萨雷兹湖东向引水最低成本路径及可行性分析

李 君，张 新，陈 燕，胡荣强，朱长明，王伟胜

(1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620； 2.中国科学院空天信息创新研究院 遥感科学国家重点实验室，北京 100101；3.天津飞眼无人机科技有限公司，天津 300459； 4.江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116；5.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；6.中国科学院中亚生态与环境研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011)

位于帕米尔高原中部的全球最大堰塞湖——萨雷兹湖，以其丰富的水资源而广为人知，但近年来，由于湖水水位持续抬升、右岸滑坡等不稳定因素却时刻威胁着下游人民的安全，这些不安全因素持续为国内外学者所担忧。Schuster和Alford[1]考虑到萨雷兹湖蓄水以来，乌索伊(Usoi)大坝的稳定性一直备受争议；Risley等人[2]提出Usoi大坝一旦溃决，下游人民时时面临洪水冲击。该湖及其坝体的问题切实威胁着中亚五国的生态安全，虽也多次进行中亚地区间合作，但迟迟悬而未决。现有关于萨雷兹湖周围地区研究，更多专注在防治其灾害、维持其稳定性上，集中于周围地质断层构造[3]，附近地震活动[4-5]以及西向Usoi大坝所面临的滑坡隐患[6-8]。20世纪70年代中期有学者曾试想利用萨雷兹湖进行农业灌溉[9]后证实不可行,也有用萨雷兹湖和其他湖泊进行水力发电的讨论[10]。经多方资料总结,主要降低该地区风险性的措施有加固坝体[11]、修建排水口以降低湖水位[12]并利用水能资源[11]。萨雷兹湖作为世界上最大的堰塞湖，其位于高海拔地区，属高风险、高危险区，降低其水位的同时，可考虑在评估堰塞体稳定[13-14]的基础上同时进行合理的水资源开发。综合多方启发，又发现萨雷兹湖距中国边界直线距离约为80km，跨区域调配水资源至中国，也有一定的地理优势。克里木等[15]提及新疆虽已建立一些跨流域调水工程和水利大坝，但水资源调配仍存在问题，缺水问题依旧严重。由此，可考虑将萨雷兹湖作为水源地，将其引致新疆缺水地区，一方面，降低坝体溃决的危险性，另一方面可试图解决新疆缺水地区的缺口问题。在维持乌索伊堰塞体稳定的同时，利用遥感技术进行模拟、预测并试图建立相应水利工程以增进萨雷兹湖水力资源可利用性，对高原堰塞湖具有前瞻性、探索性、互惠性的科学意义。

引水工程选线为GIS中求解最低成本路径的问题，Dijkstra算法为经典算法之一[16]。GIS辅助选线、选址[17]将复杂工程问题进行简化处理，以技术化后得的结果进行人工勘测、修正。引水工程涉及研究区水文、地质、地形、地震带[18-19]等多方面因素，利用DEM进行水文分析可估测跨区域调水水文情况[20]。从地形分析入手，坡度、地势起伏度、坡向则选为主要地形影响因子。其中地势起伏度最佳统计单元的提取以均值变点法[21]较为主流。由此，引入水文、地形分析作为选线理论分析基础。

本文以ASTER GDEM V3为数据源，参考相关最低成本路径模型[22-23]，在此基础上构建萨雷兹湖引疆路线规划模型，利用水文分析预估跨区域调水范围，结合地形分析下的坡向、坡度、地势起伏度作为主要空间分析指标，借助Arcpy以均值变点法自动提取地势起伏度最佳单元，借助专家打分以及层次分析法分配各专题地图权重，科学选址确定受水区，利用Dijkstra算法自动生成基于最小成本路径下的2条备选线路，借助Google Earth软件辅助并解读，从工程量、安全性、生态性角度比较两方案优劣及可能性，在维护高海拔地区堰塞湖生态安全性的同时，也可帮助缺水地区解决水源问题，不乏作为一举双得的新方向。

