宁夏高速公路大风灾害风险评价

马 蕾，刘 垚，武万里，缑晓辉，苏占胜

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002)

引 言

高速公路交通的安全运营极易受灾害性天气的影响[1-4]，随着高速公路里程数、车辆出行量及货物运输量的增加，灾害性天气造成的高速公路重、特大交通事故不仅对高速公路交通产生恶劣影响，还严重威胁人民的生命财产安全[5-6]。大风作为一种常见的公路交通气象灾害，除了直接影响车辆行驶的稳定、抗侧翻及抗侧滑移性能外[7-8]，还可造成道路两侧护栏、指示牌等基础设施破坏，引起的扬沙、浮尘、沙尘暴等天气，更会影响驾驶员的正常操作和判断。因此，开展大风交通灾害风险评估与区划，有利于提高交通安全运营管理能力[9-12]。

目前，对于大风天气的研究多侧重于大风集中程度[13]、大风日数的时空变化[14-16]及风向特征[17]等方面。基于大风灾害对公路交通影响的研究，多是与交通事故的作用原理和关系等方面，研究发现由大风引发交通事故的概率与风向、风速有关，还与汽车行驶时所处的地形和环境有关[18-22]。而目前，针对公路交通所开展的大风灾害风险评估和区划研究成果甚少，评估方法和模型尚在研究探索中，如有研究从危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力方面构建我国高速公路大风灾害风险评估模型并计算风险指数，对我国高速公路大风灾害风险进行了区划[23]，又如在新疆地区[24]，使用三级区划指标体系和等概率区分原则，将新疆高速公路的风灾划分为5个危险区。

宁夏地处西北，大风是引发交通安全事故影响高速公路安全运营的主要灾害性天气。本文以宁夏高速公路为区划对象，在ArcGIS的空间信息技术支持下，选取大风日数(6级、7级、8级、9级及以上)、车流量、道路密度、地形高度、河网密度、桥涵个数、桥涵密度、植被覆盖度等14个评价指标构建模糊综合评价模型，从致灾因子、孕灾环境、承灾体3个方面入手，开展宁夏高速公路大风灾害风险评估与区划研究，以期为宁夏高速公路的防灾减灾工作提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

所用资料包括：(1)宁夏24个气象站1981—2016年逐日风速数据；(2)宁夏公路局提供的桥涵、交通路网资料；(3)国家基础地理信息中心提供的河网、行政区划等资料；(4)中国科学院资源环境科学数据中心提供的植被指数(NDVI)、GDP空间分布、人口空间分布；(5)车流量来源于2016年宁夏交通信息中心流量整编资料；(6)SRTM国际科学数据服务平台免费网站(http://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/)提供的SRTM 90 m高程数据。

1.2 数据处理

按照风力等级划分，根据各气象站日最大风速，统计6级(10.8～13.8 m·s-1)、7级(13.9～17.1 m·s-1)、8级(17.2～20.7 m·s-1)、9级及以上(≥20.8 m·s-1)大风日数。

分析大风灾害风险之前，为消除各指标之间的量纲差异[25]，对每个指标值进行归一化处理，具体公式如下：

(1)

1.3 研究方法

影响高速公路大风灾害的因素众多，由于各个因素的不易定量性和复杂性，对分析和区划结果的贡献大小略有不同。因此，基于GIS构建模糊综合评价模型[26-27]，从致灾因子(诱发高速公路大风灾害的因子)、孕灾环境(形成高速公路大风灾害的环境)、承灾体(受灾环境)三方面入手，采用层次分析法(analytic hierarchy process，简称“AHP”)确定影响宁夏高速公路大风灾害各因子的权重，以分析其综合风险。

选取大风日数(6级、7级、8级、9级及以上)、GDP空间分布、车流量、道路密度、人口密度、地形高度、河网密度、坡度、桥涵个数、桥涵密度、植被覆盖度14个相关影响因子作为区划指标集，构建模糊综合评价模型，利用层次分析法确定各指标的权重，当检验系数CR<0.1时，则通过一致性检验。对各评价指标层进行加权合成，具体公式[28]如下：

(2)

