一種考慮概念性影響因子建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警模型的方法與流程

本發(fā)明涉及鐵路沿線環(huán)境安全評估和預(yù)警，尤其是涉及鐵路沿線水土流失監(jiān)測與預(yù)警。
背景技術(shù)：
：鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，在交通運(yùn)輸中起著重要的作用，而水土流失嚴(yán)重影響鐵路的正常運(yùn)行和行車安全。我國是水土流失活動較頻繁的國家之一，而鐵路又是遭受水土流失危害最嚴(yán)重的行業(yè)之一。水土流失常常會對鐵路路基形成沖毀、淤埋、堵塞橋涵等，嚴(yán)重影響鐵路的安全運(yùn)營。隨著近年來全球環(huán)境的惡化，極端氣候頻發(fā)，鐵路不斷地向山區(qū)延伸，鐵路沿線水土流失災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸線營運(yùn)安全，每年鐵路受災(zāi)損失居高不下。水土流失災(zāi)害是鐵路運(yùn)輸線上所遇到的最頻繁的自然災(zāi)害，常常淤埋、堵塞、沖毀鐵道線路，引發(fā)鐵路斷道、列車出軌等安全事故，給鐵路運(yùn)營安全帶來嚴(yán)重威脅，因此建立一個完善的水土流失監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)對于鐵路安全的意義十分重大。通過層次分析法選擇相應(yīng)降雨條件與地質(zhì)條件作為影響因子，再根據(jù)功效系數(shù)法對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估能夠很好的計(jì)算出水土流失監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的安全評估系數(shù)，因此通過該方法建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是一種十分可靠的預(yù)警措施，但是采用功效系數(shù)法時通常只考慮了一些常規(guī)的便于計(jì)算的極大型影響因子、極小型影響因子、穩(wěn)定型影響因子和區(qū)間型影響因子，在建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)模型的時候會忽略一些重要的概念型影響因子，如土壤質(zhì)地、土壤侵蝕強(qiáng)度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)等，而這些概念型影響因子在實(shí)際的水土流失過程中起著相當(dāng)大的作用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種考慮概念性影響因子建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警模型的方法，通過以下步驟建立：步驟S1，選取水土流失監(jiān)測與預(yù)警的影響因子；步驟S2，對各個影響因子進(jìn)行評分；步驟S3，根據(jù)層次分析法對以及評分結(jié)果對各個影響因子賦予權(quán)重系數(shù)；步驟S4，根據(jù)功效系數(shù)法計(jì)算每個影響因子的功效系數(shù)值，再結(jié)合所述權(quán)重系數(shù)加權(quán)求和得到總功效系數(shù)；步驟S5，根據(jù)總功效系數(shù)判斷是否發(fā)生水土流失。其特征在于：所述步驟S1中的影響因子包括概念型影響因子，具體包括土壤質(zhì)地、土壤侵蝕強(qiáng)度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)因子。進(jìn)一步的土壤質(zhì)地的功效系數(shù)值為可劃分為中壤77.9、輕壤82.1、重壤82.1、砂壤91.6、粘土52.6、砂土100。進(jìn)一步的土壤侵蝕強(qiáng)度值功效系數(shù)值可劃分為微度50.5、輕度56.7、中度66.0、強(qiáng)烈75.2、極強(qiáng)烈87.6、劇烈100。進(jìn)一步的地層巖性的功效系數(shù)值根據(jù)抗風(fēng)化剝蝕能力可劃分為A－100.0、B－82.3、C－77.4、D－61.2、E－44.8。進(jìn)一步的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)功效系數(shù)值劃分為高易發(fā)區(qū)100.0、中易發(fā)區(qū)82.4、低易發(fā)區(qū)64.3、不易發(fā)區(qū)37.9。與現(xiàn)有技術(shù)相比：本發(fā)明的方法基于層次分析法確定影響因子權(quán)重系數(shù)，基于功效系數(shù)法構(gòu)建水土流失預(yù)警模型，能夠考慮概念型影響因子，如土壤質(zhì)地、土壤侵蝕強(qiáng)度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)等，能夠更準(zhǔn)確的建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警模型。