平原圩區(qū)排澇模數(shù)影響因子的分析

【摘要】排澇模數(shù)是平原圩區(qū)設(shè)計的一項重要內(nèi)容，直接影響排澇泵站的裝機規(guī)模，關(guān)系圩區(qū)汛期是否受淹。針對杭嘉湖平原圩區(qū)的格局，排澇模數(shù)的計算采用平均排除法更為合理。本文通過SPSS統(tǒng)計分析方法中的主成分與因子分析法來分析研究圩區(qū)排澇模數(shù)的主要影響因子，為其他類似地區(qū)的排澇模數(shù)提供參考、為當(dāng)?shù)卣恋乜茖W(xué)合理利用提供科學(xué)支撐。

【關(guān)鍵詞】平原圩區(qū)；排澇模數(shù)；主成分與因子分析法

杭嘉湖平原圩區(qū)地勢低洼，暴雨徑流難以自排，往往需排澇泵站輔助排澇，排澇模數(shù)直接確定排澇泵站規(guī)模，因此合理確定排澇模數(shù)對提高圩區(qū)排澇效率、降低澇災(zāi)經(jīng)濟損失意義重大。

根據(jù)土地利用性質(zhì)，圩區(qū)分為城鎮(zhèn)圩區(qū)、農(nóng)業(yè)圩區(qū)和混合圩區(qū)。城鎮(zhèn)圩區(qū)一般位于城市中心區(qū)，主要是工商業(yè)居民集中地，不透水面積較大，調(diào)蓄能力弱，不受淹。農(nóng)業(yè)圩區(qū)一般在遠離城市的農(nóng)村，水面率較高，調(diào)蓄能力大，耐淹型較強。隨著城市化發(fā)展，城區(qū)向郊區(qū)擴展，農(nóng)村城鎮(zhèn)面積不斷增大，混合圩區(qū)相應(yīng)產(chǎn)生。城鎮(zhèn)圩區(qū)與農(nóng)業(yè)圩區(qū)下墊面條件差異顯著，產(chǎn)匯流模式不一樣，不同的耐淹性使得排澇標(biāo)準(zhǔn)也有所差別，致使排澇模數(shù)的計算方法有區(qū)別。本文重點研究農(nóng)業(yè)圩區(qū)排澇模數(shù)的主要影響因子，以嘉興市秀洲區(qū)為例進行分析研究。

1、平原圩區(qū)排澇模數(shù)研究方法

排澇模數(shù)計算方法主要有經(jīng)驗公式法、平均排除法、河網(wǎng)非恒定流法及水量平衡法。經(jīng)驗公式法浙江省研究較少，相關(guān)系數(shù)的取值沒有經(jīng)驗可循；河網(wǎng)非恒定流法所需資料和計算條件要求較高，縣（市）級水利設(shè)計單位推廣使用存在困難；水量平衡法主要考慮產(chǎn)水與排水和河道水位水量關(guān)系曲線，并控制最高洪水位，但對雨型較敏感，不同的雨型可得到不同的計算結(jié)果，主要存在的問題是河道湖泊水域以外的陸地產(chǎn)水和水田產(chǎn)水如何匯流到河道內(nèi)缺少一個合理的方法，需要進一步研究。

2、主成分與因子分析法

2.1 概念。因子分析（Factor analysis）：是用少數(shù)幾個因子來描述許多指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系，以較少幾個因子來反映原資料的大部分信息的統(tǒng)計學(xué)分析方法。從數(shù)學(xué)角度來看，主成分分析是一種化繁為簡的降維處理技術(shù)。

主成分分析（Principal component analysis）：是因子分析的一個特例，使用最多的因子提取方法。它通過坐標(biāo)變換手段，將原有的多個相關(guān)變量，做線性變化，轉(zhuǎn)換為另外一組不相關(guān)的變量。選取前面幾個方差最大的主成分，這樣達到了因子分析較少變量個數(shù)的目的，同時又能與較少的變量反映原有變量的絕大部分的信息。

