城市化建設(shè)和采礦對(duì)土壤侵蝕及環(huán)境的影響

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簡(jiǎn)介： 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)鍵字：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1958～1967年每年49萬(wàn)hm²增加到1967～1975的每年85萬(wàn)hm²；我國(guó)從1958～1978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)hm^2[1]。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?chē)h(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3～4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80～200t/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20000～50000t/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2～10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?？赡芘c在自然條件下，或農(nóng)業(yè)耕種前的侵蝕速度基本相同^[2～7]。平均來(lái)講，城市化建設(shè)期土壤侵蝕率是農(nóng)田的10～350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(P_v)減少。實(shí)際土地產(chǎn)出率(O_a)是單位面積的產(chǎn)量(Y)或產(chǎn)值(P_v)。用公式表達(dá)為 

O_a=Y _or P_v/ A=O_d-O₁

式中 A為土地面積；O_d為應(yīng)有土地產(chǎn)出率。

圖1 不同歷史階段土地利用類型轉(zhuǎn)變引起產(chǎn)沙率及
產(chǎn)值損失率的變化
Variation of sediment yield and the rate of production value loss during the process of land use transformationto different period

　　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)出率減小；只是到20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1957～1958年的輸沙量為1082t/km²，同一時(shí)期，附近的亥爾頓流域的輸沙量?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)。

圖2 開(kāi)礦與無(wú)礦小流域暴雨的輸沙率與徑流關(guān)系
Comparison between the sediment discharge andrunoff in mining area and the neighbouringwatershed without mining

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)

Runoff rate and sediment yield of opening up a mine and putting into production with ANN forecast model

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

13.0

59.3

78.9

6.8

91.0

14.3

427.0

690.3

估算值

71.8

172.9

230.2

19.7

828.2

41.7

427.0

1791.5

神網(wǎng) 產(chǎn)流量

142.5

321.4

547.3

36.1

1144.2

65.8

758.7

3015.8

基建期

預(yù)報(bào)值 產(chǎn)沙量

91.2

160.7

218.9

25.3

915.3

52.6

439.5

1873.5

產(chǎn)沙誤差

-27.0

7.1

4.9

-28.4

-10.5

-26.1

-2.9

-4.6

增沙量(神網(wǎng))

78.2

101.4

140.0

18.5

824.3

38.3

12.5

1183.2

估算值

82.4

160.4

213.5

15.5

709.9

37.9

451.5

1671.1

神網(wǎng) 產(chǎn)流量

132.9

293.8

482.0

26.6

1358.7

53.3

563.6

2910.8

過(guò)渡期

預(yù)報(bào)值 產(chǎn)沙量

77.1

146.9

192.8

18.6

815.2

42.6

468.3

1761.5

產(chǎn)沙誤差

6.4

8.4

9.7

-20.0

-14.8

-12.4

-3.7

-5.4

增沙量(神網(wǎng))

64.1

87.6

113.9

11.8

724.2

28.3

41.3

1071.2

估算值

92.9

83.4

104.3

7.3

325.4

18.8

476.4

1108.5

神網(wǎng) 產(chǎn)流量

172.3

243.8

253.2

26.7

860.2

28.0

466.0

2050.2

投產(chǎn)期

預(yù)報(bào)值 產(chǎn)沙量

103.4

97.5

93.7

16.3

430.1

19.6

497.8

1258.4

產(chǎn)沙誤差

-11.3

-16.9

10.2

-123.3

-32.2

-4.3

-4.5

-13.5

增沙量(神網(wǎng))

90.4

38.2

14.8

9.5

339.1

5.3

70.8

558.1

　　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：β＝0.25；α=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
Comparison between the sediment yield estimation?value and ANN forecast
value per mining area

　　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)一般取比較小的隨機(jī)值，使神經(jīng)元一開(kāi)始就在轉(zhuǎn)換函數(shù)變化最大的地方進(jìn)行迭代。

　　對(duì)于輸入樣本同樣希望能夠進(jìn)行歸一，使那些比較大的輸入仍落在神經(jīng)元轉(zhuǎn)換函數(shù)梯度最大的那些地方。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練組和檢驗(yàn)組的選取與優(yōu)化

　　網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)較好的學(xué)習(xí)訓(xùn)練組中，系統(tǒng)誤差的訓(xùn)練將隨著迭代次數(shù)增加而減少，最終收斂到一組穩(wěn)定的權(quán)。進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，權(quán)值將僅僅出現(xiàn)一個(gè)極小的波動(dòng)，這正是試驗(yàn)者所希望的。問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何選擇一個(gè)合適的訓(xùn)練組，為考慮問(wèn)題方便，先假設(shè)網(wǎng)絡(luò)其它參數(shù)保持不變。

