一种考虑概念性影响因子建立水土流失监测与预警模型的方法与流程

本发明涉及铁路沿线环境安全评估和预警，尤其是涉及铁路沿线水土流失监测与预警。
背景技术：
：铁路是国民经济的大动脉，在交通运输中起着重要的作用，而水土流失严重影响铁路的正常运行和行车安全。我国是水土流失活动较频繁的国家之一，而铁路又是遭受水土流失危害最严重的行业之一。水土流失常常会对铁路路基形成冲毁、淤埋、堵塞桥涵等，严重影响铁路的安全运营。随着近年来全球环境的恶化，极端气候频发，铁路不断地向山区延伸，铁路沿线水土流失灾害频发，严重威胁铁路运输线营运安全，每年铁路受灾损失居高不下。水土流失灾害是铁路运输线上所遇到的最频繁的自然灾害，常常淤埋、堵塞、冲毁铁道线路，引发铁路断道、列车出轨等安全事故，给铁路运营安全带来严重威胁，因此建立一个完善的水土流失监测与预警系统对于铁路安全的意义十分重大。通过层次分析法选择相应降雨条件与地质条件作为影响因子，再根据功效系数法对系统风险进行评估能够很好的计算出水土流失监测与预警系统的安全评估系数，因此通过该方法建立水土流失监测与预警系统是一种十分可靠的预警措施，但是采用功效系数法时通常只考虑了一些常规的便于计算的极大型影响因子、极小型影响因子、稳定型影响因子和区间型影响因子，在建立水土流失监测与预警系统模型的时候会忽略一些重要的概念型影响因子，如土壤质地、土壤侵蚀强度、地层岩性、地质灾害分区等，而这些概念型影响因子在实际的水土流失过程中起着相当大的作用。技术实现要素：本发明目的在于提供一种考虑概念性影响因子建立水土流失监测与预警模型的方法，通过以下步骤建立：步骤S1，选取水土流失监测与预警的影响因子；步骤S2，对各个影响因子进行评分；步骤S3，根据层次分析法对以及评分结果对各个影响因子赋予权重系数；步骤S4，根据功效系数法计算每个影响因子的功效系数值，再结合所述权重系数加权求和得到总功效系数；步骤S5，根据总功效系数判断是否发生水土流失。其特征在于：所述步骤S1中的影响因子包括概念型影响因子，具体包括土壤质地、土壤侵蚀强度、地层岩性、地质灾害分区因子。进一步的土壤质地的功效系数值为可划分为中壤77.9、轻壤82.1、重壤82.1、砂壤91.6、粘土52.6、砂土100。进一步的土壤侵蚀强度值功效系数值可划分为微度50.5、轻度56.7、中度66.0、强烈75.2、极强烈87.6、剧烈100。进一步的地层岩性的功效系数值根据抗风化剥蚀能力可划分为A－100.0、B－82.3、C－77.4、D－61.2、E－44.8。进一步的地质灾害分区功效系数值划分为高易发区100.0、中易发区82.4、低易发区64.3、不易发区37.9。与现有技术相比：本发明的方法基于层次分析法确定影响因子权重系数，基于功效系数法构建水土流失预警模型，能够考虑概念型影响因子，如土壤质地、土壤侵蚀强度、地层岩性、地质灾害分区等，能够更准确的建立水土流失监测与预警模型。附图说明图1是本发明水土流失预测预警指标层次体系图。图2是本发明水土流失预测预警模型的建立流程图。具体实施方式下面结合附图详细描述本发明。如图1-2所示本发明选取边坡相对高度、边坡坡度、植被覆盖率、土壤质地、土壤含水量、地层岩性、侵蚀强度、边坡松散物储量、灾害发生敏感分区、前3d累计降雨量、24h降雨量、10分钟降雨量为水土流失预警模型的影响指标。其中，边坡松散物储量是水土流失物源的重要来源，储量越大，水土流失发生时可提供的固体碎屑物越多:固体碎屑物越松散，在降雨条件下越容易失稳破坏，因此，水土流失沟松散物具有一定的储量为水土流失的形成提供了物源条件；山坡坡度大小反应了坡面上土壤颗粒的稳定条件和水流动力条件，并直接影响地表径流的冲刷和搬运能力；植被覆盖率指标反应了防止水土流失的能力，覆盖率越高，岩土体失稳所需的能量越大；铁路边坡的相对高差则体现了沟谷的地形条件，高差越大，提供的势能越大，水动力就越强，发生水土流失的可能性就越大；10分钟降雨量是水土流失激发的重要启动因素，强度越大，岩土体失稳的可能性越高，水土流失爆发的可能性越大；24h雨量是指至此时前24h降雨量，雨量越大，水土流失发生的可能性越大。长历时的降雨较易使边坡深层土体的孔隙水压力增加，土体易产生滑动性破坏，为后期水土流失的发生起着重要的贡献。