電力工程中遙感提取侵蝕溝參數(shù)的方法探討

李 磊，李志龍，席占生，張錫濤，王 昆，康薇薇

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 勘測(cè)院，北京 100095)

土壤侵蝕是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一，在我國分布非常廣泛。電力工程中，土壤侵蝕形成的侵蝕溝引發(fā)的洪水淹沒問題、侵蝕溝發(fā)展形成的沖刷問題，都嚴(yán)重威脅電力工程的運(yùn)行安全[1]。相對(duì)河道水文勘測(cè)而言，因其流域面積小、基礎(chǔ)資料缺乏、歷史調(diào)查困難等，侵蝕溝勘測(cè)一直是電力工程水文勘測(cè)的難點(diǎn)。目前在計(jì)算侵蝕溝設(shè)計(jì)暴雨洪水時(shí)多采用推理公式法、等流時(shí)線法、單位線法等半成因半經(jīng)驗(yàn)方法和區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)公式方法，這些方法應(yīng)用前往往需要對(duì)主流穩(wěn)定性、流域面積、流域比降、主流長度等水文參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。常規(guī)水文勘測(cè)方法多采用1 ∶1萬地形圖進(jìn)行參數(shù)提取，但對(duì)于無資料地區(qū)的侵蝕溝，難以找到適當(dāng)?shù)牡匦螆D進(jìn)行水文參數(shù)的提取[2]。侵蝕溝發(fā)展的預(yù)報(bào)模型精度還不能滿足電力工程勘測(cè)工作的要求，目前仍以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主[1,3]。近年來隨著空間分辨率的日益提高，遙感技術(shù)在水文觀測(cè)中的應(yīng)用日趨成熟，尤其是在處理無資料地區(qū)的侵蝕溝問題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，本研究在總結(jié)電力工程中侵蝕溝問題的特點(diǎn)和當(dāng)前可利用遙感影像分辨率的基礎(chǔ)上，分析解決電力工程中侵蝕溝問題實(shí)際需要的遙感影像分辨率以及相應(yīng)的遙感水文參數(shù)提取方法，并以工程實(shí)例驗(yàn)證遙感提取侵蝕溝參數(shù)的可行性。

1 侵蝕溝對(duì)電力工程的影響

作為土壤侵蝕的重要類型，水力侵蝕的主要形式有面蝕和溝蝕[1]，其中面蝕包括濺蝕、片蝕和細(xì)溝侵蝕，溝蝕則包括淺溝侵蝕、切溝侵蝕和沖溝侵蝕。由于細(xì)溝實(shí)際上是淺溝侵蝕的初級(jí)階段，其水力學(xué)特性和侵蝕機(jī)理與片蝕不同，因此也可將細(xì)溝侵蝕劃為溝蝕。侵蝕溝即為溝蝕形成的溝壑，根據(jù)王禮先對(duì)侵蝕溝的分類方法[1,3-5]：細(xì)溝是指坡面徑流逐步匯集成的小股水流將地面沖成溝深和溝寬均不超過20 cm的侵蝕溝，可被耕耘作業(yè)填平；淺溝是在細(xì)溝侵蝕的基礎(chǔ)上，由小股徑流匯集成較大的徑流，既沖刷地表又下切底土，形成的寬度大于深度的侵蝕溝，正常耕翻不能平復(fù)，在我國黃土地區(qū)淺溝深度多為1 m左右，在南方第四紀(jì)紅土、第三紀(jì)或更古老的紫色頁巖上的淺溝深度一般在1 m以內(nèi)、寬度1.5～2.0 m，在花崗巖丘陵區(qū)的風(fēng)化殼上淺溝寬度約1.0 m、深度不超過0.5 m；切溝是指溝頭有一定高度的跌水，因水流的不斷沖刷，使溝頭前進(jìn)和溝底下切，同時(shí)溝岸因重力作用不斷崩塌的侵蝕溝，其深度至少1 m，有的深度可達(dá)數(shù)米，在土層疏松、深厚的黃土地區(qū)可達(dá)十余米至數(shù)十米，但切溝侵蝕的溝道底部縱斷面仍與坡面大致保持平行；沖溝是侵蝕溝發(fā)育的末期，還沒有達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，雖然溝底下切已緩和，但溝頭的溯源侵蝕和溝坡溝岸的崩塌還在發(fā)生，黃土高原地區(qū)的沖溝深度一般為數(shù)十米，最深可達(dá)100 m以上。溝蝕達(dá)到一定規(guī)模，溝頭接近分水嶺，溝口與河道相接，溝底下切的深度已達(dá)到河流的河床高度，溝底不再下切，比降也顯著變小，溝底一側(cè)形成水道并可能有常流水現(xiàn)象的溝道稱為河溝。

