■王成翔蘇志玲 林慧芳 蔣永成 吳 嫻
(1.沙縣氣象局,沙縣 365500;2.明溪縣氣象局,明溪 365200;3.廈門市氣象局,廈門 361000;4.三明市氣象臺,三明 365000)
沙縣地區(qū)降水與公路水毀相關(guān)性分析
■王成翔1蘇志玲2 林慧芳1 蔣永成3 吳 嫻4
(1.沙縣氣象局,沙縣 365500;2.明溪縣氣象局,明溪 365200;3.廈門市氣象局,廈門 361000;4.三明市氣象臺,三明 365000)
本文通過對2013至2015年沙縣地區(qū)短時強(qiáng)降水、持續(xù)性降水、臺風(fēng)等極端惡劣天氣進(jìn)行整理、對比,總結(jié)分析了強(qiáng)降水對公路的水毀災(zāi)情特點(diǎn),得出相關(guān)性,并根據(jù)監(jiān)測、預(yù)報、信息發(fā)布等方面提出應(yīng)對和防范極端惡劣降水天氣,做好公路交通氣象服務(wù)的工作思路。
降水 公路水毀 相關(guān)性
公路水毀是指公路沿線的工程設(shè)施由于受到水的作用而遭到損壞的現(xiàn)象與過程,近年來,連續(xù)性降水引發(fā)的公路沿線滑坡、路基塌陷、涵洞水毀等次生災(zāi)害頻繁發(fā)生,已成為引發(fā)公路水毀的最重要因素之一,是各地共同存在的一個普遍問題。該文利用2013年1月~2015年12月沙縣全縣公路水毀災(zāi)害數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及沙縣各區(qū)域自動在降水量歷史資料,通過對公路水毀發(fā)生頻次、各類水毀災(zāi)害種類、同期降水量等資料的統(tǒng)計(jì)分析,探討降水量與公路水毀的相關(guān)性,并重點(diǎn)針對公路水毀的降水影響因子,建立沙縣地區(qū)公路水毀簡易預(yù)報公式;并根據(jù)降水的臨界閾值,建立區(qū)域公路水毀的分級預(yù)警方案,得出沙縣地區(qū)公路水毀風(fēng)險預(yù)報模型,以1~5級劃分。
沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害種類主要分為坍塌方 (溜土方、溜石方、土夾石)、路基缺口、路面損壞、擋墻損毀、水溝沖刷損壞、涵洞出口坍塌、涵洞出口掏空、路基下沉、錐坡缺口、涵洞損壞、蓋板水溝損壞等。
降水因子的選取主要分為前期降水和同期降水,前期降水分為災(zāi)害前一和前7日有效降水量。同期降水為出現(xiàn)公路水毀當(dāng)天24小時降水量。水毀因子因細(xì)分為前期和同期均無降水因子、前期和同期均出現(xiàn)降水因子、前期無降水同期有降水因子、前期有降水同期無降水因子。若前期和同期均無降水,則應(yīng)該視為無效個例,予以去除。同時,降水因子應(yīng)結(jié)合不同時間產(chǎn)生降水的原因,進(jìn)一步區(qū)分不同因素造成降水對公路水毀的影響。主要有春夏季強(qiáng)對流天氣造成的短時強(qiáng)降水、陰雨天氣造成的持續(xù)性降水、臺風(fēng)天造成的強(qiáng)降水等。
(1)超強(qiáng)臺風(fēng)“蘇力”于 2013年 7月13日16時在福建連江縣登陸,23時穿過沙縣北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)。受其外圍云系影響,沙縣全縣于13日上午10時起陸續(xù)出現(xiàn)降水,臺風(fēng)“蘇力”穿過沙縣前后5小時,全縣降水明顯增強(qiáng),部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)小時降水量均超過10mm。本次臺風(fēng)造成13~15日沙縣多處地方出現(xiàn)公路水毀。其中大東線15處坍塌方、鄭南線2處、高鄭線1處、瑯西線2處、金泰線7處。
(2)第12號臺風(fēng)潭美于2013年8月22日02時40分在福建省福清市沿海登陸,22日 11時許橫穿沙縣境內(nèi),造成22日沙縣6個區(qū)域自動站監(jiān)測雨量超過100mm,鄉(xiāng)道大東線出現(xiàn)4處由于暴雨沖刷造成的水溝損壞、1處涵洞出口出現(xiàn)坍塌、省道金泰線出現(xiàn)27處水溝損壞。
(3)2014年6月28日19-20時,沙縣境內(nèi)部分地區(qū)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水,局部達(dá)到暴雨,其中青州鎮(zhèn)20時小時降水量達(dá)51.5mm。短時強(qiáng)降水造成大東線湖源鄉(xiāng)路段出現(xiàn)7處重大坍塌方,29日0時起道路阻塞,最大一處溜方體積達(dá)400m3,直至次日8:30分才經(jīng)公路部門搶修通車。
