电力工程中遥感提取侵蚀沟参数的方法探讨

李 磊，李志龙，席占生，张锡涛，王 昆，康薇薇

(国核电力规划设计研究院 勘测院，北京 100095)

土壤侵蚀是当今世界普遍关注的环境问题之一，在我国分布非常广泛。电力工程中，土壤侵蚀形成的侵蚀沟引发的洪水淹没问题、侵蚀沟发展形成的冲刷问题，都严重威胁电力工程的运行安全[1]。相对河道水文勘测而言，因其流域面积小、基础资料缺乏、历史调查困难等，侵蚀沟勘测一直是电力工程水文勘测的难点。目前在计算侵蚀沟设计暴雨洪水时多采用推理公式法、等流时线法、单位线法等半成因半经验方法和区域性经验公式方法，这些方法应用前往往需要对主流稳定性、流域面积、流域比降、主流长度等水文参数进行识别。常规水文勘测方法多采用1 ∶1万地形图进行参数提取，但对于无资料地区的侵蚀沟，难以找到适当的地形图进行水文参数的提取[2]。侵蚀沟发展的预报模型精度还不能满足电力工程勘测工作的要求，目前仍以现场调查为主[1,3]。近年来随着空间分辨率的日益提高，遥感技术在水文观测中的应用日趋成熟，尤其是在处理无资料地区的侵蚀沟问题上具有独特的优势。因此，本研究在总结电力工程中侵蚀沟问题的特点和当前可利用遥感影像分辨率的基础上，分析解决电力工程中侵蚀沟问题实际需要的遥感影像分辨率以及相应的遥感水文参数提取方法，并以工程实例验证遥感提取侵蚀沟参数的可行性。

1 侵蚀沟对电力工程的影响

作为土壤侵蚀的重要类型，水力侵蚀的主要形式有面蚀和沟蚀[1]，其中面蚀包括溅蚀、片蚀和细沟侵蚀，沟蚀则包括浅沟侵蚀、切沟侵蚀和冲沟侵蚀。由于细沟实际上是浅沟侵蚀的初级阶段，其水力学特性和侵蚀机理与片蚀不同，因此也可将细沟侵蚀划为沟蚀。侵蚀沟即为沟蚀形成的沟壑，根据王礼先对侵蚀沟的分类方法[1,3-5]：细沟是指坡面径流逐步汇集成的小股水流将地面冲成沟深和沟宽均不超过20 cm的侵蚀沟，可被耕耘作业填平；浅沟是在细沟侵蚀的基础上，由小股径流汇集成较大的径流，既冲刷地表又下切底土，形成的宽度大于深度的侵蚀沟，正常耕翻不能平复，在我国黄土地区浅沟深度多为1 m左右，在南方第四纪红土、第三纪或更古老的紫色页岩上的浅沟深度一般在1 m以内、宽度1.5～2.0 m，在花岗岩丘陵区的风化壳上浅沟宽度约1.0 m、深度不超过0.5 m；切沟是指沟头有一定高度的跌水，因水流的不断冲刷，使沟头前进和沟底下切，同时沟岸因重力作用不断崩塌的侵蚀沟，其深度至少1 m，有的深度可达数米，在土层疏松、深厚的黄土地区可达十余米至数十米，但切沟侵蚀的沟道底部纵断面仍与坡面大致保持平行；冲沟是侵蚀沟发育的末期，还没有达到相对稳定，虽然沟底下切已缓和，但沟头的溯源侵蚀和沟坡沟岸的崩塌还在发生，黄土高原地区的冲沟深度一般为数十米，最深可达100 m以上。沟蚀达到一定规模，沟头接近分水岭，沟口与河道相接，沟底下切的深度已达到河流的河床高度，沟底不再下切，比降也显著变小，沟底一侧形成水道并可能有常流水现象的沟道称为河沟。