上述不同類型的侵蝕溝反映了侵蝕溝系統(tǒng)演變?yōu)楹訙系倪^程，在一個(gè)侵蝕溝系統(tǒng)中各種類型的侵蝕溝往往同時(shí)存在，它們對(duì)電力工程的影響及相應(yīng)的處理措施均有所不同。當(dāng)電力工程上游僅有細(xì)溝出現(xiàn)、設(shè)計(jì)來水量不大、沖刷也不嚴(yán)重時(shí)，往往采取截洪溝等較為簡(jiǎn)單的處理措施截走上游來水即可；當(dāng)電力工程上游有深度0.5～1.0 m的淺溝，對(duì)于線路塔位則需要考慮防沖刷措施并加大基礎(chǔ)埋深，對(duì)于電廠和變電站等場(chǎng)地工程則需要根據(jù)來水情況設(shè)置較大型截洪溝等，工程量相對(duì)于細(xì)溝有較大提高；對(duì)于寬深均超過1 m的切溝和沖溝，若位于電力工程上游且距離很近，由于處理措施費(fèi)用較高，所以建議盡可能避讓，在計(jì)算時(shí)主要考慮設(shè)計(jì)洪水位和侵蝕溝的橫向發(fā)展。顯然，電力工程中侵蝕溝的勘測(cè)主要以淺溝、切溝、沖溝為主，不同的侵蝕溝勘測(cè)方法也有所不同。對(duì)于寬度和深度較大的切溝和沖溝，用常規(guī)的1 ∶1萬地形圖即可對(duì)其參數(shù)進(jìn)行提取，但是對(duì)寬深較小的切溝和淺溝則很難進(jìn)行識(shí)別；對(duì)于無資料地區(qū)的侵蝕溝，目前的預(yù)報(bào)技術(shù)尚難以滿足電力工程對(duì)侵蝕溝發(fā)展預(yù)測(cè)的要求，采用地形圖對(duì)比方法時(shí)效性差，又難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，因此需要探索新的方法進(jìn)行侵蝕溝勘測(cè)。

2 遙感提取侵蝕溝參數(shù)的方法

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和空間分辨率的不斷提高，遙感提取水系參數(shù)的方法已較為成熟，分辨率達(dá)到0.5～1.0 m的遙感影像數(shù)據(jù)比較豐富，基于高分辨率遙感影像生成的數(shù)字高程模型(DEM)分辨率也已達(dá)到2.0 m左右，這為遙感技術(shù)應(yīng)用于精確的侵蝕溝參數(shù)提取提供了可能[6]。根據(jù)原理的不同可將提取方法分為兩大類[3,6]：一類是基于遙感數(shù)據(jù)生成DEM，提取生成流域水系和水文參數(shù)；另一類是直接采用遙感圖像解譯方法對(duì)水文參數(shù)進(jìn)行提取。