(4)2014年8月6日起,沙縣境內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)性陰雨天氣,本輪降水持續(xù)至24號減弱,部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)仍有微弱降水。其中19日當(dāng)天全縣共5個區(qū)域站降水超過100mm,11個超過50mm,直至20日,仍有5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)24小時降水超過50mm,導(dǎo)致19日和20日全縣道路出現(xiàn)大面積水毀。僅19日一天,全縣國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道共120處坍塌方、9處路基缺口、3處涵洞損壞、水溝損壞2處、路面損壞2處。其中國道G205山深線出現(xiàn)50處坍塌方、5處路基缺口、2處水溝損毀、1處涵洞損壞,僅19日一天便花去維修費(fèi)用214.13萬元。
3.1 沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害的季節(jié)性分析
經(jīng)統(tǒng)計(jì),沙縣地區(qū)公路水毀季節(jié)分布如圖1和圖2,春季(12、1、2月)僅8處,夏季(3、4、5月)共159次,秋季(6、7、8月)369次,冬季4次,各占總次數(shù)的7%、17%、73%、3%。如按月份來分,8月份發(fā)生公路水毀的頻次最多,為293次,其次是5月,為112次。
圖1 沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害季節(jié)分布圖
圖2 沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害月份分布圖
3.2 影響因子的選取和分析
根據(jù)一般性經(jīng)驗(yàn),公路水毀災(zāi)害一般與前期降水有密切的關(guān)系,故可分為三種情況:第一,在前期降水充分的條件下,遇到持續(xù)性降水天氣;第二,公路水毀災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日遇到突發(fā)性暴雨;第三,前期的持續(xù)性降水導(dǎo)致土壤含水量高,后期再出現(xiàn)弱降水導(dǎo)致公路水毀;第四,前期降水豐富,當(dāng)日無降水卻引發(fā)公路水毀等情況。因此,根據(jù)以上情況,將2013年3月5日、4月9日、4月10日、6月19日、2014年4月15日數(shù)據(jù)予以剔除,得到540個數(shù)據(jù)樣本。
同時,根據(jù)影響條件,將影響因子分為以下五個:(1)公路水毀災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日的降水量,采用災(zāi)害發(fā)生路段所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域自動站的日雨量;(2)災(zāi)情發(fā)生前一日降水量;(3)連續(xù)降水天數(shù),指災(zāi)害發(fā)生前每天降雨超過0.1mm的連續(xù)降雨天數(shù);(4)災(zāi)害發(fā)生前7日的有效降水量,有效雨量利用經(jīng)驗(yàn)公式,re=∑0.8k-1×r(1)k=3求出。其中K為遞減系數(shù),取有效降水量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值K=0.8,re表示有效雨量,r表示從災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天算起前第k日的雨量;(5)災(zāi)害發(fā)生前12小時內(nèi)的小時降水強(qiáng)度[1]。
圖3為當(dāng)日降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖,當(dāng)日降水量a根據(jù)雨量等級劃分選取5個臨界值a(1)、a(2)、a(3)、a(4)、a(5),分別為10mm、25mm、50mm、100mm、250mm。則出現(xiàn)水毀災(zāi)害頻次分別為213次、75次、36次、82次、138次。根據(jù)因子天數(shù)可以看出,當(dāng)日降水小于10mm時發(fā)生公路水毀頻次最高,這顯然與實(shí)際情況不符,說明公路水毀并非僅僅由于當(dāng)日降水所引發(fā)。
圖3 當(dāng)日降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖
圖4為前1日降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖災(zāi)害發(fā)生前兩一日降水量b選取4個臨界值b(1)、b(2)、b(3)、b(4)、b(5),分別為10mm、30mm、64mm、89mm、150mm。則出現(xiàn)水毀災(zāi)害頻次分別為166次、206次、26次、81次、61次。根據(jù)因子天數(shù)可以看出,災(zāi)害發(fā)生前兩日累計(jì)降水量超過25mm的有82天,占總天數(shù)的65.6%。
圖4 前1日降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖
圖5為連續(xù)降水天數(shù)與水毀災(zāi)害關(guān)系圖災(zāi)害發(fā)生前連續(xù)降水天數(shù)t選取7個值t(1)、t(2)、t(3)、t(4)、t(5)、t(6)、t (7),分別為1天、2天、3天、4天、5天、6天、7天,出現(xiàn)公路水毀災(zāi)害的頻次分別為10、28、77、93、71、92、169。其中連續(xù)降水7天出現(xiàn)頻次最高,占總數(shù)的28%。
圖5 連續(xù)降水天數(shù)與水毀災(zāi)害關(guān)系圖
圖6為前7日有效降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖災(zāi)害發(fā)生前七日的有效降水量降水量v選取5個臨界值v(1)、v (2)、v(3)、v(4)、v(5),分別為 35mm、66mm、100mm、140mm、210mm。則根據(jù)因子得出的災(zāi)害頻次分別為31次、45次、82次、101次、281次。根據(jù)因子天數(shù)可以看出,災(zāi)害發(fā)生前兩日累計(jì)降水量超過140mm的有281次,占總數(shù)的52.0%。
圖6 前7日有效降水量與水毀災(zāi)害關(guān)系圖
災(zāi)害發(fā)生前12小時內(nèi),小時降水強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取2個臨界值r(1)、r(2)分別為20mm、25mm,統(tǒng)計(jì)3年小時降水雨強(qiáng),小時降水量超過25mm的天數(shù)共33天,其中造成公路水毀災(zāi)害的19天,未造成水毀災(zāi)害的14天。小時雨強(qiáng)介于20mm~25mm的天數(shù)共21天,其中造成公路水毀災(zāi)害的11天,未造成災(zāi)害的10天。即當(dāng)小時雨強(qiáng)超過20mm時,造成公路水毀災(zāi)害的概率為55.6%,說明小時雨強(qiáng)對公路水毀災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率一般。故將小時雨強(qiáng)僅作為在前期降水充足時做參考的因子。
3.3 影響因子的kendall相關(guān)系數(shù)分析[2]
針對選取的這些影響因子,進(jìn)行kendall相關(guān)系數(shù)分析。因子1、2、3、4與公路水毀災(zāi)害頻次的kendall相關(guān)系數(shù)分別為0.668、0.634、0.899、0.977。由于kendall相關(guān)系數(shù)R的取值范圍為-1~1,系數(shù)為1,兩個屬性正相關(guān),系數(shù)為-1,兩個屬性負(fù)相關(guān)。當(dāng)0.3<|R|≤0.5時,表示兩組隨機(jī)變量有較低的相關(guān)性,當(dāng)0.5<|R|≤0.8時,表示兩組隨機(jī)變量有較高的相關(guān)性;當(dāng)0.8<|R|<1時,表示兩組變量高度相關(guān)。
綜合以上分析可以看出,相關(guān)性最低的是災(zāi)害發(fā)生前一日降水,災(zāi)害發(fā)生前7日有效降水量和連續(xù)降水天數(shù)與災(zāi)害發(fā)生高度相關(guān)、當(dāng)日降水量、前一日降水量與災(zāi)害發(fā)生顯著相關(guān)。
將近三年沙縣公路水毀集中發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行整理,與該致災(zāi)時間段前7日的有效降水量、當(dāng)日降水量及小時雨強(qiáng)相對應(yīng),就可得出沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害發(fā)生時的致災(zāi)臨界區(qū)間值。選取幾次群發(fā)性災(zāi)害為例。
要建立公路水毀災(zāi)害氣象潛勢預(yù)報模型,首先要分析降水與發(fā)生公路水毀災(zāi)害的關(guān)聯(lián)性。由于目前獲得的歷史地質(zhì)災(zāi)害資料和氣象觀測資料十分有限,為了提高統(tǒng)計(jì)分析的樣本數(shù),初步只能針對每一個預(yù)警區(qū)域建立預(yù)報模型,先從區(qū)內(nèi)的所有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)中挑選出附近有雨量觀測記錄的點(diǎn),并對相應(yīng)的降水資料進(jìn)行整理。然后通過統(tǒng)計(jì)所有這些點(diǎn)歷史記錄中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與前期降水的關(guān)系,建立起區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象潛勢預(yù)報模型。
