水庫(kù)控制范圍侵蝕產(chǎn)沙影響主成分分析

(新賓滿族自治縣水土保持監(jiān)督站，遼寧 撫順　113200)

隨著自然環(huán)境的不斷惡化，土壤侵蝕已受到國(guó)內(nèi)外重視。作為全球范圍內(nèi)土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)，中國(guó)水土流失的總面積已經(jīng)近360萬(wàn)km2(2002年遙感調(diào)查)。土壤肥沃的東北作為中國(guó)的糧食產(chǎn)量大區(qū)，受到各種人類干擾和自然等因素的影響，土壤侵蝕也成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題[1-2]，這其中包括了東北松嫩平原的黑土丘陵漫崗區(qū)。

眾所周知，造成侵蝕產(chǎn)沙的原因較多，且各因子之間也會(huì)彼此影響，在國(guó)內(nèi)外對(duì)于侵蝕產(chǎn)沙的影響因素研究中有大量的分析成果。但是對(duì)于東北地區(qū)來說，造成其侵蝕產(chǎn)沙的原因相對(duì)單一，將小流域作為研究對(duì)象的成果較少。因此，本文從造成流域侵蝕產(chǎn)沙的多種影響因素中，找到主要因素。該研究有利于東北地區(qū)的水土保持，并能夠促進(jìn)黑土區(qū)域糧食種植的可持續(xù)發(fā)展。

1　研究方法和現(xiàn)狀資料

1.1　研究對(duì)象及區(qū)域概況

本文選取東北區(qū)域17座水庫(kù)為研究對(duì)象，這些水庫(kù)均建于20世紀(jì)60—70年代。研究區(qū)域平均溫度約1.26℃，屬于溫帶大陸性氣候，每年7—9月為汛期，平均年降水量510mm，由于該地區(qū)降水具有強(qiáng)度高、時(shí)間短、地表水匯流快特點(diǎn)，加大了水土流失的可能。該地區(qū)土壤類型主要包括草甸黑土、一般黑土。

1.2　研究方法

1.2.1明確造成侵蝕產(chǎn)沙的原因

造成流域土壤侵蝕產(chǎn)沙原因包括土壤、景觀格局、氣候及地勢(shì)等，從這些原因中選擇22個(gè)具有代表性的因子，將其作為分析造成流域侵蝕產(chǎn)沙的變量。

利用ArcGIS軟件，先提取地形、河網(wǎng)及流域形態(tài)三項(xiàng)因素。氣候因子中，選取降雨侵蝕力作為代表。由于本文分析的是多年來造成土壤侵蝕產(chǎn)沙的原因，因此，采用的是多年降雨侵蝕力的平均值，該項(xiàng)因子通過計(jì)算年降雨量的平均值可以得出。面對(duì)侵蝕土壤的敏感程度、抵御強(qiáng)度，選取土壤可蝕性因子作為代表。

在流域土地利用方面，選取三個(gè)影響因子作為代表，分別為土地管理因子C、水土保持措施因子P及耕地百分比。

景觀格局方面，選取多樣性、聚集度及蔓延度三個(gè)指數(shù)作為代表因子。利用FraGStatS3.3軟件，根據(jù)已有相關(guān)研究，可以獲得水土保持措施因子P和土地管理因子C的值(見表1)。

1.2.2數(shù)據(jù)處理軟件

為了對(duì)因變量和自變量進(jìn)行無(wú)量綱化處理，需要利用SPSS19.0軟件，運(yùn)用z-score法對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，選用多元線性回歸模型、相關(guān)性分析、主成分統(tǒng)計(jì)分析等多種研究方法，分析造成其控制流域及小流域侵蝕產(chǎn)沙的影響因子。

2　數(shù)據(jù)分析

2.1　水庫(kù)控制流域侵蝕產(chǎn)沙變異特征

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)的水庫(kù)資料得出，流域平均產(chǎn)沙量2237.60t/a，變異系數(shù)81.90%。這意味著流域內(nèi)有90%的泥沙會(huì)再發(fā)生沉積，流域內(nèi)輸沙模數(shù)和侵蝕模數(shù)的比值是10%。

流域內(nèi)產(chǎn)沙模數(shù)和流域面積的相關(guān)性圖

根據(jù)分析結(jié)果，流域的面積和產(chǎn)沙量具有正相關(guān)的關(guān)系[R2=0.67；見圖(a)]，但是所呈現(xiàn)的相關(guān)程度并不明顯[見圖(b)]，這也和以往對(duì)于東北地區(qū)產(chǎn)沙原因的分析研究相一致。此外，其他已有研究認(rèn)為流域的面積對(duì)于產(chǎn)沙模數(shù)不一定有直接性的影響。因此本文認(rèn)為流域內(nèi)的各種因素及這些因素的內(nèi)部作用使產(chǎn)沙模數(shù)發(fā)生改變。

