基于GIS和層次分析法的沖積扇油氣管道段坡面侵蝕性評價

呂擎峰,王慶棟，王生新，趙本海

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

土壤侵蝕對人類的生存和發(fā)展危害較大，因此受到人們的普遍重視[1]。早期主要通過模擬試驗，19世紀70年代，德國土壤學(xué)家Wollny建立了世界上第一批徑流小區(qū)，研究各因子與土壤侵蝕的關(guān)系。20世紀40年代，Ellison將侵蝕過程分雨滴侵蝕、徑流侵蝕、雨滴搬運、徑流搬運過程，這一研究標志土壤侵蝕研究由定性階段進入定理研究階段。60年代以后，隨著計算機的發(fā)展，建立了侵蝕預(yù)報模型。80年代，侵蝕產(chǎn)沙及其機理研究取得重要進展[2]。80年代以后，隨著測試技術(shù)的改進和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對侵蝕影響因子進行了更深入的研究[3-4]。隨著GIS技術(shù)的成熟，將GIS引入沖積扇坡面土壤侵蝕成為人們關(guān)注的熱點。

我國長輸油氣管道是國家經(jīng)濟的大動脈，但由于埋深淺、跨區(qū)廣等特點，其抵御地質(zhì)災(zāi)害的能力較差，因而出現(xiàn)較多的管道地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，嚴重影響長輸油氣管道的安全運營。西部長輸油氣管道常常穿越山前大型沖積扇，坡面侵蝕十分發(fā)育[5]，占所有地質(zhì)災(zāi)害的40.9%。

由于沖積扇坡面流呈網(wǎng)狀，且相互影響，沖積扇坡面侵蝕過程極為復(fù)雜，影響因子眾多。針對油氣管道坡面侵蝕單體的風險性評價，本文提出模型見圖1。

圖1 侵蝕單體評價模型Fig.1 Evaluation model of erosion monomer

本研究借助GIS軟件，以青海省烏蘭縣希里溝山前沖積扇為例，結(jié)合西氣東輸油氣管道，進行遙感解譯，并進行現(xiàn)場調(diào)查，獲取抗沖性、滲透性、坡度等7類指標因子，建立數(shù)據(jù)庫，加權(quán)疊加分析指標因子對管線的影響。對沖積扇的研究有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

烏蘭溝山前沖積扇，位于青海省海西州烏蘭縣城東南約22 km處，該扇面積約83 km2，海拔2 988～4 317 km(圖2)。青海省及臨區(qū)大陸地殼具有平面分塊性，豎直分層性特征，該扇屬于柴達木—昆侖區(qū)，按照地層和空間展布特點，該沖積扇位于歐龍布魯克分區(qū)。地層主要為震旦系全吉群、中寒武統(tǒng)、上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)多泉山組，主要巖性為灰?guī)r、白云巖、石英砂礫巖、頁巖等。位于柴達木北緣褶皺帶與殘山斷褶帶間，構(gòu)造地質(zhì)作用強烈。第四系主要為間歇性河相沉積，經(jīng)出水口呈喇叭狀分布，扇頂物質(zhì)較粗，主要為礫、砂，分選較差，最大粒徑達2.7 m，隨著水流搬運能力向扇邊緣減弱，堆積物質(zhì)逐漸變細，分選也較好，為沙、粉沙、亞黏土。第四系沉積垂直方向上具粗細相間的沉積韻律，呈多層結(jié)構(gòu)。

圖2 區(qū)域地理概況Fig.2 Regional geography

西氣東輸油氣管道西一線、西二線穿越該沖積扇，穿越長度約12.2 km，兩線相距25 m。坡面侵蝕對管線影響較大[6]。本研究試驗點選在西一線上。

2 數(shù)據(jù)收集與處理

淺溝侵蝕在坡面侵蝕中占有重要地位， 是坡面侵蝕預(yù)報必須考慮的重要方面。在該沖積扇的野外調(diào)查中，沿西一線選取40條淺溝沖開處作為試驗點。

2.1 收集各指標因子

在管堤附近做現(xiàn)場試驗，提取因子包括抗沖性、滲透性、休止角、管線與溝道夾角、植被覆蓋率。現(xiàn)場通過調(diào)查，選取典型斷面，確定每個侵蝕單體的進水口，通過泥痕法確定水量，室內(nèi)通過謝才公式驗證野外數(shù)據(jù)的準確性?，F(xiàn)場通過地質(zhì)羅盤，選取與觀測者眼睛高度基本一致的標桿，進行測量侵蝕單體的坡度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)主要包括柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)主要是遙感影像、數(shù)字高程模型[7](圖3)。將沖積扇遙感圖、管線、調(diào)查點矢量化(圖4)，建立數(shù)據(jù)庫，方便屬性查詢[8-9]。

