海南环岛高速强降雨灾害风险分析

杜建华，郑虹晖，赵 蕾，陈 明

(1.海南省气象信息中心，海南 海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.海南省气象服务中心，海南 海口 570203)

引 言

海南岛气候属热带季风性气候，降水充沛。年降水量为940.8～2388.3 mm，且降水空间分布不均。强降雨发生往往威胁公共交通安全运行。截至2018年底，G98海南环岛高速公路是海南省唯一一条国家级高速公路，全长612.8 km，环岛高速公路的建成通车，标志着海南省高速公路主骨架已基本形成，沿线港口的集疏能力和综合交通能力大大提高。然而，由于海南岛内高速公路桥涵、隧道占比高，旅游旺季车流量急剧加大，一旦发生强降雨，极易造成路况拥堵甚至交通事故，进而严重影响通行效率。针对2008—2012年海南环岛高速公路开展的气象灾害风险普查，发现对高速公路通行造成影响以及引发交通事故的灾害性天气类型首要为强降雨，其次是雾。近年来，国内针对高速公路通行安全与气象条件关系的研究广泛开展，如分析研究全国、华北地区、华东地区和西北地区不同气象条件对高速公路安全通行和运营的影响[1-4]；构建交通气象安全指数和高影响天气预警模型[5-8]；基于孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性等因素的城市交通、高速公路交通气象灾害风险区划、风险评估、风险等级预报的研究[9-14]等。有研究表明降雨会使交通事故显著增多[15-16]，因此对华东、华南、华中等地区高速公路交通事故与降雨关系及应对策略的研究陆续开展[17-22]。本文针对海南环岛高速公路，基于高速公路沿线气象观测资料及降雨造成的交通事故资料，开展交通事故综合评估分析和风险区划研究，以期为强降雨气象条件下海南高速公路安全通行保障提供客观依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料：(1)由海南省公安交管部门提供的2010—2014年G98环岛高速公路交通事故资料，包括交通事故发生地点、诱发原因、死伤人员数量、经济财产损失等；(2)由海南省气象信息中心提供的相应时段逐小时气象观测资料。

1.2 灰色关联度法

针对因降雨引发的交通事故采用灰色关联度法[23-24]进行评估排序。

设参考数据列X0=(x0(1),x0(2),…,x0(m))为1，即交通事故损失最大情况下的转换函数值；Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(m))为比较数列，m为评估指标的个数；i=1,2,3,…,n,n为被评价个例的个数。

各比较数列和参考数列对应元素的关联系数ξi(j)计算公式如下：

(1)

式中：ρ为分辨系数，取0.5。

关联度ri公式如下：

(2)

按照关联度的大小，将交通事故进行评估排序。

2 强降雨灾害风险

2.1 环岛高速公路交通事故特征

2010—2014年，海南环岛高速共发生362起交通事故，呈逐年下降趋势(图略)。图1为2010—2014年海南环岛高速交通事故发生起数月际变化。可以看出，3月、7月和8月发生起数最多，11月最少，其他各月发生起数持平。

图1 2010—2014年海南环岛高速交通事故发生起数月际变化Fig.1 The monthly variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island duirng 2010-2014

图2为2010—2014年海南环岛高速交通事故发生起数日变化。可以看出，06:00—12:00(北京时，下同)交通事故发生起数较其他时段明显偏少，尤其是06:00—08:00为低谷时段，而19:00—20:00更容易发生交通事故。在362起交通事故样本中，发生在原东线高速路段156起，原三亚绕城高速29起，原西线高速136起，原海口绕城高速41起。

图2 2010—2014年海南环岛高速交通事故发生起数日变化Fig.2 The diurnal variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island during 2010-2014

因气象原因造成的交通事故有77起，其中由降雨引发64起，占样本总数的17.7%，由浓雾引发19起，占样本总数的5.2%。由降雨和浓雾引发的交通事故造成的死伤人数和经济财产损失分别占20%和7%。降雨是诱发海南环岛高速公路交通事故的主要气象因素。

2.2 降雨造成的交通事故评估

海南环岛高速公路大多数交通事故致灾因素是降雨，因此，从64个因降雨造成的交通事故样本中，选出有人员死伤及经济财产损失的40个典型个例，采用灰色关联度方法进行评估分析。

基于1991年《公安部关于修订道路交通事故等级划分标准的通知》，结合本省交管部门实际处置经验，按交通事故后果和影响的严重程度，将高速公路交通事故划分为简易事故、一般事故、较大事故、重大事故和特别重大事故5个级别(表1)，以死亡人数u1、受伤人数u2和直接经济财产损失u3作为评估指标，3项指标中有任意一项或以上满足判别条件时即认定为该等级，如果有几个等级均满足条件，取较高等级。

表1 高速公路交通事故分级标准Tab.1 Classification standard of highway traffic accidents

在所选择的个例中，各项评估指标的样本分布情况见表2。2010—2014年，海南环岛高速公路交通事故以一般事故及以下等级居多，死亡人数在区间[3,10)的事故有2起。重、特大交通事故多以巨额经济财产损失为主。

表2 40个典型交通事故个例评估指标样本分布Tab.2 The sample distribution of assessment indexes of selected 40 typical traffic accident cases

对于死亡人数，对应有一般、较大、重大和特别重大4个等级，而受伤人数和直接经济财产损失分别对应简易、一般、较大、重大和特别重大5个等级，因此基于区间值法的3项评估指标对应的指标区间分别为[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]；(0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]；(0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]。

根据死亡人数、受伤人数和直接经济财产损失对应的指标区间[22]进一步构造3项评估指标的转换函数如下：

(3)

(4)

(5)

