華北地區(qū)汛期降水特征與鐵路防洪對策研究

申文軍，王冀

(1.北京鐵路局工務處，北京100860;2.北京市氣象局，北京100089)

華北地區(qū)汛期降水特征與鐵路防洪對策研究

申文軍1，王冀2

(1.北京鐵路局工務處，北京100860;2.北京市氣象局，北京100089)

利用華北地區(qū)6省市1961—2012年212個氣象臺站資料，采用趨勢系數(shù)、濾波分析等氣候統(tǒng)計方法，從時間、空間多維度分析了華北地區(qū)汛期降水的主要特征。結(jié)合1961—2014年鐵路水害數(shù)據(jù)和防洪實際，研究降雨類型與水害類型的關系，提出防范策略。

華北地區(qū) 降水 年際變化 趨勢分析 科學防洪

華北地區(qū)屬暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候，年降水量400～900 mm，夏季為主要的降水時段，降水量占全年的70%左右，汛期平均降水量為355 mm。北京鐵路局轄區(qū)覆蓋華北大部地區(qū)，管內(nèi)共有正線144條，橋梁4 872座，隧道504座，營業(yè)里程全長4 701.4 km，山區(qū)鐵路占正線運營里程的46%。由于部分線路建設年代早，地形復雜，設備先天不足，抗洪能力低，水害對行車安全構(gòu)成較大威脅，防洪安全形勢嚴峻。近年來，華北地區(qū)極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加，汛期降水偏多趨勢明顯增強，根據(jù)華北地區(qū)汛期降水的主要特征、趨勢和成因，并結(jié)合鐵路歷年水害數(shù)據(jù)和防洪實際研究相應的對策是十分必要的。

1 華北地區(qū)汛期降水的主要特征

本文所用資料來源于國家信息中心提供的1961—2012年6省市(京、津、冀、魯、晉、豫)500個臺站逐日降水資料，剔除觀測年份不足52年的臺站和連續(xù)缺測10 d或全年缺測日數(shù)大于30 d的站點后，最終選取了華北地區(qū)212個臺站48年逐日降水資料。華北地區(qū)汛期降水的主要特征如下:

1)近10年來全國范圍雨帶北移趨勢明顯。從全國雨帶年代際分布變化趨勢看(圖1)，21世紀以來雨帶開始明顯北移，由華東地區(qū)不斷北上，華北地區(qū)降雨明顯增多，成為夏季主要降雨帶之一。

圖1 中國地區(qū)夏季雨量年代際(1950—2010年)正距平頻次百分率空間分布

2)夏季降水呈顯著下降趨勢，但近年來明顯增多。華北地區(qū)夏季降水的時間變化曲線和線性趨勢如圖2(a)所示，通過信度95%的顯著性檢驗為-2.0 mm/10年，有4個偏多時段(1961—1964年、1971—1979年、1991—1994年、2000年代中期之后);小波分析結(jié)果(圖2(b))表明華北夏季降水在1990年后降水周期約為6年，未來華北降水呈現(xiàn)明顯增多趨勢。

3)汛期月度降水增多趨勢明顯。華北6—8月的降水空間分布，整體表現(xiàn)為由西向東逐月增加，6，7，8月降水量分別為60～80，120～220和120～180 mm。

4)主汛期暴雨集中。暴雨集中在7月下旬至8月上旬，主要由幾場暴雨造成，占汛期降水總量的70%以上，一次暴雨的日降水量有時可達月降水量的50%以上，多年平均大雨以上降水量占總降水量的65%左右。

圖2 1961—2012年華北地區(qū)夏季降水距平逐年變化曲線

5)極端強降水歷時短，雨強大。華北地區(qū)地形對降水增幅作用十分明顯，短歷時降水強度在我國大陸是罕見的，1～12 h的降水量極值十分接近世界極值，其中6 h降水量極值(860 mm)創(chuàng)世界記錄。

6)山區(qū)陣性降雨預測難度大，突發(fā)性強，受地形影響大。由于其尺度小，生命史較短，形成的物理機制復雜，對其準確預報難度很大。山區(qū)強降水一般呈現(xiàn)雙峰型，即午后至傍晚和清晨兩個峰值，近年來短歷時強降水有增加趨勢。

7)偶有持續(xù)性強降雨發(fā)生。1961—2012年夏季，華北共出現(xiàn)287次區(qū)域持續(xù)性強降水過程，其中7月出現(xiàn)持續(xù)性強降水的次數(shù)最多，其次為8月，6月最少，有6成以上過程的持續(xù)時間為4～6 d。持續(xù)性強降水過程的次數(shù)、總?cè)諗?shù)及過程總降水量的時間變化均呈現(xiàn)減少趨勢。

8)臺風影響次數(shù)少，雨量大。臺風是導致華北地區(qū)出現(xiàn)暴雨的主要原因之一。1949—2001年，華北地區(qū)共出現(xiàn)臺風暴雨51次，7—8月占總數(shù)的82%，其中7月中旬至8月上旬出現(xiàn)30次，占總次數(shù)的58%。單站過程雨量200～300 mm，300～400 mm，＞400 mm的分別有20，10，7次，合計占總次數(shù)的72%。連續(xù)降雨最長可達到5 d。

