贵州省规划铁路网滑坡危险性评估

李倩

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙，410004)

摘要：基于地理信息系统(GIS)平台，结合贵州省中长期铁路网规划以及基于逻辑回归模型编制的贵州省滑坡易发性区划图，提出区域铁路网滑坡危险性评估的3项指标：沿线区域滑坡易发性、历史滑坡对线路的影响度以及线路设计速度，并进行相应的指标量化工作。基于可拓学理论，将铁路滑坡危险性划分为4个级别，建立铁路滑坡危险性综合评价的物元模型，完成研究区域内17段铁路的滑坡危险性评估。研究结果表明：在省级尺度上，贵州省中长期规划铁路网中，成都—贵阳铁路等4段铁路属于极高危险，长沙—昆明铁路等4段铁路属于高危险，贵阳—广州铁路等5段铁路属于中危险；铜仁—玉屏城际铁路等4段铁路属于低危险。评价结果可用于辅助贵州省铁路网的规划、建设和运营养护工作。

关键词：铁路网；滑坡易发性区划；物元模型；危险性评估

中图分类号：642.22          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)10-3170-06

Landslide risk assessment for planning railway network in Guizhou Province

LI Qian

(College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: Based on medium and long-term railway network plan and a landslide susceptibility map which was derived from logistic regression model, three factors, namely the landslide susceptibility index, the influence degree of historical landslide events around to a railway line, as well as design speed were proposed and quantified for a GIS-based landslide risk assessment for regional planning railway network. Based on the extenics theory, the landslide risk of railway was divided into four levels, and a matter-element model was built to assess the risk level for the total 17 sections of railway. The results show that in Guizhou Province, four sections of railway such as Chengdu—Guiyang railway are at very high risk, four sections such as Changsha—Kunming railway are at high risk, five sections such as Guizhou—Guangzhou are at medium risk and four sections such as Tongren—Yuping are at low risk. The assessment result provides references for railway planning, construction and maintenance in Guizhou Province.

Key words: railway network; landslide susceptibility mapping; matter-element model; landslide risk assessment

铁路是国家和社会发展的重要基础设施，在社会活动中起着十分重要的作用。近年来，我国铁路建设进入快速发展的新阶段，大规模铁路建设全面展开。一大批包括高速铁路、客运专线、城际铁路、煤炭运输通道、区际铁路干线和西部铁路相继开工。我国地域辽阔，地理环境差异大，地质、气象条件复杂，是地质灾害多发的国家。铁路穿越各类自然地区，直接面临多种地质灾害的威胁。据统计，全国铁路沿一线分布有大型泥石流沟13 486条，大中型滑坡大约有   1 000个，崩塌1 000处，严重塌陷3 785处^[1]。灾害常常导致运输中断或人民生命财产损失，给铁路的建设维护和正常运营带来极大的威胁。为此，本文作者以贵州境内主要的在建和规划中的铁路为研究对象，结合贵州省滑坡易发性区划图，选取沿线区域滑坡易发性、历史滑坡对线路的影响度以及线路设计速度3项指标，应用可拓物元方法评估贵州省规划铁路网中17段线路的滑坡危险性，评估结果可用于辅助铁路建设和运营管理中的防灾减灾工作。

1  贵州省铁路网规划情况

1.1  研究区域概况

贵州省位于中国西南部东经103°36′至109°35′，北纬24°37′至29°13′之间，土地面积为176 167 km²。省内山高、坡陡、降雨频繁，地质环境十分脆弱，地质灾害频发，是我国地质灾害的多发区和易发区，也是国内地质灾害最严重的省份之一^[2]。因此，尽管铁路项目在规划和设计时采取了绕避、增加桥隧等减灾措施，但仍有相当规模的地质灾害对铁路安全构成隐患。

1.2  贵州省规划铁路网

目前，贵州省境内有10段在建(或拟开工)铁路：(1) 成贵铁路(成都—贵阳)；(2) 渝黔铁路(重庆—贵阳)；(3) 长昆(长沙—昆明)铁路；(4) 贵广铁路(贵阳—广州)；(5) 贵阳市环城铁路；(6) 贵阳—开阳城际铁路；(7) 贵阳—织金—六盘水铁路；(8) 铜仁—玉屏城际铁路；(9) 隆昌—黄桶铁路；(10) 黄桶—百色   铁路。

此外，贵州省还有7条规划铁路：(1) 毕节—六盘水—兴义城际铁路；(2) 黔桂铁路复线；(3) 渝怀铁路复线；(4) 兴义—罗甸—独山铁路；(5) 昭通—毕节—遵义—黔江铁路；(6) 独山—榕江—黎平—永州铁路；(7) 都匀—凯里—黔江铁路。

以上17段在建(或拟开工)和规划铁路构成贵州省规划铁路网，见图1。相关数据和信息来源于铁道部公布的国家中长期铁路规划图(2008年调整)^[3]和贵州省政府公布的贵州省铁路网规划示意图^[4]。