　　訓(xùn)練組的選擇包括對(duì)訓(xùn)練組的規(guī)模、訓(xùn)練組內(nèi)模式的分布狀況等幾方面的確定。訓(xùn)練組的規(guī)模就是模式組中選取的模式總數(shù)及代表各類模式的數(shù)量。模式組不易選取太大，否則會(huì)使網(wǎng)絡(luò)單純記憶輸入系列，從而失去寶貴的事件。各類模式的多少和它們的分布情況對(duì)訓(xùn)練結(jié)果都有比較大的影響，既然網(wǎng)絡(luò)是仿真人腦的，就具有了人腦思維的一般規(guī)律，一類從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的事件，網(wǎng)絡(luò)是無(wú)法識(shí)別的，這就要求訓(xùn)練組中盡量包括有代表各類特征的模式，不能沒(méi)有其中的任何一種。

　　解決問(wèn)題的最好辦法是從訓(xùn)練組中去掉一些事例作為檢驗(yàn)組，網(wǎng)絡(luò)在減少后的訓(xùn)練組上訓(xùn)練，在保留的例子上測(cè)試。應(yīng)當(dāng)避免過(guò)多的訓(xùn)練，因?yàn)檫@會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，所以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程應(yīng)在有限的階段進(jìn)行，然后在檢驗(yàn)組上測(cè)試結(jié)果。繼續(xù)訓(xùn)練和檢驗(yàn)的循環(huán)，以達(dá)到最佳的訓(xùn)練水平，停止的標(biāo)識(shí)是結(jié)果總在檢驗(yàn)組上而不是在訓(xùn)練組上。這個(gè)過(guò)程應(yīng)在不同的訓(xùn)練組和檢驗(yàn)組構(gòu)成上反復(fù)進(jìn)行。在上述過(guò)程中，可以看到隨著時(shí)間的增加，效果有所提高，可達(dá)到頂端水平，當(dāng)達(dá)到頂端時(shí)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始過(guò)度訓(xùn)練，測(cè)試效果有所下降，在這個(gè)最優(yōu)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)自由度，包括學(xué)習(xí)率、動(dòng)態(tài)參數(shù)、隱單元數(shù)、層數(shù)和訓(xùn)練模式組的構(gòu)成。

　　方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)有限的訓(xùn)練組中特殊模式進(jìn)行學(xué)習(xí)來(lái)掌握普遍規(guī)律，以達(dá)到認(rèn)識(shí)大自然無(wú)限多的模式，這些模式應(yīng)具有比較典型的能說(shuō)明事件共性的特征。另外在訓(xùn)練過(guò)程中特別要考慮降雨→產(chǎn)流→產(chǎn)沙的時(shí)間滯后影響。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定

　　影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙因素有：降雨、地形、土壤性質(zhì)、植被因素和土地利用方式五大類，其中降雨是產(chǎn)流產(chǎn)沙的動(dòng)力因素。根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)可定網(wǎng)絡(luò)的輸入層單元數(shù)為36個(gè)；根據(jù)要求網(wǎng)絡(luò)的輸出層單元數(shù)為2；隱層單元數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式知其下界為7，通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練取隱層單元數(shù)為9；網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)為三層即可1989年Robert Hecht-Nielson證明了對(duì)于任何在閉區(qū)間內(nèi)的一個(gè)連續(xù)函數(shù)都可以用具有一個(gè)隱層的BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)逼近，因而一個(gè)三層的BP網(wǎng)絡(luò)可以完成任意的n維到m維的映射。。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后為36 9 2結(jié)構(gòu)。原始數(shù)據(jù)不能直接用來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)要求在-1到+1之間，根據(jù)數(shù)據(jù)本身的規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，這樣有利于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

4.1.4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定

　　訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)調(diào)整參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，其過(guò)程較長(zhǎng)，需經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的訓(xùn)練。學(xué)習(xí)速率的最優(yōu)值出現(xiàn)時(shí)不一定對(duì)應(yīng)最優(yōu)的動(dòng)量常數(shù)，但兩者又有著天然的聯(lián)系。一開(kāi)始讓網(wǎng)絡(luò)按已確定的較優(yōu)隱單元上訓(xùn)練模式，當(dāng)結(jié)果有了明顯變化時(shí)，反過(guò)來(lái)再對(duì)隱單元數(shù)作修改，這樣有利于節(jié)約尋找時(shí)間，且能得到較為滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：學(xué)習(xí)速率β=0.2；動(dòng)量因子α=0.6；誤差終止值E=0.15。

4.2 資料的選取

　　資料的選取采用皇甫川流域數(shù)據(jù)，土地利用類型是變量。通過(guò)對(duì)該流域60年代、70年代、80年代和90年代(1990～1997年)每年的土地利用變化分析以及實(shí)地調(diào)研，確定土地利用分類，作為產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報(bào)的基本數(shù)據(jù)。表2表明了60年代、70年代、80年代和1990～1997年四個(gè)階段土地利用變化的情況。

表2 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算流域不同時(shí)期土地利用變化的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

The runoff rate and sediment yield of land use with ANN model for different period

類別

60年代

70年代

80年代

1990～1997

1998～2010

面積(km²)

299.5

304.0

476.4

410.7

307.8

農(nóng)地

產(chǎn)出率(kg/畝)

