基于多尺度影響因子的水土保持措施布局研究

宋曉彥

(湖北安源安全環(huán)保科技有限公司，武漢 430000)

0 引 言

水土流失不但發(fā)生在第四系發(fā)育的山地丘陵坡地地區(qū)，在沖擊平原、三角洲等復(fù)雜地表徑流區(qū)域和復(fù)雜淺層地下水發(fā)育區(qū)域也有發(fā)生。所以，影響水土流失過程的因子，較大程度來自淺層地下水的流體動(dòng)力過程，其次來自地表徑流的水土沖刷作用。而表層第四系的穩(wěn)定性表達(dá)，主要來自第四系的發(fā)育深度、地表坡度、地表徑流及淺層地下水徑流量等因子，地表植被及地表防止水土流失的人工構(gòu)筑物規(guī)模也會(huì)影響水土流失過程。

相關(guān)研究中，采用加權(quán)因子累加法構(gòu)建ArcGIS水土保持模型，對可能發(fā)生的水土流失動(dòng)力過程提供水土保持能力的因子加權(quán)，最終對ArcGIS模型進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)，以對區(qū)域水土保持能力進(jìn)行加權(quán)賦值。

1 水土保持多尺度因子的構(gòu)建

1.1 第四系厚度及地表坡度的水土保持因子構(gòu)建

前期地質(zhì)調(diào)查文獻(xiàn)中顯示，當(dāng)?shù)谒南岛穸容^小時(shí)，第四系發(fā)育不穩(wěn)定；而當(dāng)?shù)谒南岛穸容^大且存在一定的坡度時(shí)，地質(zhì)滑坡的可能性增加，水土保持難度也會(huì)隨之增大，所以第四系厚度與地表坡度應(yīng)聯(lián)合分析。即地表坡度與水土保持難度的關(guān)系為逆冪函數(shù)，而第四系厚度與水土保持難度的關(guān)系為二次函數(shù)。兩函數(shù)相乘，可得：

(1)

式中：α、β分別為第四系厚度系數(shù)與地表坡度系數(shù)；M為X象限位移值；N為Y象限位移值；B為地面坡度系數(shù)的修正量；e為自然常數(shù)。

為確定式(1)中α、β值，可以約定一個(gè)規(guī)律常數(shù)表，見表1及表2。

表1 第四系厚度因子對應(yīng)表

表2 地面坡度因子對應(yīng)表

由表1與表2可知，因?yàn)樵谑?1)中已經(jīng)對相應(yīng)的α、β值分布規(guī)律依照逆冪率規(guī)律和拋物線規(guī)律做出了數(shù)學(xué)表達(dá)，所以α、β值在兩表中的賦值屬于線性賦值，無需進(jìn)行基于相應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系的非線性賦值過程。對兩組因子進(jìn)行線性賦值，目的是增加后期數(shù)學(xué)函數(shù)設(shè)計(jì)的自由度，確保式(1)中待回歸因子B、M、N等的實(shí)際數(shù)學(xué)意義更加簡化。

1.2 地表植被及水土保持構(gòu)筑物的水土保持因子構(gòu)建

地表植被與水土保持構(gòu)筑物對區(qū)域水土保持能力的促進(jìn)作用可以看作近似線性關(guān)系。其中，喬木覆蓋率與灌木覆蓋率對水土保持的支持力度較強(qiáng)，而草本覆蓋率對水土保持的支持力度較弱。地表水土保持構(gòu)筑物包括攔水溝、引水渠、擋土墻等的完善程度，對區(qū)域水土保持能力的影響也有線性關(guān)系。多種影響之間可采用加權(quán)累加的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)控制：

N2=0.60·(0.50·λH+0.35·λM+0.15·λL)+0.40·γ

(2)

