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

于慶華

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

1 引言

建設(shè)項(xiàng)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(shè)區(qū)內(nèi)含有的山地變?yōu)槠皆蛘吲_(tái)地，平原區(qū)內(nèi)的土地被連續(xù)切割出現(xiàn)了多個(gè)塌陷區(qū)，隨著地勢(shì)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(dòng)路徑與保留時(shí)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(yīng)對(duì)不斷出現(xiàn)的生態(tài)問題，各地相應(yīng)建設(shè)了對(duì)應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，對(duì)區(qū)域內(nèi)大氣和水質(zhì)以及土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在開發(fā)建設(shè)活動(dòng)中對(duì)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要采用地面觀測(cè)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(shí)追蹤各個(gè)類型的生態(tài)環(huán)境變化，導(dǎo)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(chǔ)，在混合遺傳算法下設(shè)計(jì)生態(tài)脆弱地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域之間的生態(tài)環(huán)境進(jìn)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(cè)布點(diǎn)

2.1 獲取生態(tài)環(huán)境特征

不同區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位需要以其自身的特征為基礎(chǔ)確定，根據(jù)生態(tài)環(huán)境的主要要素對(duì)生態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次劃分，按照環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律完成不同類型的指標(biāo)設(shè)置。從生態(tài)系統(tǒng)的主要功能來看，生態(tài)變化在短時(shí)間無法造成環(huán)境改變，因此對(duì)選取的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)設(shè)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(jìn)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(zhǎng)速度，土壤要素包括含水量和孔隙深度以及有機(jī)質(zhì)含量。在定性指標(biāo)設(shè)置完成后按照層級(jí)進(jìn)行定量指標(biāo)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(duì)具有差異性和穩(wěn)定性的因素進(jìn)行排除，主要針對(duì)不同地質(zhì)災(zāi)害和引起災(zāi)害的主要地貌進(jìn)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(duì)其類型進(jìn)行劃分，為了各層次的特征結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)設(shè)定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，在混合遺傳算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)的迭代，主要采用改變每個(gè)空間參數(shù)中評(píng)價(jià)符號(hào)的適應(yīng)函數(shù)方式實(shí)現(xiàn)［2］。根據(jù)遺傳算法的特征模擬對(duì)初始的特征群體進(jìn)行優(yōu)勝取替，在選擇多個(gè)個(gè)體交叉變換中，逐級(jí)產(chǎn)生適應(yīng)的組群。在進(jìn)制的串位空間內(nèi)設(shè)置特征個(gè)數(shù)為o，不同特征中包含多個(gè)表示長(zhǎng)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(jìn)化的初始階段，使變異點(diǎn)發(fā)生在二進(jìn)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(gè)進(jìn)制中的串聯(lián)長(zhǎng)度。

在轉(zhuǎn)換的編制串聯(lián)參數(shù)中，可以以極值適應(yīng)解碼函數(shù)作為基礎(chǔ)，通過每個(gè)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(shè)置監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

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(cè)點(diǎn)的布設(shè)范圍以及數(shù)量，在多角度分析模型的基礎(chǔ)上，分析每個(gè)地區(qū)的相等單位布點(diǎn)鋪設(shè)。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(fēng)向?yàn)閷?dǎo)向或者容易破壞的地區(qū)進(jìn)行中心點(diǎn)設(shè)置［3］。在風(fēng)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(yù)估的破壞距離布設(shè)圓形監(jiān)測(cè)區(qū)域。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閮?nèi)陸風(fēng)時(shí)，可以將生態(tài)環(huán)境被破壞的地區(qū)為頂點(diǎn)，在每個(gè)相同的區(qū)域內(nèi)按照半直角和直角的度數(shù)進(jìn)行下風(fēng)向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，并在相同距離內(nèi)的破壞區(qū)域劃定相應(yīng)弧線，以此形成扇形監(jiān)測(cè)區(qū)域。兩個(gè)相關(guān)的扇形中心需要設(shè)置出等量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)圖形中心需要被分支成等長(zhǎng)度的網(wǎng)狀格，并在每個(gè)方格中增加一個(gè)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。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(gè)類型區(qū)間設(shè)置不同數(shù)量的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，并根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)區(qū)域來選取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置，獲取該區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用混合遺傳算法處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及多角度監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目區(qū)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的布點(diǎn)方法對(duì)脆弱的生態(tài)環(huán)境地區(qū)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)，選取西部某石油管路組成項(xiàng)目后沿途兩省的部分區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)鋪設(shè)，對(duì)該地區(qū)的擾動(dòng)因素和水土流失現(xiàn)象進(jìn)行分析。該管線鋪設(shè)在我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，當(dāng)?shù)爻Ｄ杲邓肯∩偾也痪鶆颍橛袕?qiáng)風(fēng)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(zhǎng)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(gè)標(biāo)段，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，具體管線鋪設(shè)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(gè)大小的中低山地完成管道線路布設(shè)。工程的建設(shè)過程不同造成了項(xiàng)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(gè)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(jìn)行多組線路標(biāo)段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，逐一排查各個(gè)路標(biāo)內(nèi)區(qū)域的土壤流失量。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局設(shè)計(jì)過程

