铁路选线是一项决定全局的总体性工作，山区铁路选线通常采用沿河线方案。沿河选线是指在勘察设计过程中，选择沿着河流走向布设线路的一种方式。在地形复杂、山高谷深的峡谷，以及山地丘陵地带，铁路一般沿河谷布线，这种方式能够充分利用河流的自然地形，减少工程难度，同时便于施工和养护。对铁路百年服务期内河流状态的准确把握是优质选线设计的基础。
我国的强隆升区主要集中在西部面积巨大的高原及其周边地带（如喜马拉雅山脉、横断山脉、天山山脉、帕米尔高原等），约占我国陆地面积的30%。强隆升区地壳抬升、河流深切是人们熟知的地貌演变基本格局，但也导致对强隆升区中可能存在的河流淤涨影响工程安全问题重视不足，例如东川铁路支线就是一典型案例。东川铁路支线位于云南省东北部，属于横断山脉东缘与云贵高原的过渡地带，主要为开发东川铜矿而兴建，线路全长99.8 km。在最初设计时，线路进入小江水系后沿大白河河谷阶地走行，主要以路基形式通过。但大白河两岸泥石流沟分布密集，不仅泥石流灾害严重，而且主河输沙能力小于泥石流沟产沙量，导致主河河床逐年上涨。线路在1958年开始施工以来就屡次受灾，摧毁了大量在建桥梁、路基等工程。设计方于1959年和1961年2次修改设计线路内移，使铁路避开已经改道的主河，最终在1970年竣工通车。但由于持续多年河床淤涨导致大段落河段河床高度已超过线路标高，不得不于1985年废弃该段铁路，整体抬升线路标高后重建新线。据调査及勘探资料分析，大白河河床过去200余年上涨50~200 m，平均每年上涨0.20~1.00 m
［1］。
总的来说，东川铁路支线在设计时对大白河和小江流域的河床快速上涨认知不足，是导致线路受灾严重甚至整段废弃的根本原因
［2］。可见，河流淤涨状态的预测是优质选线，甚至是决定线路方案成败的关键因素。
目前国内外学者进行河床冲淤演变分析的方法很多，传统的研究方法主要有沙量平衡法、实测断面法、同流量下水位变化法、河相关系法、河工模型法、数值模拟法等
［3-5］。这些方法严重依赖地面观测工作，但在大范围线路规划和方案比选阶段，广泛采用地面观测手段获取河床淤涨速率，从成本和工期角度来看都是不现实的。随着我国大型工程建设不断向第1地势阶梯的强隆升区延伸，利用地学相关理论解决工程实践问题成为地学与工程学科交叉融合的前沿发展趋势
［6］。此外，卫星遥感技术快速发展，其观测空间范围大、响应速度快、识别效率高、可实时监测且长期追踪、获取数据成本低，已成为现代河流水文监测的先进发展方向
［7］。
本文以中尼铁路为例，基于水力侵蚀模型提出河流冲淤状态判据，基于地表水和海洋地形卫星（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）数据建立河床淤涨速率预估方法，开展强隆升区铁路减灾选线的研究。研究不仅为中尼铁路选线设计提供科学依据，还可为山区铁路勘察设计提供具有普适性意义的新方法，对推动铁路选线勘察设计技术的进步具有重要意义。
1 基于水力侵蚀模型的河流冲淤状态判识方法
1.1 水力侵蚀模型
河流纵剖面形态一直是研究河流地貌特征的重要指标。Hack
［8］1957年开始利用河长坡降指标（SL指数）分析河流纵剖面形态。随着对河流纵剖面研究的深入，Howard等
［9］基于实地测量数据，首次提出水力侵蚀模型，认为河流下切速率与河道坡度、流域面积有关，并于1994年对其进行完善
［10］。基于水力侵蚀模型对河道纵剖面形态进行参数化解析，可实现岩石抬升和河流侵蚀的有效反演。该模型已成为构造地貌学领域的前沿方法，并得到了大量的实践证明。
河流水力侵蚀模型中，河流下切速率E可表示为流域面积A和河道坡度S的幂函数，其表达式为
式中：K为侵蚀系数；m为汇水面积指数；n为坡度指数。
