一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法与流程

1.本技术涉及水土流失工况指标识别与监测预警技术领域，尤其涉及一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法。


背景技术：

2.输变电线路工程作为一种典型的点、线性相结合的生产建设项目，具有跨度广及扰动点分散等特点。就单个塔基而言，输变电线路工程对地面的扰动呈点状，塔基施工占地较小，对地表的破坏程度较其他线性工程小；而以整个项目而言，其对地面的扰动呈线状，一些输变电线路工程易跨越土壤环境敏感区、自然保护区及生物多样性优先保护区等重点生态功能区，这势必会对土地资源、生态景观及生态系统整体性产生重要影响。
3.水土流失是指由于自然或人为因素的影响、雨水不能就地消纳、顺势下流、冲刷土壤，造成水分和土壤同时流失的现象。主要原因是地面坡度大、土地利用不当、地面植被遭破坏、耕作技术不合理、土质松散、滥伐森林、过度放牧等。水土流失的危害主要表现在：土壤耕作层被侵蚀、破坏，使土地肥力日趋衰竭；淤塞河流、渠道、水库，降低水利工程效益，甚至导致水旱灾害发生，严重影响工农业生产；水土流失对山区农业生产及下游河道带来严重威胁。
4.输电线路工程杆塔基础开挖破坏地表稳定的抗蚀层，松散的沙母质层直接外露，为伏沙地风蚀、水蚀提供了丰富的物质来源，人为加速了固定沙丘的活化过程。在风蚀、水蚀等外力作用下，裸露的伏沙地破口进一步破坏，沙母质层被外力搬运至周边区域，造成了沙化面积的进一步增加。输电线路施工造成了固定沙丘的活化。土壤侵蚀的发生取决于风力、降雨、径流等侵蚀营力与土壤抗蚀能力的相互作用。
5.输变电线路工程水土流失具有不可控因素多、总体水土流失强度较小、局部点状水土流失强烈的特点，相对于原地貌水土流失，输变电线路工程建设引起的水土流失量可增大5.1倍。此外，根据线路组成、工程特性及施工建设等特点，不同水土保持类型区水土流失来源和水土流失特征差异显著。因此，针对于输变电线路水土流失防治工作应予以足够重视，输变电线路工程水土流失研究亟需进一步的深入和完善。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法，以解决现有技术中针对架空线路塔基建设中水土流失程度评估预警机制不完善的问题。
7.本技术采用的技术方案如下：
8.一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法，包括以下步骤：
9.步骤s1、根据架空线路工程的实际建设特点和塔基建设相关工序与内容，梳理与水土流失相关的工况指标；
10.步骤s2、采取双变量相关分析模型，通过分析计算各个所述工况指标与水土流失程度的相关系数，初步筛选出所述相关系数大于设定阈值的所述工况指标；
11.步骤s3、然后对所述初步筛选出的工况指标进行灰色关联聚类分析，根据实际需求二次筛选出与水土流失关联度大于设定阈值或设定比例的代表性工况指标；
12.步骤s4、采取层次分析法计算主观权重，采用变异系数法或熵权法计算客观权重，得到所述代表性工况指标的综合权重；
13.步骤s5、根据专家征询法，针对各个所述代表性工况指标设定最优值与最差值；
14.步骤s6、运用功效系数法计算不同建设项目的功效系数值，并设定功效系数值与对应预警等级的判别标准；
15.步骤s7、将所述功效系数值对照所述判别标准，得出水土流失情况的预警等级。
16.优选地，所述步骤s2中计算各个所述工况指标与水土流失程度的相关系数方法包括：
17.pearson简单相关系数计算法；
18.假设检验相关系数计算法；
19.计算检验统计量的观测值，查表得到观测值对应的显著性(sig)，将其与显著性水平进行比较，得出相关系数。
20.优选地，所述步骤s3包括：
21.对所述初步筛选出的工况指标通过灰色关联聚类分析法进行聚类，形成指标群，从每类所述指标群中分别选取一个具有较强代表性的工况指标，得到所述代表性工况指标，实现工况指标的第二次筛选。
22.优选地，所述步骤s4包括：
