基于GIS的路面积雪灾害风险分析与区划研究

武万里， 缑晓辉， 刘 垚

(1. 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室， 宁夏 银川 750002； 2. 宁夏气象服务中心， 宁夏 银川 750002)

0 引言

随着气候变化带来的极端天气气候事件不断增加，高速公路交通运输也面临着巨大的风险，由气象灾害引起的高速公路交通事故已成为影响社会经济发展的一个关键因素[1]。冬季路面积雪及雪后结冰等灾害性天气时常会常造成交通封闭车辆行走困难，成为冬季影响车辆运行的主要气象灾害。2008年1月10日至2月2日波及全国21个省的低温雨雪冰冻灾害，持续时间之长多年未遇，灾害损失之重远超常年[2]。积雪会阻碍车辆通行，使运输效率下降。其影响交通的主要原因是降雪使路面变得湿滑，摩擦力迅速减小，车辆容易空转或打滑，一旦制动过猛，可能发生危险。雪灾对公路交通影响方面，国内学者开展了大量研究[3-6]。风险区划方面，韩秀君等[7]基于1951—2014 年降雪日数资料提出了辽宁省雪灾区划； 尹超等[8]选取年平均积雪深度≥1 cm 日数作为评价指标开展了陕西省干线公路雪灾风险评价； 董智等[9]采用Map GIS地理信息系统和聚类分析、因子分析等多元统计分析等手段，开展了内蒙古自治区公路雪害区划； 保广裕等[10]利用降雪量和积雪深度资料及交通事故、车流量等资料，采用梯度距离平方反比法开展了青海省公路沿线强降雪天气灾害风险区划研究。但以上研究在因子选择上不够全面、系数确定方面不够准确。本文从宁夏高速公路路面积雪灾害致灾因子的危险性、孕灾环境的敏感性、承灾体的易损性三个方面入手，基于GIS、模糊综合评价法和AHP方法，以5 km格点公路为单元，分析了宁夏高速公路路面积雪灾害风险等级特征，开展了高速公路路面积雪灾害的风险分析与区划，以期为宁夏高速公路线路面积雪灾害预警预报和防灾减灾工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 宁夏高速公路基本情况

根据2018年数据统计，宁夏全区高速公路通车里程为1678 km。实现了所有地级市通高速公路、所有县(市)1h上高速公路。全区二级以上公路的比重、等级公路的比重以及国省干线水泥沥青路面铺装率等方面位居西部地区前列。宁夏段国家级的高速公路有：京藏(G6)、青银(G20)、青兰(G22)、福银(G70)、银昆(G85)、乌玛(G1816)、乌银(G1817)、银川绕城(G2004)、定武(G2012)等高速公路。宁夏境内省级高速公路有：石嘴山环线(S10)、盐鄂(S15)、古青(S30)、同海(S40)、黑海(S50)、固会(S60)、彭青(S70)等高速公路。其中，京藏高速(G6)主要路段位于宁夏中北部，处于地势平坦的引黄灌区； 青银高速公路(G20)主要位于宁夏的东北部，起点银川、途径盐池； 福银高速公路(G70)主要位于中宁以南的宁夏南部地区，途经同心县和固原市大部及六盘山区，地势复杂。乌玛高速(G1816)已建成段，沿贺兰山脉走向，北起石嘴山市南至青铜峡西，受地形等因素影响较大。定武高速公路(G2012)为我区东西方向主要交通干道，位于宁夏的中部地区，主要途径中卫、中宁和盐池一线(见图 1)。

图 1 宁夏境内主要高速公路分布图Fig.1 Distribution map of main expressways in Ningxia

1.2 数据来源

本文所用积雪日数、降雪日数、积雪厚度资料以及其他地面气象资料等来源于1981—2018年宁夏全区25个常规气象站观测数据； 交通路网分布、桥涵数量、长度等数据源于宁夏公路局； 车流量数据来源于2016年宁夏交通信息中心流量整编资料； 植被指数(NDVI)、人口空间分布数据、GDP空间分布数据来源中科院资源环境科学数据中心； 高程数据源自SRTM国际科学数据服务平台免费网站； 基础地理信息数据，源自国家基础地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 评价指标的构建及其权重

