安麗琴

(清水縣水務(wù)局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

由于自然活動(dòng)和人為因素的綜合影響，使得水力侵蝕地表的問題逐漸嚴(yán)重，形成水土流失危機(jī)[1]。在水土流失問題出現(xiàn)后，對(duì)區(qū)域內(nèi)的水土資源產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，不僅會(huì)影響生態(tài)環(huán)境，還會(huì)帶來洪水泥沙，影響群眾生活。近年來，因?yàn)樗亮魇栴}頻繁引起滑坡等自然災(zāi)害，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)人們生命安全造成威脅[2]。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)成為研究重點(diǎn)。預(yù)警系統(tǒng)需要按照多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境，以及水土流失風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送預(yù)警信息。當(dāng)前專業(yè)人員從多種角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了各種預(yù)警系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]根據(jù)水土流失現(xiàn)象的位移關(guān)系曲線，結(jié)合預(yù)警區(qū)域的日降雨量和位移速率生成預(yù)警線，并以此為依據(jù)生成遞進(jìn)式預(yù)警系統(tǒng)。在獲取預(yù)警區(qū)域的地形特征后，構(gòu)建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取地形變形情況，當(dāng)變形程度超過預(yù)警線，發(fā)送災(zāi)情預(yù)警信息。但由于系統(tǒng)判斷因子過于單一，預(yù)警信息不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[4]分析傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)的功能，結(jié)合三維可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用預(yù)警系統(tǒng)可以獲取區(qū)域當(dāng)前預(yù)警結(jié)果，但系統(tǒng)的應(yīng)用拓展性較差。文獻(xiàn)[5]針對(duì)水土流失危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)防控進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)→隱患→事故的理論提出預(yù)警方法。通過安全網(wǎng)格獲取地形環(huán)境的動(dòng)態(tài)信息，利用多層級(jí)安全指數(shù)計(jì)算危機(jī)程度。以靜動(dòng)結(jié)合的方式，達(dá)到了危機(jī)應(yīng)急預(yù)警的目的。但是，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)警減災(zāi)效果較差。本文在吸收文獻(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不足之處后，應(yīng)用組合賦權(quán)-云模型，設(shè)計(jì)新的水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)。通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)效益提升。

1 基于組合賦權(quán)-云模型的水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 無線采集器設(shè)計(jì)

預(yù)警系統(tǒng)工作需要以預(yù)警區(qū)域的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了無線采集器，獲取地形環(huán)境信息。采集器的主要硬件結(jié)構(gòu)包括MSP430單片機(jī)和433 MHz無線通信模塊，由于地形環(huán)境信息采集需要在野外環(huán)境下完成，為保證無線采集器工作穩(wěn)定性，采用電池作為電源。無線采集器架構(gòu)見圖1。

圖1 無線采集器架構(gòu)圖

其中，主控芯片選用MSP430系列單片機(jī)，可以最大限度降低功耗；而433 MHz頻段具有較強(qiáng)的穿透能力，滿足野外數(shù)據(jù)采集需求。

1.2 通訊器設(shè)計(jì)

應(yīng)用SIlVI5310芯片設(shè)計(jì)通訊器，實(shí)現(xiàn)采集信息的傳遞。在通訊器設(shè)計(jì)過程中，供電電壓采用3.2～4.8 V的單電壓，并結(jié)合TCP協(xié)議達(dá)到信息傳遞的目的。此外，通訊器需要保證功耗為2.0 mA左右，并滿足全功能串口的連接，從而提升傳輸速率。AT命令在串口發(fā)送，可以提升通訊器的應(yīng)用性能。

2 基于組合賦權(quán)-云模型的水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集地形環(huán)境數(shù)據(jù)

對(duì)預(yù)警區(qū) 域進(jìn)行簡(jiǎn)單分析后，在合適的位置設(shè)計(jì)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，分別安裝無線采集器獲取環(huán)境信息[6]。實(shí)際數(shù)據(jù)采集包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：確定預(yù)警區(qū)域范圍和主要測(cè)量目標(biāo)后，啟動(dòng)基準(zhǔn)站連接數(shù)據(jù)中心，選取與實(shí)際環(huán)境相符的工作方式。通過無線采集器將基準(zhǔn)站與流動(dòng)站相連，設(shè)置流動(dòng)站的相關(guān)參數(shù)[7]。采用V形的方式，啟動(dòng)流動(dòng)站測(cè)量地形環(huán)境數(shù)據(jù)，并提取出采集數(shù)據(jù)中的特征點(diǎn)、高程點(diǎn)，用不同的表現(xiàn)形式標(biāo)注土地類型，根據(jù)地形坡度、坡向和土地利用情況勾畫圖斑。此外，將不同區(qū)域的植被覆蓋率在因子表中記錄下來。

