趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043)

分層抽樣法在鐵路項目水土流失監(jiān)測點布局中的應用研究

趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043)

天水至平?jīng)鲨F路;水土流失監(jiān)測;分層抽樣法;樣本;監(jiān)測點

鑒于目前鐵路類建設(shè)項目水土流失監(jiān)測結(jié)果大多不能反映建設(shè)項目新增水土流失的現(xiàn)狀，以天水至平?jīng)鲨F路工程為例，在充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過劃分監(jiān)測樣本，確定樣本總量，利用事前分層抽樣中的樣本設(shè)計和抽樣設(shè)計，對大型線型項目水土流失監(jiān)測點的空間布局進行了控制和優(yōu)化。結(jié)果表明:天水至平?jīng)鲨F路工程共需設(shè)置42個水土流失監(jiān)測點，監(jiān)測點分布符合鐵路工程新增水土流失的規(guī)律，布局合理，優(yōu)于原水土流失監(jiān)測點的布局方案。

鐵路建設(shè)項目占地面積大，動用土石方量大，對地表的擾動強烈，若防護不當則會產(chǎn)生大量的水土流失。目前，鐵路類建設(shè)項目的水土流失監(jiān)測大多完全憑經(jīng)驗布設(shè)監(jiān)測點，以至于監(jiān)測結(jié)果不能準確反映建設(shè)項目新增水土流失的狀況，不利于后續(xù)項目的開展。鑒于開發(fā)建設(shè)項目水土流失的復雜性，可采用抽樣調(diào)查的方法來掌握項目整體水土流失狀況［1］。目前，分層抽樣在開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測研究中有所涉及［2－4］，主要使用事后抽樣的方法，但事后抽樣調(diào)查法受原始抽樣數(shù)量限制較大，當抽樣數(shù)量較少時誤差較大［5］。筆者試以天水至平?jīng)鲨F路工程為例，首先通過經(jīng)驗法確定水土流失監(jiān)測樣本總量，然后再利用事前分層抽樣調(diào)查法確定水土流失監(jiān)測點數(shù)量，以期為其他線型項目水土流失監(jiān)測點的布設(shè)提供參考。

1 研究方法

主要通過事前分層設(shè)計，確定抽樣樣本(監(jiān)測點)數(shù)量，并利用抽樣設(shè)計和樣本設(shè)計，對樣本空間分布進行控制和優(yōu)化［5－6］，即先根據(jù)項目實際情況確定分層，劃分監(jiān)測樣本，再利用經(jīng)驗，根據(jù)不同的地形與水土流失特點分別確定各層及監(jiān)測樣本總數(shù)量，利用置信限要求計算監(jiān)測樣本容量，最后依據(jù)分層抽樣法的抽樣條件和鐵路項目的水土流失特點，確定監(jiān)測樣本的分配。

2 項目區(qū)概況

2.1 自然概況

新建鐵路天水至平?jīng)鼍€位于甘肅省東部天水和平?jīng)鰞墒芯硟?nèi)。項目經(jīng)過渭河、牛頭河、付川河等河谷區(qū)，關(guān)山、六盤山中山山地區(qū)和黃土梁峁區(qū)等3個地貌單元。線路全長約114 km，其中路基、橋梁主要分布于地勢平緩的渭河、牛頭河、付川河等河谷區(qū);隧道主要分布在關(guān)山、六盤山山地區(qū)和黃土梁峁區(qū)。項目總占地面積485.22 hm2，共動用土方量1 137.2萬m3，全線設(shè)置取土場19處、棄土場3處、隧道棄渣場25處。項目區(qū)降水季節(jié)分配不均，冬春干旱多風，夏秋陰濕多雨，季風氣候特征明顯。按照項目穿越的3個地貌類型區(qū)分述的項目區(qū)概況詳見表1。

表1 項目區(qū)概況

2.2 土壤侵蝕狀況

天水至平?jīng)鲨F路所經(jīng)河谷地區(qū)、黃土梁峁地區(qū)受人類活動影響較大，水土流失相對嚴重，多為中度侵蝕;關(guān)山和六盤山中山山地區(qū)受人類活動擾動小，植被覆蓋率高，水土流失輕微，多屬于輕度侵蝕。詳見表2。

表2 鐵路沿線土壤侵蝕模數(shù)及擾動面積

2.3 研究結(jié)果

2.3.1 項目區(qū)分區(qū)

依據(jù)地貌類型對項目區(qū)進行一級分區(qū)，即劃分為河谷區(qū)、中山山地區(qū)、黃土梁峁區(qū)3個分區(qū)。將工程類型分為主體工程和臨時工程，主體工程包括路基工程、橋梁工程、隧道工程、站場工程等;臨時工程包括取棄土場、棄渣場、施工便道、施工營地和場地等。結(jié)合表2可知，該項目造成的土壤侵蝕主要來自于主體工程及取棄土場、棄渣場等大型臨時工程，因此根據(jù)工程類型將主體工程與臨時工程作為次級分區(qū)。

