新疆高速公路风害防控技术研究*

马淑红 张云惠 马韫娟 戈峰 程鹏 韦振勋 薛万新

1. 北京大学，北京 100871；2. 新疆气象台，乌鲁木齐 830002；3. 清华大学，北京 100084；4. 国家发改委宏观院，北京 100037；5. 新疆公路规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830002

新疆高速公路风害防控技术研究*

马淑红1张云惠2马韫娟3戈峰4程鹏5韦振勋5薛万新5

1. 北京大学，北京 100871；2. 新疆气象台，乌鲁木齐 830002；3. 清华大学，北京 100084；4. 国家发改委宏观院，北京 100037；5. 新疆公路规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830002

选取新疆高速公路沿线100多个气象台站近50年（1961～2010年）风向、风速资料，以及沿线7个6要素5层梯度风1年（2009～2010年）风监测资料、10个铁塔梯度风和30个大风监测站近10年（2001～2010年）监测资料，应用气象模式和极值Ⅰ概率模式计算出高速公路沿线100m×100m空间网格点上距路面4m高度处最大瞬时风速，结合线路走向与强风主风向之间夹角，确定高速公路沿线强横风警戒区间。研究结果表明：新疆高速公路五横布局中的百里风区强横风区间大风日数在157～209d，是我国乃至世界高速公路风害最严重的区间之一。阿拉山口风区、三十里风区、达坂城风区强横风区间次之，年平均大风日数148～155d。公路平原绿洲区间的风害最少，年平均大风日数不足10d。沙漠公路中部大风日数多于盆地边缘绿洲区间。高速公路强风区间短时间内瞬时风速随时间变化增量在±5.0m/s之间，最大瞬时风速随时间变化遵循正弦波周期。新疆高速公路沿线风害5大区域中以特强重大危险区和强重大危险区危害区危害最大。研究提出了新疆“五横七纵”高速公路风害防控技术主要包括：风害防控信息管理技术、防风栅防护技术。因此本项研究对于制定全国高速公路风害防控技术和安全行车技术标准及防灾减灾具有一定的指导意义。

高速公路沿线；大风规律；风害防控技术

大风天气对公路建设和养护以及安全行车影响很大。分析研究新疆高速公路沿线大风规律以及防控技术，对确定强横风区间和防护对策以及安全行车技术标准具有重要科学意义和工程价值。

新疆短期预报指导手册中张家宝曾利用72个气象台站30年（1951～1980年）大风资料统计分析新疆大风的气候特征[1]。马淑红曾用古尔班通古特沙漠地区及周围20个气象站45a（1961～2005a）历史资料，结合古尔班通古特沙漠北部、中部、南部3个5层梯度风近5年（2001～2005年）风监测资料，分析了古尔班通古特沙漠瞬时最大风速时空分布特征[2]。马韫娟等对我国高速铁路、高速公路风害的防控等方面做了大量的研究[3-9]。然而，对新疆高速公路沿线大风规律防控技术研究目前尚未见报道。

本文利用了新疆公路沿线100多个气象台站近50年（1961）风向、风速资料，以及沿线7个6要素5层梯度风1年（2009～2010年）风监测资料、10个铁塔梯度风和30个大风监测站近10年（2001～2010年）监测资料。在大量的野外监测珍贵资料分析基础上，计算出高速公路沿线100m×100m空间网格点上距路面4m高度处最大瞬时风速，系统分析新疆公路沿线大风规律，提出了新疆“五横七纵”高速公路风害防控技术由风害防控信息管理技术、防风栅防护技术组成。为高速公路强横风天气安全行车提供技术保障。

1 资料来源与方法

1.1 资料选取

依据《地面气象观测规范》有关标准[10]和公路桥梁抗风技术标准[11]，选取新疆公路沿线107个气象台站近50a（1961a～2010a）最大和极大风速、风向资料，以及沿线7个6要素（风向、风速、温度、湿度、气压、雨量）5层（0.15m、0.5m、2.0m、3.0m、4.0m）梯度风监测站1年最大和极大风速、风向监测资料、10个铁塔梯度风监测站和30个大风监测站近10年（2001年～2010年）最大和极大风速、风向数据。

