淺丘地帶主要氣象災害特征及風險分析
——以綿西高速公路為例

劉書慧,盧德全,李 夢

(1.四川省南充市氣象局,四川 南充 637000;2.川東北強天氣研究南充市重點實驗室,四川 南充 637000)

0 引言

隨著社會經濟的發展,公路交通網絡不斷完善,各行各業對交通氣象服務的需求與日俱増,氣象條件對道路安全的影響也日益明顯。災害性天氣對交通安全有著巨大的影響與威脅,交通氣象保障服務的重要性尤為突出。近年來,由于高速公路的發展,因氣象因素造成的交通事故頻發,高速管理部門、交管部門、運輸部門等對道路交通氣象服務重要性的認識加強。據統計,道路交通事故有30%是由惡劣天氣影響引發的[1],其中低能見度、降雨、高溫、道路結冰、大風等天氣都可能導致公路交通事故,甚至造成人員傷亡的惡性事故。

在國內外研究中[2-3],影響公路交通的氣象要素監測、預報預警和服務系統的研究取得明顯的成效。不同地區不同氣候背景下,導致交通事故發生的氣象條件也不同,氣象條件對公路安全的影響也存在明顯的季節性和地域性特征。不少學者[4-9]通過研究災害性天氣等對道路交通的影響及預報技術方法,不僅考慮到災害性天氣對交通安全造成的直接影響,還總結出災害性天氣導致次生災害的間接影響。如強降水或持續的降水會引發道路路基沉降、道路周邊滑坡、泥石流等次生災害。他們針對本地天氣情況分析了高影響天氣對道路交通影響的時空分布特征,并進行了綜合研究,有助于了解不同高影響天氣對交通的危害程度,進一步摸清公路交通氣象災害狀況,為改進交通氣象保障服務和降低交通氣象災害風險等提供參考依據。

也有學者[10-13]通過問卷、實地調研、專家評估、原始數據結合氣象歷史數據返查,在充分考慮致災因子、孕災環境、承災體等多因素影響的基礎上,研究建立本地化交通災害風險評估模型,構建相關交通氣象災害預警指標和預報模型[14-19],為運營管理部門制定針對性的公路交通防災措施提供客觀依據,最大程度地減輕和避免氣象災害造成的損失。

1 數據來源及研究方法

本文基于綿西高速公路監控中心提供的2018年12月29日(自運營)—2021年12月綿西高速公路交通管制臺賬數據2400余條,通過篩選剔除應急演練、警備任務、節假日車流量大、疫情防控等人為因素,研究分析主要由氣象災害影響交通管制的時間變化特征。針對淺丘地帶主要出現的氣象災害,對綿西高速公路沿線不同路段存在的氣候差異,統計綿西高速公路沿途氣象觀測站點2019—2021年逐日降水量、逐日最低氣溫等實況觀測數據及各收費站大霧封路的頻次數據,結合站點地理信息資料,采用ArcGIS軟件自然斷點法,根據不同閾值范圍將綿西高速公路主要氣象災害風險從高到低劃分為5個等級,繪制1比400萬綿西高速公路大霧、強降水、道路結冰等災害天氣風險等級圖,分析研究其相關特征。

2 綿西高速公路災害天氣影響下交通管制分析

2.1 運營以來至2021年交通管制情況分析

分析綿西高速公路2018年12月29日—2021年12月31日實行交通管制數據(表1),發現災害性天氣及引發的次生災害(含施工)是造成綿西高速公路交通管制的重要原因,占77.7%。其中,大霧天氣占47.2%,交通事故及車輛故障占22.3%,強降水及其引發的路面積水占20.3%,道路結冰占1.3%,滑坡、沉降等地質災害或施工處理占8.9%。

表1 綿西高速公路2018年12月29日—2021年12月31日實行交通管制情況(單位:次)

2.2 災害性天氣直接影響下交通管制月變化特征

對2019—2021年綿西高速公路受災害性天氣直接影響的交通管制進行統計(圖1)發現,受災害性天氣直接影響而采取交通管制的情況存在季節差異,冬季占全年的43.06%,其次是夏季24.88%、秋季22.49%、春季9.57%。12月、1月、8月、11月、2月、7月是綿西高速公路受災害性天氣直接影響采取交通管制事件的高發月份,合占全年79.9%。

