RS和GIS在铁路施工期水土流失预测中的应用研究——以新建敦煌至格尔木铁路为例

王　凌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)

RS和GIS在铁路施工期水土流失预测中的应用研究
——以新建敦煌至格尔木铁路为例

王凌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：以新建敦煌至格尔木铁路为例，应用RS和GIS技术独有的空间分析功能和可视化表达，在遥感影像的基础上， 结合铁路沿线地区土壤侵蚀类型、坡度、植被覆盖度及地表组成物质、地形图等相关资料，通过人机交互解译、信息提取和分类，利用GIS的图形编辑、空间叠加分析和空间统计分析功能，获得铁路沿线的土壤侵蚀现状、土壤侵蚀类型与强度，RS和GIS技术可准确真实、图文并茂的掌握区域水土流失现状，为预测铁路建设可能造成的水土流失总量奠定基础，为工程施工期水土流失防治措施提供参考数据。

关键词：新建铁路；RS；GIS； 施工期； 水土流失

水土流失是世界性的环境灾害问题之一，水土流失的发生和发展受降水、土壤、地形、植被覆盖和土地利用方式等多因素的影响，是一种复杂的人文和自然地理过程[1]。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，且水土流失类型复杂多样。长期以来，科学工作者进行了大量的土壤侵蚀野外定位观察和区域调查工作，取得了大量成果，但传统的土壤侵蚀研究方法不仅繁杂，而且时效性较差，因此方法的创新成为土壤侵蚀研究的焦点[2]。近年来，随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等相关学科的迅速发展和土壤侵蚀机理研究的不断积累，土壤侵蚀模型的研究和模拟预报技术越来越受到人们的重视[3]。遥感技术是指从远距离高空或外层空间的各种平台上，利用各种波段的遥感器，通过摄影或扫描、信息感应，识别地面物质的性质和运动状态的技术[4]。地理信息系统是一个关于空间信息输入、储存管理、分析应用与结果输出的计算机化系统。它除了具有数据库的基本功能外，还具有强大的空间分析和辅助决策功能，可为宏观决策管理服务，能实现快速、准确的空间分析和动态监测研究[5]。本文应用RS和GIS技术，通过对ETM+卫星遥感数据进行处理，提取相关因子，统计分析区域水土流失现状，然后利用数学模型法预测研究区域施工期水土流失总量，分析施工扰动后新增水土流失状况，为施工期的水土流失防治提供科学数据。

1研究区概况

新建敦煌至格尔木铁路位于甘肃省西北部酒泉市和青海省西部海西蒙古族藏族自治州境内.线路北端接轨于柳敦铁路的终点敦煌车站，经敦煌市沿G215国道溯党河而上，走行于冲积平原(绿洲)区、荒漠戈壁区、高中山区和风沙区，经肃北、阿克塞县境，翻越祁连山山脉的当金山后，于苏干湖盆地进入青海省海西州境内，翻越赛什腾山，经鱼卡、大柴旦行委，于青藏铁路西格段的饮马峡车站接轨，线路全长658.326 km[6]。线路所经大部分地区干旱少雨，植被稀少，地表沙物质丰富，以沙丘、沙地和大面积的戈壁、裸岩、石砾地为主，生态环境恶劣，对建设工程扰动十分敏感[7]。新建铁路敦煌至格尔木线遥感影像如图1所示。

图1　新建铁路敦煌至格尔木线遥感影像

2数据来源与研究方法

本文主要采用1988年Landsat-5 TM影像、1999年Landsat-7 ETM+影像数据和1∶25万地形图为主要信息源，结合铁路沿线地区土壤、行政区划、气象数据、土地利用、水土保持规划及相关文献资源等资料，以遥感影像为基础，首先对ETM+影像进行预处理，通过遥感图像数字处理的方法，提取了对水土流失起主导作用的植被覆盖度、土地利用类型，沟谷密度及土壤成土母质等因子；在矢量化等高线数据的基础上、生成数字高程模型(DEM)，提取地形坡度；然后结合DEM、土壤图、植被图及野外现场调查结果，在ArcGIS的支持下，通过人机交互解译、信息提取和分类，利用GIS的图形编辑、空间叠加分析和空间统计分析功能，获得铁路沿线10 km范围内土壤侵蚀现状、土壤侵蚀类型与强度，进而得到铁路沿线的土壤侵蚀图。具体工作流程如图2所示。

