基于盲数运算法土壤侵蚀模数计算研究

2019-08-08李根

水利技术监督 2019年4期

李根

(辽宁省农村水利建设管理局，辽宁沈阳 110003)

1 概述

地区的水土流失程度受气候水文、地形地貌、土壤植被等自然条件以及人类活动等多方面因素影响[1]，其主要形式分为面蚀、细沟侵蚀、重力侵蚀等。通常用土壤侵蚀模数表征一个地区水土流失严重程度，根据关于土壤侵蚀以及泥沙质量守恒等已有研究[2]，平原等以水力侵蚀为主的水土流失量计算，可利用物质守恒定律，通过测算河流泥沙含量研究当地水土流失程度。

河流泥沙包括沉积泥沙、悬移质以及推移质，在不同参数的试验、测量及估算过程中，很多信息有多种不确定性，可以认为其在时间、空间上都是变化的[3]，其中包括随机信息、未确知信息、模糊信息和灰信息。可将河流泥沙含量计算看成一个包含随机性、未确知性、模糊性及灰性的多种不确定性共存的大系统[4]，这四种不确定性的信息被称之为“盲信息”[5]。本研究应用盲数理论，将影响河流泥沙含量的各个参数盲数化，通过盲数运算方法计算河流泥沙含量，进而测算地区土壤侵蚀模数。

2 盲数定义与计算

2.1 盲数的概念

(1)

2.2 盲数的运算法则

有理灰数集G可以进行+、-、×、÷运算，设*为其中一种运算，设盲数

(2)

(3)

(1)盲数可能值计算

盲数A和B的可能值带边*矩阵，其中x1,x2,，…，xm和y1,y2,…,yn，分别称为A和B的可能值序列，如图1所示第一象限的矩阵称为A与B的可能值*矩阵。

图1 A与B的可能值*矩阵

(2)盲数的可信度计算

如图2所示为A与B的可信度积阵。其中α1,α2，…，αm和β1,β2,…βn，分别称为A和B的可信度序列，图2的第一象限矩阵称为A与B的可信度积矩阵。

图2 A与B的可信度积矩阵

(3)盲数

假设C=A*B，则有

(4)

(5)

3 实例研究

3.1 研究区域

为提升研究模型的试验精度及实用性，本研究选择营口市大石桥市西部平原地区为研究对象，主要研究胜利河、劳动河、六股道河、新解放河四条河道对应小流域，四条河流均属于辽河水系，流域面积分别为93.4km2，河长分别为27km。

3.2 土壤侵蚀模数计算

计算研究区域的土壤侵蚀模数受限应计算一定时间内的水土流失量，包括计算沉积泥沙、悬移质以及推移质的含量。

(1)沉积泥沙

主要包括河道内以沉积为主要存在形式的泥沙和、垃圾、杂草、死亡生物以及生物排泄物等，主要采用试验方法求得[7]。沉积泥沙A的计算公式为：

D=γ×V×K

(6)

式中，γ—淤泥的容重，kg/m3；V—河道沉积泥沙的体积，m3；K—折算系数。

(2)悬移质泥沙

悬移质泥沙系受重力、水流等作用，在河水中悬浮运动的较细泥沙，在水流呈悬浮状态[62]。其近似值的计算：

S=Cs×Q×T

(7)

式中，S—全年河流悬移质泥沙的质量，kg；Cs—河流悬移质泥沙含沙量，kg/m3；Q—河流流量，m3/s；T—时长，s。

(3)推移质泥沙

推移质泥沙的运动包括移动、滚动、层移等形式，其含量占比很小，且较难通过仪器测得，实际运用中较多采用比值法计算推移质泥沙的含量[8]，

P=w×S

(8)

式中，P—推移质泥沙质量多年平均值；w—推移质和悬移质的比值；S—悬移质泥沙质量多年平均值，kg。根据表1平原地区k取0.02，即P=0.02×S。综上，河流泥沙含量的计算公式为：

W=D+S+P=D+S+0.02×S=D+1.02S=γ×V×K+1.02×Cs×Q×T

(9)

土壤侵蚀模数为上式结果与流域面积的比值。

表1 推移质与悬移质比值参照表[9]

3.3 盲数模型建立

把河流悬移质含量Cs，流量Q，河底的淤泥容重γ，沉积泥沙体积V盲参数代入河流泥沙含量的计算公式，则计算河流泥沙含量在盲信息下的公式：

C={[γ1，γ2]，Φ(γ)}×{[V1，V2]，Φ(V)}×K+1.02×{[Cs1，Cs2]，Φ(Cs)}×{[Q1，Q2]，Φ(Q)}×T

(10)

因此，C为包含多个灰区间及其对应可信度的盲数，如果可知各盲参数的值，则能求得河流泥沙含量在盲信息下的值，即通过计算盲数C的均值，从而计算出河流泥沙含量的综合量化值。设Ci(i=1，2…，s)为河流泥沙含量的各种可能取值区间，αi(i=1，2…s)为各区间相应可信度值。

因为盲数C比盲数A、B的阶数高，可设盲数A={[γ1，γ2]，Φ(γ)}×{[V1，V2]，Φ(V)}×K，盲数B=1.02×{[Cs1，Cs2]，Φ(Cs)}×{[Q1，Q2]，Φ(Q)}×T。则河流泥沙含量E(C)=E(A)+E(B)，即用E(A)和E(B)分别表示盲数A、B的均值。大大降低运算工作量。