RS和GIS在鐵路施工期水土流失預(yù)測中的應(yīng)用研究——以新建敦煌至格爾木鐵路為例

王　凌

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

RS和GIS在鐵路施工期水土流失預(yù)測中的應(yīng)用研究
——以新建敦煌至格爾木鐵路為例

王凌

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

摘要：以新建敦煌至格爾木鐵路為例，應(yīng)用RS和GIS技術(shù)獨(dú)有的空間分析功能和可視化表達(dá)，在遙感影像的基礎(chǔ)上， 結(jié)合鐵路沿線地區(qū)土壤侵蝕類型、坡度、植被覆蓋度及地表組成物質(zhì)、地形圖等相關(guān)資料，通過人機(jī)交互解譯、信息提取和分類，利用GIS的圖形編輯、空間疊加分析和空間統(tǒng)計(jì)分析功能，獲得鐵路沿線的土壤侵蝕現(xiàn)狀、土壤侵蝕類型與強(qiáng)度，RS和GIS技術(shù)可準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂的掌握區(qū)域水土流失現(xiàn)狀，為預(yù)測鐵路建設(shè)可能造成的水土流失總量奠定基礎(chǔ)，為工程施工期水土流失防治措施提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：新建鐵路；RS；GIS； 施工期； 水土流失

水土流失是世界性的環(huán)境災(zāi)害問題之一，水土流失的發(fā)生和發(fā)展受降水、土壤、地形、植被覆蓋和土地利用方式等多因素的影響，是一種復(fù)雜的人文和自然地理過程[1]。我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，且水土流失類型復(fù)雜多樣。長期以來，科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的土壤侵蝕野外定位觀察和區(qū)域調(diào)查工作，取得了大量成果，但傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究方法不僅繁雜，而且時(shí)效性較差，因此方法的創(chuàng)新成為土壤侵蝕研究的焦點(diǎn)[2]。近年來，隨著遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展和土壤侵蝕機(jī)理研究的不斷積累，土壤侵蝕模型的研究和模擬預(yù)報(bào)技術(shù)越來越受到人們的重視[3]。遙感技術(shù)是指從遠(yuǎn)距離高空或外層空間的各種平臺(tái)上，利用各種波段的遙感器，通過攝影或掃描、信息感應(yīng)，識(shí)別地面物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)[4]。地理信息系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)于空間信息輸入、儲(chǔ)存管理、分析應(yīng)用與結(jié)果輸出的計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)。它除了具有數(shù)據(jù)庫的基本功能外，還具有強(qiáng)大的空間分析和輔助決策功能，可為宏觀決策管理服務(wù)，能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的空間分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究[5]。本文應(yīng)用RS和GIS技術(shù)，通過對ETM+衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取相關(guān)因子，統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域水土流失現(xiàn)狀，然后利用數(shù)學(xué)模型法預(yù)測研究區(qū)域施工期水土流失總量，分析施工擾動(dòng)后新增水土流失狀況，為施工期的水土流失防治提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1研究區(qū)概況

新建敦煌至格爾木鐵路位于甘肅省西北部酒泉市和青海省西部海西蒙古族藏族自治州境內(nèi).線路北端接軌于柳敦鐵路的終點(diǎn)敦煌車站，經(jīng)敦煌市沿G215國道溯黨河而上，走行于沖積平原(綠洲)區(qū)、荒漠戈壁區(qū)、高中山區(qū)和風(fēng)沙區(qū)，經(jīng)肅北、阿克塞縣境，翻越祁連山山脈的當(dāng)金山后，于蘇干湖盆地進(jìn)入青海省海西州境內(nèi)，翻越賽什騰山，經(jīng)魚卡、大柴旦行委，于青藏鐵路西格段的飲馬峽車站接軌，線路全長658.326 km[6]。線路所經(jīng)大部分地區(qū)干旱少雨，植被稀少，地表沙物質(zhì)豐富，以沙丘、沙地和大面積的戈壁、裸巖、石礫地為主，生態(tài)環(huán)境惡劣，對建設(shè)工程擾動(dòng)十分敏感[7]。新建鐵路敦煌至格爾木線遙感影像如圖1所示。