图2　土壤侵蚀遥感制图技术流程

遥感影像预处理又被称作图像纠正和重建，其主要目的是纠正原始图像中的几何与辐射变形[8]。预处理内容主要包括在ENVI中使用辐射定标模块和FLASH模块进行辐射定标和大气校正[9]操作，通过选取地面控制点和最邻近重采样法对遥感影像进行几何精纠正[10]。影像完成预处理后，在ArcGIS中统一坐标投影系统并进行数据裁切。

3研究成果与分析

依据上述工作流程，研究获取了敦格铁路沿线的地貌类型图、土壤类型图、植被类型图和土地利用图，在此基础上，结合遥感数据和现场调查数据，并参考《土壤侵蚀分类分级标准》[11]，按照土壤侵蚀分类系统和土壤侵蚀分级标准将研究区内土壤侵蚀强度分为微度、轻度、中度、强度、极强度、剧烈6级，最终得到敦煌至格尔木铁路沿线10 km范围内的土壤侵蚀情况见图3，土壤侵蚀统计数据见表1。

图3　新建铁路敦煌至格尔木线土壤侵蚀遥感影像

侵蚀类型侵蚀强度两侧10km两侧1km两侧200m面积/km2比率/%面积/km2比率/%面积/km2比率/%水蚀风蚀冻融侵蚀微度277.0882.710.8831.072.0080.99轻度87.3920.850.20.0200中度0.7940.010000小计365.2733.5611.0831.092.0080.99微度244.9192.391.8130.180.2840.14轻度1211.73911.8187.3468.5916.8258.29中度388.6493.799.1080.91.120.55强度1490.55214.52125.53912.3427.28113.44极强度409.7953.9931.7333.126.5613.23剧烈5674.22655.29727.08271.47144.20971.06小计9419.8891.79982.62296.59196.28296.72微度29.3430.290.9010.090.1410.07轻度272.4752.6522.7382.234.5142.22中度176.0441.720000小计477.8624.6623.6392.324.6552.29总计10263.0191001017.344100202.944100

从表1可知，铁路两侧10、1 km和200 m范围内土壤侵蚀以风力侵蚀为主，不同范围内风力侵蚀面积占土壤侵蚀总面积的比例分别为91.79%、96.59%、96.72%.此外，线路两侧10、1 km和200 m范围内也存在水力侵蚀和冻融侵蚀，其中水力侵蚀面积所占比例分别为3.56%、1.99%、0.99%，冻融侵蚀面积所占比例分别为4.66%、2.32%和2.29%。

敦格铁路沿线原生地表土壤侵蚀强度及模数见表2。

表2　敦格铁路沿线原生地表土壤侵蚀强度及模数

4成果应用及预测

4.1预测时段

施工准备期：时长3个月，结合产生水土流失的季节，以最不利的时段进行预测。

施工期：时长5年，施工过程中修筑桥梁、路基填挖方、隧道弃砟、整修便道等一系列工程活动，将大量占用土地、破坏植被、扰动原地表结构，致使土地抗侵蚀能力降低，加剧工程占地范围内的水土流失。

4.2预测单元

根据工程内容和特点可以分为主体工程区和临时工程区，主体工程区主要为路基、站场、桥涵、隧道工程，临时工程区包括取弃土场、隧道弃砟场、施工便道、施工场地等工程。由于不同地貌单元土壤侵蚀类型与强度不同，工程施工在不同地貌单元产生的水土流失量也不同，因此，根据沿线的自然地理特征和土壤侵蚀特点，本预测以沿线不同地貌分区为基本单元进行水土流失预测。

4.3预测模式

工程所经地区主要以风力侵蚀为主，根据工程的环境特征及铁路工程施工特点，工程建设中造成的新增水土流失量拟采用数学模型法进行预测。根据《开发建设项目水土保持技术规范》[12]相关规定，土壤流失量计算公式如下

(1)

(2)

式中W——预测时段内土壤流失量，t；

ΔW——新增土壤流失量，t；

Mij——某时段某单元的土壤侵蚀模数，t/km2·a；

Fji——某时段某单元的预测面积，km2；

ΔMji——某时段某单元的新增土壤侵蚀模数，t/km2·a，只计正值，负值按0计；

Ti——某时段某单元的预测时间，a；

i——预测单元，i=1，2，3，…，n；

j——预测时段，j=1，2，3，指施工准备期和施工期。

依据土壤流失量计算公式，应用RS和GIS对铁路沿线的土壤侵蚀现状、土壤侵蚀类型、强度及侵蚀模数的分析结果，预测铁路沿线的土壤侵蚀背景流失量。通过对扰动区域内风蚀的类比调查，确定工程扰动地貌后土壤侵蚀模数，预测施工扰动后造成的土壤侵蚀总量。工程扰动地表后土壤侵蚀模数见表3。