因此，前期的累计降雨量大小则在一定程度上反应土体的饱和液化的程度，根据水土流失发生时前期降雨影响程度，选取3天的累计降雨量作为前期降雨影响指标。根据计算权重原始数据的来源，可将权重确定方法分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法。首先由专家群体对各评价指标的相对重要程度进行评判；然后采用相关的集结算法对单个专家的评判数据进行综合，得到各指标的权重。表1铁路沿线水土流失预测预警评价指标体系综合评分表权重系数是评价指标重要程度的一个量化标准，量化值越大重要程度越高，因此权重系数确定的准确及合理性将直接影响到评价结果。本发明采用层次分析法进行影响因子赋权，层次分析法作为一种新的、简洁而实用的建模方法、其建模过程大体上可按下面四个步骤进行:建立递阶层次结构模型；构造出各层次中的所有判断矩阵；层次单排序及一致性检验；层次总排序及一致性检验。表2水土流失目标层矩阵构建与权重计算铁路沿线水土流失预测基础因子(B1)响应因子(B2)诱导因子(B3)Wi基础因子(B1)1.00000.81650.74370.2802响应因子(B2)1.22481.00000.91080.3431诱导因子(B3)1.34471.09791.00000.3767表3准则层基础因子矩阵构建与权重计算基础因子(B1)(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)Wi相对高差(C1)1.00000.88210.79501.15791.11730.1942边坡坡度(C2)1.13371.00000.90131.31291.26680.2201土壤质地(C3)1.25781.10951.00001.45651.40550.2442植被覆盖度(C4)0.86360.76170.68661.00000.96500.1677地层岩性(C5)0.89500.78940.71151.03631.00000.1738表4准则层响应因子矩阵构建与权重计算响应因子(B2)(C63)(C62)(C61)(C7)(C8)(C9)Wi下部土壤含水量(C63)1.00001.26691.58481.23030.94921.08850.1921中部土壤含水量(C62)0.78931.00001.25080.97110.74920.85910.1516上部土壤含水量(C61)0.63100.79951.00000.77630.59900.68690.1212侵蚀强度(C7)0.81281.02981.28811.00000.77150.88470.1561灾害敏感性(C8)1.05351.33471.66951.29611.00001.14670.2024边坡松散物质储量(C9)0.91871.16401.45591.13030.87211.00000.1765表5准则层诱导因子矩阵构建与权重计算表6水土流失影响因子指标组合权重功效系数法又叫功效函数法，是一种反映多个指标、综合分析的定量评价方法，对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值，以满意值为上限，以不允许值为下限，计算各指标实现满意值程度，并以此确定各指标的功效系数值，再经过加权评价确定综合评价值，从而评价被研究对象的综合状况。其评价步骤如下:(1)选取评价指标评价指标须具有代表性和典型性，在评价体系中既要独立又能互补，应尽可能地反映评价目标的总体情况。(2)确定评价指标的满意值和不允许值对每一个评价指标，都要确定其满意值和不允许值。满意值是人们根据自身或行业经验给出的一个值；不允许值一般取评价指标的可以接受的最低值或最高值。(3)评价指标的单项功效系数值在评价指标体系当中，根据各指标的特点，可按照以下规则确定单项功效系数。共分为4种变量，其中指标值越大、单项功效系数值越高的为极大型变量；指标数值越小、单项功效系数要高的为极小型变量；指标数值在某一点时其单项系数最高的为稳定型变量；指标数值在某一区间时其单项系数最高的为区间型变量。