分層抽樣法在鐵路項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局中的應(yīng)用研究

趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

分層抽樣法在鐵路項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局中的應(yīng)用研究

趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

天水至平?jīng)鲨F路;水土流失監(jiān)測(cè);分層抽樣法;樣本;監(jiān)測(cè)點(diǎn)

鑒于目前鐵路類建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果大多不能反映建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失的現(xiàn)狀，以天水至平?jīng)鲨F路工程為例，在充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)劃分監(jiān)測(cè)樣本，確定樣本總量，利用事前分層抽樣中的樣本設(shè)計(jì)和抽樣設(shè)計(jì)，對(duì)大型線型項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間布局進(jìn)行了控制和優(yōu)化。結(jié)果表明:天水至平?jīng)鲨F路工程共需設(shè)置42個(gè)水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布符合鐵路工程新增水土流失的規(guī)律，布局合理，優(yōu)于原水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局方案。

鐵路建設(shè)項(xiàng)目占地面積大，動(dòng)用土石方量大，對(duì)地表的擾動(dòng)強(qiáng)烈，若防護(hù)不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生大量的水土流失。目前，鐵路類建設(shè)項(xiàng)目的水土流失監(jiān)測(cè)大多完全憑經(jīng)驗(yàn)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以至于監(jiān)測(cè)結(jié)果不能準(zhǔn)確反映建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失的狀況，不利于后續(xù)項(xiàng)目的開(kāi)展。鑒于開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的復(fù)雜性，可采用抽樣調(diào)查的方法來(lái)掌握項(xiàng)目整體水土流失狀況［1］。目前，分層抽樣在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)研究中有所涉及［2－4］，主要使用事后抽樣的方法，但事后抽樣調(diào)查法受原始抽樣數(shù)量限制較大，當(dāng)抽樣數(shù)量較少時(shí)誤差較大［5］。筆者試以天水至平?jīng)鲨F路工程為例，首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法確定水土流失監(jiān)測(cè)樣本總量，然后再利用事前分層抽樣調(diào)查法確定水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，以期為其他線型項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)提供參考。

1 研究方法

主要通過(guò)事前分層設(shè)計(jì)，確定抽樣樣本(監(jiān)測(cè)點(diǎn))數(shù)量，并利用抽樣設(shè)計(jì)和樣本設(shè)計(jì)，對(duì)樣本空間分布進(jìn)行控制和優(yōu)化［5－6］，即先根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定分層，劃分監(jiān)測(cè)樣本，再利用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的地形與水土流失特點(diǎn)分別確定各層及監(jiān)測(cè)樣本總數(shù)量，利用置信限要求計(jì)算監(jiān)測(cè)樣本容量，最后依據(jù)分層抽樣法的抽樣條件和鐵路項(xiàng)目的水土流失特點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)樣本的分配。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

2.1 自然概況

新建鐵路天水至平?jīng)鼍€位于甘肅省東部天水和平?jīng)鰞墒芯硟?nèi)。項(xiàng)目經(jīng)過(guò)渭河、牛頭河、付川河等河谷區(qū)，關(guān)山、六盤山中山山地區(qū)和黃土梁峁區(qū)等3個(gè)地貌單元。線路全長(zhǎng)約114 km，其中路基、橋梁主要分布于地勢(shì)平緩的渭河、牛頭河、付川河等河谷區(qū);隧道主要分布在關(guān)山、六盤山山地區(qū)和黃土梁峁區(qū)。項(xiàng)目總占地面積485.22 hm2，共動(dòng)用土方量1 137.2萬(wàn)m3，全線設(shè)置取土場(chǎng)19處、棄土場(chǎng)3處、隧道棄渣場(chǎng)25處。項(xiàng)目區(qū)降水季節(jié)分配不均，冬春干旱多風(fēng)，夏秋陰濕多雨，季風(fēng)氣候特征明顯。按照項(xiàng)目穿越的3個(gè)地貌類型區(qū)分述的項(xiàng)目區(qū)概況詳見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目區(qū)概況

2.2 土壤侵蝕狀況

天水至平?jīng)鲨F路所經(jīng)河谷地區(qū)、黃土梁峁地區(qū)受人類活動(dòng)影響較大，水土流失相對(duì)嚴(yán)重，多為中度侵蝕;關(guān)山和六盤山中山山地區(qū)受人類活動(dòng)擾動(dòng)小，植被覆蓋率高，水土流失輕微，多屬于輕度侵蝕。詳見(jiàn)表2。

表2 鐵路沿線土壤侵蝕模數(shù)及擾動(dòng)面積

2.3 研究結(jié)果

2.3.1 項(xiàng)目區(qū)分區(qū)

