蔣鈺峰 吳 光 趙志明 何 劉

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 611756)

0 引 言

在山區(qū)鐵路工程建設(shè)中，由于山體高差大、巖層褶皺錯(cuò)雜、巖漿活動(dòng)顯著、構(gòu)造活動(dòng)頻繁、風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈、重力卸荷廣泛(吳光等， 2010)，地質(zhì)選線的合理與否成為工程成敗的決定性因素。何振寧(2004)、朱穎(2009)和吳光等(2010)通過大量工程實(shí)踐證明了地質(zhì)選線的重要性，多角度定性分析了影響地質(zhì)選線的關(guān)鍵因素，使得地質(zhì)選線更加科學(xué)化和規(guī)范化，相關(guān)理論得到了長足的發(fā)展。但是，隨著近年來青藏、成蘭和川藏等山區(qū)鐵路的興建，復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)條件使得傳統(tǒng)地質(zhì)選線理論和方法面臨巨大挑戰(zhàn)。豐明海(2007)以青藏鐵路為研究對(duì)象，通過對(duì)4個(gè)進(jìn)藏方案的定性對(duì)比分析，解釋了最優(yōu)方案的合理性； Huang et al.(2013)以成蘭鐵路為研究對(duì)象，基于GIS平臺(tái)對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行了數(shù)字化對(duì)比，科學(xué)地解釋了最終方案的優(yōu)越性； 杜宇本等(2010， 2012)對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域的大瑞、成蘭和玉磨鐵路進(jìn)行了地質(zhì)選線研究，分別提出了適用于各條線路的選線原則，屬于定性研究中的經(jīng)典實(shí)例。從以上眾多的選線案例中不難發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于山區(qū)地質(zhì)選線的認(rèn)識(shí)還停留在定性分析階段，成果以經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則為主，缺少定量研究的切入點(diǎn)，這也使得地質(zhì)選線難以形成一套科學(xué)完整的理論體系。高山(2011)提出，針對(duì)山區(qū)鐵路地質(zhì)選線中的地質(zhì)條件復(fù)雜、線路方案多、論證周期長、方案決策難等問題，應(yīng)當(dāng)從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，研究三維可視化地質(zhì)選線技術(shù)和GIS工程地質(zhì)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)選線和評(píng)價(jià)方法的模型化、定量化和系統(tǒng)化。而通過筆者近5年的工作學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的地質(zhì)選線往往存在“先畫線后選線”的問題，即線路專業(yè)工作人員首先畫出待選線路，地質(zhì)專業(yè)工作人員再通過沿線勘察選擇最優(yōu)方案。隨著區(qū)域地質(zhì)條件的復(fù)雜化，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且主觀性強(qiáng)且效率不高。所以，在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量研究，完善地質(zhì)選線的框架體系并探索更加高效的地質(zhì)選線方法是一個(gè)具有重要理論意義和實(shí)際工程價(jià)值的課題。

眾多研究表明，地形地貌是最基本的地理要素，它決定著自然地理單元的形成和地面物質(zhì)與能量的再分配，也是判別區(qū)域地質(zhì)條件優(yōu)劣的首要因素(湯國安等， 2003； Liu et al.，2008； 郭芳芳等， 2008)。傳統(tǒng)的山區(qū)鐵路地質(zhì)選線由于受到技術(shù)限制，無法獲取大量復(fù)雜山區(qū)的地形地貌指標(biāo)，但隨著近年來地理信息系統(tǒng)(GIS)及相關(guān)數(shù)字技術(shù)的不斷成熟，地質(zhì)選線的定量化逐漸成為可能。

本文依托川藏鐵路三江并流區(qū)地質(zhì)選線項(xiàng)目，選取橫斷山區(qū)川藏交界處金沙江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)各個(gè)子流域單元的地形地貌參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，從宏觀角度確定線路整體走向并采用熵權(quán)評(píng)價(jià)法找出適宜選線的“通道”，為后期線路設(shè)計(jì)和實(shí)地勘測調(diào)繪提供了參考和依據(jù)，也使得地質(zhì)選線的框架體系得到進(jìn)一步的深化和完善。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

