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2024 , Vol. 41 >Issue 8: 38 - 46

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230343

水土保持与生态修复

山区“铁路工程-水土流失”系统关键要素识别

  • 鲍学英 ,
  • 张程皓 ,
  • 贺振霞 ,
  • 李亚娟 ,
  • 沈杜华 ,
  • 陈慧鑫
展开
  • 兰州交通大学 土木工程学院,兰州 730070

鲍学英(1974-),女,宁夏中卫人,教授,博士,主要从事绿色铁路及工程管理等方面的研究。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2023-04-06

  修回日期: 2023-07-03

  网络出版日期: 2023-10-12

基金资助

中央引导地方科技发展资金项目(22ZY1QA005)

国家自然科学基金项目(51768034)

收起

Identification of Key Elements of Soil Erosion in Railway Engineering in Mountainous Areas

  • BAO Xue-ying ,
  • ZHANG Cheng-hao ,
  • HE Zhen-xia ,
  • LI Ya-juan ,
  • SHEN Du-hua ,
  • CHEN Hui-xin
Expand
  • School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

Received date: 2023-04-06

  Revised date: 2023-07-03

  Online published: 2023-10-12

Fold

摘要

建立了一种识别山区铁路工程水土流失关键要素的模型。首先确定易引发水土流失的铁路重点专业,分析“铁路工程-水土流失”的交互影响关系,识别“铁路工程-水土流失”要素,并构建其指标体系。然后基于复杂网络模型,结合熵权法、层次分析法(IGAHP)法、DWNodeRank算法构建一种多层网络关键要素识别模型。最后以山区某铁路工程为例,该山区铁路工程关键要素有弃渣处置、路基边坡防护、路基截排水沟布设等,水土保持性能关键要素有大型临时土地扰动、渣土弃置等,水土流失关键要素有水文、地表植被、流失物质。在山区铁路工程水土流失控制时需重点针对以上关键要素进行水土保持措施和工程结构的设计,以期有效地控制区域水土流失,改善和恢复破坏的生态环境。

关键词： 铁路工程; 水土流失; 复杂网络; 关键要素; 指标体系

本文引用格式

鲍学英 , 张程皓 , 贺振霞 , 李亚娟 , 沈杜华 , 陈慧鑫 . 山区“铁路工程-水土流失”系统关键要素识别[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(8) : 38 -46 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230343

Abstract

A method to identify key factors contributing to water and soil erosion in mountainous railway projects is proposed. Initially, the disciplines prone to causing erosion are determined. Subsequently, the interactive relationship between railway projects and water and soil erosion is analyzed to identify essential elements and construct an indicator system. Furthermore, a multi-layer network model to identify key elements is developed using a complex network model combined with the entropy weighting method, IGAHP (Improved Group Analytic Hierarchy Process) method, and DWNodeRank algorithm. A specific mountainous railway project is examined as a case study. The key elements for mountainous railway project include residue disposal, embankment slope protection, and drainage ditch layout. Key elements for soil and water conservation performance include large-scale temporary soil disturbance and residue disposal.Factors influencing soil and water loss encompass hydrology, surface vegetation, and sedimentation. Emphasizing these key elements in water conservation measures and engineering design is crucial for effectively controlling soil and water erosion and enhancing the ecological environment in mountainous railway projects.

Key words： railway engineering; soil erosion; complex networks; key elements; indicator system