结合GIS空间分析法，得到区划结果，并将其按照自然段点法分区划分5级，对致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性按照高、次高、中等、次低、低进行区划。最终对宁夏高速公路大风风险按照高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区、低风险区进行区划。

2 结果分析

2.1 致灾因子危险性

对于高速公路交通运行而言，大风强度是衡量高速公路受大风影响的轻重程度，大风出现频率则反映高速公路受大风影响的频繁程度[29]。以6、7、8、9级及以上大风日数作为致灾因子评价指标。图1为1981—2016年宁夏6、7、8、9级及以上大风日数空间分布。可以看出，大风日数在空间分布上存在明显差异，且随着风速等级的提高，大风日数逐渐降低，其中6、7、8级大风日数由北向南均呈先减小后增加又减小的趋势。6级大风日数高值区位于石嘴山市西北部和吴忠市东南部(147.4～181.3 d)；次高值区位于石嘴山市北部、吴忠市东南部及中卫市中部(123.3～147.3 d)。7级大风日数的高值区位于石嘴山市北部和吴忠市东南部(63.2～92.7 d)；次高值区位于石嘴山市北部、吴忠市东南部、中卫市中部(47.9～63.1 d)。8级大风日数高值区位于石嘴山市东北部、吴忠市东南部(26.5～40.3 d)；次高值区位于石嘴山市北部、吴忠市东南部(17.7～26.4 d)。9级及以上大风日数高值区位于石嘴山市东北部、吴忠市东南部(9.0～13.2 d)；次高值区位于石嘴山市北部、吴忠市东南部(5.8～8.9 d)。

将影响致灾因子危险性的各因子进行归一化处理，用AHP方法，得各自的权重系数分别是0.1638、0.2145、0.2970、0.3247，采用公式(2)加权，得到宁夏高速公路大风灾害致灾因子危险性区划图(图2)。可以看出，京藏高速石嘴山市北段的大风危险性高，石嘴山市北部位于贺兰山北部山口地区，常年多大风天气，且风力等级较高，因此受大风影响高。京藏高速中卫段、福银高速中卫—吴忠段、定武高速吴忠—中卫东段、同海高速大部路段均地处贺兰山南部山口狭长地带，因此受大风的影响中等；其他路段受大风影响较低，危险性不高。

图1 1981—2016年宁夏6级、7级、8级、9级及以上大风日数空间分布(单位：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 孕灾环境敏感性评价

对于高速公路大风灾害，孕灾环境是指自然环境对于高速公路大风灾害形成和发展的影响，如地形、河网密度、坡度、桥涵、植被等[30]。因此，影响宁夏高速公路大风灾害孕灾环境敏感性的主要因子为：地形高程(地势)、河网密度、坡度、桥涵个数、桥涵线密度、植被覆盖度。采用AHP法，得到影响宁夏高速公路大风灾害孕灾环境敏感性的各因子的权重系数分别是0.1274、0.1141、0.1523、0.2353、0.2561、0.1148，采用公式(2)，得到宁夏高速公路大风灾害孕灾敏感性分布(图3)。可以看出，固原市南部位于六盘山东坡，六盘山呈东南—西北走向，东坡陡峭，且道路多在山上，山路曲折，且桥涵数量多，因此该区域的福银高速固原南段、青兰高速固原段孕灾环境敏感性多为次高或者高；银川、吴忠两市北部、石嘴山市中北部位于贺兰山东坡的平原地区，贺兰山呈东北—西南走向，山脉东坡面临银川平原，黄河干流及其支流密集，桥涵个数较多，因此区域内京藏高速石嘴山中段和银川—吴忠北段、古青高速全段的敏感性中等；中卫市西北部位于贺兰山南部狭长的风口地段，植被覆盖率低，且黄河干流途经此地，因此区域内定武高速中卫段大部敏感性中等；吴忠、中卫两市南部位于中部干旱地段，河网密度低，植被覆盖率低，随着海拔升高大风日数多且风速较大，因此区域内福银高速吴忠—中卫南段敏感性中等；而银川市东南部、吴忠市中东部地势平坦，河网及桥涵分布少，因此区域内高速公路敏感性低。

图2 1981—2016年宁夏高速公路大风灾害致灾因子危险性区划Fig.2 Risk zoning of gale disaster-causing factors on expressway in Ningxia during 1981-2016