川藏鐵路橫穿青藏高原東南緣的地形急變帶，其中，橫斷山區(qū)是地形起伏最劇烈、區(qū)域工程地質(zhì)條件最復(fù)雜、建設(shè)難度最大、工程風(fēng)險(xiǎn)最高的地段，工程地質(zhì)條件具有“三大一強(qiáng)”的特點(diǎn)，即地形高差大、地災(zāi)速度大、地災(zāi)規(guī)模大、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)。該區(qū)地層巖性多樣，高山峽谷密布，地質(zhì)災(zāi)害體運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、動(dòng)能大、規(guī)模巨大； 山嶺褶皺緊密，斷層成束，怒江、瀾滄江、金沙江沿深大斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，是川藏鐵路選線、勘察、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的主要瓶頸地段，有著極大的潛在危害(張廣澤等， 2016)。由于川藏鐵路建設(shè)中的政治經(jīng)濟(jì)需要，途經(jīng)金沙江流域時(shí)研究區(qū)南北范圍不會(huì)超過29°N～32°N，所以，以水系特征劃分出金沙江大流域，具體位置如圖 1所示。

圖 1 研究區(qū)概況Fig. 1 General situation of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：∥www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)版本為ASTER GDEM V2，數(shù)據(jù)類型為TIFF，數(shù)據(jù)格式為30m×30m柵格DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30im。由于流域面積相對(duì)龐大，且子流域尺度多在千米級(jí)，數(shù)據(jù)精度可以滿足研究需要。

2 研究方法

2.1 整體處理流程

本文研究中所用到的主要軟件平臺(tái)為ARCGIS10.4，借助其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力，首先將DEM數(shù)據(jù)拼接并提取整體流域作為研究對(duì)象，基于最佳閾值將整個(gè)研究區(qū)按照水系特征分割為若干子流域，在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算各個(gè)子流域的面積高程積分值、平均高程、起伏度、平均坡度和地形曲率，通過定量分析和對(duì)比區(qū)域內(nèi)宏觀選線條件，確定線路整體走向并采用熵權(quán)法找出適宜鐵路建設(shè)的理想“通道”。

2.2 子流域劃分

基于GIS進(jìn)行的區(qū)域評(píng)價(jià)多以人為設(shè)定的離散柵格為子單元，這種劃分方法忽略了自然單元的有機(jī)整體性。鑒于此，本文采用基于水系特征的子流域劃分，避免了人為設(shè)定的主觀性和隨意性，由于水系的發(fā)育常常受到區(qū)域地質(zhì)條件的制約，所以以子流域單元為基礎(chǔ)的對(duì)比分析具有更深層次的地質(zhì)意義。

2.2.1 集水面積閾值的確定

集水面積閾值與劃分的子流域個(gè)數(shù)往往呈現(xiàn)明顯的冪函數(shù)關(guān)系，隨著集水面積閾值的增加，子流域個(gè)數(shù)呈現(xiàn)冪指數(shù)下降。為了尋求較為合理的面積閾值，可以對(duì)子流域個(gè)數(shù)隨集水面積閾值的變化曲線求二階導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)數(shù)趨于0的點(diǎn)即可認(rèn)為是最佳閾值(孔凡哲等， 2005； 陸志翔等， 2015)。在實(shí)際計(jì)算中，由于得到的是離散數(shù)據(jù)，可以將判別標(biāo)準(zhǔn)簡化為子流域個(gè)數(shù)隨集水面積閾值變化曲線上某一點(diǎn)的二階變化率(某一變量變化率的變化率)k是否趨近于0。

以50i000單元為集水面積閾值起始，每次累加50i000單元，直至1i000i000單元，分別求取各個(gè)面積閾值所對(duì)應(yīng)的子流域個(gè)數(shù)，計(jì)算各點(diǎn)k值，繪制變化曲線(圖2)。

圖 2 集水面積閾值與二階變化率k擬合曲線Fig. 2 Fitting curve between drainage area threshold and second-order change rate k

從集水面積閾值與二階變化率之間的關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)，閾值在650i000之前，二階變化率k迅速下降，變化較大，而當(dāng)閾值超過650i000之后，二階變化率k逐漸穩(wěn)定于0。所以，本文選定研究區(qū)最佳集水面積閾值為650i000。