灾害风险是一个复杂的系统，有众多的影响因素，且有很大的不确定性[11-12]。因此，本文从致灾因子的危险性(诱发路面积雪致灾的因子)、孕灾环境的敏感性(路面积雪的环境敏感因子)、承灾体的易损性(受灾程度影响因子)3方面入手，对入选的13个评价因子进行加权合成，构建宁夏高速公路路面积雪灾害评价指标体系。

(1)

式中，Vi是评价因子值；Wi是第i项因子的权重；X′ij为对于因子j的第i个因子的规范化值；n为评价因子的个数。

为消除各指标之间的量纲差异，对每个因子值进行归一化处理：

Xi′=(Xi-Xi，min)/(Xi，max-Xi，min)

(2)

式中，Xi为第i个因子值；Xi′为第i个因子的归一化值；Xi，max与Xi，min分别为第i个因子值中的最大值和最小值。

1.3.2 风险评价方法

层次分析法(Analytic HierarchyProcess 简称 AHP)是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[13-14]。层次分析法在计算权重系数方面具有较好的准确性，而且是一种易于理解掌握、比较简单可行的决策方法，能够解决多目标的复杂问题。

将可能导致灾害发生的因素称为致灾因子，致灾因子危险性程度是由其强度或发生频率决定，强度越大或频率越高，其危险性就会越高。本文主要选取年平均积雪日数、年平均降雪日数和最大积雪深度三类因子作为危险性评价因子。

图 2 宁夏全区年平均雪情分布图Fig.2 Distribution map of annual average snow in Ningxia

路面积雪灾害孕灾环境主要由地理环境、生态环境等因素组成，地形高程(地势)、坡度是路面积雪的重要影响因子，道路起伏、坡度大的区域受路面积雪影响更严重，例如福银高速(G70)开城梁等典型的长下坡路段因路面积雪，经常会出现拥堵现象； 河网密度大和植被覆盖度高的路段，水汽条件充足，热容量大，积雪也不易融化。本文选取地形高程(地势)、坡度、桥涵个数、桥涵密度、河网密度、植被覆盖度作为高速公路路面积雪灾害孕灾环境的敏感性评价因子。

承灾体是致灾因子作用的对象。对于高速公路路面积雪灾害，是指承受路面积雪灾害的高速公路在灾难降临时所受到的损失量的大小。本文选取的影响承灾体易损性的评价因子包括：人口密度、车流量、道路密度和GDP 4项评价因子。

1.4 权重系数及区划方法

本文选取影响宁夏高速公路路面积雪灾害的13个评价因子(包括年平均积雪日数、年平均降雪日数和最大积雪深度、GDP空间分布、车流量、道路密度、人口密度、地形高度、河网密度、坡度、桥涵个数、桥涵密度、植被覆盖度)，采用AHP法计算，将各层次指标权重进行综合排序计算，得出13个评价因子栅格数据层的权重数据(表 1)。结合GIS的空间分析法，并将其按照自然断点法进行5级划分，运用GIS模糊综合评价模型对对各评价指标层进行加权合成，最终对宁夏高速公路路面积雪风险按照低、较低、中等、较高及高风险区5级划分。

表 1 高速公路路面积雪风险评价指标体系及其权重Tab.1 Evaluation index system and its weight of snow cover risk of the expressway

