銅鑼山隧道排水對當地農業生產的影響

劉建

摘要：基于隧道排水及其可能來源的水化學信息，利用支持向量機（ＳＶＭ）技術建立了隧道排水來源識別模型，并分析了墊鄰高速銅鑼山隧道排水對當地農業生產的影響。結果表明，該隧道排水并未對當地農業生產的主要灌溉水源——清水溪產生影響，而是對一些井泉等輔助灌溉水源影響較為明顯，建議有關部門考慮影響區內農業生產用水的供水措施和隧道排水的資源化利用。

關鍵詞：農業生產；支持向量機；灌溉用水；隧道排水

中圖分類號：Ｓ２７４．４文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）14－2976-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Iｍｐａｃｔ ｏｆ Wａｔｅｒ Iｎｒｕｓｈ ｏｎ Rｅｇｉｏｎａｌ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Pｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｏｎｇｌｕｏｓｈａｎ Tｕｎｎｅｌ Aｒｅａ

ＬＩＵ Ｊｉａｎ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｕｐｐｏｒｔ vｅｃｔｏｒ mａｃｈｉｎｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅｓ． Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｏｆ Ｔｏｎｇｌｕｏｓｈａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ Ｄｉａｎｊｉａｎｇ ｔｏ Ｌｉｎｓｈｕｉ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ｏｎ ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗａｔｅｒ ｄｒａｉｎｉｎｇ ｆｒｏｍ Ｔｏｎｇｌｕｏｓｈａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｈａｄ ｎｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｌｏｃａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ－Ｑｉｎｇｓｈｕｉｘｉ， ｂｕｔ ｓｅｖｅｒｅｌｙ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｓｏｍｅ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｏｐｌｅ ｗｈｏ ｗｅｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｔｅｒ ｄｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｒｕｓｈ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ； ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅｓ； ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ； ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｔｕｎｎｅｌ

我國是世界上的農業大國之一，其西部地區的農業生產又是當地的主要經濟來源之一。隨著我國西部大開發戰略的穩步推進，西部山區的隧道工程不僅越建越多，而且越修越長［１］。然而，在改善當地交通環境的同時，山區隧道建設也產生了一系列的環境問題，其中隧道排水影響當地農業生產較為突出，如襄渝鐵路中梁山隧道施工期間引起４８口泉水被排干，極大地改變了隧址區的人居環境［２］；渝懷鐵路圓梁山隧道建設導致一定范圍內的地下水被排干，直接或間接地影響了當地居民的生活和生產用水［３］；渝懷鐵路歌樂山隧道施工導致山上６萬多居民的生產和生活用水受到嚴重影響［４］。這些影響不僅容易引發嚴重的民眾糾紛，而且可能形成社會的不穩定因素。以墊（江）鄰（水）高速銅鑼山隧道（以下簡稱隧道）為例，通過建立隧道排水來源識別的支持向量機（Ｓｕｐｐｏｒｔ vｅｃｔｏｒ mａｃｈｉｎｅｓ，ＳＶＭ）［５，６］模型，分析了隧道排水對當地農業生產的影響，以期為影響區內農業生產用水供水措施的制定和隧道排水的資源化利用提供參考。

１隧道工程及區域水文地質概況

１．１隧道工程概況

銅鑼山越嶺雙洞公路隧道為重慶墊江—廣安鄰水高速公路的關鍵控制性工程，位于四川省廣安市鄰水縣元市鎮和城南鎮之間的銅鑼山背斜中段，東距重慶約８０ ｋｍ，西至成都約３１０ ｋｍ。隧道進口位于銅鑼山背斜東翼的蓼子溝，出口位于背斜西翼的臘月丘，全長５．２ ｋｍ，最大埋深２８０ ｍ，人字形縱坡，采用由進出口同時向變坡點掘進的施工方式。該隧道始建于２００５年，已于２００８年夏季貫通。

