尹 超， 田偉平， 李家春

（長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

我國公路建設(shè)取得了巨大成就，路網(wǎng)布局不斷完善，但受自然和經(jīng)濟條件的制約，很多公路頻繁遭受洪水災(zāi)害的威脅，尤其是在山區(qū)，公路多沿河、環(huán)山展布，沿河路段和高陡邊坡占比較大，洪水災(zāi)害造成的損失極為嚴重［1］。山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃分析公路水毀在山區(qū)的分異狀況并劃分不同等級的危險區(qū)，為公路水毀災(zāi)害防治規(guī)劃的制定和防治資金的分配提供宏觀層面的決策支持，以保證公路水毀防治工程的安全可靠、經(jīng)濟合理［2］。

文獻［3］的頒布是公路自然區(qū)劃具有標志性意義的事件，其一級區(qū)劃和二級區(qū)劃均考慮了氣候因素的影響，并以干濕循環(huán)作為主要的影響因素；文獻［4］從氣象、徑流和地形等因素考慮，采用成因分析法，以耕地和人口為指標，結(jié)合已有洪水災(zāi)害，制作了中國洪水區(qū)劃圖；文獻［5］利用GIS的空間分析功能，基于高分辨率的降雨、地形坡度、河湖緩沖區(qū)、道路密度等風險因子，采用水災(zāi)成因分析法和經(jīng)驗系數(shù)法，得到了洪水的潛在危險區(qū)；文獻［6］選取特定頻率下的三日降水量、坡度、高程和河湖分布作為評價指標，兼顧歷史洪水數(shù)據(jù)，制作了特定頻率下的中國洪水風險區(qū)劃圖。雖然我國開展了很多洪水災(zāi)害區(qū)劃的研究工作，但大多是從自然地理角度進行的，專門關(guān)于公路等人工結(jié)構(gòu)物的洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃研究很少。

本文以相對高差和坡度為指標將公路地貌劃分為平原區(qū)和山區(qū)，分別選取了山區(qū)沿河公路水毀和山區(qū)公路邊坡水毀的危險性評價指標，依托ArcGIS10.0完成了山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性綜合評價，劃分了微度危險、中度危險、重度危險和極重度危險4級危險區(qū)。

1 山區(qū)公路洪水災(zāi)害

1.1 山區(qū)與平原區(qū)的劃分

對公路工程產(chǎn)生影響的主要地貌因素是相對高差和坡度。文獻［7］在進行公路地貌劃分時將相對高差作為主要指標，坡度為輔助指標，具體界限如下：

小于100m為平原微丘，100～200m為重丘，大于200m為山嶺；小于3°為平原，3°～20°為微丘，大于20°為重丘。

本文參考以上劃分標準，結(jié)合危險性區(qū)劃對地貌劃分的要求，建立山區(qū)和平原區(qū)公路地貌劃分標準，見表1所列。

表1 公路地貌劃分標準

依 托 ArcGIS10.0 軟 件，利 用 全 國1∶2 500 000數(shù)字高程模型（DEM）計算全國范圍的相對高差和坡度值，基于表1的公路地貌劃分標準，確定山區(qū)和平原區(qū)的地理界限，生成中國公路地貌分類圖，如圖1所示。

根據(jù)圖1，我國山區(qū)占陸地總面積的54.6%，平原區(qū)占45.4%，山區(qū)與平原區(qū)范圍與我國通用的地貌劃分方法基本一致，說明公路地貌劃分標準是合理和正確的。

圖1 中國公路地貌分類圖

1.2 山區(qū)公路洪水災(zāi)害類型劃分

山區(qū)公路洪水災(zāi)害指洪澇災(zāi)害造成的山區(qū)公路建筑物及附屬設(shè)施的破壞。它以洪水為致災(zāi)體，山區(qū)公路為承災(zāi)體，公路路域環(huán)境為孕災(zāi)環(huán)境［8－9］。災(zāi)害類型劃分是正確認識災(zāi)害成因機理和進行災(zāi)害防治的前提，在進行災(zāi)害分類前，需明確分類的依據(jù)，依據(jù)不同，分類結(jié)果也不同。很多學者根據(jù)不同的標準將公路洪水災(zāi)害分為不同類型［10］，見表2所列。

表2 公路洪水災(zāi)害類型劃分

綜合以上分類方法和山區(qū)公路洪水災(zāi)害的特點，充分考慮公路水毀形式、孕災(zāi)環(huán)境和破壞機理，將山區(qū)公路洪水災(zāi)害分為山區(qū)沿河公路水毀和山區(qū)公路邊坡水毀，分別開展危險性區(qū)劃研究。

2 山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價模型

山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價分析洪水災(zāi)害的活動強度、頻度和密度，即分析孕災(zāi)環(huán)境和災(zāi)害發(fā)生敏感性，可以反映不同山區(qū)公路遭受水毀的危險程度。其評價結(jié)果是山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度，本文選取該指標作為危險性區(qū)劃的依據(jù)。

