河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃研究

張中杰 張娣 曲曉黎 王潔

（1 河北省氣象科學(xué)研究所，石家莊 050021； 2 河北省氣象服務(wù)中心，石家莊 050021）

0 引言

公路交通作為我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，也是受氣象條件影響的高敏感行業(yè)[1]。河北省環(huán)繞京津，車流量密集，交通高影響天氣頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，38.3%的高速公路封閉事件是由氣象因素造成的[2]，其中以霧居首，道路結(jié)冰次之。駕駛員認(rèn)為冬季低溫雨雪造成的高速公路路面結(jié)冰是影響交通安全高影響天氣的首位[3-4]，路面結(jié)冰發(fā)生時，輪胎與路面摩擦系數(shù)減小，車輛容易打滑、空轉(zhuǎn)或溜車[5-6]，容易引發(fā)重大交通事故。因此開展高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃研究，對于交通運輸安全保障至關(guān)重要[7]。歐洲學(xué)者對于路面溫度和路面結(jié)冰預(yù)報研究較多，建立了多種預(yù)報模式[8-11]，國內(nèi)對于路面溫度預(yù)報和路面溫度特征及氣象條件研究較多[12-15]，對霧、低溫、雨雪等風(fēng)險區(qū)劃等也有一定的研究[2,16-18]，顧婷婷等[19]對浙江省低溫雨雪冰凍災(zāi)害進行了評估與風(fēng)險區(qū)劃研究，汪超等[20]分析了貴州省道路結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，王春玲等[21]基于京津冀氣象站數(shù)據(jù)對高速公路冰凍災(zāi)害進行了風(fēng)險區(qū)劃，多是依靠氣象數(shù)據(jù)或者地理信息數(shù)據(jù)，而結(jié)合交通氣象災(zāi)害風(fēng)險普查數(shù)據(jù)和基于路段的高速公路路況信息等行業(yè)信息的研究較少，因此嘗試開展基于路段的高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃研究，對冬季高速公路交通運輸安全具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)資料與處理

氣象資料來源于河北省內(nèi)國家氣象站和高速公路沿線交通氣象站的氣溫、降水、地溫等數(shù)據(jù)，因路面結(jié)冰、積雪等造成的交通管制和交通事故資料來自河北省高速公路出行信息網(wǎng)。由于河北省南北緯度跨度較大，入冬時間北部早南部晚，北部地區(qū)冬季時間最長可從10月至第二年4月，因此數(shù)據(jù)時間長度選用2011—2015年的此階段數(shù)據(jù)。高速公路車流量數(shù)據(jù)由河北省高速交警總隊提供，利用GIS軟件計算得到河北省高速公路路網(wǎng)密度。高速公路路面結(jié)冰隱患路段資料來源于2013—2015年交通氣象災(zāi)害風(fēng)險普查數(shù)據(jù)。

為了消除不同指標(biāo)因子由量綱不同造成的差異，對各指標(biāo)進行歸一化處理，公式為：

2 研究方法

基于風(fēng)險區(qū)劃研究原理[20-22]，選取致災(zāi)因子危險性（H）、承載體脆弱性（V）和孕災(zāi)環(huán)境敏感性（S）3個指標(biāo)綜合分析，建立高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃模型：

其中，Rice為路面結(jié)冰風(fēng)險指數(shù)，α、β、γ分別為3個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2.1 構(gòu)建判斷矩陣

設(shè)有n個指標(biāo)a1，a2，…，an對上一層目標(biāo)Z有影響，要確定各指標(biāo)對Z的影響比例，采用兩兩比較法，每次取兩個指標(biāo)ai和aj，用aij表示ai和aj對Z影響大小的比值，將比較的結(jié)果用矩陣A表示，

2.2 確定權(quán)重系數(shù)

根據(jù)9分位標(biāo)度量化法確定矩陣中aij的值：定義1，3，5，7，9分別表示兩兩指標(biāo)的比較結(jié)果，2，4，6，8分別為介于每兩個標(biāo)度之間的中值，其倒數(shù)1/3，1/5，1/7，1/9和1/2，1/4，1/6，1/8為aji的取值，見表1。如矩陣A中a12的值為7，則表示對目標(biāo)Z的重要程度來說，指標(biāo)1比指標(biāo)2強烈重要。

