基于GIS的路面積雪災害風險分析與區(qū)劃研究

武萬里， 緱曉輝， 劉 垚

(1. 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室， 寧夏 銀川 750002； 2. 寧夏氣象服務中心， 寧夏 銀川 750002)

0 引言

隨著氣候變化帶來的極端天氣氣候事件不斷增加，高速公路交通運輸也面臨著巨大的風險，由氣象災害引起的高速公路交通事故已成為影響社會經(jīng)濟發(fā)展的一個關鍵因素[1]。冬季路面積雪及雪后結冰等災害性天氣時常會常造成交通封閉車輛行走困難，成為冬季影響車輛運行的主要氣象災害。2008年1月10日至2月2日波及全國21個省的低溫雨雪冰凍災害，持續(xù)時間之長多年未遇，災害損失之重遠超常年[2]。積雪會阻礙車輛通行，使運輸效率下降。其影響交通的主要原因是降雪使路面變得濕滑，摩擦力迅速減小，車輛容易空轉或打滑，一旦制動過猛，可能發(fā)生危險。雪災對公路交通影響方面，國內(nèi)學者開展了大量研究[3-6]。風險區(qū)劃方面，韓秀君等[7]基于1951—2014 年降雪日數(shù)資料提出了遼寧省雪災區(qū)劃； 尹超等[8]選取年平均積雪深度≥1 cm 日數(shù)作為評價指標開展了陜西省干線公路雪災風險評價； 董智等[9]采用Map GIS地理信息系統(tǒng)和聚類分析、因子分析等多元統(tǒng)計分析等手段，開展了內(nèi)蒙古自治區(qū)公路雪害區(qū)劃； 保廣裕等[10]利用降雪量和積雪深度資料及交通事故、車流量等資料，采用梯度距離平方反比法開展了青海省公路沿線強降雪天氣災害風險區(qū)劃研究。但以上研究在因子選擇上不夠全面、系數(shù)確定方面不夠準確。本文從寧夏高速公路路面積雪災害致災因子的危險性、孕災環(huán)境的敏感性、承災體的易損性三個方面入手，基于GIS、模糊綜合評價法和AHP方法，以5 km格點公路為單元，分析了寧夏高速公路路面積雪災害風險等級特征，開展了高速公路路面積雪災害的風險分析與區(qū)劃，以期為寧夏高速公路線路面積雪災害預警預報和防災減災工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 寧夏高速公路基本情況

根據(jù)2018年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，寧夏全區(qū)高速公路通車里程為1678 km。實現(xiàn)了所有地級市通高速公路、所有縣(市)1h上高速公路。全區(qū)二級以上公路的比重、等級公路的比重以及國省干線水泥瀝青路面鋪裝率等方面位居西部地區(qū)前列。寧夏段國家級的高速公路有：京藏(G6)、青銀(G20)、青蘭(G22)、福銀(G70)、銀昆(G85)、烏瑪(G1816)、烏銀(G1817)、銀川繞城(G2004)、定武(G2012)等高速公路。寧夏境內(nèi)省級高速公路有：石嘴山環(huán)線(S10)、鹽鄂(S15)、古青(S30)、同海(S40)、黑海(S50)、固會(S60)、彭青(S70)等高速公路。其中，京藏高速(G6)主要路段位于寧夏中北部，處于地勢平坦的引黃灌區(qū)； 青銀高速公路(G20)主要位于寧夏的東北部，起點銀川、途徑鹽池； 福銀高速公路(G70)主要位于中寧以南的寧夏南部地區(qū)，途經(jīng)同心縣和固原市大部及六盤山區(qū)，地勢復雜。烏瑪高速(G1816)已建成段，沿賀蘭山脈走向，北起石嘴山市南至青銅峽西，受地形等因素影響較大。定武高速公路(G2012)為我區(qū)東西方向主要交通干道，位于寧夏的中部地區(qū)，主要途徑中衛(wèi)、中寧和鹽池一線(見圖 1)。

圖 1 寧夏境內(nèi)主要高速公路分布圖Fig.1 Distribution map of main expressways in Ningxia

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用積雪日數(shù)、降雪日數(shù)、積雪厚度資料以及其他地面氣象資料等來源于1981—2018年寧夏全區(qū)25個常規(guī)氣象站觀測數(shù)據(jù)； 交通路網(wǎng)分布、橋涵數(shù)量、長度等數(shù)據(jù)源于寧夏公路局； 車流量數(shù)據(jù)來源于2016年寧夏交通信息中心流量整編資料； 植被指數(shù)(NDVI)、人口空間分布數(shù)據(jù)、GDP空間分布數(shù)據(jù)來源中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心； 高程數(shù)據(jù)源自SRTM國際科學數(shù)據(jù)服務平臺免費網(wǎng)站； 基礎地理信息數(shù)據(jù)，源自國家基礎地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標的構建及其權重