河道任一点的高程变化可视为基岩隆升和河流下切作用的结果，任一点高程z随时间t的变化可表示为基岩隆升速率U与河流下切速率E两者之间的差值，即
当河段处于稳定状态下，基岩隆升速率与河流下切速率相当，即该点高程变化量为0，则有
令，，式（3）可改写为
式中：ks为河道陡峭指数；θ为河道凹度指数。
河道凹度指数
θ与河流纵剖面形态相关，
θ值越小，河道纵剖面越平，河流侵蚀作用越弱；反之，其值越大，河道纵剖面的整体弯曲度越大，即河段表现得越“凹”，河流侵蚀作用随之增强
［11］，如
图1所示。
对式（4）等号两边取对数，则有
根据
式（5），以流域面积为横坐标，河道坡度为纵坐标，绘制坡度面积双对数图，称为
S-
A图，如
图1（b）所示。
S-
A图中斜率为-
θ。
1.2 河段冲淤状态判据及判识方法
普通山区河流从上游到下游通常依次呈现崩积、基岩和冲积3种类型的河段。相比而言，强隆升区河流的中上游往往流经地形平缓的高原，表现为沉积河段或沉积河段与基岩河段交错分布，因此，河流从上游到下游通常依次呈现为崩积、沉积、基岩3种类型的河段。若仅从河流纵剖面来看难以区分，但不同河段在
S-
A图上具有明显特征，如
图2所示。
崩积河段与溯源侵蚀相关，河流不断向源头延伸，逐步趋近于分水岭，河道坡度较大，凹度指数较小（0<
θ<0.4）。在
S-
A图中，崩积河段斜率极小，其流域面积通常在5×10
6 m
2内
［12］。
基岩河段是指河道内缺乏任何冲积覆盖物的河段，这类河段河流下切作用强烈，通常处于冲刷状态。基岩河段坡降较大，且凹度指数较大（0.4<θ<0.7）。在S-A图中，基岩河段的数据点分布非常密集，表现为斜率较大的直线，随着流域面积的增加，河道坡度降低。
冲积河段是指河道内任何时间和空间都存在河流搬运来的沉积物覆盖河床的河段，通常是河流流出山区进入地势比较平缓的地区时，水流速度减缓，河流的搬运能力随之下降，从而导致携带的泥沙等物质沉积下来。而沉积河段更广泛地描述河流在任何环境下由于流速减缓而导致的沉积，沉积河段河流通常处于淤涨状态。这2类河段河道坡度较小，凹度指数较小（0<θ<0.4）。由于这2类河床平缓，在相同的垂直采样间隔下，河长与流域面积的差异显著增大，S-A图中的数据点呈现出离散的特征。此外，沉积河段常出现河道坡度为零的河段，在S-A图表现为局部空缺。
根据不同河段在
S-
A图上的特征指标，可判识河段类型，进而作为河流冲淤状态的判据，见
表1。
基于此，提出河流冲淤状态判识方法步骤如下：①用ArcGIS软件对数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据进行水文分析处理；②在Matlab中，用StreamProfiler脚本函数，对河道坡度、流域面积进行计算，绘制
S-
A图；③计算凹度指数
θ值；④根据
表1划分河段，确定冲淤状态。
基于水力侵蚀模型的河流冲淤状态判识方法，可快速实现对铁路交通廊道河流淤涨态势的整体把握，从而筛选出重点研究河段，进一步开展河床淤涨速率的研究。
2 基于SWOT卫星数据的河床淤涨速率预估方法
对于已判定的淤涨河段，当进一步研究沿河线路线位时，就需对河床淤涨速率进行预测。基于遥感的河流水位和水面宽监测是近年新兴的交叉研究方向。受光学和雷达卫星空间分辨率的限制，早期研究主要聚焦于大江大河及海洋湖泊等大面积水体，对中小河流的研究较少。最近美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射的新一代测高卫星SWOT为山区中小河流水面宽、比降及水位的高精度监测提供了可能
［13］。
2.1 SWOT卫星
