水土保持多尺度因子探析

王淑芹

(朝陽(yáng)市喀左縣水利局，遼寧 朝陽(yáng) 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(huì)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(dòng)力過(guò)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(guò)程也會(huì)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(duì)此，為構(gòu)建Arc GIS模型可以引入加權(quán)累加法，通過(guò)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(dòng)力過(guò)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(guò)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(duì)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(wú)需開展非線性賦值的數(shù)學(xué)關(guān)系分析。對(duì)兩組因子線性賦值的主要目的就是更加簡(jiǎn)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(jì)過(guò)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(duì)水土保持具有較強(qiáng)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(guò)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(guò)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(duì)λL、λM、λH3個(gè)因子賦值，無(wú)需開展最終因子與3個(gè)因子之間的實(shí)際加權(quán)特征，由此可以實(shí)現(xiàn)更高自由度的實(shí)際加權(quán)因子管理控制[6]。

同理，可利用線性關(guān)系對(duì)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(shí)施功能無(wú)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(duì)完善；“初級(jí)”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(lái)源于便攜式或者移動(dòng)式水文站監(jiān)測(cè)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)?？紤]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(shí)應(yīng)取倒數(shù)，近數(shù)軸0點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系使用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行放大處理[9]。通過(guò)約定規(guī)律常數(shù)表來(lái)更好的確定實(shí)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(jì)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(jì)學(xué)意義可以利用倒數(shù)函數(shù)對(duì)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(duì)水土保持能力的影響。采用加權(quán)累加法對(duì)這3個(gè)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(guò)預(yù)估N1、N2、N3因子的作用機(jī)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(shí)際研究需求。

2 實(shí)例仿真分析

2.1個(gè)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(duì)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(wàn)個(gè)方格。然后按照前文所述方法對(duì)每個(gè)方格的N1、N2、N3因子賦予相應(yīng)的數(shù)值，以檢測(cè)的水土流失情況與河流載沙量之間的關(guān)系，評(píng)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(shí)證分析

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

表4 實(shí)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(dòng)，但變化幅度相對(duì)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(shì)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(yàn)要求。此外，擬合分析也驗(yàn)證了水土保持實(shí)際測(cè)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(duì)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(shí)證分析時(shí)，通過(guò)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(jì)學(xué)分析了實(shí)際測(cè)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(shí)際測(cè)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(duì)優(yōu)化水土保持措施布局具有重要意義。