圖1　新建鐵路敦煌至格爾木線遙感影像

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文主要采用1988年Landsat-5 TM影像、1999年Landsat-7 ETM+影像數(shù)據(jù)和1∶25萬地形圖為主要信息源，結(jié)合鐵路沿線地區(qū)土壤、行政區(qū)劃、氣象數(shù)據(jù)、土地利用、水土保持規(guī)劃及相關(guān)文獻(xiàn)資源等資料，以遙感影像為基礎(chǔ)，首先對ETM+影像進(jìn)行預(yù)處理，通過遙感圖像數(shù)字處理的方法，提取了對水土流失起主導(dǎo)作用的植被覆蓋度、土地利用類型，溝谷密度及土壤成土母質(zhì)等因子；在矢量化等高線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上、生成數(shù)字高程模型(DEM)，提取地形坡度；然后結(jié)合DEM、土壤圖、植被圖及野外現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，在ArcGIS的支持下，通過人機(jī)交互解譯、信息提取和分類，利用GIS的圖形編輯、空間疊加分析和空間統(tǒng)計(jì)分析功能，獲得鐵路沿線10 km范圍內(nèi)土壤侵蝕現(xiàn)狀、土壤侵蝕類型與強(qiáng)度，進(jìn)而得到鐵路沿線的土壤侵蝕圖。具體工作流程如圖2所示。

圖2　土壤侵蝕遙感制圖技術(shù)流程

遙感影像預(yù)處理又被稱作圖像糾正和重建，其主要目的是糾正原始圖像中的幾何與輻射變形[8]。預(yù)處理內(nèi)容主要包括在ENVI中使用輻射定標(biāo)模塊和FLASH模塊進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正[9]操作，通過選取地面控制點(diǎn)和最鄰近重采樣法對遙感影像進(jìn)行幾何精糾正[10]。影像完成預(yù)處理后，在ArcGIS中統(tǒng)一坐標(biāo)投影系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)裁切。

3研究成果與分析

依據(jù)上述工作流程，研究獲取了敦格鐵路沿線的地貌類型圖、土壤類型圖、植被類型圖和土地利用圖，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，并參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，按照土壤侵蝕分類系統(tǒng)和土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈6級(jí)，最終得到敦煌至格爾木鐵路沿線10 km范圍內(nèi)的土壤侵蝕情況見圖3，土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

圖3　新建鐵路敦煌至格爾木線土壤侵蝕遙感影像

侵蝕類型侵蝕強(qiáng)度兩側(cè)10km兩側(cè)1km兩側(cè)200m面積/km2比率/%面積/km2比率/%面積/km2比率/%水蝕風(fēng)蝕凍融侵蝕微度277.0882.710.8831.072.0080.99輕度87.3920.850.20.0200中度0.7940.010000小計(jì)365.2733.5611.0831.092.0080.99微度244.9192.391.8130.180.2840.14輕度1211.73911.8187.3468.5916.8258.29中度388.6493.799.1080.91.120.55強(qiáng)度1490.55214.52125.53912.3427.28113.44極強(qiáng)度409.7953.9931.7333.126.5613.23劇烈5674.22655.29727.08271.47144.20971.06小計(jì)9419.8891.79982.62296.59196.28296.72微度29.3430.290.9010.090.1410.07輕度272.4752.6522.7382.234.5142.22中度176.0441.720000小計(jì)477.8624.6623.6392.324.6552.29總計(jì)10263.0191001017.344100202.944100

從表1可知，鐵路兩側(cè)10、1 km和200 m范圍內(nèi)土壤侵蝕以風(fēng)力侵蝕為主，不同范圍內(nèi)風(fēng)力侵蝕面積占土壤侵蝕總面積的比例分別為91.79%、96.59%、96.72%.此外，線路兩側(cè)10、1 km和200 m范圍內(nèi)也存在水力侵蝕和凍融侵蝕，其中水力侵蝕面積所占比例分別為3.56%、1.99%、0.99%，凍融侵蝕面積所占比例分別為4.66%、2.32%和2.29%。