1.2 资料对比分析

本文采用工程气象学、流体力学、风监测技术、公路工程技术、空气动力学相结合方法，以新疆公路沿线100多个气象台站近50年（1961～2010）最大风速、极大风速资料为基础，结合沿线7个6要素5层梯度风1年监测资料、10个铁塔梯度风和30个大风监测站近10年（2001年～2010年）监测站最大风速、极大风速资料，进行相关对比分析，结果表明：新疆“五横七纵”高速公路沿线气象台站10m高度处的最大瞬时风速与沿线梯度风监测站4m高度处最大瞬时风速，以及30个大风监测站最大瞬时风速具有空间相关性，相关系数在0.4501～0.9897，均通过显著性检验。如七角井气象站与十三间房气象站10m高度处最大风速进行对比分析，相关显著，相关系数为0.6769，k系数为1.58，七角井气象站与十三间房气象站的站号相同，但是站址搬迁后的最大风速平行观测对比分析结果表明：十三间房气象站最大风速比七角井气象站偏大1.58倍。这与建筑结构荷载规范中与风向一致山口地形订正系数基本一致。经分析用前后两站的对比观测资料，结合前后两段最大风速的比值系数来处理前段风速资料，使该站风速资料成为连续系列。从而证实本研究采用工程气象学、流体力学、风监测技术、公路工程技术、空气动力学等相结合方法是科学合理的。

1.3 强风、大风标准的确定

本文中强风、大风的标准是根据“公路风害防控技术研究课题和公路风害防控信息管理技术规则和预警标准制定，强风定义：当风力达6级（瞬时风速达到≥10.8m/s）的风称为强风[12]。大风定义：当风力达8级（瞬时风速达到≥17.0m/s）的风称为大风日数。公路沿线气象台站和铁塔监测站大风日数是指10m高度处3s平均风速达到≥17.0的天数，高速公路沿线梯度风监测站大风日数是指4.0m高度处3s平均风速达到≥17.0m/s的天数。

1.4 气候倾向率计算方法

年平均大风日数的气候倾向率采用一次线性方程表示，方程如下：

式中Ti为年平均大风日数，ti为时间。b×10为气候倾向率，表示为年平均大风日数每10年变化率b=d/10。相关系数r可作为年平均大风日数变化趋势显著性检验的判别依据。

2 大风规律

2.1 公路沿线大风规律

新疆地域辽阔，地形地貌具有“三山夹二盆” 的独特特征，构筑“五横七纵”高速、高等级公路网，其中“五横”基本是E～W走向，“七纵”基本是S～N走向。在特殊地形环境影响下，每次冷空气南下都可造成强劲风力，特别是线路走向与主风向之间夹角垂直的强横风，对社会生产以及交通运输等造成不利影响，给经济带来严重损失。

近50年大风资料研究结果表明：新疆五横七纵高速公路沿线大风日数的分布特征受天气系统和地形影响的制约，以山口、垭口、峡谷、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风和大风日数最多。其中五横第一横的百里风区强横风区间风害最严重，是我国乃至世界高速公路风灾最严重的区间之一，年平均大风日数在157d～209d，以十三间房气象站大风日数最多，年平均大风日数209d，2010年大风日数达到224d，高速公路百里风区红山口的年平均大风日数157d，以红山口为中心向东西递减。阿拉山口风区、三十里风区、达坂城风区强横风区间次之，年平均大风日数148～155d。公路沿线平原绿洲区间风害最少，年平均大风日数不足10d，沙漠公路中部大风日数多于盆地边缘绿洲区间。

2.2 公路沿线年平均大风日数随年代变化趋势

新疆公路沿线除个别区间年平均大风日数随年代呈现增加趋势外，大多数区间年平均大风日数随年代呈现递减趋势，这与王旭等[13-14]的新疆大部分地区年大风日数随年代呈现递减趋势相一致，这主要由于主要是北方冷空气活动减弱和公路绿洲区间植树造林防风效应所致；百里风区戈壁路段大风强度增加和大风日数随年代变化趋势呈现增加趋势，变化率b＝20.0/10a，这主要由于全球气候变暖，戈壁地带温度增高，地形导致气压梯度增大所致。

