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        基于雙變量熵信息法的江西省崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        2019-03-18 02:19:40,,,
        關(guān)鍵詞:江西省危害密度

        ,,,

        (長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所,武漢 430010)

        1 研究背景

        崩崗侵蝕是我國(guó)南方水土流失的一種特殊類型,侵蝕模數(shù)巨大,發(fā)展速度快,具有突發(fā)生、長(zhǎng)期性等特點(diǎn),危害十分嚴(yán)重[1],一直以來(lái)受到社會(huì)廣泛關(guān)注。近年來(lái)學(xué)者們?cè)诒缻彿诸怺2-6]、發(fā)展過程[6-7]、形成機(jī)理[7-12]和治理措施[1,13]等方面開展了大量工作,取得了眾多成果,為崩崗的防治提供了一定的理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

        然而,從危害及風(fēng)險(xiǎn)角度對(duì)崩崗侵蝕研究卻鮮有報(bào)道,陳洋[14]以詔安縣東溪流域官陂鎮(zhèn)和霞葛鎮(zhèn)為研究區(qū),通過對(duì)相關(guān)崩崗敏感性影響因子的統(tǒng)計(jì)分析得到崩崗敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo),再對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行空間疊加,以此劃分崩崗敏感性等級(jí)并進(jìn)行敏感性分析,該研究盡管是定性分析,但也是崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有益嘗試。陳嘉林[15]通過調(diào)查、數(shù)據(jù)收集和室內(nèi)分析篩選了長(zhǎng)汀縣和安溪縣小流域潛在崩崗風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子的數(shù)據(jù)源,采用ArcGIS的空間疊加分析及SPSS的數(shù)據(jù)處理分別提取了兩個(gè)縣小流域的地形地貌、水系、降雨等評(píng)價(jià)因子,分析評(píng)價(jià)因子與崩崗侵蝕的空間分布關(guān)系,最后利用崩崗與這些因子的分布特征關(guān)系對(duì)小流域的崩崗空間分布進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),該研究是小流域尺度崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的大膽探索,但其不適宜于大尺度區(qū)域崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。李家存[16]在分析地形地貌、線性構(gòu)造、土地利用、海拔高度、巖性、道路和坡度等環(huán)境因子與重力侵蝕的關(guān)系的基礎(chǔ)上,利用GIS技術(shù),采用雙變量統(tǒng)計(jì)分析和多變量統(tǒng)計(jì)分析方法,對(duì)研究區(qū)的重力侵蝕危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分區(qū),該研究是從區(qū)域大尺度上對(duì)重力侵蝕危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一次很有意義的嘗試,也為區(qū)域崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了較好的研究方法和思路。

        程冬兵等[17]專門撰文對(duì)南方崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提出構(gòu)想,參照生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程,界定了崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)涵,擬定了崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,構(gòu)建了崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,并提出了崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序。為此,本文擬在此基礎(chǔ)上,選擇江西省作為研究區(qū)域,探討區(qū)域尺度崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性,以及雙變量熵信息法對(duì)崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的適用性,以期為南方七省(自治區(qū))崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

        2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

        2.1 研究區(qū)概況

        江西省位于我國(guó)東南部,長(zhǎng)江中下游南岸,東鄰福建、浙江,西接湖南,南連廣東,北毗湖北、安徽,南北向最長(zhǎng)約620 km,東西向最長(zhǎng)約490 km,土地總面積1.69萬(wàn)km2。江西省屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),降水豐沛,雨量年內(nèi)分配不均,且多以大雨、暴雨形式出現(xiàn)。境內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣,以山地、丘陵為主,其面積約占全省土地總面積的78%。土壤類型以地帶性紅壤為主,約占全省土地總面積的65%,植被主要是處于不同演替階段的次生群落。以上這些獨(dú)特的氣象、地形、地貌、土壤、植被等自然條件,加上人為因素的影響,使得江西省極易產(chǎn)生水土流失。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查江西省水土保持情況普查數(shù)據(jù),江西省水土流失總面積2.65萬(wàn)km2,占該省土地總面積的15.87%,占該省山地面積的26.34%,在南方紅壤區(qū)八省中居第3位。其中江西省有崩崗4.81萬(wàn)處,崩崗面積206.75 km2,占該省水土流失總面積的0.78%,是我國(guó)崩崗侵蝕最嚴(yán)重的省份之一,在南方崩崗侵蝕區(qū)具有典型代表性。