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

我国最新的水土流失监测数据显示西部地区的水土流失面积占全国总面积的83.76%,山区作为西部地区重要的组成部分,具有地形高差显著、板块活动强烈、山地灾害频发、生态环境脆弱等特点,沿线的生态环境一旦遭到破坏将很难恢复,会造成严重的水土流失问题。在此环境下进行铁路工程建设,倘若不采取科学有效的设计和防护措施,将会造成严重的水土流失问题,进而导致土地荒漠化、泥沙淤积、次生灾害频发,使本就脆弱的山区生态环境发生退化,同时也会对铁路工程本身的正常建设和安全运营造成影响[1]。因此,有必要针对山区铁路工程与水土流失之间的交互影响关系进行研究,找寻在铁路工程、侵蚀环境、土壤资源之间的交互胁迫中起关键作用的要素,针对关键要素进行重点设计,解决铁路工程中的水土流失问题,改善和恢复破坏的生态环境,同时为铁路工程结构、水土保持措施的设计提供着力点。
近年来,许多专家针对铁路工程与水土流失之间的关系进行了大量的研究。在路基工程水土流失方面,Bao等 [2]针对路基边坡从边坡土质量、植被群落质量以及边坡保护性能方面构建了路基边坡施工阶段绿色保护效果评价指标体系,并选取了干热河谷段铁路路基边坡进行了评价。匡星[3]针对铁路工程边坡的水力侵蚀评价方法以及路基边坡防护措施进行了研究,给出了铁路各类工程边坡的次降雨侵蚀过程规律和水力侵蚀影响因素、铁路工程边坡年降雨侵蚀等级评价标准和评价方法。在桥梁工程水土流失方面,栗健 [4]研究了桥梁桩基施工过程中泥浆处理对水土保持的不利影响,并提出了适宜的泥浆处理建议。徐晨宸[5]从水质污染、水土流失等方面研究了桥梁施工期对生态环境的影响,并构建了评价标准。在工程堆积体水土流失方面,荆莎莎[6] 、王文龙等[7]定量描述了工程施工过程中堆积体的土壤侵蚀规律及特征,利用土石质因子与降雨侵蚀因子构建了工程堆积体的侵蚀量预测模型。
目前学者针对铁路工程水土流失的研究已有诸多成果,着重于路基边坡防护措施、水力侵蚀规律 、桥梁桩基开挖中的泥浆处置以及工程堆积体侵蚀等方面,主要对铁路工程个别专业与水土流失之间的关系进行分析,未从整体、系统的视角剖析铁路工程各专业与水土流失之间的交互影响关系。此外,现有研究多聚焦于施工阶段,针对铁路工程设计阶段的研究较少,施工阶段为铁路工程水土流失的发生阶段,但设计阶段所确定的铁路工程结构参数、水土保持设施布设等,对造成的水土流失风险而言同样不可忽视。
因此,针对上述研究的不足,本文从铁路工程的设计阶段出发,以铁路工程水土流失重点专业为对象,通过分析各重点专业与水土流失之间的交互影响关系,建立要素指标体系,运用复杂网络模型挖掘铁路工程与水土资源交互胁迫过程中具有显著作用的关键要素,以期通过针对关键要素进行设计优化,有效地控制水土流失,改善和恢复被破坏的生态环境,谋求可持续性发展的水土保持之路,促进铁路工程与水土资源的可持续发展。

1 “铁路工程-水土流失”交互影响关系分析

1.1 “铁路工程-水土流失”重点专业

山区铁路工程站前站后共有23个专业,并非所有专业都与水土流失间存在密切联系,明确铁路工程造成水土流失的关键专业,是研究山区铁路工程与水土流失交互影响关系的基础。为此,以某山区铁路工程项目具备5 a以上铁路工作经验的一线设计人员、施工人员为调研对象,通过发放电子调查问卷,确定山区铁路工程各专业与水土流失的关联关系。调研工作总计回收电子问卷25份,经整理与识别得到有效问卷20份。将专家意见以关联矩阵方式进行统计、汇总,最终确定山区铁路工程各专业中与水土流失相关程度较高的专业主要有4个,分别是隧道工程、桥梁工程、路基工程以及大型临时工程。

1.2 “铁路工程-水土流失”交互影响关系分析

水土流失即水土资源在外营力作用下所发生的侵蚀、流失等现象,而铁路工程水土流失现象则可通过土壤侵蚀环境与水土资源进行表征,即铁路工程的建设、运营行为引发、诱发的水土流失现象[8],山区铁路工程与建设区水土流失间具有非线性交互作用,铁路设计因子的演变会作用于水土保持性能,进而与水土流失因子产生“一对一”“一对多”“多对多”的交互影响关系,任何一个因子发生变化,都会引起其所对应因子的演化[9]。铁路工程建设活动会通过改变土壤结构、流失物质源的数量等,直接改变土壤资源的流失情况,工程结构则会改变土壤侵蚀环境中地形地貌、地表径流、地表植被等自然因子,促使工程区域所发生的水蚀、风蚀等侵蚀强度发生变化。例如由于山区自然条件恶劣,地面起伏剧烈,植被自然恢复年限长,水土流失风险大,隧道洞门类型及洞口边仰坡的开挖方式决定着洞口边仰坡的开挖面积,进而对洞口的植被覆盖率及区域的地表植被覆盖率产生影响;桥梁墩台位置的布设若侵占河道,会增加河流流速及抬高河流水平面高度,增加河流对椎体边坡的冲刷流量;隧道长度、隧道断面尺寸及隧道断面超挖量决定着隧道出渣量,进而改变可能发生水土流失物质源的数量。根据上述分析思路,结合《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)、《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)、《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)、《铁路大型临时工程和过渡工程设计规范》(Q/CR 9149—2018)、《铁路建设项目水土保持方案技术标准》(TB 10503—2005)等规范及相关文献[6,8,10⇓-12],系统分析山区铁路工程与建设区水土流失间的交互影响关系,如图1所示。
图1 “铁路工程-水土流失”交互影响关系

