一种确定流域尺度次降雨泥沙来源的方法

技术领域

本发明涉及流域泥沙来源判断技术领域，尤其涉及一种确定流域尺度次降雨泥沙来源 的方法。

背景技术

水土流失已成为我国严重的环境问题之一。水土流失不仅会降低土地生产力，泥沙 进入河道也会破坏河流生态环境和堵塞河道；同时，污染物通常附着在泥沙表面，随泥 沙进入河流从而造成地表水的污染。准确的判断泥沙来源及其贡献可以为做好水土保持 和水资源管理提供重要的依据。

常用的指纹识别法可以弥补目前土壤侵蚀模型和土壤侵蚀测量方法在大流域尺度预 测和切沟侵蚀预测中的不足。二十世纪七十年代，指纹识别法开始被应用到确定流域泥 沙来源及其空间分布的研究。目前，此方法已被广泛应用在流域尺度的泥沙来源研究 中。

使用指纹识别法，首先需要划分泥沙来源，其次要确定示踪因子，再次使用模型计 算泥沙来源相对贡献率。通常指纹识别法采用混合模型计算泥沙来源的相对贡献率。但 混合模型存在的问题是当泥沙来源数增加时，其预测结果准确率明显下降。Lees等 (1997)研究了混合模型的预测结果随泥沙来源数的变化，他们发现当泥沙来源数从2个 增加到6个时，模型预测成功率从75％下降到0。Small等(2002)提出，当泥沙来源数 增加时，混合模型会预测某些泥沙来源无贡献或仅给出虚假的数值解。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定流域尺度次降雨泥沙来源的方法，该方法可靠性较高， 受泥沙来源个数的影响更小，可以研究次降雨空间产沙规律，计算不同降雨强度泥沙来 源贡献率，对于水土保持时间和空间的规划具有指导意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种确定流域尺度次降雨泥沙来源的方法，该方法包括：

将研究区划分为M个泥沙来源区，并采集每一泥沙来源区的表层土壤样品；

在次降雨径流过程中采集流域出口泥沙样品；

将所述每一泥沙来源区的土壤样品与泥沙样品分别进行预处理后，进行全元素测 量；

基于判别分析法，从所有土壤样品的测量结果中筛选出能够区分泥沙来源区的化学 元素，并建立对应的判别方程，再计算判别方程分类泥沙样品来源的正确比例；

根据判别方程中所包含的化学元素种类，将每一泥沙来源区的土壤样品以及泥沙样 品对应化学元素及相应的浓度分别代入判别方程中，从而计算出每一泥沙来源区的中心 位置，以及采集泥沙样品的位置；

根据每一泥沙来源区的中心位置、采集泥沙样品的位置以及判别方程分类泥沙样品 来源的正确比例，计算每一泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间的距离， 从而确定每一泥沙来源区对泥沙样品的相对贡献。

进一步的，所述将所述每一泥沙来源区的土壤样品与泥沙样品分别进行预处理后， 进行全元素测量包括：

使用去离子水分别将土壤样品与泥沙样品过湿筛，保留小于预定尺寸的泥沙颗粒；

将过湿筛的土壤样品与泥沙样品在预定温度下烘干后，使用电感耦合等离子体质谱 仪进行全元素测量，获得每一土壤样品与泥沙样品所包含的化学元素种类及对应的浓 度。

进一步的，所述基于判别分析法，从所有土壤样品的测量结果中筛选出能够区分泥 沙来源区的化学元素，并建立对应的判别方程包括：

对比所有土壤样品的测量结果，筛选浓度含量不同的化学元素；

将浓度含量不同的化学元素在不同泥沙来源区的差别进行量化，筛选出量化结果大 于预定值的化学元素，并建立对应的判别方程。

进一步的，所述根据判别方程中所包含的化学元素种类，将每一泥沙来源区的土壤 样品以及泥沙样品对应化学元素及相应的浓度分别代入判别方程中，从而计算出每一泥 沙来源区的中心位置，以及采集泥沙样品的位置包括：

当仅有一个判别方程时，将则将每一土壤样品以及泥沙样品分别代入判别方程中， 获得的数值则为对应泥沙来源区的中心位置，以及采集泥沙样品的位置；

当有两个判别方程时，则将每一土壤样品以及泥沙样品分别代入这两个判别方程 中，获得两个数值；将这两个数值分别作为二维坐标系中的x值和y值，从而计算出每一 泥沙来源区的中心位置，以及采集泥沙样品的位置。

进一步的，所述根据每一泥沙来源区的中心位置、采集泥沙样品的位置以及判别方 程分类泥沙样品来源的正确比例，计算每一泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位 置之间的距离包括：

若判别方程的数量为n个，则第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之 间的距离D_m计算公式为：

$D_m={\Sigma }_{i=1}^n\frac{{\rho }_i}{100}|F_i\left({\mathrm{source}}_m\right)-F_i\left(\mathrm{sediment}\right)|,m\in [1,M];$

其中，ρ_i表示第i个判别方程分类泥沙样品来源的正确比例，F_i(source_m)与 F_i(sediment)分别为第i个判别方程计算到的第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样 品的位置。

