水利工程論文-城市化建設(shè)和采礦對(duì)土壤侵蝕及環(huán)境的影響.doc

水利工程論文-城市化建設(shè)和采礦對(duì)土壤侵蝕及環(huán)境的影響摘要：本文著重研究了城市化建設(shè)與采礦業(yè)占地對(duì)土壤侵蝕和環(huán)境的影響，分析了土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)土壤侵蝕程度的影響。作者收集了北美部分地區(qū)土地利用的不同歷史階段產(chǎn)沙速度資料加以整理，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬計(jì)算了可能的土地產(chǎn)出損失率。清楚地說(shuō)明了土地利用類型的變化引起產(chǎn)沙的巨大變化。討論了土地利用變化發(fā)展的總趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：城市化建設(shè)與采礦業(yè)土壤侵蝕與環(huán)境人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土地生產(chǎn)率1前言土地利用問(wèn)題是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)等密切相關(guān)?，F(xiàn)在，土地和人口增長(zhǎng)的矛盾尖銳。目前我國(guó)每年凈增人口1500萬(wàn)人，國(guó)家和農(nóng)村建設(shè)每年占用耕地80萬(wàn)hm2。我國(guó)現(xiàn)有人口已超過(guò)12億，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)到15億。人口急劇增長(zhǎng)，耕地面積不斷減少，給土地帶來(lái)極大壓力。土地是人類一切生產(chǎn)活動(dòng)的基地，無(wú)論農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)、城市化建設(shè)、工礦企業(yè)等各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都離不開(kāi)對(duì)土地的利用。如美國(guó)因城市建設(shè)占用農(nóng)業(yè)用地，從19581967年每年49萬(wàn)hm2增加到19671975的每年85萬(wàn)hm2；我國(guó)從19581978年21年間，城市化基本建設(shè)占用農(nóng)牧業(yè)土地面積達(dá)3400萬(wàn)hm2，平均每年用地相當(dāng)于一個(gè)福建省的耕地面積。1981年，僅農(nóng)民蓋房及院落占地達(dá)27萬(wàn)hm21。而每一種改變土地利用方式不可避免地帶來(lái)對(duì)自然環(huán)境的破壞作用，如環(huán)境污染、生態(tài)失調(diào)、水土流失、土壤沙漠化、鹽漬化等，已成為社會(huì)重大問(wèn)題。土地利用基本形式包括：農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、城市化建設(shè)、工礦企業(yè)等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各項(xiàng)生產(chǎn)建設(shè)都要占用土地。大量開(kāi)發(fā)，多項(xiàng)占用，土地利用形式不斷變化，成為水沙變化的主因。城市工業(yè)化建設(shè)、采礦和其它類似的活動(dòng)對(duì)加速土壤的侵蝕是非常明顯的。城市化工業(yè)建設(shè)，大量占用土地資源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)正由農(nóng)業(yè)大國(guó)發(fā)展為工業(yè)大國(guó)。經(jīng)濟(jì)騰飛，必然帶來(lái)建設(shè)高潮。城市大量占地，擴(kuò)大建設(shè)要延續(xù)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。連續(xù)不斷的工程，破土施工到處可見(jiàn)，產(chǎn)流產(chǎn)沙可想而知。采礦是在生產(chǎn)過(guò)程中和自然環(huán)境相互作用最強(qiáng)烈的形式之一，在此過(guò)程中人類表現(xiàn)為改造地球外貌的強(qiáng)有力因素。在開(kāi)采礦產(chǎn)過(guò)程中，人類往往要從天然儲(chǔ)藏地點(diǎn)移走大量巖土到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，所有這一切不僅在直接開(kāi)采的地點(diǎn)，而且在距它們相當(dāng)遠(yuǎn)的地方也會(huì)造成自然界的重大變化。同時(shí)不僅改變巖石圈的組成和結(jié)構(gòu)，而且改變包括生物圈在內(nèi)的整個(gè)自然綜合體。由于強(qiáng)度開(kāi)采礦產(chǎn)所產(chǎn)生的自然綜合體的變化，通常對(duì)生物圈是不利的，導(dǎo)致周圍環(huán)境的惡化，水土流失嚴(yán)重。土地利用變化往往對(duì)環(huán)境帶來(lái)某種程度的不利影響。例如砍伐森林改營(yíng)農(nóng)業(yè)，土壤侵蝕量發(fā)生變化，會(huì)降低有機(jī)質(zhì)的含量。但重要的是，不要使這種環(huán)境退化趨于嚴(yán)重，否則，最終將導(dǎo)致土地遭到不可逆轉(zhuǎn)的破壞。