遙感技術在改建鐵路包蘭線地質災害評價中的應用

王文婷

(中鐵第五勘察設計院,北京 102600)

1 研究區概況

包蘭鐵路是京蘭通道的重要組成部分,是煤運北通道的后方通道之一,在我國鐵路網中具有重要的地位。現有運量已達到超飽和狀態,成為沿線經濟發展的制約因素。因此,鐵道部、寧夏回族自治區、甘肅省合力開展沿既有線增建二線,既有線提速改造,配套改造通信、信號等運營設備項目。

改建包蘭線正線里程469.305 km,地跨甘肅、寧夏兩省。初選線路方案走廊經由地貌類型為黃河沖積平原及河谷區、山前及山間沖洪積平原區、低緩丘陵區、低中山區,地形地貌較復雜;線路所屬構造體系由北向南為祁呂賀山字型構造體系之銀川斷陷盆地、賀蘭山褶皺帶;衛寧北山緯向構造帶;隴西旋卷構造體系;祁呂賀山字型構造之西翼的祁連山褶皺帶及其各構造體系的復合交接部位,地質構造復雜。

2 遙感信息源的選擇及處理

采用美國陸地衛星LANDSAT5 TM影像數據 2景,軌道號分別為 130/34、130/35,成像時間為 2009年5月,地面分辨率 30m;LANDSAT7 ETM+數據,分辨率 15m,成像時間2005年;NASA最新公布的研究區Aster 30 m G-Dem數據;全色黑白航空像片,重疊率 60%,2009年攝影,比例尺 1∶1萬。

地質災害體的解譯要求空間分辨率高,影像色調飽和,地物間反差要,為能反映這些細節,主要進行了主成分變換融合。使之在原來圖像的基礎上,既保留了多光譜圖像的信息,又提高了空間分辨率。

由已獲取的DEM數據,在ERDAS IMAGINE Virtual GIS模塊下疊加 DOM影像圖紋理到三維地形模型,生成動態漫游的立體模型,從不同的角度和高度輔助解譯。

3 主要地質災害的解譯分析

地質災害體的圖像識別主要是基于其圖像空間結構信息,包括形狀、大小、紋理(影紋圖案)等,其次是圖像的光譜信息,主要是色調(圖像的亮度值),并結合地層巖性及微地貌、植被、水系及景觀等特征,建立不同種類災害體的解譯標志。

3.1 鹽漬土

鹽漬土病害主要依據地物的波普反射特征來提取信息。可見光、近紅外和短波紅外波段是識別鹽堿化土壤的關鍵波段。從信息量來衡量,TM數據 1,3和 5波段組合所含信息量最大。土壤反射率介于水體與植被之間,即大于水體的反射率而小于植被的反射率。在典型地物光譜曲線上,波長在 0.35-0.65μm之間,鹽堿類土壤和一般土壤的反射率大于其它地物(如植被);而波長在 0.65μm以上時,植被的反射率大于土壤的反射率;在遠紅外波段,土壤反射率大于植被反射率。這與土壤物化特性、水分動態以及植被葉面反射率特性等有關。因而,土壤鹽漬化程度越高,光譜反射越強,其影像特征呈高反射淺色調。而在紅光和綠光波段,地面植被的覆蓋必然影響鹽漬土的光譜響應;土壤的含鹽量越高,越不利于植被的生長發育,因而重鹽漬化地一般都處于裸露狀態,形成“不毛之地”。受鹽漬化影響的植物,其近紅外波段反射率會降低,影像色調較暗。基于以上特征的分析,我們選用兩種方法來界定鹽漬化區域:一種以 TM 135標準假彩色合成為背景圖,分配各種地類的特征值做復合監督分類;一種則是通過TM 432標準假彩色合成為背景圖,提取歸一化植被指數(NDVI)(定義為近紅外波段與可見光紅波段數值之差和這兩個波段數值之和的比值)來反向界定鹽漬化區域圖 1、圖 2。

3.1.1 精度分析

結合地表鹽霜鹽斑分布、作物生長狀況、地下水水位和礦化度、土壤類型等非遙感數據輔助信息,經過 10%圖斑抽樣的實地驗證,精度達到了 90%的預期指標,兩種方法對于提取中-重鹽漬土的精度相差 2.4%,人工修正的復合分類方法效果較為理想。