图3 1981—2016年宁夏高速公路大风灾害孕灾环境敏感性分布Fig.3 Spatial distribution of environmental sensitivity to gale disaster on expressway in Ningxia during 1981-2016

2.3 承灾体易损性评价

对于高速公路大风灾害，承灾体易损性是指承受大风灾害的高速公路在灾难降临时所受到损失量的大小[31]。影响承灾体易损性的主要因子包括：该区域的人口密度、车流量、道路密度、GDP。用AHP法，得到各因子的权重系数分别是0.2552、0.2675、0.2344、0.2429。综合各承灾体因子的影响，利用公式(2)，得到宁夏高速公路大风灾害承灾体易损性区划图(图4)。可以看出，在车流量大、人口密度高、GDP高的影响下，京藏高速银川段、青银高速银川段的大风灾害易损性次高到高；京藏高速石嘴山段和吴忠—中卫段、青银高速吴忠段、定武高速中卫段、福银高速固原市北段，大风灾害易损性中等；而其他高速路段易损性等级较低。

图4 1981—2016年宁夏高速公路大风灾害承灾体易损性分布Fig.4 Spatial distribution of vulnerability of gale disaster-bearing body on expressway in Ningxia during 1981-2016

3 宁夏高速公路大风灾害风险区划

选取影响宁夏高速公路大风灾害的14个评价指标(包括大风日数、GDP空间分布、车流量、道路密度、人口密度、地形高度、河网密度、坡度、桥涵个数、桥涵密度、植被覆盖度)，从致灾因子、孕灾环境、承灾体三方面，构建模糊综合评价模型，采用层次分析法确定各指标的权重(表1)，利用自然断点法将宁夏高速公路划分为高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区、低风险区5个风险区域，通过GIS空间分析法绘制出宁夏高速公路大风灾害风险区划图(图5)。可以看出，宁夏高速公路大风灾害风险石嘴山市北部和吴忠市南部高、区内中北部和南部低。其中，高风险区位于石嘴山市北部，途经此处的京藏高速(G6)石嘴山市惠农段受大风影响严重，交通受影响程度高；次高风险区主要位于石嘴山市中部、吴忠市南部，途经的京藏高速(G6)石嘴山市平罗段、中卫市中宁段，福银高速(G70)吴忠市同心段，受大风影响次高；其他地区高速公路路段受大风影响相对较低。

图5 1981—2016年宁夏高速公路大风灾害风险区划Fig.5 Risk zoning map of gale disaster on expressway in Ningxia during 1981-2016

分析2013—2016年宁夏高速公路沿线交通事故资料发现，由恶劣天气引发的交通事故105 起，其中大风天发生的交通事故占20%。在大风灾害高风险路段，发生交通事故0.6 起·(10 km)-1；次高风险路段，发生交通事故0.4起·(10 km)-1；中等风险路段，发生交通事故0.15 起·(10 km)-1；次低风险路段，发生交通事故0.1 起·(10 km)-1；低风险路段，发生交通事故0.08 起·(10 km)-1。由此可见，大风灾害风险评价结果能够合理反映宁夏高速公路受风灾影响的情况。

4 结 论

(1)宁夏高速公路大风灾害的致灾因子考虑不同等级的大风及其出现日数，大风等级越高、出现大风日数越多，则该地区的致灾危险性高，京藏高速石嘴山市北段的大风危险性高。

(2)宁夏高速公路大风灾害的孕灾环境考虑地形地貌、海拔高度、植被覆盖率、河网的影响。福银高速固原南段、青兰高速固原段孕灾环境敏感性多为次高或者高。

(3)宁夏高速公路大风灾害的承灾体易损性受人口密度、车流量、道路密度和GDP的共同影响。京藏高速银川段、青银高速银川段的大风灾害易损性次高到高。

(4)宁夏高速公路大风灾害总体上呈现石嘴山市北部和吴忠市南部高、区内中北部和南部低的趋势，高风险路段在京藏高速(G6)石嘴山市北段；次高风险路段在京藏高速(G6)石嘴山市中段、中卫市南段，福银高速(G70)吴忠市段。另外，风险评价结果与实际高速公路大风灾害的发生有较好的一致性。