        2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

        根據(jù)研究需求,全面收集了研究區(qū)崩崗及各要素?cái)?shù)據(jù),其來(lái)源詳見表1??紤]后面數(shù)據(jù)疊加分析,部分?jǐn)?shù)據(jù)需通過空間內(nèi)插,所有數(shù)據(jù)均設(shè)置為統(tǒng)一精度30 m×30 m。

        表1 數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Data sources

        3 研究方法

        3.1 前提假設(shè)

        (1)在基本影響因子與已發(fā)生崩崗侵蝕區(qū)域相類似的地方,更易于發(fā)生。

        (2)如果基本影響因素不發(fā)生顯著的變化,則崩崗侵蝕未來(lái)情況將與過去相似。

        3.2 基本條件

        (1)已基本弄清崩崗侵蝕發(fā)育的主控因子。

        (2)風(fēng)險(xiǎn)程度可以量化表達(dá)。

        3.3 基本原則

        (1)主導(dǎo)因子原則??刂坪驼T發(fā)崩崗侵蝕孕育發(fā)生的各種因子對(duì)崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)各不相同,抓住主導(dǎo)因子,忽略次要因子。

        (2)評(píng)估因子的簡(jiǎn)明性和可操作性。簡(jiǎn)明性是指評(píng)估因子應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、明確,具有代表性,評(píng)估因子的內(nèi)容是可以通過實(shí)際工作比較方便地獲取或?qū)崿F(xiàn)的。

        3.4 原理介紹

        根據(jù)崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)涵[17],崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)度量表示為

        P=Pf+Pw。

        (1)

        式中:P為某個(gè)單元崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)值,無(wú)量綱;Pf為某個(gè)單元崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值,無(wú)量綱;Pw為某個(gè)單元崩崗侵蝕危害風(fēng)險(xiǎn)值,無(wú)量綱。

        其中,某個(gè)單元崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值Pf計(jì)算采用雙變量統(tǒng)計(jì)分析方法[16],該方法在區(qū)域滑坡、崩塌危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中占有重要地位,它通過假定各因子之間沒有任何相關(guān)性,計(jì)算各單個(gè)因子與因變量之間的關(guān)系,即

        式中:I(f,x1,x2,…,xn)為具體因素組合x1,x2,…,xn對(duì)崩崗侵蝕所提供的信息量,沒有量綱;P(f|x1x2…xn)為因素x1,x2,…,xn組合條件下崩崗侵蝕發(fā)生的概率,無(wú)量綱。

        在具體運(yùn)算中,假定研究區(qū)的總面積為A,已知的崩崗侵蝕面積為Ai,某因子xi對(duì)應(yīng)的崩崗侵蝕單元數(shù)為Si,則因子xi對(duì)崩崗侵蝕所提供的信息量Ii為

        (3)

        式中:n為因子總數(shù);S為崩崗侵蝕單元總數(shù);D(i)為因子xi的崩崗侵蝕密度;AVER(D(1),D(2),…,D(n))為研究區(qū)的平均崩崗侵蝕密度。

        某一單元的信息總量I為

        (4)

        崩崗侵蝕密度根據(jù)基數(shù)不同,又可分為面積密度和數(shù)量密度。其中崩崗侵蝕面積密度Darea(i)是指某一因子Xi單位面積里發(fā)生的崩崗個(gè)數(shù),即

        (5)

        式中:N(Xi)是因子Xi發(fā)生崩崗個(gè)數(shù);Area(Xi)是因子Xi的面積(km2)。

        崩崗侵蝕數(shù)量密度Dnumber(i)是指某一因子Xi發(fā)生的崩崗個(gè)數(shù)占崩崗總數(shù)的百分比,即

        (6)

