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)劃設計研究院 勘測院，北京 100095)

土壤侵蝕是當今世界普遍關注的環(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，都嚴重威脅電力工程的運行安全[1]。相對河道水文勘測而言，因其流域面積小、基礎資料缺乏、歷史調查困難等，侵蝕溝勘測一直是電力工程水文勘測的難點。目前在計算侵蝕溝設計暴雨洪水時多采用推理公式法、等流時線法、單位線法等半成因半經驗方法和區(qū)域性經驗公式方法，這些方法應用前往往需要對主流穩(wěn)定性、流域面積、流域比降、主流長度等水文參數(shù)進行識別。常規(guī)水文勘測方法多采用1 ∶1萬地形圖進行參數(shù)提取，但對于無資料地區(qū)的侵蝕溝，難以找到適當?shù)牡匦螆D進行水文參數(shù)的提取[2]。侵蝕溝發(fā)展的預報模型精度還不能滿足電力工程勘測工作的要求，目前仍以現(xiàn)場調查為主[1,3]。近年來隨著空間分辨率的日益提高，遙感技術在水文觀測中的應用日趨成熟，尤其是在處理無資料地區(qū)的侵蝕溝問題上具有獨特的優(yōu)勢。因此，本研究在總結電力工程中侵蝕溝問題的特點和當前可利用遙感影像分辨率的基礎上，分析解決電力工程中侵蝕溝問題實際需要的遙感影像分辨率以及相應的遙感水文參數(shù)提取方法，并以工程實例驗證遙感提取侵蝕溝參數(shù)的可行性。

1 侵蝕溝對電力工程的影響

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、片蝕和細溝侵蝕，溝蝕則包括淺溝侵蝕、切溝侵蝕和沖溝侵蝕。由于細溝實際上是淺溝侵蝕的初級階段，其水力學特性和侵蝕機理與片蝕不同，因此也可將細溝侵蝕劃為溝蝕。侵蝕溝即為溝蝕形成的溝壑，根據(jù)王禮先對侵蝕溝的分類方法[1,3-5]：細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；淺溝是在細溝侵蝕的基礎上，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，在我國黃土地區(qū)淺溝深度多為1 m左右，在南方第四紀紅土、第三紀或更古老的紫色頁巖上的淺溝深度一般在1 m以內、寬度1.5～2.0 m，在花崗巖丘陵區(qū)的風化殼上淺溝寬度約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，使溝頭前進和溝底下切，同時溝岸因重力作用不斷崩塌的侵蝕溝，其深度至少1 m，有的深度可達數(shù)米，在土層疏松、深厚的黃土地區(qū)可達十余米至數(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，還沒有達到相對穩(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100 m以上。溝蝕達到一定規(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，在一個侵蝕溝系統(tǒng)中各種類型的侵蝕溝往往同時存在，它們對電力工程的影響及相應的處理措施均有所不同。當電力工程上游僅有細溝出現(xiàn)、設計來水量不大、沖刷也不嚴重時，往往采取截洪溝等較為簡單的處理措施截走上游來水即可；當電力工程上游有深度0.5～1.0 m的淺溝，對于線路塔位則需要考慮防沖刷措施并加大基礎埋深，對于電廠和變電站等場地工程則需要根據(jù)來水情況設置較大型截洪溝等，工程量相對于細溝有較大提高；對于寬深均超過1 m的切溝和沖溝，若位于電力工程上游且距離很近，由于處理措施費用較高，所以建議盡可能避讓，在計算時主要考慮設計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主要以淺溝、切溝、沖溝為主，不同的侵蝕溝勘測方法也有所不同。對于寬度和深度較大的切溝和沖溝，用常規(guī)的1 ∶1萬地形圖即可對其參數(shù)進行提取，但是對寬深較小的切溝和淺溝則很難進行識別；對于無資料地區(qū)的侵蝕溝，目前的預報技術尚難以滿足電力工程對侵蝕溝發(fā)展預測的要求，采用地形圖對比方法時效性差，又難以進行現(xiàn)場調查，因此需要探索新的方法進行侵蝕溝勘測。

2 遙感提取侵蝕溝參數(shù)的方法

隨著遙感技術的不斷發(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)分辨率也已達到2.0 m左右，這為遙感技術應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水文參數(shù)進行提取。

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，對輸入的DEM進行柵格化處理、填洼、提取水流方向、計算匯流累積量、提取溝道，在此基礎上進行流域面積、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，但同時也意味著數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長，應用成本成倍增加，相應的可推廣性也將大大降低。因此，在利用DEM技術研究侵蝕溝的過程中，確定一個合理空間分辨率的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對于切溝、沖溝是一個合理的空間分辨率，但對細溝、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算機解譯兩類[6]。考慮到侵蝕溝的復雜多樣性，單純利用目視解譯非常耗時耗力，因此本研究采用計算機自動分類和目視解譯相結合的方法進行侵蝕溝參數(shù)的提取。先利用ENVI軟件中傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法——最小距離分類對地物進行分類識別，然后根據(jù)地物的面積、形狀進行相應的分類后處理，最后在得到的侵蝕溝結果上提取相應的參數(shù)進行分析。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鍵。遙感圖像解譯可以對侵蝕溝的溝沿線、溝長、溝寬等平面信息進行提取，但對溝深和坡度等信息則難以進行識別。