4.4预测结果及分析

通过预测，各地貌单元背景流失量及在施工期可能造成的土壤侵蚀总量见表4，各工程类型的背景流水量及在施工期可能造成的土壤侵蚀总量见表5。

从表4可知：按地貌单元划分，冲积平原(绿洲)区、荒漠戈壁区、高中山区和风沙区土壤侵蚀比率分别为2.6%，84.4%，8.4%，4.6%；从表5可知：按工程类别划分，施工期主体工程水土流失量最大，为732 796 t，新增流失量为377 892 t，占总流失量的58.4%。

表3　新建敦煌至格尔木铁路工程扰动地表后土壤侵蚀模数

表4　各地貌单元在施工期可能造成的土壤侵蚀总量

表5　各工程类型在施工期可能造成的土壤侵蚀总量

从表4、表5可知：铁路沿线土壤侵蚀主要集中在荒漠戈壁区，土壤侵蚀背景流失量约59.0万t，施工期(包括施工准备期)未采取任何水土保持措施的情况下，铁路建设施工扰动后可能造成的水土流失总量约125.5万t，相对原背景流失量，工程施工期新增流失量约66.5万t。

工程建设施工中，由于开挖坡面、取土、弃砟、车辆碾压等原因，将占用土地、砍伐树木、破坏土壤结构及地表结皮，降低局部地段植被覆盖率，使项目区土地涵养水源、保持水土功能的能力降低，加剧水土流失强度。具体表现为，工程造成的土壤侵蚀以路基边坡和取土场、弃砟场边坡为主。由于沿线干旱少雨，蒸发量和风力较大，在没有任何防护措施的情况下，边坡的水土流失可达剧烈程度；尤其本项目所处地区自然条件恶劣，多大风及灾害性天气，将加剧风力侵蚀的程度，而取土削坡、弃土和弃砟及施工道路汽车碾压，将破坏地表本身土壤结构，易产生严重的水土流失。

5结语

决定水土流失发生与严重程度的4个要素分别为土壤类型、植被覆盖度、地形坡度和土地利用类型，这些因素是具有空间属性且随时间而变化的信息，因此可以利用G IS和RS技术获取。G IS技术可以获得地形高程和土壤类型分布等基础信息，RS技术可以准确、迅速地得到植被覆盖度和土地利用类型变化信息，从而可以准确有效、图文并茂地实现对水土流失背景要素的预测。本文通过RS和GIS技术的应用，分析铁路沿线原生地表的土壤侵蚀现状、土壤侵蚀类型与强度，预测出工程沿线土壤侵蚀背景流失量，为施工期水土流失总量的预测奠定了基础，更为铁路施工期合理设置取土场、弃土弃砟场、施工便道，采取有效的水土流失防治措施提供参考依据，对沿线地区生活环境保护及运营安全具有重要意义。

参考文献：

[1]钱铭杰，吴芳芳，童立强，袁春，周伟.基于RS与GIS的水土流失监测方法实证研究[J].中国水土保持，2009(2):23-24，47.

[2]朱连奇，冯文峰，朱文博.土壤侵蚀研究中的“3S”技术应用进展[J].地理科学进展，2008，27(6)：57-62.

[3]罗志军，张俊.土壤侵蚀模型的研究现状与展望[J].安徽农业科学，2007，35(27)：8574-8576.

[4]李德仁.论RS、GIS与GPS集成的定义、理论与关键技术[J].遥感学报，1997，1(1)：64-68.

[5]朱光，季晓燕，戎只.地理信息系统基本原理及应用.北京：测绘出版社，1997.

[6]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路敦煌至格尔木线可行性研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

[7]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路敦煌至格尔木线水土保持方案报告书[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

[8]赵英时，章申，秦大河，等.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社，2004.

[9]戴昌达，姜小光，唐伶俐.遥感图像应用处理与分析[M].北京:清华大学出版社，2004.

[10]廖文峰.卫星遥感图像的几何精校正研究[J].地理空间信息，2008(5)：86-87.

[11]中华人民共和国水利部.SL 190—2007 土壤侵蚀分类分级标准[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[12]中华人民共和国建设部，中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB 50433—2008开发建设项目水土保持技术规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

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

中图分类号：U212.22

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.038

文章编号：1004-2954(2015)06-0169-04

作者简介：王凌(1979—)，女，工程师，2003年毕业于兰州交通大学给水排水工程专业，工学学士。

收稿日期：2014-09-16； 修回日期：2014-10-19