基于GIS的蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害致災(zāi)成因分析及評價(jià)

王玉竹,閆浩文,王小平,王 卓

(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院； 2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心； 3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

中國不僅是世界上沙漠最多的國家之一，也是鐵路飽受風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有20余條鐵路(運(yùn)營里程上萬千米)線穿越風(fēng)沙地區(qū)，風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段接近1 100 km，主要集中在新疆、西藏、內(nèi)蒙和甘肅境內(nèi)，具有標(biāo)志性的鐵路當(dāng)屬蘭新高速鐵路、蘭新鐵路、包蘭鐵路、南疆鐵路和臨策鐵路。風(fēng)沙災(zāi)害給鐵路運(yùn)營帶來了嚴(yán)重隱患，尤其是新疆境內(nèi)的鐵路線，經(jīng)常遭受強(qiáng)風(fēng)沙流的侵襲，輕則污染道床，影響道床的減振性能，重則吹翻列車，嚴(yán)重威脅行車安全。

風(fēng)沙地區(qū)修筑鐵路，雖然在技術(shù)上可行，但又是一項(xiàng)困難而復(fù)雜的工作。風(fēng)沙問題始終貫穿鐵路建設(shè)和運(yùn)營的全過程，在勘察、選線、設(shè)計(jì)和施工每一個(gè)環(huán)節(jié)都要引起足夠的重視。然而，由于風(fēng)沙地區(qū)環(huán)境惡劣，且設(shè)計(jì)工作量大，勘察期間獲取的數(shù)據(jù)偏少，導(dǎo)致防沙工程設(shè)計(jì)中參考資料不足，鐵路開通運(yùn)營后產(chǎn)生了一系列問題，例如，2007年2月，烏魯木齊開往阿克蘇的5807次旅客列車行至南疆線珍珠泉至紅山渠間，遭遇瞬間風(fēng)力達(dá)13級的大風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)沙流造成機(jī)后9～19位車輛脫軌，南疆鐵路也被迫停止運(yùn)營。

鐵路風(fēng)沙災(zāi)害是指風(fēng)沙流途經(jīng)路基時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)蝕和風(fēng)積現(xiàn)象，影響鐵路安全運(yùn)營的主要問題為風(fēng)積。為保證風(fēng)沙地區(qū)鐵路的安全運(yùn)營，國內(nèi)外學(xué)者借助現(xiàn)場監(jiān)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，從風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征[1-4]、道路工程沙害形成機(jī)理[5-9]、風(fēng)沙災(zāi)害防治及其沙障防沙功效[10-17]、沙障設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化[18]、風(fēng)沙路基性能[19]等方面做了大量研究，為鐵路沙害治理提供了一些理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是基于GIS的鐵路風(fēng)沙災(zāi)害評價(jià)鮮有研究。因此，在分析鐵路風(fēng)沙災(zāi)害致災(zāi)因子的基礎(chǔ)上，基于GIS和AHP，綜合考慮影響鐵路沙害的主要因素，對新疆境內(nèi)風(fēng)沙災(zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行評價(jià)，以期對新疆境內(nèi)鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治提供新的研究方法。

1 研究區(qū)概況

蘭新鐵路風(fēng)沙災(zāi)害主要位于新疆境內(nèi)。研究區(qū)由北至南的三大山系(阿爾泰山、天山、昆侖山)將新疆分割成南疆和北疆兩個(gè)自然區(qū)域，形成了獨(dú)特的地形特征(三山夾兩盆)。從地勢上看，大體呈現(xiàn)北高南低、西高東低的態(tài)勢。

由于新疆地處內(nèi)陸，四周環(huán)山，遠(yuǎn)離海洋，使得海洋水汽難以到達(dá)，形成了典型的大陸性氣候，具有鮮明的特點(diǎn)，如晴天多、日照強(qiáng)、降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、冬寒夏熱、晝夜溫差大、風(fēng)力強(qiáng)勁頻繁、風(fēng)沙活動(dòng)頻繁等。

北方冷空氣南下是新疆地區(qū)大風(fēng)頻發(fā)的主要原因，加之區(qū)內(nèi)特殊的地形條件，大風(fēng)具有明顯的地域性。冷熱空氣的氣壓差、河谷和埡口地形的“狹管效應(yīng)”和順風(fēng)向下沉的地勢是造成區(qū)域大風(fēng)的主要因素。當(dāng)天山以北地區(qū)急劇降溫時(shí)，氣壓升高，天山以南地區(qū)尚維持相對高溫，氣壓較低，天山南北地區(qū)的氣壓差升高到一定程度時(shí)，就為形成大風(fēng)積累了足夠的動(dòng)力，天山的幾處埡口地形為釋放這種氣壓差提供了通道，氣流通過這些通道奪路而出，形成了大風(fēng)，而此時(shí)的埡口地形的“狹管效應(yīng)”進(jìn)一步加大了風(fēng)力，成為形成大風(fēng)的地形條件。