2.3.2 監(jiān)測樣本量的確定

(1)監(jiān)測樣本及樣本總量的確定。在次級分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤侵蝕的特點，確定單個監(jiān)測點所能代表的最大范圍，并根據(jù)其所能代表的范圍劃定抽樣調(diào)查的樣本。其中，主體工程可視為線型工程，且為主要產(chǎn)生水土流失的工程，可依經(jīng)驗利用長度劃定樣本量;大型臨時工程可視為點型工程，可通過計算大型臨時工程的數(shù)量得到樣本量。因此，樣本總量(N)為主體工程樣本數(shù)與大型臨時工程樣本數(shù)之和。

(2)樣本容量的確定。一般的抽樣調(diào)查中，確定樣本容量時，可根據(jù)以前的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者進行預監(jiān)測，得到樣本總體平均值、方差s，然后推算出樣本容量。但是在實際監(jiān)測工作中，受工程建設(shè)工序和水土流失監(jiān)測工作開展情況的限制，無法得和s，所以無法計算樣本容量。因此，筆者采用預估樣本總量，利用置信限的邊界誤差計算樣本容量。

在樣本總量已知的基礎(chǔ)上，利用總體比例確定監(jiān)測點數(shù)量，在不放回抽樣，取容量為N的有限總體時，置信限R為

(3)各層監(jiān)測樣本數(shù)量的確定。采用抽樣比的方式確定各層監(jiān)測點，其中:

第i分區(qū)抽樣比=第i分區(qū)樣本數(shù)量/N

第i分區(qū)路基監(jiān)測樣本數(shù)量=第i分區(qū)路基抽樣比×ni

第i分區(qū)取棄土場、棄渣場監(jiān)測樣本數(shù)量=第i分區(qū)取棄土場、棄渣場抽樣比×ni

(4)抽樣策略的選擇。各分區(qū)內(nèi)監(jiān)測點的布局，可根據(jù)沿線地形地貌和工程特點，通過采取不同的抽樣策略如隨機抽樣、等距抽樣、整體抽樣等進行輔助設(shè)計。

3 計算結(jié)果與討論

(1)監(jiān)測樣本及樣本總量的確定。天平鐵路工程橋隧比較高，而橋隧工程以挖方為主，擾動面積相對較小，施工作業(yè)帶上土壤侵蝕量很小，所造成的土壤侵蝕主要產(chǎn)生于棄土棄渣場;路基工程以填方為主，占地面積大，土壤侵蝕主要發(fā)生在路基作業(yè)面以及相應的取土場。主體工程中的路基占地面積最大，故其為新增水土流失產(chǎn)生的主體;臨時工程的水土流失主要產(chǎn)生于取棄土場、棄渣場，因此依據(jù)項目工程類型，選擇路基和取棄土場、棄渣場分別作為主體工程和臨時工程的樣本。根據(jù)不同分區(qū)的地形地貌及水土流失特點，利用經(jīng)驗確定各分區(qū)的樣本總量，見表3。

表3 不同地貌類型區(qū)路基與監(jiān)測樣本數(shù)量

由表3可知，通過計算該項目監(jiān)測樣本的總量N為103個。

(2)監(jiān)測樣本數(shù)量的確定。在該項目中，受目前水土流失監(jiān)測技術(shù)的影響，置信區(qū)間不宜取值過高，故取值為95%(即以水土流失治理度作為置信區(qū)間P的值)，查標準正態(tài)分布表得到za/2為1.96，誤差Δ取5%。將以上預設(shè)條件帶入公式(3)，求得監(jiān)測點數(shù)量為42個。

(3)各層監(jiān)測樣本的分配。根據(jù)抽樣比對各分區(qū)的樣本數(shù)量進行分配，各分區(qū)的監(jiān)測點數(shù)量如表4。

通過與原水土保持監(jiān)測方案的監(jiān)測點分布對比可知(見表4)，原方案的監(jiān)測點數(shù)量少，不到分層抽樣監(jiān)測點數(shù)量的一半，且分布比較平均，未能體現(xiàn)出監(jiān)測區(qū)段的差異性，而使用分層抽樣法確定的監(jiān)測點不僅數(shù)量增加了，而且分布與地貌類型、工程契合度較好。

