基于主成分分析的糯扎渡水電站棄渣場土壤流失量影響因素研究

李建興，陳平平，陳勝利，劉 勝

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

糯扎渡水電站建設(shè)伴隨著大量移民工程，移民工程在施工過程中往往對原地貌造成劇烈擾動，并產(chǎn)生大量棄土棄渣。棄土棄渣結(jié)構(gòu)松散，且在堆積的過程中形成較陡的坡面，自然坡度大都在25°～45°之間[1]，極不穩(wěn)定，遇降雨易發(fā)生細(xì)溝侵蝕甚至坡面整體滑移。弄清棄渣場坡面水土流失特征，總結(jié)其水土流失規(guī)律，對正確評價開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失影響，科學(xué)預(yù)測水土流失強(qiáng)度和水土流失量，合理布設(shè)水土保持措施具有重要意義。對于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場水土流失規(guī)律研究，國外較少關(guān)注[3]。我國自20世紀(jì)90年代，大量的論文及著作探討了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的危害及成因[4- 6]，并在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中提出了一些新理論、新技術(shù)和新方法。前人對水土流失預(yù)測及水土流失規(guī)律的研究主要集中在具體工程研究其水土流失規(guī)律，以及利用USEL應(yīng)用于工程建設(shè)水土流失量的預(yù)測[7]。

糯扎渡水電站項(xiàng)目區(qū)降水在時空上的分布不均勻，暴雨頻繁發(fā)生，再加上項(xiàng)目區(qū)土壤擾動面積較大，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，研究該地區(qū)棄渣場土壤流失量及影響因素對防止土壤侵蝕、減少地表徑流、增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性具有重要的理論意義。為此，本文通過研究棄渣場坡度、坡長及土壤孔隙對土壤流失量的影響，利用主成分分析法得出該地區(qū)土壤流失量及其影響因素的回歸方程，為該地區(qū)棄渣場土壤流失量的預(yù)測及棄渣場生態(tài)恢復(fù)治理提供理論指導(dǎo)。

表1 棄渣場基本情況

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

糯扎渡水電站位于瀾滄江下游普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處，為云南省瀾滄江中下游河段水電開發(fā)方案的第5個梯級，電站裝機(jī)容量5 850 MW，水庫總庫容237.03億m3，正常蓄水位812 m，水庫淹沒區(qū)涉及到云南省普洱、臨滄2個地區(qū)，9個縣的48 475人，規(guī)劃集中安置點(diǎn)60個。

為研究棄渣場土壤流失量的影響因素，在全面勘查糯扎渡水電站9個縣60個安置點(diǎn)75個棄渣場的基礎(chǔ)上，選取2015年度堆置完畢，未采取攔擋及植被恢復(fù)措施的22個棄渣場坡面作為研究對象。棄渣場基本情況見表1。棄渣場分布見圖1。

圖1 棄渣場分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

為研究棄渣場土壤流失量的影響因素，在每個棄渣場邊坡內(nèi)選取1塊3 m×3 m的樣方，在樣方內(nèi)將直徑0.5 cm、長為30 cm的測針相距1 m×1 m分上、中、下垂直打入坡面，編號登記。另選取3塊20 m×5 m的樣地，利用侵蝕溝測量法測量樣方內(nèi)的侵蝕量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。分別于2016年12月、2017年12月，記錄坡面的坡度、坡向和周邊情況，測量測針距離，并測量樣方內(nèi)侵蝕溝長、寬、深及形狀，計(jì)算土壤侵蝕量，在每個樣方內(nèi)利用3個環(huán)刀(體積100 cm3)取土樣，用于測定土壤孔隙度及土壤容重。

1.3 樣品的測定和分析方法

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度的測定采用環(huán)刀法[8]；棄渣場坡面坡度、坡長采用激光測距儀(LEICA DIDTO D5)測量。

降雨資料分別利用2016年～2017年度臨滄市臨翔區(qū)氣象局圈內(nèi)鄉(xiāng)、馬臺鄉(xiāng)、邦東鄉(xiāng)的降雨觀測值，景谷縣氣象局民樂鎮(zhèn)、永平鎮(zhèn)、碧安鄉(xiāng)、益智鄉(xiāng)的降雨觀測值，瀾滄縣氣象局謙六鄉(xiāng)、糯扎渡鎮(zhèn)的降雨觀測值，以及思茅區(qū)氣象局云仙鄉(xiāng)、思茅港鎮(zhèn)的降雨觀測值。

