基于主成分分析的糯扎渡水電站棄渣場土壤流失量影響因素研究

李建興，陳平平，陳勝利，劉 勝

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

糯扎渡水電站建設伴隨著大量移民工程，移民工程在施工過程中往往對原地貌造成劇烈擾動，并產生大量棄土棄渣。棄土棄渣結構松散，且在堆積的過程中形成較陡的坡面，自然坡度大都在25°～45°之間[1]，極不穩定，遇降雨易發生細溝侵蝕甚至坡面整體滑移。弄清棄渣場坡面水土流失特征，總結其水土流失規律，對正確評價開發建設項目水土流失影響，科學預測水土流失強度和水土流失量，合理布設水土保持措施具有重要意義。對于生產建設項目棄渣場水土流失規律研究，國外較少關注[3]。我國自20世紀90年代，大量的論文及著作探討了生產建設項目水土流失的危害及成因[4- 6]，并在生產建設項目中提出了一些新理論、新技術和新方法。前人對水土流失預測及水土流失規律的研究主要集中在具體工程研究其水土流失規律，以及利用USEL應用于工程建設水土流失量的預測[7]。

糯扎渡水電站項目區降水在時空上的分布不均勻，暴雨頻繁發生，再加上項目區土壤擾動面積較大，導致水土流失嚴重，研究該地區棄渣場土壤流失量及影響因素對防止土壤侵蝕、減少地表徑流、增強坡面穩定性具有重要的理論意義。為此，本文通過研究棄渣場坡度、坡長及土壤孔隙對土壤流失量的影響，利用主成分分析法得出該地區土壤流失量及其影響因素的回歸方程，為該地區棄渣場土壤流失量的預測及棄渣場生態恢復治理提供理論指導。

表1 棄渣場基本情況

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

糯扎渡水電站位于瀾滄江下游普洱市思茅區和瀾滄縣交界處，為云南省瀾滄江中下游河段水電開發方案的第5個梯級，電站裝機容量5 850 MW，水庫總庫容237.03億m3，正常蓄水位812 m，水庫淹沒區涉及到云南省普洱、臨滄2個地區，9個縣的48 475人，規劃集中安置點60個。

為研究棄渣場土壤流失量的影響因素，在全面勘查糯扎渡水電站9個縣60個安置點75個棄渣場的基礎上，選取2015年度堆置完畢，未采取攔擋及植被恢復措施的22個棄渣場坡面作為研究對象。棄渣場基本情況見表1。棄渣場分布見圖1。

圖1 棄渣場分布

1.2 試驗設計和樣品采集

為研究棄渣場土壤流失量的影響因素，在每個棄渣場邊坡內選取1塊3 m×3 m的樣方，在樣方內將直徑0.5 cm、長為30 cm的測針相距1 m×1 m分上、中、下垂直打入坡面，編號登記。另選取3塊20 m×5 m的樣地，利用侵蝕溝測量法測量樣方內的侵蝕量作為基礎數據。分別于2016年12月、2017年12月，記錄坡面的坡度、坡向和周邊情況，測量測針距離，并測量樣方內侵蝕溝長、寬、深及形狀，計算土壤侵蝕量，在每個樣方內利用3個環刀(體積100 cm3)取土樣，用于測定土壤孔隙度及土壤容重。

1.3 樣品的測定和分析方法

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度的測定采用環刀法[8]；棄渣場坡面坡度、坡長采用激光測距儀(LEICA DIDTO D5)測量。

降雨資料分別利用2016年～2017年度臨滄市臨翔區氣象局圈內鄉、馬臺鄉、邦東鄉的降雨觀測值，景谷縣氣象局民樂鎮、永平鎮、碧安鄉、益智鄉的降雨觀測值，瀾滄縣氣象局謙六鄉、糯扎渡鎮的降雨觀測值，以及思茅區氣象局云仙鄉、思茅港鎮的降雨觀測值。

采用Microsoft Office Excel 2010軟件對測定數據進行處理分析及作圖，用SPSS18.0軟件對土壤侵蝕量與土壤理化性質及降雨、坡度、坡長進行Pearson 相關分析及主成分分析。

