基于ModelBuilder的济南至滨州高速铁路沿线土壤侵蚀建模及分析

张佳威

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 测绘地理信息工程技术研究院，陕西 西安 710043）

0 引言

我国铁路建设项目的实施带动了区域经济发展，也在建设过程中造成了水土流失，对沿线生态环境的可持续发展产生一定影响。及时、准确掌握铁路建设过程中的水土流失状况，从而有针对性地进行水土流失综合防治是实现经济发展和生态环境双赢的有效途径[1]。土壤侵蚀分析是铁路生态环境影响评价的重要内容，定量评估铁路工程沿线的土壤侵蚀状况可为生态环境的治理和修复提供理论基础和科学依据[2]。

目前，诸多学者基于水土流失经验模型对流域或区域尺度的土壤侵蚀状况进行定量估算和分析。黄金良等[3]针对传统土壤侵蚀调查方法耗时、周期长，对中等尺度流域的土壤侵蚀量无法估算等问题，采用USLE模型对福建省九龙江流域土壤侵蚀量进行定量估算，并利用GIS技术分析评估了该流域土壤侵蚀的空间变异性。黄明等[4]采用USLE模型，同时考虑坡度、坡长、降雨、植被覆盖度、土壤可蚀性及水土保持措施等因子，更全面、准确的对2018年广东省陆河县土壤侵蚀状况进行定量分析。王泽宇等[5]采用RUSLE模型对陕北榆林市退耕还林前后(2000年、2010年)土壤侵蚀状况进行定量研究，并对其生态服务价值动态变化进行了分析评估。张素等[6]采用RUSLE模型和GIS技术分析了凉山州孙水河流域不同土地利用类型、海拔和坡度条件下土壤侵蚀强度的特征，定量评价了研究区土壤侵蚀空间特征。管礼松等[7]采用刘宝元提出的CSLE模型对皖南山区2000年、2010年和2018年土壤侵蚀模数进行计算，并对其近20年间土壤侵蚀时空变异性进行分析评估。常梦迪等[8]采用CSLE模型对天山北坡中段山区土壤侵蚀量进行定量估算，并评估分析了2000—2018年该地区土壤侵蚀时空变化特征及影响因素。

综上所述，由于USLE、RUSLE、CSLE等方程都是经验模型，其参数包含不确定性且存在明显的地域性差异和专家经验差异，导致因子分值较难确定。另外，部分因子分值缺乏实地调查，没有实测数据验证，导致应用侵蚀模型时计算误差较大，难以满足铁路工程环境影响评价精度的要求。针对上述问题，本文利用ArcGIS的ModelBuilder构建基于加权叠加算法的土壤侵蚀强度类型自动绘制模型，选取济南至滨州高速铁路沿线为研究区，并对该区域土壤侵蚀状况进行现状分析和影响评估，为铁路沿线水土流失综合防治提供合理化建议。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

济南至滨州高速铁路(以下简称“济滨高铁”)位于山东半岛城市群北部，是山东省快速铁路网鲁北通道的主要组成部分，以区域城际客流为主，同时承担遥墙机场集疏运任务并兼顾路网功能。线路西起山东省济南市，于济南枢纽济南东站引出，向北经济南市历城区、遥墙国际机场、章丘区，上跨黄河经济南市济阳区、商河县，向东经滨州市惠民县、滨城区，接入滨州地区滨州站，正线长度为145.301 km。全线设济南东站、遥墙机场站、济阳站、商河南站、惠民站和滨州站。济滨高铁位于黄河下游冲积平原区，地形平坦开阔，地面高程2.7～35.2 m。沿线属于北温带大陆型半湿润季风气候区，其主要特征是四季分明、光照充足、风旱相随、雨热同期。年平均气温13.1～15.0℃，年平均降水量592.0～693.4 mm，年平均相对湿度在70%以上。