采用Microsoft Office Excel 2010軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析及作圖，用SPSS18.0軟件對土壤侵蝕量與土壤理化性質(zhì)及降雨、坡度、坡長進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棄渣場坡度和坡長對土壤侵蝕量的影響

坡度是影響土壤侵蝕的重要因素。Zingg[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤流失量與坡度呈指數(shù)相關(guān)，公式表現(xiàn)為y=cxm。式中，y為單位面積土壤流失量；c為常數(shù)；x為坡度；m為坡度因子。Musgrave[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤流失量與坡度的1.35次方呈正比。Smith等[11]建立了土壤流失量與坡度的二次多項(xiàng)式關(guān)系。McCool等[12]建立了土壤流失量與坡度正弦值的線性關(guān)系，在緩坡條件下，效果較好。我國學(xué)者劉寶元等[13]分析陡坡情況下土壤流失量與坡度正弦值的線性關(guān)系。利用函數(shù)關(guān)系，得到坡度對土壤侵蝕量的影響，見圖2。從圖2可以看出，坡度在30°～42°范圍內(nèi)，土壤流失量與坡度呈現(xiàn)二次函數(shù)增加，公式表現(xiàn)為y=-260.42x2+21 550x-414 753(R2=0.708 7，P<0.05)，且顯著正相關(guān)，研究結(jié)果與Smith的結(jié)果相似，說明隨著棄渣場坡度的增加，土壤流失量逐漸增大，但存在最大值。

圖2 坡度對土壤侵蝕量的影響

坡長是決定坡面能量沿程變化，影響坡面徑流和水流產(chǎn)沙過程的重要地貌因素之一。前人研究[14]坡長與土壤流失量存在以下3種結(jié)論：①隨著坡長增加，坡面徑流含沙量增加，徑流能力消耗于攜帶泥沙中，故土壤侵蝕反而減弱；②隨著坡長增大，水深逐漸增大，土壤侵蝕量增大；③隨著坡長增大，土壤侵蝕量從上坡至下坡無明顯差異。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著坡長的增加，土壤侵蝕量與坡長呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(見圖3)，公式表現(xiàn)為y=12 251lnx-19 020(R2=0.905 8，P<0.01)，說明隨著坡長的增加，土壤侵蝕量逐漸增大，但坡長在0～60 m時，土壤流失量增加幅度較大，而坡長≥60 m后土壤流失了增加幅度緩慢，并逐漸趨于最大值。

圖3 坡長對土壤侵蝕量的影響

2.2 棄渣場土壤容重及孔隙對土壤侵蝕量的影響

土壤容重的大小直接反映了土壤孔隙的多少，容重小，孔隙多；土壤容重大，孔隙少[1]。利用函數(shù)關(guān)系，得到土壤容重對土壤侵蝕量的影響，見圖4。從圖4可以看出，土壤流失量隨著土壤容重的增加呈線性增加，公式表現(xiàn)為y=95 664x-116 961(R2=0.825 7，P<0.05)，主要原因?yàn)橥寥廊葜卦酱螅寥揽紫对叫?，渣場坡面入滲率越小，棄渣場坡面流能力越強(qiáng)，坡面產(chǎn)流時刻越早，徑流系數(shù)越大，產(chǎn)沙量越大，導(dǎo)致土壤流失量越大[15]。

圖4 土壤容重對土壤侵蝕量的影響

土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度與土壤滲透性顯著正相關(guān)[16]，土壤孔隙度大小直接影響地表土壤產(chǎn)流以及土壤入滲，而地表徑流的大小決定了土壤侵蝕外營力的大小，從而影響土壤侵蝕量的大小。土壤總孔隙度對土壤侵蝕量的影響見圖5。土壤非毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響見圖6。土壤毛管孔隙度對土壤侵蝕量的影響見圖7。從圖5～7可以看出，土壤侵蝕量隨著土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度的增加均呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)降低，公式分別表現(xiàn)為y=-85 578lnx+323 526(R2=0.808 2，P<0.05)，y=-47 046lnx+149 638(R2=0.808 2，P<0.05)，且顯著相關(guān)；而土壤的毛管孔隙度呈不規(guī)律性。