同時(shí)，也要注意不造成環(huán)境的漸進(jìn)性退化，這是指采用某一種土地利用方式導(dǎo)致土地處于持續(xù)耗竭狀態(tài)，例如放牧中對(duì)牲畜數(shù)量不加控制，任其超載，致使草場(chǎng)逐漸退化。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，人口的大量增加，使土地資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，土地利用變化劇烈。加劇土壤侵蝕，使其發(fā)生的初始、邊界條件更趨復(fù)雜。造成生態(tài)環(huán)境惡化，動(dòng)植物物種多樣性減少或喪失。因此，在水土流失規(guī)律研究和治理技術(shù)方面受到限制，許多關(guān)鍵性問(wèn)題尚未解決。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土地利用的變化過(guò)程研究這一關(guān)鍵問(wèn)題研究較少。無(wú)疑對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究具有特別重要的意義。2城市土地利用在城市地區(qū)，自然生態(tài)系統(tǒng)的變異程度通常比農(nóng)業(yè)、林業(yè)要大的多。城市地區(qū)的大部分土地覆蓋著公路、建筑物以及其它難以滲透的地面。保存空曠的空間主要是為文化娛樂(lè)和裝飾的目的而不是為了生產(chǎn)糧食和木材，因此，城市中現(xiàn)存的綠色地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的變遷與鄉(xiāng)村有很大差異。城市地面幾乎不能發(fā)生滲透現(xiàn)象；因有地下排水系統(tǒng)，城市排泄網(wǎng)比農(nóng)村更有效，徑流增加了34倍。當(dāng)進(jìn)行建設(shè)時(shí)，往往會(huì)給地面造成破壞，導(dǎo)致產(chǎn)沙量比農(nóng)村高幾倍；但建設(shè)完成后，大部分的地面密封了，產(chǎn)沙量降到高峰水平的1/10，低于農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)時(shí)的水平。盡管如此，城市的產(chǎn)沙量仍然高于未受干擾的自然植被。城市的土地利用仍然遵循人類活動(dòng)趨于增加產(chǎn)沙量的一般規(guī)律。城市化造成土地最高的侵蝕速度產(chǎn)生在建設(shè)階段，這階段有大量裸露地面和由于運(yùn)輸和開(kāi)挖引起很大的擾動(dòng)。為建筑而清除地面，一年間產(chǎn)生的土壤侵蝕相當(dāng)于自然的甚至農(nóng)業(yè)數(shù)十年造成的侵蝕。在馬里蘭，城市化在建設(shè)期間，產(chǎn)沙量達(dá)到55000t/km2.a，而在同樣的地區(qū)，森林地面產(chǎn)沙量大約為80200t/km2.a，在農(nóng)田是400t/km2.a。在佐治亞，開(kāi)挖新道路使產(chǎn)沙量達(dá)到2000050000t/km2.a。同樣，在英格蘭德文郡，在有排水建筑物地區(qū)，河中懸浮泥沙物濃度是未受干擾地區(qū)的210倍(偶爾達(dá)到100倍)。在美國(guó)弗吉尼亞，在城市化建設(shè)期間，侵蝕速度同樣高。而且記錄了在相同地區(qū)侵蝕速度是農(nóng)田的10倍，是草地的200倍，是森林地區(qū)的2000倍。然而，施工不會(huì)永遠(yuǎn)進(jìn)行下去，一旦呈現(xiàn)出道路、建起花園和草坪，干擾就停止，侵蝕整流速度就會(huì)大大地降低。可能與在自然條件下，或農(nóng)業(yè)耕種前的侵蝕速度基本相同27。平均來(lái)講，城市化建設(shè)期土壤侵蝕率是農(nóng)田的10350倍(平均180倍)，是森林的1500倍。作者收集了北美部分地區(qū)土地利用的不同歷史階段產(chǎn)沙速度資料加以整理，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬計(jì)算了可能的土地產(chǎn)出損失率(見(jiàn)圖1)。所謂土地產(chǎn)出損失率(O1)是指單位面積由于土壤侵蝕引起的產(chǎn)量(Y)或產(chǎn)值(Pv)減少。實(shí)際土地產(chǎn)出率(Oa)是單位面積的產(chǎn)量(Y)或產(chǎn)值(Pv)。用公式表達(dá)為Oa=YorPv/A=Od-O1圖1不同歷史階段土地利用類型轉(zhuǎn)變引起產(chǎn)沙率及式中A為土地面積；Od為應(yīng)有土地產(chǎn)出率。產(chǎn)值損失率的變化Variationofsedimentyieldandtherateofproductionvaluelossduringtheprocessoflandusetransformationtodifferentperiod根據(jù)皇甫川流域卡口站試驗(yàn)資料，以噸泥沙減產(chǎn)量為據(jù)，分析計(jì)算得出8：每損失1噸泥沙，農(nóng)地產(chǎn)值減少12.5元；草地?fù)p失0.6元；林地?fù)p失0.39元。按該指標(biāo)可計(jì)算得出土地產(chǎn)出損失率。圖1很好地說(shuō)明了由森林農(nóng)地林地或草地城市化的不同土地利用方式產(chǎn)沙率的變化過(guò)程，更清楚地說(shuō)明了土地利用類型的變化引起產(chǎn)沙的巨大變化。從19世紀(jì)初期開(kāi)始，茂密的森林產(chǎn)沙量很小，土地產(chǎn)出損失率也很??；當(dāng)農(nóng)作物取代原始森林，產(chǎn)沙量增加，土地產(chǎn)出損失率隨之增加；隨著耕作的開(kāi)始，產(chǎn)沙量隨之降低，農(nóng)地的產(chǎn)出損失率降低；隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)沙率再次增高，農(nóng)地的產(chǎn)出損失率也隨著增高，即農(nóng)地產(chǎn)出率減?。