在對(duì)該項(xiàng)目地區(qū)的水土流失情況監(jiān)測(cè)之前，需要綜合考慮每個(gè)地標(biāo)段內(nèi)的地貌情況，經(jīng)過多次的外出調(diào)查確定了多個(gè)主要標(biāo)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(jì)情況 km

根據(jù)表1，在沖積平原鋪設(shè)的線路較長(zhǎng)，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(zhǎng)度，按照相同寬度進(jìn)行分區(qū)，并以此為單元面積的標(biāo)定尺度確定基礎(chǔ)的布點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)量，在合并線路過程中，對(duì)平原地區(qū)適當(dāng)增加布點(diǎn)長(zhǎng)度，地表起伏較大地區(qū)縮小布點(diǎn)數(shù)量。每個(gè)單元布點(diǎn)的長(zhǎng)度設(shè)置為1.5 km，各類型地貌的面積按照等量長(zhǎng)度進(jìn)行區(qū)分，具體尺度標(biāo)準(zhǔn)和布點(diǎn)數(shù)量見表2。

表2 不同地貌長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)布點(diǎn)單元數(shù)據(jù)

根據(jù)上述地貌形態(tài)下的布點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行分區(qū)標(biāo)記，在構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型中導(dǎo)入模擬數(shù)據(jù)，以每個(gè)類型的具體劃分尺度對(duì)水土流失的成數(shù)（m）進(jìn)行計(jì)算，其中單位長(zhǎng)度的置信度為98%，表達(dá)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(duì)誤差；w 表示類型布點(diǎn)數(shù)量；u 表示區(qū)域內(nèi)布點(diǎn)總長(zhǎng)度。按照10 d 為1 個(gè)時(shí)間段的監(jiān)測(cè)間隔，測(cè)算各個(gè)地貌中水土流失的具體預(yù)估值，并分析不同地貌與水土流失之間的關(guān)聯(lián)。

3.3 水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

由于不同地貌各自含有自身擾動(dòng)因素，如單位區(qū)域內(nèi)的水侵蝕和風(fēng)作用，對(duì)集中區(qū)域的地貌類型整體布點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，設(shè)置同一類型的擾動(dòng)面積在水化和水蝕的模數(shù)相同，變動(dòng)區(qū)間在42%～54%之間，每次擾動(dòng)面積不超過本身水土流失成數(shù)的一半。歷時(shí)2 個(gè)月，總計(jì)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(gè)月的布設(shè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)結(jié)果來看，本文方法對(duì)該工程段內(nèi)的不同地貌類型進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境的有效布局設(shè)計(jì)，能夠在各個(gè)階段及時(shí)獲取水土流失的情況，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文利用多角度監(jiān)測(cè)模型和遺傳算法的雙重優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了新的生態(tài)脆弱地區(qū)的布點(diǎn)監(jiān)控方法，在設(shè)置不同的布點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)量下，可以對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的各類地貌水土流失情況進(jìn)行監(jiān)督，完成脆弱地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測(cè)。但在研究過程中對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)的劃分生態(tài)指標(biāo)缺少統(tǒng)一的判斷因子，降低了監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)性。后續(xù)研究過程中會(huì)合理布局監(jiān)測(cè)點(diǎn)位附近的旱季雨季兩種情況，分別對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)出更加實(shí)用的脆弱生態(tài)地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布局的方法，為更好地建設(shè)基建項(xiàng)目提供服務(wù)。