基于GIS的宁夏高速公路降雨灾害风险评估

马 蕾， 刘 垚， 武万里， 苏占胜， 缑晓辉

(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.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002)

近年来，在全球气候变化的背景下，极端和恶劣天气频发，气象灾害风险越来越严重，故在我国社会经济中承担着重要作用的公路交通运输也面临着巨大的风险.降雨是影响交通运输安全的主要灾害天气之一[1—3]，对公路正常运行和交通安全的影响主要为：雨天路面湿滑，汽车轮胎与地面之间的摩擦系数减小，增加了安全制动距离[4—5]；积水路面上出现的“水膜滑溜现象”，容易造成车辆失控[6]；导致能见度降低，且积水路面行车产生的水花影响驾驶员视线[7—8]；暴雨还会诱发地质灾害，冲毁路面、路基及其他公路设施，使交通中断[9].近年来,许多学者基于降雨灾害针对公路交通的风险评估和区划开展研究，且大多是以特定行政区域为单元.武永峰等基于GIS和灰色综合评价法[10]，建立湖南省公路交通暴雨风险评价模型；顾婷婷等基于GIS和模糊综合评价法[11]，建立浙江省高速公路暴雨灾害风险评估模型.

宁夏境内主要高速公路有4条,即京藏高速、定武高速、福银高速与青银高速.其中，京藏高速公路以南北向为主，主要路段位于宁夏的中北部，处于地势平坦且有黄河灌溉的引黄灌区；定武高速公路是东西方向，位于宁夏的中部地区，主要途径中卫、中宁和盐池一带；福银高速公路主要位于宁夏的南部，途经干旱少雨的同心县和固原市大部的中温带半湿润区，地势复杂；青银高速主要位于宁夏的东北部，途径银川、盐池.宁夏的降雨南多北少，且多集中在夏季.由于特殊的地形、地貌和所处地理位置，宁夏的降雨具有落点分散、时间短、强度大、局地性强等特点[12]，易引发山洪、泥石流、山体滑坡等灾害，给交通运输带来了严重威胁.因此，开展宁夏高速公路降雨灾害风险评估有重大意义.笔者以宁夏主要高速公路为研究对象，通过模糊综合评价法，基于GIS的空间信息技术，开展宁夏高速公路降雨灾害风险评价研究.

1 资料与方法

1.1 数据来源

气象数据来源于宁夏气象局24个气象站的1981—2016年逐日降水量数据；桥涵、交通路网来源于宁夏公路局；河网、行政区划等来自于国家基础地理信息中心；植被指数(NDVI)、GDP空间分布、人口空间分布来源于中国科学院资源环境科学数据中心；车流量来源于2016年宁夏交通信息中心；SRTM 90 m高程数据来源于SRTM国际科学数据服务平台免费网站.

1.2 研究方法

1.2.1评价指标的构建及其权重 灾害风险是个复杂的系统，有众多影响因素，且有很大的不确定性.因此，笔者从致灾因子危险性(诱发高速公路降雨致灾的因子)、孕灾环境敏感性(形成高速公路降雨致灾的环境)、承灾体易损性(受灾环境)3方面入手，构建模糊综合评价模型，建立宁夏高速公路降雨灾害评价指标体系.在分析降雨灾害风险前，为消除各指标之间的量纲差异[13]，采用下式对每个指标值进行归一化处理：

xi′=(xi-xi,min)/(xi,max-xi,min),

式中:xi为第i个指标值；xi′为第i个指标的归一化值；xi,max,xi,min分别为第i个指标值中的最大值和最小值.

通过层次分析法分别确定各指标的权重，构造判断矩阵，然后计算.当所有指标层级判断矩阵均通过一致性检验，即RC<0.1时，表明各指标分配合理.最后将各层次指标权重进行综合排序计算，得到其权重.层次分析法将定性与定量相结合[14]，能够把定性的因素定量化，把主观判断采用数学的方式表达出来，在一定程度上减少了人的主观影响，从而使评价结果更加合理、科学.

1.2.2风险评价方法 通过AHP法确定各指标权重，对各评价指标层进行加权合成，计算公式[15]：

结合GIS空间分析法，得到区划结果，并将其按照自然段点法分区划分为5级,即对致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性,按照高、次高、中等、次低、低进行区划.最终对宁夏高速公路降雨风险按照高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区、低风险区进行区划.

2 结果与分析

2.1 致灾因子危险性评价

致灾因子危险性程度是由致灾因子活动的强度和频率决定的.参考已有研究成果[16]，选取降雨量分别为16～30，30～50 mm和大于50 mm的降雨时间作为致灾因子的评价指标.将各指标归一化处理，通过AHP法得到各自的权重，分别为0.211 7，0.316 0，0.472 3，加权后得到致灾因子指数.宁夏降雨致灾因子危险性,在空间上总体呈西北向东南递增(图1)，在地形抬升和水汽条件的影响下，受降雨影响程度较重的地区集中在贺兰山沿山、吴忠市和中卫市的南部及固原市的大部，其中， 以固原市六盘山地区最为严重，降雨致灾的危险性最高；其他地区受降雨的影响弱.