2 结果分析

2.1 全区雪情基本特征

2.1.1 全区雪情年季分布特征

基于宁夏25个国家级气象站，统计分析全区雪情年际分布特征，我区年平均降雪日数在10.3～64.5d(图 2a)，年最大积雪深度在8～35 cm(图 2b)，年平均积雪日数在6.5～86.7d(图 2c)，从地理分布来看，全区引黄灌区和中部干旱带地势相对平坦，大陆性气候表现的十分明显，冬半年干燥寒冷，降水稀少，表现为降雪日数少，积雪日数少，积雪深度浅，南部山区地势高寒，特别是六盘山区海拔超过2000m，冬季降水量相对较多而比较稳定，表现为降雪日数多，积雪日数多，积雪深度深。总体看来，北部灌区和中部干旱带的年均积雪日数少于22.5d，南部山区的年均积雪日数在30 d以上，尤其以六盘山、隆德、泾源积雪日数最多。

2.1.2 全区雪情月季分布特征

图 3 宁夏主要站点雪情月季分布特征Fig.3 Monthly distribution characteristics of snowfall at main stations in Ningxia

统计分析全区降雪日数、最大积雪深度和积雪日数月际分布特征(图 3)。降雪和积雪主要出现在冬季、初春和晚秋。1～3月出现日数较多， 11～12月次之，春季4～5月、秋季的10月也会出现。年均积雪日数小于20d的同心以北大部区域，全年有8个月出现道路积雪。年均积雪日数大于40d的固原、隆德、泾源等地区，全年有9个月出现道路积雪，六盘山区除了7～8月的夏季，全年有10个月可出现道路积雪。积雪深度最大值主要出现在秋冬过渡期和冬春过渡期的10～11月和3～4月。这也说明大到暴雪是形成道路积雪的主要天气类型，统计全区大到暴雪(降雪量大于4.5mm)的季节变化特征，主要发生在秋冬过渡期和冬春过渡期的10～11月和3～4月。

2.1.3 相关因子对路面积雪的影响

出现降雪和路面温度低于0 ℃是形成路面积雪的两个基本条件。统计全区25个国家气象站出现道路积雪情况时的气温情况，当日最低气温≤-1 ℃、或是当日地表温度≤-3 ℃时，形成积雪的频率>95%。当日地表温度>2 ℃时，形成积雪的频率<1%，故而可以以此作为无积雪现象发生的温度条件。

路面积雪与地形特征密切相关，位于南部山区六盘山的泾源地区高于周围地区，位于中部干旱带的麻黄山地区因地形因素，也远远高于周围地区，六盘山的迎风坡积雪发生次数也多于背风坡。

路面积雪与道路结冰是伴生的气象灾害，冬季积雪经车辆碾压或冻融必然伴生路面结冰，雨夹雪落地后必然是冰雪交融，统计全区25个国家站出现道路结冰情况时的降水情况，降雪或雨夹雪导致道路结冰的频率均超过了75%，其中六盘山站达93.4%。

2.2 致灾因子危险性评价

针对1981—2018年宁夏天气现象实况资料，利用GIS空间插值方法，根据每个站点的年平均积雪日数、年平均降雪日数和最大积雪深度其空间分布，运用AHP法赋予其权重系数，分别为0.1049、0.1566、0.2340，利用GIS栅格计算，获得路面积雪灾害致灾因子危险性等级分布图(图 4)。由图 4可知，宁夏路面积雪致灾因子危险性在空间上总体呈北向南递增，受路面积雪影响程度较重的地区主要集中在宁夏南部地区，其中以六盘山区路面积雪致灾的危险性最高，次高危险性分布在固原以南的大部区域，低危险性集中在同心以北地区。

图 4 宁夏高速公路路面积雪致灾因子危险性区划Fig.4 Risk division of snow-induced factor of snow cover risk of the expressway in Ningxia

图 5 宁夏高速公路路面积雪孕灾环境敏感性区划Fig.5 Environmental sensitivity zoning of snow cover risk of the expressway in Ningxia

