宁夏高等级公路强降雨时空分布特征及灾害风险评估.pdf
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1、第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023宁夏高等级公路强降雨时空分布特征及灾害风险评估雍佳1,2,3,王建英1,2,3*,包新宇3,4,袁瑞瑞1,2,3,王坤1,2,3(1.中国气象局 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川750002;2.宁夏气象 防灾减灾重点实验室,宁夏 银川750002;3.宁夏气象服务中心,宁夏 银川750002;4.宁夏同舟科技有限责任公司,宁夏 银川750002)摘 要:利用 20112020 年宁夏加密自动站逐时降雨资
2、料,在统计、分析不同量级短时强降雨时空分布特征的基础上,采用气象资料、基础地理信息数据、交通及社会经济数据,从危险性、暴露度和脆弱性 3 个方面建立了宁夏高等级公路强降雨灾害风险评估指标集,并通过模糊综合评价法和层次分析法计算了评价因子和各指标权重,结合GIS 空间分析法开展了宁夏高等级公路强降雨灾害风险评估。结果表明:(1)不同级别的短时强降雨其日变化均呈单峰型,午后至前半夜为短时强降雨多发时段,16:00 为短时强降雨出现最多的时刻,后半夜至次日上午为短时强降雨低发时段;8 月短时强降雨出现频次最多,其次为 7 月。(2)雨强10 mm/h,20 mm/h 和30 mm/h 的高频区主要分
3、布在银川市西部和固原市东南部。其中固原市泾源县和彭阳县雨强10 mm/h,其强降雨年均发生频次为 57 次;银川市苏峪口一带和固原市彭阳县南部雨强20 mm/h,其强降雨年均发生频次超过 2 次;银川市金凤区西部及固原市彭阳县南部雨强30 mm/h,其强降雨年均发生频次超过 1 次。(3)宁夏高等级公路强降雨灾害高风险路段主要分布在福银高速和青兰高速固原市泾源段,较高风险路段位于福银高速固原市原州区南段和青兰高速固原市隆德段。关键词:高等级公路;短时强降雨;时空分布;风险评估中图分类号:P429;X43 文献标志码:A随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的提高,交通运输在保障人民基本生活、
4、支撑社会经济发展方面的作用越来越显著,同时交通安全问题也受到越来越多的关注。研究表明,我国有近 30%的交通事故是发生在恶劣天气中1-2。降雨是引起公路交通事故的主要气象因素之一,强降雨对交通安全的影响则更加明显3-5。据统计,高等级公路在雨天的事故发生率是平时的 2 至 3 倍6。史培军7-9较早地开展了自然灾害风险评估研究,指出灾害风险评估是对致灾因子危险性、孕灾环境稳定性和承灾体易损性进行的评价和分析。在此基础上,许多学者利用气象、基础地理信息、社会经济、公路交通及灾情等数据进行了公路交通降雨灾害风险评估技术研究。蒋丹阳10针对江苏省无锡市高速公路降雨灾害开展了风险评估与区划,设计了无锡
5、地区高速公路降雨灾害监测预警与风险评估系统,提出了交通降雨灾害风险规避的最佳路径和决策建议。顾婷婷等11利用模糊综合评价法和层次分析法(AHP)开展了浙江省高速公路暴雨灾害风险评估,建立了高速公路暴雨灾害风险评估指标和体系,给出了暴雨灾害风险区划图。杜建华等12探讨了G98 海南环岛高速公路交通事故分布特征;针对降雨引发的交通事故,运用灰色关联度方法进行了评估分析;构建了环岛高速强降雨气象灾害风险区划指数模型。宁夏区内的主要高等级公路包括京藏高速(G6)、乌玛高速(G1816)、定武高速(G2012)、福银高速(G70)、青银高速(G20)、银西高速(G85)、银川绕城高速(G2004)及青兰
6、高速(G22),总里程约为2 079 km,公路密度约为 313 km/(万 km2)。京藏高文章编号:1671-7244(2023)02-0109-08收稿日期:2022-11-11作者简介:雍佳(1993),女,助理工程师,硕士,主要从事气象服务与应用气象研究(nuist_)。*通信作者:王建英(1970),女,正研级高级工程师,主要从事天气预报及环境预报研究()。宁 夏 工 程 技 术第 22 卷速位于宁夏中北部的引黄灌区,为北西南走向;乌玛高速位于宁夏西北部,为南北走向,途经石嘴山市、银川市、吴忠市;定武高速位于宁夏中部地区,为东西走向,主要途经中卫市北部、吴忠市中部及盐池县;福银高速