圖 3 金沙江子流域分布圖Fig. 3 Distribution of sub-catchment of Jinsha River

2.2.2 劃分子流域

基于最佳集水面積閾值650i000，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行子流域劃分，共得到32個(gè)子流域，具體分布如圖3所示。32個(gè)流域平均面積1317ikm2，最大面積4286ikm2，最小面積228ikm2。以措普溝為中點(diǎn)，將整個(gè)流域分為南北兩區(qū)，不難發(fā)現(xiàn)北區(qū)子流域個(gè)數(shù)多于南區(qū)，南區(qū)子流域平均面積大于北區(qū)。研究區(qū)內(nèi)面積較小流域多分布于金沙江兩側(cè)，而隨著水系的擴(kuò)散，子流域面積逐漸增大。

2.3 面積高程積分

美國地貌學(xué)家Strahler(1952)提出了面積高程積分分析法(圖 4)，用以地貌發(fā)育階段的定量研究。此方法通過提取不同高差下的流域面積繪制變化曲線，計(jì)算曲線下方面積得到面積高程積分值，具體公式為：

(1)

式中，a為流域內(nèi)某條等高線之上的面積；A為流域總面積；h為某條等高線所在高程與流域內(nèi)最低高程間的高差，H為流域內(nèi)最大高差；y=f(x)曲線與x坐標(biāo)軸圍成的面積即為面積高程積分值S，取值范圍0～1。

圖 4 面積高程積分原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of hypsometric integral

面積高程積分近年來普遍應(yīng)用于地形地貌定量化研究，S值的大小可以量化戴維斯模型的侵蝕流域地貌演化階段(式(2))，其結(jié)果不僅可以反映流域內(nèi)巖性、氣候和構(gòu)造等不同因素的影響，還在崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害的定量化研究中效果顯著(Lifton et al.，1992； Pérez-Pea et al.，2009； 趙洪壯等， 2009； 段書蘇等， 2016)。Scheidrgger et al.(1987)曾用面積高程積分研究了武都地區(qū)的滑坡和泥石流，結(jié)果表明面積高程積分值可以反映區(qū)域內(nèi)外營力對(duì)抗強(qiáng)度，面積高程積分值越大，滑坡泥石流越發(fā)育，區(qū)域整體穩(wěn)定性越低。研究區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，通過各個(gè)子流域面積高程積分值的求取，可以定量分析其地形地貌特征，最后結(jié)合其他因素對(duì)比得到有利于地質(zhì)選線的理想通道。

S>0.6幼年期

0.35≤S≤0.6壯年期

S<0.35老年期

(2)

2.4 子流域平均高程與起伏度

平均高程和起伏度是地貌學(xué)中重要的描述地貌形態(tài)的參數(shù)。子流域平均高程較易理解，子流域起伏度是指區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值。已有研究表明，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與平均高程和起伏度之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系(郭芳芳等， 2008； 蔣鈺峰等， 2017)。通過研究區(qū)內(nèi)各個(gè)子流域間平均高程與起伏度的對(duì)比分析，可以揭示地質(zhì)災(zāi)害潛在的發(fā)生可能性大小，有利于宏觀走向的確定及通道的選取。

2.5 子流域平均坡度與地形曲率

平均坡度和地形曲率在地貌學(xué)中多反映地形地勢的變化情況，是重要的地形地貌參數(shù)。眾多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，坡度是影響區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要因素。曲率代表的是地形曲面的二階導(dǎo)數(shù)，其絕對(duì)值越大，反映出地形的凹凸變化越強(qiáng)烈，與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生也存在一定關(guān)系。通過各個(gè)子流域平均坡度和地形曲率的對(duì)比分析，對(duì)不良地質(zhì)發(fā)育的判定有一定幫助，為選線通道的選取打下基礎(chǔ)。

2.6 鐵路宏觀走向的確定及基于熵權(quán)法的通道選取

鐵路宏觀走向是地質(zhì)選線首先解決的問題，一般采用定性方法進(jìn)行確定，定量方法幾乎未見。本節(jié)分別以金沙江流域南北區(qū)為研究對(duì)象，通過兩區(qū)地形地貌參數(shù)的整體對(duì)比，定量比較兩區(qū)地質(zhì)選線的適應(yīng)性，確定鐵路宏觀走向。

