基于GIS的兰新铁路沿线风沙灾害致灾成因分析及评价

2020-02-26王玉竹闫浩文王小平

铁道标准设计 2020年2期

王玉竹,闫浩文,王小平,王卓

(1.兰州交通大学测绘与地理信息学院； 2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心； 3.甘肃省地理国情监测工程实验室,兰州 730070)

中国不仅是世界上沙漠最多的国家之一，也是铁路饱受风沙危害较为严重的国家之一。据统计，目前有20余条铁路(运营里程上万千米)线穿越风沙地区，风沙危害严重地段接近1 100 km，主要集中在新疆、西藏、内蒙和甘肃境内，具有标志性的铁路当属兰新高速铁路、兰新铁路、包兰铁路、南疆铁路和临策铁路。风沙灾害给铁路运营带来了严重隐患，尤其是新疆境内的铁路线，经常遭受强风沙流的侵袭，轻则污染道床，影响道床的减振性能，重则吹翻列车，严重威胁行车安全。

风沙地区修筑铁路，虽然在技术上可行，但又是一项困难而复杂的工作。风沙问题始终贯穿铁路建设和运营的全过程，在勘察、选线、设计和施工每一个环节都要引起足够的重视。然而，由于风沙地区环境恶劣，且设计工作量大，勘察期间获取的数据偏少，导致防沙工程设计中参考资料不足，铁路开通运营后产生了一系列问题，例如，2007年2月，乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车行至南疆线珍珠泉至红山渠间，遭遇瞬间风力达13级的大风，强风沙流造成机后9～19位车辆脱轨，南疆铁路也被迫停止运营。

铁路风沙灾害是指风沙流途经路基时产生的风蚀和风积现象，影响铁路安全运营的主要问题为风积。为保证风沙地区铁路的安全运营，国内外学者借助现场监测、风洞试验和数值模拟，从风沙流结构特征[1-4]、道路工程沙害形成机理[5-9]、风沙灾害防治及其沙障防沙功效[10-17]、沙障设计参数优化[18]、风沙路基性能[19]等方面做了大量研究，为铁路沙害治理提供了一些理论基础和现场实践经验。但是基于GIS的铁路风沙灾害评价鲜有研究。因此，在分析铁路风沙灾害致灾因子的基础上，基于GIS和AHP，综合考虑影响铁路沙害的主要因素，对新疆境内风沙灾害易发程度进行评价，以期对新疆境内铁路风沙灾害防治提供新的研究方法。

1 研究区概况

兰新铁路风沙灾害主要位于新疆境内。研究区由北至南的三大山系(阿尔泰山、天山、昆仑山)将新疆分割成南疆和北疆两个自然区域，形成了独特的地形特征(三山夹两盆)。从地势上看，大体呈现北高南低、西高东低的态势。

由于新疆地处内陆，四周环山，远离海洋，使得海洋水汽难以到达，形成了典型的大陆性气候，具有鲜明的特点，如晴天多、日照强、降雨稀少、蒸发强烈、冬寒夏热、昼夜温差大、风力强劲频繁、风沙活动频繁等。

北方冷空气南下是新疆地区大风频发的主要原因，加之区内特殊的地形条件，大风具有明显的地域性。冷热空气的气压差、河谷和垭口地形的“狭管效应”和顺风向下沉的地势是造成区域大风的主要因素。当天山以北地区急剧降温时，气压升高，天山以南地区尚维持相对高温，气压较低，天山南北地区的气压差升高到一定程度时，就为形成大风积累了足够的动力，天山的几处垭口地形为释放这种气压差提供了通道，气流通过这些通道夺路而出，形成了大风，而此时的垭口地形的“狭管效应”进一步加大了风力，成为形成大风的地形条件。

2 致灾因子

风沙活动是指气流携带沙粒起动、运动和沉积的过程。风沙灾害主要是由于风沙流平衡状态遭受破坏而产生，其直接影响因子主要有风力和沙源，间接影响因子主要有植被、海拔、粗糙度、坡向、干燥度。

2.1 风力

风力是风沙流形成的动力条件，当风速大于沙粒的起动风速时，地表松散的颗粒就会被气流搬运，形成风沙流，沙漠地区沙粒的起动风速一般为4～7 m/s，戈壁地区沙粒起动风速一般为11～20 m/s。兰新铁路沿途经过多处风区，具有风速高、风期长，起风速度快等特点，特别是三十里风区和百里风区，瞬时风速超过60 m/s。兰新铁路沿线年均风速分布见图1。

图1 兰新铁路沿线年均风速分布

2.2 沙源

沙是风沙流形成的物质基础，也是影响风沙流蚀积状态的关键因子。当风力一定时，沙源越丰富，风沙流的输沙率越大，危害程度越严重，反之，则危害程度越轻微。倘若地表较为密实，不能提供沙源，即使风力足够大，也不能形成风沙流。