表1 9分位標(biāo)度量化及含義對照表Table 1 Comparison table of quantization and meaning of 9-scaling-value defination

2.3 一致性檢驗

對n階判斷矩陣的一致性檢驗需先計算矩陣的最大特征值λmax，再計算一致性指標(biāo)CI。若CI=0，則判斷矩陣滿足完全一致性檢驗；若CI≠0，則需利用隨機一致性比CR對判斷矩陣進行一致性檢驗，其中RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)，其值與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān)。若CR＜0.1，則該判斷矩陣滿足一致性檢驗的要求[23]。

3 路面結(jié)冰風(fēng)險指標(biāo)

根據(jù)氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃理論和高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害形成的機制，綜合考慮各指標(biāo)的獨立性，建立河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險評價指標(biāo)（表2）。

表2 河北省高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)Table 2 Risk index of road icing disasters of expressway in Hebei

3.1 致災(zāi)因子危險性

高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害的致災(zāi)因子危險性反映了氣象災(zāi)害的強度和發(fā)生頻次，氣象災(zāi)害強度越大，發(fā)生頻次越高，造成的災(zāi)害風(fēng)險越大。高速公路路面結(jié)冰與降水和氣溫關(guān)系密切，參考低溫、雨雪、冰凍的氣候特征及評估指標(biāo)[17,24-25]，定義致災(zāi)因子危險性指標(biāo)為：低溫日數(shù)：日平均氣溫＜1.0 ℃的日數(shù)；結(jié)冰日數(shù)：日平均氣溫＜1 ℃或地溫＜0 ℃且降水量＞0 mm的日數(shù)；雪/雨夾雪日數(shù)：出現(xiàn)雪或雨夾雪的日數(shù)；降雪總量：當(dāng)年10月至第二年4月累計量。

其中：Ai分別代表低溫日數(shù)、結(jié)冰日數(shù)、雪/雨夾雪的日數(shù)、降雪總量。

根據(jù)表1的定義的量化標(biāo)度，將致災(zāi)因子危險性中4個分指標(biāo)兩兩比較，得到矩陣A1：

計算權(quán)重系數(shù)a1、a2、a3、a4分別為0.0493、0.6178、0.1226、0.2103，最大特征值為4.0727，CR＜0.1，通過一致性檢驗，根據(jù)（5）式計算路面結(jié)冰的致災(zāi)因子危險性指標(biāo)。

3.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性

孕災(zāi)環(huán)境敏感性反映了高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害在同等氣候條件下受周圍環(huán)境因素影響的敏感程度，其對高速公路路面結(jié)冰的影響是潛在且間接的。結(jié)合高速公路風(fēng)險普查的結(jié)果，路面結(jié)冰危害程度或發(fā)生頻次與某高速路段是否為路面結(jié)冰易發(fā)路段密切相關(guān)，其受地形、海拔、水體等多方面綜合影響，路面結(jié)冰危害程度還與周圍路網(wǎng)密度及車流量有關(guān)，路網(wǎng)密度越大，車流量越多，引發(fā)的危害越大。

其中：Bi分別代表高速公路某收費站是否為路面結(jié)冰易發(fā)路段、路網(wǎng)密度、日均車流量（上行/下行）。

考慮路面結(jié)冰對3個分指標(biāo)的敏感程度強弱，將孕災(zāi)環(huán)境敏感性3個分指標(biāo)兩兩比較，得到矩陣A2：

求得權(quán)重系數(shù)b1、b2、b3分別為0.7636、0.1091、0.1273，最大特征值為3.0217，CR＜0.1，通過一致性檢驗，根據(jù)（6）式計算路面結(jié)冰的孕災(zāi)環(huán)境敏感性指標(biāo)。

3.3 承載體脆弱性

承載體脆弱性指在不同高速公路路段對路面結(jié)冰災(zāi)害的暴露程度，其綜合反映了高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害發(fā)生時的損失程度。高速公路封路次數(shù)越多、封路時間越長，造成的損失越多，交通事故發(fā)生次數(shù)越多、事故越嚴(yán)重，造成的損失和危害越大，因此利用高速公路封路次數(shù)、封路時長、交通事故量為承載體脆弱性指標(biāo)。