鐵路走向確定后，為了進(jìn)一步選取選線通道，需要對(duì)地形地貌指標(biāo)進(jìn)行更為深入的綜合評(píng)價(jià)。熵原本是熱力學(xué)中的概念，由Shannon引入信息論，之后在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)(Qi et al.，2010)、機(jī)械制造(田啟華等， 2004)、煤礦安全評(píng)價(jià)(Li et al.，2011)和水質(zhì)評(píng)價(jià)(鄒志紅等， 2005)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了較好的結(jié)果。熵權(quán)法作為一種客觀性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法，近年來已經(jīng)逐漸應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)科，在泥石流、滑坡等自然災(zāi)害及環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面成果顯著，該方法認(rèn)為不同指標(biāo)熵值的大小可以作為權(quán)重，熵值越大，說明該指標(biāo)信息量較少，權(quán)重相對(duì)較小(王佳運(yùn)等， 2007； 楊宗佶等， 2009； 梁桂蘭等， 2010； 邢釗， 2012)。使用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重分析主要有以下3個(gè)步驟：

(1)原始數(shù)據(jù)處理

設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，組成原始數(shù)據(jù)矩陣為：

(3)

對(duì)各個(gè)指標(biāo)下的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正規(guī)化處理：

(4)

(5)

對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理，本文采用小者為優(yōu)的收益性指標(biāo)，所以有：

(6)

(2)計(jì)算各指標(biāo)熵值

首先計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)樣本值占該指標(biāo)的比重：

(7)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(8)

其中，k=1/ln(m)>0，滿足ej≥0，當(dāng)pij=0，令pijln(pij)=0。

(3)計(jì)算熵權(quán)并進(jìn)行評(píng)價(jià)

首先計(jì)算信息熵冗余度(差異)

dj=1-ej，j=1，..，n

(9)

其次計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重：

(10)

最后計(jì)算各樣本綜合得分：

(11)

在確定了宏觀走向的基礎(chǔ)上，選用熵權(quán)法對(duì)區(qū)內(nèi)各子流域面積高程積分、平均高程、起伏度、平均坡度和地形曲率進(jìn)行客觀權(quán)重分析，得到基于地形地貌參數(shù)的子流域地質(zhì)選線適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型，比較各子流域綜合得分，選取地質(zhì)選線適應(yīng)性相對(duì)較好的可銜接子流域作為最終的選線通道。

3 結(jié)果分析

3.1 面積高程積分對(duì)比

利用Pike et al.(1971)提出的簡化計(jì)算式(12)，結(jié)合ArcGIS中的區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具，分別計(jì)算研究區(qū)內(nèi)32個(gè)子流域的面積高程積分值，結(jié)果見表 1。

表 1 各子流域面積高程積分值Table 1 Hypsometric integral of each sub-catchment

(12)

式中，S表示面積高程精確值；E為面積高程近似值； Mean elevation、Min.elevation、Max.elevation分別表示區(qū)域內(nèi)高差的平均值、最小值和最大值。

由表1中計(jì)算結(jié)果可知， 32個(gè)子流域中面積高程積分平均值為0.539i76； 最大值為0.653i29，流域編號(hào)31； 最小值為0.342i06，流域編號(hào)20。參考Strahler提出的地貌發(fā)育階段判定標(biāo)準(zhǔn)，不難發(fā)現(xiàn)研究區(qū)整體處于地貌演化的壯年期； 有7個(gè)子流域(8、15、21、23、27、28、31)的面積高程積分值高于0.6，處于地貌發(fā)育階段的幼年期，也可以理解為這7個(gè)子流域的內(nèi)外營力對(duì)抗較強(qiáng)，整體穩(wěn)定性較差，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大； 只有子流域20的面積高程積分0.342i06低于0.35，可以劃分為老年期，即此區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。為了進(jìn)一步研究面積高程積分值S的分布特征，以不同色塊區(qū)分子流域S值大小(圖5)。

圖 5 各子流域面積高程積分分布圖Fig. 5 Hypsometric integral distribution of each sub-catchment

從整體上看，南區(qū)子流域的面積高程積分平均值為0.583i55，遠(yuǎn)高于北區(qū)子流域的面積高程積分平均值0.522i51，從色塊分布也可發(fā)現(xiàn)北區(qū)整體顏色較淺，而南區(qū)則更深，面積高程積分值相對(duì)較大。對(duì)比南北區(qū)不同子流域面積高程積分值，可以發(fā)現(xiàn)南區(qū)12個(gè)子流域中有5個(gè)子流域的面積高程積分值超過0.6，而北區(qū)20個(gè)子流域中僅有2個(gè)子流域的面積高程積分值超過了0.6。