3.2 泥石流

泥石流形成區多呈勺狀、漏斗狀、橢圓狀三面環山的圍谷。山坡裸露,植被稀少,浮土厚,影像色調淺灰—灰白。溝的源頭常發育密集的細溝、切溝;流通區常寬窄不一,溝槽彎曲段常見色調灰白的堆積物,影像結構粗糙的是粗礫堆積物,影像結構細膩的是細粒堆積物。溝槽順直段,缺少堆積物;泥石流堆積區主要位于溝口,平面常呈扇形體。影像結構粗細間雜,色調淺灰—灰白。泥石流屬性的判別主要根據堆積物形態特征,以及堆積物與溝谷相對位置來確定。通常粘性泥石流流程短,堆積物影像結構粗糙,集中完整地堆積于溝谷中。流通區與堆積區合二為一,堆積體有流變痕跡,順溝常有多條脊狀隆起,似冰川側磧一般;而稀性泥石流一般流程較長,堆積物分散在溝谷的寬緩地段和溝口處。

圖2 惠農至銀川段 K 467～K 481段 NDVI指數分布

3.3 崩塌、滑坡

崩塌常發生在巖性堅硬,節理發育地區,陡坡周圍堆積成巖或倒石堆。在遙感影像上崩塌的陡崖新的色調淺,老的色調深。在陡崖的下方有淺色調的錐狀地形,有粗糙感或呈花斑狀的錐形。崩塌體堆積色調淺,呈錐狀。新生的崩塌體植被少,古老的崩塌體植被較為茂盛。

滑坡在影像上常用灰度、形態和滑坡表面特征進行識別,在航空影像上特征比較明顯,而在衛星圖像上,因比例尺較小,規模較小的滑坡不易識別,主依航片判別。其平面形態主要有弧形、椅形、馬蹄形、新月形、梨形、漏斗形和葫蘆形、舌形等各種形態。

滑坡發生在具有一定滑動條件的斜坡上,具有明顯的滑坡周界、后壁和滑體內部特征:滑坡周界一般呈簸箕形;滑坡多呈圍椅狀;滑坡體下方由于土體擠壓,有時可見到高低不平的地貌;滑體前緣呈舌狀,有時表層有翻滾現象而出現反向坡;滑坡裂縫,包括拉張裂縫、剪切裂縫、鼓脹裂縫、扇形張裂縫;滑體上的樹有時呈醉漢林或馬刀樹,甚至有枯死現象。

4 結論及建議

4.1 鹽漬土

鹽漬土主要分布于惠農至銀川、平汝支線平羅至大武口一帶。其中,銀川至惠農段 K468+600～K477+800長約9.2 km的路段屬中-重鹽漬化,地表有大片的鹽斑,地表植物難以存活,表現出荒漠景觀。由于地勢低洼,地下水位埋藏淺,積水成塘,排洩不暢,徑流滯緩,地表蒸發強烈,毛細水不斷攜帶鹽份富集表層,使地表發生鹽漬化,多形成白色鹽霜或 1～2 cm厚的鹽殼。線路經行鹽漬土病害區域,路堤兩側受積水長期浸泡易發生坡腳沉降、溜坍;加之毛細水及強烈蒸發作用,致使路堤土體均勻程度不同產生次生鹽漬化,從而發生路堤凍脹、邊坡松漲、溜坍、翻漿等病害。建議繞避或采用當地含鹽土填筑,采用包坡加隔斷層為主、鋪設灰土磚路肩、改建永久性排堿溝等綜合處理措施。

4.2 泥石流

泥石流是一種突然爆發的含有大量泥沙、石塊的特殊洪流。其主要特點是來勢迅猛,破壞力強。它可直接埋沒公路、摧毀路基、堵塞或撞擊橋涵等建筑設施,致使交通中斷。當它匯入河流時,常會壓縮或堵塞河道,使水位壅升或河道變遷,間接毀壞公路、橋梁及其它構筑物,造成巨大經濟損失。研究區發育泥石流二十余處,主要分布于甘肅段西邵至余丁段的低緩丘陵和山前沖洪積平原區及香山山脈北段的溝谷中以及白銀南至蘭州東段中低山區的溝谷中。以水動力成因的溝谷型稀性泥石流為主,形成區、流通區和堆積區比較明顯。流域相對高差 61～430m,山坡坡度均小于 40°,流域面積均小于 10 km2,谷內松散堆積物較豐富,溝床較平,堆積厚度多在 3～8m,堆積物以粗粒為主,規模較小。