１．２區域水文地質概況

隧址區地貌景觀主要呈一山（銅鑼山）兩嶺（背斜兩翼）夾一谷（巖溶槽谷）的特征，出露地層主要有三迭系下統嘉陵江組（Ｔ１ｊ），中統雷口坡組（Ｔ２ｌ）和上統須家河組（Ｔ３ｘ）及侏羅系（Ｊ）地層。除第四系（Ｑ４）松散堆積物分布在槽谷和地形低洼處外，其余地層大面積出露，巖性主要為可溶巖（石灰巖及白云巖）和非可溶巖（砂巖、粉砂巖、泥巖等），且前者（分布于槽谷）被挾持于后者（地處兩嶺地帶）中。

隧址區屬溫熱潮濕氣候，年平均氣溫１６．９ ℃，年平均降雨量１ ２１５．５ ｍｍ，地下水主要賦存、運移在呈條帶狀分布的碳酸鹽巖溶蝕裂隙和管道中，非可溶巖構成相對隔水層。巖溶地下水主要接受降水的集中式滲（注）入補給及部分地表溪流水補給。受地層出露及地形條件的限制，在中部和東部，巖溶水主要沿東北向西南方向運移；而在西部，巖溶水則由西南向東北方向運移，并在地形切割處以泉或泉群形式排泄。

２ＳＶＭ基本理論

ＳＶＭ的核心是構造最優超平面，其基本思想為通過構造合適的映射函數將輸入向量映射到一個高維特征空間，再在高維特征空間中尋找最優分類超平面，使它盡可能將不同類別數據正確分開，并使類間間隔最大。相關計算理論見文獻［５-１０］。

２．１二分類ＳＶＭ

假設存在訓練樣本｛ｘｉ，ｙｉ｝，ｉ＝１，２，…，ｌ；ｘｉ∈Ｒｎ；ｙｉ∈｛－１，＋１｝；ｌ為訓練樣本數，ｎ為輸入維數。在線性可分的情況下，存在一個分類超平面，可使兩類樣本完全分開，即：

ｗ·ｘｉ＋ｂ＝０（１）

求解分類超平面就是找到給定訓練樣本的權值ｗ和閾值ｂ的最優值，故可將上述問題歸結為以下二次規劃：

利用拉格朗日優化可將上述二次規劃問題轉化為對偶問題進行求解，即可得到最優拉格朗日乘子α*=（α*1，α*2，…，α*l）T，α*≠０對應的樣本稱為支持向量，此時決策函數為：

對于線性不可分問題，可通過引入一個非線性映射函數把樣本映射到一個高維特征空間，在高維特征空間將其轉化為線性分類問題。該非線性映射函數通常選用核函數Ｋ（ｘｉ，ｘ），此時決策函數為：

得到決策函數后，可將待判定的樣本ｘ代入，通過計算該函數的正負來識別ｘ的歸屬。

２．２多分類ＳＶＭ

目前，多分類支持向量機算法主要通過組合一系列二分類支持向量機來實現，常用算法主要有“一對一”和“一對多”算法，這里采用有向無環圖的“一對一”算法，即通過構建ｌ（ｌ－１）／２個子分類器并采取投票策略和競爭機制來確定預測樣本的類別。

３隧道排水對當地農業生產的影響

３．１隧道排水的可能來源篩選

隧道地區地表沖溝發育，但常年性溪流主要為清水溪。隧道地區居民農業生產用水以溪溝水（主要是清水溪）為主，當井泉水有富余時也可用作農業生產用水，如ＡＱ２３、ＡＱ２４、ＡＱ２１、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７等。隧道建設過程中，不可避免會揭露某些含水通道，從而形成排水，隨著隧道排水的不斷延續，含水層中儲存的地下水將被不斷排干，進而影響當地農業灌溉。為準確分析隧道排水對當地農業灌溉用水的影響，首先應識別出哪些灌溉用水與隧道排水可能存在聯系。從水文地質角度分析，銅鑼山隧道排水的主要來源可能為區內巖溶地下水、地表溪流和煤系地層砂巖裂隙水，因此此次選取２００５年７月至２００７年８月采取的清水溪地表水（ＸＢＱ２５）、老窯水（ＡＱ１１、ＡＱ２１）和巖溶泉水（ＡＱ２３、ＡＱ２４、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７）為訓練樣本，以Ｋ＋+Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｃｌ－、ＳＯ４２－和ＨＣＯ３－作為水源判別的特征因子，對隧道內７處主要排水點的水源進行識別。