        式中N是崩崗總數(shù)。

        由于危害風(fēng)險(xiǎn)是建立在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上的,則Pw可表示為

        Pw=PfWj。

        (7)

        式中Wj為某個(gè)單元崩崗侵蝕可能造成的危害風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重(0~1之間,總權(quán)重≤1),無(wú)量綱。

        Wj采用專家打分法[18-19],通過對(duì)長(zhǎng)期從事崩崗侵蝕研究的5名專家寄送調(diào)查問卷,征詢崩崗侵蝕可能對(duì)不同土地利用類型造成的危害權(quán)重,經(jīng)匯總統(tǒng)計(jì),不同土地利用類型危害權(quán)重如表2所示。

        表2 不同土地利用類型危害權(quán)重值Table 2 Weight values of hazardous risk for different land use types

        4 崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)篩選

        將收集的研究區(qū)氣候、地質(zhì)、土壤、地形、植被以及人為活動(dòng)因子數(shù)據(jù)與崩崗分布圖進(jìn)行疊加,通過相關(guān)分析,江西省崩崗主要分布在年均降雨量為1 500~1 700 mm、巖性為花崗巖、土壤為紅壤、坡度在10°~30°、高程在300 m以下、起伏度0~150 m、植被覆蓋度<0.2或者在0.6~0.8范圍內(nèi)、土地利用類型為森林和草地的區(qū)域內(nèi)。

        考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采樣數(shù)據(jù)精度為30 m×30 m,部分因子的差異性較小,對(duì)崩崗侵蝕發(fā)育響應(yīng)不敏感,不宜作評(píng)估指標(biāo),如多年平均氣溫,盡管崩崗分布隨氣溫呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,但由于多年平均氣溫在江西省區(qū)域尺度上變化不明顯,予以剔除。另外,一些相關(guān)性較差的因子也直接剔除,如土地利用中除森林和草地之外的其它因子,土壤類型中除紅壤、黃壤、黃褐土、石灰?guī)r土之外的其它因子等。最終篩選了降水量、巖土類型、土壤類型、坡度、高程、起伏度、植被覆蓋度、土地利用類型8個(gè)因子類共40個(gè)因子進(jìn)行分析。在ArcGIS中,利用地理分析功能將各因子與崩崗侵蝕分布點(diǎn)進(jìn)行疊加,計(jì)算出各因子的崩崗侵蝕密度和信息量,如表3所示。

        表3 各因子崩崗侵蝕密度及信息量Table 3 Densities and information values of collapse gully erosion for different factors

        5 江西省崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        5.1 崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        根據(jù)各因子的信息量建立崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)方程。采用面積密度和數(shù)量密度的預(yù)測(cè)方程分別為:

        Pf=4.92X1+4.99X2+…+5.88X40;

        (8)

        Pf=2.65X1+4.86X2+…+3.90X40。

        (9)

        根據(jù)式(8)、式(9)計(jì)算江西省崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值,歸一化處理后繪制出江西省崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的分布圖,如圖1所示。

        從圖1可以看出,在江西省南部、西部崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高,東部、北部和中部相對(duì)較低。對(duì)比不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)圖發(fā)現(xiàn),崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布總體一致,但根據(jù)崩崗數(shù)量密度計(jì)算的崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值要大于崩崗面積密度計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)值。

        為驗(yàn)證該方法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估精度,將江西省崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)與崩崗分布進(jìn)行疊加,如圖2所示。

        圖2 江西省崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值與崩崗分布的疊加Fig.2 Occurrence risk overlaid with distribution of collapse gully erosion in Jiangxi Province

        由圖2可以明顯看出高風(fēng)險(xiǎn)分布趨勢(shì)與崩崗分布高度一致。同時(shí),通過對(duì)比存在崩崗發(fā)生的采樣網(wǎng)格數(shù)和崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)>0.7的采樣網(wǎng)格數(shù)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)精度。評(píng)價(jià)結(jié)果的精度E以經(jīng)驗(yàn)的概率形式來(lái)表示,即