2 結果與分析

2.1 棄渣場坡度和坡長對土壤侵蝕量的影響

坡度是影響土壤侵蝕的重要因素。Zingg[9]研究發現，土壤流失量與坡度呈指數相關，公式表現為y=cxm。式中，y為單位面積土壤流失量；c為常數；x為坡度；m為坡度因子。Musgrave[10]研究發現，土壤流失量與坡度的1.35次方呈正比。Smith等[11]建立了土壤流失量與坡度的二次多項式關系。McCool等[12]建立了土壤流失量與坡度正弦值的線性關系，在緩坡條件下，效果較好。我國學者劉寶元等[13]分析陡坡情況下土壤流失量與坡度正弦值的線性關系。利用函數關系，得到坡度對土壤侵蝕量的影響，見圖2。從圖2可以看出，坡度在30°～42°范圍內，土壤流失量與坡度呈現二次函數增加，公式表現為y=-260.42x2+21 550x-414 753(R2=0.708 7，P<0.05)，且顯著正相關，研究結果與Smith的結果相似，說明隨著棄渣場坡度的增加，土壤流失量逐漸增大，但存在最大值。

圖2 坡度對土壤侵蝕量的影響

坡長是決定坡面能量沿程變化，影響坡面徑流和水流產沙過程的重要地貌因素之一。前人研究[14]坡長與土壤流失量存在以下3種結論：①隨著坡長增加，坡面徑流含沙量增加，徑流能力消耗于攜帶泥沙中，故土壤侵蝕反而減弱；②隨著坡長增大，水深逐漸增大，土壤侵蝕量增大；③隨著坡長增大，土壤侵蝕量從上坡至下坡無明顯差異。本研究發現，隨著坡長的增加，土壤侵蝕量與坡長呈對數函數關系(見圖3)，公式表現為y=12 251lnx-19 020(R2=0.905 8，P<0.01)，說明隨著坡長的增加，土壤侵蝕量逐漸增大，但坡長在0～60 m時，土壤流失量增加幅度較大，而坡長≥60 m后土壤流失了增加幅度緩慢，并逐漸趨于最大值。

圖3 坡長對土壤侵蝕量的影響

2.2 棄渣場土壤容重及孔隙對土壤侵蝕量的影響

土壤容重的大小直接反映了土壤孔隙的多少，容重小，孔隙多；土壤容重大，孔隙少[1]。利用函數關系，得到土壤容重對土壤侵蝕量的影響，見圖4。從圖4可以看出，土壤流失量隨著土壤容重的增加呈線性增加，公式表現為y=95 664x-116 961(R2=0.825 7，P<0.05)，主要原因為土壤容重越大，土壤孔隙越小，渣場坡面入滲率越小，棄渣場坡面流能力越強，坡面產流時刻越早，徑流系數越大，產沙量越大，導致土壤流失量越大[15]。

圖4 土壤容重對土壤侵蝕量的影響

土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度與土壤滲透性顯著正相關[16]，土壤孔隙度大小直接影響地表土壤產流以及土壤入滲，而地表徑流的大小決定了土壤侵蝕外營力的大小，從而影響土壤侵蝕量的大小。土壤總孔隙度對土壤侵蝕量的影響見圖5。土壤非毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響見圖6。土壤毛管孔隙度對土壤侵蝕量的影響見圖7。從圖5～7可以看出，土壤侵蝕量隨著土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度的增加均呈現對數函數降低，公式分別表現為y=-85 578lnx+323 526(R2=0.808 2，P<0.05)，y=-47 046lnx+149 638(R2=0.808 2，P<0.05)，且顯著相關；而土壤的毛管孔隙度呈不規律性。