從典型個(gè)體來看，南北區(qū)之間也存在顯著差異。分別從南北區(qū)各選取2個(gè)代表性子流域，南區(qū)為子流域27和28，北區(qū)為12和13，提取各子流域的高程信息，利用公式分別得到x和y，作出面積高程積分曲線圖(圖 6)，對(duì)比典型流域地貌發(fā)育階段面積高程積分曲線示意圖，不難發(fā)現(xiàn)子流域12、13相比子流域27、28，其地貌發(fā)育階段更趨于壯年期。所以，南區(qū)相比于北區(qū)，其區(qū)域穩(wěn)定性更差，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的潛在可能性更大，不利于鐵路的修筑和后期維護(hù)，地質(zhì)選線時(shí)應(yīng)當(dāng)更傾向于北區(qū)。

圖 6 南北區(qū)典型子流域面積高程積分曲線圖Fig. 6 Hypsometric curve of typical sub-catchment of the south and the north area

3.2 平均高程與起伏度對(duì)比

基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算得到32個(gè)子流域的平均高程和起伏度(圖 7)，易得研究區(qū)內(nèi)子流域平均高程最大值為4539.15im，流域編號(hào)為北區(qū)20； 子流域平均高程最小值為3620.88im，流域編號(hào)為南區(qū)32； 子流域平均高程基本服從以金沙江為中心，隨著向區(qū)域邊緣移動(dòng)逐漸增大的規(guī)律，且從整體上看，由北向南平均高程逐漸下降。子流域起伏度最大值為3592im，流域編號(hào)南區(qū)25； 子流域起伏度最小值為1196im，流域編號(hào)北區(qū)19； 從整體上看，子流域起伏度呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的趨勢。從圖7色塊的分布來看，子流域平均高程和起伏度的變化呈現(xiàn)相反規(guī)律，即由北向南隨著高程的降低起伏度反而逐漸上升。從宏觀上講，北區(qū)夷平面保存情況好于南區(qū)，構(gòu)造線密度低于南區(qū)，由北至南在地形地貌上表現(xiàn)為高程較高的夷平面向起伏巨大的高山峽谷的過渡。平均高程和起伏度的對(duì)比分析從側(cè)面反映了南區(qū)整體地質(zhì)條件惡劣，鐵路選線應(yīng)當(dāng)首先考慮從北區(qū)通過。

圖 7 各子流域平均高程和起伏度分布圖Fig. 7 Average elevation and relief distribution of each sub-catchment

3.3 平均坡度與地形曲率對(duì)比

基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算得到32個(gè)子流域的平均坡度和地形曲率(圖 8)，易得子流域平均坡度最大值為33.489i5°，最小值為15.059i6°，越靠近金沙江主河道，子流域平均坡度越大，南北方向則沒有明顯規(guī)律。地形曲率代表著一個(gè)區(qū)域的凹凸起伏程度，其絕對(duì)值越靠近0，地形越平坦，對(duì)于地質(zhì)選線越有利。如圖8b，顏色越淺代表絕對(duì)值越靠近0，不難發(fā)現(xiàn)地形曲率分布無明顯規(guī)律，但從整體上看，北區(qū)要優(yōu)于南區(qū)。所以，從地質(zhì)選線的角度看，北區(qū)優(yōu)于南區(qū)。

圖 8 各子流域平均坡度和地形曲率分布圖Fig. 8 Average slope and terrain curvature distribution of each sub-catchment

3.4 鐵路宏觀走向及選線通道的確定

通過南北區(qū)面積高程積分值、平均高程和起伏度以及平均坡度和地形曲率的對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)北區(qū)整體的地形地貌條件明顯優(yōu)于南區(qū)，鐵路整體走向應(yīng)當(dāng)靠北。