Fig.1 Interaction relationship between railway engineering and soil erosion

2 “铁路工程-水土流失”要素及指标体系构建

通过对“铁路工程-水土流失”交互影响关系的分析,基于水土保持视角探索“铁路工程-水土流失”系统要素的构成,从铁路工程系统、水土流失系统2个方面识别要素,同时准确梳理“铁路工程-水土流失”的关键要素,构建水土保持性能系统,以便更直观地反映铁路工程要素与水土流失要素间的关联关系,同时有利于多层网络的构建。
依据重点专业,铁路工程系统划分子系统为桥涵工程、隧道工程、路基工程、大型临时工程,基于交互影响关系梳理出关键专业中对土壤侵蚀环境以及水土资源造成影响的工程结构设计参数以及水土保持措施作为铁路工程要素。根据铁路工程控制水土流失的不同途径,水土保持性能系统划分为径流冲刷、地表扰动、河道侵占、植被覆盖、流失物质源及土壤结构子系统[13⇓-15]。
根据铁路工程水土流失机理,水土流失系统划分为土壤侵蚀环境子系统和土壤资源子系统,土壤侵蚀环境要素指引起土壤侵蚀现象发生的自然环境要素,其中部分自然环境要素受到铁路工程建设的胁迫而发生变化,如气候、水文、地形地貌、地表植被;土壤资源要素指水土流失所造成损失的自然资源要素以及土壤自身特征要素,即流失物质和土壤结构。通过对铁路工程系统、水土保持性能系统、水土流失系统中各要素的提取,构建“铁路工程-水土流失”要素体系,其中铁路工程要素26个,水土保持性能要素15个,水土流失要素6个。
基于山区铁路工程与水土流失之间的交互影响关系分析,同时查阅相关文献资料[16⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-25]并参考《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018)、《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T 50434—2018)中水土保持相关监测指标以及评价指标,选取各要素的特征指标,构建山区“铁路工程-水土流失”要素指标体系,如图2所示。
图2 山区“铁路工程-水土流失”要素及特征指标

注:图中T、S、E分别表示铁路工程要素、水土保持性能要素、水土流失要素;F、H、G分别表示铁路工程、水土保持性能、水土流失特征指标。

Fig.2 Elements and characteristic indicators of soil erosion in railway engineering in mountainous areas

3 “铁路工程-水土流失”关键要素识别模型构建

随着复杂科学的发展,复杂网络理论可以从整体视角表征多变量之间的非线性耦合关系,且不进行变量的过度筛选和剔除,通过复杂网络可将现实系统抽象为一系列节点,将节点间的关联关系抽象为边,刻画系统中节点的关联关系[26]。由于“铁路工程-水土流失”系统具有复杂性与非线性的特征,而复杂网络能够清晰地表征系统内要素间的关联关系及交互关系,故本研究中将“铁路工程-水土流失”系统抽象成一个以要素为节点,要素间的交互影响关系为节点与节点之间连边,具有耦合关系的多层有向加权网络,结合要素在层内的相互作用及层间的耦合路径,测算要素在网络中的重要性,以此反映其关键程度[27],运用熵权法[28]确定节点的自身属性重要度,层次分析法(Improved Group Analytic Hierarchy Process,IGAHP)[29] 确定节点间的连边强度,再运用DWNodeRank法[30]计算节点的综合重要度并进行排序,找寻在网络层中具有显著重要性的节点作为关键要素。熵权法作为一种客观赋权法,计算要素指标信息熵确定指标权重,能够避免主观因素带来的偏差;IGAHP法引入决策权重系数修正,一定程度上降低了IGAHP主观因素的影响,通过引入熵权法与IGAHP法解决要素自身属性重要度及连边强度主客观因素的冲突性和差异性,提高分析结果的科学性。