9)降雨移動三條路徑清晰可循。西南—東北路徑主要是暖式切變降水，多位于華北南部，是華北汛期降水的主要路徑;西北—東南路徑的冷渦降水導致近年來華北地區(qū)6月份降水有偏多趨勢;東南—西北路徑降水大多與臺風北上有關，具有降水量大、持續(xù)時間長、雨量分布均勻的特點。

2 歷年水害統(tǒng)計與水害特征

本文所用資料來源于北京鐵路局防洪辦提供的1961—2014年轄區(qū)正線水害檔案，剔除資料不全和數(shù)據(jù)不準確的年份后，最終選取轄區(qū)51年的有效資料。

2.1 歷年正線水害統(tǒng)計

北京局近50余年水害發(fā)生頻率與降雨量在時空上高度一致(圖3)，其中水害斷道次數(shù)與降水量的關系最好，相關系數(shù)為0.44(通過了95%的信度水平檢驗)，反映出降水量與斷道次數(shù)相關性最強。

2.2 歷史水害分布特征

自1961年以來，北京鐵路局轄區(qū)共發(fā)生水害斷道1 746次，中斷行車13 598 h;平均每年斷道32次，年平均中斷行車252 h，平均每次中斷行車7 h 48 min。1993年以來共發(fā)生水害慢行530次，平均每年慢行25次。自2001年開始，降雨量超標后工務段主動進行封鎖檢查1 385次，年平均主動封鎖檢查99次。從正線水害等級看，中斷24 h以上的特大型水害28次，中斷12～24 h的大型水害135次。從近年正線斷道類型看，主要包括崩塌落石、泥石流、路基下沉或塌陷、水漫線路、路堤溜塌、塹坡或擋墻坍塌、倒樹侵限和橋涵損毀，近十年各類型水害斷道次數(shù)和時間分布見圖4，其中崩塌落石、路基下沉或塌陷、水漫線路3種類型占比較大，尤以橋梁損毀單次斷道時間最長，山區(qū)鐵路水害約占總數(shù)的70%以上。

圖3 華北地區(qū)汛期降水和鐵路災害變化時程曲線

圖4 近十年各類型水害斷道次數(shù)和時間分布

2.3 降雨類型與水害類型的關系

北京局降水類型主要有對流雨、地形雨、鋒面雨和臺風雨4種。其中汛初、汛末多為鋒面雨，主汛期多為對流雨和地形雨，偶有臺風雨發(fā)生。對流雨具有強度大、雨量多、雨時短、雨區(qū)小的特點，通常表現(xiàn)為雷暴、短時強降雨、陣性降雨等。地形雨是在部分高大山地的迎風坡，降雨云團隨著山坡提升致水汽凝結(jié)形成的降雨，具有降雨充沛、雨區(qū)穩(wěn)定、過程清晰的特點，是山區(qū)鐵路致災的主要降雨類型。鋒面雨在汛初和汛末冷暖空氣相遇形成持續(xù)時間長、雨強小的連綿降雨。臺風雨是熱帶海洋上的風暴帶來的降雨，風暴在福建沿海、山東半島登陸，對北京局東部地區(qū)造成較大影響。不同的降雨類型與其引發(fā)的水害類型具有相關性。

1)華北地區(qū)主汛期2～3場暴雨造成的水害損失最大，占當年水害斷道總量的70%以上。暴雨所到之處幾乎各種類型水害集中暴發(fā)。這時主要通過提前采取封鎖、停運措施，發(fā)生水害后采取疏導、迂回等行車方式確保運輸安全。

2)由臺風帶來的降水造成所有水害類型大面積暴發(fā)，破壞力強，發(fā)生的概率較低。

3)短時、局部強降雨發(fā)生的頻率最高，主要發(fā)生在入汛初期和汛末時段，易引發(fā)水沖線路、橋涵堵塞、路堤溜塌等突發(fā)水害。

4)陣性降雨發(fā)生的概率大，降雨前無任何征兆，分布范圍小，防范最困難。發(fā)生水害后應急處置慢，對局部運輸干擾大。

5)持續(xù)性降雨發(fā)生概率較低，降雨強度不大，破壞力較小。長時間降雨易造成土體飽和，引發(fā)路基下沉或溜塌、零星落石等水害，造成限速運行。

6)雷暴大風等惡劣天氣突出，降雨時雷暴大風相伴而生，破壞力極大，易引起倒樹侵限、接觸網(wǎng)倒桿斷電、房屋倒塌、屋棚掀翻等水害。

7)雙峰型山區(qū)強降水造成夜間水害發(fā)生的頻率較高。由于山區(qū)鐵路存在午后—傍晚和清晨兩個降雨峰值，造成70%以上的水害發(fā)生在夜間。由于夜間視線差，檢查難度大，發(fā)生水害后搶險困難，影響行車的時間和造成的損失較白天更大。