附圖說明圖1是本發(fā)明水土流失預(yù)測預(yù)警指標(biāo)層次體系圖。圖2是本發(fā)明水土流失預(yù)測預(yù)警模型的建立流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。如圖1-2所示本發(fā)明選取邊坡相對高度、邊坡坡度、植被覆蓋率、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地層巖性、侵蝕強(qiáng)度、邊坡松散物儲量、災(zāi)害發(fā)生敏感分區(qū)、前3d累計(jì)降雨量、24h降雨量、10分鐘降雨量為水土流失預(yù)警模型的影響指標(biāo)。其中，邊坡松散物儲量是水土流失物源的重要來源，儲量越大，水土流失發(fā)生時可提供的固體碎屑物越多:固體碎屑物越松散，在降雨條件下越容易失穩(wěn)破壞，因此，水土流失溝松散物具有一定的儲量為水土流失的形成提供了物源條件；山坡坡度大小反應(yīng)了坡面上土壤顆粒的穩(wěn)定條件和水流動力條件，并直接影響地表徑流的沖刷和搬運(yùn)能力；植被覆蓋率指標(biāo)反應(yīng)了防止水土流失的能力，覆蓋率越高，巖土體失穩(wěn)所需的能量越大；鐵路邊坡的相對高差則體現(xiàn)了溝谷的地形條件，高差越大，提供的勢能越大，水動力就越強(qiáng)，發(fā)生水土流失的可能性就越大；10分鐘降雨量是水土流失激發(fā)的重要啟動因素，強(qiáng)度越大，巖土體失穩(wěn)的可能性越高，水土流失爆發(fā)的可能性越大；24h雨量是指至此時前24h降雨量，雨量越大，水土流失發(fā)生的可能性越大。長歷時的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，土體易產(chǎn)生滑動性破壞，為后期水土流失的發(fā)生起著重要的貢獻(xiàn)。因此，前期的累計(jì)降雨量大小則在一定程度上反應(yīng)土體的飽和液化的程度，根據(jù)水土流失發(fā)生時前期降雨影響程度，選取3天的累計(jì)降雨量作為前期降雨影響指標(biāo)。根據(jù)計(jì)算權(quán)重原始數(shù)據(jù)的來源，可將權(quán)重確定方法分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法。首先由專家群體對各評價指標(biāo)的相對重要程度進(jìn)行評判；然后采用相關(guān)的集結(jié)算法對單個專家的評判數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，得到各指標(biāo)的權(quán)重。表1鐵路沿線水土流失預(yù)測預(yù)警評價指標(biāo)體系綜合評分表權(quán)重系數(shù)是評價指標(biāo)重要程度的一個量化標(biāo)準(zhǔn)，量化值越大重要程度越高，因此權(quán)重系數(shù)確定的準(zhǔn)確及合理性將直接影響到評價結(jié)果。本發(fā)明采用層次分析法進(jìn)行影響因子賦權(quán)，層次分析法作為一種新的、簡潔而實(shí)用的建模方法、其建模過程大體上可按下面四個步驟進(jìn)行:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗(yàn)；層次總排序及一致性檢驗(yàn)。表2水土流失目標(biāo)層矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算鐵路沿線水土流失預(yù)測基礎(chǔ)因子(B1)響應(yīng)因子(B2)誘導(dǎo)因子(B3)Wi基礎(chǔ)因子(B1)1.00000.81650.74370.2802響應(yīng)因子(B2)1.22481.00000.91080.3431誘導(dǎo)因子(B3)1.34471.09791.00000.3767表3準(zhǔn)則層基礎(chǔ)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算基礎(chǔ)因子(B1)(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)Wi相對高差(C1)1.00000.88210.79501.15791.11730.1942邊坡坡度(C2)1.13371.00000.90131.31291.26680.2201土壤質(zhì)地(C3)1.25781.10951.00001.45651.40550.2442植被覆蓋度(C4)0.86360.76170.68661.00000.96500.1677地層巖性(C5)0.89500.78940.71151.03631.00000.1738表4準(zhǔn)則層響應(yīng)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