隧道與各水文點位置關系見圖１。

３．２模型主要參數設置

影響ＳＶＭ模型分類精度和推廣能力的主要參數為核函數和懲罰常數Ｃ［１０］，鑒于徑向基函數（ＲＢＦ）具有較強的非線性映射能力和良好的性態，因此，ＳＶＭ模型選取ＲＢＦ函數作為核函數。核函數中的參數直接影響ＲＢＦ函數的形狀和分類性能，γ過小，ＳＶＭ對訓練樣本的錯分率較低，但推廣能力較差，過大則錯分率高且推廣能力差［１１］。Ｃ的大小表征模型對訓練樣本錯判時的懲罰程度顯示，Ｃ越大則分類精度越高，但可能出現“過度訓練”現象［１０］。經試算搜索，確定ＳＶＭ模型的最優參數為Ｃ＝１．１５，γ＝２３．５。

３．３隧道排水對當地農業用水的影響

利用訓練好的模型，對隧道內排水進行識別，其結果均與地表巖溶泉水屬同一類別，換言之，隧道排水主要來自區域嘉陵江組和雷口坡組地層巖溶含水層的貢獻，即隧道排水對當地主要灌溉水源清水溪未造成影響。對于上述結論，結合清水溪、ＡＱ２１、ＡＱ２３、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７的流量動態監測資料進行分析論證：

１）主要灌溉水源清水溪未受影響。隧道ＹＫ３３＋９３５至ＹＫ３４＋０４０段為廖家溝淺埋段，埋深小于４０ ｍ，距地表常年水體清水溪的直線距離不足４００ ｍ。隧道施工單位在施工至該段時進行了地表注漿，根據清水溪流量動態監測資料，該段隧道施工期間，清水溪并無明顯漏失現象，表明隧道排水的主要來源并非清水溪，這與ＳＶＭ模型識別結論一致，從而說明隧道排水未對當地主要灌溉水源清水溪造成影響。

２）輔助灌溉水源受到明顯影響。ＡＱ２３、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７均為廖家溝淺埋段附近的巖溶泉水，距隧道軸線的直線距離分別為３７０、２０、５７０和６７０ ｍ，為當地除大氣降雨、清水溪和一些沖溝外的輔助灌溉水源。監測期間，上述泉點流量均出現了不同程度衰減甚至是枯竭現象。根據調查訪問，ＡＱ２３往年枯水期流量可保持在０．５～１．０ Ｌ／ｓ，但自２００６年６月以來，該泉點經常枯竭，僅在降雨后能短時出水；ＡＱ３７受地表注漿干擾，趨勢不明顯；ＢＱ２６往年枯水期流量約０．１～０．３ Ｌ／ｓ，自２００６年５月以來，該點流量出現多次明顯衰減，并于２００７年５月曾一度枯竭，之后若短時間內無降雨，亦會出現流量減少或枯竭現象；ＢＱ２７往年枯水期流量約１．０～３．０ Ｌ／ｓ，自２００６年８月以來，該點流量衰減明顯，并曾幾近枯竭（Ｑ＝０．０５５ Ｌ／ｓ）。

另外，ＡＱ２１為一廢棄煤礦，洞口距隧道軸線約９４０ ｍ，其出水主要供附近村民生產和生活使用。根據調查訪問，該點往年枯水期流量約０．１～０．３ Ｌ／ｓ，自２００６年６月以來，該點長時間枯竭，并于２００７年１月經較長時間降雨補給后，流量有所回升，但２００７年７月又已枯竭，故認為ＡＱ２１亦可能受到了隧道施工的干擾。前述識別結論和動態監測資料均表明隧道地區輔助灌溉水源受到了明顯影響。

４結論

分析表明，隧道排水的主要來源為區內嘉陵江組和雷口坡組巖溶含水層中的地下水，而并非清水溪。由此說明隧道排水并未對當地農業生產的主要灌溉水源清水溪造成影響，而只是影響了一些輔助灌溉水源，盡管如此，為切實保護當地人居環境，建議有關部門考慮影響區內農業生產用水的供水措施和隧道排水的資源化利用。

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