7、位于宁夏中南部地区,途经吴忠市同心县和南部山区中温带半湿润区;青银高速和银西高速主要位于宁夏东部地区,途经银川市东南部和吴忠市盐池县;银川绕城高速位于银川市市区,为南北走向;青兰高速位于固原市南部,为东西走向。宁夏地处西北地区,尽管年降雨量总体偏少,但在全球气候变暖的背景下,近年来极端强降雨呈多发、频发趋势13-14。由于宁夏区内的山脉多为西北东南走向,地势北低南高,有利于冷空气的入侵和气流的抬升,特殊的地形、地貌和地理位置使强降雨具有落点分散、时间短、强度大、局地性强等典型的西北地区降雨天气特征15-16。每年发生在 59月的极端强降雨给部分人民群众造成了生命财产损失,也严重影响了交通安全。
8、另外,夏季是旅游旺季,车流量较大,强降雨及其引发的山洪地质灾害使交通气象灾害风险进一步增大。鉴于此,本文在掌握高等级公路分布区域强降雨发生规律和特点的基础上,利用宁夏加密自动气象观测资料、降雨资料、社会经济数据和基础地理信息资料,开展了高等级公路强降雨灾害风险评估与区划研究,以期为宁夏高等级公路防灾减灾工作提供科学依据。1资料与方法1.1数据来源(1)降雨资料:19602020 年国家气象观测站(基准站、基本站和一般站)逐日降雨资料;20112020 年宁夏加密自动气象站(18 个交通气象观测站)小时观测资料。以上资料来源于气象大数据云平台和宁夏综合数据库,并通过卫星、雷达及周边气象站点资料和
9、经验进行了质量控制。(2)社会经济数据:20112020 年人口数量、国内生产总值(GDP)、植被覆盖率(NDVI);宁夏数字高程模型(DEM)数据,分辨率为 1 km。以上数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。(3)基础地理信息数据:20112020 年车流量、桥涵密度等交通路网信息,其来源于宁夏公路局。1.2研究方法首先,本文采用模糊综合评价法建立了基于GIS 空间分析法的宁夏高等级公路强降雨灾害风险评估模型,将定性评价转化为定量评价17-18。降雨出现在沿山附近或地势较高的地区时,易引发山洪、泥石流和山体滑坡等灾害,并且雨强超过 30 mm/h的短时强降雨对交通路段的影响极大。因此,
10、本文依据自然灾害风险区划原理19,考虑高等级公路强降雨灾害风险评估的 3 个评价因子(危险性、暴露度、脆弱性),构建了宁夏高等级公路强降雨灾害风险评估模型(图 1)。其中,危险性评估选取雨强10 mm/h,20 mm/h,30 mm/h 的短时强降雨作为评价指标;暴露度评估选取人口数量、车流量、桥涵量和桥涵密度作为评价指标;脆弱性评估以 GDP,DEM 及 NDVI作为评价指标。强降雨灾害风险区划需要对 3 个评价因子所对应的各项指标进行加权综合。为了消除各指标的量纲差异,首先要对每个指标进行标准化处理,公式为Iij=0.5+0.5 Aij-NiMi-Ni,(1)式中:Iij为评价因子 j 中
11、第 i 个指标的标准化值;Aij为评价因子 j 中第 i 个指标值;Mi和 Ni分别是第 i个指标的最大值和最小值。其次,本文利用 AHP 确定了宁夏高等级公路强降雨灾害风险评价因子和各项指标的权重20-21,见表 1。AHP 是一种将定性与定量分析有机结合的系Q14DLM&NLALM?10 mm/hM?20 mm/hM?30 mm/hME#G#7NDVIG#GGDPDEM图1宁夏高等级公路强降雨灾害风险评估模型110第 2 期雍佳等:宁夏高等级公路强降雨时空分布特征及灾害风险评估统分析和决策方法22。此外,本文建立了层次结构模型,构造出 4 个判断矩阵(危险性矩阵、暴露度矩阵、脆弱性矩阵和强
12、降雨风险指数矩阵),并采用T.L.Saaty 提出的 19 整数及其倒数比例标度法确定标度23。计算标度后,需要判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量,并对特征向量进行标准化处理,最终得到的标准化特征向量即为该层次(3 个评价因子及其对应的各项指标)的权重值。本文还对各判断矩阵进行了一致性检验,结果为检验系数均小于 0.1,表明各判断矩阵具有较好的一致性。AHP通过数学方法处理主观因素,减少了人的主观影响,使得评价结果更加科学合理24。本文又结合加权综合评价法25,利用公式(2)对各指标进行加权合成,得到评价因子;通过公式(3)对各评价因子及对应的权重系数进行加权求和,最终得出综合风险评估指数。
