海南環(huán)島高速?gòu)?qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

杜建華，鄭虹暉，趙 蕾，陳 明

(1.海南省氣象信息中心，海南 海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203；3.海南省氣象服務(wù)中心，海南 ?？?570203)

引 言

海南島氣候?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)性氣候，降水充沛。年降水量為940.8～2388.3 mm，且降水空間分布不均。強(qiáng)降雨發(fā)生往往威脅公共交通安全運(yùn)行。截至2018年底，G98海南環(huán)島高速公路是海南省唯一一條國(guó)家級(jí)高速公路，全長(zhǎng)612.8 km，環(huán)島高速公路的建成通車，標(biāo)志著海南省高速公路主骨架已基本形成，沿線港口的集疏能力和綜合交通能力大大提高。然而，由于海南島內(nèi)高速公路橋涵、隧道占比高，旅游旺季車流量急劇加大，一旦發(fā)生強(qiáng)降雨，極易造成路況擁堵甚至交通事故，進(jìn)而嚴(yán)重影響通行效率。針對(duì)2008—2012年海南環(huán)島高速公路開(kāi)展的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，發(fā)現(xiàn)對(duì)高速公路通行造成影響以及引發(fā)交通事故的災(zāi)害性天氣類型首要為強(qiáng)降雨，其次是霧。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)高速公路通行安全與氣象條件關(guān)系的研究廣泛開(kāi)展，如分析研究全國(guó)、華北地區(qū)、華東地區(qū)和西北地區(qū)不同氣象條件對(duì)高速公路安全通行和運(yùn)營(yíng)的影響[1-4]；構(gòu)建交通氣象安全指數(shù)和高影響天氣預(yù)警模型[5-8]；基于孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性等因素的城市交通、高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的研究[9-14]等。有研究表明降雨會(huì)使交通事故顯著增多[15-16]，因此對(duì)華東、華南、華中等地區(qū)高速公路交通事故與降雨關(guān)系及應(yīng)對(duì)策略的研究陸續(xù)開(kāi)展[17-22]。本文針對(duì)海南環(huán)島高速公路，基于高速公路沿線氣象觀測(cè)資料及降雨造成的交通事故資料，開(kāi)展交通事故綜合評(píng)估分析和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，以期為強(qiáng)降雨氣象條件下海南高速公路安全通行保障提供客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料：(1)由海南省公安交管部門提供的2010—2014年G98環(huán)島高速公路交通事故資料，包括交通事故發(fā)生地點(diǎn)、誘發(fā)原因、死傷人員數(shù)量、經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失等；(2)由海南省氣象信息中心提供的相應(yīng)時(shí)段逐小時(shí)氣象觀測(cè)資料。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度法

針對(duì)因降雨引發(fā)的交通事故采用灰色關(guān)聯(lián)度法[23-24]進(jìn)行評(píng)估排序。

設(shè)參考數(shù)據(jù)列X0=(x0(1),x0(2),…,x0(m))為1，即交通事故損失最大情況下的轉(zhuǎn)換函數(shù)值；Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(m))為比較數(shù)列，m為評(píng)估指標(biāo)的個(gè)數(shù)；i=1,2,3,…,n,n為被評(píng)價(jià)個(gè)例的個(gè)數(shù)。

各比較數(shù)列和參考數(shù)列對(duì)應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(j)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρ為分辨系數(shù)，取0.5。

關(guān)聯(lián)度ri公式如下：

(2)

按照關(guān)聯(lián)度的大小，將交通事故進(jìn)行評(píng)估排序。

2 強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

2.1 環(huán)島高速公路交通事故特征

2010—2014年，海南環(huán)島高速共發(fā)生362起交通事故，呈逐年下降趨勢(shì)(圖略)。圖1為2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)月際變化?？梢钥闯?，3月、7月和8月發(fā)生起數(shù)最多，11月最少，其他各月發(fā)生起數(shù)持平。

圖1 2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)月際變化Fig.1 The monthly variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island duirng 2010-2014

圖2為2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)日變化?？梢钥闯觯?6:00—12:00(北京時(shí)，下同)交通事故發(fā)生起數(shù)較其他時(shí)段明顯偏少，尤其是06:00—08:00為低谷時(shí)段，而19:00—20:00更容易發(fā)生交通事故。在362起交通事故樣本中，發(fā)生在原東線高速路段156起，原三亞繞城高速29起，原西線高速136起，原?？诶@城高速41起。

圖2 2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)日變化Fig.2 The diurnal variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island during 2010-2014