敦格鐵路沿線原生地表土壤侵蝕強(qiáng)度及模數(shù)見表2。

表2　敦格鐵路沿線原生地表土壤侵蝕強(qiáng)度及模數(shù)

4成果應(yīng)用及預(yù)測

4.1預(yù)測時(shí)段

施工準(zhǔn)備期：時(shí)長3個(gè)月，結(jié)合產(chǎn)生水土流失的季節(jié)，以最不利的時(shí)段進(jìn)行預(yù)測。

施工期：時(shí)長5年，施工過程中修筑橋梁、路基填挖方、隧道棄砟、整修便道等一系列工程活動(dòng)，將大量占用土地、破壞植被、擾動(dòng)原地表結(jié)構(gòu)，致使土地抗侵蝕能力降低，加劇工程占地范圍內(nèi)的水土流失。

4.2預(yù)測單元

根據(jù)工程內(nèi)容和特點(diǎn)可以分為主體工程區(qū)和臨時(shí)工程區(qū)，主體工程區(qū)主要為路基、站場、橋涵、隧道工程，臨時(shí)工程區(qū)包括取棄土場、隧道棄砟場、施工便道、施工場地等工程。由于不同地貌單元土壤侵蝕類型與強(qiáng)度不同，工程施工在不同地貌單元產(chǎn)生的水土流失量也不同，因此，根據(jù)沿線的自然地理特征和土壤侵蝕特點(diǎn)，本預(yù)測以沿線不同地貌分區(qū)為基本單元進(jìn)行水土流失預(yù)測。

4.3預(yù)測模式

工程所經(jīng)地區(qū)主要以風(fēng)力侵蝕為主，根據(jù)工程的環(huán)境特征及鐵路工程施工特點(diǎn)，工程建設(shè)中造成的新增水土流失量擬采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》[12]相關(guān)規(guī)定，土壤流失量計(jì)算公式如下

(1)

(2)

式中W——預(yù)測時(shí)段內(nèi)土壤流失量，t；

ΔW——新增土壤流失量，t；

Mij——某時(shí)段某單元的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；

Fji——某時(shí)段某單元的預(yù)測面積，km2；

ΔMji——某時(shí)段某單元的新增土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a，只計(jì)正值，負(fù)值按0計(jì)；

Ti——某時(shí)段某單元的預(yù)測時(shí)間，a；

i——預(yù)測單元，i=1，2，3，…，n；

j——預(yù)測時(shí)段，j=1，2，3，指施工準(zhǔn)備期和施工期。

依據(jù)土壤流失量計(jì)算公式，應(yīng)用RS和GIS對鐵路沿線的土壤侵蝕現(xiàn)狀、土壤侵蝕類型、強(qiáng)度及侵蝕模數(shù)的分析結(jié)果，預(yù)測鐵路沿線的土壤侵蝕背景流失量。通過對擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)蝕的類比調(diào)查，確定工程擾動(dòng)地貌后土壤侵蝕模數(shù)，預(yù)測施工擾動(dòng)后造成的土壤侵蝕總量。工程擾動(dòng)地表后土壤侵蝕模數(shù)見表3。

4.4預(yù)測結(jié)果及分析

通過預(yù)測，各地貌單元背景流失量及在施工期可能造成的土壤侵蝕總量見表4，各工程類型的背景流水量及在施工期可能造成的土壤侵蝕總量見表5。

從表4可知：按地貌單元?jiǎng)澐?，沖積平原(綠洲)區(qū)、荒漠戈壁區(qū)、高中山區(qū)和風(fēng)沙區(qū)土壤侵蝕比率分別為2.6%，84.4%，8.4%，4.6%；從表5可知：按工程類別劃分，施工期主體工程水土流失量最大，為732 796 t，新增流失量為377 892 t，占總流失量的58.4%。