災害風險是一個復雜的系統(tǒng)，有眾多的影響因素，且有很大的不確定性[11-12]。因此，本文從致災因子的危險性(誘發(fā)路面積雪致災的因子)、孕災環(huán)境的敏感性(路面積雪的環(huán)境敏感因子)、承災體的易損性(受災程度影響因子)3方面入手，對入選的13個評價因子進行加權合成，構建寧夏高速公路路面積雪災害評價指標體系。

(1)

式中，Vi是評價因子值；Wi是第i項因子的權重；X′ij為對于因子j的第i個因子的規(guī)范化值；n為評價因子的個數(shù)。

為消除各指標之間的量綱差異，對每個因子值進行歸一化處理：

Xi′=(Xi-Xi，min)/(Xi，max-Xi，min)

(2)

式中，Xi為第i個因子值；Xi′為第i個因子的歸一化值；Xi，max與Xi，min分別為第i個因子值中的最大值和最小值。

1.3.2 風險評價方法

層次分析法(Analytic HierarchyProcess 簡稱 AHP)是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法[13-14]。層次分析法在計算權重系數(shù)方面具有較好的準確性，而且是一種易于理解掌握、比較簡單可行的決策方法，能夠解決多目標的復雜問題。

將可能導致災害發(fā)生的因素稱為致災因子，致災因子危險性程度是由其強度或發(fā)生頻率決定，強度越大或頻率越高，其危險性就會越高。本文主要選取年平均積雪日數(shù)、年平均降雪日數(shù)和最大積雪深度三類因子作為危險性評價因子。

圖 2 寧夏全區(qū)年平均雪情分布圖Fig.2 Distribution map of annual average snow in Ningxia

路面積雪災害孕災環(huán)境主要由地理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等因素組成，地形高程(地勢)、坡度是路面積雪的重要影響因子，道路起伏、坡度大的區(qū)域受路面積雪影響更嚴重，例如福銀高速(G70)開城梁等典型的長下坡路段因路面積雪，經(jīng)常會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象； 河網(wǎng)密度大和植被覆蓋度高的路段，水汽條件充足，熱容量大，積雪也不易融化。本文選取地形高程(地勢)、坡度、橋涵個數(shù)、橋涵密度、河網(wǎng)密度、植被覆蓋度作為高速公路路面積雪災害孕災環(huán)境的敏感性評價因子。

承災體是致災因子作用的對象。對于高速公路路面積雪災害，是指承受路面積雪災害的高速公路在災難降臨時所受到的損失量的大小。本文選取的影響承災體易損性的評價因子包括：人口密度、車流量、道路密度和GDP 4項評價因子。

1.4 權重系數(shù)及區(qū)劃方法

本文選取影響寧夏高速公路路面積雪災害的13個評價因子(包括年平均積雪日數(shù)、年平均降雪日數(shù)和最大積雪深度、GDP空間分布、車流量、道路密度、人口密度、地形高度、河網(wǎng)密度、坡度、橋涵個數(shù)、橋涵密度、植被覆蓋度)，采用AHP法計算，將各層次指標權重進行綜合排序計算，得出13個評價因子柵格數(shù)據(jù)層的權重數(shù)據(jù)(表 1)。結合GIS的空間分析法，并將其按照自然斷點法進行5級劃分，運用GIS模糊綜合評價模型對對各評價指標層進行加權合成，最終對寧夏高速公路路面積雪風險按照低、較低、中等、較高及高風險區(qū)5級劃分。

表 1 高速公路路面積雪風險評價指標體系及其權重Tab.1 Evaluation index system and its weight of snow cover risk of the expressway

