回歸隊列模型在山洪災(zāi)害及生態(tài)減災(zāi)功能評估中的應(yīng)用

閆春楠

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

近些年來，區(qū)域山洪造成的災(zāi)害頻次有所增多，流域生態(tài)系統(tǒng)可一定程度的減緩區(qū)域山洪災(zāi)害造成的影響，分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和山洪災(zāi)害之間的相關(guān)關(guān)系得到一些學(xué)者的關(guān)注和研究，并取得一定的研究成果[1- 5]，但是這些成果大都采用定性描述的方法分析其之間的相關(guān)聯(lián)系，對于定量研究流域生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域山洪災(zāi)害之間相關(guān)聯(lián)系的研究還較少，而多項研究表明[6- 8]流域生態(tài)系統(tǒng)的惡化是造成區(qū)域山洪災(zāi)害頻發(fā)的主因，因此需要建立定量模型來分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和山洪災(zāi)害之間的相關(guān)關(guān)系，從而制定區(qū)域適宜的生態(tài)減災(zāi)模式。岳琦[9]以贛江上游為研究實例，構(gòu)建回歸系列模型對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和山洪災(zāi)害之間的作用關(guān)系進行定量識別，但該方法在遼寧地區(qū)還未進行相關(guān)應(yīng)用，為此本文引入回歸系列模型，以遼寧某流域為研究實例，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和山洪災(zāi)害之間的關(guān)系進行定量識別，并對不同自然生態(tài)系統(tǒng)下的生態(tài)減災(zāi)功能進行估算。

1 研究方法

生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成特征主要以生態(tài)系統(tǒng)所占據(jù)的比例和生態(tài)系統(tǒng)的類型進行衡量，指標(biāo)衡量方程為：

(1)

式中，Pij—第i種生態(tài)系統(tǒng)類型在第j年的面積所占比例；Sij—第i種生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)在第j年的面積所占比例；TS—區(qū)域計算的總面積。

生態(tài)系統(tǒng)類型指標(biāo)面積變化度主要采用以下方程進行估算。

(2)

式中，EV—研究時段內(nèi)的生態(tài)指標(biāo)變化率；EUa—研究初期生態(tài)指標(biāo)變化率；EUb—研究末期的生態(tài)指標(biāo)變化率。

以災(zāi)害頻次為特征，模型構(gòu)建山洪災(zāi)害頻次和生態(tài)特征之間的定量回歸方程，計算方程為：

(3)

式中，φ—模型計算參數(shù)；α—統(tǒng)計變量；λ—回歸統(tǒng)計變量；y—回歸變量；P(Y=y;φ,a)—模型混合變量分布。

回歸隊列模型采用零膨脹函數(shù)對模型進行回歸方程的求解，求解方程為：

(4)

在回歸方程求解的基礎(chǔ)上，對各生態(tài)因子進行共性處理，處理方程為：

(5)

式中，VIF—生態(tài)因子共性處理變量；R—回歸方程的復(fù)測定系數(shù)。

2 實例研究

2.1 實例概況

以遼寧某區(qū)域為研究實例，該區(qū)域為流域生態(tài)保護區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要土地利用方式為林地、草地、灌木叢，近些年來，流域生態(tài)保護措施較好，隨著區(qū)域山洪災(zāi)害非工程措施的實施，區(qū)域內(nèi)山洪災(zāi)害得到有效監(jiān)控。在進行模型回歸方程求解前需要進行定量方案的設(shè)計，本文設(shè)計6種方案用來分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和山洪災(zāi)害之間的定量關(guān)系，方案設(shè)計見表1。

表1 模型方案設(shè)計結(jié)果

2.2 山洪災(zāi)害影響因子動態(tài)識別結(jié)果

結(jié)合回歸系列模型對山洪災(zāi)害影響頻次的主要影響因子進行動態(tài)識別，識別結(jié)果見表2。

表2 山洪災(zāi)害頻次與影響因子動態(tài)識別結(jié)果

從表2中可看出，最大3h暴雨及暴雨時段是降水條件對山洪災(zāi)害主要影響的兩個因子。而地質(zhì)地貌主要表現(xiàn)區(qū)域的暴雨匯流對山洪災(zāi)害發(fā)生的影響，對于生態(tài)類型特征而言，各類型自然生態(tài)所占面積比例以及生物量和人類影響程度是山洪災(zāi)害影響的三個主要因子。

2.3 山洪災(zāi)害與生態(tài)系統(tǒng)的耦合定量關(guān)系分析

在生態(tài)類型影響因子識別后，結(jié)合回歸隊列模型對山洪災(zāi)害與生態(tài)系統(tǒng)耦合的定量關(guān)系進行分析，分析結(jié)果見表3，并對各自然生態(tài)類型的山洪減災(zāi)能力進行評估，評估結(jié)果見表4，對比了不同生態(tài)類型的差異度，結(jié)果見表5。