3.1 多层要素网络模型构建

本研究的关键要素识别方法以复杂网络模型为理论基础,结合要素的提取结果与交互影响关系分析,以要素为网络节点,要素间影响关系为有向边,影响关系的强弱作为连边权重,构建“铁路工程-水土保持性能-水土流失”的多层要素耦合网络模型,如图3所示。
图3 “铁路工程-水土保持性能-水土流失”要素网络模型

Fig.3 Network model of elements in the railway engineering, water conservation performance, and soil erosion interaction system

3.2 关键要素识别模型构建

3.2.1 要素自身属性重要度

(1)根据要素指标的正、负属性,采用极差标准化公式对各指标原始数据进行归一化处理。
正向指标:
x ' i j = x i j - m i n x i j m a x x i j - m i n x i j 。
负向指标:
x ' i j = m a x x i j - x i j m a x x i j - m i n x i j 。
式中:i为样本;j为要素指标; x i j 、 x ' i j分别为原始和标准化后的要素指标值;minxij、maxxij分别为样本i中第j类要素指标中的最小值和最大值。
(2)利用熵权法对各要素进行赋权,所赋权重即为要素自身属性重要度,公式为
E j = - ∑ i = 1 n Y i j l n Y i j l n n 。
式中: E j为第 j项要素的熵值; n为样本个数; Y i j = x i j ∑ i = 1 n x i j,当 Y i j = 0时,令lnYij=0。
W j = 1 - E j ∑ j = 1 m 1 - E j m 。
式中: W j为第 j项要素的熵权值; m为要素个数。

3.2.2 要素间连边强度

本文以主观赋权方法定义多层要素网络中层内、层间各要素间的连边强度,为削弱边权赋值的主观性,在传统层次分析法的基础上通过分析各位专家评价结果的差异程度来明确专家的决策权重系数,进而弱化单个专家评估的随机性、主观认识上的不确定性和专家间的分歧性对评价结果的影响,最终集结所有专家的决策得到比较合理的要素间连边强度[29]。设第t位专家要素p对要素q的影响程度评价值为 y p q ( t ),构建层内、层间要素影响矩阵Y(t),即
Y ( t ) = y 11 ( t ) y 12 ( t ) … y 1 n ( t ) y 21 ( t ) y 22 ( t ) … y 2 n ( t ) ︙ ︙ ⋱ ︙ y m 1 ( t ) y m 2 ( t ) … y m n ( t ) 。
则第u位专家与第v位专家评价的差异程度用欧式距离duv表示,公式为
d u v = d Y ( u ) , Y ( v ) = ∑ p = 1 k ∑ q = 1 l y p q ( u ) - y p q ( v ) 2 1 / 2 , u 、 v ∈ 1,2 , … , T 。
式中 y p q ( u ) 、 y p q ( v )分别指第u位专家和第v位专家给出的p要素对q要素的影响程度。 d u v越小, Y ( u ) 、 Y ( v )越相近,2位专家的评价结果差异度越小,当且仅当 d u v = 0 、 u ≠ v时,两位专家的评价完全一致; T为参与评价的专家总人数。
设第t位专家的评价与其他所有专家评价的相近程度用 d t表示,则
d t = ∑ v = 1 T d t v , v = 1,2 , … , T 。
可得,第t位专家的最终决策权重系数 λ t为
λ 1 = λ 2 = … λ T = 1 T , d t = 0 ; λ t = 1 / d t ∑ j = 1 T 1 / d j , d t ≠ 0 。
综上可得最终的要素间连接强度矩阵E为
E = ∑ t = 1 T λ t Y ( t ) = ∑ t = 1 T λ t y 11 ( t ) … y 1 n ( t ) ︙ ⋱ ︙ y m 1 ( t ) … y m n ( t ) 。