1.2 数据源

以济滨高铁两侧各10 km范围建立缓冲区构成研究区，数据源包括线路沿线数字高程模型(DEM)数据、土壤类型数据和植被覆盖类型数据。其中，DEM数据来源于美国航空航天局(NASA)公开发布的NA‐SADEM数据，格网大小为30 m×30 m；土壤类型数据来源于世界土壤数据库(HWSD)公开提供的山东省1 km土壤类型数据；植被覆盖类型数据源于地理监测云平台公开提供的2015年山东省1 km植被覆盖数据。

2 研究方法

ArcGIS的模型生成器(ModelBuilder)为设计和实现空间处理模型提供了一个图形化的建模环境。模型以流程图的形式呈现，通过若干工具将不同数据串联起来以实现复杂的GIS任务。ModelBuilder为土壤侵蚀类型图的绘制提供了自动化、便捷化的工作流程，可以提高生态制图的工作效率和智能化水平[9]。

本文基于加权叠加算法，利用ArcGIS Model‐Builder工具设计了土壤侵蚀强度自动制图方法流程(见图1)。在拥有较高精度的DEM、植被覆盖类型、土壤类型图件的前提下，通过对上述3个因子赋予不同权重进行加权叠加分析，得到研究区的土壤侵蚀分布图。

实验输入数据配置如表1所示，在ArcGIS下将包含植被覆盖类型和土壤类型字段的济滨高铁矢量文件通过要素转栅格输出成栅格图件，利用该线DEM数据提取地形坡度得到坡度栅格图，再将以上3个栅格图件进行加权叠加，最终得到济滨高铁土壤侵蚀强度类型栅格图。

加权叠加方法常用来解决多准则问题，如地点选择和适宜性建模。根据评估等级为输入栅格中的各个值类分配一个新值，然后根据各输入栅格数据的重要性或影响力百分比对其进行加权[10]。将每个输入栅格的像元值乘以栅格的权重，再将结果像元值相加即可生成最终输出栅格。即

式中：φ为输出栅格(土壤侵蚀)像元值，Cs、Cv、Cd分别为土壤、植被、坡度栅格像元值，Ws、Wv、Wd分别为土壤、植被、坡度栅格因子权重值。

图1 加权叠加计算流程

表1 实验输入数据配置

该方法避免了USLE模型及其衍生方程中各因子值较难确定、计算过程较为复杂、制图慢的缺陷，具有计算简单、出图快的优势，可以满足铁路项目环评工作工期紧、范围广、精度要求高的特点，在铁路生态制图方面具有应用价值。

3 实验结果及分析

3.1 实验过程及分类结果

参考研究区水土流失相关资料并借鉴专家经验[11]，分别将坡度图、土壤类型图和植被覆盖类型图进行栅格像元分级(见表2和表3)，即对原始输入栅格值重分类，设置其对土壤侵蚀的影响等级。考虑不同地区各指标因子对土壤侵蚀的影响程度各异，在前人研究的基础上[12]，将坡度因子、土壤类型因子和植被覆盖类型因子权重分别赋值为0.5、0.25和0.25。

表2 坡度和土壤类型栅格像元分级

表3 植被覆盖类型栅格像元分级

将上述3个栅格图件送入模型进行加权叠加计算，最终得到济滨高铁土壤侵蚀强度栅格图(见图2)。结合《新建济南至滨州铁路环境影响报告书》土壤侵蚀现有资料图(见图2b)进行目视判读可知，加权叠加计算结果(图2a)与现有资料(图2b)吻合度较高，分类结果较为可靠。其中，轻度水蚀、中度水蚀和轻度风蚀精度较高，土壤侵蚀强度分区预测较为准确。中度风蚀和强度风蚀分类精度略有欠缺，导致部分中度风蚀和强度风蚀无法细分，并且轻度风蚀与中度水蚀之间存在混淆。分析原因，中度风蚀和强度风蚀土壤侵蚀面积占比很小(不足2%)，同时栅格像元等级赋值具有一定的主观性，在加权叠加过程中会造成误差，从而影响分类效果。