表3 生態(tài)減災(zāi)類型對于山洪災(zāi)害頻次定量影響分析結(jié)果

表4 生態(tài)用地山洪減災(zāi)能力評估結(jié)果

表5不同類型生態(tài)用地占比對山洪災(zāi)害頻次下的差異程度

生態(tài)用地占比0～25%25%～45%45%～60%60%～75%75%～100%研究組別參考組試驗組試驗組試驗組試驗組試點流域數(shù)目56453P值0.2530.3540.1570.4520.385相對危險度1.0000.6520.2530.3530.475

從表3中可看出，生態(tài)用地類型對區(qū)域山洪災(zāi)害發(fā)生頻次具有較好的減緩作用，林地對于區(qū)域山洪減災(zāi)的能力影響程度最大，城鎮(zhèn)相比于其他生態(tài)類型，減緩程度較弱。從表4中可看出，從區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)出發(fā)分析，當(dāng)區(qū)域生態(tài)類型每增加5%，區(qū)域的山洪災(zāi)害發(fā)生頻率降低6.5%(P=0.052)。表5為不同生態(tài)類型對山洪災(zāi)害頻率降低的差異程度，從不同分組試驗情況的整體趨勢可看出，隨著生態(tài)占比的逐步增多，區(qū)域的山洪災(zāi)害影響頻次明顯降低，在60%～75%呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在75%～100%內(nèi)下降趨勢較為平緩。

2.4 山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)生態(tài)減災(zāi)模式分析

在各生態(tài)類型與山洪災(zāi)害定量耦合關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，對山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)的生態(tài)減災(zāi)模式進行分析，分析結(jié)果見表6。

表6 不同生態(tài)減災(zāi)類型模式識別結(jié)果

從表6中可看出，各類型林地的山洪災(zāi)害減災(zāi)能力有所不同，其中混交林的山洪災(zāi)害減災(zāi)能力最強，闊葉林的占比每增加1%，區(qū)域的山洪災(zāi)害頻率降低1.5%，而混交林增加1%的占比，區(qū)域的山洪災(zāi)害頻率降低3.9%。因此在山洪災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域，應(yīng)重點種植以混交林為主的生態(tài)減災(zāi)用地模式。

2.5 人類活動下山洪災(zāi)害頻次影響解析

結(jié)果回歸隊列模型對人類活動下的山洪災(zāi)害頻次進行解析，解析結(jié)果見表7，并對不同人類活動類型的差異度進行分析，分析結(jié)果見表8。

表7 不同人類活動影響下山洪災(zāi)害頻率增加結(jié)果

表8 不同耕地地占比對山洪災(zāi)害頻次下的差異程度

從表7中看出，不同人類活動類型對區(qū)域山洪災(zāi)害影響的頻次不同，耕地對山洪災(zāi)害影響程度較大，耕地類型占比每增加1%，區(qū)域的山洪災(zāi)害頻次將降低2.98%，而當(dāng)城鎮(zhèn)用地占比每增加1%，區(qū)域的山洪災(zāi)害頻率降低率為1.23%，緩坡占比的增加對山洪災(zāi)害頻率降低程度明顯好于陡坡類型的占比。從表8中可看出，隨著耕地占比的逐步增多，區(qū)域的山洪災(zāi)害發(fā)生頻率逐步上升，在45%～60%之間的試驗組上升較快，在60%以后，上升變緩。

2.6 定量分析模型的驗證結(jié)果

為對模型進行驗證，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證統(tǒng)計和分析，結(jié)果見表9—10。

表9 模型定量分析驗證統(tǒng)計結(jié)果

表10 定量分析模型驗證結(jié)果

從表9—10中可看出，隨著預(yù)測次數(shù)和實際試驗次數(shù)的逐步增多，區(qū)域驗證的累計百分率逐步提升，當(dāng)預(yù)測次數(shù)和實際試驗次數(shù)的差值達到8次時，區(qū)域的累計驗證百分率達到98.95%，通過驗證。

3 成果討論

林地占比的增多，對區(qū)域山洪災(zāi)害頻次降低影響明顯，其中生態(tài)混交林對區(qū)域山洪災(zāi)害影響負向影響較大。在山洪易發(fā)區(qū)，生態(tài)混交林是區(qū)域生態(tài)減災(zāi)最為有效的模式。

耕地增多，區(qū)域山洪災(zāi)害發(fā)生頻率上升較為明顯，其中陡坡區(qū)域耕地占比每增加1%，區(qū)域山洪災(zāi)害頻次增加2.98%。

在生態(tài)占比(<20%)較低區(qū)域，由于數(shù)據(jù)量不足導(dǎo)致計算的P值較大，在生態(tài)占比較差的區(qū)域不適宜進行該方法的分析。