山区公路洪水灾害危险性区划

2015-03-11田伟平李家春

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年4期

尹超，田伟平，李家春

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064）

我国公路建设取得了巨大成就，路网布局不断完善，但受自然和经济条件的制约，很多公路频繁遭受洪水灾害的威胁，尤其是在山区，公路多沿河、环山展布，沿河路段和高陡边坡占比较大，洪水灾害造成的损失极为严重［1］。山区公路洪水灾害危险性区划分析公路水毁在山区的分异状况并划分不同等级的危险区，为公路水毁灾害防治规划的制定和防治资金的分配提供宏观层面的决策支持，以保证公路水毁防治工程的安全可靠、经济合理［2］。

文献［3］的颁布是公路自然区划具有标志性意义的事件，其一级区划和二级区划均考虑了气候因素的影响，并以干湿循环作为主要的影响因素；文献［4］从气象、径流和地形等因素考虑，采用成因分析法，以耕地和人口为指标，结合已有洪水灾害，制作了中国洪水区划图；文献［5］利用GIS的空间分析功能，基于高分辨率的降雨、地形坡度、河湖缓冲区、道路密度等风险因子，采用水灾成因分析法和经验系数法，得到了洪水的潜在危险区；文献［6］选取特定频率下的三日降水量、坡度、高程和河湖分布作为评价指标，兼顾历史洪水数据，制作了特定频率下的中国洪水风险区划图。虽然我国开展了很多洪水灾害区划的研究工作，但大多是从自然地理角度进行的，专门关于公路等人工结构物的洪水灾害危险性区划研究很少。

本文以相对高差和坡度为指标将公路地貌划分为平原区和山区，分别选取了山区沿河公路水毁和山区公路边坡水毁的危险性评价指标，依托ArcGIS10.0完成了山区公路洪水灾害危险性综合评价，划分了微度危险、中度危险、重度危险和极重度危险4级危险区。

1 山区公路洪水灾害

1.1 山区与平原区的划分

对公路工程产生影响的主要地貌因素是相对高差和坡度。文献［7］在进行公路地貌划分时将相对高差作为主要指标，坡度为辅助指标，具体界限如下：

小于100m为平原微丘，100～200m为重丘，大于200m为山岭；小于3°为平原，3°～20°为微丘，大于20°为重丘。

本文参考以上划分标准，结合危险性区划对地貌划分的要求，建立山区和平原区公路地貌划分标准，见表1所列。

表1 公路地貌划分标准

依托 ArcGIS10.0 软件，利用全国1∶2 500 000数字高程模型（DEM）计算全国范围的相对高差和坡度值，基于表1的公路地貌划分标准，确定山区和平原区的地理界限，生成中国公路地貌分类图，如图1所示。

根据图1，我国山区占陆地总面积的54.6%，平原区占45.4%，山区与平原区范围与我国通用的地貌划分方法基本一致，说明公路地貌划分标准是合理和正确的。

图1 中国公路地貌分类图

1.2 山区公路洪水灾害类型划分

山区公路洪水灾害指洪涝灾害造成的山区公路建筑物及附属设施的破坏。它以洪水为致灾体，山区公路为承灾体，公路路域环境为孕灾环境［8－9］。灾害类型划分是正确认识灾害成因机理和进行灾害防治的前提，在进行灾害分类前，需明确分类的依据，依据不同，分类结果也不同。很多学者根据不同的标准将公路洪水灾害分为不同类型［10］，见表2所列。

表2 公路洪水灾害类型划分

综合以上分类方法和山区公路洪水灾害的特点，充分考虑公路水毁形式、孕灾环境和破坏机理，将山区公路洪水灾害分为山区沿河公路水毁和山区公路边坡水毁，分别开展危险性区划研究。

2 山区公路洪水灾害危险性评价模型

山区公路洪水灾害危险性评价分析洪水灾害的活动强度、频度和密度，即分析孕灾环境和灾害发生敏感性，可以反映不同山区公路遭受水毁的危险程度。其评价结果是山区公路洪水灾害综合危险度，本文选取该指标作为危险性区划的依据。