依據(jù)地貌類型對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行一級(jí)分區(qū)，即劃分為河谷區(qū)、中山山地區(qū)、黃土梁峁區(qū)3個(gè)分區(qū)。將工程類型分為主體工程和臨時(shí)工程，主體工程包括路基工程、橋梁工程、隧道工程、站場(chǎng)工程等;臨時(shí)工程包括取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)、施工便道、施工營(yíng)地和場(chǎng)地等。結(jié)合表2可知，該項(xiàng)目造成的土壤侵蝕主要來(lái)自于主體工程及取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)等大型臨時(shí)工程，因此根據(jù)工程類型將主體工程與臨時(shí)工程作為次級(jí)分區(qū)。

2.3.2 監(jiān)測(cè)樣本量的確定

(1)監(jiān)測(cè)樣本及樣本總量的確定。在次級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤侵蝕的特點(diǎn)，確定單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所能代表的最大范圍，并根據(jù)其所能代表的范圍劃定抽樣調(diào)查的樣本。其中，主體工程可視為線型工程，且為主要產(chǎn)生水土流失的工程，可依經(jīng)驗(yàn)利用長(zhǎng)度劃定樣本量;大型臨時(shí)工程可視為點(diǎn)型工程，可通過(guò)計(jì)算大型臨時(shí)工程的數(shù)量得到樣本量。因此，樣本總量(N)為主體工程樣本數(shù)與大型臨時(shí)工程樣本數(shù)之和。

(2)樣本容量的確定。一般的抽樣調(diào)查中，確定樣本容量時(shí)，可根據(jù)以前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或者進(jìn)行預(yù)監(jiān)測(cè)，得到樣本總體平均值、方差s，然后推算出樣本容量。但是在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，受工程建設(shè)工序和水土流失監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展情況的限制，無(wú)法得和s，所以無(wú)法計(jì)算樣本容量。因此，筆者采用預(yù)估樣本總量，利用置信限的邊界誤差計(jì)算樣本容量。

在樣本總量已知的基礎(chǔ)上，利用總體比例確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，在不放回抽樣，取容量為N的有限總體時(shí)，置信限R為

(3)各層監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量的確定。采用抽樣比的方式確定各層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中:

第i分區(qū)抽樣比=第i分區(qū)樣本數(shù)量/N

第i分區(qū)路基監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量=第i分區(qū)路基抽樣比×ni

第i分區(qū)取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量=第i分區(qū)取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)抽樣比×ni

(4)抽樣策略的選擇。各分區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局，可根據(jù)沿線地形地貌和工程特點(diǎn)，通過(guò)采取不同的抽樣策略如隨機(jī)抽樣、等距抽樣、整體抽樣等進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

(1)監(jiān)測(cè)樣本及樣本總量的確定。天平鐵路工程橋隧比較高，而橋隧工程以挖方為主，擾動(dòng)面積相對(duì)較小，施工作業(yè)帶上土壤侵蝕量很小，所造成的土壤侵蝕主要產(chǎn)生于棄土棄渣場(chǎng);路基工程以填方為主，占地面積大，土壤侵蝕主要發(fā)生在路基作業(yè)面以及相應(yīng)的取土場(chǎng)。主體工程中的路基占地面積最大，故其為新增水土流失產(chǎn)生的主體;臨時(shí)工程的水土流失主要產(chǎn)生于取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)，因此依據(jù)項(xiàng)目工程類型，選擇路基和取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)分別作為主體工程和臨時(shí)工程的樣本。根據(jù)不同分區(qū)的地形地貌及水土流失特點(diǎn)，利用經(jīng)驗(yàn)確定各分區(qū)的樣本總量，見(jiàn)表3。

表3 不同地貌類型區(qū)路基與監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量

由表3可知，通過(guò)計(jì)算該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)樣本的總量N為103個(gè)。

(2)監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量的確定。在該項(xiàng)目中，受目前水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)的影響，置信區(qū)間不宜取值過(guò)高，故取值為95%(即以水土流失治理度作為置信區(qū)間P的值)，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得到za/2為1.96，誤差Δ取5%。將以上預(yù)設(shè)條件帶入公式(3)，求得監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為42個(gè)。

(3)各層監(jiān)測(cè)樣本的分配。根據(jù)抽樣比對(duì)各分區(qū)的樣本數(shù)量進(jìn)行分配，各分區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量如表4。

通過(guò)與原水土保持監(jiān)測(cè)方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布對(duì)比可知(見(jiàn)表4)，原方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，不到分層抽樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的一半，且分布比較平均，未能體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)區(qū)段的差異性，而使用分層抽樣法確定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不僅數(shù)量增加了，而且分布與地貌類型、工程契合度較好。