3 防范對策與建議

實踐證明，水害的發(fā)生與降雨密切相關，降雨造成的巖土體重度增加與強度降低、地下水位升高的浮托作用、水力梯度形成的滲透壓力等因素容易誘發(fā)水害。水害發(fā)生的時間、地點、規(guī)模和程度一般由降雨類型與水害類型的耦合程度決定。利用降雨與水害發(fā)生的關系和規(guī)律去指導防洪工作和災害預警，可以大大降低災害損失。

1)加強防洪組織機構(gòu)建設和重點區(qū)域的布控。鐵路局應加強防洪組織機構(gòu)建設，及時成立局級防洪應急指揮中心，行車各部門聯(lián)合辦公，加強行車指揮與水害搶險組織。山區(qū)鐵路工務段相應成立段級防洪辦公室，全年開展防洪工作。根據(jù)全國雨帶北移的趨勢，應逐年增加防洪工程投資力度，不斷提高整體的抗洪能力。針對近年來華北地區(qū)6月份降水偏多的趨勢，將入汛時間提前到6月1日。

2)鐵路沿線加密增設雨量監(jiān)測設備。雨量監(jiān)測設備是指導防洪應急、保證行車安全的重要裝置。近年來極端天氣明顯增多，局部降雨差距較大，為了真實反映鐵路沿線降雨實況，各車站每5～8 km設置1臺雨量計是十分必要的，同時在防洪重點處所應加密設置，降雨時可第一時間采取雨量警戒措施，減小行車風險。

3)科學設定雨量警戒值。封鎖警戒值主要考慮短時暴雨的影響，宜取1 h雨量(氣象上16 mm/h為暴雨)的2～3倍為封鎖警戒值(35～50 mm)，主要防范短時暴雨誘發(fā)的水沖線路、崩塌落石、倒樹等水害。限速警戒值主要考慮連續(xù)降雨、24 h降雨+短時較強降雨，兼顧雨量達到封鎖警戒值前為減小對運輸?shù)母蓴_通過控制行車速度來減小行車風險而進行的臨時限速，宜取1 h雨量、24 h雨量+1 h雨量、連續(xù)雨量3種警戒模式，主要防范路基下沉、邊坡溜坍等水害。出巡警戒值主要考慮短時較強雨量、連續(xù)降雨量2個因素，取1 h雨量、連續(xù)雨量2種警戒模式，在降雨初期即啟動設備巡檢，及時發(fā)現(xiàn)和處置防洪隱患和零星水害，應盡量降低出巡警戒值，盡早組織出巡檢查。從實施效果看，80%以上的水害是在采取警戒措施后發(fā)現(xiàn)的。

4)雨量警戒信息接通列車調(diào)度臺。雨量達到警戒值后，傳統(tǒng)的防控模式是登記申請—車站值班員上報—列車調(diào)度員審批—現(xiàn)場警戒，這個過程約需15～40 min，存在極大的安全漏洞。雨量警戒信息接入列車調(diào)度臺后，調(diào)度員可以在第一時間發(fā)布封鎖命令，同時可進一步接入車站值班室及運行機車，最大限度地縮短應急響應和處置時間。

5)建立紅橙黃藍4級預警及響應機制。依據(jù)中雨、大雨、暴雨、大暴雨4個級別，在雨前啟動不同級別預警，提前做好人員、機具、材料的集結(jié)準備，認真做好“觀云追雨盯圖”，加強每場降雨的盯控和迎送，及時組織搶險工作。

6)優(yōu)化暴雨天氣的行車組織。在搞好防洪重點處所等級管理的基礎上，暴雨天氣應以優(yōu)化行車組織為主，積極發(fā)揮各系統(tǒng)、各部門全員防洪作用。車務部門優(yōu)化調(diào)度、主動扣車，機車司機主動降速運行或停車避險，工務部門加強冒雨巡查，加密機車添乘，不宜盲目提級看守或全路段看守。山區(qū)鐵路客車停運、貨車降速運行，開通前實行首趟貨物列車或單機確認制度。對山區(qū)低等級線路要果斷停運。

7)加強夜間關鍵時段的防控。針對夜間水害多發(fā)的特點，應合理調(diào)整夜間的封鎖、限速雨量警戒值，適當延長夜間封鎖、限速時間。夜間降雨時，工務段對封鎖、限速警戒值按降低20%～30%的幅度掌握。夜間區(qū)間封鎖后，設備檢查要細致全面，可適當延長封鎖時間。夜間區(qū)間開通后，要延時限速到天亮。

8)加強科技防洪體系建設。完善防洪信息平臺，動態(tài)掌握雨情、水情、庫情;建立防洪檢查人員GPS手機定位平臺，實現(xiàn)防洪顯性化、可視化管理;加大高鐵防災監(jiān)測、山體落石與泥石流監(jiān)測等措施的推廣實施力度和防控范圍。

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(責任審編李付軍)

U216.41+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.43

1003-1995(2015)05-0170-04

2015-01-01;

2015-02-15

申文軍(1976—)，男，河北邯鄲人，工程師。