2.3 孕灾环境敏感性评价

选取地形高程(地势)、坡度、桥涵个数、桥涵密度、河网密度、植被覆盖度作为高速公路路面积雪灾害孕灾环境敏感性评价指标。运用AHP法赋予其权重系数，分别为0.0373、0.0446、0.0334、0.0336、0.0689、0.0750，再计算得到宁夏高速公路敏感性指数等级分布图(图 5)。由图 5看出，高敏感区位于固原市六盘山地区和银川市西部； 低敏感区位于银川市东部、石嘴山市南部、吴忠市东部。

2.4 承灾体易损性评价

影响承灾体易损性的主要因子包括该区域的人口密度、车流量、道路密度和GDP。通过AHP法得到各权重，分别为0.0540、0.0496、0.0566、0.0514，计算得到宁夏高速公路易损性指数等级分布图(图 6)。由图 6看出，成灾体高易损性等级区域位于京藏(G6)高速、青银(G20)高速银川市的东南部，这一区域的人口密度、车流量、道路密度、GDP均属于高值区； 次易损区位于银川市的中部； 中等易损区位于京藏(G6)高速石嘴山的大部、银川市北绕城、京藏(G6)高速吴忠市的大部、定武(G2012)高速中卫市的大部以及福银(G70)高速的部分路段； 南部山区的同海、固西高速等因车流量少、GDP低等因素，属于低易损性区域。

图 6 宁夏高速公路路面积雪承载体易损性区划Fig.6 Vulnerability zoning of bearing carrier of snow cover risk of the expressway in Ningxia

2.5 宁夏高速公路路面积雪灾害风险区划

选取影响宁夏高速公路路面积雪灾害的13个评价指标，根据影响宁夏高速公路路面积雪灾害的致灾因子、孕灾环境、承灾体的不同指标，采用AHP法赋予不同的权重系数，运用GIS模糊综合评价模型对宁夏高速公路路面积雪灾害风险进行评价及区划分析，形成宁夏高速公路路面积雪风险综合区划(图 7)。

图 7 宁夏高速公路路面积雪灾害风险区划Fig.7 Disaster risk division of snow cover risk of the expressway in Ningxia

由图 7可知，宁夏高速公路路面积雪灾害风险等级：高风险区位于福银高速(G70)、青兰高速(G22)六盘山区东南麓区段； 较高风险区位于福银高速(G70)固原市原州区段、青兰高速(G22)固原市隆德西段段、固西高速、彭青高速路段； 同心以北的银川市、石嘴山市、吴忠市各路段风险总体较低。

3 结论

本文利用1981—2018年25个常规气象站观测资料及交通相关数据资料，基于GIS、AHP等方法，从致灾因子的危险性、孕灾环境的敏感性、承灾体的易损性三方面进行高速公路路面积雪灾害风险分析与区划研究，得到如下结论：

(1)宁夏25个国家站，全区年平均积雪日数在6.5～86.7d，全区年平均降雪日数在10.3～64.5d，全区最大积雪深度在8～35 cm，自南向北减少(浅)，南部山区明显多(深)于北部地区。积雪主要出现在冬季，大到暴雪级的路面积雪主要出现在秋冬转换的10～11月和冬春交替的3～4月。

(2)以宁夏高速公路为对象，基于GIS、模糊综合评价法和AHP法，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和承灾体易损性三方面进行研究，并给出风险区划。结果表明：高风险区位于福银高速(G70)、青兰高速(G22)六盘山区东南麓区段； 较高风险区位于福银高速(G70)固原市原州区段、青兰高速(G22)固原市隆德西段段、固西高速、彭青高速路段； 同心以北的银川市、石嘴山市、吴忠市各路段风险总体较低。

由于本文仅是高速公路路面积雪灾害风险评价的初步研究，其中，积雪时间是在自然消融情况下的表现，并未深入研究在人工除雪干预等条件下与实际灾情的差异，还需在今后工作中研究，找出发生差异的原因，以利于开展服务工作。