23.基于所述熵权法确定各个指标客观权重，某个所述工况指标的信息熵越小，变异程度越大，其权重也就越大；
24.基于层次分析法确定各个指标主观权重，包括构造有层次的问题结构模型、构造判断矩阵、单排序一致性检验和总排序一致性检验；
25.所述综合权重计算方式为：综合权重＝0.8*主观权重 0.2*客观权重。
26.优选地，所述步骤s6包括：
27.根据各个所述工况指标的特点，可按照以下规则确定单项功效系数：
28.共分为四种变量，其中指标值越大、单项功效系数值越高的为极大型变量；指标数值越小、单项功效系数要高的为极小型变量；指标数值在某一点时其单项系数最高的为稳定型变量；指标数值在某一区间时其单项系数最高的为区间型变量；
29.极大型变量单项功效系数计算公式为：
[0030][0031]
极小型变量单项功效系数公式：
[0032][0033]
稳定型变量单项功效系数公式为：
[0034][0035]
区间型变量单项功效系数公式为：
[0036][0037]
式中，g1i为第i个极大型评价指标的单项功效系数值，xi为第i(i＝l,2,,,m)个评价指标的实际值；xyi为第i个评价指标的满意值；xni为第i个评价指标的不允许值；xmax为区间型变量的上限值；xmin为区间型变量的下限值；xnmax为上限的不允许值；xnmin为下限的不允许值；
[0038]
功效系数为
[0039][0040]
式中:w
ij
(i＝1,2,
…
,n,j＝1,2,
…
,m)为工况指标的权重,x
ij
为单项功效系数。
[0041]
优选地，所述步骤s6中所述功效系数值与对应预警等级的判别标准如下：
[0042]
序号等级功效系数值1非常严重功效系数＞802重度60≤功效系数≤803一般40≤功效系数＜604较轻功效系数＜40。
[0043]
采用本技术的技术方案的有益效果如下：
[0044]
本技术以架空线路塔基建设工程为研究对象，深入结合架空线路工程的实际特点，结合塔基建设的主要步骤与水土流失特性分析，对水土流失来源、工况指标进行梳理，整体识别建设工况指标，并结合相关性方法对指标进行进一步的分类与提出，最终通过功效系数法对水土流失预警程度进行判断，既考虑客观工况实际影响，同时结合数据测算与主观经验判断，对架空线路工程各区段水土流失来源及措施体系配置进行归纳和总结，构建考虑复杂要素的水土流失预警模型，为后续措施体系配置进行归纳和总结，以期为水土流失防治提供参考，为后续水保方案的制定以及主体工程优化、工程措施、植物措施、临时措施等提出提供参考。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。
[0046]
图1为本技术一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法流程图；
[0047]
图2为本技术中层次分析结构划分示意图。
具体实施方式
[0048]
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。
[0049]
参见图1，为本技术一种架空线路塔基建设水土流失监测预警方法流程图。
[0050]
本技术提供的一个具体实施例，公开了一种考虑复杂工况的架空线路塔基建设水土流失监测预警方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0051]
步骤s1、根据架空线路工程的实际建设特点和塔基建设相关工序与内容，梳理与水土流失相关的工况指标。
[0052]
水土流失主要的工况指标有降雨的强度、降雨的时长、降雨的总量、初始地下水的深度、浅层地下水的流动过程、地表径流的冲刷程度、土壤的抗剪切力、土壤的孔隙率、土壤的渗透系数、第四系的发育深度、地表坡度、地表植被及人为水土保持构筑物、阻水层的深度及厚度等。
[0053]
步骤s2、采取双变量相关分析模型，通过分析计算各个所述工况指标与水土流失程度的相关系数，初步筛选出所述相关系数大于设定阈值的所述工况指标。若pearson系数大于0.8，则表示在0.01的置信水平下，双变量之间显著相关，即两者存在强相关。由此可知，因素与水土流失的相关程度较大，这表明其对水土流失的影响程度较大。