2.1 基于DEM的侵蝕溝參數(shù)提取

基于DEM的侵蝕溝參數(shù)提取方法已較為成熟，主要是基于ArcGIS軟件的水文模塊，對(duì)輸入的DEM進(jìn)行柵格化處理、填洼、提取水流方向、計(jì)算匯流累積量、提取溝道，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流域面積、河道長度、河道比降、沖溝密度等溝谷水文參數(shù)的提取[3]。DEM分辨率的選擇對(duì)溝谷水文參數(shù)提取有著重要影響。從理論上講，DEM分辨率越高，地形模擬的精度就越高，但同時(shí)也意味著數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長，應(yīng)用成本成倍增加，相應(yīng)的可推廣性也將大大降低。因此，在利用DEM技術(shù)研究侵蝕溝的過程中，確定一個(gè)合理空間分辨率的DEM十分必要。研究表明，不同地區(qū)、地形和流域面積，提取各級(jí)別溝谷參數(shù)的最佳DEM分辨率是不同的，比如1～2 m精度的DEM對(duì)于切溝、沖溝是一個(gè)合理的空間分辨率，但對(duì)細(xì)溝、淺溝的參數(shù)提取誤差較大[3,7]。

2.2 遙感圖像解譯方法提取侵蝕溝參數(shù)

遙感圖像解譯主要分為目視解譯和計(jì)算機(jī)解譯兩類[6]?？紤]到侵蝕溝的復(fù)雜多樣性，單純利用目視解譯非常耗時(shí)耗力，因此本研究采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和目視解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行侵蝕溝參數(shù)的提取。先利用ENVI軟件中傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法——最小距離分類對(duì)地物進(jìn)行分類識(shí)別，然后根據(jù)地物的面積、形狀進(jìn)行相應(yīng)的分類后處理，最后在得到的侵蝕溝結(jié)果上提取相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行分析。在不同分辨率的遙感圖像中，同種地物所表現(xiàn)的特征是不同的，因此在影像分類中如何有效利用遙感圖像上各地物的特征是分類成功的關(guān)鍵。遙感圖像解譯可以對(duì)侵蝕溝的溝沿線、溝長、溝寬等平面信息進(jìn)行提取，但對(duì)溝深和坡度等信息則難以進(jìn)行識(shí)別。

2.3 DEM和遙感圖像解譯相結(jié)合的侵蝕溝提取

基于DEM的水系提取方法可以提取各種侵蝕溝參數(shù)，但目前的精度只能達(dá)到1～2 m，無法精確提取淺溝參數(shù)。采用遙感圖像解譯法提取侵蝕溝的精度可以達(dá)到0.5 m，能夠提取流域面積、河道長度等，但無法提取溝深、坡度等。兩種方法能達(dá)到的精度不同，但如果將兩種方法結(jié)合起來，就可能滿足電力工程對(duì)侵蝕溝參數(shù)提取的高精度要求。隨著遙感資料的不斷積累，基于不同時(shí)段的遙感信息，還可以對(duì)侵蝕溝的演變規(guī)律進(jìn)行分析。因此，本研究在對(duì)切溝和沖溝等寬深較大和流域面積較大的侵蝕溝進(jìn)行參數(shù)提取時(shí)采用DEM提取水系方法，對(duì)淺溝的識(shí)別采用遙感圖像解譯和DEM相結(jié)合的方法，對(duì)河道穩(wěn)定性和河道歷史洪水淹沒范圍分析采用遙感圖像解譯方法。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

某750 kV變電站位于柴達(dá)木盆地東北緣與祁連山山脈交界的山前沖洪積平原上、大柴旦湖以東約8 km處，站址東北部為柴達(dá)木山，西側(cè)緊鄰215國道，東北側(cè)距315國道約4 km。站址海拔3 188—3 196 m，區(qū)域總體地形平坦開闊，地勢(shì)由東向西傾斜，坡度30‰以上，地表幾乎無植被覆蓋，受地形影響局部區(qū)域地表沖溝錯(cuò)綜復(fù)雜。為防止受山區(qū)洪水影響，在215國道和315國道沿線修建了多個(gè)涵洞及導(dǎo)流設(shè)施。