算響應(yīng)因子(B2)(C63)(C62)(C61)(C7)(C8)(C9)Wi下部土壤含水量(C63)1.00001.26691.58481.23030.94921.08850.1921中部土壤含水量(C62)0.78931.00001.25080.97110.74920.85910.1516上部土壤含水量(C61)0.63100.79951.00000.77630.59900.68690.1212侵蝕強(qiáng)度(C7)0.81281.02981.28811.00000.77150.88470.1561災(zāi)害敏感性(C8)1.05351.33471.66951.29611.00001.14670.2024邊坡松散物質(zhì)儲量(C9)0.91871.16401.45591.13030.87211.00000.1765表5準(zhǔn)則層誘導(dǎo)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算表6水土流失影響因子指標(biāo)組合權(quán)重功效系數(shù)法又叫功效函數(shù)法，是一種反映多個指標(biāo)、綜合分析的定量評價方法，對每一項(xiàng)評價指標(biāo)確定一個滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限，計(jì)算各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)滿意值程度，并以此確定各指標(biāo)的功效系數(shù)值，再經(jīng)過加權(quán)評價確定綜合評價值，從而評價被研究對象的綜合狀況。其評價步驟如下:(1)選取評價指標(biāo)評價指標(biāo)須具有代表性和典型性，在評價體系中既要獨(dú)立又能互補(bǔ)，應(yīng)盡可能地反映評價目標(biāo)的總體情況。(2)確定評價指標(biāo)的滿意值和不允許值對每一個評價指標(biāo)，都要確定其滿意值和不允許值。滿意值是人們根據(jù)自身或行業(yè)經(jīng)驗(yàn)給出的一個值；不允許值一般取評價指標(biāo)的可以接受的最低值或最高值。(3)評價指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值在評價指標(biāo)體系當(dāng)中，根據(jù)各指標(biāo)的特點(diǎn)，可按照以下規(guī)則確定單項(xiàng)功效系數(shù)。共分為4種變量，其中指標(biāo)值越大、單項(xiàng)功效系數(shù)值越高的為極大型變量；指標(biāo)數(shù)值越小、單項(xiàng)功效系數(shù)要高的為極小型變量；指標(biāo)數(shù)值在某一點(diǎn)時其單項(xiàng)系數(shù)最高的為穩(wěn)定型變量；指標(biāo)數(shù)值在某一區(qū)間時其單項(xiàng)系數(shù)最高的為區(qū)間型變量。極大型變量單項(xiàng)功效系數(shù)計(jì)算公式為：極小型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式：穩(wěn)定型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式為：區(qū)間型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式為：式中，g1i為第i個極大型評價指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值，Xi為第I(i＝l,2,,,m)個評價指標(biāo)的實(shí)際值；Xyi為第i個評價指標(biāo)的滿意值；Xni為第i個評價指標(biāo)的不允許值；Xmax為區(qū)間型變量的上限值；Xmin為區(qū)間型變量的下限值；Xnmax為上限的不允許值；Xnmin為下限的不允許值。采用功效系數(shù)法時除了極大型影響因子、極小型影響因子、穩(wěn)定型影響因子和區(qū)間型影響因子，還有一些極其重要的概念型影響因子，如土壤質(zhì)地、土壤侵蝕強(qiáng)度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)等，本發(fā)明在建立水土流失監(jiān)測與預(yù)警模型的過程中，在運(yùn)用層次分析選擇影響因子考慮了這些概念型影響因子，并且在功效系數(shù)法計(jì)算的過程中對其功效系數(shù)按照一定的區(qū)域進(jìn)行了賦值。(1)土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地是土壤顆粒大小的綜合體現(xiàn)，受成土母巖、生物、氣候、地形、時間等多種因素的影響。土壤質(zhì)地與土壤通氣、保水保肥、抗沖蝕等有密切關(guān)系。根據(jù)土壤顆粒大小含量的差異可以分為不同的類型，目前我國通用的為6級分類，具體的分類與功效標(biāo)準(zhǔn)見表8.