寧夏段惠農至紅果子溝(K 437+750～K 438+100)以南洪積扇前沿及正誼關溝(K 428+500～K428+900)發育兩條洪水泥石流。按泥石流物質組成劃分,均屬水石流,固體物質主要來源于山前洪積扇上部以及崩塌碎石堆積,一般為卵石土、礫石土、和礫石,末端未形成堆積扇。

在時間分布特征方面:泥石流均水為動力類型,發育時間和暴雨強度密切相關,根據研究區氣象資料,降雨主要集中 6～9月份,其中 7～8月月平均降雨量大于 35mm。泥石流發育也會集中在 6-9月。但評估區降雨量均很小,一般不形成大型暴雨,所以在水源條件限制下,研究區泥石流爆發可能性較小,建議鐵路在各泥石流溝地段采用橋梁的構筑形式通過,以減小對擬建鐵路建成后的危害(圖3、圖 4)。

圖3 燒炭溝泥石流

圖4 燒炭溝泥石流立體圖

4.3 崩塌、滑坡

研究區崩塌、滑坡主要分布于甘肅段 CK896+000～蘭州東站,該地段局部分布有不穩定斜坡,坡度 40°～70°,地層主要為第四系上更新統風積黃土,厚度大于 20m,植被稀少,在雨水沖刷下,陡峻山坡及深切溝谷兩側易形成崩塌。崩塌和滑坡,多發生于軟硬巖層相間的地層中,即夾有煤層或粘土層的地層,其相應的危害情況要比缺失軟弱夾層(比如薄煤層)或缺失堅硬巖層的地層嚴重的多。其主要原因在于,軟質地層易于風化,抗剪強度較低,又是良好的隔水層,為滑面的形成提供了良好的地質結構條件。

研究區沿線分布有七處滑坡,分別為青城滑坡、東溝滑坡、桃樹坪 1號滑坡、桃樹坪 2號滑坡、大青山 1號滑坡、大青山 2號滑坡和大青山 3號滑坡。滑坡主要類型為順層基巖滑坡和松散堆積層滑坡,侏羅系強風化～中風化泥巖、砂巖及上覆的第四系碎石土、含碎石粉質黏土、粉質黏土往往組成了崩滑帶,而下伏泥巖及砂質泥巖基巖,透水性較弱,遇水易軟化泥化,容易形成軟弱夾層,為滑面的形成提供了有利的地質結構條件。其中,青城滑坡位于增建線路里程CK860+330～CK 860+500段(青城隧道出口)左 270m處。滑坡體寬 71m,主軸長 94m,平均坡度約 43°,面積 6.1×103m2,平均厚度約 5m,體積約 3.1×104m3,主滑方向為 176°。滑坡體后緣出現多條拉裂縫,長 15～40m,寬 10～40 cm,深0.3～1.6m,穩定性差。由于位于隧道出口處,淺層滑坡可能會因線路施工而加劇,建議隧道出口方案采用中橋構筑。

圖5 CK896+420左側 15m崩塌

東溝滑坡位于線路里程 CK 896+385～CK896+440右側 130m。滑坡體寬 37m,主軸長 43m,平均坡度約 33°,面積 1.6×103m2,平均厚度約 5m,體積約 8.0×103m3,主滑方向為 46°,穩定性較差。但滑坡體發育規模較小,對擬建鐵路危害性小(圖 5、圖 6)。

研究區崩塌、滑坡總體發育規模較小,對擬建鐵路危害性小。

5 結束語

遙感技術在地質災害信息提取方面的應用有著高效及結果可視化的優點,為山區鐵路前期勘測工程地質選線提供了大量難以實地獲取的信息,以遙感判釋成果指導外業地質調查,節省了人力物力,提高了地質填圖的質量。

圖6 CK896+420左側 15m崩塌立體圖

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