2 結果分析

2.1 全區(qū)雪情基本特征

2.1.1 全區(qū)雪情年季分布特征

基于寧夏25個國家級氣象站，統(tǒng)計分析全區(qū)雪情年際分布特征，我區(qū)年平均降雪日數(shù)在10.3～64.5d(圖 2a)，年最大積雪深度在8～35 cm(圖 2b)，年平均積雪日數(shù)在6.5～86.7d(圖 2c)，從地理分布來看，全區(qū)引黃灌區(qū)和中部干旱帶地勢相對平坦，大陸性氣候表現(xiàn)的十分明顯，冬半年干燥寒冷，降水稀少，表現(xiàn)為降雪日數(shù)少，積雪日數(shù)少，積雪深度淺，南部山區(qū)地勢高寒，特別是六盤山區(qū)海拔超過2000m，冬季降水量相對較多而比較穩(wěn)定，表現(xiàn)為降雪日數(shù)多，積雪日數(shù)多，積雪深度深?？傮w看來，北部灌區(qū)和中部干旱帶的年均積雪日數(shù)少于22.5d，南部山區(qū)的年均積雪日數(shù)在30 d以上，尤其以六盤山、隆德、涇源積雪日數(shù)最多。

2.1.2 全區(qū)雪情月季分布特征

圖 3 寧夏主要站點雪情月季分布特征Fig.3 Monthly distribution characteristics of snowfall at main stations in Ningxia

統(tǒng)計分析全區(qū)降雪日數(shù)、最大積雪深度和積雪日數(shù)月際分布特征(圖 3)。降雪和積雪主要出現(xiàn)在冬季、初春和晚秋。1～3月出現(xiàn)日數(shù)較多， 11～12月次之，春季4～5月、秋季的10月也會出現(xiàn)。年均積雪日數(shù)小于20d的同心以北大部區(qū)域，全年有8個月出現(xiàn)道路積雪。年均積雪日數(shù)大于40d的固原、隆德、涇源等地區(qū)，全年有9個月出現(xiàn)道路積雪，六盤山區(qū)除了7～8月的夏季，全年有10個月可出現(xiàn)道路積雪。積雪深度最大值主要出現(xiàn)在秋冬過渡期和冬春過渡期的10～11月和3～4月。這也說明大到暴雪是形成道路積雪的主要天氣類型，統(tǒng)計全區(qū)大到暴雪(降雪量大于4.5mm)的季節(jié)變化特征，主要發(fā)生在秋冬過渡期和冬春過渡期的10～11月和3～4月。

2.1.3 相關因子對路面積雪的影響

出現(xiàn)降雪和路面溫度低于0 ℃是形成路面積雪的兩個基本條件。統(tǒng)計全區(qū)25個國家氣象站出現(xiàn)道路積雪情況時的氣溫情況，當日最低氣溫≤-1 ℃、或是當日地表溫度≤-3 ℃時，形成積雪的頻率>95%。當日地表溫度>2 ℃時，形成積雪的頻率<1%，故而可以以此作為無積雪現(xiàn)象發(fā)生的溫度條件。

路面積雪與地形特征密切相關，位于南部山區(qū)六盤山的涇源地區(qū)高于周圍地區(qū)，位于中部干旱帶的麻黃山地區(qū)因地形因素，也遠遠高于周圍地區(qū)，六盤山的迎風坡積雪發(fā)生次數(shù)也多于背風坡。

路面積雪與道路結冰是伴生的氣象災害，冬季積雪經(jīng)車輛碾壓或凍融必然伴生路面結冰，雨夾雪落地后必然是冰雪交融，統(tǒng)計全區(qū)25個國家站出現(xiàn)道路結冰情況時的降水情況，降雪或雨夾雪導致道路結冰的頻率均超過了75%，其中六盤山站達93.4%。

2.2 致災因子危險性評價

針對1981—2018年寧夏天氣現(xiàn)象實況資料，利用GIS空間插值方法，根據(jù)每個站點的年平均積雪日數(shù)、年平均降雪日數(shù)和最大積雪深度其空間分布，運用AHP法賦予其權重系數(shù)，分別為0.1049、0.1566、0.2340，利用GIS柵格計算，獲得路面積雪災害致災因子危險性等級分布圖(圖 4)。由圖 4可知，寧夏路面積雪致災因子危險性在空間上總體呈北向南遞增，受路面積雪影響程度較重的地區(qū)主要集中在寧夏南部地區(qū)，其中以六盤山區(qū)路面積雪致災的危險性最高，次高危險性分布在固原以南的大部區(qū)域，低危險性集中在同心以北地區(qū)。

圖 4 寧夏高速公路路面積雪致災因子危險性區(qū)劃Fig.4 Risk division of snow-induced factor of snow cover risk of the expressway in Ningxia

圖 5 寧夏高速公路路面積雪孕災環(huán)境敏感性區(qū)劃Fig.5 Environmental sensitivity zoning of snow cover risk of the expressway in Ningxia