利用數(shù)字化儀法將上述形成的地形環(huán)境圖像數(shù)字化處理，由于數(shù)字化儀法對(duì)儀器要求高[8]，所以在采集地形環(huán)境數(shù)據(jù)過程中，以無線采集器為主要工具，結(jié)合人工導(dǎo)向跟蹤矢量化法，將采集信息矢量化處理，并結(jié)合兩種方法的采集結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查錯(cuò)和校正。將采集的高程數(shù)據(jù)放置于規(guī)則格網(wǎng)中，通過離散處理的方式得到GRD高程文件，并建立數(shù)字高程模型，避免因地形復(fù)雜造成的數(shù)據(jù)采集誤差。

本文使用新奧爾良方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的行為相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)參照互補(bǔ)。在完成數(shù)據(jù)的采集和處理后，通過通訊器將所有信息保存至數(shù)據(jù)庫，作為后續(xù)預(yù)警工作的基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)計(jì)云模型—組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型

水土流失問題的出現(xiàn)與多種因素有關(guān)，在考慮現(xiàn)場(chǎng)情況和水土流失歷史數(shù)據(jù)后，生成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖2。

圖2 指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

通過圖2可知，水土流失危機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括五大因素，以及7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。為了保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)警效率，需要分析指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的不確定性。本文應(yīng)用組合賦權(quán)方法結(jié)合層次分析法和熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從評(píng)價(jià)體系中選取最佳指標(biāo)。Roughset理論優(yōu)化層次分析法將傳統(tǒng)的層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，提升權(quán)重選取結(jié)果的客觀性[10]。評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算，需要以屬性集的影響程度為基礎(chǔ)，計(jì)算公式為：

σCB(A)=γC(B)-γC-A(B)

(1)

式中：σCB(A)為屬性集C中去掉A后，對(duì)B的影響程度；γC(B)為屬性B與屬性集C的關(guān)聯(lián)程度；γC-A(B)為屬性B對(duì)去掉屬性A后的屬性集C的關(guān)聯(lián)度。

基于式(1)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行除法計(jì)算，得到相對(duì)重要程度，計(jì)算公式為：

(2)

式中：i、j為兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；p為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

通過上述計(jì)算獲取不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，按照重要程度賦予權(quán)重值。

利用熵值法，在賦值矩陣的作用下加強(qiáng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)的客觀性。將指標(biāo)j的重要程度表示為權(quán)重wj，權(quán)重的約束條件表示為：

(3)

基于上述約束條件后，得出指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果：

(4)

式中：y為指標(biāo)值；p為指標(biāo)個(gè)數(shù)，v為賦值矩陣。

(5)

而組合權(quán)重wz的計(jì)算公式表示為：

(6)

式中：α、β為兩個(gè)分配系數(shù)，滿足以下約束條件：

(7)

依托于上述指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果，從指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中選取水土流失危機(jī)判斷的合理指標(biāo)。云參數(shù)(Ex、En、He)的求解公式為：

(8)

式中：Bmax、Bmin分別為水土流失某一危機(jī)等級(jí)的最大值和最小值；k為常數(shù)。

為了加強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，建立云模型獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定度，結(jié)合權(quán)重計(jì)算結(jié)果獲取綜合確定度U：

(9)

式中：δi為確定度；wz為評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重。

通過綜合確定度值，可以生成水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)L的判別模型。

L=max{U1,U2,…,Un}

(10)

綜合上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)警系統(tǒng)明確區(qū)域水土流失危機(jī)等級(jí)，為后續(xù)預(yù)警工作進(jìn)行提供依據(jù)。

2.3 建立水土流失危機(jī)預(yù)警機(jī)制

在完成水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)后，需要建立水土流失危機(jī)預(yù)警機(jī)制，通過運(yùn)行機(jī)制、調(diào)控機(jī)制與管理機(jī)制三方面的綜合考慮，形成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，最大限度降低水土流失危機(jī)。水土流失風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制見圖3。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制