圖5 土壤總孔隙度對土壤侵蝕量的影響

圖6 土壤非毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響

圖7 土壤毛管孔隙對土壤侵蝕量的影響

2.3 土壤侵蝕量的影響因素

設棄渣場坡面坡度為β1，棄渣場坡面坡長為β2，各地區2016年度降雨量為β3，土壤容重為β4，土壤總孔隙度為β5，土壤非毛管孔隙度為β6，土壤毛管孔隙度為β7，土壤侵蝕量為α。利用SPSS進行相關分析，得出土壤流失量及其影響因素的相關關系矩陣，見表2。結果表明，土壤侵蝕量與棄渣場坡面坡度、土壤容重、棄渣場坡面坡長及年降雨量極顯著正相關，而與土壤非毛管孔隙、總孔隙度極顯著負相關，與毛管孔隙度顯著負相關。

表2 土壤流失量及其影響因素的相關關系矩陣

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

2.4 土壤侵蝕量影響因素的主成分分析

主成分分析是通過原始變量的少數幾個線性組合來解釋原始變量的絕大部分信息[17-18]。根據土壤流失量及影響因素的相關分析結果，選擇與影響土壤流失量指標顯著或極顯著相關的因子，棄渣場坡面坡度β1、棄渣場坡面坡長β2、各地區2016年度降雨量β3、土壤容重β4、土壤總孔隙度β5、土壤非毛管孔隙度β6、土壤毛管孔隙度β7，對其進行主成分分析，結果見表3。從表3可知，土壤流失量的影響因子的第一主成分方差貢獻率達81.945%，且各因子在第一主分量上的負荷量的絕對值均在0.718 5以上。其中，土壤非毛管孔隙β6的負荷量最大，為0.970；毛管孔隙度β7的負荷量最小，也高達0.819，表明與土壤流失量顯著相關的因子的第一主分量表達了其絕大多數信息，表征影響土壤流失量各因子的綜合參數β=-0.879β1′-0.865β2′+0.913β3′-0.906β4′+0.982β5′+0.970β6′+0.819β7。式中，βi′為各指標的標準化數據。

表3 土壤流失量影響因素主成分分析

以表征土壤流失量的綜合參數α的標準化主分量得分為因變量，以流失量的影響因素特征綜合參數β的標準化主分量得分為自變量進行回歸分析，得到回歸方程：α=0.909 6β-0.000 4，(R2=0.927 6，P<0.001)，達極顯著水平。

3 結 論

本文基于主成分分析，對糯扎渡水電站棄渣場土壤流失量影響因素進行研究，得出以下結論：

(1)棄渣場坡面土壤流失量隨著坡度及坡長的增加分別呈現二次函數及對數函數增長，公式分別表現為y=-260.42x2+21 550x-414 753(R2=0.7087，P<0.05)，y=12 251lnx-19 020，(R2=0.905 8，P<0.01)，均達顯著正相關。

(2)棄渣場坡面土壤流失量隨著土壤容重的增加呈線性增加，公式表現為y=95 664x-116 961(R2=0.825 7，P<0.05)；而與土壤總孔隙度及土壤非毛管孔隙度的增加均呈現對數函數降低，公式分別表現為y=-85 578lnx-323 526(R2=0.808 2，P<0.05)，y=-47 046lnx-149 638(R2=0.808 2，P<0.05)，且顯著相關；而與土壤的毛管孔隙度呈不規律性。

(3)土壤流失量與棄渣場坡面坡度、土壤容重、棄渣場坡面坡長及年降雨量極顯著正相關，而與土壤非毛管孔隙、總孔隙度極顯著負相關，與毛管孔隙度顯著負相關。

(4)經主成分分析，得到表征影響土壤流失量各因子的綜合參數β=-0.879β1′-0.865β2′+0.913β3′-0.906β4′+0.982β5′+0.970β6′+0.819β7，并構建了土壤流失量α與影響土壤流失量各因子β的回歸模型α=0.909 6β-0.000 4，(R2=0.927 6，P<0.001)，該模型有無普適性有待進一步驗證和校正。

需要說明的是，前人研究發現[5- 8]，棄渣場土壤流失不僅與以上因子有關，還與土壤次降雨因子、土壤本身可蝕性、土壤機械組成、有機質含量等因素有關，而這些因子對本模型的影響如何，有待進一步研究。