式中：λH、λM、λL分別為喬木、灌木、草本植物的覆蓋率傳導(dǎo)因子；γ為地表構(gòu)筑物的傳導(dǎo)因子。

為確定式(2)中λH、λM、λL、γ的取值，可以約定一個(gè)規(guī)律常數(shù)表，見表3及表4。

表3 地面植被因子對應(yīng)表

表4 地面構(gòu)筑物因子對應(yīng)表

表3中需要傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)，已經(jīng)在式(2)中給出加權(quán)參數(shù)，所以3個(gè)因子λH、λM、λL在表3中依照線性關(guān)系進(jìn)行賦值，無需考慮三者對最終因子的實(shí)際加權(quán)特征。此方案可以對式(2)中的實(shí)際加權(quán)因子意義進(jìn)行自由度更高的管理控制。

表4中對γ的賦值同樣采用線性關(guān)系進(jìn)行賦值。其中，“沒有”選項(xiàng)指在分析區(qū)域內(nèi)以及分析區(qū)域外擴(kuò)100 m范圍內(nèi)，沒有任何相關(guān)的地面構(gòu)筑物進(jìn)行水土保持輔助控制；“初級”構(gòu)筑物表示區(qū)域內(nèi)擁有人造水渠等設(shè)施進(jìn)行初步控制；“一般”表示區(qū)域內(nèi)已經(jīng)構(gòu)筑相對完善的地表構(gòu)筑物進(jìn)行水土保持輔助控制，但其功能并不能完全或有效的發(fā)揮；“完善”表示區(qū)域內(nèi)擁有功能健全且維護(hù)合理的水土保持地面構(gòu)筑物體系。

1.3 地表徑流及地下水滲流的水土保持因子構(gòu)建

地表徑流量來自移動(dòng)式或便攜式水文站提供的區(qū)域內(nèi)地表徑流量數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究資料，地表徑流量越大，水土保持的難度越大。地下徑流量以鉆孔抽水?dāng)?shù)據(jù)為準(zhǔn)，所以其控制函數(shù)可以寫作：

(3)

式中：ζD、ζU分別為地下徑流量和地表徑流量數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@兩個(gè)數(shù)據(jù)為逆函數(shù)關(guān)系，所以需要取倒數(shù)后進(jìn)行函數(shù)分布，使用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行近數(shù)軸0點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系放大投影。

這兩個(gè)數(shù)值的實(shí)際傳導(dǎo)因子設(shè)計(jì)情況，詳見表5與表6。

表5 地面徑流因子對應(yīng)表

表6 地下徑流因子對應(yīng)表

表5與表6中，ζD、ζU在徑流量較小的情況下賦值較小，而徑流量較大的情況下賦值較大，其統(tǒng)計(jì)學(xué)本質(zhì)是水土流失的數(shù)據(jù)描述而非數(shù)據(jù)保持的數(shù)據(jù)描述。所以在式(3)中，使用倒數(shù)函數(shù)對其進(jìn)行調(diào)用，此設(shè)置模式也是為了增加加權(quán)因子的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4 水土保持因子的整體構(gòu)建

式(1)-式(3)中，N1、N2、N3分別代表地質(zhì)地層對水土保持能力的影響因子、地表植被及地表附著物對水土保持能力的影響因子、水體環(huán)境對水土保持能力的影響因子。這3個(gè)因子可以進(jìn)行加權(quán)累加進(jìn)行水土保持因子N的構(gòu)建：

N=0.55·N1+0.20·N2+0.25·N3

(4)

式中：對N1、N2、N3的加權(quán)因子分別為0.55、0.20和0.25，該因子的確定過程來自對3個(gè)因子的作用機(jī)制進(jìn)行預(yù)估，且在后續(xù)的仿真數(shù)據(jù)吻合研究中，這3個(gè)因子的數(shù)據(jù)表現(xiàn)可以支持本文研究的實(shí)際需求。

