水库控制范围侵蚀产沙影响主成分分析

(新宾满族自治县水土保持监督站，辽宁 抚顺　113200)

随着自然环境的不断恶化，土壤侵蚀已受到国内外重视。作为全球范围内土壤侵蚀较为严重的地区，中国水土流失的总面积已经近360万km2(2002年遥感调查)。土壤肥沃的东北作为中国的粮食产量大区，受到各种人类干扰和自然等因素的影响，土壤侵蚀也成为一个严峻的问题[1-2]，这其中包括了东北松嫩平原的黑土丘陵漫岗区。

众所周知，造成侵蚀产沙的原因较多，且各因子之间也会彼此影响，在国内外对于侵蚀产沙的影响因素研究中有大量的分析成果。但是对于东北地区来说，造成其侵蚀产沙的原因相对单一，将小流域作为研究对象的成果较少。因此，本文从造成流域侵蚀产沙的多种影响因素中，找到主要因素。该研究有利于东北地区的水土保持，并能够促进黑土区域粮食种植的可持续发展。

1　研究方法和现状资料

1.1　研究对象及区域概况

本文选取东北区域17座水库为研究对象，这些水库均建于20世纪60—70年代。研究区域平均温度约1.26℃，属于温带大陆性气候，每年7—9月为汛期，平均年降水量510mm，由于该地区降水具有强度高、时间短、地表水汇流快特点，加大了水土流失的可能。该地区土壤类型主要包括草甸黑土、一般黑土。

1.2　研究方法

1.2.1明确造成侵蚀产沙的原因

造成流域土壤侵蚀产沙原因包括土壤、景观格局、气候及地势等，从这些原因中选择22个具有代表性的因子，将其作为分析造成流域侵蚀产沙的变量。

利用ArcGIS软件，先提取地形、河网及流域形态三项因素。气候因子中，选取降雨侵蚀力作为代表。由于本文分析的是多年来造成土壤侵蚀产沙的原因，因此，采用的是多年降雨侵蚀力的平均值，该项因子通过计算年降雨量的平均值可以得出。面对侵蚀土壤的敏感程度、抵御强度，选取土壤可蚀性因子作为代表。

在流域土地利用方面，选取三个影响因子作为代表，分别为土地管理因子C、水土保持措施因子P及耕地百分比。

景观格局方面，选取多样性、聚集度及蔓延度三个指数作为代表因子。利用FraGStatS3.3软件，根据已有相关研究，可以获得水土保持措施因子P和土地管理因子C的值(见表1)。

1.2.2数据处理软件

为了对因变量和自变量进行无量纲化处理，需要利用SPSS19.0软件，运用z-score法对全部数据进行标准化，选用多元线性回归模型、相关性分析、主成分统计分析等多种研究方法，分析造成其控制流域及小流域侵蚀产沙的影响因子。

2　数据分析

2.1　水库控制流域侵蚀产沙变异特征

统计研究区域内的水库资料得出，流域平均产沙量2237.60t/a，变异系数81.90%。这意味着流域内有90%的泥沙会再发生沉积，流域内输沙模数和侵蚀模数的比值是10%。

流域内产沙模数和流域面积的相关性图

根据分析结果，流域的面积和产沙量具有正相关的关系[R2=0.67；见图(a)]，但是所呈现的相关程度并不明显[见图(b)]，这也和以往对于东北地区产沙原因的分析研究相一致。此外，其他已有研究认为流域的面积对于产沙模数不一定有直接性的影响。因此本文认为流域内的各种因素及这些因素的内部作用使产沙模数发生改变。