恢皇堑?0世紀(jì)，當(dāng)某些耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸睾螅a(chǎn)沙量才再次下降，土地產(chǎn)出損失率下降，即土地產(chǎn)出率有所回升；在城市擴(kuò)展和建設(shè)時(shí)期，由于地面暴露和建設(shè)施工對(duì)土地的干擾，產(chǎn)沙速度急劇上升，土地產(chǎn)出損失率也急劇上升，也就是說(shuō)土地產(chǎn)出率降到歷史最低；當(dāng)大部分地表封在道路、建筑物以及其它難以滲透的表層下時(shí)，產(chǎn)沙量幾乎以相同的速度下降，城市化后的土地產(chǎn)出率也將急劇升高。在土地利用類型的演化過(guò)程中，每一種類型的轉(zhuǎn)化，都無(wú)疑帶來(lái)了產(chǎn)沙的急劇增加。3采礦業(yè)目前我國(guó)正處于高速發(fā)展時(shí)期，人口膨脹需要開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源滿足人民的物質(zhì)生活的提高。采礦造成的土地利用變化雖然發(fā)展了經(jīng)濟(jì)，但造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，尤其是對(duì)水土流失和河流泥沙帶來(lái)極其不利影響。這種影響國(guó)內(nèi)外有很多實(shí)例。豫陜晉接壤區(qū)人煙稀少，林草茂密，80年代后期，國(guó)營(yíng)和個(gè)體企業(yè)紛紛投入開(kāi)采金礦，在1萬(wàn)多平方公里的范圍內(nèi)有開(kāi)采點(diǎn)3000個(gè)，年產(chǎn)黃金30萬(wàn)兩，雖帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但直接破壞植被168km2，侵蝕模數(shù)由1030增加到1458t/km2.a，同時(shí)棄石廢渣1645萬(wàn)m3，暴雨時(shí)形成人造泥石流和滑坡。采礦不僅造成了嚴(yán)重的水土流失，而且其廢棄物嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)厮|(zhì)。該礦區(qū)大小選礦廠和個(gè)體土法混汞碾佯者鱗次櫛比，所產(chǎn)生的廢水中含汞、鉛等有害物質(zhì)注入當(dāng)?shù)厮?，致使水資源受到污染帶毒，既不能飲用，也不能灌溉。銅鐵礦冶煉排放的SO2等有害氣體所及之處，危害植物生長(zhǎng)9。黃河中游大型煤田，地處多沙粗沙區(qū)，處在暴雨多發(fā)地帶，水土流失本來(lái)就非常嚴(yán)重，再加上大規(guī)模的開(kāi)采煤炭，植被破壞殆盡，占用土地，造成地表地下土層松動(dòng)，移動(dòng)大量巖石土體，一遇暴雨極易形成滑坡、崩塌等重力侵蝕，更加劇了水土流失。在美國(guó)約有1500個(gè)大型煙煤露天采礦廠，占地3237km2，既不平整又無(wú)植被。在肯塔基州麥克克里郡，研究露天采礦對(duì)洪水和水質(zhì)的影響表明：坎恩流域19571958年的輸沙量為1082t/km2，同一時(shí)期，附近的亥爾頓圖2開(kāi)礦與無(wú)礦小流域暴雨的輸沙率與徑流關(guān)系Comparisonbetweenthesedimentdischargeandrunoffinminingareaand流域的輸沙量?jī)H為19t/km2，亥爾頓流域內(nèi)沒(méi)有采礦10(見(jiàn)圖2)，含沙量增加了數(shù)十倍，且泥沙顆粒變粗。不僅如此，采礦活動(dòng)對(duì)河流泥沙影響可能在數(shù)十年后才顯示出來(lái)。theneighbouringwatershedwithoutmining圖2給出了坎恩流域礦區(qū)與亥爾頓流域無(wú)礦區(qū)和準(zhǔn)格爾煤田與其相鄰的無(wú)礦業(yè)皇甫川流域的產(chǎn)沙率的對(duì)比11。在同樣的徑流條件下，采礦業(yè)導(dǎo)致水流含沙量和輸沙率增大了10倍以上。表1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報(bào)開(kāi)礦時(shí)及投產(chǎn)后產(chǎn)流產(chǎn)沙量(單位：產(chǎn)流量104m3；產(chǎn)沙量104t)RunoffrateandsedimentyieldofopeningupamineandputtingintoproductionwithANNforecastmodel土地利用類型露天工業(yè)廣場(chǎng)及工民區(qū)居民坑口運(yùn)輸取水其它合計(jì)開(kāi)礦前產(chǎn)沙量13.059.378.96.891.014.3427.0690.3估算值71.8172.9230.219.7828.241.7427.01791.5神網(wǎng)產(chǎn)流量142.5321.4547.336.11144.265.8758.73015.8基建期預(yù)報(bào)值產(chǎn)沙量91.2160.7218.925.3915.352.6439.51873.5產(chǎn)沙誤差-27.07.14.9-28.4-10.5-26.1-2.9-4.6增沙量(神網(wǎng))78.2101.4140.018.5824.338.312.51183.2估算值82.4160.4213.515.5709.937.9451.51671.1神網(wǎng)產(chǎn)流量132.