3.2.3 要素节点综合重要度

通过综合考虑要素节点之间传递的方向性、要素节点之间边的权值以及要素节点自身属性重要度,计算节点的综合重要度[30],即
N R ( T k ) = W T k + ∑ i = 1 n W T i T k W o u t ( T i ) N R ( T i ) ;
W o u t ( T i ) = ∑ j = 1 r W T i Z j 。
式中:NR(Tk)为铁路工程网络层中节点 T k的DWNodeRank值; W T k为节点 T k的自身属性重要度;NR(Ti)为指向Tk节点的节点源Ti自身的DWNR值,当 T i仅有出节点、无入节点时其DWNR值为自身属性重要度,需注意 i ≠ k, W T i T k为节点 T i到节点 T k的连接强度;Wout(Ti)为节点Ti的出强度总和; W T i Z j为节点Ti到节点Zj的连接强度;Zj为包括 T k在内受到节点 T i连接的所有节点,共有r个。其中
N R ( S p ) = W S p + ∑ k = 1 n W T k S p W o u t ( T k ) N R ( T k ) 。
式中:NR(Sp)为水土保持性能网络层中节点Sp的DWNR值; W S p为节点 S p的自身属性重要度; W T k S p为节点Tk到节点 S p的连接强度; Wout(Tk)为节点 的出强度总和。
水土流失网络层节点的DWNR值需考虑来自水土保持性能网络层节点以及该网络层内自身节点间的重要度传递。
N R ' E q = W E q + ∑ p = 1 n W S p E q W o u t ( S p ) N R ( S p ) ;
N R E q = N R ' E q + ∑ f = 1 n W E i E q W o u t E f N R ' E f 。
式中:NR' E q为水土流失网络层节点Eq受到水土保持性能网络层节点重要度传递后的DWNR值; W E q为节点Eq的自身属性重要度; W S p E q为节点Sp到节点Eq的连接强度;Wout(Sp)为节点Sp的出强度总和;NR E q为水土流失网络层中节点Eq考虑同层节点重要度传递后的DWNR值; W E i E q为节点Ei到节点Eq的连接强度;Wout(Ef)为节点Ef的出强度总和;NR' E f为指向节点Eq的节点源Ef计算跨层节点重要度后的DWNR值, Wout(Tk)、 Wout(Sp)、 Wout(Ef)与Wout(Ti)计算方法相同。

4 工程案例分析

4.1 研究区概况

选取某山区铁路某标段为研究对象,该段新建正线里程42.267 km。其中隧道3座共计34.966 km,桥梁4座共计1.557 km,区间路基5.743 km,该区域地处横断山区的金沙江、澜沧江的中上游,地貌的基本形态为高山和高原。水土流失类型以水力侵蚀为主,容许土壤流失量为500 t/(km2·a),项目区平均土壤侵蚀模数为1 700~3 500 t/(km2·a),土壤侵蚀强度以中度为主,该工程建设预计扰动原地表面积416.64 hm2,损毁植被面积为76.82 hm2,工程建设产生弃渣量共计235.52万m3(自然方),项目随海拔高度的变化具有不同的水土流失特征,在海拔2 500~3 200 m的“三江”干流段,河谷深切陡峭,草木稀疏,土薄石粗,土壤保水肥能力很差,现有耕地分布的阶地,地面虽平缓,水蚀较轻但干旱严重。在海拔3 200~3 800 m之间,降水较丰,坡耕地占比大,水土流失严重,项目的实施不可避免地将对沿线土壤资源造成严重威胁。以该标段隧道工程、桥涵工程、路基工程、大型临时工程为研究对象,在关键要素识别模型的应用时,识别需要重点控制的铁路工程水土保持要素,以期减少该标段造成的水土流失,促进铁路工程与水土资源的可持续发展。

4.2 山区“铁路工程-水土流失”关键要素识别

4.2.1 多层要素网络自身属性重要度

通过工程资料收集、实地调研、问卷调查等方式获得所需基础数据。客观数据通过现场实测或从工程设计文件中获取,主观数据为具有丰富铁路工程设计、施工经验的专家针对该研究区的实际情况结合自身经验进行的打分(1~2分为差,3~4分为较差,5~6分为一般,7~8分为较好,9~10分为好)。对前文所列26个铁路工程要素、15个水土保持性能要素、6个水土流失要素指标进行量化,通过式(1)—式(4)计算各要素自身属性重要度。
运用SPSSPRO、MATLAB软件计算铁路工程要素的自身属性重要度,计算得出铁路工程要素的自身属性重要度W1=[0.029 9 0.030 1 0.023 2 0.017 1 0.020 9 0.022 4 0.015 5 0.023 6 0.017 9 0.025 7 0.016 2 0.015 2 0.053 9 0.090 9 0.090 5 0.036 2 0.066 1 0.046 1 0.030 5 0.104 8 0.038 1 0.023 6 0.036 0 0.026 0 0.078 8 0.020 8],同理得出水土保持性能要素、水土流失要素自身属性重要度分别为W2=[0.048 3 0.093 3 0.064 4 0.056 9 0.051 5 0.054 7 0.062 2 0.092 3 0.051 5 0.059 0 0.052 6 0.084 8 0.083 7 0.089 1 0.055 8];W3=[0.190 0 0.180 9 0.148 3 0.171 9 0.166 4 0.142 8]。