SWOT卫星于2022年12月16日发射，作为未来10年NASA承担的地球科学重点项目，该卫星采用先进的Ka波段双天线干涉SAR系统和多普勒轨道成像仪等科学仪器，其核心技术包括：采用宽刈幅干涉测量方式，兼顾了高精度测高与SAR大幅宽的特点，能够穿透云层和植被，无须频繁地面校准；通过微波雷达测高仪向地面发射微波脉冲信号，获取水体高度信息，并利用主动微波信号照射地面，接受反射信号进行成像，识别出水体位置和轮廓，进而提取河流宽度信息。与传统雷达测高或激光测高卫星相比，SWOT卫星能提供高精度（10 cm）、高时间分辨率（约21 d）、高空间覆盖率（78°N至78°S）的水体信息，实现对86%陆地表面河流湖泊的有效监测
［14］。SWOT卫星提供的河流数据包括河段数据和节点数据，其中节点数据沿着河流中心线每200 m定义1个节点，每个节点都有唯一的标识符，每个节点包含河流水位、河宽等关键参数
［15］。
2.2 河床淤涨速率预估方法
同流量下水位变化法
［16］是分析河床冲淤的常用方法之一，其原理是，当某一断面的流量保持恒定时，该断面水体表面的高程变化能够直接反映河床的冲刷或淤涨情况。具体而言，选取某一特定断面作为研究对象，在流量相同的条件下，通过对比分析不同时段该断面的水位变化，可以判断河床的冲淤趋势。若时段开始时的水位高于时段结束时的水位，则表明该时段内河床发生了冲刷；反之，若时段开始时的水位低于时段结束时的水位，则表明河床发生了淤涨。
根据水力几何关系
［17］，河流宽度随径流量的变化可表达为
式中：W为河流宽度，m；Q为径流量，m3 · s-1；a和b为河相关系系数。
根据式（6），当河流宽度变化差异较小时，可认为河流流量保持恒定。因此，可通过测量河流水位和宽度预估河床的淤涨。
基于以上原理，利用SWOT卫星数据，提出预估河床淤涨速率方法步骤如下。
（1）数据预处理：从SWOT卫星数据库下载河流矢量节点数据，用ArcGIS读取节点属性，包括每个节点的标识符、经度、纬度、宽度、高程和成像时间等；以1年为1个周期，按照时间顺序整理水面高程与河流宽度数据。
（2）剔除高程异常数据：设定2.5倍均方根差为阈值，将高程值与均值之差大于阈值的节点数据视为异常值，并将其剔除。
（3）有效节点选取：选取河宽变化量ΔW<1%的节点作为有效节点。
（4）计算节点水位变化：对选定的节点，计算其在周期内的水位变化值。
（5）计算河床淤涨速率：计算所有有效节点水位变化的平均值，线性外推得到年平均水位变化值；基于前文同流量下水位变化法，该年平均水位变化值即为河床的淤涨速率。
3 中尼铁路行经河流淤涨预测及减灾选线要点
3.1 中尼铁路行经河流冲淤状态判识
中尼铁路是“一带一路”倡议中的重要工程。拟建中尼铁路始于日喀则，先后沿雅鲁藏布江二级支流歇曲、雅江一级支流热曲、雅江一级支流萨迦冲曲，穿过却萨高山，进入朋曲流域；进入朋曲流域后，线路沿朋曲二级支流拉冬扎乌，到达朋曲主河后转而向西，溯朋曲而上；最后线路穿过马拉山进入吉隆流域，沿吉隆藏布直到加德满都，线路全长约648 km
［18］。铁路廊道面积约3.2万km
2，涉及6条河流总长807 km。
利用30 m分辨率的DEM数据提取河道信息，选用250 m的平滑窗口、0.45的参考凹度指数、1 km
2的自动计算阈值面积和20 m的垂直采样间隔为基本参数，对歇曲、热曲、萨迦冲曲、拉冬扎乌、朋曲干流和吉隆藏布共6条河流绘制纵剖面和
S-
A图，进行河段类型判识，结果如
图3所示。从
图3可见，中尼铁路所经河流的大部分区段为沉积河段。
泥石流是拟建中尼铁路对线路方案具控制性作用的主要灾害类型
［19］。在主河淤涨且泥石流发育河段，泥石流输沙可能是造成河流淤涨的原因之一，同时主河上涨也会影响支沟泥石流的排导，是减灾选线的重点区段。根据野外调查和遥感解译成果，确定了对拟建中尼铁路有影响的泥石流沟共48条。根据