2  可拓方法

可拓方法是蔡文等^[5]于1983年提出的，其核心内容为物元理论、可拓集合理论和可拓逻辑。其中，物元理论用物元、事元与关系元描述被研究对象；可拓集合理论是将实变函数中距离的概念加以拓展，引入描述客观事物性质变化的关联函数工具，为解决矛盾问题提供了定量手段；可拓逻辑则是辨证逻辑和形式逻辑的科学集成，其基本方法是通过建立多指标参数的评定模型来完整地反映样本的综合水平^[6]。本文应用可拓物元模型方法评定贵州省规划铁路网中每段线路的滑坡危险性。

图1  贵州省内在建和规划中的铁路网

Fig.1 Railway network under construction or planning in Guizhou Province

2.1  建立系统经典域、节域及待评物元模型

物元是以事物、特征及特征值组成的三元组。这里事物指的是评价对象，特征是评价指标，而特征值就是评价指标的取值范围^[7]。依据可拓学物元理论，建立铁路滑坡灾害危险性评价的物元模型，包括经典域物元、节域物元和待评物元。

2.1.1  确定经典域

(1)

式中：j=1，2，…，m；i=1，2，…，n；N_j代表铁路滑坡危险性级别；c_i 为评价指标；为c_i在N_j下的取值范围，即某个评价指标在一定危险性级别下的取值范围；m为危险性级别的个数；n为评价指标的个数。本文中，m=4，n=3。

2.1.2  确定节域

(2)

式中：P为铁路滑坡危险性级别的全体；为评价指标c_i在P下的取值范围，即某个评价指标在全部危险性级别下的取值范围。

2.1.3  确定待评物元

         (3)

式中：P₀为某段待评铁路；v_i为该段铁路相应于评价指标c_i的取值。

2.2  各评价指标与各危险级别的关联度

在可拓学中，关联度是事物之间、因素之间关联性的量度，采用关联函数计算关联度^[8]。在本文中，关联度描述的是各评价指标对应于不同铁路滑坡危险级别的关联性，第i个评价指标与第j类铁路滑坡危险性的关联度可用以下关联函数计算：

     (4)

其中：

    (5)

2.3  确定物元特征权重

物元特征权重就是各评价指标权重，是根据各指标在铁路滑坡危险性综合评价中重要性的不同，赋予各指标一定的量值^[9]。设各个评价指标的权重为λ_i，则物元特征权重的总和应满足：

               (6)

2.4  待评物元与各危险级别的关联度

待评物元(即某段待评铁路)与各铁路滑坡危险级别的关联度应该是各评价指标与所有危险级别的赋权关联度之和，即：

          (7)

2.5  确定待评物元的危险性级别

若：

         (8)

则判定待评铁路P₀的滑坡危险性属于第j*级。

3  贵州省规划铁路网滑坡危险性  评估

3.1  贵州省滑坡易发性区划

地质灾害易发性区划图是根据不同的易发等级将研究区域用不同的颜色表示出来，便于土地利用和规划时识别土地潜在的灾害危险^[10]。在过去的30 a中，许多地理学家和工程专业人员都在GIS下识别滑坡，绘制滑坡易发性区划图。为评价滑坡易发性，采用了很多方法，这些方法可以概括为：定性方法、定量方法以及确定性方法^[11]。王卫东等^[12]在GIS环境下，应用SPSS统计工具，采用确定性系数和Logistic回归模型相结合的方法编制了贵州省滑坡易发性区划图(图2(b))。根据滑坡易发程度，将贵州省分划分为4个区域：极高易发区、高易发区、中等易发区和低易发区。本文引用其研究成果作为底图，针对贵州省规划铁路网进行铁路滑坡危险性级别评估。

图2  贵州省滑坡分布及易发性区划图^[14]

Fig.2  Landslide inventory and susceptibility map of Guizhou Province

3.2  铁路滑坡灾害危险性评价指标

基于ArcGIS平台，将贵州省规划铁路网分布图、滑坡易发性区划图及历史滑坡灾点分布图进行叠加，以获得铁路沿线地区滑坡易发程度和沿线历史滑坡灾点在线路两侧的分布情况，进而评估铁路滑坡危险性。

3.2.1  沿线区域滑坡易发性

为了量化铁路沿线所经过地区的滑坡易发性对铁路的综合影响程度，引入铁路沿线区域滑坡易发性指标，计算方法为：

 (9)

式中：k=1，2，…，r；i=1，2，…，s ；F_k为第k段铁路沿线区域滑坡易发性指标；w_t为第t级滑坡易发性对铁路影响的权重系数；p_kt为第k段铁路在第t级滑坡易发性区域内的长度比例，按下式计算。

              (10)

式中：l_kt为第k段铁路在第t级滑坡易发性区域内的长度；l_k为第k段铁路的总长度。将贵州省滑坡易发性区划图(图2(b))和贵州省规划铁路网分布图(图1)叠加，应用ArcGIS的分析工具，可以方便地得到p_kt。显然，，设，则 [1,10]。