2.1 危险性评价方法

（1）模糊综合评价法。对于山区公路洪水灾害，其影响因素包括气象、地形、水系和岩土等自然因素以及占用河道和分洪区、破坏植被、不合理的工程建设等人为因素。模糊综合评价法包括3方面的内容［11］：① 模糊综合评价模型的建立；② 权重的确定，不同指标对灾害危险性的影响程度不同，必须考虑指标权重问题；③ 评价指标的分级和评分，采用不同性质和量纲的指标对危险性进行综合评价，必须对各指标进行统一分级和评分。

（2）GIS在危险性评价中的应用。GIS是以地理空间数据为基础，为地理研究和决策提供信息的计算机系统。山区公路洪水灾害危险性评价涉及的致灾体、承灾体和孕灾环境等都与地理空间信息相关，GIS能对这些数据进行储存、分析、处理和应用。因此，GIS在山区公路洪水灾害危险性评价中具有重要作用。

2.2 危险性评价模型

山区公路洪水灾害危险度是按评价模型计算得到的反应危险性大小的综合指标。本文建立的公路洪水灾害危险性评价模型为：

其中，R为山区公路洪水灾害危险度；Mi为第i个评价指标评分；Ki为第i个评价指标权重；n为评价指标数量。

（1）指标的分级和评分。由于各评价指标的性质不同、量纲有异，要进行综合评价，就需进行指标的公度。本文参考文献［12］的研究成果，根据某一指标的强度对危险性的影响特点，将各指标分为极低危险、低危险、中危险、高危险和极高危险5级，并分别评分1、3、5、7、9。

（2）指标的权重。同一指标的不同强度对危险性的影响通过指标的分级和评分确定，而不同指标对危险性的影响则是通过指标权重确定的。指标权重指某指标在评价体系中的重要程度，本文采用专家调查法确定权重，即选择13位有多年经验的专家进行打分确定。

3 山区公路洪水灾害危险性评价

3.1 山区沿河公路水毁危险性评价

我国气象部门规定，日降雨量≥50mm的降雨为暴雨，降雨量和降雨强度是描述暴雨的主要指标，两者可由年平均暴雨天数综合反映，但在我国某些地区，降雨历时较短且相对集中，日降雨量≥25mm即可造成公路水毁；地表切割密度指单位面积包含的侵蚀网或沟道的长度，能较好地反映地形的破碎和侵蚀程度，一般而言，地表切割密度越大则公路水毁危险性越大；河网密度是描述水系分布特征最常用的指标，河网密布大的山区灾害发生的可能性也越大［13］。鉴于此，本文选取山区沿河公路水毁的危险性评价指标为降雨量≥25mm年平均天数、地表切割密度、河网密度，并根据各指标对灾害的影响特点进行分级和评分，见表3所列。

表3 山区沿河公路水毁危险性评价指标分级和评分

根据以上评价指标，结合（1）式，建立山区沿河公路水毁危险性评价模型，即

其中，R1为山区沿河公路水毁危险度；M1、M2、M3分别为降雨量≥25mm年平均天数、地表切割密度和河网密度评分；K1、K2、K3为相应指标权重，通过专家调查法确定，K1＝0.40，K2＝0.35，K3＝0.25。

山区沿河公路水毁危险度图，如图2所示。对全国740个气象站50a的降雨天数数据进行矢量化分析，通过GIS的Kriging插值功能，生成山区降雨量≥25mm年平均天数分级图；基于GIS的水文扩展模块，从DEM数据提取沟谷信息，根据水流方向和汇水量矩阵提取矢量沟谷网络数据，生成山区地表切割密度分级图；根据中国河流水系数据，利用GIS分析单位面积的河网长度，生成山区河网密度分级图。

图2 山区沿河公路水毁危险度图

按照山区沿河公路水毁危险性评价模型和指标权重，利用ArcGIS10.0软件对以上图件进行叠加分析，生成山区沿河公路水毁危险度图，如图2所示。计算结果显示，山区沿河公路水毁危险度最小为1.0，最大为9.0。