其中，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制的運(yùn)行包括研究階段、運(yùn)行過程兩個(gè)部分。綜合考慮知識(shí)、運(yùn)行和時(shí)間因素，結(jié)合水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果和預(yù)警判決規(guī)則，完成評(píng)價(jià)警情、判定警度和排除警患的過程運(yùn)行。對(duì)滿足預(yù)警觸發(fā)條件數(shù)據(jù)發(fā)送預(yù)警通知，并通過數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施等階段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)警。風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控部分依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)、影響要素、預(yù)警技術(shù)和調(diào)控方案之間的聯(lián)系，控制風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行過程。通過風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制的健全，調(diào)控各種資源及時(shí)處理生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，分析產(chǎn)生水土流失危機(jī)的源頭，迅速消除危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，降低水土流失出現(xiàn)頻率。預(yù)警管理機(jī)制的作用是提升風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制的綜合管理水平，提升預(yù)警準(zhǔn)確度。通過預(yù)警通知模塊的設(shè)計(jì)，按照預(yù)警級(jí)別發(fā)送不同形式的通知。預(yù)警級(jí)別包括惡化與緩和兩部分。其中，前者可以利用可視化界面，呈現(xiàn)出預(yù)警區(qū)域的實(shí)際情況，便于應(yīng)急方案生成。后者僅需要以短信的形式向責(zé)任人發(fā)送預(yù)警通知，便于工作人員了解情況。

2.4 制定系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案

本文設(shè)計(jì)的水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，在完成預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)后，需要按照預(yù)警結(jié)果制定應(yīng)急處理預(yù)案，確保水土流失問題造成的人員、經(jīng)濟(jì)損失最大程度降低。根據(jù)預(yù)警結(jié)果，匯總專業(yè)人員的建議，系統(tǒng)制定科學(xué)可行的方案遏制水土流失事態(tài)發(fā)展，并消除事故后果。應(yīng)急預(yù)案的制定包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：在集合水土流失專業(yè)人員后，按照評(píng)估水土流失危險(xiǎn)級(jí)別，生成符合實(shí)際情況的應(yīng)急預(yù)案。并通過系統(tǒng)的模擬操作，完成應(yīng)急預(yù)案的修訂與測(cè)試，保證事故發(fā)生后，現(xiàn)有的應(yīng)急方案可以對(duì)應(yīng)急救援工作進(jìn)行良好指導(dǎo)。同時(shí)，將當(dāng)前環(huán)?？偩值囊髮?dǎo)入危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案的編制指南。當(dāng)水土流失預(yù)警信息出現(xiàn)后，利用系統(tǒng)生成的應(yīng)急預(yù)案減少經(jīng)濟(jì)損失，提升水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)的減災(zāi)效果。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

為了全面了解本文設(shè)計(jì)的危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，將系統(tǒng)應(yīng)用于甘肅省進(jìn)行為期一年的測(cè)試。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例的結(jié)果，明確本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

3.1 區(qū)域概況

將本文設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于甘肅省，該區(qū)域處于黃土高原，臨近黃河上游，并且祁連山山脈與馬鬃山山脈分布于甘肅省西部和北部。從氣候因素來看，甘肅省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水呈現(xiàn)地區(qū)分帶特點(diǎn)，全年絕大部分降水都在下半年。并且，預(yù)警區(qū)域內(nèi)山區(qū)面積超過60%，是該區(qū)域的天然生態(tài)隔離帶。因?yàn)榈貐^(qū)的降水與地形特點(diǎn)，該區(qū)域存在頻繁性水土流失現(xiàn)象，而水土流失問題亦會(huì)造成生態(tài)環(huán)境更加惡劣。將本文所設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于山區(qū)，進(jìn)行應(yīng)用性能測(cè)試。

3.2 水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由于預(yù)警系統(tǒng)的工作核心是評(píng)價(jià)區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。因此，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，考慮到甘肅省實(shí)際環(huán)境，依據(jù)科學(xué)性、邏輯性和可量化性原則，確定風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)分別為年降雨量、植被覆蓋度、坡度、坡向、土壤類型、人類活動(dòng)與地層巖性7種。在云模型-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型的作用下，獲取不同指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)權(quán)重計(jì)算結(jié)果可知，年降雨量權(quán)重為0.315，坡度權(quán)重為0.301，植被覆蓋度權(quán)重為0.298。以上3個(gè)指標(biāo)權(quán)重明顯高于其他指標(biāo)，將上述3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)作為系統(tǒng)預(yù)警分析核心內(nèi)容。