1 研究区及数据来源

1.1 研究区概况

1911年塔吉克斯坦东部的帕米尔高原上发生了强烈地震，乌索伊堰塞体阻塞了穆尔加布河而形成迄今全球最大的堰塞湖，即萨雷兹湖(图1)。其地理坐标范围：72°35′7″E～73°13′25″E，38°9′2″N～38°18′43″N。其湖长55.8 km，湖面平均海拔3 263 m，蓄水量约17 km3，水位最大周期性波动达12 m[24]。萨雷兹湖坝体很少有排泄口，水位波动性较大，再加上萨雷兹湖位于高山区，科研人员仅在夏季才能对其进行无人机勘测，这给萨雷兹湖的灾害防治增加了很多的工程难度和技术挑战。

图1 萨雷兹湖Fig.1 Sarez Lake

1.2 数据来源

文中的数字高程模型(DEM)数据选自2019年8月5日由NASA′s LP DAAC新发布的ASTER GDEM V3版本，分辨率为30m，下载地址为：https://e4ftl01.cr.usgs.gov/ASTT/ASTGTM.003/2000.03.01。相较于V2版本，新增了36万光学立体像对数据，数据较新，另也减少高程值空白区域、水域数值异常。

2 研究方法及模型构建

2.1 引水路线规划模型

文中从距离、水资源合理开发等角度，提出萨雷兹湖东向引疆规划的思路。路线总模型构建如下(图2)：(1)预选研究范围，镶嵌拼接，投影变换处理；(2)预处理后进行水文分析提取流域范围，即集水区范围，掩膜提取研究样区DEM图，目的是为了框定合理研究范围，作为空间研究范围的依据；(3)坡度、地势起伏度、坡向作为选线因子，主要是考虑到坡度、地势起伏度越大则经过该区域的成本就越高，反之则越小；平面、阳坡较阴坡、半阳半阴坡受太阳辐射较多，积雪较少，对于引水施工、材料运输具有一定地形优势；(4)引入ArcGIS空间分析模块，地形分析生成坡度、坡向图，结合均值变点法思想并自编Arcpy自动化提取地势起伏度，确定最佳统计单元得地势起伏图，较精准地呈现研究区复杂地貌特征，进一步优化选线模型；(5)邀请专家对地形因子打分，以层次分析法固定权重分配，得各专题分级图；(6)将各专题分级图进行空间叠置分析，选取目的点和不同终点，借以Dijkstra算法思想[25]，进行距离分析，得成本回溯链接、成本距离后生成备选最低成本引水路线图；(7)结合备选路线及工程量等方面，简析各方案优缺点及可行性。

图2 引水工程路线规划模型Fig.2 The planning model of water diversion project route

2.2 萨雷兹湖引疆路径

由于萨雷兹湖东向引水工程涉及范围较广，横跨两国，地形、地势较为复杂，需进行数据预处理。先预选取71°E～78°E，35°N～41°N范围，对栅格图层进行镶嵌、拼接；采用Albers投影，确定中央经线95°E，第一条标准纬线15°N，第二条标准纬线65°N，基准面选择D_WGS_1984；在预选区域进行填洼、流量、流向计算等水文分析步骤，得集水区域；掩膜提取萨雷兹湖集水区区域，进一步确定研究样区的范围，以减免不必要的运算步骤为后续数据处理提高精准度并增快计算速率。图3为经数据预处理后的研究样区DEM图。

图3 研究样区DEM图Fig.3 DEM of study sample area

经上述预处理后，主要运算步骤如下：引入Arcpy模块编写代码得最佳窗口大小并统计研究样区地势起伏度导入Excel中，另利用均值变点法原理在Excel中对其进行验证；利用ArcGIS空间分析模块，得坡向、坡度、地势起伏度图，根据专家对地形要素三因子进行两两打分，以层次分析法[26]思想建立如下权重计算：

(1)构造判断矩阵A，求最大特征根λmax及相对应的特征向量W。

AW=λmaxW.