2.3 大风日数月分布

春秋季冷暖空气交替频繁，地区间气压梯度加大，常出现强劲的大风。夏季气层不稳定，多阵性大风天气，新疆高速公路大多数区间一年中以3～9月大风最多，占全年大风日数70%～90%以上。其中五横七纵百里风区十三间房18d～25d，红山口14d～20d，达坂城区间和三十里风区强横风区间为11d～20d，如图1a所示。阿拉尔一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右，如图1b所示。

2.4 最大瞬时风速随时间变化及周期特征

掌握强风随时间变化规律，是为了保障不同类型汽车在强横风天气安全行车。因此，必须在不同类型汽车进入警戒区域前，依据短时内最大瞬时风速增加量，确定不同类型汽车在警戒区间内是控速、还是停车。根据芬兰WXT520超声波6要素传感器、热场式风向风速传感器、三杯式风向风速传感器，对新疆高速公路强横风区间进行风监测表明：以芬兰WXT520超声波6要素风向风速传感器精度最高。其次是三杯式风速传感器，但存在长期维修的隐患。热场式风向风速传感器雷雨大风偏大5m/s～10m/s，寒潮大风偏低3m/s～5m/s。新疆高速公路强横风区间短时间内瞬时风速随时间变化增量在±5.0m/s之间，最大瞬时风速随时间变化遵循正弦波周期。

图1 新疆五横七纵百里风区沿线、阿和沙漠公路沿线各月大风日数曲线图

图2 强横风区间不同风向下不同类型汽车倾覆临界风速

2.5 强风主风向对安全行车影响

强横风定义：瞬时风速达到10.8m/s以上，线路走向与强风主风向之间夹角在75～95°之间，称为强横风。强横风区间瞬时风速达到倾覆翻车临界风速是造成不同类型汽车倾覆翻车的主要和直接原因。因此，强风主风向与线路走向之间夹角以及最大瞬时风速是高速公路沿线汽车安全行车标准中的重要参数之一。

新疆高速公路沿线全年强风玫瑰图分析结果表明：新疆高速公路沿线受强横风影响的区间主要分布在百里风区区间、三十里风区高路堤弯道强横风区间、玛依塔斯等强横风区间，上述区间风季常常出现倾覆翻车事故，对安全行车影响很大。为了确定强横风区间不同风向下不同类型汽车倾覆翻车临界风速，选取新疆高速公路百里风区强横风区间进行监测，结果表明：高速公路百里风区强横风区间不同主风下大客车、大货车倾覆临界风速为25.0m/s；中型客车17.0m/ s；小客车倾覆临界风速为12.0m/s，如图2所示。

3 强横风区间确定

应用气象模式和气流分析及极值Ⅰ型概率模式计算出高速公路沿线1km×1km空间网格点上最大风速设计值，再将空间分布与沿线各里程的强风系数、路堤高和桥高增速系数、不同下垫面特征下幂指数相结合，建立距路面4m高度处任意里程100m×100m空间网格点上最大瞬时风速预测模式，结合线路走向与强风主风向之间夹角和不同车型倾覆临界风速，从而确定高速公路沿线强横风警戒区间。综上所述，高速公路不同类型汽车倾覆翻车事故主要由于强横风天气条件下瞬时风速达到临界风速所致，因此以最大瞬时风速2年一遇为“风害风险区划”指标的核心技术方法之一，为风害等级阈值划分提供科学依据。

4 公路风害风险评价及防控技术

采用三级区划指标体系（年平均大风日数、最大瞬时风速2年一遇设计值、四季大风日数占全年百分比），等概率分区原则[15-16]，将新疆高速公路沿线风害危险分为5个大区，分别用罗马字符文字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示：Ⅰ特强重大危险区、Ⅱ 强重大危险区、Ⅲ重大危险区、Ⅳ 中度危险区、Ⅴ较轻危险区。新疆高速公路沿线风害五大区域中以特强重大危险区和强重大危险区危害最大。提出了新疆“五横七纵”高速公路风害防控技术主要包括：风害防控信息管理技术、防风栅防护技术。因此本项研究对于制定全国高速公路风害防控技术和安全行车技术标准及防灾减灾有一定指导意义。