图3可绘制中尼铁路行经河流河段类型图，再叠加泥石流分布，如
图4所示。根据基岩河段河流处于冲刷状态，沉积河段河流处于淤涨状态，可见，铁路沿萨迦冲曲和朋曲岗噶到定日段既属淤涨状态的沉积河段又是泥石流密集分布区域，因此确定为重点研究河段。
3.2 重点河段河床淤涨速率预测及选线要点
3.2.1 重点河段河床淤涨速率预测
以萨迦冲曲和朋曲沉积河段为研究对象，选取SWOT卫星提供的2023年7月28日至2025年1月2日，208 km的河流矢量数据集，共32期数据，其中包括萨迦冲曲75个节点和朋曲970个节点。按本文提出的河床淤涨速率预估方法步骤，分别计算2个沉积河段在2023年8月至2025年1月共6个周期的水位变化，见
表2。结果表明：在6个周期内，2个沉积河段均处于淤涨状态，萨迦冲曲沉积河段的淤涨速率为7.45 cm · a
-1，朋曲沉积河段的淤涨速率为9.51 cm · a
-1。
3.2.2 萨迦冲曲选线要点
萨迦冲曲是雅鲁藏布江的一级支流，属于山区河流，整体处于峡谷地形，尤其是中上游地区。中尼铁路沿萨迦冲曲河谷布设区段为CK1 896—CK1 909，约13 km，均为明线。该区段河谷为宽谷地貌，谷底呈U形，平均宽度926 m。两侧山体高约600~1 000 m，坡度30°~45°，并逼近河边，甚少台地。根据前文分析可知此段为沉积河段，SWOT卫星数据预测的淤涨速率为7.45 cm · a-1。萨迦冲曲两岸泥石流分布密集，左岸分布有4条泥石流沟，右岸分布有6条泥石流沟，均处于发育期，泥石流物质可以运移至主河，但主河排沙能力弱，有回淤现象，基本没有主河切割堆积扇现象。
为预测铁路服务期内萨迦冲曲淤涨范围，本文选取若干河流断面，采用等腰梯形河流断面以简化计算，边坡比系数取1.5，利用断面面积差计算每年淤涨量。假定铁路百年服务期内每年淤涨量不变，可估算得到一百年该断面的淤涨总量。再根据河谷实际断面形态，计算河根床淤涨后高程。最后将各断面淤涨后高程依次相连，即可绘制出百年后河床淤涨范围，如
图5所示。并据前期线路设计方案，绘制铁路纵断面如
图6所示。
由
图6可知，在中尼铁路CK1 903—CK1 906区段，预测河床淤涨后的高度在有些位置已接近目前设计的路肩高程，则需对该区段线路设计高程进行调整，以满足Ⅰ级铁路滨河地段路基要求：即路基高程需在1/100频率设计水位基础上，叠加壅水高度后再增加0.5 m
［20］。
在CK1 896—CK1 903区段，为排导支沟泥石流，现布设了5座中桥。但根据河床上涨的预测，这些桥未来将处于泥石流排导与主河的交界处，即泥石流运动陡缓过渡的突变点。因缺乏堆积扇尾部被主河洪水下切而畅排泥石流的条件，这里将成为泥石流淤积最剧烈处。泥石流在桥下淤积不仅会削弱桥梁排导能力，甚至可能危及行车安全，因此线路平面位置也宜调整。在泥石流地区，线路以桥梁跨越泥石流沟流通区通常为优选方案。但此处同时还是泥石流密集分布区，布线还应考虑线路能在所有泥石流沟有利部位通过的协调问题。为此，将每条泥石流沟流通区的终点连线，绘出下边界；同理，将流通区的起点连线绘出上边界，可得到兼顾上述要求的铁路布线可行域（见
图5）。若在此区域布线，线路标高可整体抬升30 m以上，可望形成能够协调所有泥石流工点的高线位方案。
3.2.3 朋曲选线要点
朋曲是西藏较大的河流之一，流向先东西后急剧转南北向，朋曲干流中上游位于北喜马拉雅坳陷带，处于高喜马拉雅和拉轨岗日2条隆起型构造带之间，具有大片河谷平地和湖盆谷地的开阔地貌。根据前文分析可知朋曲干流中上游为沉积河段，SWOT卫星数据预测的淤涨速率为9.51 cm · a-1。中尼铁路沿朋曲岗噶至定日河谷布设的CK1 692—CK1 822区段中，谷地平均宽度达3.5 km，地貌开阔，线路采用明线形式，且经过10条泥石流沟。
