孫 健

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

我國地形地貌復(fù)雜多樣，陸地地形的基本類型在我國均有分布，把山地、丘陵等合稱為山區(qū)，約占我國國土面積的三分之二[1]。受工程線站位總體走向、地形地貌、不良地質(zhì)等條件制約，我國高速鐵路穿越山區(qū)的隧道工程建設(shè)規(guī)模越來越大，隧道工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響也越來越受到重視，主要表現(xiàn)為隧道棄渣導(dǎo)致水土流失及植被破壞、隧道開挖導(dǎo)致地下水動(dòng)態(tài)平衡破壞影響洞頂植被的生長(zhǎng)等方面[2-3]。

以往隧道工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究多集中在隧道棄渣導(dǎo)致水土流失及植被破壞[4-6]，地下水動(dòng)態(tài)平衡破壞導(dǎo)致洞頂植被生長(zhǎng)受到影響，由于地形限制等原因，傳統(tǒng)的實(shí)地測(cè)樣分析植被監(jiān)測(cè)方法難以進(jìn)行實(shí)時(shí)、大規(guī)模的監(jiān)測(cè)和研究，遙感影像監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)手段的突出優(yōu)勢(shì)在于空間連續(xù)覆蓋監(jiān)測(cè)、大范圍和低成本[7]。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))是反映植被所吸收的光合有效輻射比例的一個(gè)重要指數(shù)，一般通過遙感影像可見光和近紅外波段的反射率計(jì)算得到，NDVI對(duì)植被的生長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量非常敏感，NDVI可以較好地反映地表植被的茂盛程度，在一定程度上能指示地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)及空間分布[8-11]。VFC(Vegetation Fractional Coverage，植被覆蓋度)，作為反映地表植被分布特征的定量參數(shù)，是指示生態(tài)環(huán)境變化的基本指標(biāo)[12-13]。

因此，本研究擬以太原至焦作城際鐵路(以下簡(jiǎn)稱“太焦城際鐵路”)為研究對(duì)象，收集太焦城際鐵路穿越山西省太岳山脈的太谷隧道、白北隧道、榆社隧道3處隧道工程沿線Landsat遙感影像，選取隧道工程建設(shè)前(2016年)、建設(shè)中(2017—2019年)、建設(shè)后(2020年)為研究時(shí)期，估算隧道工程沿線遙感影像NDVI均值和VFC均值。從時(shí)序特征角度，研究太焦城際鐵路建設(shè)過程隧道工程洞頂植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化的特征及影響因素，為遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)高速鐵路隧道工程洞頂植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化方面的應(yīng)用提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

太焦城際鐵路位于山西省東部，北起山西省會(huì)太原市，經(jīng)山西省晉中市、長(zhǎng)治市、晉城市，南至河南省焦作市，建成后是山西省南部主要的客運(yùn)通道。太焦城際鐵路于2016年6月正式開工，2016年12月隧道工程進(jìn)洞施工，2020年5月全線隧道工程貫通，2020年12月正式開通運(yùn)營。工程主要以太谷隧道(11 497 m)、白北隧道(4 457 m)、榆社隧道(10 670 m)穿越太岳山脈，如圖1 所示。太岳山脈位于山西省中南部，大體呈南北走向，地形起伏，山巒疊布，南北向長(zhǎng)約200 km，東西向?qū)捈s30 km，工程所經(jīng)區(qū)域海拔666～2 143 m，區(qū)域植被類型主要以油松、遼東櫟等組成的常綠針葉林和落葉闊葉林[14-15]。

圖1 太焦城際鐵路隧道工程穿越太岳山脈位置關(guān)系示意

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

本研究選取遙感影像的成像時(shí)間分別為2016年9月7日、2017年10月12日、2018年9月29日、2019年10月2日和2020年9月18日，基本覆蓋了太焦城際鐵路隧道建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后各個(gè)時(shí)期，能很好地對(duì)比、反映隧道洞頂植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化過程。研究采用的Landsat 8 OLI遙感影像來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。Landsat8衛(wèi)星搭載陸地成像儀(Operational Land Imager，簡(jiǎn)稱OLI)，陸地成像儀可以被動(dòng)感應(yīng)地表發(fā)射的太陽輻射和散發(fā)的熱輻射，覆蓋了從紅外到可見光的不同波長(zhǎng)范圍，有9個(gè)波段的感應(yīng)器，可用來監(jiān)測(cè)植被覆蓋和作物長(zhǎng)勢(shì)等植被信息[16]。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 輻射定標(biāo)與大氣校正