表7土壤質(zhì)地因子的功效系數(shù)質(zhì)地中壤輕壤重壤砂壤粘土砂土功效系數(shù)77.982.182.191.652.6100(2)侵蝕強(qiáng)度土壤侵蝕是指在水力、風(fēng)力、凍融、重力以及其它外營力作用下土壤、土壤母質(zhì)及其它地面組成物質(zhì)如巖屑、松散巖層等，被破壞、剝蝕、運(yùn)轉(zhuǎn)、沉積的過程。土壤侵蝕強(qiáng)度是定量的表示和衡量某區(qū)域土壤侵蝕數(shù)量的多少和侵蝕的強(qiáng)烈程度，是指地殼土壤在自然營力和人類活動等作用下，單位面積單位時間內(nèi)被剝蝕并發(fā)生位移的土壤侵蝕量。按我國水利部批準(zhǔn)實(shí)施的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)進(jìn)行，I級劇烈；II級為極強(qiáng)烈；III為強(qiáng)烈；IV為中度；V級為輕度；VI級為微度。分級標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)參照SL190-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。表8土壤侵蝕強(qiáng)度因子的功效系數(shù)侵蝕強(qiáng)度微度輕度中度強(qiáng)烈極強(qiáng)烈劇烈功效系數(shù)50.556.766.075.287.6100.0(3)地層巖性地層巖性包括巖石分類、顏色、結(jié)構(gòu)、組成、堅(jiān)硬度等，不同礦物形成的巖石其抵抗風(fēng)化、剝蝕的能力不一樣，根據(jù)抗風(fēng)化能力的差異，巖性分類中A類為抗風(fēng)化能力差的巖石；B類為抗風(fēng)化能力較差的巖石；C類為抗風(fēng)化能力中等的巖石；D類為抗風(fēng)化能力強(qiáng)的巖石；E類為抗風(fēng)化能力極強(qiáng)的巖石。表9地層巖性因子的功效系數(shù)抗風(fēng)化能力ABCDE功效系數(shù)100.082.377.461.244.8(4)地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)作用(現(xiàn)象)。如崩塌、滑坡、水土流失、地裂縫、地面沉降、地面塌陷、巖爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤層自燃、黃土濕陷、巖土膨脹、砂土液化，土地凍融、水土流失、土地沙漠化及沼澤化、土壤鹽堿化，以及地震、火山、地?zé)岷Φ?。?xiàng)目將按照中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院負(fù)責(zé)編制完成的《中國典型縣(市)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖集》的分類，將地質(zhì)災(zāi)害根據(jù)其發(fā)生的難易分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。表10地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)因子的功效系數(shù)地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)高易發(fā)區(qū)中易發(fā)區(qū)低易發(fā)區(qū)不易發(fā)區(qū)功效系數(shù)100.082.464.337.9總功效系數(shù)值根據(jù)評價指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)，在結(jié)合評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算評價對象的總功效系數(shù)值:其中G為評價對象的總功效系數(shù)值；gi為第i個評價指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值；ωi為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)總功效系數(shù)值公式計(jì)算可得總功效系數(shù)，總功效系數(shù)大小與預(yù)警等級劃分是根據(jù)功效系數(shù)法原理，以總功效系數(shù)值作為評價標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)值大小劃分水土流失預(yù)警等級，向管理部門、相關(guān)人員發(fā)布的預(yù)警等級。表11水土流失預(yù)警等別預(yù)警等級總功效系數(shù)說明I≤60可能性很小，不發(fā)布預(yù)警信息II60-70可能性較小，不發(fā)布預(yù)警信息III70-80可能性較大，發(fā)布黃色預(yù)警信息IV80-90可能性大，發(fā)布橙色預(yù)警信息V≥90可能性很大，發(fā)布紅色預(yù)警信息當(dāng)前第1頁1 2 3