李學(xué)敏?謝睿恒?江滌非?禹偉

摘 要：為了評(píng)估湖南省道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，采集湖南省96個(gè)氣象臺(tái)站從1986年到2015年共30年的冬季（12月—次年2月）日最低氣溫、日降水量和2005—2011年的凍雨數(shù)據(jù)，結(jié)合湖南省數(shù)字高程（DEM）、湖南高速阻斷數(shù)據(jù)和國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體易損性和抗災(zāi)能力四個(gè)方面，基于AHP-GIS分析完成了道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。結(jié)果表明：湖南省道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的中等以上風(fēng)險(xiǎn)面積占比58.3%，易受道路結(jié)冰災(zāi)害影響的面積較大；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于湘西、湘南的山區(qū)，G76廈蓉高速郴汝段、G0422武深高速炎汝段、S50長芷高速龍瑯段、G65包茂高速通道段、G60滬昆高速洞口-洪江段、G55二廣高速安化段和漣源-邵陽段、G56杭瑞高速鳳凰段需做好重點(diǎn)防范。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；GIS；道路結(jié)冰

中圖分類號(hào)：F323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）01–0-03

道路結(jié)冰是指雨、雪、凍雨或霧滴降落至溫度低于0 ℃的路面而出現(xiàn)的結(jié)冰現(xiàn)象。在低溫環(huán)境下，高速公路雨水、路面積水、積雪融水，甚至霧凝結(jié)等都會(huì)形成道路結(jié)冰。由于存在冰層，摩擦系數(shù)迅速減小，車輛行駛穩(wěn)定性與車輛的制動(dòng)性、驅(qū)動(dòng)性極差[1]，尤其在橋梁、隧道、上下縱坡、彎道和風(fēng)口等特殊路段，極易發(fā)生交通事故。近年來，湖南省的高速路網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，但由于是凍雨災(zāi)害高發(fā)省份，道路結(jié)冰是湖南省主要交通氣象災(zāi)害之一。例如：2008年初，50年一遇的罕見冰凍災(zāi)害性天氣導(dǎo)致湖南省全省大面積的交通設(shè)施癱瘓；2018年12月8日19時(shí)許，二廣高速益陽段受小雨低溫天氣影響，橋面結(jié)冰導(dǎo)致路面濕滑，間斷發(fā)生4起交通事故，共造成8人死亡。根據(jù)宋建洋等[2]的統(tǒng)計(jì)，2014—2018年重大公路氣象預(yù)警期間，湖南省境內(nèi)高速公路累計(jì)阻斷里程超過10 000 km。

開展道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析，可以提升交通氣象災(zāi)害預(yù)警能力，增強(qiáng)對(duì)于交通氣象安全保障的宏觀了解與總體把握，為高速公路的建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。歐美多國主要以數(shù)值模擬方法開展路面溫度與狀態(tài)預(yù)報(bào)[3]，國內(nèi)不少專家學(xué)者開展了道路結(jié)冰預(yù)報(bào)模型和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方法研究[4-8]，顧婷婷等 [9-11]分別對(duì)浙江省、貴州省、寧夏地區(qū)道路結(jié)冰災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與分析。目前，針對(duì)湖南省交通氣象災(zāi)害評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究較少。在當(dāng)前安全交通、智慧交通的迫切要求下，全面認(rèn)識(shí)和恰當(dāng)評(píng)估交通氣象災(zāi)害，使得從源頭上規(guī)避災(zāi)害、減少損失變?yōu)榭赡?。下面?nèi)容從風(fēng)險(xiǎn)角度基于AHP-GIS，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、地理信息、交通管制信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，將各因素和指標(biāo)進(jìn)行量化，對(duì)湖南省道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)性評(píng)估。

1 方法說明

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究原則，選取影響道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的主要要素，包括致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感度、承災(zāi)體易損性和承載體抗災(zāi)能力等四個(gè)因子，為了消除各指標(biāo)的量綱差異，對(duì)每一個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，歸一化方法如下：

式（1）中，Sij是j站（格）點(diǎn)第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值，kij是j站（格）點(diǎn)第i個(gè)指標(biāo)的真實(shí)值，kmin和kmax分別是第i個(gè)指標(biāo)值中的最小值和最大值。

評(píng)價(jià)因子指數(shù)的計(jì)算采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，即通過層次分析法（AHP）確定各因子的權(quán)重來綜合考慮各指標(biāo)對(duì)總體對(duì)象的影響程度，采用數(shù)量化指標(biāo)加以集中表示整個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響，建立道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型[12]：

式（2）中，RIj為道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Sij（=1，2，3，4）

分別代表致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體易損性、抗災(zāi)能力因子指數(shù)，ωi是相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

綜合致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體易損性、承災(zāi)體抗災(zāi)能力四個(gè)方面的歸一化數(shù)據(jù)，根據(jù)專家打分的權(quán)重結(jié)果，得到道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，使用ArcGIS軟件將道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃按5級(jí)分區(qū)進(jìn)行劃分，即極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