表3　新建敦煌至格爾木鐵路工程擾動(dòng)地表后土壤侵蝕模數(shù)

表4　各地貌單元在施工期可能造成的土壤侵蝕總量

表5　各工程類型在施工期可能造成的土壤侵蝕總量

從表4、表5可知：鐵路沿線土壤侵蝕主要集中在荒漠戈壁區(qū)，土壤侵蝕背景流失量約59.0萬t，施工期(包括施工準(zhǔn)備期)未采取任何水土保持措施的情況下，鐵路建設(shè)施工擾動(dòng)后可能造成的水土流失總量約125.5萬t，相對原背景流失量，工程施工期新增流失量約66.5萬t。

工程建設(shè)施工中，由于開挖坡面、取土、棄砟、車輛碾壓等原因，將占用土地、砍伐樹木、破壞土壤結(jié)構(gòu)及地表結(jié)皮，降低局部地段植被覆蓋率，使項(xiàng)目區(qū)土地涵養(yǎng)水源、保持水土功能的能力降低，加劇水土流失強(qiáng)度。具體表現(xiàn)為，工程造成的土壤侵蝕以路基邊坡和取土場、棄砟場邊坡為主。由于沿線干旱少雨，蒸發(fā)量和風(fēng)力較大，在沒有任何防護(hù)措施的情況下，邊坡的水土流失可達(dá)劇烈程度；尤其本項(xiàng)目所處地區(qū)自然條件惡劣，多大風(fēng)及災(zāi)害性天氣，將加劇風(fēng)力侵蝕的程度，而取土削坡、棄土和棄砟及施工道路汽車碾壓，將破壞地表本身土壤結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。

5結(jié)語

決定水土流失發(fā)生與嚴(yán)重程度的4個(gè)要素分別為土壤類型、植被覆蓋度、地形坡度和土地利用類型，這些因素是具有空間屬性且隨時(shí)間而變化的信息，因此可以利用G IS和RS技術(shù)獲取。G IS技術(shù)可以獲得地形高程和土壤類型分布等基礎(chǔ)信息，RS技術(shù)可以準(zhǔn)確、迅速地得到植被覆蓋度和土地利用類型變化信息，從而可以準(zhǔn)確有效、圖文并茂地實(shí)現(xiàn)對水土流失背景要素的預(yù)測。本文通過RS和GIS技術(shù)的應(yīng)用，分析鐵路沿線原生地表的土壤侵蝕現(xiàn)狀、土壤侵蝕類型與強(qiáng)度，預(yù)測出工程沿線土壤侵蝕背景流失量，為施工期水土流失總量的預(yù)測奠定了基礎(chǔ)，更為鐵路施工期合理設(shè)置取土場、棄土棄砟場、施工便道，采取有效的水土流失防治措施提供參考依據(jù)，對沿線地區(qū)生活環(huán)境保護(hù)及運(yùn)營安全具有重要意義。

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Application of RS and GIS in Prediction of Soil Erosion and Water Loss during Railway Construction

WANG Ling

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：With reference to the new Dunhuang to Golmud railway， current situation of soil erosion， soil erosion type and intensity along the railway are obtained with unique RS and GIS technology and remote sensing images based on such information as the type of soil erosion， slope， vegetation coverage and surface composition of the areas along the railway and on the application of man-machine interactive interpretation， information extraction and classification， GIS image editing， spatial overlay analysis. RS and GIS can accurately capture accurate and true illustrations of regional soil erosion status to lay down the foundation for prediction of potential total soil erosion and water loss and provide reference data for prevention and control of soil erosion and water loss during the construction.

Key words：Newly-built railway; RS; GIS; Construction period; Soil erosion and water loss

中圖分類號(hào)：U212.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.038

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0169-04

作者簡介：王凌(1979—)，女，工程師，2003年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)給水排水工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2014-09-16； 修回日期：2014-10-19