王文婷

(中鐵第五勘察設(shè)計院,北京 102600)

1 研究區(qū)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(wǎng)中具有重要的地位?，F(xiàn)有運量已達到超飽和狀態(tài),成為沿線經(jīng)濟發(fā)展的制約因素。因此,鐵道部、寧夏回族自治區(qū)、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(shè)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(jīng)由地貌類型為黃河沖積平原及河谷區(qū)、山前及山間沖洪積平原區(qū)、低緩丘陵區(qū)、低中山區(qū),地形地貌較復(fù)雜;線路所屬構(gòu)造體系由北向南為祁呂賀山字型構(gòu)造體系之銀川斷陷盆地、賀蘭山褶皺帶;衛(wèi)寧北山緯向構(gòu)造帶;隴西旋卷構(gòu)造體系;祁呂賀山字型構(gòu)造之西翼的祁連山褶皺帶及其各構(gòu)造體系的復(fù)合交接部位,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

2 遙感信息源的選擇及處理

采用美國陸地衛(wèi)星LANDSAT5 TM影像數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù),分辨率 15m,成像時間2005年;NASA最新公布的研究區(qū)Aster 30 m G-Dem數(shù)據(jù);全色黑白航空像片,重疊率 60%,2009年攝影,比例尺 1∶1萬。

地質(zhì)災(zāi)害體的解譯要求空間分辨率高,影像色調(diào)飽和,地物間反差要,為能反映這些細節(jié),主要進行了主成分變換融合。使之在原來圖像的基礎(chǔ)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(shù)據(jù),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(tài)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(zhì)災(zāi)害的解譯分析

地質(zhì)災(zāi)害體的圖像識別主要是基于其圖像空間結(jié)構(gòu)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(diào)(圖像的亮度值),并結(jié)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(zāi)害體的解譯標志。

3.1 鹽漬土

鹽漬土病害主要依據(jù)地物的波普反射特征來提取信息?？梢姽?、近紅外和短波紅外波段是識別鹽堿化土壤的關(guān)鍵波段。從信息量來衡量,TM數(shù)據(jù) 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(tài)以及植被葉面反射率特性等有關(guān)。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(diào)。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(yīng);土壤的含鹽量越高,越不利于植被的生長發(fā)育,因而重鹽漬化地一般都處于裸露狀態(tài),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(diào)較暗?；谝陨咸卣鞯姆治?我們選用兩種方法來界定鹽漬化區(qū)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(fù)合監(jiān)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(shù)(NDVI)(定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值)來反向界定鹽漬化區(qū)域圖 1、圖 2。

3.1.1 精度分析

結(jié)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(shù)據(jù)輔助信息,經(jīng)過 10%圖斑抽樣的實地驗證,精度達到了 90%的預(yù)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(fù)合分類方法效果較為理想。

3.2 泥石流

泥石流形成區(qū)多呈勺狀、漏斗狀、橢圓狀三面環(huán)山的圍谷。山坡裸露,植被稀少,浮土厚,影像色調(diào)淺灰—灰白。溝的源頭常發(fā)育密集的細溝、切溝;流通區(qū)常寬窄不一,溝槽彎曲段常見色調(diào)灰白的堆積物,影像結(jié)構(gòu)粗糙的是粗礫堆積物,影像結(jié)構(gòu)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(qū)主要位于溝口,平面常呈扇形體。影像結(jié)構(gòu)粗細間雜,色調(diào)淺灰—灰白。泥石流屬性的判別主要根據(jù)堆積物形態(tài)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(jié)構(gòu)粗糙,集中完整地堆積于溝谷中。流通區(qū)與堆積區(qū)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(cè)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(nóng)至銀川段 K 467～K 481段 NDVI指數(shù)分布

3.3 崩塌、滑坡

崩塌常發(fā)生在巖性堅硬,節(jié)理發(fā)育地區(qū),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(diào)淺,老的色調(diào)深。在陡崖的下方有淺色調(diào)的錐狀地形,有粗糙感或呈花斑狀的錐形。崩塌體堆積色調(diào)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(tài)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(wèi)星圖像上,因比例尺較小,規(guī)模較小的滑坡不易識別,主依航片判別。其平面形態(tài)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(tài)。