圖3 沖積扇DEM圖Fig.3 DEM of alluvial fan

圖4 研究區(qū)矢量化Fig.4 Vectorization of research area

3 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法(AHP)比較適合處理難以量化的復(fù)雜問題，是由美國運籌學(xué)家T.L.Satty于20世紀70年代初提出的一種系統(tǒng)分析方法。

3.1 構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)

通過分析沖積扇的災(zāi)害特征，坡面流侵蝕程度作為目標層，選擇地表性質(zhì)B1、地形與相對位置B2、水文條件B3、植被B4四類作為準則層[10]。地表性質(zhì)進一步細分為地表抗沖性C1、滲透性C2、休止角C3三類；地形與相對位置可分為沖積扇的坡度C4及管線與溝道的夾角C5；水文條件主要考慮出水口來水量C6；植被通過植被覆蓋率C7來表示。分析系統(tǒng)中各要素的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)[11]。

3.2 構(gòu)造成對比較矩陣

由熟悉沖積扇坡面侵蝕的專家，根據(jù)各因子的重要性，運用1～9標度進行量化(表1)，假定B層中因素Bk與下一層次中因素C1，C2，…，Cn有聯(lián)系，進行一一對比，則可構(gòu)造判斷矩陣(表2～4)。采用求和法：(1)判斷矩陣每一列歸一化；(2)對歸一化的矩陣，再按行求和得到；(3)將求和后的向量歸一化后為特征向量；(4)求最大特征根λmax；(5)最大特征根λmax對應(yīng)的特征向量歸一化后，就是下一層因子對于上一層因子的權(quán)重。

3.3 一致性檢驗

根據(jù)判斷矩陣階數(shù)，查隨機一致性指標RI,并計算比值Ic/RI，進行一致性檢驗，檢驗結(jié)果見表5。Rc<0.1，表明各判斷矩陣的一致性均在可接受的范圍內(nèi)。對最大特征值歸一化后，為各因子的權(quán)重值(表6)。

表1 指標取值范圍

表2 準則層判斷矩陣

表3 B1與C1-C3判斷矩陣表

表4 B2與C4-C5判斷矩陣表

表5 一致性檢驗參數(shù)表

表6 因子權(quán)重值表

4 基于GIS對管道工程區(qū)分析

ArcGIS的疊加分析功能，包括各種遙感數(shù)據(jù)、航測數(shù)據(jù)等，疊加分析的前提是將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的柵格數(shù)據(jù)格式，且各個疊加層必須具有統(tǒng)一的地理空間，即具有統(tǒng)一的空間參考(包括地圖投影、參考橢球體、基準面等)，統(tǒng)一的比例尺及統(tǒng)一的分辨率[12]。疊加分析的目的是分析在空間位置上有一定關(guān)聯(lián)度空間對象的空間特征和專題屬性之間的相互關(guān)系，其結(jié)果不僅可以產(chǎn)生新的空間關(guān)系，還可以生成新的屬性特征關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)多層數(shù)據(jù)間的相互聯(lián)系和變化等特征，可以提取大量的隱含信息[13-14]。

4.1 指標因子轉(zhuǎn)換

本研究中的柵格、矢量數(shù)據(jù)均采用同一坐標投影(WGS-1984-UTM-Zone-47N)。借助GIS軟件，進行幾何校正，投影坐標系的轉(zhuǎn)換。然后通過空間數(shù)據(jù)庫，將調(diào)查點抗沖性、滲透性、休止角、坡度、管線與溝道夾角、來水量、植被覆蓋率這七類指標，調(diào)用點要素轉(zhuǎn)柵格工具，生成各因子?xùn)鸥駡D，圖5、圖6分別為各災(zāi)害調(diào)查點抗沖性、坡度柵格圖。

圖5 調(diào)查點抗沖性指數(shù)Fig.5 Anti-scouribility of survey points

圖6 調(diào)查點坡度Fig.6 Slope of investigated places

4.2 疊加分析

加權(quán)疊加分析中，首先要對柵格圖重分類[15]。然后調(diào)用加權(quán)疊加工具，按照權(quán)重進行疊加分析，即可得到調(diào)查點的侵蝕強度柵格圖[16-18]。將最終柵格圖層按照自然斷點法進行分級，劃分為高、較高、中、較低、低五級，得到面流侵蝕強度等級圖[19-21](圖7)。