其中：Ci分別代表高速公路某收費站因路面結(jié)冰造成的年平均封路次數(shù)、封路時長和交通事故起數(shù)。

考慮路面結(jié)冰對3個指標(biāo)的脆弱程度強弱，將承載體脆弱性3個分指標(biāo)兩兩比較，得到矩陣A3：

計算求得權(quán)重系數(shù)c1、c2、c3分別為0.1220、0.2297、0.6483，最大特征值為3.0037，CR＜0.1，通過一致性檢驗，根據(jù)（7）式計算路面結(jié)冰的承載體脆弱性指標(biāo)。

4 高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)高速公路路面結(jié)冰災(zāi)害形成機制，綜合分析致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承載體脆弱性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用層次分析法將3個指標(biāo)兩兩比較得到判斷矩陣A：

通過加權(quán)算法計算權(quán)重系數(shù)分別為0.6176、0.1241、0.2583，最大特征值為3.0092，CR＜0.1，通過一致性檢驗。根據(jù)上文高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃模型，計算高速公路不同路段的路面結(jié)冰風(fēng)險指數(shù)，最后利用自然斷點法劃分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險4個等級，并利用GIS軟件繪制了河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃圖（圖1）。

圖1 河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃Fig. 1 Risk zoning map of road icing of expressway in Hebei

圖1為河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃，可以直觀顯示不同級別高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險路段。河北省高速公路路面結(jié)冰高風(fēng)險區(qū)位于張家口中北部和西部、承德、邯鄲西部地區(qū)高速公路路段，包括張石高速張家口南—察北段、京藏高速張家口東—東洋河主線站路段、張承高速緯三路—崇禮北路段、宣大高速化銷營和陽泉路段、大廣高速承德段、長深高速承德段、青蘭高速磁山—涉縣東路段；路面結(jié)冰較高風(fēng)險區(qū)路段位于張家口東部和南部、承德南部、保定西部、滄州西部、石家莊西部、邢臺東部、邯鄲東部東北部和中部地區(qū)高速公路路段，包括京新高速張家口段、京藏高速東花園主線站—宣化北段、宣大高速部分路段、張石高速淶源南—北辛莊段、清西陵支線、承秦高速承德段、保阜高速平陽—東下關(guān)路段、石太高速井陘—天長段、青銀高速邢臺段、大廣高速南宮—大名段、京港澳高速內(nèi)丘—沙河段和邯鄲東—磁縣段、黃石高速西兆通—北五女段和藁城段等；路面結(jié)冰低風(fēng)險路段位于京秦高速遷西支線、京昆高速淶水東—辛木段、津汕高速廊坊段、黃石高速石家莊—西古城段、邢衡高速巨鹿段等；其他大部分高速為高速公路路面結(jié)冰中風(fēng)險路段。

5 結(jié)論與討論

本文運用層次分析法，基于風(fēng)險區(qū)劃理論，通過致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體脆弱性三個方面研究了河北省高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃，主要結(jié)論如下：

1）河北省北部及邯鄲西部山區(qū)（張石、京藏、張承、宣大、大廣承德段、長深承德段、青蘭等高速路段）為路面結(jié)冰高風(fēng)險路段；張家口東部、承德南部、保定西部和石家莊西部山區(qū)和河北省東南部地區(qū)（京新、承秦、保阜、石太、青銀、大廣南、石安等）高速路段為路面結(jié)冰較高風(fēng)險路段；河北省中南部地區(qū)大部分高速公路路段為路面結(jié)冰中風(fēng)險路段，其中京秦高速遷西支線、京昆、津汕、黃石高速、邢衡等高速部分路段為路面結(jié)冰低風(fēng)險路段。

2）路面結(jié)冰作為影響河北省高速公路安全的第二大氣象災(zāi)害，開展高速公路路面結(jié)冰風(fēng)險區(qū)劃能夠為交通管理部門提供一定的決策依據(jù)。