回歸隊列模型在山洪災害及生態減災功能評估中的應用

閆春楠

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

近些年來，區域山洪造成的災害頻次有所增多，流域生態系統可一定程度的減緩區域山洪災害造成的影響，分析區域生態系統和山洪災害之間的相關關系得到一些學者的關注和研究，并取得一定的研究成果[1- 5]，但是這些成果大都采用定性描述的方法分析其之間的相關聯系，對于定量研究流域生態系統和區域山洪災害之間相關聯系的研究還較少，而多項研究表明[6- 8]流域生態系統的惡化是造成區域山洪災害頻發的主因，因此需要建立定量模型來分析區域生態系統和山洪災害之間的相關關系，從而制定區域適宜的生態減災模式。岳琦[9]以贛江上游為研究實例，構建回歸系列模型對區域生態系統和山洪災害之間的作用關系進行定量識別，但該方法在遼寧地區還未進行相關應用，為此本文引入回歸系列模型，以遼寧某流域為研究實例，對區域生態系統和山洪災害之間的關系進行定量識別，并對不同自然生態系統下的生態減災功能進行估算。

1 研究方法

生態系統的構成特征主要以生態系統所占據的比例和生態系統的類型進行衡量，指標衡量方程為：

(1)

式中，Pij—第i種生態系統類型在第j年的面積所占比例；Sij—第i種生態系統指標在第j年的面積所占比例；TS—區域計算的總面積。

生態系統類型指標面積變化度主要采用以下方程進行估算。

(2)

式中，EV—研究時段內的生態指標變化率；EUa—研究初期生態指標變化率；EUb—研究末期的生態指標變化率。

以災害頻次為特征，模型構建山洪災害頻次和生態特征之間的定量回歸方程，計算方程為：

(3)

式中，φ—模型計算參數；α—統計變量；λ—回歸統計變量；y—回歸變量；P(Y=y;φ,a)—模型混合變量分布。

回歸隊列模型采用零膨脹函數對模型進行回歸方程的求解，求解方程為：

(4)

在回歸方程求解的基礎上，對各生態因子進行共性處理，處理方程為：

(5)

式中，VIF—生態因子共性處理變量；R—回歸方程的復測定系數。

2 實例研究

2.1 實例概況

以遼寧某區域為研究實例，該區域為流域生態保護區，區域內主要土地利用方式為林地、草地、灌木叢，近些年來，流域生態保護措施較好，隨著區域山洪災害非工程措施的實施，區域內山洪災害得到有效監控。在進行模型回歸方程求解前需要進行定量方案的設計，本文設計6種方案用來分析區域生態系統和山洪災害之間的定量關系，方案設計見表1。

表1 模型方案設計結果

2.2 山洪災害影響因子動態識別結果

結合回歸系列模型對山洪災害影響頻次的主要影響因子進行動態識別，識別結果見表2。

表2 山洪災害頻次與影響因子動態識別結果

從表2中可看出，最大3h暴雨及暴雨時段是降水條件對山洪災害主要影響的兩個因子。而地質地貌主要表現區域的暴雨匯流對山洪災害發生的影響，對于生態類型特征而言，各類型自然生態所占面積比例以及生物量和人類影響程度是山洪災害影響的三個主要因子。

2.3 山洪災害與生態系統的耦合定量關系分析

在生態類型影響因子識別后，結合回歸隊列模型對山洪災害與生態系統耦合的定量關系進行分析，分析結果見表3，并對各自然生態類型的山洪減災能力進行評估，評估結果見表4，對比了不同生態類型的差異度，結果見表5。

表3 生態減災類型對于山洪災害頻次定量影響分析結果

表4 生態用地山洪減災能力評估結果

表5不同類型生態用地占比對山洪災害頻次下的差異程度

生態用地占比0～25%25%～45%45%～60%60%～75%75%～100%研究組別參考組試驗組試驗組試驗組試驗組試點流域數目56453P值0.2530.3540.1570.4520.385相對危險度1.0000.6520.2530.3530.475

從表3中可看出，生態用地類型對區域山洪災害發生頻次具有較好的減緩作用，林地對于區域山洪減災的能力影響程度最大，城鎮相比于其他生態類型，減緩程度較弱。從表4中可看出，從區域整體的生態環境狀態出發分析，當區域生態類型每增加5%，區域的山洪災害發生頻率降低6.5%(P=0.052)。表5為不同生態類型對山洪災害頻率降低的差異程度，從不同分組試驗情況的整體趨勢可看出，隨著生態占比的逐步增多，區域的山洪災害影響頻次明顯降低，在60%～75%呈現明顯的下降趨勢，在75%～100%內下降趨勢較為平緩。

2.4 山洪災害易發區生態減災模式分析

在各生態類型與山洪災害定量耦合關系分析的基礎上，對山洪災害易發區的生態減災模式進行分析，分析結果見表6。

表6 不同生態減災類型模式識別結果

從表6中可看出，各類型林地的山洪災害減災能力有所不同，其中混交林的山洪災害減災能力最強，闊葉林的占比每增加1%，區域的山洪災害頻率降低1.5%，而混交林增加1%的占比，區域的山洪災害頻率降低3.9%。因此在山洪災害易發生區域，應重點種植以混交林為主的生態減災用地模式。

2.5 人類活動下山洪災害頻次影響解析

結果回歸隊列模型對人類活動下的山洪災害頻次進行解析，解析結果見表7，并對不同人類活動類型的差異度進行分析，分析結果見表8。

表7 不同人類活動影響下山洪災害頻率增加結果

表8 不同耕地地占比對山洪災害頻次下的差異程度

從表7中看出，不同人類活動類型對區域山洪災害影響的頻次不同，耕地對山洪災害影響程度較大，耕地類型占比每增加1%，區域的山洪災害頻次將降低2.98%，而當城鎮用地占比每增加1%，區域的山洪災害頻率降低率為1.23%，緩坡占比的增加對山洪災害頻率降低程度明顯好于陡坡類型的占比。從表8中可看出，隨著耕地占比的逐步增多，區域的山洪災害發生頻率逐步上升，在45%～60%之間的試驗組上升較快，在60%以后，上升變緩。

2.6 定量分析模型的驗證結果

為對模型進行驗證，結合試驗數據對模型進行驗證統計和分析，結果見表9—10。

表9 模型定量分析驗證統計結果

表10 定量分析模型驗證結果

從表9—10中可看出，隨著預測次數和實際試驗次數的逐步增多，區域驗證的累計百分率逐步提升，當預測次數和實際試驗次數的差值達到8次時，區域的累計驗證百分率達到98.95%，通過驗證。

3 成果討論

林地占比的增多，對區域山洪災害頻次降低影響明顯，其中生態混交林對區域山洪災害影響負向影響較大。在山洪易發區，生態混交林是區域生態減災最為有效的模式。

耕地增多，區域山洪災害發生頻率上升較為明顯，其中陡坡區域耕地占比每增加1%，區域山洪災害頻次增加2.98%。

在生態占比(<20%)較低區域，由于數據量不足導致計算的P值較大，在生態占比較差的區域不適宜進行該方法的分析。