王淑芹

(朝陽市喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300)

0 引 言

一般地，在復(fù)雜淺層地下水發(fā)育區(qū)域、三角洲或沖擊平原等復(fù)雜地表徑流區(qū)域和第四系發(fā)育的山地丘陵坡地等均會有水土流失的發(fā)生[1]。因此，地表徑流的水土沖刷作用及淺層地下水的流體動力過程在很大程度上決定了水土流失的影響因子。然而，第四系的表層穩(wěn)定性主要取決于淺層地下水徑流量、地表徑流量、地表坡度和第四系發(fā)育程度等因子，水土流失過程也會受到抑制土壤侵蝕的人工構(gòu)筑物規(guī)模及地表植被因子的影響[2-4]。對此，為構(gòu)建Arc GIS模型可以引入加權(quán)累加法，通過加權(quán)能夠提供水土保持的因子反映可能引起水土流失的動力過程，即以加權(quán)的Arc GIS模型數(shù)據(jù)衡量區(qū)域水土保持能力。

1 水土保持多尺度因子

1.1 多尺度因子的構(gòu)建

1.1.1 地表坡度與第四系厚度

借鑒相關(guān)地質(zhì)資料，在厚度較小的情況下第四系發(fā)育極不穩(wěn)定，在存在一定坡度且厚度較大的條件下地質(zhì)滑坡概率增大，并隨之增加水土保持的難度，因此要聯(lián)合分析地表坡度與第四系厚度[5]。水土保持難度與地表坡度、第四系厚度存在逆冪函數(shù)及二次函數(shù)的關(guān)系，故兩者相乘可確定綜合表達(dá)式如下：

(1)

式中：e為自然常數(shù)；M、N為X和Y象限的位移值；α為第四系厚度系數(shù)；B、β為坡度系數(shù)的修正量與地表坡度系數(shù)。通過約定規(guī)律常數(shù)表以更好的確定α、β值，如表1。

表1 第四系厚度和地面坡度因子賦值表

從表1可看出，由于式(1)已按照拋物線與逆冪率規(guī)律對相應(yīng)的α、β值分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)學(xué)表達(dá)，因此在表1中的α、β賦值符合線性規(guī)律，無需開展非線性賦值的數(shù)學(xué)關(guān)系分析。對兩組因子線性賦值的主要目的就是更加簡化B、M、N等待回歸因子的數(shù)學(xué)意義，進(jìn)一步提高函數(shù)設(shè)計過程中的自由度。

1.1.2 構(gòu)筑物與地表植被

可以近似的用線性關(guān)系反映水土保持構(gòu)筑物和地表植被促進(jìn)水土保持能力的作用，其中對水土保持具有較強支持度的有灌木和喬木覆蓋率，而支持度較弱的有草本覆蓋率。擋土墻、引水渠、攔水溝等均可作為地表水土保持構(gòu)筑物，其完善程度與水土保持能力存在線性關(guān)系，可利用加權(quán)累加法控制多種影響因素的數(shù)據(jù)，具體如下：

N2=0.60(0.15λL+0.35λM+0.50λM)+0.40γ

(2)

式中：γ為地表構(gòu)筑物的傳導(dǎo)因子；λL、λM、λH依次代表草本植物、灌木和喬木的覆蓋率傳導(dǎo)因子。通過約定規(guī)律常數(shù)表以更好的確定λL、λM、λH、γ值，如表2。

表2 地面植被和構(gòu)筑物因子賦值表

通過分析可知，公式(2)已經(jīng)給出表2中需要傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)加權(quán)參數(shù)，因此可按照表2中的線性關(guān)系對λL、λM、λH3個因子賦值，無需開展最終因子與3個因子之間的實際加權(quán)特征，由此可以實現(xiàn)更高自由度的實際加權(quán)因子管理控制[6]。

同理，可利用線性關(guān)系對表2中的γ賦值。其中，“完善”代表區(qū)域內(nèi)存在水土保持合理維護(hù)且功能健全的地表構(gòu)筑物系統(tǒng)；“一般”代表區(qū)域內(nèi)已實施功能無法有效或者全部發(fā)揮的輔助措施，水土保持地表構(gòu)筑物體系相對完善；“初級”代表區(qū)域內(nèi)已存在初步控制水土流失的設(shè)施，如人造水渠等構(gòu)筑物；“沒有”代表在分析區(qū)域外擴(kuò)100范圍內(nèi)及分析區(qū)域內(nèi)沒有任何能夠輔助控制水土保持的地表構(gòu)筑物。

1.1.3 地下滲流與地表徑流

區(qū)域內(nèi)地表徑流量來源于便攜式或者移動式水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有研究資料，水土保持難度隨地表徑流量的增大而增加[7-8]。以鉆孔抽水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)合理確定地下徑流量，可利用以下表達(dá)式作為其控制函數(shù)，即：

