铜锣山隧道排水对当地农业生产的影响

2012-04-29刘建

湖北农业科学 2012年14期

刘建

摘要：基于隧道排水及其可能来源的水化学信息，利用支持向量机（ＳＶＭ）技术建立了隧道排水来源识别模型，并分析了垫邻高速铜锣山隧道排水对当地农业生产的影响。结果表明，该隧道排水并未对当地农业生产的主要灌溉水源——清水溪产生影响，而是对一些井泉等辅助灌溉水源影响较为明显，建议有关部门考虑影响区内农业生产用水的供水措施和隧道排水的资源化利用。

关键词：农业生产；支持向量机；灌溉用水；隧道排水

中图分类号：Ｓ２７４．４文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）14－2976-03

Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅ Iｍｐａｃｔｏｆ Wａｔｅｒ Iｎｒｕｓｈｏｎ Rｅｇｉｏｎａｌ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ PｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＴｏｎｇｌｕｏｓｈａｎ Tｕｎｎｅｌ Aｒｅａ

ＬＩＵＪｉａｎ

（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔ vｅｃｔｏｒ mａｃｈｉｎｅｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｂｕｉｌｄａｍｏｄｅｌｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｉｎｔｕｎｎｅｌ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｉｎｔｕｎｎｅｌａｎｄｉｔｓｐｏｓｓｉｂｌｅｓｏｕｒｃｅｓ．ＴｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｏｆＴｏｎｇｌｕｏｓｈａｎｔｕｎｎｅｌｉｎＤｉａｎｊｉａｎｇｔｏＬｉｎｓｈｕｉｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｏｎｒｅｇｉｏｎａｌａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗａｔｅｒｄｒａｉｎｉｎｇｆｒｏｍＴｏｎｇｌｕｏｓｈａｎｔｕｎｎｅｌｈａｄｎｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｍａｊｏｒｓｏｕｒｃｅｏｆｌｏｃａｌａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ－Ｑｉｎｇｓｈｕｉｘｉ，ｂｕｔｓｅｖｅｒｅｌｙｉｍｐａｃｔｅｄｓｏｍｅｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｒｅｇａｒｄｉｎｇｃｅｎｔｒａｌｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｆｏｒｔｈｅｐｅｏｐｌｅｗｈｏｗｅｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｕｎｎｅｌｗａｔｅｒｄｒａｉｎｉｎｇａｎｄｔａｋｉｎｇｉｎｒｕｓｈｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｆｏｒｔｈｅｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅｓ；ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｗａｔｅｒ；ｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｆｒｏｍｔｕｎｎｅｌ

我国是世界上的农业大国之一，其西部地区的农业生产又是当地的主要经济来源之一。随着我国西部大开发战略的稳步推进，西部山区的隧道工程不仅越建越多，而且越修越长［１］。然而，在改善当地交通环境的同时，山区隧道建设也产生了一系列的环境问题，其中隧道排水影响当地农业生产较为突出，如襄渝铁路中梁山隧道施工期间引起４８口泉水被排干，极大地改变了隧址区的人居环境［２］；渝怀铁路圆梁山隧道建设导致一定范围内的地下水被排干，直接或间接地影响了当地居民的生活和生产用水［３］；渝怀铁路歌乐山隧道施工导致山上６万多居民的生产和生活用水受到严重影响［４］。这些影响不仅容易引发严重的民众纠纷，而且可能形成社会的不稳定因素。以垫（江）邻（水）高速铜锣山隧道（以下简称隧道）为例，通过建立隧道排水来源识别的支持向量机（Ｓｕｐｐｏｒｔ vｅｃｔｏｒ mａｃｈｉｎｅｓ，ＳＶＭ）［５，６］模型，分析了隧道排水对当地农业生产的影响，以期为影响区内农业生产用水供水措施的制定和隧道排水的资源化利用提供参考。

１隧道工程及区域水文地质概况

１．１隧道工程概况

铜锣山越岭双洞公路隧道为重庆垫江—广安邻水高速公路的关键控制性工程，位于四川省广安市邻水县元市镇和城南镇之间的铜锣山背斜中段，东距重庆约８０ｋｍ，西至成都约３１０ｋｍ。隧道进口位于铜锣山背斜东翼的蓼子沟，出口位于背斜西翼的腊月丘，全长５．２ｋｍ，最大埋深２８０ｍ，人字形纵坡，采用由进出口同时向变坡点掘进的施工方式。该隧道始建于２００５年，已于２００８年夏季贯通。