极大型变量单项功效系数计算公式为：极小型变量单项功效系数公式：稳定型变量单项功效系数公式为：区间型变量单项功效系数公式为：式中，g1i为第i个极大型评价指标的单项功效系数值，Xi为第I(i＝l,2,,,m)个评价指标的实际值；Xyi为第i个评价指标的满意值；Xni为第i个评价指标的不允许值；Xmax为区间型变量的上限值；Xmin为区间型变量的下限值；Xnmax为上限的不允许值；Xnmin为下限的不允许值。采用功效系数法时除了极大型影响因子、极小型影响因子、稳定型影响因子和区间型影响因子，还有一些极其重要的概念型影响因子，如土壤质地、土壤侵蚀强度、地层岩性、地质灾害分区等，本发明在建立水土流失监测与预警模型的过程中，在运用层次分析选择影响因子考虑了这些概念型影响因子，并且在功效系数法计算的过程中对其功效系数按照一定的区域进行了赋值。(1)土壤质地土壤质地是土壤颗粒大小的综合体现，受成土母岩、生物、气候、地形、时间等多种因素的影响。土壤质地与土壤通气、保水保肥、抗冲蚀等有密切关系。根据土壤颗粒大小含量的差异可以分为不同的类型，目前我国通用的为6级分类，具体的分类与功效标准见表8.表7土壤质地因子的功效系数质地中壤轻壤重壤砂壤粘土砂土功效系数77.982.182.191.652.6100(2)侵蚀强度土壤侵蚀是指在水力、风力、冻融、重力以及其它外营力作用下土壤、土壤母质及其它地面组成物质如岩屑、松散岩层等，被破坏、剥蚀、运转、沉积的过程。土壤侵蚀强度是定量的表示和衡量某区域土壤侵蚀数量的多少和侵蚀的强烈程度，是指地壳土壤在自然营力和人类活动等作用下，单位面积单位时间内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量。按我国水利部批准实施的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)进行，I级剧烈；II级为极强烈；III为强烈；IV为中度；V级为轻度；VI级为微度。分级标准与指标参照SL190-2007标准进行。表8土壤侵蚀强度因子的功效系数侵蚀强度微度轻度中度强烈极强烈剧烈功效系数50.556.766.075.287.6100.0(3)地层岩性地层岩性包括岩石分类、颜色、结构、组成、坚硬度等，不同矿物形成的岩石其抵抗风化、剥蚀的能力不一样，根据抗风化能力的差异，岩性分类中A类为抗风化能力差的岩石；B类为抗风化能力较差的岩石；C类为抗风化能力中等的岩石；D类为抗风化能力强的岩石；E类为抗风化能力极强的岩石。表9地层岩性因子的功效系数抗风化能力ABCDE功效系数100.082.377.461.244.8(4)地质灾害分区地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用(现象)。如崩塌、滑坡、水土流失、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自燃、黄土湿陷、岩土膨胀、砂土液化，土地冻融、水土流失、土地沙漠化及沼泽化、土壤盐碱化，以及地震、火山、地热害等。项目将按照中国地质环境监测院负责编制完成的《中国典型县(市)地质灾害易发程度分区图集》的分类，将地质灾害根据其发生的难易分为高易发区、中易发区、低易发区和不易发区。表10地质灾害分区因子的功效系数地质灾害分区高易发区中易发区低易发区不易发区功效系数100.082.464.337.9总功效系数值根据评价指标的单项功效系数，在结合评价指标的权重系数，计算评价对象的总功效系数值:其中G为评价对象的总功效系数值；gi为第i个评价指标的单项功效系数值；ωi为第i个评价指标的权重系数。根据总功效系数值公式计算可得总功效系数，总功效系数大小与预警等级划分是根据功效系数法原理，以总功效系数值作为评价标准，根据数值大小划分水土流失预警等级，向管理部门、相关人员发布的预警等级。表11水土流失预警等别预警等级总功效系数说明I≤60可能性很小，不发布预警信息II60-70可能性较小，不发布预警信息III70-80可能性较大，发布黄色预警信息IV80-90可能性大，发布橙色预警信息V≥90可能性很大，发布红色预警信息当前第1页1 2 3