圖 9 北區(qū)分為3個(gè)區(qū)域Fig. 9 The north area divide into three regions

由于鐵路是線性工程，在宏觀方向確定后，其行駛時(shí)必然依次通過(1)、(2)、(3)3個(gè)區(qū)域(圖 9)，每個(gè)區(qū)域均包含不同的子流域。為了將地質(zhì)選線由宏觀方向進(jìn)一步細(xì)化到“通道”尺度，需要深入研究3個(gè)區(qū)域的地形地貌條件，比較每個(gè)區(qū)域中各個(gè)子流域的面積高程積分值、平均高程、起伏度、平均坡度和地形曲率，選取面積高程積分相對(duì)較低、平均高程相對(duì)適中、起伏度相對(duì)較小、平均坡度相對(duì)較小及地形曲率絕對(duì)值相對(duì)較小的子流域聯(lián)結(jié)成為最終的地質(zhì)“通道”。為了進(jìn)一步降低主觀因素的影響并量化各子流域的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，選用熵權(quán)法對(duì)各子流域的地質(zhì)選線適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

將(1)、(2)、(3)區(qū)各個(gè)子流域的面積高程積分值、平均高程、起伏度、平均坡度和地形曲率匯總?cè)绫?所示，利用2.6節(jié)中的公式對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行熵權(quán)求取。

表 2 北區(qū)各子流域地形地貌參數(shù)匯總表Table 2 Summary table of topography and geomorphology parameter of each sub-catchment in the north area

由于本文采用小者為優(yōu)的收益性指標(biāo)，所以數(shù)據(jù)變換時(shí)，高程平均值需要進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。參考蔣鈺峰 提出的基于夷平面的川藏鐵路三面兩帶地質(zhì)模型，選取4000im為基準(zhǔn)高程，將各子流域高程平均值與4000im差值的絕對(duì)值作為高程平均值一欄新的原始數(shù)據(jù)輸入。經(jīng)過計(jì)算可以得到各指標(biāo)熵權(quán)如表3所示。

表 3 各因素熵權(quán)值Table 3 Entropy weight of each factor

從表中各指標(biāo)權(quán)重大小不難發(fā)現(xiàn)，曲率的影響最大，平均坡度其次，而后是面積高程積分，接下來是高程平均值，最后是起伏度。曲率反映地形地貌的凹凸程度，縱橫深切的河谷與平坦遼闊的夷平面之間的差距巨大，兩者在地質(zhì)選線中的優(yōu)先程度也相當(dāng)明顯； 坡度反映了岸坡角度的變化情況，深切河谷坡度較大不利于鐵路修筑，而坡度較小的夷平面則是選線的優(yōu)良場地； 面積高程積分反映了地貌發(fā)育階段，其值越大代表地貌發(fā)育處于初級(jí)階段，一般表現(xiàn)為深切河谷，地質(zhì)選線適應(yīng)性差； 研究區(qū)的不良地質(zhì)發(fā)育具有高程分異性，具體表現(xiàn)為高原夷平面與高原盆地夷平面間過渡帶不良地質(zhì)發(fā)育程度小于高原盆地夷平面與三江侵蝕面間過渡帶(蔣鈺峰等， 2017)； 起伏度一般指代區(qū)域內(nèi)兩極點(diǎn)高差值，對(duì)于整體地形地貌的反映缺乏代表性，這里的權(quán)重最小。所以，通過熵權(quán)法求得的權(quán)重具有客觀性，與實(shí)際情況尤其是與夷平面的結(jié)合較為契合，可以通過各子流域的綜合評(píng)價(jià)得分確定其地質(zhì)選線適應(yīng)性。

根據(jù)式(11)可以得到基于地形地貌參數(shù)的研究區(qū)各子流域地質(zhì)選線適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型式(13)：

Ti=0.15372Hi+0.184373Si+0.099922Vi+

0.246744Wi+0.315241Qi，i=1，…， 20

(13)

基于地圖數(shù)據(jù)分類算法中的等差數(shù)列分級(jí)法，將得到的量化指標(biāo)以0.05的公差進(jìn)行5級(jí)數(shù)列分級(jí)，具體的分級(jí)如表4所示：

表 4 地質(zhì)選線適應(yīng)性分級(jí)Table 4 Adaptability classification of geological route selection