圖1 綿西高速公路2019—2021年災害性天氣直接影響下逐月交通管制情況統計

分析其原因:11月—次年2月是綿西高速公路大霧出現的高頻期,12月—次年1月也是綿西高速公路氣溫最低的月份,易出現低溫雨雪冰凍天氣。對高速道路通行產生明顯影響的強降水及引發地質災害的時段主要集中在7、8月,而9月開始降雨強度減弱,出現致災現象的概率降低。

2.3 災害性天氣直接影響下交通管制日變化特征

從綿西高速公路2019—2021年大霧造成交通管制開始時間分布情況(圖2a)看,交通管制主要集中在00—08時,占總數的87.8%,高峰期出現在07—08時(占38.1%)。綿西高速公路受大霧直接影響交通管制解除時間集中在07—11時(圖2b),占總數的95.7%。

圖2 2019—2021年大霧造成綿西高速公路交通管制開始時間(a)、結束時間(b)和持續時間(c)分布情況

綿西高速公路由于大霧造成的交通管制持續時間通常在8 h內(圖2c),占總數的84.8%,平均時長5.05 h,只出現過一次持續17 h的大霧天氣。

大霧造成行駛過程中能見度降低,駕駛員不易及時避開行駛障礙,并容易對行車距離進行誤判,造成交通安全事故發生。四川盆地由于特殊的盆地地形原因和濕潤的氣候特征,容易產生輻射霧,常出現在秋冬兩季的后半夜到上午,使得該時段高速公路道路封閉頻繁。

由于塌方沉降及施工與持續降水引發的地質災害存在一定的偶發性和滯后性,不作為強降水造成交通管制的日變化情況討論分析。圖3a、3b為2019—2021年綿西高速公路強降水直接造成交通管制開始、結束時間的日變化情況,看出強降水引發交通管制開始時段有2個高峰期:08—10時、15—21時,結束時間集中在10—17時。

圖3 2019—2021年強降水造成綿西高速公路交通管制開始時間(a)、結束時間(b)和持續時間(c)分布情況

綿西高速公路由于強降水直接導致交通管制時間(圖3c)持續時間通常在4 h內,占總數的85%,平均時長為3.07 h,符合本地的強降雨時段較短的氣候特征,且多發生在清晨和炎熱的夏季午后。

強降水直接影響交通管制的原因:一是雨勢較強,容易影響駕駛人員狀態及干擾路面駕駛視線;二是降雨使路面摩擦系數減小,車輛在高速行駛過程中易出現側滑影響行駛安全;三是路面積水或雨水倒灌隧道導致車輛無法通行。除了降水導致視線受阻和道路路面濕滑影響行駛安全外,6—9月出現的持續降水或強降水天氣容易引發滑坡、泥石流等地質災害或路面塌陷,使得行駛道路受阻,增加交通行駛風險。

3 綿西高速公路氣象災害風險等級分析

3.1 大霧風險等級分析

統計2019—2021年綿西高速公路沿途收費站點因大霧造成的交通管制頻次,通過自然斷點法運用ArcGIS軟件繪制綿西高速公路大霧風險等級圖(圖4)。綿西高速公路大霧風險等級由中軸區域(玉溪站—黃甸站)向東西兩側逐級遞減,其中柏梓站—仁和站為較高風險區,涵蓋高風險區(云溪站—黃甸站),柏梓站—塔山站為中等風險區(低風險區忠孝站包含在其中),中太站和晉城站為大霧低風險區域。

圖4 綿西高速公路大霧風險等級圖(比例:1比400萬)

大霧發生具有較強的局地性,結合綿西高速公路大霧高風險等級圖了解大霧風險等級,為運營及管理部門在制定日常巡邏計劃時,對高風險路段增配人手、增加巡邏頻次;也為今后交通監測站點選址時根據情況合理安排點位及空間密度。