        E=N0.7/NPf。

        (10)

        式中:NPf是存在崩崗侵蝕的采樣網(wǎng)格總數(shù);N0.7是崩崗侵蝕生風(fēng)險(xiǎn)>0.7的區(qū)域中存在崩崗侵蝕的采樣網(wǎng)格數(shù)。

        經(jīng)計(jì)算,基于崩崗面積密度的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估精度為81.17%,基于崩崗數(shù)量密度的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估精度為83.72%。結(jié)果表明,雙變量熵信息法能概括絕大部分的崩崗侵蝕分布點(diǎn),也就是說(shuō)采用雙變量熵信息法對(duì)崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估是可行的。

        5.2 崩崗侵蝕危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        在獲取發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)式(7)計(jì)算崩崗侵蝕危害風(fēng)險(xiǎn),歸一化處理后繪制出江西省崩崗侵蝕危害風(fēng)險(xiǎn)分布圖,如圖3所示。

        圖3 江西省崩崗侵蝕危害風(fēng)險(xiǎn)值分布Fig.3 Distribution of hazardous risk of collapse gully erosion in Jiangxi Province

        從圖3可以看出,在江西省崩崗危害風(fēng)險(xiǎn)總體較輕微,在中部危害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高,但比較零碎。不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)圖之間對(duì)比,崩崗危害風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布及風(fēng)險(xiǎn)值差異不大。

        5.3 崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

        將崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)與危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行疊加,即為崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn),歸一化處理后重新計(jì)算出江西省崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn),按風(fēng)險(xiǎn)值等距劃分原則,將崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)劃分為5級(jí),可得到江西省崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(jí),如表4、圖4所示。

        表4 崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification criterion of collapse gully erosion risk

        圖4 江西省崩崗侵蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Fig.4 Risk classification of collapse gullyerosion in Jiangxi Province

        從表4及圖4可以看出,江西省崩崗侵蝕以中風(fēng)險(xiǎn)為主,占全省總面積的63%以上。較高及以上風(fēng)險(xiǎn)主要分布在中部呈東北至西南向的區(qū)域范圍內(nèi)。不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖之間的對(duì)比結(jié)果表明,崩崗風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布及等級(jí)差異不大。

        6 結(jié) 論

        (1)江西省崩崗主要分布在年均降雨量為1 500~1 700 mm、巖性為花崗巖、土壤為紅壤、坡度在10°~30°、高程在300 m以下、起伏度0~150 m、植被覆蓋度<0.2或在0.6~0.8范圍內(nèi)、土地利用類型為森林和草地的區(qū)域內(nèi)。

        (2)在江西省南部、西部崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高,東部、北部和中部相對(duì)較低。對(duì)比不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)圖發(fā)現(xiàn),崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布總體一致,但根據(jù)崩崗數(shù)量密度計(jì)算的崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)值要大于崩崗面積密度計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)值。

        (3)在江西省崩崗危害風(fēng)險(xiǎn)總體較輕微,在中部危害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高,但比較零碎。不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)圖之間的對(duì)比結(jié)果表明,崩崗危害風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布及風(fēng)險(xiǎn)值差異不大。

        (4)江西省崩崗侵蝕以中風(fēng)險(xiǎn)為主,占全省總面積的63%以上。較高及以上風(fēng)險(xiǎn)主要分布在中部呈東北至西南向的區(qū)域范圍內(nèi)。不同密度計(jì)算方法繪制的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖之間對(duì)比,崩崗風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分布及等級(jí)差異不大。

        (5)基于雙變量熵信息法計(jì)算的崩崗發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估精度均在80%以上,說(shuō)明雙變量熵信息法對(duì)崩崗侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是可行的。同時(shí)研究結(jié)果也論證了筆者提出的崩崗評(píng)估方法在區(qū)域尺度上適用性較好,而且數(shù)據(jù)易獲取,具有很好的實(shí)用性和可操作性。

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