將各子流域的地質(zhì)選線適應(yīng)性用不同色塊表示(圖 10)，不難發(fā)現(xiàn)靠近金沙江干流的子流域地質(zhì)選線適應(yīng)性較差，是通道選線的咽喉部位。區(qū)域(1)中子流域越靠北，地質(zhì)選線適應(yīng)性越差； 區(qū)域(2)由于金沙江的存在地質(zhì)選線適應(yīng)性較為復(fù)雜； 區(qū)域(3)除了靠近江達(dá)即雀兒山附近的子流域，其余子流域地質(zhì)選線適應(yīng)性良好。以地質(zhì)選線適應(yīng)性較好和好的子流域?yàn)榛A(chǔ)，考慮子流域間的銜接性和貫通性，最終確定的地質(zhì)選線通道(圖 10)為子流域20接13接14接12接11接15接17，其地質(zhì)選線適應(yīng)性分別為一般、較好、好、一般、較好、好、好。

圖 10 地質(zhì)選線適應(yīng)性評(píng)價(jià)及理想通道Fig. 10 Adaptability evaluation of geological route selection and ideal channel

圖 11 實(shí)際線路與理想通道對(duì)比圖Fig. 11 Comparison of actual line and ideal channel

結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查情況，將理想選線通道與實(shí)際選線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖 11)，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)際線路與理想通道宏觀走向一致，崩塌和滑坡大多發(fā)育在地質(zhì)選線適應(yīng)性較差的子流域，金沙江河谷附近尤其嚴(yán)重。措普溝至白玉段實(shí)際線路與理想通道吻合良好，不良地質(zhì)較少，只發(fā)育在靠近措普溝的南區(qū)和靠近金沙江的子流域內(nèi)； 白玉至江達(dá)段實(shí)際線路與理想通道相差較遠(yuǎn)，實(shí)際線路跨越了地質(zhì)選線適應(yīng)性較差的子流域，查明的崩塌滑坡眾多，不利于線路的施工與運(yùn)營； 江達(dá)之后的最后一段實(shí)際線路與理想通道有部分吻合，但由于這一段所在的子流域地質(zhì)選線適應(yīng)性大多較好，實(shí)際線路附近也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的不良地質(zhì)問題。總體而言，除白玉至江達(dá)段，其余段落實(shí)際線路與理想通道整體吻合，崩塌、滑坡等不良地質(zhì)問題較少，地質(zhì)選線適應(yīng)性良好。

4 結(jié)論與展望

(1)基于水系的子流域劃分具有良好的自然一致性，避免了人為設(shè)定的主觀性和隨意性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行山區(qū)鐵路通道選線的研究有著更深層次的地質(zhì)意義。

(2)將研究區(qū)分為南北兩區(qū)，南區(qū)子流域的面積高程積分平均值為0.583i55，遠(yuǎn)高于北區(qū)子流域的面積高程積分平均值0.522i51。北區(qū)區(qū)域整體穩(wěn)定性高于南區(qū)，地質(zhì)選線適應(yīng)性更佳。

(3)研究區(qū)由北向南隨著高程的降低起伏度反而逐漸上升，地質(zhì)選線適應(yīng)性北區(qū)好于南區(qū)。

(4)從整體上講，北區(qū)平均坡度和地形曲率均小于南區(qū)，線路應(yīng)優(yōu)先選擇從北區(qū)通過。

(5)選取區(qū)域內(nèi)各子流域的面積高程積分值、平均高程、起伏度、平均坡度和地形曲率為因素，運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)各子流域進(jìn)行地質(zhì)選線適應(yīng)性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，線路應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮從北區(qū)通過，除白玉至江達(dá)段，理想通道與實(shí)際線路吻合良好； 白玉至江達(dá)段地質(zhì)選線適應(yīng)性較差，現(xiàn)場調(diào)查顯示該段崩塌和滑坡眾多，不利于后期鐵路施工與運(yùn)營； 基于地形地貌參數(shù)的通道選線模型可以應(yīng)用于類似的山區(qū)鐵路建設(shè)中，具有一定的理論意義和工程價(jià)值。

(6)實(shí)際鐵路建設(shè)中，地質(zhì)選線往往受到政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等條件的限制，不得不在地質(zhì)選線適應(yīng)性較差的區(qū)域?qū)で笙鄬?duì)較好的通道。如圖 11所示，白玉至江達(dá)段屬于典型的地質(zhì)選線適應(yīng)性較差的區(qū)域，但由于政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等因素的需要，必須通過此段。所以，如何在地質(zhì)選線適應(yīng)性較差的區(qū)域?qū)ふ页叨雀〉牡刭|(zhì)通道，是下一步需要解決的重點(diǎn)問題。