申文軍，王冀

(1.北京鐵路局工務(wù)處，北京100860;2.北京市氣象局，北京100089)

華北地區(qū)汛期降水特征與鐵路防洪對(duì)策研究

申文軍1，王冀2

(1.北京鐵路局工務(wù)處，北京100860;2.北京市氣象局，北京100089)

利用華北地區(qū)6省市1961—2012年212個(gè)氣象臺(tái)站資料，采用趨勢(shì)系數(shù)、濾波分析等氣候統(tǒng)計(jì)方法，從時(shí)間、空間多維度分析了華北地區(qū)汛期降水的主要特征。結(jié)合1961—2014年鐵路水害數(shù)據(jù)和防洪實(shí)際，研究降雨類(lèi)型與水害類(lèi)型的關(guān)系，提出防范策略。

華北地區(qū) 降水 年際變化 趨勢(shì)分析 科學(xué)防洪

華北地區(qū)屬暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年降水量400～900 mm，夏季為主要的降水時(shí)段，降水量占全年的70%左右，汛期平均降水量為355 mm。北京鐵路局轄區(qū)覆蓋華北大部地區(qū)，管內(nèi)共有正線144條，橋梁4 872座，隧道504座，營(yíng)業(yè)里程全長(zhǎng)4 701.4 km，山區(qū)鐵路占正線運(yùn)營(yíng)里程的46%。由于部分線路建設(shè)年代早，地形復(fù)雜，設(shè)備先天不足，抗洪能力低，水害對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成較大威脅，防洪安全形勢(shì)嚴(yán)峻。近年來(lái)，華北地區(qū)極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加，汛期降水偏多趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，根據(jù)華北地區(qū)汛期降水的主要特征、趨勢(shì)和成因，并結(jié)合鐵路歷年水害數(shù)據(jù)和防洪實(shí)際研究相應(yīng)的對(duì)策是十分必要的。

1 華北地區(qū)汛期降水的主要特征

本文所用資料來(lái)源于國(guó)家信息中心提供的1961—2012年6省市(京、津、冀、魯、晉、豫)500個(gè)臺(tái)站逐日降水資料，剔除觀測(cè)年份不足52年的臺(tái)站和連續(xù)缺測(cè)10 d或全年缺測(cè)日數(shù)大于30 d的站點(diǎn)后，最終選取了華北地區(qū)212個(gè)臺(tái)站48年逐日降水資料。華北地區(qū)汛期降水的主要特征如下:

1)近10年來(lái)全國(guó)范圍雨帶北移趨勢(shì)明顯。從全國(guó)雨帶年代際分布變化趨勢(shì)看(圖1)，21世紀(jì)以來(lái)雨帶開(kāi)始明顯北移，由華東地區(qū)不斷北上，華北地區(qū)降雨明顯增多，成為夏季主要降雨帶之一。

圖1 中國(guó)地區(qū)夏季雨量年代際(1950—2010年)正距平頻次百分率空間分布

2)夏季降水呈顯著下降趨勢(shì)，但近年來(lái)明顯增多。華北地區(qū)夏季降水的時(shí)間變化曲線和線性趨勢(shì)如圖2(a)所示，通過(guò)信度95%的顯著性檢驗(yàn)為-2.0 mm/10年，有4個(gè)偏多時(shí)段(1961—1964年、1971—1979年、1991—1994年、2000年代中期之后);小波分析結(jié)果(圖2(b))表明華北夏季降水在1990年后降水周期約為6年，未來(lái)華北降水呈現(xiàn)明顯增多趨勢(shì)。

3)汛期月度降水增多趨勢(shì)明顯。華北6—8月的降水空間分布，整體表現(xiàn)為由西向東逐月增加，6，7，8月降水量分別為60～80，120～220和120～180 mm。

4)主汛期暴雨集中。暴雨集中在7月下旬至8月上旬，主要由幾場(chǎng)暴雨造成，占汛期降水總量的70%以上，一次暴雨的日降水量有時(shí)可達(dá)月降水量的50%以上，多年平均大雨以上降水量占總降水量的65%左右。

圖2 1961—2012年華北地區(qū)夏季降水距平逐年變化曲線

5)極端強(qiáng)降水歷時(shí)短，雨強(qiáng)大。華北地區(qū)地形對(duì)降水增幅作用十分明顯，短歷時(shí)降水強(qiáng)度在我國(guó)大陸是罕見(jiàn)的，1～12 h的降水量極值十分接近世界極值，其中6 h降水量極值(860 mm)創(chuàng)世界記錄。