因氣象原因造成的交通事故有77起，其中由降雨引發(fā)64起，占樣本總數(shù)的17.7%，由濃霧引發(fā)19起，占樣本總數(shù)的5.2%。由降雨和濃霧引發(fā)的交通事故造成的死傷人數(shù)和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失分別占20%和7%。降雨是誘發(fā)海南環(huán)島高速公路交通事故的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

2.2 降雨造成的交通事故評(píng)估

海南環(huán)島高速公路大多數(shù)交通事故致災(zāi)因素是降雨，因此，從64個(gè)因降雨造成的交通事故樣本中，選出有人員死傷及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失的40個(gè)典型個(gè)例，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行評(píng)估分析。

基于1991年《公安部關(guān)于修訂道路交通事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》，結(jié)合本省交管部門實(shí)際處置經(jīng)驗(yàn)，按交通事故后果和影響的嚴(yán)重程度，將高速公路交通事故劃分為簡(jiǎn)易事故、一般事故、較大事故、重大事故和特別重大事故5個(gè)級(jí)別(表1)，以死亡人數(shù)u1、受傷人數(shù)u2和直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失u3作為評(píng)估指標(biāo)，3項(xiàng)指標(biāo)中有任意一項(xiàng)或以上滿足判別條件時(shí)即認(rèn)定為該等級(jí)，如果有幾個(gè)等級(jí)均滿足條件，取較高等級(jí)。

表1 高速公路交通事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of highway traffic accidents

在所選擇的個(gè)例中，各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的樣本分布情況見(jiàn)表2。2010—2014年，海南環(huán)島高速公路交通事故以一般事故及以下等級(jí)居多，死亡人數(shù)在區(qū)間[3,10)的事故有2起。重、特大交通事故多以巨額經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失為主。

表2 40個(gè)典型交通事故個(gè)例評(píng)估指標(biāo)樣本分布Tab.2 The sample distribution of assessment indexes of selected 40 typical traffic accident cases

對(duì)于死亡人數(shù)，對(duì)應(yīng)有一般、較大、重大和特別重大4個(gè)等級(jí)，而受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失分別對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)易、一般、較大、重大和特別重大5個(gè)等級(jí)，因此基于區(qū)間值法的3項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)區(qū)間分別為[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]。

根據(jù)死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失對(duì)應(yīng)的指標(biāo)區(qū)間[22]進(jìn)一步構(gòu)造3項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

(3)

(4)

(5)

式中：x1(u1)、x2(u2)和x3(u3)分別表示死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失3項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

最后，計(jì)算得出每次交通事故的關(guān)聯(lián)度，40次個(gè)例的關(guān)聯(lián)度為0.356～0.434，將關(guān)聯(lián)度從大到小排列，排在前10位的交通事故個(gè)例見(jiàn)表3。其中排在前三位的交通事故依次為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日凌晨開(kāi)始，原東線高速公路萬(wàn)寧地區(qū)出現(xiàn)局地強(qiáng)降水，日降水量為135.5 mm，事故發(fā)生前6 h最大小時(shí)降雨量達(dá)26 mm，事故發(fā)生時(shí)小時(shí)雨量已明顯減弱，但是前期降水造成的路面積水和視程影響仍然存在，這次交通事故無(wú)人員死亡，但受傷人數(shù)多達(dá)6人，直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失特別巨大。

表3 交通事故關(guān)聯(lián)度前10位及相應(yīng)的歸一化處理后的評(píng)估指標(biāo)及關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.3 The top ten correlation degree of traffic accidents and corresponding normalized evaluation indexes and correlation coefficients

2.3 強(qiáng)降雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

為進(jìn)一步了解強(qiáng)降雨對(duì)環(huán)島高速公路通行的影響，選擇定安、瓊海、萬(wàn)寧、陵水、三亞、樂(lè)東、東方、昌江、儋州、臨高和?？?1個(gè)高速公路交通管理站2010—2014年累計(jì)降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時(shí)降雨量作為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)；以環(huán)島高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查得到的強(qiáng)降雨致災(zāi)隱患路段、單向車流量作為承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)；以因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和事故灰色關(guān)聯(lián)度最大值作為承災(zāi)體易損性指標(biāo)。

基于加權(quán)分析法建立環(huán)島海南高速公路強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)模型如下：

R=αH+βVa+γV

(6)

式中：R為強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)；H為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)；Va為承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)；V為承災(zāi)體易損性指標(biāo)；α、β、γ分別為各指標(biāo)的權(quán)重。

(7)

式中：當(dāng)i=1、2和3時(shí)，Hi分別為累計(jì)降雨日數(shù)、最大日降雨量和最大小時(shí)降雨量分指標(biāo)；ai為各分指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