(3)

式中：ξU、ξD為區(qū)域內(nèi)地表與地下徑流數(shù)據(jù)。考慮到ξU與ξD之間存在逆函數(shù)關(guān)系，故函數(shù)分布特征分析時應(yīng)取倒數(shù)，近數(shù)軸0點的數(shù)據(jù)關(guān)系使用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行放大處理[9]。通過約定規(guī)律常數(shù)表來更好的確定實際傳導(dǎo)因子值，如表3。

表3 地表與地下徑流因子賦值表

從表3可看出，在較小徑流量條件下ξU、ξD的賦值較小，在較大徑流量條件下ξU、ξD的賦值較大，其統(tǒng)計學(xué)本質(zhì)并非描述的水土保持?jǐn)?shù)據(jù)，而是描述的水土流失數(shù)據(jù)。因此，為增加加權(quán)因子的統(tǒng)計學(xué)意義可以利用倒數(shù)函數(shù)對式(3)進(jìn)行調(diào)用。

1.2 整體水土保持措施因子

綜上分析，N1、N2、N3依次代表地質(zhì)地層、地表附著物與地表植被、水體環(huán)境對水土保持能力的影響。采用加權(quán)累加法對這3個因子進(jìn)行處理，以構(gòu)建整體因子表達(dá)式如下：

N=0.55N1+0.20N2+0.25N3

(4)

通過預(yù)估N1、N2、N3因子的作用機制確定其加權(quán)因子值為0.55、0.20、0.25，并且后續(xù)仿真數(shù)據(jù)分析表明以上加權(quán)因子能夠符合實際研究需求。

2 實例仿真分析

2.1個案特征

以遼西低山丘陵區(qū)為例，選擇典型地塊面積20km×20km為研究對象。區(qū)域內(nèi)60%以上為坡度5°-12°的山體，其最大坡度為18°，境內(nèi)分布有2條大凌河支流，徑流量為110-320m3/s和160-380m3/s。研究區(qū)山區(qū)、坡積平原區(qū)和淤積平原區(qū)第四系厚度0-2.6m、1-12m、5-35m，平均值為0.62±0.15m、5.78±0.55m、12.65±3.12m。河流最大水深1.5m，底部為厚度1.2-18.0m的第四系，現(xiàn)狀較發(fā)育。

將研究區(qū)利用Arc GIS軟件劃分成25m×25m的基本單元，從而形成800×800共64萬個方格。然后按照前文所述方法對每個方格的N1、N2、N3因子賦予相應(yīng)的數(shù)值，以檢測的水土流失情況與河流載沙量之間的關(guān)系，評判以上模型的水土保持能力及其抑制土壤侵蝕的程度。

2.2 實證分析

采用加權(quán)法對N1、N2、N3值進(jìn)行加權(quán)計算，即通過對所有單元N1、N2、N3各項均值的計算確定最終的N值。每月采集1次計算河流載沙量，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，在采集過程中重新計算或補充調(diào)查N1、N2、N3、N值，結(jié)果如表4。

表4 實證分析數(shù)據(jù)表

從表4可知，該河流的載沙量與河道流量均存在較大的波動，但變化幅度相對較小的為N值的32.4%，其最小和最大值為5.25、6.91；載沙量最低與最高值分別出現(xiàn)在2月、8月，其值為0.251t/m3和0.485t/m3，變化幅度達(dá)到93.3%；總體上，載沙量變化趨勢與N值基本統(tǒng)一，數(shù)據(jù)變化可近似符合線性特征。因此，可進(jìn)一步可視化處理表4中的數(shù)據(jù)，如圖1。

圖1 線性擬合關(guān)系圖

可見，N值與總載沙量、單位載沙量數(shù)據(jù)符合Y=581.06X-2507.1(R2=0.9558)、Y=142.51X-486.75(R2=0.9166)回歸公式，兩者的值均滿足>0.9的檢驗要求。此外，擬合分析也驗證了水土保持實際測量值與文中設(shè)置的多尺度因子具有較高的吻合度，該加權(quán)模式對優(yōu)化水土保持措施布局具有重要意義[10]。

3 結(jié) 論

從環(huán)境學(xué)與地質(zhì)學(xué)的角度，探究了地下和地表徑流、地表構(gòu)筑物和地表植被、第四系發(fā)育情況和地貌形態(tài)等因子與區(qū)域水土保持能力之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用加權(quán)累加法構(gòu)建了水土保持因子體系。實證分析時，通過限定水土流失與河流總載沙量數(shù)據(jù)、單位載沙量數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計學(xué)分析了實際測量數(shù)據(jù)與設(shè)定因子之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示水土保持實際測量值與文中設(shè)置的多尺度因子具有較高的吻合度，該加權(quán)模式對優(yōu)化水土保持措施布局具有重要意義。