3.2 強降水風險等級分析

從氣象數據中篩選出24 h降雨量≥50 mm的降雨情況,得到各站點出現頻次,通過自然斷點法運用ArcGIS軟件繪制綿西高速公路強降水風險等級圖(圖5)。從圖中看出,綿西高速公路強降水風險等級大致從西到東逐級遞減。強降水高風險路段集中在西充縣境內的晉城鎮—仁和鎮;強降水較高風險路段出現在仁和鎮—金孔鎮;黃店鎮—永明鎮之間為強降水低風險或較低風險區。上述分析表明,西充縣境內發生的暴雨概率在綿西高速公路整段中占比最重,金孔鎮—仁和鎮次之。

圖5 綿西高速公路強降水風險等級圖(比例:1比400萬)

降雨量大意味著雨強高、激發力大,很容易產生溪河洪水、滑坡塌方、路基塌陷、隧道積水等災害[20]。建議高速公路運營及管理部門在排查整治隱患時,著重注意相關點位的輔坡加固及維護、路面地質結構勘察整治、隧道下水管網清理維護等。

3.3 道路結冰風險等級分析

由于冬季夜間空氣相對濕度較大,低溫的早晨,特別是雨雪天氣后,在缺乏陽光照射的潮濕或有積水的橋面、路面情況下都較容易造成結冰。王遵婭等[21]指出:氣溫0 ℃左右、相對濕度70%以上、平均風速4 m·s-1以下最有利于冰凍的產生。0 ℃是水的固態和液態轉換的臨界值,冬季路面溫度較氣溫偏低,因此本文將最低氣溫≤0 ℃作為道路結冰災害的判定標準。

獲取綿西高速公路沿途具有氣溫觀測條件的10個氣象站點2019—2021年逐日最低氣溫數據,篩選出≤0 ℃的站點數據頻次,通過自然斷點法運用ArcGIS軟件繪制得到綿西高速公路道路結冰風險等級圖(圖6)。從圖中看出,綿西高速公路道路結冰風險等級呈東高西低勢態,金孔鎮—西充縣境內為道路結冰低或較低風險區。而在綿陽境內,高風險等級的忠孝鎮—塔山鎮向東西兩側逐等級下降,大致呈對稱分布。

圖6 綿西高速公路道路結冰風險等級圖(比例:1比400萬)

道路結冰的風險等級取決于路面的溫度,這與各路段海拔高度有直接關系。通過道路結冰風險等級能掌握冬季的日常巡邏及維護著重路段,也能合理安排融雪劑等路面防凍物質的配置調度。

4 討論與結論

(1)綿西高速公路運營以來至2021年,受災害性天氣及引發的次生災害(含施工)造成的交通管制占比77.7%。主要交通管制原因依次是大霧天氣,交通事故及車輛故障,強降水及引發的路面積水,滑坡、沉降等地質災害或施工處理,道路結冰。

(2)2019—2021年綿西高速公路受災害性天氣直接影響的情況存在季節差異,冬季最多,其次夏季、秋季,春季最少。12月、1月、8月、11月、2月、7月是綿西高速公路災害性天氣直接影響下交通管制事件的高發月份。

(3)2019—2021年綿西高速公路大霧造成交通管制持續時間平均時長5.05 h,交通管制開始主要集中在00—08時;解除管制時間集中在07—11時(占95.7%)。強降水直接造成交通管制持續時間平均時長3.07 h,引發交通管制開始時間段為08—10時和15—21時,結束時間在10—17時之間。

(4)從綿西高速公路大霧風險等級圖中看出,綿西高速公路大霧風險等級由中軸區域(高風險區為玉溪站—黃甸站)向東西兩側逐級遞減。從綿西高速公路強降水風險等級圖中看出,高風險的路段集中在西充縣境內,風險等級大致是從西—東逐級遞減。從綿西高速公路道路結冰風險等級圖中看出,忠孝鎮—塔山鎮為高風險等級,道路結冰風險等級大致呈東高西低勢態。結合災害天氣風險等級圖,為高速公路日常巡邏維護和監測站點選址提供了有價值的參考。