壤温度。2012—2015年，从全年的整体趋势来看，对土壤含水率影响强弱依次为空气温度、土壤溫度、相对湿度。一年内不同时期的关联度也存在月际差异，5—10月（高温高湿）、12月到次年的3月（低温低湿）与三者关联度都比较高，且与温度的关联度高于相对湿度，其中高温高湿使空气温度与含水率的关联度大于土壤温度，低温低湿时刚好相反。11月含水率与相对湿度的关联度最大，4月刚好相反。