4.2.2 多层要素网络层间、层内连边强度

本文邀请10位具有丰富铁路工程隧道、桥涵、路基及大型临时工程设计经验的专家针对各要素间的影响程度进行评价,运用MATLAB软件,结合式(5)—式(9)计算要素层间、层内连边强度矩阵,并进行可视化分析,如图4所示。
图4 “铁路工程-水土流失”要素网络连边强度

Fig.4 Edge strength of the railway engineering and soil erosion elements network

4.2.3 多层要素网络关键要素识别

运用MATLAB软件,依据式(10)—式(14)结合各要素网络层内要素的自身属性重要度及要素间连边强度分别计算铁路工程要素网络、水土保持性能要素网络、水土流失要素网络层内各要素节点的综合重要度。计算结果如表1所示。
表1 “铁路工程-水土流失”要素网络节点综合重要度

Table 1 Comprehensive importance of the nodes of the railway engineering and soil erosion elements network

铁路工程 水土保持性能 水土流失
要素编号 NR(T) 要素编号 NR(S) 要素编号 NR(E)
T1 0.030 S1 0.025 E1 0.283
T2 0.030 S2 0.172 E2 0.124
T3 0.023 S3 0.040 E3 0.065
T4 0.017 S4 0.038 E4 0.009
T5 0.021 S5 0.039 E5 0.070
T6 0.022 S6 0.020 E6 0.062
T7 0.015 S7 0.124
T8 0.024 S8 0.163
T9 0.018 S9 0.017
T10 0.026 S10 0.024
T11 0.016 S11 0.018
T12 0.015 S12 0.052
T13 0.054 S13 0.061
T14 0.091 S14 0.167
T15 0.091 S15 0.039
T16 0.036
T17 0.066
T18 0.046
T19 0.030
T20 0.105
T21 0.038
T22 0.024
T23 0.036
T24 0.026
T25 0.079
T26 0.021
在铁路工程要素网络层中,通过计算结果可得要素节点的综合重要度排序结果为T20>T14>T15>T25>T17>T13>T18>T21>T16>T23>T19>T2>T1>T24>T10>T22>T8>T3>T6>T5>T26>T9>T4>T11>T7>T12;其中最为关键的要素为弃渣处置(T20),该项目隧道占比高达82.72%,出渣数量较大,合理的弃渣处置可以有效地减少弃置渣土的数量。其次为路基边坡防护(T14)及路基截排水沟布设(T15),该项目由于受到地形地貌的影响,路基段深挖高填处较多,是发生水土流失较严重的区域,故其相应的水土保持措施路基边坡、路基截排水沟布设较为关键。相较于其它要素,洞门类型(T7)与悬索桥隧道锚碇布设(T12)由于新增流失物质源及造成的地表扰动较小,故重要度较小。在重要度排序前15的要素中,大型临时工程要素占比达到53.3%,路基工程要素占比达26.7%,该项目需针对大型临时工程与路基工程的水土保持要素进行重点关注。
水土保持性能要素网络层中,通过计算结果可得要素节点的综合重要度排序结果为S2>S14>S8>S7>S13>S12>S3>S15>S5>S4>S1>S10>S6>S11>S9;铁路工程水土保持的性能主要体现在各工程结构及其所在区域的地表扰动控制、地表径流控制、植被覆盖程度、流失物质源(弃渣)减量化等方面,其中大型临时土地扰动控制最为关键,可通过铁路工程要素中既有道路利用、既有房屋建筑利用等方式减小大型临时工程对土地的侵占、扰动面积。其次为对渣土弃置量的控制,可减少可能造成水土流失的物质源数量,控制大型临时场地与路基边坡的径流冲刷程度。
水土流失要素网络层中,通过计算结果可得要素节点的综合重要度排序结果为E1>E2>E5>E3>E6>E4;水土流失要素网络层中水文E1为最关键的要素,其次为地表植被E2以及流失物质E3,该项目中造成土壤损失的主要要素是水文,即地表径流造成的土壤侵蚀最为严重,地表植被以及流失物质源的关键性较水文稍小,但是仍非常关键,土壤结构与气象的重要度最小。在项目的水土保持设计中,需着重从水文、地表植被、流失物质这3个对土壤资源造成威胁的方面进行重点设计、防护,有效控制该项目水土流失防治责任区内的水土流失量。

