基于混合遺傳算法的生態(tài)脆弱地區(qū)環(huán)境監(jiān)測布點研究

于慶華

（濟寧市梁山生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東濟寧 272600）

1 引言

建設項目的開發(fā)在一定程度上改變了原有地形和地貌，使得原有地形被破壞以及新地形的出現(xiàn)，其中地貌變化最為明顯。許多建設區(qū)內(nèi)含有的山地變?yōu)槠皆蛘吲_地，平原區(qū)內(nèi)的土地被連續(xù)切割出現(xiàn)了多個塌陷區(qū)，隨著地勢地貌的要素改變，其內(nèi)部和外部的組成成分也發(fā)生了質(zhì)的變化，促使地表水和地下水的流動路徑與保留時間大幅度變化，造成區(qū)域內(nèi)土地荒漠化和水土流失等生態(tài)破壞問題。為應對不斷出現(xiàn)的生態(tài)問題，各地相應建設了對應的環(huán)境監(jiān)測站點，對區(qū)域內(nèi)大氣和水質(zhì)以及土壤進行監(jiān)測。在開發(fā)建設活動中對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測主要采用地面觀測和類比調(diào)查方法，但在山區(qū)或者氣候條件較差的地區(qū)無法及時追蹤各個類型的生態(tài)環(huán)境變化，導致采集到的數(shù)據(jù)不具備連續(xù)性。本文以此為研究基礎，在混合遺傳算法下設計生態(tài)脆弱地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測布點方法，以期實現(xiàn)對不同區(qū)域之間的生態(tài)環(huán)境進行有效的跟蹤。

2 基于混合遺傳算法的生態(tài)脆弱地區(qū)環(huán)境監(jiān)測布點

2.1 獲取生態(tài)環(huán)境特征

不同區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點位需要以其自身的特征為基礎確定，根據(jù)生態(tài)環(huán)境的主要要素對生態(tài)結構進行層次劃分，按照環(huán)境的動態(tài)變化規(guī)律完成不同類型的指標設置。從生態(tài)系統(tǒng)的主要功能來看，生態(tài)變化在短時間無法造成環(huán)境改變，因此對選取的生態(tài)環(huán)境指標設置主要依據(jù)受損地區(qū)存在的植被情況和土壤性質(zhì)，在選取的地區(qū)內(nèi)可以根據(jù)植被要素和土壤要素進行特征分類［1］。其中，植被要素包括覆蓋的程度和類型以及植物的生物量和生長速度，土壤要素包括含水量和孔隙深度以及有機質(zhì)含量。在定性指標設置完成后按照層級進行定量指標的劃分，根據(jù)選取的特征類型以及典型性原則，在生態(tài)環(huán)境獲取過程中對具有差異性和穩(wěn)定性的因素進行排除，主要針對不同地質(zhì)災害和引起災害的主要地貌進行特征數(shù)據(jù)的獲取。

2.2 基于混合遺傳算法劃分類型區(qū)域

獲取研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)特征之后，需要對其類型進行劃分，為了各層次的特征結構能夠準確對應設定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，在混合遺傳算法的基礎上進行隨機數(shù)據(jù)的迭代，主要采用改變每個空間參數(shù)中評價符號的適應函數(shù)方式實現(xiàn)［2］。根據(jù)遺傳算法的特征模擬對初始的特征群體進行優(yōu)勝取替，在選擇多個個體交叉變換中，逐級產(chǎn)生適應的組群。在進制的串位空間內(nèi)設置特征個數(shù)為o，不同特征中包含多個表示長度的選擇策略i，其中演變的路徑為inim，具體區(qū)域解碼公式為：

式中，a 為異變算子，在種群進化的初始階段，使變異點發(fā)生在二進制染色體的高位區(qū)，以保證種群的多樣性；omin為特征中最小影響因素；omax為最大影響因素；d 為每個進制中的串聯(lián)長度。

在轉(zhuǎn)換的編制串聯(lián)參數(shù)中，可以以極值適應解碼函數(shù)作為基礎，通過每個解碼的適用度量區(qū)分不同特征所處的生態(tài)類型。

2.3 多角度模型設置監(jiān)測布點

按照劃分出的生態(tài)環(huán)境類型，依據(jù)每組區(qū)域內(nèi)的地理面積確定監(jiān)測點的布設范圍以及數(shù)量，在多角度分析模型的基礎上，分析每個地區(qū)的相等單位布點鋪設。在模型幾何空間內(nèi)分化出不同形狀的等位變化圖形，以放射性同心圓為中心，在風向為導向或者容易破壞的地區(qū)進行中心點設置［3］。在風向不確定的情況下可以將被破壞的地區(qū)作為中心依次向外作為射線的布置，并根據(jù)預估的破壞距離布設圓形監(jiān)測區(qū)域。當主導風向為內(nèi)陸風時，可以將生態(tài)環(huán)境被破壞的地區(qū)為頂點，在每個相同的區(qū)域內(nèi)按照半直角和直角的度數(shù)進行下風向的監(jiān)測點布置，并在相同距離內(nèi)的破壞區(qū)域劃定相應弧線，以此形成扇形監(jiān)測區(qū)域。兩個相關的扇形中心需要設置出等量的監(jiān)測點，每個圖形中心需要被分支成等長度的網(wǎng)狀格，并在每個方格中增加一個監(jiān)測布點。按照不同地區(qū)內(nèi)的生態(tài)特征完成類型的劃分，在每個類型區(qū)間設置不同數(shù)量的監(jiān)測布點，并根據(jù)具體的監(jiān)測區(qū)域來選取適當?shù)谋O(jiān)測點位布置，獲取該區(qū)域內(nèi)的相關數(shù)據(jù)，利用混合遺傳算法處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)以及多角度監(jiān)測模型進行監(jiān)測布點。