2.3 孕災環(huán)境敏感性評價

選取地形高程(地勢)、坡度、橋涵個數(shù)、橋涵密度、河網(wǎng)密度、植被覆蓋度作為高速公路路面積雪災害孕災環(huán)境敏感性評價指標。運用AHP法賦予其權重系數(shù)，分別為0.0373、0.0446、0.0334、0.0336、0.0689、0.0750，再計算得到寧夏高速公路敏感性指數(shù)等級分布圖(圖 5)。由圖 5看出，高敏感區(qū)位于固原市六盤山地區(qū)和銀川市西部； 低敏感區(qū)位于銀川市東部、石嘴山市南部、吳忠市東部。

2.4 承災體易損性評價

影響承災體易損性的主要因子包括該區(qū)域的人口密度、車流量、道路密度和GDP。通過AHP法得到各權重，分別為0.0540、0.0496、0.0566、0.0514，計算得到寧夏高速公路易損性指數(shù)等級分布圖(圖 6)。由圖 6看出，成災體高易損性等級區(qū)域位于京藏(G6)高速、青銀(G20)高速銀川市的東南部，這一區(qū)域的人口密度、車流量、道路密度、GDP均屬于高值區(qū)； 次易損區(qū)位于銀川市的中部； 中等易損區(qū)位于京藏(G6)高速石嘴山的大部、銀川市北繞城、京藏(G6)高速吳忠市的大部、定武(G2012)高速中衛(wèi)市的大部以及福銀(G70)高速的部分路段； 南部山區(qū)的同海、固西高速等因車流量少、GDP低等因素，屬于低易損性區(qū)域。

圖 6 寧夏高速公路路面積雪承載體易損性區(qū)劃Fig.6 Vulnerability zoning of bearing carrier of snow cover risk of the expressway in Ningxia

2.5 寧夏高速公路路面積雪災害風險區(qū)劃

選取影響寧夏高速公路路面積雪災害的13個評價指標，根據(jù)影響寧夏高速公路路面積雪災害的致災因子、孕災環(huán)境、承災體的不同指標，采用AHP法賦予不同的權重系數(shù)，運用GIS模糊綜合評價模型對寧夏高速公路路面積雪災害風險進行評價及區(qū)劃分析，形成寧夏高速公路路面積雪風險綜合區(qū)劃(圖 7)。

圖 7 寧夏高速公路路面積雪災害風險區(qū)劃Fig.7 Disaster risk division of snow cover risk of the expressway in Ningxia

由圖 7可知，寧夏高速公路路面積雪災害風險等級：高風險區(qū)位于福銀高速(G70)、青蘭高速(G22)六盤山區(qū)東南麓區(qū)段； 較高風險區(qū)位于福銀高速(G70)固原市原州區(qū)段、青蘭高速(G22)固原市隆德西段段、固西高速、彭青高速路段； 同心以北的銀川市、石嘴山市、吳忠市各路段風險總體較低。

3 結論

本文利用1981—2018年25個常規(guī)氣象站觀測資料及交通相關數(shù)據(jù)資料，基于GIS、AHP等方法，從致災因子的危險性、孕災環(huán)境的敏感性、承災體的易損性三方面進行高速公路路面積雪災害風險分析與區(qū)劃研究，得到如下結論：

(1)寧夏25個國家站，全區(qū)年平均積雪日數(shù)在6.5～86.7d，全區(qū)年平均降雪日數(shù)在10.3～64.5d，全區(qū)最大積雪深度在8～35 cm，自南向北減少(淺)，南部山區(qū)明顯多(深)于北部地區(qū)。積雪主要出現(xiàn)在冬季，大到暴雪級的路面積雪主要出現(xiàn)在秋冬轉換的10～11月和冬春交替的3～4月。

(2)以寧夏高速公路為對象，基于GIS、模糊綜合評價法和AHP法，從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性和承災體易損性三方面進行研究，并給出風險區(qū)劃。結果表明：高風險區(qū)位于福銀高速(G70)、青蘭高速(G22)六盤山區(qū)東南麓區(qū)段； 較高風險區(qū)位于福銀高速(G70)固原市原州區(qū)段、青蘭高速(G22)固原市隆德西段段、固西高速、彭青高速路段； 同心以北的銀川市、石嘴山市、吳忠市各路段風險總體較低。

由于本文僅是高速公路路面積雪災害風險評價的初步研究，其中，積雪時間是在自然消融情況下的表現(xiàn)，并未深入研究在人工除雪干預等條件下與實際災情的差異，還需在今后工作中研究，找出發(fā)生差異的原因，以利于開展服務工作。