2 致災(zāi)因子

風(fēng)沙活動(dòng)是指氣流攜帶沙粒起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和沉積的過程。風(fēng)沙災(zāi)害主要是由于風(fēng)沙流平衡狀態(tài)遭受破壞而產(chǎn)生，其直接影響因子主要有風(fēng)力和沙源，間接影響因子主要有植被、海拔、粗糙度、坡向、干燥度。

2.1 風(fēng)力

風(fēng)力是風(fēng)沙流形成的動(dòng)力條件，當(dāng)風(fēng)速大于沙粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，地表松散的顆粒就會(huì)被氣流搬運(yùn)，形成風(fēng)沙流，沙漠地區(qū)沙粒的起動(dòng)風(fēng)速一般為4～7 m/s，戈壁地區(qū)沙粒起動(dòng)風(fēng)速一般為11～20 m/s。蘭新鐵路沿途經(jīng)過多處風(fēng)區(qū)，具有風(fēng)速高、風(fēng)期長，起風(fēng)速度快等特點(diǎn)，特別是三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)，瞬時(shí)風(fēng)速超過60 m/s。蘭新鐵路沿線年均風(fēng)速分布見圖1。

圖1 蘭新鐵路沿線年均風(fēng)速分布

2.2 沙源

沙是風(fēng)沙流形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響風(fēng)沙流蝕積狀態(tài)的關(guān)鍵因子。當(dāng)風(fēng)力一定時(shí)，沙源越豐富，風(fēng)沙流的輸沙率越大，危害程度越嚴(yán)重，反之，則危害程度越輕微。倘若地表較為密實(shí)，不能提供沙源，即使風(fēng)力足夠大，也不能形成風(fēng)沙流。

2.3 植被

植被是影響風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)弱的主要因素之一，具體表現(xiàn)在兩方面：固定沙源和減小風(fēng)速(近地表)。當(dāng)?shù)乇碇脖桓采w度較高時(shí)，沙丘表面很容易形成結(jié)皮，隔絕氣流與松散沙粒的接觸，間接減少沙源；另外，植被覆蓋度較高時(shí)，可以減少近地表風(fēng)力，降低氣流的攜沙能力，從而減弱風(fēng)沙活動(dòng)。蘭新鐵路沿線植被指數(shù)分布見圖2。

圖2 蘭新鐵路沿線植被指數(shù)分布

2.4 海拔

新疆的地形簡單的可概括為“三山夾兩盆”，兩盆地分別為天山北面的準(zhǔn)噶爾盆地和天山南面的塔里木盆地，盆地中間分別是古爾班通古特和塔克拉瑪干沙漠。因?yàn)樾陆歉珊瞪儆甑貐^(qū)，水資源補(bǔ)充主要依靠環(huán)盆地的3座山脈的雪融水，雪水在山腳下較多，越往盆地中間流就越少。因此，新疆境內(nèi)，除降雨較為豐富的地區(qū)，一般情況下，海拔越低沙源越豐富。蘭新鐵路沿線海拔分布見圖3。

圖3 蘭新鐵路沿線海拔分布

2.5 坡向

一般情況下，微地形上的山坡朝向與主導(dǎo)風(fēng)向夾角越小，地形對氣流的擾動(dòng)越小，越不易在此形成風(fēng)積沙害。另外，在微地形的迎風(fēng)坡氣流被壓縮，風(fēng)力得到加強(qiáng)，不易形成積沙；在背風(fēng)坡氣流擴(kuò)散，風(fēng)力發(fā)生衰減，容易形成積沙。由于新疆地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和東南風(fēng)，且西北風(fēng)的持續(xù)時(shí)間明顯多于東南風(fēng)。因此，朝向?yàn)闁|北和西南的山坡不易形成風(fēng)積沙害，而朝向?yàn)槲鞅焙蜄|南的山坡最易形成風(fēng)積沙沙害，且朝向東南的山坡積沙可能性大于朝向西北的山坡。蘭新鐵路沿線坡向分布見圖4。

圖4 蘭新鐵路沿線坡向分布

2.6 干燥度

干燥度，又稱干燥指數(shù)，是表征氣候干燥程度的指數(shù)。定義為某地一定時(shí)段內(nèi)可能的蒸發(fā)量與同期降水量的比值。與降水量和蒸發(fā)量相比，它能夠更加確切的反映某地水分的干濕狀況。