49.4

77.2

89.9

105.4

150.4

徑流量(m³/km².a)

53900.0

39800.0

54900.0

35867.7

29743.6

侵蝕量(t/km².a)

15500.0

9500.0

16000.0

13667.5

12583.7

面積(km²)

130.7

218.0

244.2

409.7

617.6

林地

產(chǎn)出率(kg/畝)

18.3

34.4

54.9

71.3

95.7

徑流量(m³/km².a)

796.1

721.8

663.5

541.8

362.2

侵蝕量(t/km².a)

364.2

301.5

275.6

250.5

236.4

面積(km²)

151.8

218.9

199.4

180.1

169.6

牧地

產(chǎn)出率(kg/畝)

80.0

94.6

120.2

123.4

134.6

徑流量(m³/km².a)

919.7

891.2

763.9

546.8

462.8

侵蝕量(t/km².a)

368.1

335.3

272.9

216.2

199.9

人

口(人)

70135

75930

95998

108947

127783

　　應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了由于土地利用類型隨時(shí)代轉(zhuǎn)變引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化(見(jiàn)表2)及土地產(chǎn)出率的變化(見(jiàn)圖4)。并對(duì)1998～2010年作了預(yù)測(cè)。

圖4 土地產(chǎn)出率與土壤侵蝕的關(guān)系
Relation between the rate of output value and soil erosion in Huangfuchuan Watershed

　　皇甫川流域(面積3250km²)土地利用變化顯著。從統(tǒng)計(jì)數(shù)字上看，該流域土地利用變化主要是農(nóng)林牧業(yè)的變化，草地的減少恰好是林地和坡耕地的增加。從計(jì)算結(jié)果可知，坡耕地的增加引起了產(chǎn)沙量的增加，而把由于造林減少的產(chǎn)沙量的成績(jī)抵消了。由此，應(yīng)把坡耕地的治理放在首要位置。

　　從表2和圖4中可清楚地看到，農(nóng)地和草地面積減少，林地面積增加，土地產(chǎn)出率增高，產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少。

　　隨著農(nóng)地面積的波動(dòng)變化(增減)，產(chǎn)流產(chǎn)沙率也呈有規(guī)律性波動(dòng)變化(增減)，70年代，由于無(wú)計(jì)劃地開(kāi)荒種田，使農(nóng)地面積(主要是坡耕地)增加很快，導(dǎo)致了產(chǎn)流產(chǎn)沙量的增加。80年代以來(lái)，該流域大力開(kāi)展水土保持工程，農(nóng)地開(kāi)始有計(jì)劃地減少，而人口又不斷增加，形成了人地矛盾。但農(nóng)地的減少，一部分地增加了基本農(nóng)田(梯田、壩地等)的面積，另一部分是退耕還林，提高了土地的產(chǎn)出率；林地大面積增加，產(chǎn)流產(chǎn)沙量不斷減少，林地的多種經(jīng)營(yíng)，其產(chǎn)出率增加很快；草地面積的有計(jì)劃減少，主要用于造林與改良牧草，使草地質(zhì)量和載畜能力提高，有效地控制了水土流失，草地產(chǎn)出率也在穩(wěn)步上升。土地產(chǎn)出率的提高緩解了人地矛盾，是土地利用變化發(fā)展的總趨勢(shì)。

5 結(jié)論與討論

　　1.城市化建設(shè)期對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響最嚴(yán)重。城市化建設(shè)期土壤侵蝕率是農(nóng)田的10～350倍(平均180倍)，是森林的1500倍。

　　2.采礦業(yè)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響嚴(yán)重。采礦不僅破壞了植被，而且也破壞了土壤結(jié)構(gòu)。同時(shí)產(chǎn)生大量的棄土石方。如，準(zhǔn)格爾露天煤礦，投產(chǎn)以后棄土石方達(dá)2.8億m³。產(chǎn)沙率和輸沙量比無(wú)采礦區(qū)增大了10倍以上。對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了嚴(yán)重影響。采礦是必要的，對(duì)環(huán)境的影響無(wú)法避免。但加強(qiáng)管理能減少對(duì)環(huán)境的危害。

　　3.土地利用變化發(fā)展趨勢(shì)。隨著經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，農(nóng)林牧副漁、城市化、工礦、交通、旅游等各業(yè)都在迅速發(fā)展。各項(xiàng)生產(chǎn)建設(shè)都要占用土地(含水域)，在逐年土地銳減的情況下，泱泱大國(guó)愈感土地量的不足。于是，土地變得緊張起來(lái)。經(jīng)濟(jì)愈發(fā)展，對(duì)土地需求量越大。必然形成相爭(zhēng)竟發(fā)，大量開(kāi)發(fā)土地資源，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)影響下，土地成為高值資源。這種形勢(shì)將延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。大量開(kāi)發(fā)，多項(xiàng)使用，土地產(chǎn)出率增高，這是土地利用變化發(fā)展的總趨勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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