張佳威

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 測繪地理信息工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710043）

0 引言

我國鐵路建設(shè)項目的實施帶動了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，也在建設(shè)過程中造成了水土流失，對沿線生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生一定影響。及時、準確掌握鐵路建設(shè)過程中的水土流失狀況，從而有針對性地進行水土流失綜合防治是實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境雙贏的有效途徑[1]。土壤侵蝕分析是鐵路生態(tài)環(huán)境影響評價的重要內(nèi)容，定量評估鐵路工程沿線的土壤侵蝕狀況可為生態(tài)環(huán)境的治理和修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)[2]。

目前，諸多學(xué)者基于水土流失經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯α饔蚧騾^(qū)域尺度的土壤侵蝕狀況進行定量估算和分析。黃金良等[3]針對傳統(tǒng)土壤侵蝕調(diào)查方法耗時、周期長，對中等尺度流域的土壤侵蝕量無法估算等問題，采用USLE模型對福建省九龍江流域土壤侵蝕量進行定量估算，并利用GIS技術(shù)分析評估了該流域土壤侵蝕的空間變異性。黃明等[4]采用USLE模型，同時考慮坡度、坡長、降雨、植被覆蓋度、土壤可蝕性及水土保持措施等因子，更全面、準確的對2018年廣東省陸河縣土壤侵蝕狀況進行定量分析。王澤宇等[5]采用RUSLE模型對陜北榆林市退耕還林前后(2000年、2010年)土壤侵蝕狀況進行定量研究，并對其生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)變化進行了分析評估。張素等[6]采用RUSLE模型和GIS技術(shù)分析了涼山州孫水河流域不同土地利用類型、海拔和坡度條件下土壤侵蝕強度的特征，定量評價了研究區(qū)土壤侵蝕空間特征。管禮松等[7]采用劉寶元提出的CSLE模型對皖南山區(qū)2000年、2010年和2018年土壤侵蝕模數(shù)進行計算，并對其近20年間土壤侵蝕時空變異性進行分析評估。常夢迪等[8]采用CSLE模型對天山北坡中段山區(qū)土壤侵蝕量進行定量估算，并評估分析了2000—2018年該地區(qū)土壤侵蝕時空變化特征及影響因素。

綜上所述，由于USLE、RUSLE、CSLE等方程都是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其參?shù)包含不確定性且存在明顯的地域性差異和專家經(jīng)驗差異，導(dǎo)致因子分值較難確定。另外，部分因子分值缺乏實地調(diào)查，沒有實測數(shù)據(jù)驗證，導(dǎo)致應(yīng)用侵蝕模型時計算誤差較大，難以滿足鐵路工程環(huán)境影響評價精度的要求。針對上述問題，本文利用ArcGIS的ModelBuilder構(gòu)建基于加權(quán)疊加算法的土壤侵蝕強度類型自動繪制模型，選取濟南至濱州高速鐵路沿線為研究區(qū)，并對該區(qū)域土壤侵蝕狀況進行現(xiàn)狀分析和影響評估，為鐵路沿線水土流失綜合防治提供合理化建議。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

濟南至濱州高速鐵路(以下簡稱“濟濱高鐵”)位于山東半島城市群北部，是山東省快速鐵路網(wǎng)魯北通道的主要組成部分，以區(qū)域城際客流為主，同時承擔遙墻機場集疏運任務(wù)并兼顧路網(wǎng)功能。線路西起山東省濟南市，于濟南樞紐濟南東站引出，向北經(jīng)濟南市歷城區(qū)、遙墻國際機場、章丘區(qū)，上跨黃河經(jīng)濟南市濟陽區(qū)、商河縣，向東經(jīng)濱州市惠民縣、濱城區(qū)，接入濱州地區(qū)濱州站，正線長度為145.301 km。全線設(shè)濟南東站、遙墻機場站、濟陽站、商河南站、惠民站和濱州站。濟濱高鐵位于黃河下游沖積平原區(qū)，地形平坦開闊，地面高程2.7～35.2 m。沿線屬于北溫帶大陸型半濕潤季風氣候區(qū)，其主要特征是四季分明、光照充足、風旱相隨、雨熱同期。年平均氣溫13.1～15.0℃，年平均降水量592.0～693.4 mm，年平均相對濕度在70%以上。

1.2 數(shù)據(jù)源

以濟濱高鐵兩側(cè)各10 km范圍建立緩沖區(qū)構(gòu)成研究區(qū)，數(shù)據(jù)源包括線路沿線數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和植被覆蓋類型數(shù)據(jù)。其中，DEM數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(NASA)公開發(fā)布的NA‐SADEM數(shù)據(jù)，格網(wǎng)大小為30 m×30 m；土壤類型數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)公開提供的山東省1 km土壤類型數(shù)據(jù)；植被覆蓋類型數(shù)據(jù)源于地理監(jiān)測云平臺公開提供的2015年山東省1 km植被覆蓋數(shù)據(jù)。

