水庫控制范圍侵蝕產沙影響主成分分析

(新賓滿族自治縣水土保持監督站，遼寧 撫順　113200)

隨著自然環境的不斷惡化，土壤侵蝕已受到國內外重視。作為全球范圍內土壤侵蝕較為嚴重的地區，中國水土流失的總面積已經近360萬km2(2002年遙感調查)。土壤肥沃的東北作為中國的糧食產量大區，受到各種人類干擾和自然等因素的影響，土壤侵蝕也成為一個嚴峻的問題[1-2]，這其中包括了東北松嫩平原的黑土丘陵漫崗區。

眾所周知，造成侵蝕產沙的原因較多，且各因子之間也會彼此影響，在國內外對于侵蝕產沙的影響因素研究中有大量的分析成果。但是對于東北地區來說，造成其侵蝕產沙的原因相對單一，將小流域作為研究對象的成果較少。因此，本文從造成流域侵蝕產沙的多種影響因素中，找到主要因素。該研究有利于東北地區的水土保持，并能夠促進黑土區域糧食種植的可持續發展。

1　研究方法和現狀資料

1.1　研究對象及區域概況

本文選取東北區域17座水庫為研究對象，這些水庫均建于20世紀60—70年代。研究區域平均溫度約1.26℃，屬于溫帶大陸性氣候，每年7—9月為汛期，平均年降水量510mm，由于該地區降水具有強度高、時間短、地表水匯流快特點，加大了水土流失的可能。該地區土壤類型主要包括草甸黑土、一般黑土。

1.2　研究方法

1.2.1明確造成侵蝕產沙的原因

造成流域土壤侵蝕產沙原因包括土壤、景觀格局、氣候及地勢等，從這些原因中選擇22個具有代表性的因子，將其作為分析造成流域侵蝕產沙的變量。

利用ArcGIS軟件，先提取地形、河網及流域形態三項因素。氣候因子中，選取降雨侵蝕力作為代表。由于本文分析的是多年來造成土壤侵蝕產沙的原因，因此，采用的是多年降雨侵蝕力的平均值，該項因子通過計算年降雨量的平均值可以得出。面對侵蝕土壤的敏感程度、抵御強度，選取土壤可蝕性因子作為代表。

在流域土地利用方面，選取三個影響因子作為代表，分別為土地管理因子C、水土保持措施因子P及耕地百分比。

景觀格局方面，選取多樣性、聚集度及蔓延度三個指數作為代表因子。利用FraGStatS3.3軟件，根據已有相關研究，可以獲得水土保持措施因子P和土地管理因子C的值(見表1)。

1.2.2數據處理軟件

為了對因變量和自變量進行無量綱化處理，需要利用SPSS19.0軟件，運用z-score法對全部數據進行標準化，選用多元線性回歸模型、相關性分析、主成分統計分析等多種研究方法，分析造成其控制流域及小流域侵蝕產沙的影響因子。

2　數據分析

2.1　水庫控制流域侵蝕產沙變異特征

統計研究區域內的水庫資料得出，流域平均產沙量2237.60t/a，變異系數81.90%。這意味著流域內有90%的泥沙會再發生沉積，流域內輸沙模數和侵蝕模數的比值是10%。

流域內產沙模數和流域面積的相關性圖

根據分析結果，流域的面積和產沙量具有正相關的關系[R2=0.67；見圖(a)]，但是所呈現的相關程度并不明顯[見圖(b)]，這也和以往對于東北地區產沙原因的分析研究相一致。此外，其他已有研究認為流域的面積對于產沙模數不一定有直接性的影響。因此本文認為流域內的各種因素及這些因素的內部作用使產沙模數發生改變。

