基于GIS技术对高速公路降雪高影响路段的分析及安全改善策略

2022-02-11文图李波刘俊杰

道路交通管理 2022年1期

文图｜李波刘俊杰

抚顺市地处辽宁省东部山区，地势较高，气候类型为温带大陆性季风气候，夏热多雨、冬寒漫长。近年来，随着辽宁省高速公路路网的进一步优化，抚顺市境内高速公路总里程达到330.1公里，G1212沈吉高速、G91辽中环线高速、S10抚通高速、S13永桓高速等四条高速公路贯穿抚顺境内。根据抚顺市公安交通管理部门统计，抚顺地区影响高速公路行车安全的首要气象因素为降雪，降雪及雪后路面结冰是导致高速公路采取交通管制措施的最重要原因。虽然高速公路运营部门加大了除运雪工作力度，但随着经济社会发展，高速公路交通出行需求增加，加之全球气候变化，强降雪等极端恶劣天气事件增多，对高速公路交通安全产生负面影响的不确定性增加，因此研究降雪恶劣天气高影响路段及其解决对策和方法迫在眉睫。

目前，国内学者对基于GIS技术研究高速公路降雪恶劣天气高影响路段的研究内容较少，提出的解决对策多为采取限制车速车型、封闭道路等交通管制措施。因此，完善和细化研究高速公路降雪恶劣天气高影响路段，对除运雪作业、重点路段巡逻管控乃至完善交通标志、标线，降低道路交通事故风险，都具有重要意义。本文基于GIS技术对2016—2020年抚顺地区高速公路降雪恶劣天气高影响路段进行研究，并提出安全改善策略。

一、资料与方法

（一）资料来源。本文采用的高速公路车流量数据、交通管制数据来源于抚顺市公安局交警支队、辽宁省高速公路运营管理有限责任公司沈抚分公司2016—2020年的统计资料，包括逐段车流量数据、高速公路采取交通管制措施数据（其中G91辽中环线高速公路数据时段为2019—2020年）。本文采用的基础气象数据来源于抚顺市气象局所属的抚顺、清原、新宾三个国家级气象观测站2016—2020年降雪期的气象统计资料，包括逐日气温、降水（雪）量、天气现象、积雪深度等数据。本文采用的数字高程模型来源于国家基础地理信息中心，辽宁省1：5万高程模型数据库（DEM），用于对山体坡向、高差、气象数据进行空间混合插值分析。本文使用的高速公路主线路面标高数量来源于BIGEMAP软件采集。通过对高速公路主线进行现场踏勘，复核确认山体背阴面路段，统计相关标志、标线等交通安全设施设置的数量。

（二）研究方法。采用对气象数据进行分析，通过逐日数据对比得出，抚顺地区冬半年降雪日最早始于10月28日、最晚止于翌年4月23日，4月、10月降雪天气现象和≥0.1mm降雪量同时出现的日数为20d，占整个时段降雪天气现象和≥0.1mm降雪量同时出现日数的0.05%，且均未形成积雪。同时，5—9月抚顺未出现降雪天气现象，当地公安交通管理部门也没有因为降雪或道路结冰对高速公路采取交通管制措施。因此本文主要对11月至翌年3月期间降雪恶劣天气高影响路段进行分析研究。

通过对抚顺地区降雪期逐日降水、积雪日数数据进行处理，形成逐月平均值，计算出逐月平均降水（雪）量、降水（雪）日数、积雪日数数据。通过ArcGIS 10.2软件对抚顺地区高程模型数据获取气象站对应的海拔高度数据，再对数据进行回归分析，生成多元回归方程，计算出气象站对应栅格的空间插值结果，通过比较插值结果和实测值得出误差，并对误差进行同尺度插值分析。基于ArcGIS 10.2平台，判断高速公路沿途两侧各60米范围内山体坡向和高差（DEM与高速公路主线路面标高的差值），通过栅格计算的方式对多元回归方程及误差插值采用空间混合分析方法，对不同时间尺度的气象要素空间变化特征进行插值分析。

通过ArcGIS 10.2软件按坡向与高速公路主线的位置关系计算出山体背阴面路段，与现场踏勘的结果进行对比，提出完善交通标志、标线的工作意见。

二、结果分析

（一）高速公路沿途地形地势分布特征。抚顺地区地势（图1）由西向东逐渐升高、坡降平缓、山势浑圆，高速公路线位多位于低山丘陵、丘陵、山谷、河流冲积滩地等地带。结合ArcGIS计算和抚顺地区高速公路原始设计说明，各条路段具体地势和标高为：G1212沈吉高速呈现西南—东北走向，沿途地势西低东高，为丘陵—低山区，部分路段属山岭重丘区，其中英额门至草市主线标高在400m以上；S10抚通高速和S13永桓高速呈西北—东南走向，沿途为山岭重丘地貌地势，东南高、西北低，山势连绵，其中S10抚通高速新宾至旺清门主线区间、S13永桓高速西沟隧道至碗铺隧道路面标高在400m以上；G91辽中环线高速呈偏北—西南走向，沿途地貌以低山丘陵为主，山间谷地河谷平原交错分布，其中南山隧道、高头岭隧道附近路面标高超过200m。

图1 抚顺地区高速公路路网分布示意图

通过ArcGIS计算山体坡向与高速公路主线线位的关系，取0°～45°、325°～359°坡向为山体背阴，结合高速公路主线线位和山体脊线夹角在45°以内的路段且位于山体北侧的路段为山体背阴面路段，具体为G1212沈吉高速热高乐园至抚顺东站、南杂木至南口前站、北三家至英额门站路段，S10抚通高速南杂木至木奇站、永陵至旺清门站路段、S13永桓高速西沟隧道至碗铺隧道路段、G91辽中环高速康西大桥至石文站等路段。