13、公式为Fj=i=1nwi Iij,(2)DRI=j=1mWj Fj,(3)式中:Fj为评价因子;DRI为综合风险指数;wi为第i 个指标的权重;Wj为评价因子的权重;n 为指标个数;m 为评价因子个数。最后,本文通过 GIS 空间分析法及自然段点法对危险性、暴露度和脆弱性进行区划,最终将宁夏高等级公路强降雨灾害风险划分为高风险、较高风险、中等风险、较低风险以及低风险 5 个等级。2强降雨时空分布特征2.1强降雨时间分布特征本文对 20112020 年宁夏加密自动气象站短时强降雨(雨强10 mm/h,20 mm/h,30 mm/h)逐小时和逐月出现频次进行了统计分析(图 2)。由图 2a可知:不
14、同级别的短时强降雨其日变化均呈单峰型;午后至前半夜为短时强降雨多发时段,16:00 为短时强降雨出现最多的时刻,后半夜至次日上午为短时强降雨低发时段。午后气温升高有利于近地层不稳定能量聚集,易造成层结不稳定,因此午后至前半夜是强降雨预报和灾害防御工作的关键期。由图 2b可知,8 月短时强降雨出现次数最多,其次是 7 月。78 月为宁夏盛夏季节,总雨量大,短时强降雨出现次数多,是降雨预报和灾害防御工作的关注重点。近年来,宁夏地区 9 月出现的降雨也较多,尤其在前期累积雨量较大的情况下,地质环境受到了影响,更要格外关注连阴雨天气;6 月出现短时强降雨的比例也相对较高,需加强突发性强降雨监测和预报预
15、警。2.2强降雨空间分布特征图 3 为 20112020 年宁夏 900 多个加密自动站短时强降雨年均发生频次空间分布图。由图 3a可见:雨强10 mm/h 的高频区主要分布在石嘴山市平罗县西部、银川市西部、吴忠市盐池县东南部、中表1宁夏高等级公路强降雨灾害风险评价因子及指标权重风险评价因子及其权重危险性(0.478 3)暴露度(0.268 2)脆弱性(0.253 5)评价指标雨强车流量人口桥涵密度桥涵量DEMGDPNDVI10 mmh-120 mmh-130 mmh-1指标权重0.316 90.322 10.361 00.372 60.311 30.172 10.144 00.386 60.
16、344 70.268 70.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.008:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:00N!?10 mm/h?20 mm/h?30 mm/ha日分布特征图0510152025303540451 2N!?10 mm/h?20 mm/h?30 mm/h345 6789 10 11 12b月分布特征图图220112020年宁夏短时强降雨时间分布特征图111宁
17、夏 工 程 技 术第 22 卷卫市海原县中部及固原市大部地区,其强降雨年均发生频次普遍超过 3 次;六盘山南麓的泾源县和彭阳县强降雨次数最多,年均发生频次为 57 次。由图 3b 可知:雨强20 mm/h 的高频区主要分布在银川市西部、固原市泾源县东部和彭阳县东南部,其强降雨年均发生频次普遍接近 2 次;银川市苏峪口一带和固原市彭阳县南部强降雨年均发生频次超过2 次。图 3c 中,雨强30 mm/h 的高频区主要分布在银川市金凤区西部及固原市彭阳县南部,其强降雨年均发生频次超过 1 次。冷空气遇山脉阻挡后,气流辐合抬升,因此,宁夏北部贺兰山沿山、南部山区的六盘山和海原县南华山、盐池县麻黄山周边
18、地区均为强降雨多发区。这些地区受短时强降雨影响,山洪地质灾害频发,常给周边公路交通、旅游和人民生命财产带来较大影响,是强降雨预报和山洪地质灾害防御的关键区域。3强降雨灾害风险评估3.1危险性评估雨强超过 10 mm/h 的短时强降雨会对公路交通产生明显的影响26。本文根据短时强降雨的强度和频次,选取雨强(10 mm/h,20 mm/h,30 mm/h)作为评价指标,并对各指标进行标准化处理;采用AHP 得到各指标的权重系数,分别为 0.316 9(10 mm/h),0.322 1(20 mm/h),0.361 0(30 mm/h);通过加权综合评价法对每个加密自动站点的强降雨危险性进行计算,并
19、根据自然段点法将其划分为 5 个等级,最终得到短时强降雨危险性区划和等级分布图(图 4)。由图 4a 可知,短时强降雨在空间分布上存在明显差异,其危险性呈现自北向南、自西向东递增的趋势。在地形抬升和水汽条件作用下,受强降雨影响较大的地区主要集中在银川市西部、吴忠市青铜峡市东北部及盐池县和同心县东南部、中卫市海原县中部、固原市原州区东南部及隆德县、彭阳县和泾源县,以上地区均为高或较高危险区域,尤其是固原市彭阳县中南部和泾源县为显著成片的高危险区域;中等危险区域主要分布在银川市西部高危险区的周边地区、灵武市东部、石嘴山市惠农区和大武口区西部、吴忠市盐池县大部及红寺堡区和同心县东部、固原市西吉县;其