2.3 植被

植被是影响风沙活动强弱的主要因素之一，具体表现在两方面：固定沙源和减小风速(近地表)。当地表植被覆盖度较高时，沙丘表面很容易形成结皮，隔绝气流与松散沙粒的接触，间接减少沙源；另外，植被覆盖度较高时，可以减少近地表风力，降低气流的携沙能力，从而减弱风沙活动。兰新铁路沿线植被指数分布见图2。

图2 兰新铁路沿线植被指数分布

2.4 海拔

新疆的地形简单的可概括为“三山夹两盆”，两盆地分别为天山北面的准噶尔盆地和天山南面的塔里木盆地，盆地中间分别是古尔班通古特和塔克拉玛干沙漠。因为新疆是干旱少雨地区，水资源补充主要依靠环盆地的3座山脉的雪融水，雪水在山脚下较多，越往盆地中间流就越少。因此，新疆境内，除降雨较为丰富的地区，一般情况下，海拔越低沙源越丰富。兰新铁路沿线海拔分布见图3。

图3 兰新铁路沿线海拔分布

2.5 坡向

一般情况下，微地形上的山坡朝向与主导风向夹角越小，地形对气流的扰动越小，越不易在此形成风积沙害。另外，在微地形的迎风坡气流被压缩，风力得到加强，不易形成积沙；在背风坡气流扩散，风力发生衰减，容易形成积沙。由于新疆地区主导风向为西北风和东南风，且西北风的持续时间明显多于东南风。因此，朝向为东北和西南的山坡不易形成风积沙害，而朝向为西北和东南的山坡最易形成风积沙沙害，且朝向东南的山坡积沙可能性大于朝向西北的山坡。兰新铁路沿线坡向分布见图4。

图4 兰新铁路沿线坡向分布

2.6 干燥度

干燥度，又称干燥指数，是表征气候干燥程度的指数。定义为某地一定时段内可能的蒸发量与同期降水量的比值。与降水量和蒸发量相比，它能够更加确切的反映某地水分的干湿状况。

新疆境内降雨量和蒸发量分布极不均匀，北疆降雨丰富，蒸发量较少；南疆降雨稀少，蒸发量较大；山区降雨丰富，蒸发量较小；盆地降雨稀少，蒸发量较大。降雨不仅是盆地周围山脉积雪的重要补充，也是绿洲植被生长的重要水源。降雨量丰富其蒸发量少的地区，区域植被覆盖度高，相应的沙粒起动风速增大，相反，沙粒起动风速减小。因此，区域干燥度间接影响着风沙流的活动强烈程度。兰新铁路沿线干燥度分布见图5。

图5 兰新铁路沿线干燥度分布

2.7 地表粗糙度

地表粗糙度一般指地表单元曲面面积和投影面积之比，是表征地表起伏变化的指标。空气动力学中，将风速廓线上速度为零的位置定义为粗糙度。而在地形学中(也称地表微地形)，粗糙度即为地面凹凸不平的程度。地形平坦的沙面上，风速只要达到起动风速就会形成风沙流，但随着地表粗糙度的增大，近地表摩阻力随之增大，地面附近的风力就会被大幅度削减，以致无法起动沙粒，就不能形成风沙流。因此，地表粗糙度越大，越不易形成风沙流。兰新铁路沿线地表粗糙度分布见图6。

图6 兰新铁路沿线地表粗糙度分布

3 研究方法

采用层次分析法构建风沙灾害评估模型，进行区域风沙危害程度评价。层次分析法(简称AHP)，是由美国匹茨堡大学教授萨蒂(运筹学家)于20世纪70年代初提出，是一种定性与定量分析结合的多准则决策方法，适用于大量因素无法定量表示的决策中，主要强调人的主观因素在决策中的作用。

3.1 构造层次分析结构

根据指标间的隶属关系及重要性级别设置上下层，按照目标层(最高层)、准则层(中间层)及方案层(最底层)的形式排列起来，表明上下层之间的关系，层次分析结构见图7。

图7 层次分析结构

3.2 构造判断矩阵

对同一层次的各元素两两进行比较，判断其相对重要性，并将这些判断通过合适的标度用数值表示出来，构造判断矩阵。

假设某层元素M的主要影响因素为P1，P2，P3…Pn，则判断矩阵为

M=[P1，P2，…，Pi，…，Pn]

(1)

P1=[pi1，pi2，…，pij，…，pin]

(2)

其中，pij是因素pi对因素pj的相对重要程度，通常按表1中的标度[20]进行定量化。且判断矩阵需满足以下条件

pij>0

(3)

pij=1/pji(i≠j)

