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

華北地區 降水 年際變化 趨勢分析 科學防洪

華北地區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。北京鐵路局轄區覆蓋華北大部地區，管內共有正線144條，橋梁4 872座，隧道504座，營業里程全長4 701.4 km，山區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，水害對行車安全構成較大威脅，防洪安全形勢嚴峻。近年來，華北地區極端天氣氣候事件發生頻率增加，汛期降水偏多趨勢明顯增強，根據華北地區汛期降水的主要特征、趨勢和成因，并結合鐵路歷年水害數據和防洪實際研究相應的對策是十分必要的。

1 華北地區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年的臺站和連續缺測10 d或全年缺測日數大于30 d的站點后，最終選取了華北地區212個臺站48年逐日降水資料。華北地區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，由華東地區不斷北上，華北地區降雨明顯增多，成為夏季主要降雨帶之一。

圖1 中國地區夏季雨量年代際(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)創世界記錄。

6)山區陣性降雨預測難度大，突發性強，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。山區強降水一般呈現雙峰型，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)偶有持續性強降雨發生。1961—2012年夏季，華北共出現287次區域持續性強降水過程，其中7月出現持續性強降水的次數最多，其次為8月，6月最少，有6成以上過程的持續時間為4～6 d。持續性強降水過程的次數、總日數及過程總降水量的時間變化均呈現減少趨勢。

8)臺風影響次數少，雨量大。臺風是導致華北地區出現暴雨的主要原因之一。1949—2001年，華北地區共出現臺風暴雨51次，7—8月占總數的82%，其中7月中旬至8月上旬出現30次，占總次數的58%。單站過程雨量200～300 mm，300～400 mm，＞400 mm的分別有20，10，7次，合計占總次數的72%。連續降雨最長可達到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、持續時間長、雨量分布均勻的特點。

2 歷年水害統計與水害特征

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

2.1 歷年正線水害統計

北京局近50余年水害發生頻率與降雨量在時空上高度一致(圖3)，其中水害斷道次數與降水量的關系最好，相關系數為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，北京鐵路局轄區共發生水害斷道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，山區鐵路水害約占總數的70%以上。

圖3 華北地區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，偶有臺風雨發生。對流雨具有強度大、雨量多、雨時短、雨區小的特點，通常表現為雷暴、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形成的降雨，具有降雨充沛、雨區穩定、過程清晰的特點，是山區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，對北京局東部地區造成較大影響。不同的降雨類型與其引發的水害類型具有相關性。

1)華北地區主汛期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。這時主要通過提前采取封鎖、停運措施，發生水害后采取疏導、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，破壞力強，發生的概率較低。

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

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

5)持續性降雨發生概率較低，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、接觸網倒桿斷電、房屋倒塌、屋棚掀翻等水害。

7)雙峰型山區強降水造成夜間水害發生的頻率較高。由于山區鐵路存在午后—傍晚和清晨兩個降雨峰值，造成70%以上的水害發生在夜間。由于夜間視線差，檢查難度大，發生水害后搶險困難，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水害。水害發生的時間、地點、規模和程度一般由降雨類型與水害類型的耦合程度決定。利用降雨與水害發生的關系和規律去指導防洪工作和災害預警，可以大大降低災害損失。

1)加強防洪組織機構建設和重點區域的布控。鐵路局應加強防洪組織機構建設，及時成立局級防洪應急指揮中心，行車各部門聯合辦公，加強行車指揮與水害搶險組織。山區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測設備。雨量監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的干擾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、連續降雨量2個因素，取1 h雨量、連續雨量2種警戒模式，在降雨初期即啟動設備巡檢，及時發現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現的。

4)雨量警戒信息接通列車調度臺。雨量達到警戒值后，傳統的防控模式是登記申請—車站值班員上報—列車調度員審批—現場警戒，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度臺后，調度員可以在第一時間發布封鎖命令，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，暴雨天氣應以優化行車組織為主，積極發揮各系統、各部門全員防洪作用。車務部門優化調度、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。針對夜間水害多發的特點，應合理調整夜間的封鎖、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，實現防洪顯性化、可視化管理;加大高鐵防災監測、山體落石與泥石流監測等措施的推廣實施力度和防控范圍。

［1］張清，黃朝迎.我國鐵路水害及其評估模型研究［J］.應用氣象學報，1999，10(4):495-502.

［2］湯家法，姚令侃，華明.鐵路汛期行車安全對策——雨量警戒制度研究［J］.自然災害學報，2002，11(3):132-136.

［3］王冀，蔣大凱，張英娟.華北地區極端氣候事件的時空變化規律分析［J］.中國農業氣象，2012，33(2):166-173.

［4］陸日宇.華北夏季不同月份降水的年代際變化［J］.高原氣象，1999，18(4):510-519.

［5］巢清塵.減少氣候異常對交通運輸影響的評估及對策［J］.地理學報，2000，55(S1):157-162.

［6］張清，黃朝迎.我國交通運輸氣候災害的初步研究［J］.災害學，1998(3):43-46.

［7］李盾，萬蓉.武漢地區霧的特點及其對交通的影響［J］.湖北氣象，2000(3):20-22.

［8］孟燕軍，趙習方，王淑英，等.北京地區高速公路能見度氣候特征［J］.氣象科技，2001(4):27-32.

［9］周華國，魏慶朝，曾學貴，等.近十幾年來中國鐵路水害的時空統計特征［J］.自然災害學報，1995，27(4):43-46.

(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。