进一步的，确定每一泥沙来源区对泥沙样品的相对贡献包括：

计算第m个泥沙来源区对泥沙样品相对贡献的权重W_m，其表示为：

$W_m=\frac{1}{D_m};$

其中，D_m表示第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间的距离；

计算所有泥沙来源区对泥沙样品相对贡献的权重之和W，其表示为：

$W={\Sigma }_{i=1}^m\frac{1}{D_m};$

计算第m个泥沙来源区对泥沙样品的相对贡献P_m，其表示为：

$P_m=\frac{W_m}{W}·100\%.$

由上述本发明提供的技术方案可以看出，使用判别分析法计算流域泥沙来源与泥沙的 距离和距离权重，利用距离与贡献率的反比关系计算流域尺度次降雨泥沙来源的相对贡 献率。此方法比传统的混合模型更可靠，受泥沙来源个数的影响更小，可以研究次降雨 空间产沙规律，计算不同降雨强度泥沙来源贡献率，可以解决混合模型受泥沙来源个数 的限制，避免了混合模型计算结果出现虚假数值解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种确定流域尺度次降雨泥沙来源的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的计算得到泥沙来源区中心及泥沙样品位置的示意图；

图3为本发明实施例提供的计算得到泥沙来源区中心与泥沙样品位置之间的距离的示 意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种确定流域尺度次降雨泥沙来源的方法的流程图。如图 1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、将研究区划分为M个泥沙来源区，并采集每一泥沙来源区的表层土壤样品。

本发明实施例中，划分后的每一泥沙来源区有唯一的土地利用类型和土壤类型。

采集土壤样品时，通常在每一泥沙来源区内随机采集至少30个表面2厘米的表层土壤 分样品，再将30个分样品充分混合，除去样品中的植物根系等杂物，进行初步研磨，自 然风干后，为该泥沙来源分区的土壤样品。

步骤12、在次降雨径流过程中采集流域出口泥沙样品。

通常在流域出口，使用固定在沟道底部的通用泥沙采集装置进行泥沙样品采集。

步骤13、将所述每一泥沙来源区的土壤样品与泥沙样品分别进行预处理后，进行全 元素测量。

具体来说，使用去离子水分别将土壤样品与泥沙样品过湿筛，保留小于预定尺寸 (例如，63微米)的泥沙颗粒；

将过湿筛的土壤样品与泥沙样品在预定温度(例如，105℃)下烘干后，使用电感耦 合等离子体质谱仪进行全元素测量，获得每一土壤样品与泥沙样品所包含的化学元素种 类及对应的浓度。

步骤14、基于判别分析法，从所有土壤样品的测量结果中筛选出能够区分泥沙来源 区的化学元素，并建立对应的判别方程，再计算判别方程分类泥沙样品来源的正确比 例。

具体来说，对比所有土壤样品的测量结果，筛选浓度含量不同的化学元素；

将浓度含量不同的化学元素在不同泥沙来源区的差别进行量化，筛选出量化结果大 于预定值的化学元素，并建立对应的判别方程。

示例性的，假设泥沙来源区包含泥沙来源区A与泥沙来源区B，通过前述测量结果表 明土壤样品含有氮、磷、钾、碳、锰等化学元素，通过浓度含量对比，筛选出浓度含量 不同的氮、磷、钾元素。

对氮、磷、钾在泥沙来源区A与泥沙来源区B的差别进行量化，量化结果为氮差别 80％，磷差别150％，钾差别10％，通过与预定值(例如，60％)比较，筛选出能够较好 的区分泥沙来源区的化学元素氮、磷；根据氮和磷的含量建立区分泥沙来源区的判别方 程：

方程1：3*氮含量+5*磷+0.5；

方程2：10*氮含量-磷含量+4；

根据方程确定：方程1的解小于5的且方程2的值小于4的为泥沙来源区A，方程1的解 大于等于5的且方程2的值大于等于4的为泥沙来源区B。

同时，可以计算只用方程1或者只用方程2对于区分泥沙来源区A与泥沙来源区B的正 确率(即判别方程对应的距离权重)。

需要说明的是，上述示例中泥沙来源区的数量、量化结果大于预定值的化学元素的 数量、判别方程的数量、判别方程中的数值以及根据判别方程的结果确定泥沙来源区均 为便于理解所进行的举例说明。

步骤15、根据判别方程中所包含的化学元素种类，将每一泥沙来源区的土壤样品以 及泥沙样品对应化学元素及相应的浓度分别代入判别方程中，从而计算出每一泥沙来源 区的中心位置，以及采集泥沙样品的位置。

本发明实施例中，判别方程的个数可以根据实际情况来确定，在确保可以准确区分 泥沙来源的同时还要保证较小的计算量。

本发明实施例中，根据判别方程来确定每一泥沙来源区的中心位置以及采集泥沙样 品的位置；示例性的，当仅有一个判别方程时，将则将每一土壤样品以及泥沙样品分别 代入判别方程中，获得的数值则为对应泥沙来源区的中心位置，以及采集泥沙样品的位 置；当有两个判别方程时，则将每一土壤样品以及泥沙样品分别代入这两个判别方程 中，可获得两个数值；将这两个数值分别作为二维坐标系中的x值和y值，从而计算出每 一泥沙来源区的中心位置，以及采集泥沙样品的位置。