輻射定標(biāo)是將遙感衛(wèi)星Landsat8 OLI遙感影像傳感器記錄的電壓或數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換成絕對(duì)輻射亮度值，消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差，利用輻射定標(biāo)工具(Radiometric Correction)從原始數(shù)據(jù)中讀取參數(shù)，完成輻射定標(biāo)。大氣校正是消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)，利用大氣校正工具(FLAASH Atmospheric Correction)基于輻射傳輸模型，完成大氣校正。

2.2.2 圖像裁剪

本研究選取太焦城際鐵路穿越太岳山脈的隧道工程沿線1000m范圍作為研究區(qū)域，利用緩沖區(qū)工具(Buffer)制作線路兩側(cè)研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)，再利用裁剪工具(Subset Data from ROIs)對(duì)遙感影像進(jìn)行圖像裁剪，得到研究區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2.3 NDVI值計(jì)算

Landsat8 OLI遙感影像的多光譜數(shù)據(jù)的四、五波段分別為紅光波段、近紅外波段反射率，利用波段運(yùn)算工具(Band Math)直接計(jì)算得到NDVI值[17]，計(jì)算模型按式(1)計(jì)算。

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

(1)

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)；NIR為近紅外波段；RED為紅光波段。

2.2.4 VFC值計(jì)算

本研究采用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度，根據(jù)像元二分模型原理，一個(gè)像元的NDVI值可以表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息與裸土部分所貢獻(xiàn)的信息兩部分組成，利用波段運(yùn)算工具(Band Math)直接計(jì)算得到VFC值[18]，計(jì)算模型按式(2)計(jì)算。

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中，VFC為植被覆蓋度值；NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域NDVI值；NDVIveg為純植被像元的NDVI值。

2.3 相關(guān)性分析法

利用相關(guān)性分析方法研究影響太焦城際鐵路隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像植被指數(shù)變化的原因，建立區(qū)域降雨量和植被指數(shù)NDVI均值、VFC均值的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算相關(guān)系數(shù)R值，分析區(qū)域降雨量和植被指數(shù)變化的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)R值的絕對(duì)值越接近1，相關(guān)越密切；越接近于0，相關(guān)越不密切。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時(shí)序變化結(jié)果

根據(jù)NDVI的計(jì)算結(jié)果，分別得到太焦城際鐵路沿線遙感影像在建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后的NDVI均值，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像NDVI均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像NDVI均值變化如圖2所示。

表1 隧道建設(shè)前、中、后期遙感影像NDVI均值統(tǒng)計(jì)

圖2 隧道建設(shè)前、中、后期遙感影像NDVI均值變化示意

由表1及圖2可知，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像NDVI均值呈現(xiàn)出先下降后上升的特征，但仍處于較高水平，表明太焦城際鐵路建設(shè)中洞頂植被的生長(zhǎng)受到了一定程度的不利影響，建設(shè)后洞頂植被生長(zhǎng)恢復(fù)至建設(shè)前生長(zhǎng)水平。

3.2 VFC時(shí)序變化分析

根據(jù)VFC的計(jì)算結(jié)果，分別得到太焦城際鐵路沿線遙感影像在建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后的VFC均值，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像VFC均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像VFC均值變化如圖3所示。

表2 隧道建設(shè)前、中、后期遙感影像VFC均值統(tǒng)計(jì)

圖3 隧道建設(shè)前、中、后期遙感影像VFC均值變化示意

由表2及圖3可知，隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像VFC均值呈現(xiàn)出先下降后上升的特征，但仍處于較高水平，表明太焦城際鐵路建設(shè)中洞頂植被的生長(zhǎng)受到了一定程度的不利影響，建設(shè)后洞頂植被生長(zhǎng)恢復(fù)至建設(shè)前生長(zhǎng)水平。

3.3 NDVI和VFC時(shí)序變化分析

3.3.1 隧道施工涌水影響分析

根據(jù)地下水賦存條件，太焦城際鐵路隧道工程穿越太岳山脈,含水介質(zhì)及水力特征可分為如下3種類型：第四系松散巖類中的孔隙水、基巖淺部的裂隙水以及構(gòu)造破碎帶中的構(gòu)造裂隙水。

(1)第四系松散巖類孔隙潛水主要賦存于土石界面以上及溝谷區(qū)沖洪積層和山坡地帶坡積層中，該層透水性、富水性較好，主要由大氣降水補(bǔ)給，廣泛在隧道區(qū)地表低洼地段分布，在隧道洞身內(nèi)沒有分布，與油松、遼東櫟等洞頂植被根系吸水密切相關(guān)。