新疆境內(nèi)降雨量和蒸發(fā)量分布極不均勻，北疆降雨豐富，蒸發(fā)量較少；南疆降雨稀少，蒸發(fā)量較大；山區(qū)降雨豐富，蒸發(fā)量較?。慌璧亟涤晗∩?，蒸發(fā)量較大。降雨不僅是盆地周圍山脈積雪的重要補(bǔ)充，也是綠洲植被生長的重要水源。降雨量豐富其蒸發(fā)量少的地區(qū)，區(qū)域植被覆蓋度高，相應(yīng)的沙粒起動(dòng)風(fēng)速增大，相反，沙粒起動(dòng)風(fēng)速減小。因此，區(qū)域干燥度間接影響著風(fēng)沙流的活動(dòng)強(qiáng)烈程度。蘭新鐵路沿線干燥度分布見圖5。

圖5 蘭新鐵路沿線干燥度分布

2.7 地表粗糙度

地表粗糙度一般指地表單元曲面面積和投影面積之比，是表征地表起伏變化的指標(biāo)?？諝鈩?dòng)力學(xué)中，將風(fēng)速廓線上速度為零的位置定義為粗糙度。而在地形學(xué)中(也稱地表微地形)，粗糙度即為地面凹凸不平的程度。地形平坦的沙面上，風(fēng)速只要達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速就會(huì)形成風(fēng)沙流，但隨著地表粗糙度的增大，近地表摩阻力隨之增大，地面附近的風(fēng)力就會(huì)被大幅度削減，以致無法起動(dòng)沙粒，就不能形成風(fēng)沙流。因此，地表粗糙度越大，越不易形成風(fēng)沙流。蘭新鐵路沿線地表粗糙度分布見圖6。

圖6 蘭新鐵路沿線地表粗糙度分布

3 研究方法

采用層次分析法構(gòu)建風(fēng)沙災(zāi)害評估模型，進(jìn)行區(qū)域風(fēng)沙危害程度評價(jià)。層次分析法(簡稱AHP)，是由美國匹茨堡大學(xué)教授薩蒂(運(yùn)籌學(xué)家)于20世紀(jì)70年代初提出，是一種定性與定量分析結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，適用于大量因素?zé)o法定量表示的決策中，主要強(qiáng)調(diào)人的主觀因素在決策中的作用。

3.1 構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)

根據(jù)指標(biāo)間的隸屬關(guān)系及重要性級別設(shè)置上下層，按照目標(biāo)層(最高層)、準(zhǔn)則層(中間層)及方案層(最底層)的形式排列起來，表明上下層之間的關(guān)系，層次分析結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 層次分析結(jié)構(gòu)

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

對同一層次的各元素兩兩進(jìn)行比較，判斷其相對重要性，并將這些判斷通過合適的標(biāo)度用數(shù)值表示出來，構(gòu)造判斷矩陣。

假設(shè)某層元素M的主要影響因素為P1，P2，P3…Pn，則判斷矩陣為

M=[P1，P2，…，Pi，…，Pn]

(1)

P1=[pi1，pi2，…，pij，…，pin]

(2)

其中，pij是因素pi對因素pj的相對重要程度，通常按表1中的標(biāo)度[20]進(jìn)行定量化。且判斷矩陣需滿足以下條件

pij>0

(3)

pij=1/pji(i≠j)

(4)

pii=1 (i，j=1，2，…，n)

(5)

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義

3.3 求特征向量和特征根

求解判斷矩陣(正互反陣)特征向量和特征根的方法主要有和法、根法、冪法和最小二乘法，本文采用根法，具體步驟如下。

首先，計(jì)算判斷矩陣M的每一行元素的乘積

(6)

然后，計(jì)算Mi的n次方根

(7)

(8)

所求的特征向量即為

P=[P1，P2，…，Pi，…，Pn]T

(9)

最后，根據(jù)式(10)計(jì)算矩陣的最大特征值

(10)

3.4 一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣可靠性檢驗(yàn)的具體步驟如下。

首先，根據(jù)矩陣階數(shù)和最大特征值，計(jì)算偏離一致性指標(biāo)

(11)

然后，根據(jù)矩陣的階數(shù)，查詢平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值(表2)。

表2 1～10階判斷矩陣RI值

接著，計(jì)算隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI；

最后，判斷矩陣的一致性：

當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣可看作具有滿意的一致性；否則，基于各因子之間的關(guān)系，不斷調(diào)整判斷矩陣，直到矩陣具有滿意的一致性。

4 新疆境內(nèi)風(fēng)沙災(zāi)害危害程度評價(jià)

4.1 風(fēng)沙災(zāi)害評價(jià)體系

基于層次分析法原理和風(fēng)沙災(zāi)害成因機(jī)理，建立蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害評價(jià)體系，評價(jià)結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)構(gòu)

4.2 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

根據(jù)每個(gè)致災(zāi)因子對上一級因子影響力的大小，建立影響評價(jià)因子判斷矩陣(表3～表6)，并對矩陣的一致性進(jìn)行判別。

(1)層次單排序

表3為判斷矩陣O及影響因子權(quán)重，由于矩陣O為2階矩陣，故具有絕對一致性。

表3 判斷矩陣O及影響因子權(quán)重

表4為判斷矩陣M1及影響因子權(quán)重，結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，得到λmax=3.009，CI=0.005，RI=0.58，CR=0.008。由于CR<0.1，故矩陣M1具有完全的一致性。