[0054]
相关性分析
[0055]
相关性分析(correlationanalysis)的主要目的是研究变量之间关系的密切程度，如身高与体重、线材量与塔材量、主变容量与配电装置的关系等。在统计分析中，相关性一般指“线性相关性”，其紧密程度用相关系数表示。相关系数通常记为r，取值在-1到 1之间，绝对值越接近1，说明变量之间的关系越紧密。绝对值等于1，说明两个变量完全相关，已知a变量的值即可得到b变量的值。相关系数为正，说明a变量增加时b变量同时增加，二者为正相关关系；反之，说明a变量增加时b变量减少，二者为负相关关系。
[0056]
对不同类型的变量，相关系数的计算公式也不同，下面简单介绍三种常用的相关系数计算方法：
[0057]
1)pearson简单相关系数
[0058]
pearson简单相关系数用来度量定距变量的线性相关关系，在计算相关系数时应用最广。其计算公式为：
[0059][0060]
其中n为样本数，xi和yi分别为两个变量在不同样本中的取值。因为pearson简单相关系数的计算公式恰好是矩阵乘积形式，所以也被称为积距相关系数。对式子进行变化后发现，相关系数可以表示为xi和yi分别标准化后相乘，再求n个积的平均数。
[0061]
根据变量特征求出相关系数后，可对其进行分析。当r＝0时表示两个变量之间不存在线性相关关系；当0＜|r|≤0.3时，表示二者微弱相关；当0.3＜|r|≤0.5时，二者低度
相关；当0.5＜|r|≤0.8时，二者显著相关；0.8＜|r|≤1时，二者高度相关；|r|＝1时，二者完全线性相关。
[0062]
在输变电工程造价影响因素分析中，可以通过判断因素之间是否具有显著的线性关系，为后续的多因素降维、关键因素筛选等奠定基础。
[0063]
2)假设检验
[0064]
当对x变量和y变量进行相关性分析时，预先设定两个变量的联合分布为二维正态分布：x取任意值时，y的条件分布为正态分布；y取任意值时，x的条件分布为正态分布。而由于抽样的随机性、样本容量较少等原因，基于抽取样本得到的结果不能直接用来说明总体，需要通过假设检验的方法进行推断。步骤如下：
[0065]
提出原假设，两个变量之间并无显著的线性相关关系；
[0066]
构造检验统计量；
[0067]
pearson相关系数的检验统计量为t统计量，t～t(n-2)；
[0068][0069]
3)计算检验统计量的观测值，查表得到观测值对应的显著性(sig)，将其与显著性水平进行比较。若小于显著性水平，则拒绝原假设，认为两个变量间存在显著的线性相关关系。反正，则接受原假设。注意：若已知两个变量的相关系数是正还是负，可进行单侧检验，效果更好。
[0070]
步骤s3、然后对所述初步筛选出的工况指标进行灰色关联聚类分析，根据实际需求二次筛选出与水土流失关联度大于设定阈值或设定比例的代表性工况指标。
[0071]
优选地，所述步骤s3包括：
[0072]
对所述初步筛选出的工况指标通过灰色关联聚类分析法进行聚类，形成指标群，从每类所述指标群中分别选取一个具有较强代表性的工况指标，得到所述代表性工况指标，实现工况指标的第二次筛选。
[0073]
灰色关联聚类分析
[0074]
设有n个观测对象，每个对象观测m个特征数据，得到序列如下：
[0075]
xi＝(xi(1),xi(2),
…
,xi(n))而由xi、xj产生的始点零化像x
i0
、x
j0
如下：
[0076]
x
i0
＝(x
i0
(1),x
i0
(2),
…
,x
i0
(n))，
[0077]
其中，x
i0
(k)＝xi(k)-xi(1)，令
[0078][0079]
则xi与xj的灰色绝对关联度为
[0080][0081]
从而得到上三角矩阵a
[0082][0083]
其中ε
ii
＝1，i＝1,2,
…
,m
[0084]
临界值τ(0＜τ≤1)的大小可根据实际问题的需要而定，一般要求τ》0.5。τ越接近1，则分类越细，每一类中的特征就越少；τ值越小则分类越粗，这时每一类中的特征则相对较多。当ε
ij
≥τ时，则视xi与xj在水平τ下为同类特征。这样就得到特征x1,x2,