6)山區(qū)陣性降雨預(yù)測(cè)難度大，突發(fā)性強(qiáng)，受地形影響大。由于其尺度小，生命史較短，形成的物理機(jī)制復(fù)雜，對(duì)其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)難度很大。山區(qū)強(qiáng)降水一般呈現(xiàn)雙峰型，即午后至傍晚和清晨?jī)蓚€(gè)峰值，近年來(lái)短歷時(shí)強(qiáng)降水有增加趨勢(shì)。

7)偶有持續(xù)性強(qiáng)降雨發(fā)生。1961—2012年夏季，華北共出現(xiàn)287次區(qū)域持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，其中7月出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水的次數(shù)最多，其次為8月，6月最少，有6成以上過(guò)程的持續(xù)時(shí)間為4～6 d。持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的次數(shù)、總?cè)諗?shù)及過(guò)程總降水量的時(shí)間變化均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

8)臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)少，雨量大。臺(tái)風(fēng)是導(dǎo)致華北地區(qū)出現(xiàn)暴雨的主要原因之一。1949—2001年，華北地區(qū)共出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)暴雨51次，7—8月占總數(shù)的82%，其中7月中旬至8月上旬出現(xiàn)30次，占總次數(shù)的58%。單站過(guò)程雨量200～300 mm，300～400 mm，＞400 mm的分別有20，10，7次，合計(jì)占總次數(shù)的72%。連續(xù)降雨最長(zhǎng)可達(dá)到5 d。

9)降雨移動(dòng)三條路徑清晰可循。西南—東北路徑主要是暖式切變降水，多位于華北南部，是華北汛期降水的主要路徑;西北—東南路徑的冷渦降水導(dǎo)致近年來(lái)華北地區(qū)6月份降水有偏多趨勢(shì);東南—西北路徑降水大多與臺(tái)風(fēng)北上有關(guān)，具有降水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨量分布均勻的特點(diǎn)。

2 歷年水害統(tǒng)計(jì)與水害特征

本文所用資料來(lái)源于北京鐵路局防洪辦提供的1961—2014年轄區(qū)正線水害檔案，剔除資料不全和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的年份后，最終選取轄區(qū)51年的有效資料。

2.1 歷年正線水害統(tǒng)計(jì)

北京局近50余年水害發(fā)生頻率與降雨量在時(shí)空上高度一致(圖3)，其中水害斷道次數(shù)與降水量的關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)為0.44(通過(guò)了95%的信度水平檢驗(yàn))，反映出降水量與斷道次數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)。

2.2 歷史水害分布特征

自1961年以來(lái)，北京鐵路局轄區(qū)共發(fā)生水害斷道1 746次，中斷行車(chē)13 598 h;平均每年斷道32次，年平均中斷行車(chē)252 h，平均每次中斷行車(chē)7 h 48 min。1993年以來(lái)共發(fā)生水害慢行530次，平均每年慢行25次。自2001年開(kāi)始，降雨量超標(biāo)后工務(wù)段主動(dòng)進(jìn)行封鎖檢查1 385次，年平均主動(dòng)封鎖檢查99次。從正線水害等級(jí)看，中斷24 h以上的特大型水害28次，中斷12～24 h的大型水害135次。從近年正線斷道類(lèi)型看，主要包括崩塌落石、泥石流、路基下沉或塌陷、水漫線路、路堤溜塌、塹坡或擋墻坍塌、倒樹(shù)侵限和橋涵損毀，近十年各類(lèi)型水害斷道次數(shù)和時(shí)間分布見(jiàn)圖4，其中崩塌落石、路基下沉或塌陷、水漫線路3種類(lèi)型占比較大，尤以橋梁損毀單次斷道時(shí)間最長(zhǎng)，山區(qū)鐵路水害約占總數(shù)的70%以上。

圖3 華北地區(qū)汛期降水和鐵路災(zāi)害變化時(shí)程曲線

圖4 近十年各類(lèi)型水害斷道次數(shù)和時(shí)間分布

2.3 降雨類(lèi)型與水害類(lèi)型的關(guān)系

北京局降水類(lèi)型主要有對(duì)流雨、地形雨、鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨4種。其中汛初、汛末多為鋒面雨，主汛期多為對(duì)流雨和地形雨，偶有臺(tái)風(fēng)雨發(fā)生。對(duì)流雨具有強(qiáng)度大、雨量多、雨時(shí)短、雨區(qū)小的特點(diǎn)，通常表現(xiàn)為雷暴、短時(shí)強(qiáng)降雨、陣性降雨等。地形雨是在部分高大山地的迎風(fēng)坡，降雨云團(tuán)隨著山坡提升致水汽凝結(jié)形成的降雨，具有降雨充沛、雨區(qū)穩(wěn)定、過(guò)程清晰的特點(diǎn)，是山區(qū)鐵路致災(zāi)的主要降雨類(lèi)型。鋒面雨在汛初和汛末冷暖空氣相遇形成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)小的連綿降雨。臺(tái)風(fēng)雨是熱帶海洋上的風(fēng)暴帶來(lái)的降雨，風(fēng)暴在福建沿海、山東半島登陸，對(duì)北京局東部地區(qū)造成較大影響。不同的降雨類(lèi)型與其引發(fā)的水害類(lèi)型具有相關(guān)性。