上述不同类型的侵蚀沟反映了侵蚀沟系统演变为河沟的过程，在一个侵蚀沟系统中各种类型的侵蚀沟往往同时存在，它们对电力工程的影响及相应的处理措施均有所不同。当电力工程上游仅有细沟出现、设计来水量不大、冲刷也不严重时，往往采取截洪沟等较为简单的处理措施截走上游来水即可；当电力工程上游有深度0.5～1.0 m的浅沟，对于线路塔位则需要考虑防冲刷措施并加大基础埋深，对于电厂和变电站等场地工程则需要根据来水情况设置较大型截洪沟等，工程量相对于细沟有较大提高；对于宽深均超过1 m的切沟和冲沟，若位于电力工程上游且距离很近，由于处理措施费用较高，所以建议尽可能避让，在计算时主要考虑设计洪水位和侵蚀沟的横向发展。显然，电力工程中侵蚀沟的勘测主要以浅沟、切沟、冲沟为主，不同的侵蚀沟勘测方法也有所不同。对于宽度和深度较大的切沟和冲沟，用常规的1 ∶1万地形图即可对其参数进行提取，但是对宽深较小的切沟和浅沟则很难进行识别；对于无资料地区的侵蚀沟，目前的预报技术尚难以满足电力工程对侵蚀沟发展预测的要求，采用地形图对比方法时效性差，又难以进行现场调查，因此需要探索新的方法进行侵蚀沟勘测。

2 遥感提取侵蚀沟参数的方法

随着遥感技术的不断发展和空间分辨率的不断提高，遥感提取水系参数的方法已较为成熟，分辨率达到0.5～1.0 m的遥感影像数据比较丰富，基于高分辨率遥感影像生成的数字高程模型(DEM)分辨率也已达到2.0 m左右，这为遥感技术应用于精确的侵蚀沟参数提取提供了可能[6]。根据原理的不同可将提取方法分为两大类[3,6]：一类是基于遥感数据生成DEM，提取生成流域水系和水文参数；另一类是直接采用遥感图像解译方法对水文参数进行提取。

2.1 基于DEM的侵蚀沟参数提取

基于DEM的侵蚀沟参数提取方法已较为成熟，主要是基于ArcGIS软件的水文模块，对输入的DEM进行栅格化处理、填洼、提取水流方向、计算汇流累积量、提取沟道，在此基础上进行流域面积、河道长度、河道比降、冲沟密度等沟谷水文参数的提取[3]。DEM分辨率的选择对沟谷水文参数提取有着重要影响。从理论上讲，DEM分辨率越高，地形模拟的精度就越高，但同时也意味着数据量呈几何级数增长，应用成本成倍增加，相应的可推广性也将大大降低。因此，在利用DEM技术研究侵蚀沟的过程中，确定一个合理空间分辨率的DEM十分必要。研究表明，不同地区、地形和流域面积，提取各级别沟谷参数的最佳DEM分辨率是不同的，比如1～2 m精度的DEM对于切沟、冲沟是一个合理的空间分辨率，但对细沟、浅沟的参数提取误差较大[3,7]。

2.2 遥感图像解译方法提取侵蚀沟参数

遥感图像解译主要分为目视解译和计算机解译两类[6]。考虑到侵蚀沟的复杂多样性，单纯利用目视解译非常耗时耗力，因此本研究采用计算机自动分类和目视解译相结合的方法进行侵蚀沟参数的提取。先利用ENVI软件中传统的监督分类方法——最小距离分类对地物进行分类识别，然后根据地物的面积、形状进行相应的分类后处理，最后在得到的侵蚀沟结果上提取相应的参数进行分析。在不同分辨率的遥感图像中，同种地物所表现的特征是不同的，因此在影像分类中如何有效利用遥感图像上各地物的特征是分类成功的关键。遥感图像解译可以对侵蚀沟的沟沿线、沟长、沟宽等平面信息进行提取，但对沟深和坡度等信息则难以进行识别。