…
,xn在水平τ下的一个分类。
[0085]
由于当xi与xj正相关时，它们对应的s值同号(同为正或同为负)，|s
i-sj|较小，xi与xj的关联度较大；当xi与xj负相关时，对应的s值异号，|s
i-sj|较大，xi与xj的关联度较小。因此，xi与xj在水平τ下为同类特征时可认为二者呈正相关。
[0086]
绝对关联度满足灰色关联公理中规范性，偶对对称性与接近性，但不满足整体性，且具有以下八个性质：
[0087]
1)0＜ε
ij
≤1；
[0088]
2)ε
ij
只与xi与xj几何形状有关，而与其它无关，或者说，平移不改变绝对关联度的值；
[0089]
3)任何两个序列都不是绝对无关的，即ε
ij
恒不为零；
[0090]
4)xi与xj几何形状相似程度越大，ε
ij
越大；
[0091]
5)当xi或xj中任一观测数据变化了，ε
ij
将随之变化；
[0092]
6)xi与xj长度变化，ε
ij
的值也会随之变化；
[0093]
7)ε
ii
＝ε
jj
＝1；
[0094]
8)ε
ij
＝ε
ji
。
[0095]
由双变量相关性分析和灰色聚类分析结果可知，代表性工况指标包含降雨量、地表径流的冲刷程度、地表径流的冲刷程度、坡度、地质类型、阻水层的深度及厚度。
[0096]
步骤s4、采取层次分析法计算主观权重，采用变异系数法或熵权法计算客观权重，得到所述代表性工况指标的综合权重。
[0097]
优选地，所述步骤s4包括：
[0098]
基于所述熵权法确定各个指标客观权重，某个所述工况指标的信息熵越小，变异程度越大，其权重也就越大；
[0099]
基于层次分析法确定各个指标主观权重，包括构造有层次的问题结构模型、构造判断矩阵、单排序一致性检验和总排序一致性检验；
[0100]
所述综合权重计算方式为：综合权重＝0.8*主观权重 0.2*客观权重。
[0101]
(1)熵权法
[0102]
评价模型为：设用n个评价指标决策评价m个待选方案。x
ik
：待选方案k的评价指标i的估计值。x
i*
：评价指标i的理想值。x
i*
值大小因评价指标特性不同而异，对于收益性指标，x
i*
越大越好；对于损失性指标(逆指标)，x
i*
越小越好(也可先转成正指标)。
[0103]
定义x
ik
对于的x
i*
接近度d
ik
：
[0104][0105]dik
归一化处理：
[0106][0107]
总体熵：用n个评价指标评价m个待选方案的熵e为：
[0108][0109]
指标与方案无关时的总体熵：
[0110]
如果评价指标的相对重要性与待选方案无关，则熵由下列公式计算求得：
[0111][0112]
式中：
[0113]
这样，评价指标i对待选方案决策评价的相对重要性的不确定性可由下列条件熵确定：
[0114]
评价指标i的条件熵
[0115][0116]
由熵的极值性可知，即di1≈di2≈
…
dik，越接近相等，条件熵就越大，评价指标对待选方案评价决策的不确定性也就越大。
[0117]
用对上式进行归一化处理，就得到表征评价指标i的评价决策重要性的熵值。
[0118][0119]
(2)层次分析法
[0120]
如图2所示，首先构建层次结构，对决策问题进行细化分解，梳理构造成一个由上到下的层次结构，复杂问题被分解为多个核心元素，上层元素对下层元素起到决对支配的作用。
[0121]
应用ahp分析决策问题时，首先把负责问题分解为多个元素，然后根据元素的属性，把元素分解为若干层次，最后构造出一个有层次的问题结构模型，作为层次分析法计算的基础。
[0122]
构造判断矩阵
[0123]
为了体现各个元素之间的权重对应关系，需要构造判断矩阵，一般采用1-9标度法，及运用数字1-9及其倒数作为标度，对元素之间的对应关系进行评价。
[0124]
单排序一致性检验
[0125]
一般用一致性指数ci检验各判断矩阵是否设计合理，有无逻辑错误，通常认为，当ci《0.10时，该判断矩阵是合理的，在可接受的范围内，不需要进行再次调整，否则需要对判断矩阵进行进一步调整与修正。
[0126]
总排序一致性检验
[0127]