2 地質(zhì)區(qū)域個(gè)案及數(shù)據(jù)仿真分析

2.1 地質(zhì)調(diào)查區(qū)域的個(gè)案特征

某區(qū)域位于鄂東低山丘陵地區(qū)，區(qū)域面積為15 km×15 km。區(qū)域內(nèi)山體坡度最大為16°，其中山體坡度5°～12°區(qū)域占丘陵區(qū)域總面積70%以上。區(qū)域內(nèi)兩條山溪向下匯入某區(qū)域小流域河流，山溪流量分別為120～330和180～390 m3/h。第四系方面，該區(qū)域山區(qū)第四系厚度0～2.5 m，平均0.63±0.15 m；坡積平原區(qū)域第四系厚度1～12 m，平均5.82±0.54m;淤積平原區(qū)域第四系厚度5～32 m，平均12.75±3.22 m。山溪部分中上游一般切削第四系至基巖，山溪兩岸第四系厚度0～1.8 m，山溪最大水深1.2 m，為季節(jié)性山溪。小流域河流水深1.2～3.5 m，底部第四系發(fā)育，厚度1.2～18.5 m。

在ArcGIS中對區(qū)域進(jìn)行劃分，每單元為25 m×25 m，即將區(qū)域劃分為600×600個(gè)方格，共36萬個(gè)，對每個(gè)方格進(jìn)行N1、N2、N3和N值的賦值，通過對小流域河流載沙量對水土流失情況進(jìn)行檢測，以判斷上述模型帶來的水土流失情況并判斷其水土保持能力。

2.2 多尺度水土保持因子的實(shí)證分析

對N1、N2、N3和N值的加權(quán)情況，依據(jù)均值法進(jìn)行計(jì)算，即計(jì)算N1、N2、N3的每項(xiàng)均值，同時(shí)計(jì)算N值的每項(xiàng)均值。對河流載沙量的計(jì)算為每月采集1次，采集過程考察區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件對N1、N2、N3和N值進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查并重新計(jì)算，所得結(jié)果見表7。

表7 基于個(gè)案的實(shí)證數(shù)據(jù)對照表

由表7可以看到，該個(gè)案河流的流量與載沙量變化幅度較大，但N值變化幅度較低。其中，N值最大值6.93，最小值5.24，變化幅度為32.3%；而總載沙量在8月份達(dá)到峰值1 344.3 m3/h，在2月份達(dá)到谷值384.8 m3/h，變化幅度為249.4%。但N值與總載沙量的峰谷值出現(xiàn)較為統(tǒng)一，周期內(nèi)數(shù)據(jù)接近線性關(guān)系。所以，將表7中數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，見圖1。

圖1中，N值與總載沙量數(shù)據(jù)符合回歸公式Y(jié)=579.08X-2 607.1，R2值為0.956 7；N值與單位載沙量數(shù)據(jù)符合回歸公式Y(jié)=143.23X-478.76，R2值為0.916 3；兩組數(shù)據(jù)的線性關(guān)系的R2值均超過0.900，證實(shí)其線性關(guān)系顯著。同時(shí)證明本文設(shè)置的多尺度水土保持影響因子與實(shí)際測量值的吻合度較高，該加權(quán)模式具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 河流載沙量數(shù)據(jù)與N值統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系圖

3 結(jié) 語

從地質(zhì)學(xué)和環(huán)境學(xué)角度進(jìn)行分析，區(qū)域水土保持能力與地形地貌和第四系發(fā)育情況有關(guān)、與地表植被及用于水土保持的地表構(gòu)筑物有關(guān)、與區(qū)域地表徑流和地下徑流的流量有關(guān)。本文在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水土保持能力因子并進(jìn)行了加權(quán)累加。在實(shí)證分析過程中，通過對區(qū)域內(nèi)河流單位水體載沙量和總流量載沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行水土流失的限定發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)定的因子與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性。研究結(jié)果證明，本文設(shè)置的多尺度水土保持影響因子與實(shí)際測量值的吻合度較高，該加權(quán)模式具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。