(4)分區(qū)內(nèi)布點(diǎn)策略。河谷區(qū)地勢(shì)平坦，地表起伏度小，層內(nèi)差異度小，可采用隨機(jī)抽樣或者等距抽樣的方法布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);中山山地區(qū)地表起伏度大，新增水土流失主要集中在取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)，可采用整體抽樣的方法，分別對(duì)溝道型和坡面型棄渣場(chǎng)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè);黃土梁峁區(qū)工程量較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，采用隨機(jī)抽樣的方法，隨機(jī)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表4 不同分區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量

河谷區(qū)地勢(shì)平坦，工程新增水土流失主要集中在路基與取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)，該區(qū)段路基占全線路基的81%，取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)占全線的68%，而該區(qū)域共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)25個(gè)，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的59.5%，其中主體工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)為12個(gè)、大臨工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)為13個(gè)，符合工程新增水土流失規(guī)律。中山山地區(qū)主要以橋隧相連形式穿越，關(guān)山和六盤山隧道均為15 km左右的特長(zhǎng)隧道，幾乎貫穿整個(gè)中山山地區(qū)，隧道棄渣量大，共設(shè)置9個(gè)大型棄渣場(chǎng)，對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行整體抽樣，再對(duì)典型棄渣場(chǎng)的不同部位集中監(jiān)測(cè)，可以更好地反映出大型棄渣場(chǎng)的水土流失特點(diǎn)。黃土梁峁區(qū)是我國(guó)傳統(tǒng)的水土流失區(qū)，該區(qū)線路總長(zhǎng)約14 km，取土場(chǎng)較多，棄土多用于取土場(chǎng)回填，該段共設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，滿足監(jiān)測(cè)需要。

由此可見(jiàn)，通過(guò)事前分層抽樣的方法所得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在沿線的分布情況，基本能夠反映出新建鐵路天水至平?jīng)鲨F路項(xiàng)目所造成的水土流失情況，滿足監(jiān)測(cè)的需要。

(5)監(jiān)測(cè)誤差分析。抽樣誤差產(chǎn)生的主要原因:①劃分抽樣樣本時(shí)，抽樣框設(shè)計(jì)不合理，樣本所代表的區(qū)域過(guò)大或者過(guò)小，影響樣本的代表性，使得監(jiān)測(cè)樣本不能很好地反映其所在區(qū)域新增水土流失特點(diǎn)，產(chǎn)生抽樣誤差。②在實(shí)際工作中仍在使用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和設(shè)施對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如采用布設(shè)監(jiān)測(cè)小區(qū)法、插釬法、侵蝕溝測(cè)量法等，誤差較大，也會(huì)產(chǎn)生抽樣誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

大型線型項(xiàng)目涉及范圍廣，地表擾動(dòng)面積大，地形地貌復(fù)雜，對(duì)其新增水土流失的監(jiān)測(cè)比較混亂，主要以經(jīng)驗(yàn)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

筆者以天平鐵路為例，采用事前抽樣的樣本和抽樣設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同工程類型的水土流失特點(diǎn)進(jìn)行分析，劃定監(jiān)測(cè)樣本，確定樣本總量，并依據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形地貌和項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)對(duì)樣本進(jìn)行分層處理，確定各層樣本數(shù)量及抽樣策略，并利用置信限的邊界誤差計(jì)算法，根據(jù)置信水平和誤差的水土保持監(jiān)測(cè)要求計(jì)算出監(jiān)測(cè)樣本容量，并計(jì)算各層的監(jiān)測(cè)樣本容量，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)大型線型項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間布局進(jìn)行控制和優(yōu)化。

從研究結(jié)果看，為達(dá)到置信區(qū)間95%和誤差5%的要求，天平線共需布設(shè)42個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)分層設(shè)計(jì)，采用抽樣比法，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)合理地分布到各分區(qū)及次級(jí)分區(qū)中，其中河谷區(qū)有25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中山山地區(qū)有9個(gè)，黃土梁峁區(qū)有8個(gè)，主體工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)23個(gè)，臨時(shí)工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)19個(gè)。使用分層抽樣法進(jìn)行天平鐵路水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局，考慮了不同工程新增水土流失和不同地形水土流失的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布滿足水土流失監(jiān)測(cè)的需要。因此，分層抽樣技術(shù)可以為線型建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總體控制與布局提供參考和決策依據(jù)，符合當(dāng)前水土流失監(jiān)測(cè)工作的需要。

［1］曾紅娟，李智廣，楊勝天.開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，3(3):42 －45.

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S157;U123.1

B

1000－0941(2012)06－0054－03

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司項(xiàng)目(院科2011－27)

趙留輝(1978—)，男，河南柘城縣人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水土保持及荒漠化治理、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)工程修復(fù)等研究工作。

2011－12－25

(責(zé)任編輯 孫占鋒)