(2)基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，以微張～張開狀裂隙為主，透水性較好，因山高坡陡，其富水性較差，接受大氣降雨和第四系松散巖類孔隙水下滲補(bǔ)給。

(3)斷裂構(gòu)造帶中的構(gòu)造裂隙水，斷層在平面上延伸較長(zhǎng)，切割錯(cuò)動(dòng)地層，為良好的地下水導(dǎo)水帶和富水帶，長(zhǎng)期接受大氣降水和地下水的下滲補(bǔ)給，含水量較豐富，主要接受大氣降水、地表水、基巖裂隙水的下滲補(bǔ)給。

太谷隧道、白北隧道、榆社隧道等3個(gè)隧道建設(shè)中期正常涌水量共計(jì)為8.6×104m3/d，隧道埋深332.0～383.4 m，隧道建設(shè)中涌水主要來自太岳山脈含水量豐富的斷裂帶構(gòu)造帶中的構(gòu)造裂隙水，主要接受大氣降水、地表水、基巖裂隙水的下滲補(bǔ)給，隧道建設(shè)中期涌水對(duì)于與洞頂植被根系吸水密切相關(guān)的第四系松散巖類孔隙潛水水位基本無影響，對(duì)洞頂植被生長(zhǎng)基本無影響。隧道建設(shè)后隧道防水等級(jí)滿足相應(yīng)的一級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，隧道建設(shè)后無隧道涌水，對(duì)洞頂植被的生長(zhǎng)無影響。

3.3.2 大氣降水影響分析

太焦城際鐵路隧道工程穿越太岳山脈所處區(qū)域臨近太原市(距離約46 km)，太原市2016—2020年年降雨量[21]，如表3所示。

表3 太原市年降雨量(2016—2020年)統(tǒng)計(jì)

隧道工程建設(shè)過程2016—2020年所處區(qū)域年降雨量分別為528.4，521.2，364.6，312.6，547.0 mm，年降雨量呈先下降后上升的特征，與隧道工程沿線遙感影像NDVI均值和VFC均值變化特征一致，相關(guān)系數(shù)R值分別為0.855 5和0.855 7，均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，如圖4、圖5所示。分析得到，隧道工程建設(shè)中(2017—2019年)多年平均降雨量399.5 mm，較建設(shè)過程(2016—2020年)多年平均降雨量454.8 mm減少12.2%，建設(shè)中大氣降水減少導(dǎo)致與洞頂植被根系吸水密切相關(guān)的第四系松散巖類孔隙潛水補(bǔ)給減少，進(jìn)而導(dǎo)致潛水水位下降，對(duì)洞頂植被生長(zhǎng)造成一定的不利影響。建設(shè)后(2020年)年降雨量547.0 mm，較建設(shè)過程(2016—2020年)多年平均降雨量454.8 mm增加20.3%，建設(shè)后大氣降水增加使得與洞頂植被根系吸水密切相關(guān)的第四系松散巖類孔隙潛水補(bǔ)給增加，潛水水位回升，洞頂植被恢復(fù)生長(zhǎng)正常。

圖4 隧道工程區(qū)域年降雨量與NDVI均值時(shí)序變化散點(diǎn)

圖5 隧道工程區(qū)域年降雨量與VFC均值時(shí)序變化散點(diǎn)

4 結(jié)論

綜上所述，太焦城際鐵路穿越太岳山脈的3處隧道建設(shè)前、中、后期沿線遙感影像NDVI均值和VFC均值呈先下降后上升變化特征，與所處區(qū)域年降雨量變化特征一致，相關(guān)系數(shù)R值分別為0.855 5和0.855 7，均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。研究表明，隧道工程洞頂植被生長(zhǎng)主要受所處區(qū)域降雨量變化的不利影響，隧道施工過程中施工涌水對(duì)洞頂植被生長(zhǎng)基本無影響。

本研究為監(jiān)測(cè)高速鐵路隧道工程洞頂植被動(dòng)態(tài)變化提供了一套實(shí)時(shí)、定量化的遙感技術(shù)評(píng)價(jià)方法，方法突出優(yōu)勢(shì)在于空間連續(xù)覆蓋監(jiān)測(cè)、大范圍和低成本，為今后的類似研究提供了技術(shù)參考。但還存在一定的不足之處，由于太焦城際鐵路建成通車時(shí)間較短，未能取得建設(shè)后更長(zhǎng)時(shí)間跨度的遙感影像NDVI均值和VFC均值變化情況，未來該技術(shù)在監(jiān)測(cè)高速鐵路隧道工程洞頂植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)方面會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。