线路尽可能在泥石流流通区跨越，是峡谷段常用的高程绕避减灾措施，但一般线位越高造价越高。平面绕避也是减灾的常用手段，其中将线路选在泥石流堆积扇以外，且不受主河影响的地带，即同岸绕避方案。同岸绕避方案一般是最经济的方案，但要求具有开阔地形的条件，显然朋曲是具备这样条件的。
朋曲流域泥石流出沟口后地形开阔，泥石流运动不能到达主河，所以泥石流堆积扇均保存完整。由于后续的水流作用，泥石流堆积物中较小的颗粒又被再次搬运，在泥石流扇缘与主河之间形成了相当宽大的砾石洪积扇。例如，铁路通过的曲隆泥石流沟，泥石流沟口至主河的纵剖面呈现2级分布特征，如
图7所示。由
图7可知：第1级坡度较陡（8.5°），是泥石流堆积扇，其坡度满足泥石流运动的动力条件；第2级坡度较缓（1.9°），是砾石洪积扇。
2级坡度变化点，即为泥石流堆积扇缘，如
图8所示。该区段多条泥石流沟堆积扇外的砾石洪积扇连片分布，在纵向上又形成了山前广阔的洪积砾石斜缓地带。
若以各泥石流扇缘作1条包络线，即为泥石流运动影响边界，同时根据预测一百年河床淤涨范围边界线，其中所夹区域即为铁路布线的可行域，如
图9所示。该区域宽度介于460~2 400 m之间，为铁路同岸绕避泥石流提供了开阔地形条件。
4 结语
铁路选线设计是一个分阶段、逐步深入的过程。在预可研和可研阶段，需开展大范围方案比选，地勘以收集资料和踏勘为主。所提出的基于水力侵蚀模型的河流冲淤状态判据，可快速实现对铁路廊道范围内河流淤涨态势的整体把握，为宏观走向方案比选提供科学依据；基于SWOT卫星数据的河床淤涨速率预估方法，可获得铁路百年服务期内河床上涨幅度，为重要河段布线和重大工程布设提供定量参数。
在中尼铁路案例研究中，应用本方法，完成了3.2万km2范围内6条河流（总长807 km）的冲淤状态判识与208 km河段淤涨速率的确定，并据此提出在峡谷段考虑百年服务期河床上涨幅度时抬高线路高程、以及在泥石流发育的开阔谷地划定铁路布线可行域等减灾选线对策。结果表明，该方法能够在仅利用社会公共资料的条件下，广域、高效、低成本地获取与原则选线阶段精度相匹配的河流淤涨信息。需注意的是，一旦线路方案稳定后，仍需采用地面观测等方式获取实测数据，在此阶段本文方法不仅可为制定地面观测方案提供基础，而且与地面观测数据相结合，可提供更长序列的数据，为定线和重要工程设计提供更高精度的设计参数。
认知向规律层面的跃升，往往始于对特殊案例的深入剖析。整体上看，山地隆升、河流下切还是地貌演变的基本格局，但强隆升区也会发生河流或河段淤涨的现象。例如：对巨大的高原，其高原面虽处于整体抬升部位，但相对隆升幅度小，甚至处于相对沉陷状态，其上发育的河流可能会处于淤涨状态；山区河流中大型裂点的形成，亦会造成裂点上游河段淤涨；在泥石流发育山区，当主河的输沙能力小于两岸泥石流沟产沙能力时，也是河流产生淤涨的直观因素。强隆升区中的河流淤涨问题是一个复杂的地貌动力学过程，涉及构造活动、河流侵蚀与沉积、气候变化等多因素相互作用。因此从地学领域建立强隆升区河床上涨的普适性理论和宏观判识方法也应是进一步的发展方向。
国家自然科学基金资助项目(52378466)
西藏自治区科技计划项目(XZ202402ZD0003)
西南交通大学2025年新型交叉学科培育基金资助项目(2682025ZD006)
第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2021QZKK0202)
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