滑坡發(fā)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(nèi)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(xiàn)象而出現(xiàn)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(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

4.1 鹽漬土

鹽漬土主要分布于惠農(nóng)至銀川、平汝支線平羅至大武口一帶。其中,銀川至惠農(nóng)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(xiàn)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(fā)強烈,毛細水不斷攜帶鹽份富集表層,使地表發(fā)生鹽漬化,多形成白色鹽霜或 1～2 cm厚的鹽殼。線路經(jīng)行鹽漬土病害區(qū)域,路堤兩側(cè)受積水長期浸泡易發(fā)生坡腳沉降、溜坍;加之毛細水及強烈蒸發(fā)作用,致使路堤土體均勻程度不同產(chǎn)生次生鹽漬化,從而發(fā)生路堤凍脹、邊坡松漲、溜坍、翻漿等病害。建議繞避或采用當?shù)睾}土填筑,采用包坡加隔斷層為主、鋪設(shè)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(fā)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(shè)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(gòu)筑物,造成巨大經(jīng)濟損失。研究區(qū)發(fā)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(qū)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(qū)的溝谷中。以水動力成因的溝谷型稀性泥石流為主,形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)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(nèi)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(guī)模較小。

寧夏段惠農(nóng)至紅果子溝(K 437+750～K 438+100)以南洪積扇前沿及正誼關(guān)溝(K 428+500～K428+900)發(fā)育兩條洪水泥石流。按泥石流物質(zhì)組成劃分,均屬水石流,固體物質(zhì)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(fā)育時間和暴雨強度密切相關(guān),根據(jù)研究區(qū)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(fā)育也會集中在 6-9月。但評估區(qū)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(qū)泥石流爆發(fā)可能性較小,建議鐵路在各泥石流溝地段采用橋梁的構(gòu)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(qū)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(wěn)定斜坡,坡度 40°～70°,地層主要為第四系上更新統(tǒng)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(cè)易形成崩塌。崩塌和滑坡,多發(fā)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(yīng)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(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)條件。

研究區(qū)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?；轮饕愋蜑轫槍踊鶐r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(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土往往組成了崩滑帶,而下伏泥巖及砂質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)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°?；麦w后緣出現(xiàn)多條拉裂縫,長 15～40m,寬 10～40 cm,深0.3～1.6m,穩(wěn)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(gòu)筑。

圖5 CK896+420左側(cè) 15m崩塌

東溝滑坡位于線路里程 CK 896+385～CK896+440右側(cè) 130m?；麦w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(wěn)定性較差。但滑坡體發(fā)育規(guī)模較小,對擬建鐵路危害性小(圖 5、圖 6)。

研究區(qū)崩塌、滑坡總體發(fā)育規(guī)模較小,對擬建鐵路危害性小。

5 結(jié)束語

遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害信息提取方面的應(yīng)用有著高效及結(jié)果可視化的優(yōu)點,為山區(qū)鐵路前期勘測工程地質(zhì)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(dǎo)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查,節(jié)省了人力物力,提高了地質(zhì)填圖的質(zhì)量。

圖6 CK896+420左側(cè) 15m崩塌立體圖

[1]塔西甫拉提·特依拜,吐爾遜·艾山.土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究進展綜述[J].新疆大學學報(自然科學版),2008,25(1)

[2]江紅南.基于 3S技術(shù)的干旱區(qū)土壤鹽漬化時空演變研究[D].新疆大學,2007

[3]卓寶熙.工程地質(zhì)遙感判釋與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,2002

[4]楊金中.遙感技術(shù)在工程地質(zhì)選址工作中的應(yīng)用[J].國土資源遙感,2007(4):90-94

[5]奚曉青,楊新寶.地質(zhì)災(zāi)害國內(nèi)外研究現(xiàn)狀淺析[J].中國水運,2008(9):98-100