2.1 危險性評價方法

（1）模糊綜合評價法。對于山區(qū)公路洪水災(zāi)害，其影響因素包括氣象、地形、水系和巖土等自然因素以及占用河道和分洪區(qū)、破壞植被、不合理的工程建設(shè)等人為因素。模糊綜合評價法包括3方面的內(nèi)容［11］：① 模糊綜合評價模型的建立；② 權(quán)重的確定，不同指標對災(zāi)害危險性的影響程度不同，必須考慮指標權(quán)重問題；③ 評價指標的分級和評分，采用不同性質(zhì)和量綱的指標對危險性進行綜合評價，必須對各指標進行統(tǒng)一分級和評分。

（2）GIS在危險性評價中的應(yīng)用。GIS是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為地理研究和決策提供信息的計算機系統(tǒng)。山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價涉及的致災(zāi)體、承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境等都與地理空間信息相關(guān)，GIS能對這些數(shù)據(jù)進行儲存、分析、處理和應(yīng)用。因此，GIS在山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價中具有重要作用。

2.2 危險性評價模型

山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險度是按評價模型計算得到的反應(yīng)危險性大小的綜合指標。本文建立的公路洪水災(zāi)害危險性評價模型為：

其中，R為山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險度；Mi為第i個評價指標評分；Ki為第i個評價指標權(quán)重；n為評價指標數(shù)量。

（1）指標的分級和評分。由于各評價指標的性質(zhì)不同、量綱有異，要進行綜合評價，就需進行指標的公度。本文參考文獻［12］的研究成果，根據(jù)某一指標的強度對危險性的影響特點，將各指標分為極低危險、低危險、中危險、高危險和極高危險5級，并分別評分1、3、5、7、9。

（2）指標的權(quán)重。同一指標的不同強度對危險性的影響通過指標的分級和評分確定，而不同指標對危險性的影響則是通過指標權(quán)重確定的。指標權(quán)重指某指標在評價體系中的重要程度，本文采用專家調(diào)查法確定權(quán)重，即選擇13位有多年經(jīng)驗的專家進行打分確定。

3 山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價

3.1 山區(qū)沿河公路水毀危險性評價

我國氣象部門規(guī)定，日降雨量≥50mm的降雨為暴雨，降雨量和降雨強度是描述暴雨的主要指標，兩者可由年平均暴雨天數(shù)綜合反映，但在我國某些地區(qū)，降雨歷時較短且相對集中，日降雨量≥25mm即可造成公路水毀；地表切割密度指單位面積包含的侵蝕網(wǎng)或溝道的長度，能較好地反映地形的破碎和侵蝕程度，一般而言，地表切割密度越大則公路水毀危險性越大；河網(wǎng)密度是描述水系分布特征最常用的指標，河網(wǎng)密布大的山區(qū)災(zāi)害發(fā)生的可能性也越大［13］。鑒于此，本文選取山區(qū)沿河公路水毀的危險性評價指標為降雨量≥25mm年平均天數(shù)、地表切割密度、河網(wǎng)密度，并根據(jù)各指標對災(zāi)害的影響特點進行分級和評分，見表3所列。

表3 山區(qū)沿河公路水毀危險性評價指標分級和評分

根據(jù)以上評價指標，結(jié)合（1）式，建立山區(qū)沿河公路水毀危險性評價模型，即

其中，R1為山區(qū)沿河公路水毀危險度；M1、M2、M3分別為降雨量≥25mm年平均天數(shù)、地表切割密度和河網(wǎng)密度評分；K1、K2、K3為相應(yīng)指標權(quán)重，通過專家調(diào)查法確定，K1＝0.40，K2＝0.35，K3＝0.25。

山區(qū)沿河公路水毀危險度圖，如圖2所示。對全國740個氣象站50a的降雨天數(shù)數(shù)據(jù)進行矢量化分析，通過GIS的Kriging插值功能，生成山區(qū)降雨量≥25mm年平均天數(shù)分級圖；基于GIS的水文擴展模塊，從DEM數(shù)據(jù)提取溝谷信息，根據(jù)水流方向和匯水量矩陣提取矢量溝谷網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，生成山區(qū)地表切割密度分級圖；根據(jù)中國河流水系數(shù)據(jù)，利用GIS分析單位面積的河網(wǎng)長度，生成山區(qū)河網(wǎng)密度分級圖。

圖2 山區(qū)沿河公路水毀危險度圖

按照山區(qū)沿河公路水毀危險性評價模型和指標權(quán)重，利用ArcGIS10.0軟件對以上圖件進行疊加分析，生成山區(qū)沿河公路水毀危險度圖，如圖2所示。計算結(jié)果顯示，山區(qū)沿河公路水毀危險度最小為1.0，最大為9.0。