另外，若某一泥沙来源区仅有一个土壤样品，则直接将通过判别方程计算获得的位 置作为该泥沙来源区的中心位置；若某一泥沙来源区有多个土壤样品，则通过判别方程 获得多个位置，将这些位置的中心作为该泥沙来源区的中心位置。

步骤16、根据每一泥沙来源区的中心位置、采集泥沙样品的位置以及判别方程分类 泥沙样品来源的正确比例，计算每一泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间 的距离，从而确定每一泥沙来源区对泥沙样品的相对贡献。

首先，计算每一泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间的距离；若判别 方程的数量为n个，则第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间的距离D_m计算公式为：

$D_m={\Sigma }_{i=1}^n\frac{{\rho }_i}{100}|F_i\left({\mathrm{source}}_m\right)-F_i\left(\mathrm{sediment}\right)|,m\in [1,M];---\left(1\right)$

其中，ρ_i表示第i个判别方程分类泥沙样品来源的正确比例，F_i(source_m)与 F_i(sediment)分别为第i个判别方程计算到的第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样 品的位置，即代入第i个判别方程获得的数值。

然后，计算第m个泥沙来源区对泥沙样品相对贡献的权重W_m，其表示为：

$W_m=\frac{1}{D_m};---\left(2\right)$

其中，D_m表示第m个泥沙来源区的中心位置与采集泥沙样品的位置之间的距离；

再计算所有泥沙来源区对泥沙样品相对贡献的权重之和W，其表示为：

$W={\Sigma }_{i=1}^m\frac{1}{D_m};---\left(3\right)$

最后，计算第m个泥沙来源区对泥沙样品的相对贡献P_m，其表示为：

$P_m=\frac{W_m}{W}·100\%.---\left(4\right)$

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例来进行说明。

下述实施例中均基于判别分析法计算流域泥沙来源与泥沙的距离和距离权重(判别 方程的正确率)，利用距离与贡献率的反比关系计算流域尺度次降雨泥沙来源的相对贡 献率。

判别分析法又称“分辨法”，是在分类确定的条件下，根据某一研究对象的各种特 征值判别其类型归属问题的一种多变量统计分析方法。其基本原理是按照一定的判别准 则，建立一个或多个判别函数，用研究对象的大量资料确定判别函数中的待定系数，并 计算判别指标。据此即可确定某一样本属于何类。

实施例一

本实施例中，假设泥沙来源区包括农地与林地。在农地采集多个土壤样品n₁， n₂……n₅，林地采集多个样品l₁，l₂……l₅，并在次降雨径流过程中采集流域出口泥沙样 品。

对上述土壤样品及泥沙样品进行前述实施例所述的预处理及全元素测量，获得所有 样品中的所有化学元素及对应的含量。

根据测量结果对比农地和林地化学元素含量的不同，假设确定氮、磷、钾含量不 同，其他化学元素农地和林地含量没有差别或差别很小；再对氮、磷、钾在农地和林地 的差别进行量化，比如氮两者差别80％，磷差别150％，钾差别10％，那么氮和磷两种元 素为最佳区分农地和林地的元素，选取氮和磷的含量建立区分农地和林地的方程(数值 及方程数量均为假设，可根据实际情况来确定)：

方程1：3*氮含量+5*磷+0.5

方程2：10*氮含量-磷含量+4

根据方程确定：方程1的解小于5的且方程2的值小于4的为农地，方程1的解大于等于 5的且方程2的值大于等于4的为林地。同时，可以计算只用方程1或者只用方程2对于划分 农地和林地的正确率。

将采集的土壤样品以及泥沙样品的测量结果带入方程1和2，每个样品均有2个值，将 方程1和2的值分别设为二维坐标系的x和y，即可得到如图2所示的示意图。

从图中可以看出，根据方程1和2以及采集的土壤样品及泥沙样品，可以确定采集泥 沙样品的位置(图2中的菱形位置处)、农地与林地5个土壤样品的位置(图2中矩形与三 角形位置处)，以及通过土壤样品位置确定的农地和林地中心位置(图2中的圆形位置 处)。

本实施例中，假设判别方程1分类泥沙来源的正确比例为96.1％，即ρ₁为96.1％，判 别方程2类泥沙来源的正确比例为3.9％，即ρ₂为3.9％，根据前述实施例中步骤16所示的 公式(1)计算图3中D₁＝96.1％/100*|F₁(农地样品中心)-F₁(泥沙样品位置)|， D₂＝3.9％/100*|F₂(农地样品中心)-F₂(泥沙样品位置)|，D_农地＝D₁+D₂。以此类推，可 计算得到D_林地，将D_农地和D_林地依次带入公式(2)、(3)和(4)，得到农地和林地对泥沙 的相对贡献率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。