表4 判斷矩陣M1及影響因子權(quán)重

表5為判斷矩陣M2及影響因子權(quán)重，結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，得到λmax=4.107，CI=0.036，RI=0.9，CR=0.040。由于CR<0.1，故矩陣M2具有完全的一致性。

表5 判斷矩陣M2及影響因子權(quán)重

(2)層次總排序

表6為風(fēng)沙災(zāi)害評價(jià)因子及總權(quán)重，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到：

CI=0.5×0.005+0.5×0.036=0.021

RI=0.5×0.58+0.5×0.9=0.740

CR=0.021/0.740=0.028<0.1

故該矩陣具有完全的一致性。

通過總層次排序的權(quán)重，不難看出，植被指標(biāo)作用最為顯著，其次為風(fēng)力。

表6 風(fēng)沙災(zāi)害評價(jià)因子及總權(quán)重

4.3 評價(jià)結(jié)果與分析

為了既能夠與《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中風(fēng)沙危害程度分級相一致，同時(shí)又能夠合理評價(jià)蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害易發(fā)性，將風(fēng)沙災(zāi)害的易發(fā)性分為3個(gè)等級，其評價(jià)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害重度區(qū)主要位于阿拉山口、達(dá)坂城(三十里風(fēng)區(qū)境內(nèi))、百里風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)，中度區(qū)主要位于精河縣境內(nèi)。從地形地貌上看，重度區(qū)主要位于埡口地形附近的戈壁區(qū)，區(qū)內(nèi)風(fēng)速在“狹管效應(yīng)”的作用下，明顯大于其他區(qū)域，給風(fēng)沙災(zāi)害的形成提供了充足的動(dòng)力條件，另外，該區(qū)域地表粗糙度低，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，給風(fēng)沙流的形成提供了豐富的物質(zhì)條件。而中度區(qū)主要位于以流動(dòng)沙丘與半固定沙丘為主的艾比湖區(qū)域，該區(qū)域沙害主要為人工不合理的利用水資源導(dǎo)致湖水大幅度萎縮(艾比湖原是奎屯河、四棵樹河、古爾圖河、精河、博爾塔拉河和大河沿河的尾閭湖，20世紀(jì)50年代至70年代，由于人口增加和大規(guī)模水土開發(fā)，使艾比湖流域的主要河流奎屯河、四棵樹河、古爾圖河被攔截?cái)嗔?，精河、博爾塔拉河入湖量減少)，干涸的湖底沙堆為其提供了豐富的沙源，另外，該區(qū)域位于阿拉山口

下風(fēng)向，風(fēng)速較大、周期較長，給風(fēng)沙活動(dòng)提供了便利條件，風(fēng)沙活動(dòng)較為發(fā)育。

圖9 蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害易發(fā)性分布

4.4 評價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)

由于新疆特殊的地形和氣候條件，新疆境內(nèi)大風(fēng)活動(dòng)強(qiáng)勁頻繁，大部分區(qū)域位于戈壁荒漠區(qū)，地表植被覆蓋度低，風(fēng)沙流活動(dòng)強(qiáng)烈，尤其是風(fēng)口地區(qū)，風(fēng)沙災(zāi)害十分發(fā)育。表7為1960年～2010年蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害發(fā)育情況，從表中可以看出，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重地段主要位于煙墩風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)，上述結(jié)果與GIS分析結(jié)果相吻合，表明該方法科學(xué)合理。

表7 1960年～2010年蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害發(fā)育情況

5 結(jié)論

(1)根據(jù)新疆境內(nèi)風(fēng)沙流的形成機(jī)理，提出采用風(fēng)速、沙源、植被、海拔、坡向、干燥度和地表粗糙度評價(jià)蘭新鐵路風(fēng)沙災(zāi)害。

(2)基于層次分析法，構(gòu)建了區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害評估模型，并利用GIS平臺(tái)對各因子進(jìn)行綜合分析，將研究區(qū)內(nèi)風(fēng)沙災(zāi)害按易發(fā)性分為輕度易發(fā)區(qū)、中度易發(fā)區(qū)和重度易發(fā)區(qū)。

(3)蘭新鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害重度區(qū)主要位于阿拉山口、達(dá)坂城、百里風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)，中度區(qū)主要位于精河縣境內(nèi)臨近艾比湖區(qū)域。

(4)GIS分析結(jié)果與實(shí)際情況具有較好的一致性，表明該方法科學(xué)合理，可為其他風(fēng)沙地區(qū)鐵路建設(shè)提供一種新的評價(jià)分析方法。