基于随机森林模型的潜水蒸发影响因素及模拟研究

梅海鹏，黄梦楠

（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院（安徽省水利工程质量检测中心站），安徽 蚌埠 233000；2.水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000）

潜水蒸发影响着区域水循环、大田土壤水分利用效率等，该过程易受到土壤温度、土壤湿度、太阳净辐射、空气湿度等多种水文气象要素影响。因此，能够掌握潜水蒸发的规律、探明潜水蒸发的影响因素，对优化区域水资源配置、挖掘农业节水潜力等方面具有重要意义。本文基于五道沟实验站地中蒸渗仪设备，利用随机森林模型，研究在有、无作物情况下影响潜水蒸发的水文气象因素，并对相应情况下潜水蒸发进行模拟，以期为区域地下水调控和农业节水工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

该试验于2018—2020 年在五道沟水文水资源实验站地中蒸渗仪试验场进行。试验选取蒸渗仪2 套，为保障足够的水分供给，地下水埋深均设置为0.2m，测筒内土壤均为当地砂姜黑土原状土。试验分为无作物、有作物两组同期进行，其中，无作物测筒编号为L，种植作物测筒为编号l。试验作物为当地典型作物冬小麦和夏玉米，在测筒内进行轮作，冬小麦种植下测筒编号为lW，夏玉米种植下测筒编号为lC。各蒸渗仪测筒管理方式一致，除天然降水外，不对测筒内作物进行额外灌溉，其他与大田管理一致。

日潜水蒸发观测：蒸渗仪测筒与观测室内补水瓶连接，当蒸渗仪测筒内产生潜水蒸发时蒸渗仪测筒内水分减少，在大气压强作用下补水瓶向蒸渗仪测筒补水，当日8 时与前一日8 时补水瓶内水位差值即为前一日潜水蒸发量。

1.2 数据处理

为避免冬季土壤冻融对潜水蒸发观测的影响，各年度冬小麦潜水蒸发数据选取2 月至收割日期间数据，夏玉米为整个生育期数据系列。选择测筒无入渗量产生时期的观测数据，避免降水对潜水蒸发的影响。各年度各组潜水蒸发数据选取时段及有效数据天数见表1。

表1 潜水蒸发试验设计及有效数据天数表

本研究共筛选了17 个水文气象要素，分析不同水文气象要素对潜水蒸发量的影响程度。研究选取的有效数据日同期水文气象要素由五道沟实验站标准气象场和高精度气象站测量。具体包括：水面蒸发数据（E601B）、最高温度（Tmax）、最低温度（LT）、日照时数（SUN）、相对湿度（RH）、饱和水汽压差（VPD）、露点温度（DT）、地表温度（LST）、梯度土壤温度（ST20、ST40）、空气湿度（H）、净辐射（NR）、梯度土壤湿度（SH20、SH30、SH40）、风速（WS）、日均气温（MT）等。

1.3 研究方法

基于随机森林回归模型（RF）对蒸渗仪潜水蒸发量进行预测，以RF 模型节点纯度增加值作为变量重要性评估指标，评估输入参数气象要素对潜水蒸发影响的重要性。将各数据系列总量的80%作为训练集率定模型，剩余20%作为测试集测试模型性能。数据处理利用SPSS（R26.0），随机森林模型构建利用Matlab（2016b）。