2.3 DEM和遥感图像解译相结合的侵蚀沟提取

基于DEM的水系提取方法可以提取各种侵蚀沟参数，但目前的精度只能达到1～2 m，无法精确提取浅沟参数。采用遥感图像解译法提取侵蚀沟的精度可以达到0.5 m，能够提取流域面积、河道长度等，但无法提取沟深、坡度等。两种方法能达到的精度不同，但如果将两种方法结合起来，就可能满足电力工程对侵蚀沟参数提取的高精度要求。随着遥感资料的不断积累，基于不同时段的遥感信息，还可以对侵蚀沟的演变规律进行分析。因此，本研究在对切沟和冲沟等宽深较大和流域面积较大的侵蚀沟进行参数提取时采用DEM提取水系方法，对浅沟的识别采用遥感图像解译和DEM相结合的方法，对河道稳定性和河道历史洪水淹没范围分析采用遥感图像解译方法。

3 应用实例

3.1 研究区概况

某750 kV变电站位于柴达木盆地东北缘与祁连山山脉交界的山前冲洪积平原上、大柴旦湖以东约8 km处，站址东北部为柴达木山，西侧紧邻215国道，东北侧距315国道约4 km。站址海拔3 188—3 196 m，区域总体地形平坦开阔，地势由东向西倾斜，坡度30‰以上，地表几乎无植被覆盖，受地形影响局部区域地表冲沟错综复杂。为防止受山区洪水影响，在215国道和315国道沿线修建了多个涵洞及导流设施。

研究区附近主要的河流为距站址北侧约2 km的大头羊沟。大头羊沟为内陆河流域，属依克柴达木湖(大柴旦湖)水系，发源于祁连山脉支系的柴达木山，属以降水补给为主、冰雪融水补给为辅的混合补给型河流。大头羊沟河水出山口后，经315国道逐渐以潜流形式补给地下水，而后在滩地(草场)处出露汇入大柴旦湖，流向为东西方向，流量变化大。315国道至滩地段河流呈扇形漫流状，无明显的河槽、阶地。大头羊沟无水文站，根据调查及附近水文站资料，洪水以夏季暴雨洪水为主。

站址防洪需分析北侧大头羊沟洪水位及淹没范围、东侧国道涵洞影响下的坡面流、侵蚀沟洪峰流量及洪水冲刷问题，然而该区域属无资料地区，水文资料缺乏且人烟稀少，常规的现场水文勘测手段较难开展，同时区域内侵蚀沟众多，基于大比例尺地形图的流域提取方法难以对这些侵蚀沟进行准确识别。因此，本研究采用多时段遥感影像对比的方法分析大头羊沟的历史洪水淹没范围和河道稳定性，采用DEM水文参数提取技术提取大头羊沟流域参数，在此基础上分析100年一遇来水量，根据遥感影像提取主要的侵蚀沟水系，分析侵蚀沟的稳定性，结合DEM提取侵蚀沟的各种参数，进行侵蚀沟洪水量的计算分析。

3.2 遥感数据

该区域可供分析的遥感影像数据资料较丰富，根据当地历史洪水调查，选择有代表性时间点的多幅数据进行分析(表1)。DEM数据来源有：SPOT-5卫星遥感影像生成的DEM数据，分辨率为5～10 m；Landsat卫星遥感影像生成的DEM数据，分辨率为30 m。本次分析还结合Google Earth多个时段的遥感影像，对当地历史洪水进行分析。

表1 卫星遥感影像资料来源

3.3 大头羊沟流域水文情势分析

(1)315国道以上流域水文情势分析。大头羊沟流域在315国道以上为山谷型河流，河道常年有水，主流较稳定，两岸有不完整堤防，目前正在编制小流域治理规划。为分析不同分辨率DEM对小流域水系参数提取的影响，分别采用30 m和5～10 m分辨率DEM对315国道以上大头羊沟流域进行参数提取。通过比较发现，两种分辨率DEM提取的水系参数相差不大。采用30 m DEM提取水系参数，应用多种小流域洪水计算方法进行比较分析，最终得到大头羊沟在315国道桥涵处100年一遇洪峰流量为111 m3/s。经对315国道桥涵过水能力进行分析，100年一遇洪峰流量可顺利通过。