兩者關(guān)系：主成分分析（PCA）和因子分析（FA）是兩種把變量維數(shù)降低以便于描述、理解和分析的方法，而實際上主成分分析可以說是因子分析的一個特例。

2.2 特點。因子變量的數(shù)量遠少于原有的指標(biāo)變量的數(shù)量，因而對因子變量的分析能夠減少分析中的工作量；因子變量不是對原始變量的取舍，而是根據(jù)原始變量的信息進行重新組構(gòu)，它能夠反映原有變量大部分的信息；因子變量之間不存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，對變量的分析比較方便，但原始部分變量之間多存在較顯著的相關(guān)關(guān)系；因子變量具有命名解釋性，即該變量是對某些原始變量信息的綜合和反映。

在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對高維變量空間進行降維處理（即通過因子分析或主成分分析）。顯然，在一個低維空間解釋系統(tǒng)要比在高維系統(tǒng)容易的多。

2.3 分析原理。假定：有n個樣本，每個樣本共有p個變量，構(gòu)成一個n×p階的數(shù)據(jù)矩陣：

當(dāng)p較大時，在p維空間中考察問題比較麻煩。這就需要進行降維處理，即用較少幾個綜合指標(biāo)代替原來指標(biāo)，而且使這些綜合指標(biāo)既能盡量多地反映原來指標(biāo)所反映的信息，同時它們之間又是彼此獨立的。

無論是哪一種因子分析方法，其相應(yīng)的因子解都不是唯一的，主因子解僅僅是無數(shù)因子解中之一。

Zi與Zj相互無關(guān)；

Z1是X1，X2，…，Xp的一切線性組合中方差最大者，Z2是與Z1不相關(guān)的X1，X2，…的所有線性組合中方差最大者。則，新變量指標(biāo)Z1，Z2，…分別稱為原變量指標(biāo)的第一，第二，…主成分。

Z為因子變量或公共因子，可以理解為在高維空間中互相垂直的m個坐標(biāo)軸。

主成分分析實質(zhì)就是確定原來變量Xj（j=1，2，…，p）在各主成分Zi（i=1，2，…，m）上的荷載Lij。

從數(shù)學(xué)上容易知道，并且可以證明，它們分別是相關(guān)矩陣的m個較大的特征值所對應(yīng)的特征向量。

3、案例分析

嘉興市秀洲區(qū)位于杭嘉湖平原上，河網(wǎng)交織，屬于平原水網(wǎng)圩區(qū)。經(jīng)濟較發(fā)達，排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。暴雨計算選擇嘉興站作雨量代表站，根據(jù)《杭嘉湖圩區(qū)整治技術(shù)導(dǎo)則》（試行），得到10年一遇24h設(shè)計暴雨為184mm。

3.1 嘉興市秀洲區(qū)農(nóng)業(yè)圩區(qū)排澇模數(shù)。按照平均排除法計算得出排澇模數(shù)。

3.2 主成分與因子分析。影響排澇模數(shù)的因子眾多，針對嘉興市秀洲區(qū)，P、h1、h2、h3、Ew、F、T、t等因子基本不變或變化較小，因此，對幾個因子采用主成分與因子分析方法，分析研究對排澇模數(shù)的影響。

根據(jù)主成分分析結(jié)果，第一主成分的特征根為3.10，它解釋了總變異的77.40%，第二主成分的特征根為0.72，解釋了總變異的17.93%，故本例選取2個主成分，此時累計貢獻率達到了95.33%。

4、結(jié)論

農(nóng)業(yè)平原圩區(qū)的排澇模數(shù)的主要影響因子為A排水區(qū)總面積、Aw水田面積、A2河網(wǎng)溝塘水面面積，因此，在平原圩區(qū)劃分、圩區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、圩區(qū)河道整治等方面著重分析引起平原圩區(qū)排澇模數(shù)的變化，研究是否能夠科學(xué)解決地區(qū)受淹、土地合理利用等問題，為促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐依據(jù)。