2.2　分析小流域侵蝕產(chǎn)沙的原因

通過多元線性回歸模型及相關(guān)性分析方法，來分析造成小流域侵蝕產(chǎn)沙的原因。從表2中可以看出，和產(chǎn)沙量(SY)呈顯著正相關(guān)的因子包括河流的總長(zhǎng)度(L)及流域的周長(zhǎng)(Pe)、面積(A)；和產(chǎn)沙模數(shù)(SSY)的負(fù)相關(guān)性比較明顯的有水土保持措施因子(P)、聚集指數(shù)(Ia)兩個(gè)，和產(chǎn)沙模數(shù)的正相關(guān)性比較明顯的包括流域的降雨侵蝕力(R)、高程最大值(Hmax)、坡度的平均值(S)及高程的差值(HD)四個(gè)因子。而其他的變量則和產(chǎn)沙模數(shù)沒有明顯的相關(guān)性，如耕地所占的百分比(PF)、土壤可蝕性因子(K)、圓周比(Rc)、最低高程(Hmin)平均高程(Hmean)流域高程積分(H1)地形起伏度(RR)土地管理因子(C)草地百分比(PP)耕地百分比(PA)蔓延度指標(biāo)(IC)香農(nóng)多樣性指標(biāo)(IS)聚集系數(shù)(IA)。

表2　各因子和產(chǎn)沙量的相關(guān)性、各因子和產(chǎn)沙模數(shù)的相關(guān)性

*表示在0.01水平上顯著相關(guān)；**表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

高程差能夠影響泥沙的流動(dòng)和與水的分離。坡度可影響地表徑流流動(dòng)的快慢，在高差大、坡度高的流域產(chǎn)沙的模數(shù)較大。聚集指數(shù)代表流域中景觀斑塊的聚集能力和銜接情況，通過聚集指數(shù)代表景觀的破碎化程度，聚集指數(shù)越大，人類的干擾越小、產(chǎn)沙模數(shù)越小。

造成流域侵蝕產(chǎn)沙的原因較多，本文選擇回歸分析方法，構(gòu)建兩個(gè)多元線性回歸模型，來表達(dá)流域產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙模數(shù)對(duì)于產(chǎn)沙的作用程度：

SY=0.86A+1.14S+0.83IA

(1)

(R2=0.88;n=17)

SSY=-0.86P-0.43RR

(2)

(R2=0.67;n=17)

產(chǎn)沙量的方程含有A、S和IA三個(gè)變量，對(duì)于產(chǎn)沙量這三個(gè)因子的解釋度是88%，A對(duì)產(chǎn)沙量起到的作用所占比值是27%、S對(duì)產(chǎn)沙量起到的作用所占比值是36%、IA對(duì)產(chǎn)沙量起到作用比值是26%。產(chǎn)沙模數(shù)的方程含有P、RR兩個(gè)變量，對(duì)于產(chǎn)沙模數(shù)這兩個(gè)因子的解釋度是67%，P對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)起到作用比值是44%、RR對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)起到作用比值是22.40%。

2.3　分析造成小流域侵蝕產(chǎn)沙的主成分

從這22個(gè)變量中分析影響因子中的主成分，其中85%的作用都由4個(gè)主成分造成(見表3)。第一個(gè)主成分屬于地形因素，其中Hmin和Hmean的載荷量都較大。第二個(gè)主成分屬于流域的形態(tài)因素，其中四個(gè)因子的載荷量約0.80；第三個(gè)主成分屬于土壤因素，其中k因子的載荷量較大。第四個(gè)主成分屬于景觀格局因素，其中三個(gè)因子的載荷量都比0.90大；綜上，造成侵蝕產(chǎn)沙原因的主成分分別為地形、土壤可蝕性、流域形態(tài)及景觀格局。通過多元回歸方程，分析這4個(gè)主成分與流域產(chǎn)沙模數(shù)的相關(guān)性：

表3　各主成分特征值的變量矩陣和方差貢獻(xiàn)率

*加黑字體表示載荷量比較大的因子。

SSY=0.301x1+0.539x2+0.551x3-0.146x4

(3)

(R2=0.713；n=17)。

式中x2——流域形態(tài)因代表子；

x1——景觀格局；

x4——可蝕性土壤因素；

x3——地形因素。

方程(3)表明，4個(gè)主成分對(duì)水庫(kù)控制流域產(chǎn)沙模數(shù)的解釋程度為72.20%，其作用程度分別是13.70%、25.90%、24.90%、7%，可以看出影響最大的是景觀格局和土壤可蝕性。

3　結(jié)　語(yǔ)

運(yùn)用多元線性回歸模型、相關(guān)性分析、主成分統(tǒng)計(jì)分析等多種研究方法，分析造成其小流域侵蝕產(chǎn)沙的各方面影響因子，并明確了原因中的主導(dǎo)因素。

研究結(jié)論：要減少水庫(kù)所在小流域侵蝕產(chǎn)沙的程度，降低東北區(qū)域土壤流失情況的發(fā)生率，首先必須減少人類活動(dòng)對(duì)流域的影響，這點(diǎn)必須重視起來，人為的擾動(dòng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙影響巨大，只有加以重視，減少擾動(dòng)，增加流域景觀斑塊的聚集度，接著結(jié)合地形將用地的比例調(diào)整到合理水平，才能盡可能地減少對(duì)水庫(kù)所在流域的擾動(dòng)，減少產(chǎn)沙量，最終保證水土資源平衡，減少水土流失，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展

[1]唐克麗.中國(guó)水土保持[M].北京：科學(xué)出版社，2004：210-211.

[2]方海燕，蔡強(qiáng)國(guó)，李秋艷.東北典型黑土區(qū)烏裕爾河中游泥沙輸移月年時(shí)間尺度特征[J].泥沙研究，2009(2)：16-21.