（二）高速公路车流量、采取交通管制措施分布特征。抚顺地区高速公路交通管理工作由公安交管部门负责实施，按照分段管理、分站统一实施的原则，对高速公路车流量、采取交通管制措施的分析按照属地交警大队管辖路段进行划分，具体为：高速一大队负责G1212沈吉高速热高乐园至南杂木站，高速二大队负责G1212沈吉高速南口前至草市站，高速三大队负责S10抚通高速上夹河至旺清门站及S13抚通高速永陵站至碗铺隧道，高速四大队负责G91辽中环线高速南山隧道至石文站。

有研究表明，高速公路交通事故风险等级随着车流量的增加呈现升高趋势，抚顺地区11月至翌年3月，高速公路主线车流量变化明显，高速一大队管段日均流量最大为0.975万辆/日，高速二大队管段次之，高速四大队管段日均流量最小为0.075万辆/日。高速一大队管段占全地区高速总流量的63.9%，车流量是高速二大队的3.5倍、高速三大队的4.9倍、高速四大队的12.1倍，表明各高速大队管段日均车流量存在较大差异。按收费站区间来看，其中G1212沈吉高速章党至抚顺东站、抚顺东至抚顺站区间日均车流量在10000辆以上；G91辽中环线高速东洲至石文站双向日均流量低于800辆，表明高速公路车流量分布路段差异明显。

抚顺市公安交管部门统计显示，降雪及雪后路面结冰是导致高速公路封闭交通的主要原因，从高速收费站封闭次数来看，位于高速二大队辖区的收费站封闭次数最多，高速三大队次之，高速四大队最少，表明G1212沈吉高速南口前站至草市站受降雪恶劣天气影响较为明显，热高乐园至南杂木站受降雪影响相对较弱。通过对比历次高速公路封闭数据情况来看，高速一大队和高速四大队管段如果封闭交通，高速二大队、高速三大队管段必然封闭交通，说明抚顺地区高速公路封闭具有整体性特点。

（三）降水（雪）量和降雪天气现象空间插值分布特征。经过ArcGIS混合插值分析，抚顺地区高速公路沿途降雪量插值结果在31mm～45mm，以G1212沈吉高速中寨子隧道至草市路段、S10抚通高速上夹河至木奇站、新宾至旺清门路段、S13永桓高速全线、G91辽中环高速东洲至石文路段为高值区，年降雪量在41mm～45mm；G1212沈吉高速热高乐园至抚顺东及铁背山隧道东至南杂木路段为低值区，年降雪量在31mm～35mm。具体呈现出东部路网降水（雪）多、西部少，其他地区次之的分布特点。

抚顺地区高速公路沿途降雪天气现象插值结果在25d～55d，其中G1212沈吉高速中寨子隧道至草市路段、S10抚通高速永陵互通立交至旺清门、S13永桓高速全线为高值区，年降雪天气现象在46d～55d；G1212沈吉高速热高乐园至前岭互通立交、G91辽中环高速南山隧道南至东洲路段为低值区，年降雪天气现象在25d～30d。呈现出东北部、东南部路网降雪现象多、西部路网少的分布态势。

综合分析（图2），降雪天气现象和降水（雪）量分布具有相关性，即降雪天气现象日数多的路段与降水（雪）量多的路段表现出相关性，即降雪天气现象日数多的路段与降水（雪）量高的路段基本重合，呈正相关。按本地区降雪数据选取75%百分位来确定高影响路段，确定年降水（雪）量36mm以上、降雪天气现象40d以上的路段为抚顺地区高速公路降雪恶劣天气影响高路段，结果表明，G1212沈吉高速中寨子隧道至草市路段、S10抚通高速上夹河至木奇和永陵互通至旺清门、S13永桓高速全线，G91辽中环线高速东洲至石文部分路段为降雪恶劣天气高影响路段。

图2 抚顺地区高速公路降雪高影响路段分布

（四）高速公路主线既有设置交通安全设施分布特点及建议。抚顺地区高速公路主线既有各类针对降雪及雪后路面结冰的交通标志标线31处（图3），其中“雨雪雾天、谨慎驾驶”警告标志牌11块、“急弯减速”指示或提示标志牌8块、横线震荡减速线或彩色地面铺装12处。从设置标志标线的种类来看，降雪恶劣天气高影响路段的G1212沈吉高速南杂木至草市站、G91辽中环线高速东洲至石文站、S10抚通高速永陵至旺清门站设置警告组合标志牌数量较多；G1212沈吉高速热高乐园至章党站、G91辽中环线高速南山隧道至东洲站等西北部降雪恶劣天气影响较低的路网，多以设置指示标志或标线为主。

图3 抚顺地区高速公路交通安全标志标线设置分布和新增分布

根据抚顺地区高速公路降雪高影响路段分布和高速主线与山体位置关系，通过ArcGIS软件对既有标志标线提示牌等交通安全设施进行标注，发现G1212沈吉高速抚顺至抚顺东站路段、南杂木至草市站的短距离山体背阴面和下坡或曲线路段需要完善相关设施。同时，结合对各高速交警大队日常管理工作的调研情况，确定S10抚通高速永陵至新宾站路段冬季冰雪不易融化，存在交通安全风险，需要完善交通标志标线。因此，抚顺地区高速公路在现有基础上，需要增加9处相关的标志标线和提示牌，主要集中在G1212沈吉高速南杂木至草市站、S10抚通高速永陵至旺清门站还需要对山体背阴面、弯路下坡等路段增设标志标线。相比之下，G91辽中环线高速、S13永桓高速等建设和竣工较晚的高速，沿途标志标线则基本满足对降雪天气的信息提示要求。