馬 蕾，劉 垚，武萬(wàn)里，緱曉輝，蘇占勝

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002)

引 言

高速公路交通的安全運(yùn)營(yíng)極易受災(zāi)害性天氣的影響[1-4]，隨著高速公路里程數(shù)、車(chē)輛出行量及貨物運(yùn)輸量的增加，災(zāi)害性天氣造成的高速公路重、特大交通事故不僅對(duì)高速公路交通產(chǎn)生惡劣影響，還嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[5-6]。大風(fēng)作為一種常見(jiàn)的公路交通氣象災(zāi)害，除了直接影響車(chē)輛行駛的穩(wěn)定、抗側(cè)翻及抗側(cè)滑移性能外[7-8]，還可造成道路兩側(cè)護(hù)欄、指示牌等基礎(chǔ)設(shè)施破壞，引起的揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴等天氣，更會(huì)影響駕駛員的正常操作和判斷。因此，開(kāi)展大風(fēng)交通災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃，有利于提高交通安全運(yùn)營(yíng)管理能力[9-12]。

目前，對(duì)于大風(fēng)天氣的研究多側(cè)重于大風(fēng)集中程度[13]、大風(fēng)日數(shù)的時(shí)空變化[14-16]及風(fēng)向特征[17]等方面。基于大風(fēng)災(zāi)害對(duì)公路交通影響的研究，多是與交通事故的作用原理和關(guān)系等方面，研究發(fā)現(xiàn)由大風(fēng)引發(fā)交通事故的概率與風(fēng)向、風(fēng)速有關(guān)，還與汽車(chē)行駛時(shí)所處的地形和環(huán)境有關(guān)[18-22]。而目前，針對(duì)公路交通所開(kāi)展的大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃研究成果甚少，評(píng)估方法和模型尚在研究探索中，如有研究從危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力方面構(gòu)建我國(guó)高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)我國(guó)高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃[23]，又如在新疆地區(qū)[24]，使用三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系和等概率區(qū)分原則，將新疆高速公路的風(fēng)災(zāi)劃分為5個(gè)危險(xiǎn)區(qū)。

寧夏地處西北，大風(fēng)是引發(fā)交通安全事故影響高速公路安全運(yùn)營(yíng)的主要災(zāi)害性天氣。本文以寧夏高速公路為區(qū)劃對(duì)象，在ArcGIS的空間信息技術(shù)支持下，選取大風(fēng)日數(shù)(6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)、9級(jí)及以上)、車(chē)流量、道路密度、地形高度、河網(wǎng)密度、橋涵個(gè)數(shù)、橋涵密度、植被覆蓋度等14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體3個(gè)方面入手，開(kāi)展寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃研究，以期為寧夏高速公路的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用資料包括：(1)寧夏24個(gè)氣象站1981—2016年逐日風(fēng)速數(shù)據(jù)；(2)寧夏公路局提供的橋涵、交通路網(wǎng)資料；(3)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的河網(wǎng)、行政區(qū)劃等資料；(4)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的植被指數(shù)(NDVI)、GDP空間分布、人口空間分布；(5)車(chē)流量來(lái)源于2016年寧夏交通信息中心流量整編資料；(6)SRTM國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)免費(fèi)網(wǎng)站(http://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/)提供的SRTM 90 m高程數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

按照風(fēng)力等級(jí)劃分，根據(jù)各氣象站日最大風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)6級(jí)(10.8～13.8 m·s-1)、7級(jí)(13.9～17.1 m·s-1)、8級(jí)(17.2～20.7 m·s-1)、9級(jí)及以上(≥20.8 m·s-1)大風(fēng)日數(shù)。

分析大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)之前，為消除各指標(biāo)之間的量綱差異[25]，對(duì)每個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，具體公式如下：

(1)