20、他地区均为较低危险性及以下。综上可见,受麻黄山、南华山、六盘山及南部山区(中卫市海原县及固原市)高海拔地形影响,山脉附近及地势高的地区其强降雨危险性普遍较高。图 4b 中,青银高速(G20)吴忠市盐池西北和东北段、福银高速(G70)中卫市海原北段及固原市原州南段六盘山段、青兰高速(G22)固原市彭阳东段泾源段为高或较高危险路段;青银高速(G20)吴忠市盐池东段、福银高速(G70)固原市原州西段及青兰高速(G22)固原市彭阳西段为中等危险路段;其他区域为较低危险及以下路段。3.2暴露度评估暴露度表示自然环境对高等级公路降雨灾害形成和发展的影响程度27。强降雨灾害及其诱发的次生灾害严重影响了公路交
21、通安全,路网分布越密集,人口越稠密,其造成的影响越大。本文选取车流量、人口密度、桥涵量和桥涵密度作为暴露度评价指标;利用 AHP 得出了每项指标的权重系数,分别为a雨强10 mm/hb雨强20 mm/hc雨强30 mm/h图320112020年宁夏短时强降雨年均发生频次空间分布图(审图号:宁S(2022)001)112第 2 期雍佳等:宁夏高等级公路强降雨时空分布特征及灾害风险评估0.372 6(车流量),0.311 3(人口数量),0.144 6(桥涵量),0.172 1(桥涵密度);利用加权综合评价法对每个加密自动站点的暴露度指数进行计算,并将其划分为 5 个等级,得到暴露度区划图(图 5
22、)。由图 5 可知:高或较高暴露度路段主要位于京藏高速(G6)石嘴山市大武口最北段、银川市北段吴忠市青铜峡东北段及中宁段、青银高速(G20)银川市灵武北段、定武高速(G2012)中卫市沙坡头北段,表明高或较高等级区域主要集中在路网分布密集、车流量大、人口聚集的市区和县城;固原市南部位于六盘山东坡,其周边地区道路和桥涵数量多,故福银高速(G70)固原市原州段及青兰高速(G22)泾源段也为高或较高暴露度路段;除了贺兰山东部及银川市灵武西南地区所在路段为低暴露度等级外,宁夏全区高等级公路暴露度等级普遍为中等及以上,整体偏高。3.3脆弱性评估脆弱性表示承灾体受到自然灾害外力作用时的损坏程度,指受到不利
23、影响的倾向或趋势28。研究表明,对于高等级公路强降雨灾害,公路周边地势越高、植被覆盖率越低、城镇化发展水平越高的地区越容易增加公路强降雨灾害发生的风险29-30。本文选取 DEM,GDP,NDVI 作为脆弱性评价指标,利用AHP 得到各指标的权重系数,分别为 0.386 6(DEM),0.344 7(GDP)和 0.268 7(NDVI);根据各指标的影响,本文利用加权求和计算得到宁夏高等级公路脆弱性区划图(图 6)。由图 6 可知:石嘴山市、银川市、吴忠市和中卫市中北部平原城镇化发展水平较高、植被覆盖度低,因此,乌玛高速(G1816)石嘴山市平罗段、银川绕城高速(G2004)银川段、京藏高速
24、(G6)银川段和吴忠市青铜峡段以及中卫市中宁段、银西高速(G85)银川市灵武段及吴忠市利通段、定武高速(G2012)中卫市沙坡头东段为高或较高脆弱性等级路段;南部山区的海拔和 NDVI 比其他地区高且城镇化发展水平一般,因此,福银高速(G70)中卫市海原固原a危险性区划图b危险性等级分布图图4宁夏高等级公路强降雨危险性区划和等级分布图(审图号:宁S(2022)001)图5宁夏高等级公路暴露度区划图(审图号:宁S(2022)001)113宁 夏 工 程 技 术第 22 卷段、青兰高速(G22)全路段脆弱性为较高或中等等级,其他区域为较低或低脆弱性等级。图6宁夏高等级公路脆弱性区划图(审图号:宁S
25、(2022)001)4强降雨灾害风险评估与区划图 7 为宁夏高等级公路强降雨灾害风险区划图。由图 7 可知,福银高速(G70)和青兰高速(G22)的固原市泾源段为高危险路段,较高风险路段位于福银高速(G70)固原市原州南段及青兰高速(G22)固原市隆德段。由于固原市海拔和 NDVI 高,尤其是泾源县位于六盘山迎风坡附近,水气充沛,在地形抬升的作用下,该区域降雨量大且降雨频繁,涉及的路段危险性、暴露度和脆弱性均较高,因此,上述路段的强降雨灾害风险等级为高或较高,应在山体滑坡、泥石流频发区域加强防御措施建设。京藏高速(G6)银川市永宁段及吴忠市青铜峡北段所在区域危险性低,暴露度和脆弱性较高;乌玛高
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