2 结果与分析

2.1 潜水蒸发预测模型

将试验期有效潜水蒸发量数据系列随机划分出80%数据量作为训练集，对随机森林模型进行训练，利用剩余的20%数据系列对模型进行评价。分别以L、lW和lC潜水蒸发量作为输出变量，以相应的17 个水文气象要素作为特征变量建立RF 模型，模型评价指标见表2。各模型的训练集评价指标均优于测试集指标，与其他神经网络类预测模型表现类似，当进行训练集数据范围以外的预测时，某些噪音较大的样本集易导致模型误差，同时，一些未考虑到的气象要素、环境因素同样会带来预测误差。训练集中各模型NSE数值排序为RFC＞RFW＞RFL，RFC的NSE 更接近1，表明RFW模型质量最好，RFL质量相对较差，但RMSE与MAE 指标均为RFL＞RFW＞RFC，表明训练集中无作物条件下对潜水蒸发量的误差最小，夏玉米种植条件下最大，这与冬小麦、夏玉米种植条件下潜水蒸发量要高于无作物情况下潜水蒸发量有关。在测试集中，各模型NSE 指标与训练集有所不同，各模型的NSE为RFW＞RFC＞RFL，测试集中RFW模型表现最好，RFL相对较差，但RFL的RMSE 与MAE 最低，分别为0.701mm 和0..526mm，RFW的RMSE 与MAE 略高于RFL，分别高出0.144mm 和0.083mm，但比RFC要低。由图1 基于各RF 模型计算的预测值与实测值关系，预测值与实测值R2在0.726～0.895 之间，在三种种植条件中以冬小麦种植条件下的模型预测效果更好，无作物条件下最差。综合考虑各项指标，作物种植条件下基于水文气象要素建立的潜水蒸发预测RF 模型质量要优于无作物条件，冬小麦种植条件下的RF 模型优于夏玉米种植条件下的RF 模型。

图1 不同种植条件下RF 模型对潜水蒸发的模拟效果图

表2 不同种植条件下RF 模型评价指标

2.2 气象要素重要性评估

图2 为各RF 模型对不同气象要素在模拟潜水蒸发量时的重要性排序，在无作物条件下，太阳净辐射（NR）、40cm 埋深土壤温度（ST40）和空气湿度（H）对潜水蒸发的影响更为重要；冬小麦种植条件下以40cm 土壤含水量（SH40），太阳净辐射（NR）和地表温度（LST）对潜水蒸发影响更大；夏玉米种植条件下40cm 埋深土壤温度（ST40）和太阳净辐射（NR）是影响潜水蒸发的主要因素。在三种植条件下均表现出NR 是影响潜水蒸发量的重要因素，而不同的种植条件下影响因素重要程度存在差异。无作物条件下NR 是影响潜水蒸发最重要的因素，在冬小麦和夏玉米种植条件下SH40、ST40分别为最重要的影响因素，NR 则为第二重要因素。可见，在作物种植情况下，由于作物叶面积指数和作物根系的影响，使得土壤梯度温度和土壤含水量对潜水蒸发的影响程度提高。根据图2（a）对于无作物条件下，空气中的水分含量（H、RH）也对潜水蒸发有着重要的影响；根据图2（b），冬小麦种植条件下温度要素（LST、ST40、Tmax）和VPD 对潜水蒸发也有着一定的影响；根据图2（c），夏玉米种植条件下VPD、SH20、WS 对潜水蒸发的影响也尤为重要。

图2 不同水文气象因素对潜水蒸发重要性排序图

3 讨论

根据随机森林模型（RF）对17 个水文气象因子影响潜水蒸发的重要程度评估结果，NR 对于有无作物种植条件下的潜水蒸发量影响重要性均靠前，表明太阳净辐射是潜水蒸发的重要驱动力，太阳净辐射改变了土壤温度梯度，加剧了潜水蒸发的进行。但是在作物种植条件下，作物叶片影响了地表对太阳净辐射的吸收，在作物叶片蒸腾影响及根系吸水情况下，土壤含水量和土壤温度对潜水蒸发的影响程度变大。太阳净辐射、地表空气湿度和土壤梯度温度共同驱动无作物条件下土壤的潜水蒸发；在保障足够的土壤含水量情况下，太阳净辐射和土壤温度梯度是影响小麦种植条件下潜水蒸发的主要因素；除太阳净辐射和土壤梯度温度外，饱和水汽压差和风速对夏玉米条件下的潜水蒸发也十分重要。

4 结论

无作物条件下太阳净辐射量对于裸土的潜水蒸发量影响最为重要，其次为土壤温度和空气湿度；在一定的太阳净辐射条件下，40cm 埋深土壤含水量和40cm 土壤温度分别是冬小麦和夏玉米种植条件下最影响潜水蒸发的因素。相比与冬小麦种植条件下，水汽饱和压差对夏玉米条件下的潜水蒸发影响更大。基于RF 模型通过气象要素对无作物、冬小麦种植和夏玉米种植条件下的潜水蒸发预测具有较高的精度，可作为潜水蒸发的预测工具