(2)315国道至215国道段大头羊沟水文情势分析。该段河流呈扇形，无明显河槽、阶地，洪水期存在漫流状水流，枯水期水流全部潜流补给地下水，无地表径流。为分析该河段100年一遇洪水对站址的影响，选取表1中近10年典型洪水期的遥感影像，采用目视解译方法对洪水期该河段的主流流向稳定性和历史洪水淹没范围进行提取和对比分析。结果表明，该河段主流较稳定，历史洪水没有淹没至站址区域。根据对该河段主流的判断，选取了3个断面对河段100年一遇洪水位进行计算，最终得到河段100年一遇洪水可沿215国道排出，不会漫溢至站址方向，即站址不受大头羊沟100年一遇洪水位的影响。

3.4 侵蚀沟水文情势分析

(1)侵蚀沟系统的提取。由于采用的DEM的分辨率分别为5～10 m和30 m，而站址东侧侵蚀沟宽度不超过5 m、深度不超过3 m，因此采用ArcGIS水文模块的水系提取方法难以实现对侵蚀沟系统的提取。为比较不同分辨率遥感影像对侵蚀沟系统提取的影响，采用30、2.5、0.5 m等3种分辨率遥感影像进行侵蚀沟提取的对比分析。采取计算机解译的方法对30、2.5、0.5 m等3种分辨率的遥感影像进行侵蚀沟提取，并与0.5 m分辨率遥感影像的目视解译结果进行对比，以判断各种分辨率遥感影像采用自动解译提取侵蚀沟的效果。结果表明，30 m分辨率遥感影像难以反映区域侵蚀沟形态，2.5 m和0.5 m分辨率均能较好提取较大的冲沟系统；0.5 m分辨率遥感影像可以较好地提取细沟和浅沟信息，而2.5 m分辨率遥感影像提取效果较差。

(2)侵蚀沟系统稳定性分析。为比较不同时段侵蚀沟的摆动情况，选取表1中多个时段的高精度遥感影像进行对比分析。结果表明，站址东侧的侵蚀沟系统是稳定的，站址区域可能受东侧3个冲沟系统的洪水影响。

(3)侵蚀沟水文情势分析。由于该区域侵蚀沟系统错综复杂，采用人工目视解译的方法对3条侵蚀沟的流域面积和主流长度进行提取，并结合5～10 m DEM对冲沟比降进行提取。采用多种小流域洪峰流量计算公式，得到站址北侧3条冲沟的100年一遇洪峰流量分别为3.27、3.34、2.94 m3/s，建议在站址设立截洪沟，将东侧冲沟洪水截流，沿215国道涵洞排出站址区域。

4 结 语

侵蚀沟勘测一直是电力工程水文勘测的难点。本研究结合电力工程的特点对基于遥感技术的侵蚀沟参数提取方法进行了研究，主要结论如下：

(1)电力工程水文勘测重点勘测的是浅沟、切沟和冲沟，它们对电力工程影响较大，在勘测分析时应给予重点关注。

(2)根据电力工程水文勘测的需要，结合目前已有的满足工程精度要求的遥感数据，将DEM数据和遥感图像解译技术相结合进行侵蚀沟参数的提取是一种较为可行的分析方法。工程实例表明该方法可用于沟谷稳定性分析、侵蚀沟参数识别等勘测工作。

(3)常用的30 m分辨率DEM对于较大的冲沟参数提取效果较好，但对于浅沟、切沟则需要分辨率更高的遥感和DEM资料。目前水平分辨率1～2 m的遥感影像资料对侵蚀沟的横向演变分析能够满足工程实践要求，但侵蚀沟的纵向演变则需要更高分辨率的遥感影像资料。当精度不能满足要求时建议采用现场踏勘结合遥感影像进行综合分析。

(4)遥感技术的应用可以为电力工程水文勘测提供新的手段，随着遥感资料的不断积累和遥感分辨率的日益提高，遥感技术在电力工程水文勘测中将发挥越来越重要的作用。

[参考文献]

[1] 王礼先,孙宝平,余新晓.中国水利百科全书：水土保持分册[M].北京：中国水利水电出版社,2004:37-42.

[2] 中国电力规划设计协会.电力工程水文气象计算手册[M].武汉:湖北科学技术出版社,2011:19-21.

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