圖5 土壤總孔隙度對土壤侵蝕量的影響

圖6 土壤非毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響

圖7 土壤毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響

2.3 土壤侵蝕量的影響因素

設(shè)棄渣場坡面坡度為β1，棄渣場坡面坡長為β2，各地區(qū)2016年度降雨量為β3，土壤容重為β4，土壤總孔隙度為β5，土壤非毛管孔隙度為β6，土壤毛管孔隙度為β7，土壤侵蝕量為α。利用SPSS進(jìn)行相關(guān)分析，得出土壤流失量及其影響因素的相關(guān)關(guān)系矩陣，見表2。結(jié)果表明，土壤侵蝕量與棄渣場坡面坡度、土壤容重、棄渣場坡面坡長及年降雨量極顯著正相關(guān)，而與土壤非毛管孔隙、總孔隙度極顯著負(fù)相關(guān)，與毛管孔隙度顯著負(fù)相關(guān)。

表2 土壤流失量及其影響因素的相關(guān)關(guān)系矩陣

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

2.4 土壤侵蝕量影響因素的主成分分析

主成分分析是通過原始變量的少數(shù)幾個線性組合來解釋原始變量的絕大部分信息[17-18]。根據(jù)土壤流失量及影響因素的相關(guān)分析結(jié)果，選擇與影響土壤流失量指標(biāo)顯著或極顯著相關(guān)的因子，棄渣場坡面坡度β1、棄渣場坡面坡長β2、各地區(qū)2016年度降雨量β3、土壤容重β4、土壤總孔隙度β5、土壤非毛管孔隙度β6、土壤毛管孔隙度β7，對其進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3。從表3可知，土壤流失量的影響因子的第一主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.945%，且各因子在第一主分量上的負(fù)荷量的絕對值均在0.718 5以上。其中，土壤非毛管孔隙β6的負(fù)荷量最大，為0.970；毛管孔隙度β7的負(fù)荷量最小，也高達(dá)0.819，表明與土壤流失量顯著相關(guān)的因子的第一主分量表達(dá)了其絕大多數(shù)信息，表征影響土壤流失量各因子的綜合參數(shù)β=-0.879β1′-0.865β2′+0.913β3′-0.906β4′+0.982β5′+0.970β6′+0.819β7。式中，βi′為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

表3 土壤流失量影響因素主成分分析

以表征土壤流失量的綜合參數(shù)α的標(biāo)準(zhǔn)化主分量得分為因變量，以流失量的影響因素特征綜合參數(shù)β的標(biāo)準(zhǔn)化主分量得分為自變量進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程：α=0.909 6β-0.000 4，(R2=0.927 6，P<0.001)，達(dá)極顯著水平。

3 結(jié) 論

本文基于主成分分析，對糯扎渡水電站棄渣場土壤流失量影響因素進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)棄渣場坡面土壤流失量隨著坡度及坡長的增加分別呈現(xiàn)二次函數(shù)及對數(shù)函數(shù)增長，公式分別表現(xiàn)為y=-260.42x2+21 550x-414 753(R2=0.7087，P<0.05)，y=12 251lnx-19 020，(R2=0.905 8，P<0.01)，均達(dá)顯著正相關(guān)。

(2)棄渣場坡面土壤流失量隨著土壤容重的增加呈線性增加，公式表現(xiàn)為y=95 664x-116 961(R2=0.825 7，P<0.05)；而與土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度的增加均呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)降低，公式分別表現(xiàn)為y=-85 578lnx-323 526(R2=0.808 2，P<0.05)，y=-47 046lnx-149 638(R2=0.808 2，P<0.05)，且顯著相關(guān)；而與土壤的毛管孔隙度呈不規(guī)律性。

(3)土壤流失量與棄渣場坡面坡度、土壤容重、棄渣場坡面坡長及年降雨量極顯著正相關(guān)，而與土壤非毛管孔隙、總孔隙度極顯著負(fù)相關(guān)，與毛管孔隙度顯著負(fù)相關(guān)。

(4)經(jīng)主成分分析，得到表征影響土壤流失量各因子的綜合參數(shù)β=-0.879β1′-0.865β2′+0.913β3′-0.906β4′+0.982β5′+0.970β6′+0.819β7，并構(gòu)建了土壤流失量α與影響土壤流失量各因子β的回歸模型α=0.909 6β-0.000 4，(R2=0.927 6，P<0.001)，該模型有無普適性有待進(jìn)一步驗(yàn)證和校正。

需要說明的是，前人研究發(fā)現(xiàn)[5- 8]，棄渣場土壤流失不僅與以上因子有關(guān)，還與土壤次降雨因子、土壤本身可蝕性、土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量等因素有關(guān)，而這些因子對本模型的影響如何，有待進(jìn)一步研究。