3.2 山區(qū)公路邊坡水毀危險性評價

降雨對山區(qū)公路邊坡水毀的影響類似于山區(qū)沿河公路水毀；坡面徑流隨坡度的增大而加強，坡度越大，山區(qū)公路邊坡水毀危險性也越大；巖土類型影響邊坡的抗沖刷能力，抗沖刷能力強的邊坡發(fā)生水毀的可能性相對較低；植被覆蓋一方面能影響土體的入滲強度，另一方面也能影響坡體抵抗沖刷的能力。因此，本文選取山區(qū)公路邊坡水毀的危險性評價指標為降雨量≥25mm年平均天數(shù)、地形坡度、巖土類型和植被覆蓋度，并對各指標進行分級和評分，見表4所列。

根據(jù)山區(qū)公路邊坡水毀的特點和其危險性評價指標，建立危險性評價模型，即

其中，R2為山區(qū)公路邊坡水毀危險度；M1、M4、M5、M6分別為降雨量 ≥25mm年平均天數(shù)、坡度、巖土類型和植被覆蓋度評分；K1、K4、K5、K6為相應(yīng)指標權(quán)重，通過專家調(diào)查法確定，K1＝0.35，K4＝0.30，K5＝0.20，K6＝0.15。

利用DEM數(shù)據(jù)生成山區(qū)地形坡度分級圖；根據(jù)中國公路巖土區(qū)劃方案，生成山區(qū)巖土類型分級圖；分析全國植被類型和覆蓋度矢量數(shù)據(jù)，生成山區(qū)植被覆蓋度分級圖。根據(jù)山區(qū)公路邊坡水毀危險性評價模型和指標權(quán)重，利用ArcGIS10.0對各基礎(chǔ)圖件進行疊加，生成山區(qū)公路邊坡水毀危險度圖，如圖3所示。計算結(jié)果顯示，山區(qū)公路邊坡水毀危險度最小為1.0，最大為7.2。

表4 山區(qū)公路邊坡水毀危險性評價指標分級和評分

圖3 山區(qū)公路邊坡水毀危險度圖

3.3 山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性綜合評價

某一地區(qū)既可能發(fā)生沿河公路水毀，也可能發(fā)生公路邊坡水毀。山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性綜合評價是對以上兩者的綜合，其評價模型為：

其中，R12為山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度；K1、K2分別為山區(qū)沿河公路水毀、山區(qū)公路邊坡水毀權(quán)重，通過專家調(diào)查法確定，K1＝0.55，K2＝0.45。

按（4）式確定的評價模型，對圖2和圖3進行疊加分析，生成山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度圖，如圖4所示。計算結(jié)果顯示，山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度最小為1.24，最大為7.52。

圖4 山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度圖

4 山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃

山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃的目的是定量體現(xiàn)和區(qū)分不同區(qū)域發(fā)生公路洪水災(zāi)害的危險程度。本文按山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度將危險程度分為4級，分級界限如下：微度危險1.27～2.83，中度危險2.83～4.39，重度危險4.39～5.95，極重危險5.95～7.52。根據(jù)以上分級界限，對圖4的結(jié)果進行分級，生成山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃圖，如圖5所示（為體現(xiàn)中國公路水毀災(zāi)害危險性的總體狀況，圖5將山區(qū)與平原區(qū)公路水毀災(zāi)害進行了綜合，其中，平原區(qū)公路水毀災(zāi)害危險性區(qū)劃方法他文另述）。

圖5 山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃圖

由圖5可知，我國山區(qū)公路洪水災(zāi)害的極重危險區(qū)為：遼東半島、燕山山地、黃土高原、福建北部、安徽南部、江西西南部、湖北西部、云貴高原、海南南部和臺灣的部分地區(qū)等。結(jié)合山區(qū)公路洪水災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，上述區(qū)域與災(zāi)害實際狀況相符，能真實反映山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性的區(qū)域分異特征，說明本研究具有較高準確性和科學性。

山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性區(qū)劃可為各級公路的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和養(yǎng)護提供理論和技術(shù)支持，在一定程度上保證交通安全和道路暢通，突顯公路的“生命線”作用，減災(zāi)效益十分顯著。同時，山區(qū)公路水毀災(zāi)害的治理可以在一定程度上減小公路設(shè)施對區(qū)域環(huán)境的負面作用，達到改善植被、保持水土的目的，具有顯著的社會效益和環(huán)境效益［14－15］。

5 結(jié) 論

（1）利用相對高差和坡度指標將公路地貌分為山區(qū)和平原區(qū)，將山區(qū)公路洪水災(zāi)害分為山區(qū)沿河公路水毀和山區(qū)公路邊坡水毀。

（2）基于模糊綜合評價法和專家調(diào)查法建立了山區(qū)公路洪水災(zāi)害危險性評價模型，構(gòu)建了危險性評價指標體系。

（3）基于ArcGIS10.0軟件，完成了山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險性評價，生成了《山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度圖》。

（4）根據(jù)山區(qū)公路洪水災(zāi)害綜合危險度將全國山區(qū)分為微度危險、中度危險、重度危險和極重危險4級，其中，極重危險區(qū)為遼東半島、燕山山地、黃土高原、福建北部、安徽南部、江西西南部、湖北西部、云貴高原、海南南部和臺灣的部分地區(qū)等。

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