(1)

(2)运用方根法，对特征向量进行归一化处理，得权重系数。

(2)

(3)

(3)验证其相容性，进行一致性检验。

经上述计算并通过一致性检验，确定合理权重值，并利用1～9标度法打分如表1。

表1 地形要素打分赋值Table 1 Terrain factor score assignment

对坡度、地势起伏度、坡向各图层综合赋值加权。利用重分类工具进行打分值再分配，运用栅格计算器对重分类后的新图层进行加权计算(式4)，叠加分析后生成路径成本。路径成本计算公式如下：

(4)

其中，Cost是路径成本，g1，g2，g3为表1中坡度、地势起伏度、坡向的分级打分，w1，w2，w3为表1中坡度、地势起伏度、坡向的权重值。

最后，确定引水点和受水点，基于路径成本下，融合Dijkstra算法思想，派生成本回溯链接图，成本距离图，最终生成最低成本引水路线。其中，本研究涉及的Dijkstra算法原理如图4。

图4 Dijkstra算法示例Fig.4 Example of Dijkstra algorithm

指定起始引水点A和最终受水点E，引入集合Q和集合U，分别包含已求出和未求出的最短路径点及相应最短路径长度。初始化两个集合，Q初始时只有起始节点，即A—>A=0；U初始时为A—>B=4，A—>C= ∞，A—>D=2，A—>E=∞。从U中找出路径最短的点(A—>D=2)加入Q，然后判断D到B、C、E的距离加上A到D的距离之和是否小于A到B、C、E的距离，是则更新U。迭代执行该更新步骤，直至遍历得到起始A到终止节点E的最短路径。

3 自动化提取地势起伏度

地势起伏度能较好的反映地势起伏变化，由栅格邻域最高高程值减去最低高程值得到[27]。它的提取一般采用窗口分析法，按矩形区域提取(窗口设置如表2)，统计在3×3，4×4，…,44×44窗口下的地势起伏度。结合空间分析中的邻域分析方法，并利用均值变点法[28]寻找拐点，综合上述方法编写的Arcpy模块添加进ArcGIS中，自动提取矩形网格下的地势起伏度并导入表格，运算时长较短，一定程度上缩短了运算时间。

表2 地势起伏度分析窗口设置Table 2 Analysis window setting of terrain relief

利用均值变点法的原理进行以下分步运算：

1)计算单位地势起伏度。

Ti=Qi/Pi.

(5)

式中：Ti为第i个分析窗口下单位起伏度，m；Qi为平均起伏度，m；Pi分析窗口面积，m2。

2)数列{Ti}取对数运算，得数列{xi}；

3)数列{xi}，令i=1,2,3…,N,(N取44),将其分成两A，B两数列，A：{xi,x2,X3,…,xi-1}，B：{xi,xi+1,…,xN}统计量公式如下：

(6)

(7)

利用自编的Arcpy模块自动提取导入表格，整理后得图5，对数据进行拟合分析，舍去拟合度不高的模型，其中乘幂和对数函数为两较好的拟合曲线，幂函数得y= 35.082x0.471，R2= 0.9861，对数函数得y= 63.728ln(x) - 6.0419，R2= 0.9324。结果表明，幂函数趋势线对平均起伏度拟合度最高，对数函数次之。经统计验证，可利用均值变点法寻找突变点。由表3发现，i从起点开始至16，S-Sk数据持续上升，当i为16以后S-Sk数值明显回落，由此可得，该点对应的窗口面积(23.04×104m2)即为最佳分析窗口，对应像元大小16×16为最佳统计单元。

图5 平均起伏度与分析窗口面积Fig.5 Average fluctuation degree and analysis window

表3 S-Sk数值统计Table 3 S-Sk statistic

4 备选方案分析

预设引水项目的起始点为萨雷兹湖东部支流出水口，方案A目标点选择英吉沙国家湿地公园(地理坐标：76°4′15″E～76°14′53″E，38°50′12″N～38°56′23″N)，属噶尔河水系，具有较为优质的淡水资源，地理位置靠近喀什地区，方案B目标点取布伦口水库(地理坐标：74°52′31″E～75°1′16″E，38°39′9″N～38°46′34″N)，现库容4.4亿m3，依托现有布伦口-公格尔梯级水电站改造升级，能有效降低一定经济成本。由此确定引水点和受水点，得两条基于地形分析下最低成本路径图(见图6)。