1)華北地區(qū)主汛期2～3場(chǎng)暴雨造成的水害損失最大，占當(dāng)年水害斷道總量的70%以上。暴雨所到之處幾乎各種類(lèi)型水害集中暴發(fā)。這時(shí)主要通過(guò)提前采取封鎖、停運(yùn)措施，發(fā)生水害后采取疏導(dǎo)、迂回等行車(chē)方式確保運(yùn)輸安全。

2)由臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的降水造成所有水害類(lèi)型大面積暴發(fā)，破壞力強(qiáng)，發(fā)生的概率較低。

3)短時(shí)、局部強(qiáng)降雨發(fā)生的頻率最高，主要發(fā)生在入汛初期和汛末時(shí)段，易引發(fā)水沖線路、橋涵堵塞、路堤溜塌等突發(fā)水害。

4)陣性降雨發(fā)生的概率大，降雨前無(wú)任何征兆，分布范圍小，防范最困難。發(fā)生水害后應(yīng)急處置慢，對(duì)局部運(yùn)輸干擾大。

5)持續(xù)性降雨發(fā)生概率較低，降雨強(qiáng)度不大，破壞力較小。長(zhǎng)時(shí)間降雨易造成土體飽和，引發(fā)路基下沉或溜塌、零星落石等水害，造成限速運(yùn)行。

6)雷暴大風(fēng)等惡劣天氣突出，降雨時(shí)雷暴大風(fēng)相伴而生，破壞力極大，易引起倒樹(shù)侵限、接觸網(wǎng)倒桿斷電、房屋倒塌、屋棚掀翻等水害。

7)雙峰型山區(qū)強(qiáng)降水造成夜間水害發(fā)生的頻率較高。由于山區(qū)鐵路存在午后—傍晚和清晨?jī)蓚€(gè)降雨峰值，造成70%以上的水害發(fā)生在夜間。由于夜間視線差，檢查難度大，發(fā)生水害后搶險(xiǎn)困難，影響行車(chē)的時(shí)間和造成的損失較白天更大。

3 防范對(duì)策與建議

實(shí)踐證明，水害的發(fā)生與降雨密切相關(guān)，降雨造成的巖土體重度增加與強(qiáng)度降低、地下水位升高的浮托作用、水力梯度形成的滲透壓力等因素容易誘發(fā)水害。水害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模和程度一般由降雨類(lèi)型與水害類(lèi)型的耦合程度決定。利用降雨與水害發(fā)生的關(guān)系和規(guī)律去指導(dǎo)防洪工作和災(zāi)害預(yù)警，可以大大降低災(zāi)害損失。

1)加強(qiáng)防洪組織機(jī)構(gòu)建設(shè)和重點(diǎn)區(qū)域的布控。鐵路局應(yīng)加強(qiáng)防洪組織機(jī)構(gòu)建設(shè)，及時(shí)成立局級(jí)防洪應(yīng)急指揮中心，行車(chē)各部門(mén)聯(lián)合辦公，加強(qiáng)行車(chē)指揮與水害搶險(xiǎn)組織。山區(qū)鐵路工務(wù)段相應(yīng)成立段級(jí)防洪辦公室，全年開(kāi)展防洪工作。根據(jù)全國(guó)雨帶北移的趨勢(shì)，應(yīng)逐年增加防洪工程投資力度，不斷提高整體的抗洪能力。針對(duì)近年來(lái)華北地區(qū)6月份降水偏多的趨勢(shì)，將入汛時(shí)間提前到6月1日。

2)鐵路沿線加密增設(shè)雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備。雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備是指導(dǎo)防洪應(yīng)急、保證行車(chē)安全的重要裝置。近年來(lái)極端天氣明顯增多，局部降雨差距較大，為了真實(shí)反映鐵路沿線降雨實(shí)況，各車(chē)站每5～8 km設(shè)置1臺(tái)雨量計(jì)是十分必要的，同時(shí)在防洪重點(diǎn)處所應(yīng)加密設(shè)置，降雨時(shí)可第一時(shí)間采取雨量警戒措施，減小行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)。

