基于GIS和層次分析法的雪崩災害危險性評估及線路工程減災對策研究
——以帕隆藏布流域為例

李 靖, 鄧 桃 , 潘 前， 陳秒單

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031; 2. 四川文理學院建筑工程學院, 四川達州 635006)

帕隆藏布流域作為西藏與西南地區(qū)進行經(jīng)濟文化交流的最短路徑，是出藏道路中不可或缺的關(guān)鍵路段，同時在我國鐵路建設“十二五”規(guī)劃中，帕隆藏布流域也是川藏鐵路的必經(jīng)之路。但與此同時，帕隆藏布流域因復雜的地質(zhì)地貌條件和特殊的水文氣候影響，流域內(nèi)冰雪災害發(fā)育，雪崩、冰湖潰決等災害時有發(fā)生，如位于流域上游的然烏峽谷地段，春冬季節(jié)時常發(fā)生滾石下落和雪崩災害，堵路砸車現(xiàn)象時有發(fā)生，每年因雪崩災害造成道路中斷的時長平均為1～10 d。在確定帕隆藏布流域作為鐵路通行的必經(jīng)之路的前提條件下，正確合理地對流域內(nèi)的雪崩災害進行危險性分區(qū)，對后期鐵路線路方案的選擇和針對雪崩災害的減災策略制定具有重要指導意義。

近年來，許多學者已經(jīng)對帕隆藏布流域內(nèi)的雪崩災害展開了相關(guān)研究。如趙鑫[1]等人通過實地考察川藏公路安久拉山至古鄉(xiāng)段的90處雪崩，運用統(tǒng)計方法得出了研究區(qū)雪崩的分布規(guī)律。陳祥方[2]等人通過野外調(diào)查獲取雪崩災害指標因子后，應用層次分析法和模糊綜合評價法建立了川藏公路安久拉山至古鄉(xiāng)段雪崩災害危險性分區(qū)模型。高傳東[3]等人以帕隆藏布流域為例，探討了基于GIS技術(shù)的災害多發(fā)區(qū)段線路方案優(yōu)選策略。

本文在陳祥方[2]等人工作的基礎上，重新選擇了部分雪崩災害評價因子，應用層次分析法和GIS技術(shù)繪制了帕隆藏布流域雪崩危險性分區(qū)圖，并根據(jù)分區(qū)結(jié)果，對通過此區(qū)域的川藏鐵路線路方案選擇和針對雪崩災害的工程防治措施提出了具體的建議措施。

1 研究區(qū)雪崩災害分布現(xiàn)狀

通過室內(nèi)遙感影像解譯并結(jié)合實地考察資料，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的雪崩分布受地貌效應，水文條件和植被覆蓋率的影響，雪崩災害主要分布在帕隆藏布流域上游的峽谷地貌區(qū)(然烏鎮(zhèn)-宗壩村)，其次是帕隆藏布江源頭以上的安久拉山埡口-然烏鎮(zhèn)。具體分布位置如圖1所示。

圖1 帕隆藏布流域雪崩災害分布

2 危險性評價指標體系的建立

2.1 雪崩災害評價指標的選取

2.1.1 氣候條件評價指標的選取

影響雪崩的氣候條件主要包括：

(1)為雪崩提供物質(zhì)基礎的年平均降水量。

(2)為積雪提供儲存條件的逐日平均氣溫低于0 ℃的天數(shù)這兩大指標。選擇兩者作為雪崩災害危險性評價中的氣候條件評價指標。

2.1.2 地形條件評價指標的選取

具有一定厚度的雪花落到地表后，只有在滿足一定要求的地形條件下才可能產(chǎn)生堆積，進而由于堆積過厚產(chǎn)生向下運動的趨勢形成雪崩。所以地形條件的好壞，往往直接關(guān)系到雪崩是否發(fā)生以及發(fā)生的規(guī)模。趙鑫[1]等人發(fā)現(xiàn)雪崩一般發(fā)生在地形起伏度較大、坡度適宜和地面粗糙的地區(qū)，因此選擇地形起伏度、平均坡度和地面粗糙度三者作為雪崩災害危險性評價中的地形條件評價指標。

2.1.3 其他條件評價指標的選取

除了氣候條件、地形條件以外，還存在一些影響雪崩運動路徑和重現(xiàn)率的其他因素，綜合評價指標的可獲取性和已有的研究成果[4]，選擇了下墊層類型、植被覆蓋率和區(qū)域內(nèi)雪崩發(fā)生次數(shù)三者作為雪崩災害危險性評價中的其他條件評價指標。

2.2 雪崩災害評價指標體系的建立

綜上所述，根據(jù)基礎資料的可獲取性，參考相關(guān)書籍、文獻 [2,4,5]，選定了氣候條件、地形條件和其他條件這三個類別下的八項指標作為帕隆藏布流域雪崩危險性評估的關(guān)鍵要素，評價指標體系如圖2所示。