1.3 研究方法

影響高速公路大風(fēng)災(zāi)害的因素眾多，由于各個(gè)因素的不易定量性和復(fù)雜性，對(duì)分析和區(qū)劃結(jié)果的貢獻(xiàn)大小略有不同。因此，基于GIS構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型[26-27]，從致災(zāi)因子(誘發(fā)高速公路大風(fēng)災(zāi)害的因子)、孕災(zāi)環(huán)境(形成高速公路大風(fēng)災(zāi)害的環(huán)境)、承災(zāi)體(受災(zāi)環(huán)境)三方面入手，采用層次分析法(analytic hierarchy process，簡(jiǎn)稱(chēng)“AHP”)確定影響寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害各因子的權(quán)重，以分析其綜合風(fēng)險(xiǎn)。

選取大風(fēng)日數(shù)(6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)、9級(jí)及以上)、GDP空間分布、車(chē)流量、道路密度、人口密度、地形高度、河網(wǎng)密度、坡度、橋涵個(gè)數(shù)、橋涵密度、植被覆蓋度14個(gè)相關(guān)影響因子作為區(qū)劃指標(biāo)集，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，當(dāng)檢驗(yàn)系數(shù)CR<0.1時(shí)，則通過(guò)一致性檢驗(yàn)。對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)層進(jìn)行加權(quán)合成，具體公式[28]如下：

(2)

結(jié)合GIS空間分析法，得到區(qū)劃結(jié)果，并將其按照自然段點(diǎn)法分區(qū)劃分5級(jí)，對(duì)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性按照高、次高、中等、次低、低進(jìn)行區(qū)劃。最終對(duì)寧夏高速公路大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)按照高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行區(qū)劃。

2 結(jié)果分析

2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性

對(duì)于高速公路交通運(yùn)行而言，大風(fēng)強(qiáng)度是衡量高速公路受大風(fēng)影響的輕重程度，大風(fēng)出現(xiàn)頻率則反映高速公路受大風(fēng)影響的頻繁程度[29]。以6、7、8、9級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)作為致災(zāi)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖1為1981—2016年寧夏6、7、8、9級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)空間分布?？梢钥闯觯箫L(fēng)日數(shù)在空間分布上存在明顯差異，且隨著風(fēng)速等級(jí)的提高，大風(fēng)日數(shù)逐漸降低，其中6、7、8級(jí)大風(fēng)日數(shù)由北向南均呈先減小后增加又減小的趨勢(shì)。6級(jí)大風(fēng)日數(shù)高值區(qū)位于石嘴山市西北部和吳忠市東南部(147.4～181.3 d)；次高值區(qū)位于石嘴山市北部、吳忠市東南部及中衛(wèi)市中部(123.3～147.3 d)。7級(jí)大風(fēng)日數(shù)的高值區(qū)位于石嘴山市北部和吳忠市東南部(63.2～92.7 d)；次高值區(qū)位于石嘴山市北部、吳忠市東南部、中衛(wèi)市中部(47.9～63.1 d)。8級(jí)大風(fēng)日數(shù)高值區(qū)位于石嘴山市東北部、吳忠市東南部(26.5～40.3 d)；次高值區(qū)位于石嘴山市北部、吳忠市東南部(17.7～26.4 d)。9級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)高值區(qū)位于石嘴山市東北部、吳忠市東南部(9.0～13.2 d)；次高值區(qū)位于石嘴山市北部、吳忠市東南部(5.8～8.9 d)。

將影響致災(zāi)因子危險(xiǎn)性的各因子進(jìn)行歸一化處理，用AHP方法，得各自的權(quán)重系數(shù)分別是0.1638、0.2145、0.2970、0.3247，采用公式(2)加權(quán)，得到寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性區(qū)劃圖(圖2)。可以看出，京藏高速石嘴山市北段的大風(fēng)危險(xiǎn)性高，石嘴山市北部位于賀蘭山北部山口地區(qū)，常年多大風(fēng)天氣，且風(fēng)力等級(jí)較高，因此受大風(fēng)影響高。京藏高速中衛(wèi)段、福銀高速中衛(wèi)—吳忠段、定武高速吳忠—中衛(wèi)東段、同海高速大部路段均地處賀蘭山南部山口狹長(zhǎng)地帶，因此受大風(fēng)的影響中等；其他路段受大風(fēng)影響較低，危險(xiǎn)性不高。