(4)分區(qū)內(nèi)布點策略。河谷區(qū)地勢平坦，地表起伏度小，層內(nèi)差異度小，可采用隨機抽樣或者等距抽樣的方法布設(shè)監(jiān)測點;中山山地區(qū)地表起伏度大，新增水土流失主要集中在取棄土場、棄渣場，可采用整體抽樣的方法，分別對溝道型和坡面型棄渣場進行集中監(jiān)測;黃土梁峁區(qū)工程量較小，監(jiān)測點較少，采用隨機抽樣的方法，隨機布設(shè)監(jiān)測點。

表4 不同分區(qū)監(jiān)測點數(shù)量

河谷區(qū)地勢平坦，工程新增水土流失主要集中在路基與取棄土場、棄渣場，該區(qū)段路基占全線路基的81%，取棄土場、棄渣場占全線的68%，而該區(qū)域共布設(shè)監(jiān)測點25個，占監(jiān)測點總數(shù)的59.5%，其中主體工程監(jiān)測點為12個、大臨工程監(jiān)測點為13個，符合工程新增水土流失規(guī)律。中山山地區(qū)主要以橋隧相連形式穿越，關(guān)山和六盤山隧道均為15 km左右的特長隧道，幾乎貫穿整個中山山地區(qū)，隧道棄渣量大，共設(shè)置9個大型棄渣場，對棄渣場進行整體抽樣，再對典型棄渣場的不同部位集中監(jiān)測，可以更好地反映出大型棄渣場的水土流失特點。黃土梁峁區(qū)是我國傳統(tǒng)的水土流失區(qū)，該區(qū)線路總長約14 km，取土場較多，棄土多用于取土場回填，該段共設(shè)置8個監(jiān)測點，滿足監(jiān)測需要。

由此可見，通過事前分層抽樣的方法所得到的監(jiān)測點在沿線的分布情況，基本能夠反映出新建鐵路天水至平?jīng)鲨F路項目所造成的水土流失情況，滿足監(jiān)測的需要。

(5)監(jiān)測誤差分析。抽樣誤差產(chǎn)生的主要原因:①劃分抽樣樣本時，抽樣框設(shè)計不合理，樣本所代表的區(qū)域過大或者過小，影響樣本的代表性，使得監(jiān)測樣本不能很好地反映其所在區(qū)域新增水土流失特點，產(chǎn)生抽樣誤差。②在實際工作中仍在使用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法和設(shè)施對開發(fā)建設(shè)項目水土流失進行監(jiān)測，如采用布設(shè)監(jiān)測小區(qū)法、插釬法、侵蝕溝測量法等，誤差較大，也會產(chǎn)生抽樣誤差。

4 結(jié)語

大型線型項目涉及范圍廣，地表擾動面積大，地形地貌復雜，對其新增水土流失的監(jiān)測比較混亂，主要以經(jīng)驗布設(shè)監(jiān)測點。

筆者以天平鐵路為例，采用事前抽樣的樣本和抽樣設(shè)計，通過對不同工程類型的水土流失特點進行分析，劃定監(jiān)測樣本，確定樣本總量，并依據(jù)項目區(qū)地形地貌和項目建設(shè)特點對樣本進行分層處理，確定各層樣本數(shù)量及抽樣策略，并利用置信限的邊界誤差計算法，根據(jù)置信水平和誤差的水土保持監(jiān)測要求計算出監(jiān)測樣本容量，并計算各層的監(jiān)測樣本容量，即監(jiān)測點的數(shù)量，由此實現(xiàn)對大型線型項目水土流失監(jiān)測點的空間布局進行控制和優(yōu)化。

從研究結(jié)果看，為達到置信區(qū)間95%和誤差5%的要求，天平線共需布設(shè)42個監(jiān)測點，通過分層設(shè)計，采用抽樣比法，將監(jiān)測點合理地分布到各分區(qū)及次級分區(qū)中，其中河谷區(qū)有25個監(jiān)測點，中山山地區(qū)有9個，黃土梁峁區(qū)有8個，主體工程監(jiān)測點23個，臨時工程監(jiān)測點19個。使用分層抽樣法進行天平鐵路水土流失監(jiān)測點布局，考慮了不同工程新增水土流失和不同地形水土流失的特點，監(jiān)測點的分布滿足水土流失監(jiān)測的需要。因此，分層抽樣技術(shù)可以為線型建設(shè)項目水土流失監(jiān)測點的總體控制與布局提供參考和決策依據(jù)，符合當前水土流失監(jiān)測工作的需要。

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S157;U123.1

B

1000－0941(2012)06－0054－03

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司項目(院科2011－27)

趙留輝(1978—)，男，河南柘城縣人，高級工程師，學士，從事水土保持及荒漠化治理、環(huán)境保護、生態(tài)工程修復等研究工作。

2011－12－25

(責任編輯 孫占鋒)