图1 宁夏降雨致灾因子危险性

2.2 孕灾环境敏感性评价

孕灾环境敏感性是指灾害发生时，受灾的外部环境对灾害或损害的敏感程度[17].对于高速公路降雨灾害，孕灾环境是指自然环境对降雨灾害形成和发展的影响.因此，选取影响宁夏高速公路降雨灾害孕灾环境敏感性的主要因子——地形高程(地势)、坡度、河网密度、植被覆盖度、桥涵个数、桥涵线密度作为评价指标.通过AHP法得到各权重，分别为0.127 3，0.152 3，0.114 0，0.114 7，0.235 2，0.256 4，再计算得到宁夏高速公路敏感性指数.宁夏高速公路孕灾环境敏感性总体较高(图2)，在迎风坡、山地、植被覆盖率高、水面宽广、桥梁多的情况下，银川市的北部、中卫市的北部和南部、固原市的大部境内的高速公路孕灾环境敏感性高，而银川市的南部、石嘴山和吴忠市的大部、中卫市的中部境内高速公路孕灾环境敏感性较低.

2.3 承灾体易损性评价

承灾体易损性是指承受灾害的环境在接受一定强度打击后受到损失的难易程度[18].对于高速公路降雨灾害，承灾体易损性是指高速公路在灾难降临时所受到的损失量.因此笔者选取影响承灾体易损性的主要因子——人口密度、车流量、道路密度、GDP.通过AHP法得到各指数的权重，分别为0.255 2，0.267 5，0.234 4，0.242 9，然后计算得到宁夏高路公路易损性指数.承灾体高易损区位于银川市金凤区的东南部(图3)；次高易损区位于银川市的中部；中等易损区位于石嘴山市的大部、银川市的北部、吴忠市的北部、中卫市的北部、固原市的北部.

图2 宁夏高速公路孕灾环境敏感性区划

图3 宁夏高速公路承灾体易损性区划

2.4 宁夏高速公路降雨灾害风险区划

选取影响宁夏高速公路降雨灾害的13个评价指标，即降雨量分别为16～30，30～50 mm和大于50 mm的平均降雨时间;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.从致灾因子、孕灾环境、承灾体3方面构建模糊综合评价模型，通过层次分析法确定各指标的权重(表1)，并通过GIS空间分析法绘制宁夏高速公路降雨灾害综合风险区划图(图4).

表1 宁夏高速公路降雨风险评价指标体系及其权重

1)宁夏中卫市的南部及固原市境内的高速公路风险较高，其中，高风险区在福银高速(G70)固原市泾源段、青兰高速(G22)固原市泾源段.泾源县位于固原市六盘山区的迎风坡，水汽条件充沛，在地形抬升的条件下，降雨时间多且降雨量大，孕灾环境敏感性高，承载体易损性中等.因此，该区域高速公路降雨的灾害风险高.较高风险区位于福银高速(G70)固原市原州区段大部、青兰高速(G22)固原市隆德段、彭青高速(S70)固原市彭阳西段.这些路段的致灾因子危险性指数和孕灾环境敏感性较高，承载体易损性中等到次高，因此风险指数较高.在防灾减灾方面，应在山体滑坡、泥石流频发区域加强防御措施建设.

2)中等风险区位于福银高速(G70)的中卫市李旺至三营段、同海高速(S40)的中卫市海原段、彭青高速(S70)的固原市彭阳东段，致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和承载体易损性均不高，所以风险指数不高.

3)宁夏的中北部地区境内高速公路风险等级较低，而京藏高速、定武高速、青银高速、银西高速、古青高速的全线，虽然承载体易损性高，但孕灾环境敏感性不高，且致灾因子危险性较低，因此综合风险指数相对较低.

3 结论

宁夏南部山区的高速路段降雨风险等级较高，北部和中部地区的高速路段降雨风险较低.京藏高速、定武高速、青银高速、银西高速、古青高速的全线为低到较低风险，风险值为0.100 3～0.256 6.福银高速的吴忠至同心段的风险较低，风险值为0.179 5～0.256 6；中卫市的海原段为中等风险，风险值为0.256 6～0.339 8；固原市的原州区段为中等到次高风险，风险值为0.256 6～0.453 5；固原市的隆德至泾源段为高风险，风险值为0.453 5～0.617 9.青兰高速的隆德段为次高风险，风险值为0.339 8～0.453 5；泾源段为高风险，风险值为0.453 5～0.617 9.因此，宁夏高速公路降雨灾害高风险路段主要位于福银高速的固原市南段、青兰高速的固原市东段.在防灾减灾工作方面，应该在泥石流、山体滑坡等频发区域加强防御措施建设.本文仅是高速公路降雨灾害风险评价的初步研究，并未深入研究其与实际灾情的差异.还需在今后工作中研究降雨风险和实际灾情的差异，并找出发生差异的原因.