圖1 1981—2016年寧夏6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)、9級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)空間分布(單位：d)Fig.1 Spatial distribution of gale days of grade 6, grade 7, grade 8, and grade 9 or above in Ningxia from 1981 to 2016 (Unit: d)

2.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)

對(duì)于高速公路大風(fēng)災(zāi)害，孕災(zāi)環(huán)境是指自然環(huán)境對(duì)于高速公路大風(fēng)災(zāi)害形成和發(fā)展的影響，如地形、河網(wǎng)密度、坡度、橋涵、植被等[30]。因此，影響寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性的主要因子為：地形高程(地勢(shì))、河網(wǎng)密度、坡度、橋涵個(gè)數(shù)、橋涵線密度、植被覆蓋度。采用AHP法，得到影響寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性的各因子的權(quán)重系數(shù)分別是0.1274、0.1141、0.1523、0.2353、0.2561、0.1148，采用公式(2)，得到寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害孕災(zāi)敏感性分布(圖3)。可以看出，固原市南部位于六盤(pán)山東坡，六盤(pán)山呈東南—西北走向，東坡陡峭，且道路多在山上，山路曲折，且橋涵數(shù)量多，因此該區(qū)域的福銀高速固原南段、青蘭高速固原段孕災(zāi)環(huán)境敏感性多為次高或者高；銀川、吳忠兩市北部、石嘴山市中北部位于賀蘭山東坡的平原地區(qū)，賀蘭山呈東北—西南走向，山脈東坡面臨銀川平原，黃河干流及其支流密集，橋涵個(gè)數(shù)較多，因此區(qū)域內(nèi)京藏高速石嘴山中段和銀川—吳忠北段、古青高速全段的敏感性中等；中衛(wèi)市西北部位于賀蘭山南部狹長(zhǎng)的風(fēng)口地段，植被覆蓋率低，且黃河干流途經(jīng)此地，因此區(qū)域內(nèi)定武高速中衛(wèi)段大部敏感性中等；吳忠、中衛(wèi)兩市南部位于中部干旱地段，河網(wǎng)密度低，植被覆蓋率低，隨著海拔升高大風(fēng)日數(shù)多且風(fēng)速較大，因此區(qū)域內(nèi)福銀高速吳忠—中衛(wèi)南段敏感性中等；而銀川市東南部、吳忠市中東部地勢(shì)平坦，河網(wǎng)及橋涵分布少，因此區(qū)域內(nèi)高速公路敏感性低。

圖2 1981—2016年寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性區(qū)劃Fig.2 Risk zoning of gale disaster-causing factors on expressway in Ningxia during 1981-2016

圖3 1981—2016年寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布Fig.3 Spatial distribution of environmental sensitivity to gale disaster on expressway in Ningxia during 1981-2016

2.3 承災(zāi)體易損性評(píng)價(jià)

對(duì)于高速公路大風(fēng)災(zāi)害，承災(zāi)體易損性是指承受大風(fēng)災(zāi)害的高速公路在災(zāi)難降臨時(shí)所受到損失量的大小[31]。影響承災(zāi)體易損性的主要因子包括：該區(qū)域的人口密度、車(chē)流量、道路密度、GDP。用AHP法，得到各因子的權(quán)重系數(shù)分別是0.2552、0.2675、0.2344、0.2429。綜合各承災(zāi)體因子的影響，利用公式(2)，得到寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害承災(zāi)體易損性區(qū)劃圖(圖4)?？梢钥闯觯谲?chē)流量大、人口密度高、GDP高的影響下，京藏高速銀川段、青銀高速銀川段的大風(fēng)災(zāi)害易損性次高到高；京藏高速石嘴山段和吳忠—中衛(wèi)段、青銀高速吳忠段、定武高速中衛(wèi)段、福銀高速固原市北段，大風(fēng)災(zāi)害易損性中等；而其他高速路段易損性等級(jí)較低。