(4)

pii=1 (i，j=1，2，…，n)

(5)

表1 判断矩阵标度及含义

3.3 求特征向量和特征根

求解判断矩阵(正互反阵)特征向量和特征根的方法主要有和法、根法、幂法和最小二乘法，本文采用根法，具体步骤如下。

首先，计算判断矩阵M的每一行元素的乘积

(6)

然后，计算Mi的n次方根

(7)

(8)

所求的特征向量即为

P=[P1，P2，…，Pi，…，Pn]T

(9)

最后，根据式(10)计算矩阵的最大特征值

(10)

3.4 一致性检验

判断矩阵可靠性检验的具体步骤如下。

首先，根据矩阵阶数和最大特征值，计算偏离一致性指标

(11)

然后，根据矩阵的阶数，查询平均随机一致性指标RI值(表2)。

表2 1～10阶判断矩阵RI值

接着，计算随机一致性比率CR=CI/RI；

最后，判断矩阵的一致性：

当CR<0.1时，判断矩阵可看作具有满意的一致性；否则，基于各因子之间的关系，不断调整判断矩阵，直到矩阵具有满意的一致性。

4 新疆境内风沙灾害危害程度评价

4.1 风沙灾害评价体系

基于层次分析法原理和风沙灾害成因机理，建立兰新铁路沿线风沙灾害评价体系，评价结构见图8。

图8 兰新铁路沿线风沙灾害易发性评价结构

4.2 判断矩阵一致性检验

根据每个致灾因子对上一级因子影响力的大小，建立影响评价因子判断矩阵(表3～表6)，并对矩阵的一致性进行判别。

(1)层次单排序

表3为判断矩阵O及影响因子权重，由于矩阵O为2阶矩阵，故具有绝对一致性。

表3 判断矩阵O及影响因子权重

表4为判断矩阵M1及影响因子权重，结合表2中的数据，得到λmax=3.009，CI=0.005，RI=0.58，CR=0.008。由于CR<0.1，故矩阵M1具有完全的一致性。

表4 判断矩阵M1及影响因子权重

表5为判断矩阵M2及影响因子权重，结合表2的数据，得到λmax=4.107，CI=0.036，RI=0.9，CR=0.040。由于CR<0.1，故矩阵M2具有完全的一致性。

表5 判断矩阵M2及影响因子权重

(2)层次总排序

表6为风沙灾害评价因子及总权重，根据表中数据，可得到：

CI=0.5×0.005+0.5×0.036=0.021

RI=0.5×0.58+0.5×0.9=0.740

CR=0.021/0.740=0.028<0.1

故该矩阵具有完全的一致性。

通过总层次排序的权重，不难看出，植被指标作用最为显著，其次为风力。

表6 风沙灾害评价因子及总权重

4.3 评价结果与分析

为了既能够与《铁路工程地质勘察规范》中风沙危害程度分级相一致，同时又能够合理评价兰新铁路沿线风沙灾害易发性，将风沙灾害的易发性分为3个等级，其评价结果如图9所示。从图9可以看出，兰新铁路沿线风沙灾害重度区主要位于阿拉山口、达坂城(三十里风区境内)、百里风区和烟墩风区，中度区主要位于精河县境内。从地形地貌上看，重度区主要位于垭口地形附近的戈壁区，区内风速在“狭管效应”的作用下，明显大于其他区域，给风沙灾害的形成提供了充足的动力条件，另外，该区域地表粗糙度低，降雨稀少，蒸发强烈，给风沙流的形成提供了丰富的物质条件。而中度区主要位于以流动沙丘与半固定沙丘为主的艾比湖区域，该区域沙害主要为人工不合理的利用水资源导致湖水大幅度萎缩(艾比湖原是奎屯河、四棵树河、古尔图河、精河、博尔塔拉河和大河沿河的尾闾湖，20世纪50年代至70年代，由于人口增加和大规模水土开发，使艾比湖流域的主要河流奎屯河、四棵树河、古尔图河被拦截断流，精河、博尔塔拉河入湖量减少)，干涸的湖底沙堆为其提供了丰富的沙源，另外，该区域位于阿拉山口

下风向，风速较大、周期较长，给风沙活动提供了便利条件，风沙活动较为发育。

图9 兰新铁路沿线风沙灾害易发性分布

4.4 评价结果检验

由于新疆特殊的地形和气候条件，新疆境内大风活动强劲频繁，大部分区域位于戈壁荒漠区，地表植被覆盖度低，风沙流活动强烈，尤其是风口地区，风沙灾害十分发育。表7为1960年～2010年兰新铁路沿线风沙灾害发育情况，从表中可以看出，风沙灾害严重地段主要位于烟墩风区和百里风区，上述结果与GIS分析结果相吻合，表明该方法科学合理。