2.2　分析小流域侵蚀产沙的原因

通过多元线性回归模型及相关性分析方法，来分析造成小流域侵蚀产沙的原因。从表2中可以看出，和产沙量(SY)呈显著正相关的因子包括河流的总长度(L)及流域的周长(Pe)、面积(A)；和产沙模数(SSY)的负相关性比较明显的有水土保持措施因子(P)、聚集指数(Ia)两个，和产沙模数的正相关性比较明显的包括流域的降雨侵蚀力(R)、高程最大值(Hmax)、坡度的平均值(S)及高程的差值(HD)四个因子。而其他的变量则和产沙模数没有明显的相关性，如耕地所占的百分比(PF)、土壤可蚀性因子(K)、圆周比(Rc)、最低高程(Hmin)平均高程(Hmean)流域高程积分(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)蔓延度指标(IC)香农多样性指标(IS)聚集系数(IA)。

表2　各因子和产沙量的相关性、各因子和产沙模数的相关性

*表示在0.01水平上显著相关；**表示在0.05水平上显著相关。

高程差能够影响泥沙的流动和与水的分离。坡度可影响地表径流流动的快慢，在高差大、坡度高的流域产沙的模数较大。聚集指数代表流域中景观斑块的聚集能力和衔接情况，通过聚集指数代表景观的破碎化程度，聚集指数越大，人类的干扰越小、产沙模数越小。

造成流域侵蚀产沙的原因较多，本文选择回归分析方法，构建两个多元线性回归模型，来表达流域产沙量、产沙模数对于产沙的作用程度：

SY=0.86A+1.14S+0.83IA

(1)

(R2=0.88;n=17)

SSY=-0.86P-0.43RR

(2)

(R2=0.67;n=17)

产沙量的方程含有A、S和IA三个变量，对于产沙量这三个因子的解释度是88%，A对产沙量起到的作用所占比值是27%、S对产沙量起到的作用所占比值是36%、IA对产沙量起到作用比值是26%。产沙模数的方程含有P、RR两个变量，对于产沙模数这两个因子的解释度是67%，P对产沙模数起到作用比值是44%、RR对产沙模数起到作用比值是22.40%。

2.3　分析造成小流域侵蚀产沙的主成分

从这22个变量中分析影响因子中的主成分，其中85%的作用都由4个主成分造成(见表3)。第一个主成分属于地形因素，其中Hmin和Hmean的载荷量都较大。第二个主成分属于流域的形态因素，其中四个因子的载荷量约0.80；第三个主成分属于土壤因素，其中k因子的载荷量较大。第四个主成分属于景观格局因素，其中三个因子的载荷量都比0.90大；综上，造成侵蚀产沙原因的主成分分别为地形、土壤可蚀性、流域形态及景观格局。通过多元回归方程，分析这4个主成分与流域产沙模数的相关性：

表3　各主成分特征值的变量矩阵和方差贡献率

*加黑字体表示载荷量比较大的因子。

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

(3)

(R2=0.713；n=17)。

式中x2——流域形态因代表子；

x1——景观格局；

x4——可蚀性土壤因素；

x3——地形因素。

方程(3)表明，4个主成分对水库控制流域产沙模数的解释程度为72.20%，其作用程度分别是13.70%、25.90%、24.90%、7%，可以看出影响最大的是景观格局和土壤可蚀性。

3　结　语

运用多元线性回归模型、相关性分析、主成分统计分析等多种研究方法，分析造成其小流域侵蚀产沙的各方面影响因子，并明确了原因中的主导因素。

研究结论：要减少水库所在小流域侵蚀产沙的程度，降低东北区域土壤流失情况的发生率，首先必须减少人类活动对流域的影响，这点必须重视起来，人为的扰动对侵蚀产沙影响巨大，只有加以重视，减少扰动，增加流域景观斑块的聚集度，接着结合地形将用地的比例调整到合理水平，才能尽可能地减少对水库所在流域的扰动，减少产沙量，最终保证水土资源平衡，减少水土流失，实现可持续性发展

[1]唐克丽.中国水土保持[M].北京：科学出版社，2004：210-211.

[2]方海燕，蔡强国，李秋艳.东北典型黑土区乌裕尔河中游泥沙输移月年时间尺度特征[J].泥沙研究，2009(2)：16-21.