2 孕災(zāi)環(huán)境分析

湖南地形復(fù)雜，地勢(shì)屬于云貴高原向江南丘陵和南嶺山地向江漢平原的過渡地帶；境內(nèi)東、南、西三面山地環(huán)繞，中部和北部地勢(shì)低平，形成向東北開口的不對(duì)稱的馬蹄形；省內(nèi)河網(wǎng)密布，河流侵蝕切割導(dǎo)致地面崎嶇。坡向分布極不均勻，這也為道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)分析增加了難度。

湖南凍雨發(fā)生的頻率與地形、坡向存在顯著關(guān)系。海拔較高地區(qū)凍雨天氣出現(xiàn)頻率高，如湘西武陵山脈、雪峰山脈，湘南南嶺山脈等。影響湖南的冷空氣主要有西路、北路、東路三條路徑，最容易產(chǎn)生凍雨的為東路冷空氣，可以認(rèn)為湖南最有利于發(fā)生冰凍的坡向?yàn)闁|北向，其次為北向、西北向、東向，再次為平地，最不利為南坡向。根據(jù)專家打分法確定9個(gè)坡向權(quán)重（表1）。

對(duì)湖南道路結(jié)冰災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境主要影響因子進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，地形為主導(dǎo)因子，地形坡向?yàn)榇我蜃?。根?jù)專家打分對(duì)地形和地形坡向兩大因子按照3∶1進(jìn)行權(quán)重賦值，再加權(quán)平均得到孕災(zāi)環(huán)境因子脆弱性指數(shù)（圖1），可見湘西、湘南、湘東北高山地區(qū)具有更好的孕災(zāi)環(huán)境，僅在湘北洞庭湖平原有較完整的大片低值區(qū)。

3 致災(zāi)因子分析

采集湖南省96個(gè)氣象臺(tái)站1986—2015年的冬季（12月—次年2月）日最低氣溫、日降水量和2005—2011年共7年的凍雨數(shù)據(jù)，并提取日最低氣溫低于0 ℃日數(shù)、冬季降水日數(shù)和雨凇日數(shù)的年平均頻率。對(duì)三個(gè)影響道路結(jié)冰的致災(zāi)因子進(jìn)行歸一化，根據(jù)5∶3∶2的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算致災(zāi)因子指數(shù)，利用自然斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行分級(jí)處理，得到湖南省道路結(jié)冰致災(zāi)因子主要影響分布圖（圖2），可看出湖南省最易發(fā)生凍雨災(zāi)害的區(qū)域主要在高山地區(qū)，如郴州、懷化、邵陽等地。

4 易損性分析

災(zāi)害易損情況即結(jié)冰導(dǎo)致道路中斷發(fā)生的概率，湖南省交警總隊(duì)的湖南高速阻斷數(shù)據(jù)可直觀地反映道路易遭受結(jié)冰災(zāi)害的程度。根據(jù)記錄可知，2018—2020年共6次雨雪冰凍過程造成道路阻斷：2018年1月15日—2月7日、2018年12月8—11日、2018年12月27日—2019年1月4日、2019年2月5—11日、2019年2月17—21日、2020年2月15—16日。以縣域?yàn)閱挝唤y(tǒng)計(jì)因道路結(jié)冰引起高速公路阻斷的發(fā)生率，得到各縣的易損性分布圖（圖3），可以看出湖南省內(nèi)最易發(fā)生道路結(jié)冰交通阻斷的是新邵縣、鳳凰縣、永順縣、寧鄉(xiāng)市、益陽市轄區(qū)、桃江縣、新化縣、汝城縣、郴州市轄區(qū)、岳陽市轄區(qū)、張家界市轄區(qū)。

5 抗災(zāi)能力分析

為應(yīng)對(duì)災(zāi)害造成的損失，需要當(dāng)?shù)卣{(diào)用各類資源，而經(jīng)濟(jì)水平能直接反映該區(qū)域應(yīng)對(duì)各類自然災(zāi)害的能力，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平則越高抗災(zāi)能力越強(qiáng)，因此以縣市區(qū)人均GDP代表各區(qū)域的抗災(zāi)能力。利用湖南省統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2021年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒資料，對(duì)其中2020年各縣區(qū)市人均GDP進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，湖南省各地區(qū)人均GDP分布極不平衡，最高的長沙市與最低的龍山縣相差將近7倍，采用式（1）對(duì)全省各縣市區(qū)人均GDP做歸一化處理，得到湖南省各區(qū)域的道路結(jié)冰自然災(zāi)害抗災(zāi)能力情況圖（圖4）。從圖中可知，抗災(zāi)能力最高的屬長沙市、岳陽市等，主要集中在湘東各市轄區(qū)，抗災(zāi)能力最差的地區(qū)主要有湘西州、邵陽市等。

6 道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析

根據(jù)專家打分，道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中各因子的貢獻(xiàn)排序由大到小依次為：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＞承災(zāi)體抗災(zāi)能力。在高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，危險(xiǎn)性的比重最大，為40%～45% ，承災(zāi)體脆弱性占比20%左右，最小的是防災(zāi)減災(zāi)能力，平均在8% 左右[13]。以上各評(píng)價(jià)因子權(quán)重分別按4∶3∶2∶1代入公式（2）進(jìn)行計(jì)算，各指標(biāo)的權(quán)重見表2。將計(jì)算得到的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)利用ArcGIS軟件進(jìn)行分析，得到湖南省道路結(jié)冰災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，并將其劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)共5個(gè)級(jí)別（圖5）。