圖4 1981—2016年寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害承災(zāi)體易損性分布Fig.4 Spatial distribution of vulnerability of gale disaster-bearing body on expressway in Ningxia during 1981-2016

3 寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

選取影響寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(包括大風(fēng)日數(shù)、GDP空間分布、車(chē)流量、道路密度、人口密度、地形高度、河網(wǎng)密度、坡度、橋涵個(gè)數(shù)、橋涵密度、植被覆蓋度)，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體三方面，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重(表1)，利用自然斷點(diǎn)法將寧夏高速公路劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通過(guò)GIS空間分析法繪制出寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖5)?？梢钥闯觯瑢幭母咚俟反箫L(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)石嘴山市北部和吳忠市南部高、區(qū)內(nèi)中北部和南部低。其中，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于石嘴山市北部，途經(jīng)此處的京藏高速(G6)石嘴山市惠農(nóng)段受大風(fēng)影響嚴(yán)重，交通受影響程度高；次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于石嘴山市中部、吳忠市南部，途經(jīng)的京藏高速(G6)石嘴山市平羅段、中衛(wèi)市中寧段，福銀高速(G70)吳忠市同心段，受大風(fēng)影響次高；其他地區(qū)高速公路路段受大風(fēng)影響相對(duì)較低。

圖5 1981—2016年寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.5 Risk zoning map of gale disaster on expressway in Ningxia during 1981-2016

分析2013—2016年寧夏高速公路沿線交通事故資料發(fā)現(xiàn)，由惡劣天氣引發(fā)的交通事故105 起，其中大風(fēng)天發(fā)生的交通事故占20%。在大風(fēng)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)路段，發(fā)生交通事故0.6 起·(10 km)-1；次高風(fēng)險(xiǎn)路段，發(fā)生交通事故0.4起·(10 km)-1；中等風(fēng)險(xiǎn)路段，發(fā)生交通事故0.15 起·(10 km)-1；次低風(fēng)險(xiǎn)路段，發(fā)生交通事故0.1 起·(10 km)-1；低風(fēng)險(xiǎn)路段，發(fā)生交通事故0.08 起·(10 km)-1。由此可見(jiàn)，大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果能夠合理反映寧夏高速公路受風(fēng)災(zāi)影響的情況。

4 結(jié) 論

(1)寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害的致災(zāi)因子考慮不同等級(jí)的大風(fēng)及其出現(xiàn)日數(shù)，大風(fēng)等級(jí)越高、出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)越多，則該地區(qū)的致災(zāi)危險(xiǎn)性高，京藏高速石嘴山市北段的大風(fēng)危險(xiǎn)性高。

(2)寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境考慮地形地貌、海拔高度、植被覆蓋率、河網(wǎng)的影響。福銀高速固原南段、青蘭高速固原段孕災(zāi)環(huán)境敏感性多為次高或者高。

(3)寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害的承災(zāi)體易損性受人口密度、車(chē)流量、道路密度和GDP的共同影響。京藏高速銀川段、青銀高速銀川段的大風(fēng)災(zāi)害易損性次高到高。

(4)寧夏高速公路大風(fēng)災(zāi)害總體上呈現(xiàn)石嘴山市北部和吳忠市南部高、區(qū)內(nèi)中北部和南部低的趨勢(shì)，高風(fēng)險(xiǎn)路段在京藏高速(G6)石嘴山市北段；次高風(fēng)險(xiǎn)路段在京藏高速(G6)石嘴山市中段、中衛(wèi)市南段，福銀高速(G70)吳忠市段。另外，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際高速公路大風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生有較好的一致性。