9293.8482.026.61358.753.3563.62910.8過(guò)渡期預(yù)報(bào)值產(chǎn)沙量77.1146.9192.818.6815.242.6468.31761.5產(chǎn)沙誤差6.48.49.7-20.0-14.8-12.4-3.7-5.4增沙量(神網(wǎng))64.187.6113.911.8724.228.341.31071.2估算值92.983.4104.37.3325.418.8476.41108.5神網(wǎng)產(chǎn)流量172.3243.8253.226.7860.228.0466.02050.2投產(chǎn)期預(yù)報(bào)值產(chǎn)沙量103.497.593.716.3430.119.6497.81258.4產(chǎn)沙誤差-11.3-16.910.2-123.3-32.2-4.3-4.5-13.5增沙量(神網(wǎng))90.438.214.89.5339.15.370.8558.1由于皇甫川流域無(wú)采礦業(yè)，所以選擇了相鄰流域的準(zhǔn)格爾礦區(qū)作為算例，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算開(kāi)礦引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。網(wǎng)絡(luò)的輸入層單元數(shù)為46個(gè)，輸出層為2，通過(guò)學(xué)習(xí)確定隱層單元數(shù)為10，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后結(jié)構(gòu)為46-10-2。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：0.25；=0.7；E=0.15。對(duì)比方法采用經(jīng)驗(yàn)估算法，參見(jiàn)文獻(xiàn)10。計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。無(wú)論是哪一種土地利用類型，開(kāi)礦后都加劇了土壤侵蝕，侵蝕最為嚴(yán)重的類型當(dāng)屬運(yùn)輸類。在礦山建設(shè)初期比任何時(shí)期侵蝕都要嚴(yán)重。4應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報(bào)各種土地利用類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量與土地利用變化總趨勢(shì)圖3不同土地利用類型開(kāi)礦前后產(chǎn)沙量估算值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)值對(duì)比ComparisonbetweenthesedimentyieldestimationvalueandANNforecastvalueperminingarea流域產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報(bào)，影響因素多，物理機(jī)制復(fù)雜，采用數(shù)理方法建立降雨、產(chǎn)流和產(chǎn)沙之間的關(guān)系模型，通過(guò)計(jì)算來(lái)研究流域的水沙變化特性。然而在建模過(guò)程中邊界條件不明確、模型自身的假設(shè)條件、參數(shù)率定的復(fù)雜性和數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定性影響了計(jì)算精度，其應(yīng)用受到限制。而經(jīng)驗(yàn)和隨機(jī)模型需要大量的詳盡資料，況且其建立要求有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用很不方便。對(duì)于一個(gè)流域來(lái)講，卡口站的水文觀測(cè)資料容易得到，但降雨、匯流與產(chǎn)沙過(guò)程資料較難獲得。再加上人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，導(dǎo)致許多無(wú)法量化的事件。應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模，可以避免這些缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只注重起始條件和最終結(jié)果，能夠通過(guò)部分準(zhǔn)確樣本自學(xué)習(xí)來(lái)體現(xiàn)各因子間的復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，比以往的計(jì)算模型有更好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不需要編制每個(gè)處理單元的算法，只需總觀組織整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。4.1產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)測(cè)模型4.1.1初始權(quán)值的選擇由于系統(tǒng)是非線性的，初始權(quán)值對(duì)于學(xué)習(xí)能否收斂的關(guān)系很大，一個(gè)重要的要求是希望初始權(quán)在輸入時(shí)使每個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)值接近于零，這樣可保證一開(kāi)始時(shí)不落到那些平坦區(qū)上。權(quán)一般