１．２区域水文地质概况

隧址区地貌景观主要呈一山（铜锣山）两岭（背斜两翼）夹一谷（岩溶槽谷）的特征，出露地层主要有三迭系下统嘉陵江组（Ｔ１ｊ），中统雷口坡组（Ｔ２ｌ）和上统须家河组（Ｔ３ｘ）及侏罗系（Ｊ）地层。除第四系（Ｑ４）松散堆积物分布在槽谷和地形低洼处外，其余地层大面积出露，岩性主要为可溶岩（石灰岩及白云岩）和非可溶岩（砂岩、粉砂岩、泥岩等），且前者（分布于槽谷）被挟持于后者（地处两岭地带）中。

隧址区属温热潮湿气候，年平均气温１６．９ ℃，年平均降雨量１２１５．５ｍｍ，地下水主要赋存、运移在呈条带状分布的碳酸盐岩溶蚀裂隙和管道中，非可溶岩构成相对隔水层。岩溶地下水主要接受降水的集中式渗（注）入补给及部分地表溪流水补给。受地层出露及地形条件的限制，在中部和东部，岩溶水主要沿东北向西南方向运移；而在西部，岩溶水则由西南向东北方向运移，并在地形切割处以泉或泉群形式排泄。

２ＳＶＭ基本理论

ＳＶＭ的核心是构造最优超平面，其基本思想为通过构造合适的映射函数将输入向量映射到一个高维特征空间，再在高维特征空间中寻找最优分类超平面，使它尽可能将不同类别数据正确分开，并使类间间隔最大。相关计算理论见文献［５-１０］。

２．１二分类ＳＶＭ

假设存在训练样本｛ｘｉ，ｙｉ｝，ｉ＝１，２，…，ｌ；ｘｉ∈Ｒｎ；ｙｉ∈｛－１，＋１｝；ｌ为训练样本数，ｎ为输入维数。在线性可分的情况下，存在一个分类超平面，可使两类样本完全分开，即：

ｗ·ｘｉ＋ｂ＝０（１）

求解分类超平面就是找到给定训练样本的权值ｗ和阈值ｂ的最优值，故可将上述问题归结为以下二次规划：

利用拉格朗日优化可将上述二次规划问题转化为对偶问题进行求解，即可得到最优拉格朗日乘子α*=（α*1，α*2，…，α*l）T，α*≠０对应的样本称为支持向量，此时决策函数为：

对于线性不可分问题，可通过引入一个非线性映射函数把样本映射到一个高维特征空间，在高维特征空间将其转化为线性分类问题。该非线性映射函数通常选用核函数Ｋ（ｘｉ，ｘ），此时决策函数为：

得到决策函数后，可将待判定的样本ｘ代入，通过计算该函数的正负来识别ｘ的归属。

２．２多分类ＳＶＭ

目前，多分类支持向量机算法主要通过组合一系列二分类支持向量机来实现，常用算法主要有“一对一”和“一对多”算法，这里采用有向无环图的“一对一”算法，即通过构建ｌ（ｌ－１）／２个子分类器并采取投票策略和竞争机制来确定预测样本的类别。

３隧道排水对当地农业生产的影响

３．１隧道排水的可能来源筛选

隧道地区地表冲沟发育，但常年性溪流主要为清水溪。隧道地区居民农业生产用水以溪沟水（主要是清水溪）为主，当井泉水有富余时也可用作农业生产用水，如ＡＱ２３、ＡＱ２４、ＡＱ２１、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７等。隧道建设过程中，不可避免会揭露某些含水通道，从而形成排水，随着隧道排水的不断延续，含水层中储存的地下水将被不断排干，进而影响当地农业灌溉。为准确分析隧道排水对当地农业灌溉用水的影响，首先应识别出哪些灌溉用水与隧道排水可能存在联系。从水文地质角度分析，铜锣山隧道排水的主要来源可能为区内岩溶地下水、地表溪流和煤系地层砂岩裂隙水，因此此次选取２００５年７月至２００７年８月采取的清水溪地表水（ＸＢＱ２５）、老窑水（ＡＱ１１、ＡＱ２１）和岩溶泉水（ＡＱ２３、ＡＱ２４、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７）为训练样本，以Ｋ＋+Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｃｌ－、ＳＯ４２－和ＨＣＯ３－作为水源判别的特征因子，对隧道内７处主要排水点的水源进行识别。