3)科學(xué)設(shè)定雨量警戒值。封鎖警戒值主要考慮短時(shí)暴雨的影響，宜取1 h雨量(氣象上16 mm/h為暴雨)的2～3倍為封鎖警戒值(35～50 mm)，主要防范短時(shí)暴雨誘發(fā)的水沖線路、崩塌落石、倒樹(shù)等水害。限速警戒值主要考慮連續(xù)降雨、24 h降雨+短時(shí)較強(qiáng)降雨，兼顧雨量達(dá)到封鎖警戒值前為減小對(duì)運(yùn)輸?shù)母蓴_通過(guò)控制行車(chē)速度來(lái)減小行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)而進(jìn)行的臨時(shí)限速，宜取1 h雨量、24 h雨量+1 h雨量、連續(xù)雨量3種警戒模式，主要防范路基下沉、邊坡溜坍等水害。出巡警戒值主要考慮短時(shí)較強(qiáng)雨量、連續(xù)降雨量2個(gè)因素，取1 h雨量、連續(xù)雨量2種警戒模式，在降雨初期即啟動(dòng)設(shè)備巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置防洪隱患和零星水害，應(yīng)盡量降低出巡警戒值，盡早組織出巡檢查。從實(shí)施效果看，80%以上的水害是在采取警戒措施后發(fā)現(xiàn)的。

4)雨量警戒信息接通列車(chē)調(diào)度臺(tái)。雨量達(dá)到警戒值后，傳統(tǒng)的防控模式是登記申請(qǐng)—車(chē)站值班員上報(bào)—列車(chē)調(diào)度員審批—現(xiàn)場(chǎng)警戒，這個(gè)過(guò)程約需15～40 min，存在極大的安全漏洞。雨量警戒信息接入列車(chē)調(diào)度臺(tái)后，調(diào)度員可以在第一時(shí)間發(fā)布封鎖命令，同時(shí)可進(jìn)一步接入車(chē)站值班室及運(yùn)行機(jī)車(chē)，最大限度地縮短應(yīng)急響應(yīng)和處置時(shí)間。

5)建立紅橙黃藍(lán)4級(jí)預(yù)警及響應(yīng)機(jī)制。依據(jù)中雨、大雨、暴雨、大暴雨4個(gè)級(jí)別，在雨前啟動(dòng)不同級(jí)別預(yù)警，提前做好人員、機(jī)具、材料的集結(jié)準(zhǔn)備，認(rèn)真做好“觀云追雨盯圖”，加強(qiáng)每場(chǎng)降雨的盯控和迎送，及時(shí)組織搶險(xiǎn)工作。

6)優(yōu)化暴雨天氣的行車(chē)組織。在搞好防洪重點(diǎn)處所等級(jí)管理的基礎(chǔ)上，暴雨天氣應(yīng)以?xún)?yōu)化行車(chē)組織為主，積極發(fā)揮各系統(tǒng)、各部門(mén)全員防洪作用。車(chē)務(wù)部門(mén)優(yōu)化調(diào)度、主動(dòng)扣車(chē)，機(jī)車(chē)司機(jī)主動(dòng)降速運(yùn)行或停車(chē)避險(xiǎn)，工務(wù)部門(mén)加強(qiáng)冒雨巡查，加密機(jī)車(chē)添乘，不宜盲目提級(jí)看守或全路段看守。山區(qū)鐵路客車(chē)停運(yùn)、貨車(chē)降速運(yùn)行，開(kāi)通前實(shí)行首趟貨物列車(chē)或單機(jī)確認(rèn)制度。對(duì)山區(qū)低等級(jí)線路要果斷停運(yùn)。

7)加強(qiáng)夜間關(guān)鍵時(shí)段的防控。針對(duì)夜間水害多發(fā)的特點(diǎn)，應(yīng)合理調(diào)整夜間的封鎖、限速雨量警戒值，適當(dāng)延長(zhǎng)夜間封鎖、限速時(shí)間。夜間降雨時(shí)，工務(wù)段對(duì)封鎖、限速警戒值按降低20%～30%的幅度掌握。夜間區(qū)間封鎖后，設(shè)備檢查要細(xì)致全面，可適當(dāng)延長(zhǎng)封鎖時(shí)間。夜間區(qū)間開(kāi)通后，要延時(shí)限速到天亮。

8)加強(qiáng)科技防洪體系建設(shè)。完善防洪信息平臺(tái)，動(dòng)態(tài)掌握雨情、水情、庫(kù)情;建立防洪檢查人員GPS手機(jī)定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)防洪顯性化、可視化管理;加大高鐵防災(zāi)監(jiān)測(cè)、山體落石與泥石流監(jiān)測(cè)等措施的推廣實(shí)施力度和防控范圍。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.41+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.43

1003-1995(2015)05-0170-04

2015-01-01;

2015-02-15

申文軍(1976—)，男，河北邯鄲人，工程師。