圖2 帕隆藏布流域雪崩災害評價指標體系

3 應用AHP層次分析法確定評價指標權(quán)重

在得到帕隆藏布流域雪崩危險性評估的八項具體指標后，使用AHP層次分析法確定各項評價指標權(quán)重。

3.1 評價指標判斷矩陣

采用一致矩陣法,把由圖2得到的所有指標兩兩進行比較,得到雪崩評價指標判斷矩陣如表1所示,其中:Bi=1,2,...,8表示各評價指標。

表1 評價指標判斷矩陣

計算得表1所示的評價指標判斷矩陣一致性比例CR=0.017<0.1，說明判斷矩陣的不一致性在容許范圍內(nèi)，滿足一致性檢驗要求。

3.2 評價指標權(quán)重的確定

將評價指標判斷矩陣中的特征向量進行歸一化處理，利用“分層總和排序法”，獲得各評價指標的權(quán)重值如表2所示。

表2 評價指標權(quán)重計算結(jié)果

4 基于GIS空間分析功能，確定雪崩災害危險性分區(qū)

4.1 氣候條件

根據(jù)“中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”上提供的氣象數(shù)據(jù)資料，利用ArcGIS空間分析功能中的插值分析，處理得到研究區(qū)內(nèi)“年平均降雨量”分區(qū)圖和“逐日平均氣溫低于0 ℃天數(shù)”分區(qū)圖。

4.2 地形條件

4.2.1 地形起伏度與平均坡度

利用ArcGIS空間分析功能中的領(lǐng)域分析，柵格計算，地區(qū)統(tǒng)計和坡度分析等功能對帕隆藏布流域的DEM地形圖進行處理分析，得到“地形起伏度”分區(qū)圖和“平均坡度”分區(qū)圖。

4.2.2 地面粗糙度

地面粗糙度是特定區(qū)域內(nèi)地球表面積與其投影面積之比，是反映地表形態(tài)的宏觀指標之一[5],在得到“平均坡度”分區(qū)圖后，通過在柵格計算器中輸入地面粗糙度與坡度的換算公式(如式(1)所示)，獲得“地面粗糙度”分區(qū)圖。

R=1/cos(S×π/180)

(1)

式中：R表示地面粗糙度，S表示坡度。

4.3 其他條件

4.3.1 下墊層類型

下墊層類型的不同對雪崩運動路徑和最大拋程有著不同影響，如草地、樹木等植被茂密的下墊層相比粒雪、巖石屑堆等松散物質(zhì)組成的下墊層，對雪崩運動路徑和最大拋程的阻礙作用更明顯，下墊層類型的劃分通過GoogleEarth提供的遙感影像資料進行具體判別。

4.3.2 植被覆蓋率

區(qū)域內(nèi)如果植被茂密，能有效地抑制雪崩災害發(fā)生的規(guī)模和頻率。通過下載“地理空間數(shù)據(jù)云”上的NDVI圖(NDVI即歸一化植被指數(shù)，它是利用植被對衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)反射能力的不同，分析得到的能反映植物生長狀況的NDVI值，NDVI值越高，植被覆蓋情況越好[5])，結(jié)合ArcGIS空間分析功能中的地區(qū)統(tǒng)計功能，繪制得到“植被覆蓋率”分區(qū)圖。

4.3.3 區(qū)域內(nèi)雪崩發(fā)生次數(shù)

根據(jù)趙鑫[1]等人通過實地考察得到的帕隆藏布流域雪崩分布與地貌關(guān)系圖，分析得到流域內(nèi)不同區(qū)段發(fā)生雪崩的次數(shù)數(shù)據(jù)，再結(jié)合ArcGIS空間分析功能中的插值分析，最終得到“區(qū)域內(nèi)雪崩發(fā)生次數(shù)”分區(qū)圖。

4.4 雪崩災害危險性分區(qū)圖的建立

在得到雪崩災害危險性評價的各指標權(quán)重和分區(qū)圖后，利用ArcGIS軟件，對各圖層進行疊加分析，最終得到帕隆藏布流域雪崩災害危險性分區(qū)圖(圖3)。所得結(jié)果與陳祥方[2]等人通過實地考察后繪制的川藏公路安久拉山至古鄉(xiāng)段雪崩災害危險度分區(qū)圖基本吻合。

圖3 帕隆藏布流域雪崩危險性分區(qū)

5 雪崩災害對線路工程的影響及減災策略研究

根據(jù)得到的帕隆藏布流域雪崩危險性分區(qū)圖，對擬通過此區(qū)域的川藏鐵路線路方案選擇和通過形式提出如下建議：

(1)在線路走向上應盡量采用繞避方案繞避雪崩分布密集，危險性等級嚴重的帕隆藏布流域上游峽谷地貌段。

(2)在線路的通過形式上建議采用長隧方案穿越伯舒拉嶺，從而避免了鐵路通過雪崩災害集中的上游然烏峽谷地段，對鐵路的施工安全和后期安全運營意義重大。

(3)在線路通過位于流域中部的波密縣城后，隨著海拔降低，河谷變寬，雪崩災害逐漸減少，因此鐵路線路在通過波密后，可采用路基、橋梁等明線工程沿河谷布線，以節(jié)省投資；同時為避免流域下游的少數(shù)雪崩點對線路工程的影響，推薦線路走高線位方案。

6 結(jié)論

本文基于GIS技術(shù)和層次分析法繪制了帕隆藏布流域雪崩危險性分區(qū)圖，并與趙鑫[1]等人通過實地調(diào)查得到的該區(qū)域90處雪崩資料進行了對比分析，結(jié)果表明所得危險性分區(qū)圖能較好地反映雪崩分布實際情況；并在得到危險性分區(qū)圖的基礎上對鐵路通過此流域的線路方案選擇和通過形式提出了具體建議，相關(guān)建議可作為川藏鐵路通過帕隆藏布流域時的線路工程減災對策供設計人員參考使用。