表4 研究区土壤侵蚀统计

表5 研究区土壤侵蚀 km2

3.2 土壤侵蚀现状及影响分析

对研究区各类型土壤侵蚀面积及占比进行统计，结果如表4所示。从土壤侵蚀类型来讲，沿线水力侵蚀占主导地位，侵蚀面积为2 264.12 km2，占比96.93%，主要包括轻度水蚀和中度水蚀，侵蚀面积分别为2 125.54 km2和138.58 km2，占比分别为91.00%和5.93%。沿线还存在少量风力侵蚀，侵蚀面积为71.69 km2，占比3.07%，其中以轻度风蚀和中度风蚀为主，侵蚀面积分别为40.32 km2和28.33 km2，占比分别为1.73%和1.21%，强度风蚀面积仅为3.04 km2，占比0.13%。

对各行政区土壤侵蚀面积进行统计，得到结果如表5所示。地区2、地区8和地区9土壤侵蚀面积较大，分别为590.51 km2、503.85 km2和559.11 km2，其次是地区1和地区6，侵蚀面积分别为321.73 km2和222.94 km2，其他地区土壤侵蚀面积较小。

图2 济滨高铁土壤侵蚀类型

从地理位置上来看，水力侵蚀广泛分布在全域范围内，风力侵蚀主要分布在黄河以北地区，黄河以南地区少有风力侵蚀。具体来说，黄河以南段属鲁中南低山丘陵土壤保持区，土壤侵蚀以轻度水力侵蚀为主；黄河以北段属黄泛平原防沙农田防护区，土壤侵蚀强度以轻度水力侵蚀为主，但受大风天气影响，局部地段兼有风力侵蚀。主要表现为：沿线经过的地区6、地区7土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，侵蚀强度以中轻度为主；沿线经过的地区1、地区2、地区8和地区9土壤侵蚀类型为水力侵蚀，侵蚀强度以轻度为主；在黄河以北地区，即沿线经过的地区1和地区2存在部分轻度风蚀，侵蚀面积合计为31.02 km2，地区2、地区8和黄河沿岸(地区6、地区7、地区8交界处)伴有少量的中度风蚀。工程沿线所经地区6属于沂蒙山泰山国家级水土流失重点治理区，地区7属于山东省省级水土流失重点治理区，地区1和地区8属市级水土流失重点治理区，地区2属市级水土流失重点预防区，地区9属县级水土流失重点预防区。

在铁路工程建设过程中，由于弃土、开挖隧道、修筑路基、桥梁等施工活动损坏和占压植被，造成水土保持设施的破坏，使原地貌、植被抗侵蚀力降低或消失，土壤侵蚀量剧增[13]。工程建设造成的水土流失主要为水力侵蚀，在黄河以北地区(地区1、地区2等)存在风力侵蚀，土壤侵蚀分布在铁路路基及两侧占地区、站场、施工生产生活区和施工便道等。建议在桥梁工程区、施工便道和弃土(渣)场区加强水土流失防治措施，并结合主体工程布置及不同单元的水土流失特点进行分区防治，最大限度地减少施工过程中的水土流失。

4 结论

本文以济滨高铁沿线为研究区，基于加权叠加算法、借助ArcGIS ModelBuilder构建土壤侵蚀类型自动绘制模型，分析了该铁路工程沿线的土壤侵蚀现状并为水土流失防治提供建议，主要结论如下。

（1）济滨高铁建设造成的水土流失主要为水力侵蚀，分布在全域范围内，占比96.93%；局部存在少量风力侵蚀，分布在黄河以北地区(地区1、地区2等)，占比3.07%。

（2）沿线经过的地区6、地区7土壤侵蚀类型为水力侵蚀，侵蚀强度以中轻度为主；沿线经过的地区1、地区2、地区8和地区9土壤侵蚀类型为水力侵蚀，侵蚀强度以轻度为主；在黄河以北地区，即沿线经过的地区1和地区2存在部分轻度风蚀，地区2、地区8和黄河沿岸地区(地区6、地区7、地区8交界处)伴有少量的中度风蚀。