(8)

式中：當(dāng)j=1和2時(shí)，Vaj分別為強(qiáng)降雨致災(zāi)隱患路段和單向車流量分指標(biāo)；bj為各分指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。其中，強(qiáng)降雨致災(zāi)隱患路段分指標(biāo)采用0、1賦值法，單向車流量分指標(biāo)采取3級(jí)等級(jí)賦值法。

(9)

式中：當(dāng)k=1、2時(shí)，Vk分別為因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和該路段內(nèi)發(fā)生交通事故最大灰色關(guān)聯(lián)度分指標(biāo)；ck為各分指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)采用層次分析法[25]確定，得出致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)、承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)和承災(zāi)體易損性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別為α=0.562，β=0.04和γ=0.398。對(duì)應(yīng)的分指標(biāo)累計(jì)降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時(shí)降雨量、強(qiáng)降雨致災(zāi)隱患路段、單向車流量、因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次、某一路段內(nèi)發(fā)生交通事故最大灰色關(guān)聯(lián)度的權(quán)重系數(shù)分別為a1=0.143、a2=0.312、a3=0.545、b1=0.812、b2=0.188、c1=0.387和c2=0.613。再將各分指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理后，計(jì)算得出環(huán)島高速各管理站強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)(表4)。

為直觀起見(jiàn)，將11個(gè)高速公路管理站強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)R按照四分法進(jìn)行分級(jí)：R≥0.85時(shí)為極高風(fēng)險(xiǎn)；0.72≤R<0.85為高風(fēng)險(xiǎn)；0.59≤R<0.72為較高風(fēng)險(xiǎn)；R<0.59為低風(fēng)險(xiǎn)。圖3為海南環(huán)島高速公路強(qiáng)降雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃示意圖?？梢钥闯?，定安—萬(wàn)寧段屬于強(qiáng)降雨災(zāi)害極高風(fēng)險(xiǎn)路段。結(jié)合表4，定安—萬(wàn)寧路段強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)高達(dá)0.862～0.967，該路段不僅累計(jì)降雨日數(shù)多，日最大降雨量也較大，超過(guò)11個(gè)管理站平均日最大降雨量的30%～50%，小時(shí)降雨量最大可達(dá)106 mm，而且引發(fā)的交通事故多，影響大。其次需要關(guān)注的是省會(huì)?？谥苓吋拔骶€昌江路段，?？诼范物L(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)雖然剛剛接近高風(fēng)險(xiǎn)范圍，但是省會(huì)周邊車流量大、累計(jì)降雨日數(shù)多、交通事故多發(fā)，需要格外注意；昌江路段易發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨。相比之下，陵水和樂(lè)東路段風(fēng)險(xiǎn)較低。

表4 海南環(huán)島高速各交通管理站強(qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)Tab.4 Risk zoning indexes at each traffic control station of the highway around Hainan island under heavy rainfall condition

圖3 海南環(huán)島高速公路強(qiáng)降雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃示意圖Fig.3 Schematic map of heavy rainfall risk zoning of the highway around Hainan island

3 結(jié)論與討論

(1)2010—2014年，G98海南環(huán)島高速交通事故呈逐年下降趨勢(shì)，3月、7月和8月發(fā)生起數(shù)最多，11月最少，日變化呈現(xiàn)出06:00—12:00交通事故少、其他時(shí)段偏多的特征，其中06:00—08:00為低谷時(shí)段，19:00—20:00為高峰時(shí)段。原東線高速公路交通事故較西線偏多。因氣象條件造成的交通事故樣本中以降雨最多，其次是霧。

(2)選擇有人員死傷及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失的40個(gè)因降雨造成的交通事故典型個(gè)例，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法，以死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失作為評(píng)估指標(biāo)對(duì)典型個(gè)例進(jìn)行評(píng)估排序。40次個(gè)例的灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值差距不大，而且直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失作用較為凸顯。

(3)選擇海南環(huán)島高速11個(gè)管理站2010—2014年累計(jì)降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時(shí)降雨量作為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)；環(huán)島高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查得到的強(qiáng)降雨致災(zāi)隱患路段、單項(xiàng)車流量作為承災(zāi)體空間脆弱性指標(biāo)；降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和事故灰色關(guān)聯(lián)度最大值作為承災(zāi)體易損性指標(biāo)構(gòu)建了環(huán)島高速?gòu)?qiáng)降雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)定安至萬(wàn)寧路段是強(qiáng)降雨高風(fēng)險(xiǎn)路段，西線的昌江和省會(huì)海口次之。