圖7 侵蝕強度等級Fig.7 Levels of erosion indensity

5 結(jié)論

通過對比疊加分析結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查的侵蝕程度，分析結(jié)果高的調(diào)查點，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)面流侵蝕嚴重，對管道危害大，有露管的趨勢，需要加強人工防護。分析結(jié)果低的調(diào)查點，實際面流侵蝕較弱，對管道運營影響不大。表明利用層次分析法確定權(quán)重，借助GIS加權(quán)疊加在坡面侵蝕研究中值得推廣。本研究得出結(jié)論：

(1)山前沖積扇坡面侵蝕的研究中，構(gòu)建了以“地表性質(zhì)”、“地形與相對位置”、“水文條件”、“植被”為準則層，7個影響因子為基礎(chǔ)指標的侵蝕強度分析體系。結(jié)果表明，坡度所占的權(quán)重最高，達35.1%，管線與溝道夾角、地表抗沖性所占權(quán)重相近，分別為17.5%、17.4%，進水口水量所占權(quán)重也比較高，達15.3%。

(2)分析西部調(diào)查區(qū)，侵蝕強度普遍高、較高，因為該區(qū)進水口水量普遍較高，33號溝水量最高，達2.4 m3，抗沖性普遍較低。向中部逐漸變較低，進而變?yōu)橹?。東部調(diào)查區(qū)侵蝕強度普遍低、較低，因為進水口水量低，3號溝來水量僅0.31 m3。

(3)本研究的借鑒意義在于，為沖積扇各影響因子的研究提供一種新思路，為已有油氣管線運營期的主要治理區(qū)域及新管線的選址提供理論支持。將研究推廣應(yīng)用，對于山前沖積扇鐵路及公路的選址可以得到很好的啟發(fā)。

參考文獻：

[1] 賴亦卡. 坡面土壤侵蝕影響因子研究進[J]. 亞熱帶水土保持，2008，20(1)：12-16.

LAI Yika. Research progress on influencing factors of slope soil erosion[J]. Subtropical Soil and Water Conservation，2008，20(1)：12-16.

[2] 鄭粉莉，高學(xué)田. 坡面土壤侵蝕過程研究進展[J]. 地理科學(xué)，2003，23(2)：230-235.

ZHENG Fenli，GAO Xuetian. Research progress in hillslope soil erosion progresses[J]. Scientia Geographica Sinica， 2003，23(2)：230-235.

[3] 陳俊杰，孫莉英，劉俊體，等. 不同坡長與雨強條件下坡度對細溝侵蝕的影響[J]. 水土保持通報， 2013，33(2)：1-5.

CHEN Junjie， SUN Liying，LIU Junti，et al. Effect of slope gradient on rill erosion under different rainfall intensities and slope lengths[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation，2013，33(2)：1-5.

[4] 李軍鵬，董衛(wèi)國，孟惠芳，等. 降雨條件下坡面細溝侵蝕模型及臨界坡度研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2016，31(1)：207-212.

LI Junpeng，DONG Weiguo，MENG Huifang，et al. Research of rill erosion model and critical slope gradient during rainfall[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(1)：207-212.

[5] 龐偉軍，鄧清祿. 地質(zhì)災(zāi)害對輸氣管道的危害及保護措施[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2014，25(3)：114-120.

PANG Weijun，DENG Qinglu. Harm of geohazards to gas pipeline and protective measures[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Contral，2014，25(3)：114-120.

[6] 趙應(yīng)奎. 西氣東輸三線輸氣管道工程線路區(qū)域地震地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2015，23(S)：516-523.

ZHAO Yingkui. The regional seismic geological environment and geological hazards along the route of west-east gas pipeline Ⅲ[J]. Journal of Engineering Geology，2015，23(S)：516-523.

[7] 常青，楊希，從?？?，等. ArcGIS在礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復(fù)中的應(yīng)用[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2014，25(1)：131-134.

CHANG Qing，YANG Xi，CONG Changkui，et al. Application of ArcGIS in mining geological environment protection and recovery[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Contral，2014，25(1)：131-134.

[8] 沈芳，黃潤秋，苗放，等. 地理信息系統(tǒng)與地質(zhì)環(huán)境評價[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2000， 11(1)：6-10.

SHEN Fang，HUANG Runqiu，MIAO Fang，et al. Geographic information system and geoenvironmental evaluation[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2000，11(1)：6-10.

[9] 羅培. 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害風險評估信息系統(tǒng)探—以重慶市為例[J]. 災(zāi)害學(xué)，2005，20(4)：57-61.

LUO Pei. Discussion on GIS-based geological evaluation system of Chongqing[J]. Journal of Catastrophology，2005，20(4)：57-61.