2 研究方法

ArcGIS的模型生成器(ModelBuilder)為設(shè)計和實現(xiàn)空間處理模型提供了一個圖形化的建模環(huán)境。模型以流程圖的形式呈現(xiàn)，通過若干工具將不同數(shù)據(jù)串聯(lián)起來以實現(xiàn)復(fù)雜的GIS任務(wù)。ModelBuilder為土壤侵蝕類型圖的繪制提供了自動化、便捷化的工作流程，可以提高生態(tài)制圖的工作效率和智能化水平[9]。

本文基于加權(quán)疊加算法，利用ArcGIS Model‐Builder工具設(shè)計了土壤侵蝕強度自動制圖方法流程(見圖1)。在擁有較高精度的DEM、植被覆蓋類型、土壤類型圖件的前提下，通過對上述3個因子賦予不同權(quán)重進行加權(quán)疊加分析，得到研究區(qū)的土壤侵蝕分布圖。

實驗輸入數(shù)據(jù)配置如表1所示，在ArcGIS下將包含植被覆蓋類型和土壤類型字段的濟濱高鐵矢量文件通過要素轉(zhuǎn)柵格輸出成柵格圖件，利用該線DEM數(shù)據(jù)提取地形坡度得到坡度柵格圖，再將以上3個柵格圖件進行加權(quán)疊加，最終得到濟濱高鐵土壤侵蝕強度類型柵格圖。

加權(quán)疊加方法常用來解決多準則問題，如地點選擇和適宜性建模。根據(jù)評估等級為輸入柵格中的各個值類分配一個新值，然后根據(jù)各輸入柵格數(shù)據(jù)的重要性或影響力百分比對其進行加權(quán)[10]。將每個輸入柵格的像元值乘以柵格的權(quán)重，再將結(jié)果像元值相加即可生成最終輸出柵格。即

式中：φ為輸出柵格(土壤侵蝕)像元值，Cs、Cv、Cd分別為土壤、植被、坡度柵格像元值，Ws、Wv、Wd分別為土壤、植被、坡度柵格因子權(quán)重值。

圖1 加權(quán)疊加計算流程

表1 實驗輸入數(shù)據(jù)配置

該方法避免了USLE模型及其衍生方程中各因子值較難確定、計算過程較為復(fù)雜、制圖慢的缺陷，具有計算簡單、出圖快的優(yōu)勢，可以滿足鐵路項目環(huán)評工作工期緊、范圍廣、精度要求高的特點，在鐵路生態(tài)制圖方面具有應(yīng)用價值。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗過程及分類結(jié)果

參考研究區(qū)水土流失相關(guān)資料并借鑒專家經(jīng)驗[11]，分別將坡度圖、土壤類型圖和植被覆蓋類型圖進行柵格像元分級(見表2和表3)，即對原始輸入柵格值重分類，設(shè)置其對土壤侵蝕的影響等級?？紤]不同地區(qū)各指標因子對土壤侵蝕的影響程度各異，在前人研究的基礎(chǔ)上[12]，將坡度因子、土壤類型因子和植被覆蓋類型因子權(quán)重分別賦值為0.5、0.25和0.25。

表2 坡度和土壤類型柵格像元分級

表3 植被覆蓋類型柵格像元分級

將上述3個柵格圖件送入模型進行加權(quán)疊加計算，最終得到濟濱高鐵土壤侵蝕強度柵格圖(見圖2)。結(jié)合《新建濟南至濱州鐵路環(huán)境影響報告書》土壤侵蝕現(xiàn)有資料圖(見圖2b)進行目視判讀可知，加權(quán)疊加計算結(jié)果(圖2a)與現(xiàn)有資料(圖2b)吻合度較高，分類結(jié)果較為可靠。其中，輕度水蝕、中度水蝕和輕度風蝕精度較高，土壤侵蝕強度分區(qū)預(yù)測較為準確。中度風蝕和強度風蝕分類精度略有欠缺，導(dǎo)致部分中度風蝕和強度風蝕無法細分，并且輕度風蝕與中度水蝕之間存在混淆。分析原因，中度風蝕和強度風蝕土壤侵蝕面積占比很小(不足2%)，同時柵格像元等級賦值具有一定的主觀性，在加權(quán)疊加過程中會造成誤差，從而影響分類效果。