5 结语与建议

5.1 新疆五横七纵高速公路沿线大风日数的分布特征受天气系统和地形影响的制约，以垭口、峡谷、山口、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风和大风日数最多。其中五横第一横的百里风区强横风区间大风日数在157d～209d，是我国乃至世界高速公路风害最严重的区间之一。

5.2 新疆高速公路大多数区间一年中以3～9月大风最多，五横第一横百里风区十三间房18d～25d，红山口14d～20d，达坂城区间和三十里风区强横风区间为11d～20d。阿拉尔一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右。

5.3 新疆高速公路强横风区间风监测结果表明：以芬兰WXT520超声波6要素风向风速传感器精度最高。其次是三杯式风速传感器，但存在长期维修的隐患。热场式风向风速传感器雷雨大风偏大5m/s～10m/s，寒潮大风偏低3m/s～5m/s。建议采用芬兰WXT520超声波6要素风向风速传感器。

5.4 高速公路强风区间短时间内瞬时风速随时间变化增量在±5.0m/s之间，最大瞬时风速随时间变化遵循正弦波周期。

5.5 新疆高速公路沿线全年强风玫瑰图分析结果表明：新疆高速公路沿线受强横风影响的区间分布在百里风区区间、三十里风区高路堤弯道强横风区间、玛依塔斯强横风区间、克拉玛依至乌尔禾强横风区间等。上述区间风季常常出现倾覆翻车事故，对安全行车影响很大。

5.6 新疆高速公路沿线风害5大区域中以风害特强重大危险区和强重大危险区的强横风区间风害最严重。建议采取防风栅防护措施和风害防控信息管理技术。

[1]张家宝.新疆短期天气预报指导手册［M］.乌鲁木齐：新疆人民出版社，1986，271～313

[2]马淑红，戈峰，陈晓光，薛洁，云娟.古尔班通古特沙漠瞬间最大风速时空分布特征[J].资源科学，2009，29（4）：46～53

[3]马淑红，马韫娟. 瞬时风速对高速列车安全运行的影响及其控制[J]. 铁道工程学报，2009，01：11～16

[4]马志福，周晓斌，马韫娟等. 我国高速列车强横风防风措施及对策研究，中国科技信息，2011，06：211～216

[5]马韫娟，马淑红. 我国高速铁路客运专线桥梁设计风速研究[J]. 铁道技术监督，2009，37（10）：34～37

[6]马淑红，马韫娟，李健群等. 京津城际CRH3动车组大风天气条件下安全行车技术参数研究[J]. 铁道技术监督，2009，37（2）：7～12

[7]马淑红，马志福. 瞬时最大风速对京津城际CRH3动车组行车安全影响[J].中国科技信息，2008，21：285～286

[8]马淑红，马韫娟等. 我国高速铁路沿线强风区间的确定方法及风险评估[J]. 铁道工程学报，2011，03：37～45

[9]马韫娟，韦振勋，陈飞捷，马淑红等. 连霍高速公路百里风区柔性防风阻沙栅布设方案研究[J]. 中国科技信息，2010，20：23～27

[10]中华人民共和国行业规范《地面气象观测规范》，北京气象出版社，2003

[11]中华人民共和国推荐性行业标准《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004），人民交通出版社，2004

[12]马韫娟，马淑红，张云惠，戈峰，李剑，薛万新. 新疆高速公路强横风区间安全行车对策研究.干旱区地理，2012，35（2）：210～221

[13]王旭，王健，马禹. 新疆大风天气过程的特点[J]. 沙漠与绿洲气象（新疆气象），2002，25（2）：4～6

[14]王旭，马禹. 新疆大风的时空统计特征[J]. 沙漠与绿洲气象（新疆气象），2002，25（1）：1～3

[15]马淑红，李振山，刘涛，冯立群. 新疆公路沿线近50年来湿润指数区域特征及变化趋势[J].干旱区地理，2009，32（5）：746～752

[16]马淑红，吴彦，赵晓风等. 新疆高速公路夏季高温爆胎阈值研究[J].中国科技信息，2009，18：275～277

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.013

交通运输部科技项目（编号：2009318000024）