2.2　分析小流域侵蝕產沙的原因

通過多元線性回歸模型及相關性分析方法，來分析造成小流域侵蝕產沙的原因。從表2中可以看出，和產沙量(SY)呈顯著正相關的因子包括河流的總長度(L)及流域的周長(Pe)、面積(A)；和產沙模數(SSY)的負相關性比較明顯的有水土保持措施因子(P)、聚集指數(Ia)兩個，和產沙模數的正相關性比較明顯的包括流域的降雨侵蝕力(R)、高程最大值(Hmax)、坡度的平均值(S)及高程的差值(HD)四個因子。而其他的變量則和產沙模數沒有明顯的相關性，如耕地所占的百分比(PF)、土壤可蝕性因子(K)、圓周比(Rc)、最低高程(Hmin)平均高程(Hmean)流域高程積分(H1)地形起伏度(RR)土地管理因子(C)草地百分比(PP)耕地百分比(PA)蔓延度指標(IC)香農多樣性指標(IS)聚集系數(IA)。

表2　各因子和產沙量的相關性、各因子和產沙模數的相關性

*表示在0.01水平上顯著相關；**表示在0.05水平上顯著相關。

高程差能夠影響泥沙的流動和與水的分離。坡度可影響地表徑流流動的快慢，在高差大、坡度高的流域產沙的模數較大。聚集指數代表流域中景觀斑塊的聚集能力和銜接情況，通過聚集指數代表景觀的破碎化程度，聚集指數越大，人類的干擾越小、產沙模數越小。

造成流域侵蝕產沙的原因較多，本文選擇回歸分析方法，構建兩個多元線性回歸模型，來表達流域產沙量、產沙模數對于產沙的作用程度：

SY=0.86A+1.14S+0.83IA

(1)

(R2=0.88;n=17)

SSY=-0.86P-0.43RR

(2)

(R2=0.67;n=17)

產沙量的方程含有A、S和IA三個變量，對于產沙量這三個因子的解釋度是88%，A對產沙量起到的作用所占比值是27%、S對產沙量起到的作用所占比值是36%、IA對產沙量起到作用比值是26%。產沙模數的方程含有P、RR兩個變量，對于產沙模數這兩個因子的解釋度是67%，P對產沙模數起到作用比值是44%、RR對產沙模數起到作用比值是22.40%。

2.3　分析造成小流域侵蝕產沙的主成分

從這22個變量中分析影響因子中的主成分，其中85%的作用都由4個主成分造成(見表3)。第一個主成分屬于地形因素，其中Hmin和Hmean的載荷量都較大。第二個主成分屬于流域的形態因素，其中四個因子的載荷量約0.80；第三個主成分屬于土壤因素，其中k因子的載荷量較大。第四個主成分屬于景觀格局因素，其中三個因子的載荷量都比0.90大；綜上，造成侵蝕產沙原因的主成分分別為地形、土壤可蝕性、流域形態及景觀格局。通過多元回歸方程，分析這4個主成分與流域產沙模數的相關性：

表3　各主成分特征值的變量矩陣和方差貢獻率

*加黑字體表示載荷量比較大的因子。

SSY=0.301x1+0.539x2+0.551x3-0.146x4

(3)

(R2=0.713；n=17)。

式中x2——流域形態因代表子；

x1——景觀格局；

x4——可蝕性土壤因素；

x3——地形因素。

方程(3)表明，4個主成分對水庫控制流域產沙模數的解釋程度為72.20%，其作用程度分別是13.70%、25.90%、24.90%、7%，可以看出影響最大的是景觀格局和土壤可蝕性。

3　結　語

運用多元線性回歸模型、相關性分析、主成分統計分析等多種研究方法，分析造成其小流域侵蝕產沙的各方面影響因子，并明確了原因中的主導因素。

研究結論：要減少水庫所在小流域侵蝕產沙的程度，降低東北區域土壤流失情況的發生率，首先必須減少人類活動對流域的影響，這點必須重視起來，人為的擾動對侵蝕產沙影響巨大，只有加以重視，減少擾動，增加流域景觀斑塊的聚集度，接著結合地形將用地的比例調整到合理水平，才能盡可能地減少對水庫所在流域的擾動，減少產沙量，最終保證水土資源平衡，減少水土流失，實現可持續性發展

[1]唐克麗.中國水土保持[M].北京：科學出版社，2004：210-211.

[2]方海燕，蔡強國，李秋艷.東北典型黑土區烏裕爾河中游泥沙輸移月年時間尺度特征[J].泥沙研究，2009(2)：16-21.