其中，通過對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用過程中，該區(qū)域不同時(shí)期降雨量進(jìn)行記錄，形成應(yīng)用期限內(nèi)年降雨量變化圖，見圖4。

圖4 年降雨量變化圖

通過圖4分析可知，甘肅省降水量最高的月份集中在6、7和8月份。由于不同月份的降水差異極大，最高時(shí)達(dá)到165 mm，最低時(shí)僅為3.9 mm。而該區(qū)域不同坡度的面積占比見圖5。

圖5 不同坡度占比

從坡度面積分析可知，該區(qū)域中40%左右的面積坡度大于25°，表明山區(qū)坡陡土薄，極易造成水土流失危機(jī)。對(duì)于另外一個(gè)植被覆蓋率進(jìn)行研究后，得出區(qū)域不同植被覆蓋率占比情況，見圖6。

圖6 不同植被覆蓋率占比

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域中超過40%的區(qū)域，植被覆蓋率不足30%，一旦出現(xiàn)特殊氣候環(huán)境，水土流失風(fēng)險(xiǎn)極大。統(tǒng)計(jì)水土保持局和預(yù)警系統(tǒng)中心站所發(fā)布的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析上述3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)，制定表1所示的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表1中1～5等級(jí)分別表示從低到高的水土流失風(fēng)險(xiǎn)情況，危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)以表1所示的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，識(shí)別水土流失危機(jī)等級(jí)，并將判斷結(jié)果通過不同顏色表現(xiàn)出來。

3.3 預(yù)警系統(tǒng)的減災(zāi)成效評(píng)價(jià)

本文設(shè)計(jì)的危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，在為期一年的應(yīng)用中展示了良好的應(yīng)用效果，使得預(yù)警區(qū)域極大程度降低了水土流失危害，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)提升了預(yù)警區(qū)域居民的生活安全性。為了更好體現(xiàn)出系統(tǒng)應(yīng)用效果，展開經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)，從投資的保護(hù)比、投資的減損比確認(rèn)出減災(zāi)成效。其中，投資的保護(hù)比表示投資范圍內(nèi)可以保護(hù)的最多對(duì)象。在水土流失危機(jī)應(yīng)急預(yù)警中，通過單位投資金額和保護(hù)的土地?cái)?shù)量獲得計(jì)算結(jié)果：

(11)

根據(jù)公式可知，投資的土地保護(hù)比TB取決于受保護(hù)土地?cái)?shù)量D和投資數(shù)額Z。而投資的減損比則表示投入資金與減少經(jīng)濟(jì)損失量的比例，計(jì)算公式為：

(12)

通過公式可知，投資的經(jīng)濟(jì)減損比TJ，即減少的經(jīng)濟(jì)損失量Q與投資數(shù)額Z的比。通過分析預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果，得出表2所示的系統(tǒng)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)結(jié)果。

表2 系統(tǒng)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)結(jié)果

從系統(tǒng)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)結(jié)果可知，在應(yīng)用的一年時(shí)間內(nèi)，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)保護(hù)的土地面積達(dá)到1.134×105km2。投資的土地保護(hù)比和投資的經(jīng)濟(jì)減損比分別為15 .11 km2/萬元、3.63萬元。上述數(shù)據(jù)可以充分表明，本文設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)具有十分顯著的減災(zāi)成效。

4 結(jié) 語

針對(duì)水土流失問題，本文設(shè)計(jì)了危機(jī)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)。將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)投入運(yùn)行后，獲得良好的預(yù)警減災(zāi)效果，極大提升了水土流失災(zāi)區(qū)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益，這充分表明將組合賦權(quán)-云模型融入預(yù)警系統(tǒng)中，可以達(dá)到預(yù)期目的。但是，由于部分區(qū)域的設(shè)施較為落后，未來需要對(duì)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)一步研究，提升預(yù)警系統(tǒng)的覆蓋范圍，推動(dòng)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益的提升，更好地保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。