表4 研究區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計

表5 研究區(qū)土壤侵蝕 km2

3.2 土壤侵蝕現(xiàn)狀及影響分析

對研究區(qū)各類型土壤侵蝕面積及占比進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。從土壤侵蝕類型來講，沿線水力侵蝕占主導(dǎo)地位，侵蝕面積為2 264.12 km2，占比96.93%，主要包括輕度水蝕和中度水蝕，侵蝕面積分別為2 125.54 km2和138.58 km2，占比分別為91.00%和5.93%。沿線還存在少量風力侵蝕，侵蝕面積為71.69 km2，占比3.07%，其中以輕度風蝕和中度風蝕為主，侵蝕面積分別為40.32 km2和28.33 km2，占比分別為1.73%和1.21%，強度風蝕面積僅為3.04 km2，占比0.13%。

對各行政區(qū)土壤侵蝕面積進行統(tǒng)計，得到結(jié)果如表5所示。地區(qū)2、地區(qū)8和地區(qū)9土壤侵蝕面積較大，分別為590.51 km2、503.85 km2和559.11 km2，其次是地區(qū)1和地區(qū)6，侵蝕面積分別為321.73 km2和222.94 km2，其他地區(qū)土壤侵蝕面積較小。

圖2 濟濱高鐵土壤侵蝕類型

從地理位置上來看，水力侵蝕廣泛分布在全域范圍內(nèi)，風力侵蝕主要分布在黃河以北地區(qū)，黃河以南地區(qū)少有風力侵蝕。具體來說，黃河以南段屬魯中南低山丘陵土壤保持區(qū)，土壤侵蝕以輕度水力侵蝕為主；黃河以北段屬黃泛平原防沙農(nóng)田防護區(qū)，土壤侵蝕強度以輕度水力侵蝕為主，但受大風天氣影響，局部地段兼有風力侵蝕。主要表現(xiàn)為：沿線經(jīng)過的地區(qū)6、地區(qū)7土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，侵蝕強度以中輕度為主；沿線經(jīng)過的地區(qū)1、地區(qū)2、地區(qū)8和地區(qū)9土壤侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕強度以輕度為主；在黃河以北地區(qū)，即沿線經(jīng)過的地區(qū)1和地區(qū)2存在部分輕度風蝕，侵蝕面積合計為31.02 km2，地區(qū)2、地區(qū)8和黃河沿岸(地區(qū)6、地區(qū)7、地區(qū)8交界處)伴有少量的中度風蝕。工程沿線所經(jīng)地區(qū)6屬于沂蒙山泰山國家級水土流失重點治理區(qū)，地區(qū)7屬于山東省省級水土流失重點治理區(qū)，地區(qū)1和地區(qū)8屬市級水土流失重點治理區(qū)，地區(qū)2屬市級水土流失重點預(yù)防區(qū)，地區(qū)9屬縣級水土流失重點預(yù)防區(qū)。

在鐵路工程建設(shè)過程中，由于棄土、開挖隧道、修筑路基、橋梁等施工活動損壞和占壓植被，造成水土保持設(shè)施的破壞，使原地貌、植被抗侵蝕力降低或消失，土壤侵蝕量劇增[13]。工程建設(shè)造成的水土流失主要為水力侵蝕，在黃河以北地區(qū)(地區(qū)1、地區(qū)2等)存在風力侵蝕，土壤侵蝕分布在鐵路路基及兩側(cè)占地區(qū)、站場、施工生產(chǎn)生活區(qū)和施工便道等。建議在橋梁工程區(qū)、施工便道和棄土(渣)場區(qū)加強水土流失防治措施，并結(jié)合主體工程布置及不同單元的水土流失特點進行分區(qū)防治，最大限度地減少施工過程中的水土流失。

4 結(jié)論

本文以濟濱高鐵沿線為研究區(qū)，基于加權(quán)疊加算法、借助ArcGIS ModelBuilder構(gòu)建土壤侵蝕類型自動繪制模型，分析了該鐵路工程沿線的土壤侵蝕現(xiàn)狀并為水土流失防治提供建議，主要結(jié)論如下。

（1）濟濱高鐵建設(shè)造成的水土流失主要為水力侵蝕，分布在全域范圍內(nèi)，占比96.93%；局部存在少量風力侵蝕，分布在黃河以北地區(qū)(地區(qū)1、地區(qū)2等)，占比3.07%。

（2）沿線經(jīng)過的地區(qū)6、地區(qū)7土壤侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕強度以中輕度為主；沿線經(jīng)過的地區(qū)1、地區(qū)2、地區(qū)8和地區(qū)9土壤侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕強度以輕度為主；在黃河以北地區(qū)，即沿線經(jīng)過的地區(qū)1和地區(qū)2存在部分輕度風蝕，地區(qū)2、地區(qū)8和黃河沿岸地區(qū)(地區(qū)6、地區(qū)7、地區(qū)8交界處)伴有少量的中度風蝕。