单一排序一致性满足要求后，还需要对总排序进行一致性检验。若检验通过，现在的权重排序结果可以作为最终的决策依据。如果一致性指数大于0.1，还需要对各个指标层进行从新构建。
[0128]
综合权重计算方式为：综合权重＝0.8*主观权重 0.2*客观权重。
[0129]
步骤s5、根据专家征询法，针对各个所述代表性工况指标设定最优值与最差值。
[0130]
基于专家征询法的最优值、最差值设定
[0131]
专家征询法作为传统的指标阈值设定方法之一，是一种客观地综合多数专家经验与主观判断确定指标阈值的一种手段，经常用来确定轻易不会改变的指标阈值，在很多行业具有一定的实用性，缺点则是工作量大，自动化程度低，结果带有主观片面性。专家征询法实际上是著名的delphi方法在确定指标阈值上的应用，专家征询法确定阈值的主要流程如下所示：
[0132]
1)确定要设定阈值的指标；
[0133]
2)确定可供参考的标杆对象；
[0134]
3)在指标的考察期，各个专家分别独立制定指标阈值，一定要做到独立，不能与其他专家交流；
[0135]
4)计算各个专家针对每一个指标选定阈值的均值，以均值为中心确定可以接受的偏差域(一般取3σ区间范围)，将落在偏差域外的专家挑选出来，重新征询；
[0136]
5)重新征询的过程是要让两个专家或若干个专家间接了解对方的想法，执行的方式主要是通过中间人而不是直接让两个专家见面；
[0137]
6)经过若干轮征询，直到所有专家对该指标设定的阈值都落在可接受偏差域内；
[0138]
7)对各个专家确定的阈值求均值，得到最终的指标阈值。
[0139]
步骤s6、运用功效系数法计算不同建设项目的功效系数值，并设定功效系数值与对应预警等级的判别标准：
[0140]
根据各个所述工况指标的特点，可按照以下规则确定单项功效系数：
[0141]
共分为四种变量，其中指标值越大、单项功效系数值越高的为极大型变量；指标数值越小、单项功效系数要高的为极小型变量；指标数值在某一点时其单项系数最高的为稳定型变量；指标数值在某一区间时其单项系数最高的为区间型变量；
[0142]
极大型变量单项功效系数计算公式为：
[0143][0144]
极小型变量单项功效系数公式：
[0145][0146]
稳定型变量单项功效系数公式为：
[0147][0148]
区间型变量单项功效系数公式为：
[0149][0150]
式中，g1i为第i个极大型评价指标的单项功效系数值，xi为第i(i＝l,2,,,m)个评价指标的实际值；xyi为第i个评价指标的满意值；xni为第i个评价指标的不允许值；xmax为区间型变量的上限值；xmin为区间型变量的下限值；xnmax为上限的不允许值；xnmin为下限的不允许值；
[0151]
功效系数为
[0152][0153]
式中:w
ij
(i＝1,2,
…
,n,j＝1,2,
…
,m)为工况指标的权重,x
ij
为单项功效系数。
[0154]
所述功效系数值与对应预警等级的判别标准如下：
[0155]
序号等级功效系数值1非常严重功效系数＞802重度60≤功效系数≤803一般40≤功效系数＜604较轻功效系数＜40。
[0156]
本专利深入结合架空线路工程的实际特点，结合塔基建设的主要步骤与水土流失特性分析，系统识别建设工况指标，并结合相关性方法对指标进行进一步的分类与提出，最终功效系数法对水土流失预警程度进行判断，既考虑客观工况实际影响，同时结合数据测算与主观经验判断，主要利用实际的水土信息对水土流失情况分析结果,能够预测出基础架设发生水土流失的可能性,以便提前采取措施,避免造成输电线路的建设。对架空线路工程各区段水土流失来源及措施体系配置进行归纳和总结，以期为水土流失防治提供参考，为后续水保方案的制定以及主体工程优化、工程措施、植物措施、临时措施等提出提供参考。
[0157]
本技术提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本技术总的构思下的几个示例，并不构成本技术保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本技术方案所扩展出的任何其他实施方式都属
于本技术的保护范围。