式中：x1(u1)、x2(u2)和x3(u3)分别表示死亡人数、受伤人数和直接经济财产损失3项评估指标的转换函数。

最后，计算得出每次交通事故的关联度，40次个例的关联度为0.356～0.434，将关联度从大到小排列，排在前10位的交通事故个例见表3。其中排在前三位的交通事故依次为2010年1月7日19:00、2011年2月13日20:00和2010年11月15日02:45因降雨造成的交通事故。2010年1月7日凌晨开始，原东线高速公路万宁地区出现局地强降水，日降水量为135.5 mm，事故发生前6 h最大小时降雨量达26 mm，事故发生时小时雨量已明显减弱，但是前期降水造成的路面积水和视程影响仍然存在，这次交通事故无人员死亡，但受伤人数多达6人，直接经济财产损失特别巨大。

表3 交通事故关联度前10位及相应的归一化处理后的评估指标及关联系数Tab.3 The top ten correlation degree of traffic accidents and corresponding normalized evaluation indexes and correlation coefficients

2.3 强降雨风险区划

为进一步了解强降雨对环岛高速公路通行的影响，选择定安、琼海、万宁、陵水、三亚、乐东、东方、昌江、儋州、临高和海口11个高速公路交通管理站2010—2014年累计降雨日数、最大日降雨量、最大小时降雨量作为致灾因子危险性指标；以环岛高速公路气象灾害风险普查得到的强降雨致灾隐患路段、单向车流量作为承灾体脆弱性指标；以因降雨造成的交通事故发生频次和事故灰色关联度最大值作为承灾体易损性指标。

基于加权分析法建立环岛海南高速公路强降雨灾害风险区划指数模型如下：

R=αH+βVa+γV

(6)

式中：R为强降雨灾害风险区划指数；H为致灾因子危险性指标；Va为承灾体脆弱性指标；V为承灾体易损性指标；α、β、γ分别为各指标的权重。

(7)

式中：当i=1、2和3时，Hi分别为累计降雨日数、最大日降雨量和最大小时降雨量分指标；ai为各分指标权重系数。

(8)

式中：当j=1和2时，Vaj分别为强降雨致灾隐患路段和单向车流量分指标；bj为各分指标权重系数。其中，强降雨致灾隐患路段分指标采用0、1赋值法，单向车流量分指标采取3级等级赋值法。

(9)

式中：当k=1、2时，Vk分别为因降雨造成的交通事故发生频次和该路段内发生交通事故最大灰色关联度分指标；ck为各分指标权重系数。

各项风险指标及分指标的权重系数采用层次分析法[25]确定，得出致灾因子危险性指标、承灾体脆弱性指标和承灾体易损性指标对应的权重系数分别为α=0.562，β=0.04和γ=0.398。对应的分指标累计降雨日数、最大日降雨量、最大小时降雨量、强降雨致灾隐患路段、单向车流量、因降雨造成的交通事故发生频次、某一路段内发生交通事故最大灰色关联度的权重系数分别为a1=0.143、a2=0.312、a3=0.545、b1=0.812、b2=0.188、c1=0.387和c2=0.613。再将各分指标进行无量纲处理后，计算得出环岛高速各管理站强降雨灾害风险区划指数(表4)。

为直观起见，将11个高速公路管理站强降雨灾害风险区划指数R按照四分法进行分级：R≥0.85时为极高风险；0.72≤R<0.85为高风险；0.59≤R<0.72为较高风险；R<0.59为低风险。图3为海南环岛高速公路强降雨风险区划示意图。可以看出，定安—万宁段属于强降雨灾害极高风险路段。结合表4，定安—万宁路段强降雨灾害风险区划指数高达0.862～0.967，该路段不仅累计降雨日数多，日最大降雨量也较大，超过11个管理站平均日最大降雨量的30%～50%，小时降雨量最大可达106 mm，而且引发的交通事故多，影响大。其次需要关注的是省会海口周边及西线昌江路段，海口路段风险区划指数虽然刚刚接近高风险范围，但是省会周边车流量大、累计降雨日数多、交通事故多发，需要格外注意；昌江路段易发生短时强降雨。相比之下，陵水和乐东路段风险较低。

表4 海南环岛高速各交通管理站强降雨灾害风险区划指数Tab.4 Risk zoning indexes at each traffic control station of the highway around Hainan island under heavy rainfall condition

图3 海南环岛高速公路强降雨风险区划示意图Fig.3 Schematic map of heavy rainfall risk zoning of the highway around Hainan island

3 结论与讨论

(1)2010—2014年，G98海南环岛高速交通事故呈逐年下降趋势，3月、7月和8月发生起数最多，11月最少，日变化呈现出06:00—12:00交通事故少、其他时段偏多的特征，其中06:00—08:00为低谷时段，19:00—20:00为高峰时段。原东线高速公路交通事故较西线偏多。因气象条件造成的交通事故样本中以降雨最多，其次是雾。

(2)选择有人员死伤及经济财产损失的40个因降雨造成的交通事故典型个例，运用灰色关联度方法，以死亡人数、受伤人数和直接经济财产损失作为评估指标对典型个例进行评估排序。40次个例的灰色关联度数值差距不大，而且直接经济财产损失作用较为凸显。

(3)选择海南环岛高速11个管理站2010—2014年累计降雨日数、最大日降雨量、最大小时降雨量作为致灾因子危险性指标；环岛高速公路气象灾害风险普查得到的强降雨致灾隐患路段、单项车流量作为承灾体空间脆弱性指标；降雨造成的交通事故发生频次和事故灰色关联度最大值作为承灾体易损性指标构建了环岛高速强降雨灾害风险区划指数模型，发现定安至万宁路段是强降雨高风险路段，西线的昌江和省会海口次之。