图6 备选引水路线图Fig.6 Alternative water diversion routes

初设规划路线：路线A东起萨雷兹湖出水口，沿巴尔坦格河引入穆尔加布河，利用天然河道长约4.73 km后，朝东北向经恰塔盖山而后越过我国国境线到达我国新疆边界阿克陶县，朝北向引流临近已建成公路，利用其天然水道途径木吉乡，而后沿拜斯阔特别勒山谷向东线延升约70 km，穿过国道G314公路，经塔什克米乡、龙甫乡，最终到达英吉沙县的英吉沙国家湿地公园，总线路长约334.81 km。路线B先从萨雷兹湖东向出水口，沿巴尔坦格河汇入普沙尔季加尔比河、绍克塞河，经穆尔戈布区、切切克季地区抵达我国国界线，经舒尔库尔湖、兰克库尔湖，穿过依结布陶、科克迪克地尔塔格山朝东北向引入布依口水库，总路线约191.78 km。

4.1 工程量及安全性

结合图7所示，线路A、B主要规划为，在萨雷兹湖东向出水口的下游新建一处水利大坝，以便调节蓄水量，遇高海拔地区(4 000～5 000m)考虑开挖引水隧洞。A、B两线路中多处遇明显高差地势，可在其合理规划下建造梯级型水电站，利用水位高差发电，提升经济效益，此外沿线多处利用自然湖泊河流，多为冰山积雪的水源，水源质量有一定保障，这部分可作为引水明渠，在工程上也可采用避免因引流挖渠而增加工程量和技术成本。引水隧洞需考虑边坡构造、地质、海拔等多种要素，A线路多段长距离引水则需开挖隧洞约100 km以上，B方案引水隧洞距离相对A较少，目前已有相关长距离输水[29]论证，我国现有水利技术上可初步实现高海拔长距离引水管道铺设。

图7 规划方案线路剖面图Fig.7 Plan of line profile

结合有关引水技术资料及沿线图发现，前期A线路走势均为4 500 m以上的高寒地带，尽管依托现有技术条件可以尝试攻克，对于建设团队有一定的安全性考验，施工周期较长，A线路中后段可利用自由落差进行梯级水电站的升级，最终可引流至英吉沙湿地公园，需另修蓄水水库。B线路前50 km需建造引水爬坡的动力渠道，需较大动力能耗，此外还另挖引水隧洞数十千米以上，但相较于A海拔高度挑战略低。

A、B线路各有其优劣，但萨雷兹湖东向引疆的难点主要集中于高海拔地区引水隧洞的挖建、引流爬坡所费能耗以及梯级型水电站的建造。

4.2 生态性

干旱区生态环境敏感、脆弱，萨雷兹湖引水进疆要特别注重可能产生的生境破坏，寻求生态环境与开发利用水资源之间的平衡。经Google Earth辅助观测，备选沿线并无主要建筑楼宇，对于生态破坏主要集中于施工期挖建隧洞、排水污染等。备选线路受水区分别为湿地公园及水库，提供了栖息水源，这样既维持受水区的生物多样性，生物量也会随之增加。沿线的引水明渠还能涵养水土，改善土壤质量，缓解土地荒漠化，调节部分环境的小气候，这对沿线环境起到了生态修复的作用。

5 结束语

萨雷兹湖作为塔吉克斯坦国的一大堰塞湖，其潜在的风险性不言而喻，由于该国的政治局势及其他中亚四国的经济压力，导致萨雷兹湖的问题一直未能得到有效改善。本研究从地势、距离方面着手，利用水文及空间分析重点结合地形要素，构建适用的引水路线模型，自动派生两条最低成本下的备选路线，综合实际引水路线所需工程量、安全性以及生态性角度简要初探了萨雷兹湖东向引入我国境内新疆自治区的两条方案的优缺点以及应用。虽然高海拔地区施工有一定操作难度，但基于我国现有的水利水电工程水平，应该是可以攻克的难题。通过上述研究为全球最大堰塞湖萨雷兹湖灾害转移提供初步的规划方案，同时也能增进一带一路中亚国家间互惠合作，对后续解决、防治、转移高原堰塞湖的灾害问题有一定的启发和探索意义。