研究區(qū)附近主要的河流為距站址北側(cè)約2 km的大頭羊溝。大頭羊溝為內(nèi)陸河流域，屬依克柴達(dá)木湖(大柴旦湖)水系，發(fā)源于祁連山脈支系的柴達(dá)木山，屬以降水補(bǔ)給為主、冰雪融水補(bǔ)給為輔的混合補(bǔ)給型河流。大頭羊溝河水出山口后，經(jīng)315國道逐漸以潛流形式補(bǔ)給地下水，而后在灘地(草場(chǎng))處出露匯入大柴旦湖，流向?yàn)闁|西方向，流量變化大。315國道至灘地段河流呈扇形漫流狀，無明顯的河槽、階地。大頭羊溝無水文站，根據(jù)調(diào)查及附近水文站資料，洪水以夏季暴雨洪水為主。

站址防洪需分析北側(cè)大頭羊溝洪水位及淹沒范圍、東側(cè)國道涵洞影響下的坡面流、侵蝕溝洪峰流量及洪水沖刷問題，然而該區(qū)域?qū)贌o資料地區(qū)，水文資料缺乏且人煙稀少，常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)水文勘測(cè)手段較難開展，同時(shí)區(qū)域內(nèi)侵蝕溝眾多，基于大比例尺地形圖的流域提取方法難以對(duì)這些侵蝕溝進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。因此，本研究采用多時(shí)段遙感影像對(duì)比的方法分析大頭羊溝的歷史洪水淹沒范圍和河道穩(wěn)定性，采用DEM水文參數(shù)提取技術(shù)提取大頭羊溝流域參數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析100年一遇來水量，根據(jù)遙感影像提取主要的侵蝕溝水系，分析侵蝕溝的穩(wěn)定性，結(jié)合DEM提取侵蝕溝的各種參數(shù)，進(jìn)行侵蝕溝洪水量的計(jì)算分析。

3.2 遙感數(shù)據(jù)

該區(qū)域可供分析的遙感影像數(shù)據(jù)資料較豐富，根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史洪水調(diào)查，選擇有代表性時(shí)間點(diǎn)的多幅數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(表1)。DEM數(shù)據(jù)來源有：SPOT-5衛(wèi)星遙感影像生成的DEM數(shù)據(jù)，分辨率為5～10 m；Landsat衛(wèi)星遙感影像生成的DEM數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。本次分析還結(jié)合Google Earth多個(gè)時(shí)段的遙感影像，對(duì)當(dāng)?shù)貧v史洪水進(jìn)行分析。

表1 衛(wèi)星遙感影像資料來源

3.3 大頭羊溝流域水文情勢(shì)分析

(1)315國道以上流域水文情勢(shì)分析。大頭羊溝流域在315國道以上為山谷型河流，河道常年有水，主流較穩(wěn)定，兩岸有不完整堤防，目前正在編制小流域治理規(guī)劃。為分析不同分辨率DEM對(duì)小流域水系參數(shù)提取的影響，分別采用30 m和5～10 m分辨率DEM對(duì)315國道以上大頭羊溝流域進(jìn)行參數(shù)提取。通過比較發(fā)現(xiàn)，兩種分辨率DEM提取的水系參數(shù)相差不大。采用30 m DEM提取水系參數(shù)，應(yīng)用多種小流域洪水計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，最終得到大頭羊溝在315國道橋涵處100年一遇洪峰流量為111 m3/s。經(jīng)對(duì)315國道橋涵過水能力進(jìn)行分析，100年一遇洪峰流量可順利通過。

(2)315國道至215國道段大頭羊溝水文情勢(shì)分析。該段河流呈扇形，無明顯河槽、階地，洪水期存在漫流狀水流，枯水期水流全部潛流補(bǔ)給地下水，無地表徑流。為分析該河段100年一遇洪水對(duì)站址的影響，選取表1中近10年典型洪水期的遙感影像，采用目視解譯方法對(duì)洪水期該河段的主流流向穩(wěn)定性和歷史洪水淹沒范圍進(jìn)行提取和對(duì)比分析。結(jié)果表明，該河段主流較穩(wěn)定，歷史洪水沒有淹沒至站址區(qū)域。根據(jù)對(duì)該河段主流的判斷，選取了3個(gè)斷面對(duì)河段100年一遇洪水位進(jìn)行計(jì)算，最終得到河段100年一遇洪水可沿215國道排出，不會(huì)漫溢至站址方向，即站址不受大頭羊溝100年一遇洪水位的影響。