結(jié)果表明：湖南省道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占全省面積的13.4%，主要分布在北部洞庭湖平原；一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占全省面積的28.3%，主要集中在衡邵盆地；中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍最大，占全省面積的31%，分布于湘中、湘西的丘陵地帶；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占全省面積的20.1%，主要分布在湘西、湘南、湘東的邊遠(yuǎn)山區(qū)；極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比最小，為7.2%，主要分布在湘西、湘南地勢(shì)最高的地區(qū)。中等以上風(fēng)險(xiǎn)面積占比58.3%，可見湖南易受道路結(jié)冰災(zāi)害影響的面積較大，一旦發(fā)生道路結(jié)冰，極有可能造成較明顯的災(zāi)害。

通過疊加湖南省高速公路GIS地圖，可知高風(fēng)險(xiǎn)路段位于G76廈蓉高速郴汝段，G0422武深高速炎汝段，S50長芷高速龍瑯段，G65包茂高速通道段，G60滬昆高速洞口-洪江段，G55二廣高速安化段、漣源-邵陽段，G56杭瑞高速鳳凰段。冬季雨雪冰凍過程中，道路養(yǎng)護(hù)、交通管制等部門需做好重點(diǎn)防范。

7 結(jié)論

（1）道路結(jié)冰孕災(zāi)環(huán)境的高脆弱區(qū)主要位于湘西、湘南、湘東北高山地區(qū)，僅在湘北洞庭湖平原有較完整的大片低值區(qū)。

（2）湖南省道路結(jié)冰致災(zāi)因子危險(xiǎn)性在郴州、懷化、邵陽等高海拔山區(qū)影響最大。承載體易損性在新邵縣、鳳凰縣、永順縣、寧鄉(xiāng)市、益陽市轄區(qū)、桃江縣、新化縣、汝城縣、郴州市轄區(qū)、岳陽市轄區(qū)、張家界市轄區(qū)較高?？篂?zāi)能力大致自東向西遞減，最高屬長沙市、岳陽市等區(qū)域，最差的主要有湘西州、邵陽市等地區(qū)。

（3）就總體評(píng)估而言，湖南易受道路結(jié)冰災(zāi)害影響的面積較大，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于湘西、湘南的山區(qū)。具體路段包括：G76廈蓉高速郴汝段，G0422武深高速炎汝段，S50長芷高速龍瑯段，G65包茂高速通道段，G60滬昆高速洞口-洪江段，G55二廣高速安化段、漣源-邵陽段，G56杭瑞高速鳳凰段，需做好重點(diǎn)防范。

參考文獻(xiàn)

[1] 張利，汪林.不利氣象條件對(duì)公路交通安全的影響及對(duì)策[J].公路交通科技，2011，28（S1）：120-123，153.

[2] 宋建洋，李怡，張恒通，等.惡劣天氣對(duì)高速公路交通阻斷影響分析[J].公路.2021，66（6）：248-255.

[3] 田華，張楠，張楷翊，等.國外公路交通氣象研究進(jìn)展[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，35（3）：79-86.

[4] 柳艷香，潘進(jìn)軍，田華，等.高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法簡介[J].氣象科技進(jìn)展.2017，7（6）：18-21.

[5] 吳義虎，劉文軍，肖旗梅.高速公路交通安全評(píng)價(jià)的層次分析法[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（2）：7-11.

[6] 孫璐，周正兵，金姣萍，等.基于模糊熵和AHP的山區(qū)公路交通氣象安全評(píng)價(jià)[J].公路交通科技， 2011，28（12）：138-144.

[7] 崔海蓉，費(fèi)金峰，田華，等.基于k-means-RM的氣象條件對(duì)交通阻斷的影響評(píng)估[J].公路，2021，66（11）：227-233.

[8] 柳艷吞，潘進(jìn)軍，田華.高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警研究[M]//中國科協(xié);國家減災(zāi)委員會(huì)專家委員會(huì).2017年國家綜合防災(zāi)減災(zāi)與可持續(xù)發(fā)展論壇論文集.2017.

[9] 顧婷婷，潘婭英，駱月珍.浙江省高速公路低溫雨雪冰凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，32（3）：102-106.

[10] 汪超，羅喜平.基于GIS的貴州省道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析[J].高原山地氣象研究，2017，37（3）：71-77.

[11] 武萬里，緱曉輝，劉垚.基于GIS的高速公路道路結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)[J].華北自然資源，2021（2）：134-136.

[12] 章國材.氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃方法[M].北京：氣象出版社，2010.

[13] 柳艷香，郜婧婧，李藹恂，等.AHP法不同行業(yè)專家咨詢結(jié)果差異的對(duì)比分析[J].公路，2017，62（6）：186-192.