3 實驗結果分析

3.1 選擇監(jiān)測項目區(qū)

為驗證本文設計的布點方法對脆弱的生態(tài)環(huán)境地區(qū)實現(xiàn)有效監(jiān)測，選取西部某石油管路組成項目后沿途兩省的部分區(qū)域進行監(jiān)測布點鋪設，對該地區(qū)的擾動因素和水土流失現(xiàn)象進行分析。該管線鋪設在我國內(nèi)陸地區(qū)，當?shù)爻Ｄ杲邓肯∩偾也痪鶆?，伴有強風沙天氣，晝夜溫差較大，包含平原和盆地、山地和沼澤以及戈壁灘和鹽堿地等多種地貌。整條管線在兩省途經(jīng)的地帶長約1 912.6 km，其中支線約54.2 km，支干線約1 858.4 km，臨縣每條支線劃分成多個標段，并對其進行標記，具體管線鋪設走向和橫跨地貌如圖1 所示。

圖1 西部石油管道工程線路示意

根據(jù)圖1，在該工程線路內(nèi)橫跨祁連山脈和南湖戈壁灘，并沿多個大小的中低山地完成管道線路布設。工程的建設過程不同造成了項目區(qū)內(nèi)多種類型的土壤侵蝕，使得地表的抗蝕性能和存水性能急劇下降，在多個地區(qū)形成了水土流失現(xiàn)象。根據(jù)不同位置以及不同地貌狀態(tài)下的水土流失情況，進行多組線路標段的監(jiān)測點布設，逐一排查各個路標內(nèi)區(qū)域的土壤流失量。

3.2 監(jiān)測點布局設計過程

在對該項目地區(qū)的水土流失情況監(jiān)測之前，需要綜合考慮每個地標段內(nèi)的地貌情況，經(jīng)過多次的外出調(diào)查確定了多個主要標段內(nèi)的生態(tài)情況，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 管道沿線主要地段地貌統(tǒng)計情況 km

根據(jù)表1，在沖積平原鋪設的線路較長，其中某段以經(jīng)過濕地和殘丘為主。在涉及的不同地貌走線長度，按照相同寬度進行分區(qū)，并以此為單元面積的標定尺度確定基礎的布點監(jiān)測數(shù)量，在合并線路過程中，對平原地區(qū)適當增加布點長度，地表起伏較大地區(qū)縮小布點數(shù)量。每個單元布點的長度設置為1.5 km，各類型地貌的面積按照等量長度進行區(qū)分，具體尺度標準和布點數(shù)量見表2。

表2 不同地貌長度監(jiān)測布點單元數(shù)據(jù)

根據(jù)上述地貌形態(tài)下的布點數(shù)量進行分區(qū)標記，在構建的監(jiān)測模型中導入模擬數(shù)據(jù)，以每個類型的具體劃分尺度對水土流失的成數(shù)（m）進行計算，其中單位長度的置信度為98%，表達式為：

式中，qi／2表示正態(tài)分布的水土流失系數(shù)；犖2表示水土流失面積的相對誤差；w 表示類型布點數(shù)量；u 表示區(qū)域內(nèi)布點總長度。按照10 d 為1 個時間段的監(jiān)測間隔，測算各個地貌中水土流失的具體預估值，并分析不同地貌與水土流失之間的關聯(lián)。

3.3 水土流失監(jiān)測結果與分析

由于不同地貌各自含有自身擾動因素，如單位區(qū)域內(nèi)的水侵蝕和風作用，對集中區(qū)域的地貌類型整體布點進行層次劃分，設置同一類型的擾動面積在水化和水蝕的模數(shù)相同，變動區(qū)間在42%～54%之間，每次擾動面積不超過本身水土流失成數(shù)的一半。歷時2 個月，總計收集到的數(shù)據(jù)包含6 組，具體見表3。

表3 各地貌類型水土流失成數(shù)數(shù)據(jù) t/m

根據(jù)表3 可知，在經(jīng)過為期2 個月的布設點監(jiān)測中，淺丘殘丘的流失成數(shù)最大，戈壁沙漠和濕地沼澤的流失成數(shù)次之。第1 階段和第6 階段的對比顯示，水土流失成數(shù)基本呈現(xiàn)高倍數(shù)增加。綜合監(jiān)測結果來看，本文方法對該工程段內(nèi)的不同地貌類型進行了生態(tài)環(huán)境的有效布局設計，能夠在各個階段及時獲取水土流失的情況，具有實際應用效果。

4 結語

本文利用多角度監(jiān)測模型和遺傳算法的雙重優(yōu)勢，設計了新的生態(tài)脆弱地區(qū)的布點監(jiān)控方法，在設置不同的布點監(jiān)測數(shù)量下，可以對研究區(qū)域內(nèi)的各類地貌水土流失情況進行監(jiān)督，完成脆弱地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測。但在研究過程中對監(jiān)測區(qū)的劃分生態(tài)指標缺少統(tǒng)一的判斷因子，降低了監(jiān)測到的相關數(shù)據(jù)的科學性。后續(xù)研究過程中會合理布局監(jiān)測點位附近的旱季雨季兩種情況，分別對相關數(shù)據(jù)進行深入分析，設計出更加實用的脆弱生態(tài)地區(qū)環(huán)境監(jiān)測點位布局的方法，為更好地建設基建項目提供服務。