3.4 侵蝕溝水文情勢(shì)分析

(1)侵蝕溝系統(tǒng)的提取。由于采用的DEM的分辨率分別為5～10 m和30 m，而站址東側(cè)侵蝕溝寬度不超過5 m、深度不超過3 m，因此采用ArcGIS水文模塊的水系提取方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)侵蝕溝系統(tǒng)的提取。為比較不同分辨率遙感影像對(duì)侵蝕溝系統(tǒng)提取的影響，采用30、2.5、0.5 m等3種分辨率遙感影像進(jìn)行侵蝕溝提取的對(duì)比分析。采取計(jì)算機(jī)解譯的方法對(duì)30、2.5、0.5 m等3種分辨率的遙感影像進(jìn)行侵蝕溝提取，并與0.5 m分辨率遙感影像的目視解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以判斷各種分辨率遙感影像采用自動(dòng)解譯提取侵蝕溝的效果。結(jié)果表明，30 m分辨率遙感影像難以反映區(qū)域侵蝕溝形態(tài)，2.5 m和0.5 m分辨率均能較好提取較大的沖溝系統(tǒng)；0.5 m分辨率遙感影像可以較好地提取細(xì)溝和淺溝信息，而2.5 m分辨率遙感影像提取效果較差。

(2)侵蝕溝系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。為比較不同時(shí)段侵蝕溝的擺動(dòng)情況，選取表1中多個(gè)時(shí)段的高精度遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，站址東側(cè)的侵蝕溝系統(tǒng)是穩(wěn)定的，站址區(qū)域可能受東側(cè)3個(gè)沖溝系統(tǒng)的洪水影響。

(3)侵蝕溝水文情勢(shì)分析。由于該區(qū)域侵蝕溝系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，采用人工目視解譯的方法對(duì)3條侵蝕溝的流域面積和主流長度進(jìn)行提取，并結(jié)合5～10 m DEM對(duì)沖溝比降進(jìn)行提取。采用多種小流域洪峰流量計(jì)算公式，得到站址北側(cè)3條沖溝的100年一遇洪峰流量分別為3.27、3.34、2.94 m3/s，建議在站址設(shè)立截洪溝，將東側(cè)沖溝洪水截流，沿215國道涵洞排出站址區(qū)域。

4 結(jié) 語

侵蝕溝勘測(cè)一直是電力工程水文勘測(cè)的難點(diǎn)。本研究結(jié)合電力工程的特點(diǎn)對(duì)基于遙感技術(shù)的侵蝕溝參數(shù)提取方法進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)電力工程水文勘測(cè)重點(diǎn)勘測(cè)的是淺溝、切溝和沖溝，它們對(duì)電力工程影響較大，在勘測(cè)分析時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

(2)根據(jù)電力工程水文勘測(cè)的需要，結(jié)合目前已有的滿足工程精度要求的遙感數(shù)據(jù)，將DEM數(shù)據(jù)和遙感圖像解譯技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行侵蝕溝參數(shù)的提取是一種較為可行的分析方法。工程實(shí)例表明該方法可用于溝谷穩(wěn)定性分析、侵蝕溝參數(shù)識(shí)別等勘測(cè)工作。

(3)常用的30 m分辨率DEM對(duì)于較大的沖溝參數(shù)提取效果較好，但對(duì)于淺溝、切溝則需要分辨率更高的遙感和DEM資料。目前水平分辨率1～2 m的遙感影像資料對(duì)侵蝕溝的橫向演變分析能夠滿足工程實(shí)踐要求，但侵蝕溝的縱向演變則需要更高分辨率的遙感影像資料。當(dāng)精度不能滿足要求時(shí)建議采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)合遙感影像進(jìn)行綜合分析。

(4)遙感技術(shù)的應(yīng)用可以為電力工程水文勘測(cè)提供新的手段，隨著遙感資料的不斷積累和遙感分辨率的日益提高，遙感技術(shù)在電力工程水文勘測(cè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

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