首先根據(jù)沙縣地區(qū)公路水毀災(zāi)害的資料,參照各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動氣象站,對降水量資料進(jìn)行了質(zhì)量控制,得到所需的基本資料。具體原則和方法是:根據(jù)災(zāi)情發(fā)生路段所處鄉(xiāng)鎮(zhèn),根據(jù)該鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動站雨量數(shù)據(jù),對災(zāi)情發(fā)生當(dāng)日及災(zāi)情發(fā)生前7日有效降水量等五個因子進(jìn)行整理。如果災(zāi)情發(fā)生時以及災(zāi)情發(fā)生前7日均無降水或僅有弱降水,則該數(shù)據(jù)予以刪除。
根據(jù)災(zāi)害發(fā)生前7日的有效降水量臨界值,將有效降水量臨界值分為難發(fā)生、較小可能發(fā)生、可能發(fā)生、易發(fā)生和極易發(fā)生。利用統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算沙縣地區(qū)的公路水毀災(zāi)害潛勢預(yù)報,其中K為預(yù)報結(jié)果值,取K=1、2、3、4、5分別為可能性很小,可能性較小、可能性較大、可能性大、可能性極大。a是預(yù)報值,b是災(zāi)害發(fā)生前7日有效的降水量值,c是臨界值。舉例說明,c1(1)、c1(2)、c1(3)、c1(4)、c1 (5)分別為35mm、66mm、100mm、140mm、210mm,當(dāng)災(zāi)害發(fā)生前7日的有效降水量為89mm時,則c1(2)<b(1)<c1 (3),則K=3。表示出現(xiàn)公路水毀災(zāi)害的可能性較大,當(dāng)b(1)>c1(5)時,直接可判定為極易發(fā)生公路水毀災(zāi)害。同理,當(dāng)日降水量、前一日降水量、連續(xù)降水天數(shù)對公路水毀災(zāi)害的貢獻(xiàn)均可依據(jù)該公式算出K2、K3、K4,進(jìn)而將公路水毀災(zāi)害預(yù)報分為1~5級,以1級為出現(xiàn)公路水毀災(zāi)害可能性最大,5級最小。
采用投票法,最終預(yù)報值Y=K1+K2+K3+K4,若10<Y≤12,則可預(yù)報三級公路水毀災(zāi)害警報;12<Y≤16時,可預(yù)報為二級公路水毀災(zāi)害警報;若16<Y≤20[3]。
(1)沙縣地區(qū)公路水毀時間分布與本地區(qū)降水量的趨勢較為一致,公路水毀災(zāi)害主要集中在汛期(6~8月),其中8月極多,與8月強(qiáng)對流天氣和臺風(fēng)相關(guān),冬季災(zāi)害極少,進(jìn)一步驗(yàn)證說明降水是導(dǎo)致公路水毀災(zāi)害發(fā)生的的動力機(jī)制。
(2)公路水毀災(zāi)害發(fā)生前7日的有效降水量是作為預(yù)報水毀災(zāi)害發(fā)生的一個重要影響因子,能很好地反映出災(zāi)害發(fā)生前期降水量是否充足。
(3)降水作為公路水毀災(zāi)害的主要誘因,其結(jié)果是前期累計(jì)降水量和當(dāng)日雨量、雨強(qiáng)的累加結(jié)果。當(dāng)日降水量超過50mm或當(dāng)日小時降水量超過10mm時,能對公路水毀災(zāi)害臨近預(yù)報提供較為有效的支撐。
(4)極少數(shù)個例出現(xiàn)前期和當(dāng)日均無或僅有微量降水卻發(fā)生公路水毀災(zāi)害,說明公路水毀的發(fā)生存在必然性的同時也有一定偶然性,因此公路水毀災(zāi)害預(yù)報僅是一種可能性,所發(fā)布的定性預(yù)報存在一定的盲目性和波動性。
(5)任何公路水毀災(zāi)害必須在土壤含水量達(dá)到某一界限值才可能產(chǎn)生,在三明市各縣地質(zhì)環(huán)境基本相同的情況下,這種誘發(fā)規(guī)律往往具有群發(fā)性特征。因此后期可進(jìn)一步將該方法應(yīng)用至對三明市各縣(市、區(qū))公路水毀災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警,與公路部門展開合作,運(yùn)用新媒體力量,進(jìn)一步拓寬沙縣乃至三明市各縣(市、區(qū))公路水毀災(zāi)害區(qū)域性預(yù)報[4]。
[1]薛建軍,徐晶,張芳華,牛若蕓,張金艷,楊元琴.區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報方法研究[J].氣象,2005,31(10):24-27.
[2]狄靖月,王志,田華,謝凱,楊曉丹,陳輝,許鳳芰.降水引發(fā)的西南地區(qū)公路損毀風(fēng)險預(yù)報方[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2015,26(3):268-279.
[3]張定全.甘肅省隴西縣地質(zhì)災(zāi)害氣象條件分析[J].甘肅地質(zhì),(2010)04-0079-0006.
[4]羅昌謨.三明各縣(市、區(qū))群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)臨界雨量關(guān)系探討[J].水利科技,2011,01-0045-03.