[10] 徐存東，連海東，聶俊坤，等. 基于改進層次分析法的干旱揚水罐區(qū)水土環(huán)境變遷響應(yīng)評估[J]. 干旱區(qū)地理，2015，38(5)：880-886.

XU Cundong，LIAN Haidong，NIE Junkun，et al. Response evalution for changes of water and soil environment in arid pumping-irrigation areas based on improved analytic hierarchy process[J]. Arid Land Geography，2015，38(5)：880-886.

[11] 左雙英，程欣宇，梁風，等. 基于GIS的貴陽市地質(zhì)災(zāi)害危險性評價[J]. 地球與環(huán)境，2005，33(4)：83-88.

ZUO Shuangying，CHENG Xinyu，LIANG Feng，et al. MapGIS geological hazards risk evaluation in Guiyang City on GIS[J]. Earth and Environment，2005，33(4)：83-88.

[12] 吳林，張鴻輝，王慎敏，等. 基于柵格數(shù)據(jù)空間分析的土地整理生態(tài)評價—以江西省南康市鳳崗鎮(zhèn)為例[J]. 中國土地科學(xué)，2005，19(3)：24-28.

WU Lin，ZHANG Honghui，WANG Shenmin，et al. Ecological assessment in land consolidation project based on spatial analyst of grid data:a case study of Fenggang Nankang City in Jiangxi Province [J]. China Land Science，2005，19(3)：24-28.

[13] 楊海軍，邵全琴. GIS空間分析技術(shù)與地理數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究[J]. 地球信息科學(xué)，2007，9(5)：70-75.

YANG Haijun， SHAO Quanqin. Cosideration on GIS spatial analysis in geospatial data processing[J]. Geo-Information Science，2007，9(5)：70-75.

[14] 施成艷，鹿獻章，劉中剛. 基于GIS的安徽黃山市徽州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2016，27(1)：136-140.

SHI Chengyan，LU Xianzhang，LIU Zhonggang. GIS-based zoning of geological hazard’s susceptibility in Huizhou district of Huangshan City of Anhui Province[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Contral，2016，27(1)：136-140.

[15] 許英姿，盧玉南，李東陽，等. 基于GIS和信息量模型的廣西花崗巖分布區(qū)滑坡易發(fā)性評價[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2016，24(4)：693-703.

XU Yingzi， LU Yunan， LI Dongyang，et al. GIS and information model based landslide susceptibility assessment in granite area of Guangxi Province[J]. Journal of Engineering Geology，2016，24(4)：693-703.

[16] 張梁，張建軍. 地質(zhì)災(zāi)害風險區(qū)劃理論與方法[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2000，11(4)：323-328.

ZHANG Liang，ZHANG Jianjun. The theory and method of risk zonation of geo-hazard[J]. Journal of Geological Hazardsand Environment Preservation，2000，11(4)：323-328.

[17] 劉航，蔣尚明，金菊良，等. 基于GIS的區(qū)域干旱災(zāi)害風險區(qū)劃研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2013， 28(3)：198-203.

LIU Hang，JIANG Shangming，JIN Juliang，et al. A GIS-based approach toregional drought risk zoning[J]. Journal of Catastrophology，2013，28(3)：98-203.

[18] 張偉朋，諶文武，葉飛，等. 基于GIS的白龍江流域甘肅段滑坡分布規(guī)律研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2016，24(S)：1118-1126.

ZHANG Weipeng，CHEN Wenwu， YE Fei，et al. Study on the distribution rules of landslides of Bailong river basin in Gansu Province[J]. Journal of Engineering Geology，2016，24(S)：1118-1126.

[19] 朱良峰，殷坤龍，張梁，等. 基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風險分析系統(tǒng)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2002，10(4)：428-433.

ZHU Liangfeng，YIN Kunlong， ZHANG Liang，et al. Risk analysis system of geo-hazards by using GIS technique[J]. Journal of Engineering Geology， 2002，10(4)：428-433.

[20] 盧全中，彭建兵，趙法鎖. 地質(zhì)災(zāi)害風險評估(價)研究綜述[J]. 災(zāi)害學(xué)，2003，18(4)：59-63.

LU Quanzhong，PENG Jianbing，ZHAO Fasuo. An overview on the study of risk assessment of geological hazards[J]. Journal of Catastrophology，2003，18(4)：59-63.

[21] 孟祥瑞，裴向軍，劉清華，等. GIS支持下基于因子分析法的都汶路沿線地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2016，27(3)：106-115.

MENG Xiangrui，PEI Xiangjun，LIU Qinghua，et al. GIS-Based susceptibility assessment of geological hazards along the road from Dujiangyan to Wenchuan by factor analysis[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Contral，2016，27(3)：106-115.