隧道与各水文点位置关系见图１。

３．２模型主要参数设置

影响ＳＶＭ模型分类精度和推广能力的主要参数为核函数和惩罚常数Ｃ［１０］，鉴于径向基函数（ＲＢＦ）具有较强的非线性映射能力和良好的性态，因此，ＳＶＭ模型选取ＲＢＦ函数作为核函数。核函数中的参数直接影响ＲＢＦ函数的形状和分类性能，γ过小，ＳＶＭ对训练样本的错分率较低，但推广能力较差，过大则错分率高且推广能力差［１１］。Ｃ的大小表征模型对训练样本错判时的惩罚程度显示，Ｃ越大则分类精度越高，但可能出现“过度训练”现象［１０］。经试算搜索，确定ＳＶＭ模型的最优参数为Ｃ＝１．１５，γ＝２３．５。

３．３隧道排水对当地农业用水的影响

利用训练好的模型，对隧道内排水进行识别，其结果均与地表岩溶泉水属同一类别，换言之，隧道排水主要来自区域嘉陵江组和雷口坡组地层岩溶含水层的贡献，即隧道排水对当地主要灌溉水源清水溪未造成影响。对于上述结论，结合清水溪、ＡＱ２１、ＡＱ２３、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７的流量动态监测资料进行分析论证：

１）主要灌溉水源清水溪未受影响。隧道ＹＫ３３＋９３５至ＹＫ３４＋０４０段为廖家沟浅埋段，埋深小于４０ｍ，距地表常年水体清水溪的直线距离不足４００ｍ。隧道施工单位在施工至该段时进行了地表注浆，根据清水溪流量动态监测资料，该段隧道施工期间，清水溪并无明显漏失现象，表明隧道排水的主要来源并非清水溪，这与ＳＶＭ模型识别结论一致，从而说明隧道排水未对当地主要灌溉水源清水溪造成影响。

２）辅助灌溉水源受到明显影响。ＡＱ２３、ＡＱ３７、ＢＱ２６和ＢＱ２７均为廖家沟浅埋段附近的岩溶泉水，距隧道轴线的直线距离分别为３７０、２０、５７０和６７０ｍ，为当地除大气降雨、清水溪和一些冲沟外的辅助灌溉水源。监测期间，上述泉点流量均出现了不同程度衰减甚至是枯竭现象。根据调查访问，ＡＱ２３往年枯水期流量可保持在０．５～１．０Ｌ／ｓ，但自２００６年６月以来，该泉点经常枯竭，仅在降雨后能短时出水；ＡＱ３７受地表注浆干扰，趋势不明显；ＢＱ２６往年枯水期流量约０．１～０．３Ｌ／ｓ，自２００６年５月以来，该点流量出现多次明显衰减，并于２００７年５月曾一度枯竭，之后若短时间内无降雨，亦会出现流量减少或枯竭现象；ＢＱ２７往年枯水期流量约１．０～３．０Ｌ／ｓ，自２００６年８月以来，该点流量衰减明显，并曾几近枯竭（Ｑ＝０．０５５Ｌ／ｓ）。

另外，ＡＱ２１为一废弃煤矿，洞口距隧道轴线约９４０ｍ，其出水主要供附近村民生产和生活使用。根据调查访问，该点往年枯水期流量约０．１～０．３Ｌ／ｓ，自２００６年６月以来，该点长时间枯竭，并于２００７年１月经较长时间降雨补给后，流量有所回升，但２００７年７月又已枯竭，故认为ＡＱ２１亦可能受到了隧道施工的干扰。前述识别结论和动态监测资料均表明隧道地区辅助灌溉水源受到了明显影响。

４结论

分析表明，隧道排水的主要来源为区内嘉陵江组和雷口坡组岩溶含水层中的地下水，而并非清水溪。由此说明隧道排水并未对当地农业生产的主要灌溉水源清水溪造成影响，而只是影响了一些辅助灌溉水源，尽管如此，为切实保护当地人居环境，建议有关部门考虑影响区内农业生产用水的供水措施和隧道排水的资源化利用。

参考文献：

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