2.3 DEM和遙感圖像解譯相結合的侵蝕溝提取

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。兩種方法能達到的精度不同，但如果將兩種方法結合起來，就可能滿足電力工程對侵蝕溝參數(shù)提取的高精度要求。隨著遙感資料的不斷積累，基于不同時段的遙感信息，還可以對侵蝕溝的演變規(guī)律進行分析。因此，本研究在對切溝和沖溝等寬深較大和流域面積較大的侵蝕溝進行參數(shù)提取時采用DEM提取水系方法，對淺溝的識別采用遙感圖像解譯和DEM相結合的方法，對河道穩(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 應用實例

3.1 研究區(qū)概況

某750 kV變電站位于柴達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，站址東北部為柴達木山，西側緊鄰215國道，東北側距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)域地表沖溝錯綜復雜。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涵洞及導流設施。

研究區(qū)附近主要的河流為距站址北側約2 km的大頭羊溝。大頭羊溝為內陸河流域，屬依克柴達木湖(大柴旦湖)水系，發(fā)源于祁連山脈支系的柴達木山，屬以降水補給為主、冰雪融水補給為輔的混合補給型河流。大頭羊溝河水出山口后，經315國道逐漸以潛流形式補給地下水，而后在灘地(草場)處出露匯入大柴旦湖，流向為東西方向，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大頭羊溝洪水位及淹沒范圍、東側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)域屬無資料地區(qū)，水文資料缺乏且人煙稀少，常規(guī)的現(xiàn)場水文勘測手段較難開展，同時區(qū)域內侵蝕溝眾多，基于大比例尺地形圖的流域提取方法難以對這些侵蝕溝進行準確識別。因此，本研究采用多時段遙感影像對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)提取技術提取大頭羊溝流域參數(shù)，在此基礎上分析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，結合DEM提取侵蝕溝的各種參數(shù)，進行侵蝕溝洪水量的計算分析。

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?shù)貧v史洪水調查，選擇有代表性時間點的多幅數(shù)據(jù)進行分析(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。本次分析還結合Google Earth多個時段的遙感影像，對當?shù)貧v史洪水進行分析。

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分析

(1)315國道以上流域水文情勢分析。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315國道以上大頭羊溝流域進行參數(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)，應用多種小流域洪水計算方法進行比較分析，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。經對315國道橋涵過水能力進行分析，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給地下水，無地表徑流。為分析該河段100年一遇洪水對站址的影響，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行提取和對比分析。結果表明，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)對該河段主流的判斷，選取了3個斷面對河段100年一遇洪水位進行計算，最終得到河段100年一遇洪水可沿215國道排出，不會漫溢至站址方向，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現(xiàn)對侵蝕溝系統(tǒng)的提取。為比較不同分辨率遙感影像對侵蝕溝系統(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行侵蝕溝提取的對比分析。采取計算機解譯的方法對30、2.5、0.5 m等3種分辨率的遙感影像進行侵蝕溝提取，并與0.5 m分辨率遙感影像的目視解譯結果進行對比，以判斷各種分辨率遙感影像采用自動解譯提取侵蝕溝的效果。結果表明，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。為比較不同時段侵蝕溝的擺動情況，選取表1中多個時段的高精度遙感影像進行對比分析。結果表明，站址東側的侵蝕溝系統(tǒng)是穩(wěn)定的，站址區(qū)域可能受東側3個沖溝系統(tǒng)的洪水影響。

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

4 結 語

侵蝕溝勘測一直是電力工程水文勘測的難點。本研究結合電力工程的特點對基于遙感技術的侵蝕溝參數(shù)提取方法進行了研究，主要結論如下：

(1)電力工程水文勘測重點勘測的是淺溝、切溝和沖溝，它們對電力工程影響較大，在勘測分析時應給予重點關注。

(2)根據(jù)電力工程水文勘測的需要，結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相結合進行侵蝕溝參數(shù)的提取是一種較為可行的分析方法。工程實例表明該方法可用于溝谷穩(wěn)定性分析、侵蝕溝參數(shù)識別等勘測工作。

(3)常用的30 m分辨率DEM對于較大的沖溝參數(shù)提取效果較好，但對于淺溝、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的遙感影像資料對侵蝕溝的橫向演變分析能夠滿足工程實踐要求，但侵蝕溝的縱向演變則需要更高分辨率的遙感影像資料。當精度不能滿足要求時建議采用現(xiàn)場踏勘結合遙感影像進行綜合分析。

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

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