4.3 优化建议

通过关键要素分析结果得出,该项目在水土流失网络层中的关键要素为水文、地表植被和流失物质源,现基于各专业视角提出优化建议。
(1)隧道专业。隧道专业中对流失物质源的重要度贡献主要源于隧道断面尺寸、隧道长度及隧道断面超挖。隧道设计、选址过程中,在满足工程结构安全可靠的前提下通过优化隧道断面尺寸,缩短隧道长度,严格控制隧道断面的超欠挖,可减少隧道要素对流失物质源的重要度贡献。
(2)桥涵专业。水土流失网络层中地表植被要素受到桥涵要素重要度贡献较大,贡献度主要源于桥下空间绿化。桥下空间绿化可通过采取以钢代土的方式,利用钢平台施工,减少地面开挖及施工机具碾压对桥下植被的破坏,从而降低对地表植被的扰动。
(3)路基专业。路基专业中对水文的重要度贡献主要源于路基边坡防护及路基截排水,为减少路基专业引发的水土流失,可对路基边坡采用加筋坡设置生态袋绿化的措施,并配合边坡智能滴灌系统,实现绿色建设,提高植物成活率,有效发挥植物对边坡土壤的加筋和锚固作用,削弱雨滴的溅蚀并抑制地表径流对边坡土壤的冲刷;合理布设路基截水沟、排水沟、挡水沟堤等截排水设施,最大限度减少地表径流对路基的冲刷。
(4)大型临时专业。大型临时专业对水文、地表植被及流失物质源要素均有较大的贡献。水文要素贡献主要源于弃渣场选址、大型临时工程截排水,弃渣场位置选择决定着受到地表径流冲刷的强度,应选择便于弃土又不易受到水流冲刷的沟谷中,同时避免设置在山坡上;截排水设施需结合周边地形地貌及水利设施合理布设。地表植被主要源于大型临时场地绿化、既有道路利用及弃渣堆边坡防护,大型临时场地绿化植种可因地制宜选择乡土物种,并移植原生植物;施工便道应充分利用周边交通资源,提高既有道路利用占比,减少开辟新施工道路所造成的地表植被破坏;弃渣堆边坡可采用动态恢复技术,每形成一级渣场边坡后及时覆土恢复植被,降低地表植被缺失期间水土流失的风险。流失物质源主要源于弃渣处置,通过结合工程需求与地方规划造地需求,增加弃渣的综合利用。

5 结论

(1)以山区铁路工程为背景,通过调查分析,甄别出4项与铁路工程水土流失具有强影响关系的铁路工程专业;分析了“铁路工程-水土流失”之间的交互影响关系,并以此为基础构建了“铁路工程-水土流失”要素及要素特征指标体系。
(2)基于“铁路工程-水土流失”要素间耦合关系,建立多层要素耦合网络,利用DWNodeRank算法挖掘其中的铁路工程水土保持关键要素。在模型中引入熵权法与IGAHP法解决要素自身属性重要度及连边强度主客观因素的冲突性和差异性,提高分析结果的科学性。
(3)结合山区某铁路工程要素网络实例进行模型分析,最终识别出铁路工程水土保持性能要素中最关键要素为弃渣处置,其次为路基边坡防护、路基截排水沟布设、既有道路利用、弃渣场选址等;水土保持性能要素网络中最关键要素为大型临时土地扰动,其次为渣土弃置,大型临时场地冲刷、路基边坡冲刷等;水土流失要素网络中关键要素为水文、地表植被、流失物质。该项目需对以上关键要素进行重点控制,优化相应的工程结构和水土保持措施设计,有效控制区域水土流失,实现铁路工程同区域水土资源间的可持续发展。
(4)通过本文构建的关键要素识别模型能够客观量化各要素在“铁路工程-水土流失”系统中的重要度及排名,明晰铁路工程要素与水土流失要素间的耦合路径,为处于不同环境特征条件下的铁路工程水土保持设计提供科学依据。

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