3.2 山区公路边坡水毁危险性评价

降雨对山区公路边坡水毁的影响类似于山区沿河公路水毁；坡面径流随坡度的增大而加强，坡度越大，山区公路边坡水毁危险性也越大；岩土类型影响边坡的抗冲刷能力，抗冲刷能力强的边坡发生水毁的可能性相对较低；植被覆盖一方面能影响土体的入渗强度，另一方面也能影响坡体抵抗冲刷的能力。因此，本文选取山区公路边坡水毁的危险性评价指标为降雨量≥25mm年平均天数、地形坡度、岩土类型和植被覆盖度，并对各指标进行分级和评分，见表4所列。

根据山区公路边坡水毁的特点和其危险性评价指标，建立危险性评价模型，即

其中，R2为山区公路边坡水毁危险度；M1、M4、M5、M6分别为降雨量 ≥25mm年平均天数、坡度、岩土类型和植被覆盖度评分；K1、K4、K5、K6为相应指标权重，通过专家调查法确定，K1＝0.35，K4＝0.30，K5＝0.20，K6＝0.15。

利用DEM数据生成山区地形坡度分级图；根据中国公路岩土区划方案，生成山区岩土类型分级图；分析全国植被类型和覆盖度矢量数据，生成山区植被覆盖度分级图。根据山区公路边坡水毁危险性评价模型和指标权重，利用ArcGIS10.0对各基础图件进行叠加，生成山区公路边坡水毁危险度图，如图3所示。计算结果显示，山区公路边坡水毁危险度最小为1.0，最大为7.2。

表4 山区公路边坡水毁危险性评价指标分级和评分

图3 山区公路边坡水毁危险度图

3.3 山区公路洪水灾害危险性综合评价

某一地区既可能发生沿河公路水毁，也可能发生公路边坡水毁。山区公路洪水灾害危险性综合评价是对以上两者的综合，其评价模型为：

其中，R12为山区公路洪水灾害综合危险度；K1、K2分别为山区沿河公路水毁、山区公路边坡水毁权重，通过专家调查法确定，K1＝0.55，K2＝0.45。

按（4）式确定的评价模型，对图2和图3进行叠加分析，生成山区公路洪水灾害综合危险度图，如图4所示。计算结果显示，山区公路洪水灾害综合危险度最小为1.24，最大为7.52。

图4 山区公路洪水灾害综合危险度图

4 山区公路洪水灾害危险性区划

山区公路洪水灾害危险性区划的目的是定量体现和区分不同区域发生公路洪水灾害的危险程度。本文按山区公路洪水灾害综合危险度将危险程度分为4级，分级界限如下：微度危险1.27～2.83，中度危险2.83～4.39，重度危险4.39～5.95，极重危险5.95～7.52。根据以上分级界限，对图4的结果进行分级，生成山区公路洪水灾害危险性区划图，如图5所示（为体现中国公路水毁灾害危险性的总体状况，图5将山区与平原区公路水毁灾害进行了综合，其中，平原区公路水毁灾害危险性区划方法他文另述）。

图5 山区公路洪水灾害危险性区划图

由图5可知，我国山区公路洪水灾害的极重危险区为：辽东半岛、燕山山地、黄土高原、福建北部、安徽南部、江西西南部、湖北西部、云贵高原、海南南部和台湾的部分地区等。结合山区公路洪水灾害调查结果，上述区域与灾害实际状况相符，能真实反映山区公路洪水灾害危险性的区域分异特征，说明本研究具有较高准确性和科学性。

山区公路洪水灾害危险性区划可为各级公路的规划、设计、建设和养护提供理论和技术支持，在一定程度上保证交通安全和道路畅通，突显公路的“生命线”作用，减灾效益十分显著。同时，山区公路水毁灾害的治理可以在一定程度上减小公路设施对区域环境的负面作用，达到改善植被、保持水土的目的，具有显著的社会效益和环境效益［14－15］。