3.2.2  历史滑坡对线路的影响度

显然，历史滑坡灾点分布情况对铁路滑坡危险性评估有重要作用。本文通过计算铁路与沿线历史滑坡灾点的距离，并结合滑坡规模，引入历史滑坡对线路的影响度衡量历史滑坡灾点对铁路的影响程度。

滑坡历史灾点是分布于铁路线路两侧的离散点，若灾点密集地分布于线路附近，则说明铁路沿线易于发生滑坡，铁路危险性也就越高。铁路受沿线滑坡的影响程度不仅与其距离有关，还与滑坡发生的规模有关。本文以滑坡面积度量其规模，并认为铁路受沿线滑坡的影响程度与滑坡规模成正比。此外，对于长度不同的线路，应以单位线路长度的影响度衡量历史滑坡灾害对线路的影响。

综上所述，某铁路线单位长度的历史滑坡对线路的影响度M_k按下式计算：

；k=1，2，…，r；i=1，2，…，s(11)

式中：M_k为第k段铁路单位长度的历史滑坡对线路的影响度；n为某铁路两侧缓冲区(1 000 m)范围内滑坡灾点的个数；ρ_i为第i个滑坡灾点至线路的距离；a_i为第i个滑坡灾点的面积；L_k为第k段铁路的总长度。

在一定范围内，距离越小，规模越大的滑坡对线路影响越大。而超出一定范围时，认为其影响作用可以忽略。根据国土资源部发布的《地质灾害危险性评估技术要求》^[13]规定：重要的线路工程建设项目，评估范围一般应以相对线路两侧扩展0.5~1.0 km为限。本文取1 km为限值，应用ArcGIS的缓冲和分析工具，可以很方便得到式(11)中各参数值。

3.2.3  铁路设计速度

评价铁路滑坡灾害危险性，不仅要考虑沿线滑坡灾害的孕育程度、地质条件等因素，还应考虑铁路线自身的重要程度，如铁路等级、设计速度和客货运量等。一般铁路等级越高，客货运量越大，车流密度大，一旦发生滑坡灾害可能造成的人员伤亡和经济损失也就越大。本文以线路设计速度(80~350 km/h)作为表征铁路自身重要程度的指标。

3.3  评价指标的节域和经典域

对沿线区域滑坡危险性评估的3项评价指标即沿线区域滑坡易发性、历史滑坡对线路的影响度及线路设计速度，参照贵州省内铁路网的实际情况及专家的意见，拟定铁路滑坡灾害危险性分级标准按由低到高划分为Ⅰ~Ⅳ级共4个级别，确定其节域和经典域，如表1所示。

表1  评价指标的节域和经典域

Table 1  Classic field and segment field of evaluation indexes

3.4  确定各段铁路的指标值

依据式(9)，(10)和(11)，分别计算17段铁路的各指标值，如表2所示。

从表3可见：贵州省内17段主要的在建和规划的铁路中，从整体上看，有4段即渝黔铁路复线、成贵铁路、贵阳环城铁路、贵开铁路处于Ⅳ级危险；有4段即长昆铁路、贵阳—六盘水铁路、毕节—六盘水—兴义铁路和都匀—凯里—黔江铁路属于Ⅲ级危险；有5段即贵广铁路、昭通—毕节—吉首铁路、黄桶—百色铁路、黔桂铁路复线和渝怀铁路复线属于Ⅱ级危险；有4段即兴义—独山铁路、独山—永州铁路、隆昌—黄桶铁路和铜仁—玉屏城际铁路属于Ⅰ级危险。

表2  铁路滑坡危险性评价指标值

Table 2  Values of indexes for landslide risk assessment of railways

表3  铁路滑坡危险性综合关联度及综合评价

Table 3 Correlation function values between railways and hazard levels and extension evaluation

4  结论

(1) 在GIS环境下，将基于逻辑回归模型编制的贵州省滑坡灾害易发性区划图和贵州省中长期路网规划图叠加分析，提出沿线区域滑坡易发性、历史滑坡灾害点对线路的影响度以及线路设计速度这3项指标，探讨区域铁路网滑坡危险级别的评估。区域铁路网滑坡危险评估是一项复杂的工作，能否保证各项指标的科学性和可行性是评价成功与否的关键。

(2) 构建了基于可拓学的铁路滑坡危险性评价的物元模型，建立了可拓综合评价模式，提出了铁路滑坡危险性评价分级标准，对贵州省规划铁路网中17段铁路进行了滑坡危险性级别评估，为铁路规划、建设和养护维修提供辅助信息具有较重要的实用价值。

(3) 可拓学方法从多角度、多因素出发，将评价中多参数因子目标评价归结为单目标决策，实现评定结果的定量化，能比较全面、直观地反映出各项指标对危险性级别的影响。此外，由于可拓评价采用关联函数进行定量计算，评价结果的客观性和稳定性较好，且运算工作量小，评价简单易行。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-04-10；修回日期：2011-06-16

基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2011CB 710601)；交通运输部科技项目(2009318000074)

通信作者：李倩(1978-)，女，贵州贵阳人，博士，讲师，从事工程管理研究；电话：13787180406；E-mail：semese_li@163.com