拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险研究

康 龙 , 肖天贵,3 , 假 拉 , 坚参扎西

（1. 成都信息工程大学, 成都 610225；2. 西藏自治区气象台, 拉萨 850000；3. 成都信息工程大学云南自然灾害防御技术研发中心，昆明 650034）

引言

拉萨-林芝铁路是川藏铁路的重要组成部分，不仅能很好地促进当地经济发展，尤其是旅游经济的发展，而且利于不断巩固西藏地区的安全稳定，具有重大的战略意义。明慧青等[1]研究发现，在全球极端天气频繁和全球变暖的环境下，闪电、暴雪、暴雨、大风等气象灾害常常会影响高铁的安全运行。闫永泽[2]研究指出，1981年宝成线遭遇特大洪水，大约20 km的铁路轨道被直接冲毁，10 余座车站和隧道被淹没，附近多条线路受阻，区域内铁路网络严重瘫痪。刘海莹[3]在研究中提到，2008年我国南方遭遇百年难遇的大暴雪，导致铁路网络大面积瘫痪。芮坎妹等[4]分析指出，面临铁路建设与安全运营的迫切需要，提高防灾减灾能力，提升铁路行业气象灾害防御系统建设，对铁路安全运输有着非常重要的意义。易亮等[5]等分析得出，在创立铁路气象防灾系统的进程中，存在气象灾害风险评估局限性很大、气象灾害预测预报能力弱、铁路沿线气象灾害安全防御措施缺乏等情况。目前，已有很多学者在气象灾害对铁路的影响方面开展了一系列工作。崔莉婧[6]研发了一个适用于我国铁路运营实际情况的铁路气象监测预报系统，监测对象主要是铁路沿线的风速、降水、积雪深度、风向，并使用摄像监控对监测点周围环境进行观测。代娟等[7]以不同气象灾害风险评估因子，作为高速铁路区域划分的评价指标，制定出气象灾害风险评估的区划方案。费杜秋等[8]利用铁路历史自然灾害数据，运用自然灾害风险综合评估法，研究了自然灾害危险性。冯卫等[9]分析了陕西咸阳市的地质灾害、洪水灾害以及地震灾害，为应急管理和国土空间规划提供了重要指导。自然灾害风险评估大多数是基于GIS 技术，对孕灾环境脆弱性、承灾体脆弱性、灾害因子危险性进行综合分析，得到自然风险灾害评估区划[10-12]。王志等[13]统计分析了2001～2010年全国760个站点的极大风速资料，采用GIS 技术和自然灾害风险法，联系人口密度、社会经济水平、防灾减灾能力等要素，计算得到了大风影响高速铁路的风险区划图。

可见，铁路沿线气象灾害与社会生活息息相关。因此，铁路沿线主要气象灾害的风险区划研究具有重要的科学意义和应用价值。目前，针对川藏铁路气象灾害风险的研究还不多见，尤其是已经开通运营的拉萨-林芝铁路。针对上述问题，本文选用1980～2010年拉萨-林芝铁路沿线17个气象观测站大风、降雪、暴雨和闪电的逐日数据，结合铁路沿线附近各县市人口密度、人均国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）等资料，构建拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险研究模型，进行铁路沿线主要气象灾害的高风险区划，以期为拉萨-林芝铁路安全运营提供科学依据。

1 研究资料和区域

1.1 资料说明

研究选用了以下几类数据：

（1）气象数据选取了1980～2010年拉萨-林芝铁路沿线17个地面气象站（图1）的逐日观测资料，包括风、闪电、雨和雪。通过设定阈值（≥17 m/s）计算了大风天数，通过设定阈值（≥25 mm）计算了暴雨天数。

（2）地理数据主要包含行政区划图、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、坡度与坡向、水道遍布、县城、铁路等。

（3）社会数据摘自2019年西藏统计年鉴，涉及拉萨-林芝铁路附近各县市人口密度和人均GDP。

1.2 区域概况

如图1 所示，拉萨-林芝铁路是一条西起于拉萨市拉萨站、东至于林芝市巴宜区的高速铁路，顺着拉萨河而下，途径贡嘎、乃东、朗县、米林等县市，跨越雅鲁藏布江到达林芝站。拉萨-林芝铁路全程位于西藏自治区境内，平均海拔在3000 m 以上，全线桥隧总长近301 km，几乎是总线长的7 成以上，共计穿过了47个隧道和120 座大桥。由于复杂的地形环境，各种

自然灾害频发，有以滑坡、泥石流、风沙、岩屑坡、冻土为主的各种地质灾害，有以暴雪、大风、闪电、暴雨为主的各种气象灾害。

2 研究路线和方法

2.1 评估线路

对拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害的风险研究，主要从致灾因子、致灾环境稳定性以及社会经济情况三方面来进行分析，具体技术路线如图2 所示。

图2 拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险评估技术路线

2.2 致灾因子处理

2.2.1 灾害性大风

根据《地面气象观测规范》，文中大风灾害的频次和强度分别用≥17 m/s 的大风天数和年均最大风速表示。

2.2.2 灾害性暴雨

根据杨志刚等[14]给定的西藏地区暴雨标准，文中暴雨灾害的频次和强度分别用24 h 降水≥25 mm 的日数和年均最大降水表示。

2.2.3 灾害性暴雪

文中暴雪灾害的频次和强度分别用年均最大积雪日数和年均最大积雪深度表示。

2.2.4 灾害性闪电

文中闪电灾害的频次和强度分别用闪电日数和年均最大闪电强度表示。

2.3 自然灾害风险综合指数法

自然灾害风险综合指数的具体表达式为：

式中：Fi表示灾患危害指数，Fa表示致灾因素危险性，Fb表 示孕灾环境稳定性，Fc表示承灾体易损性，致灾因子、孕灾环境和承灾体的占比分别是i1，i2和i3，。利用该风险指数模型，计算出各种气象灾害的风险指数，然后对拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险进行区域划分。

2.4 层次分析法

层次分析法就是把一个复杂的多维问题作为一个集合体系，将复杂的东西分裂为多个因素，然后再把已经分裂出来的因素再进行分裂，最后使用定性指标模糊量化方式算出层次单独序列和总序列，根据结果进行方案优化决策[15]。本文对高程、坡度、坡向、河网分布进行比较，得到了拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害孕灾环境影响因子（表1）。表中：“3”表示一个因子比另一个因子更加重要；因子i和j比较得到Aij，反之得到Aji，Aij×Aji= 1。

表1 拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害孕灾环境影响因子

2.5 数据归一化

归一化就是通过归一变换，把有量纲变成无量纲的过程。具体表达式为：

式中：样本数据的最大值是max(x)，最小值是min(x)。

2.6 克里金空间插值法

运用克里金空间插值法[16]对致灾因子进行模拟，得到致灾因子的危险性分布。应用Arcgis 软件，将结果插值为栅格输出，具体公式为：

式中：λi表示第i个位置处的测量值的未知权重，S0表示预测位置，N表示测量指数，Z(Si)表示第i个位置处的测量值。

3 结果分析

3.1 气象灾害月际变化

如图3a 所示，拉萨-林芝铁路沿线暴雪灾害呈显著的季节性分布特征；12月～次年3月，暴雪次数占全年的87.06%；其中，暴雪次数的最大值出现在2月（389 次），远超4～11月的总和；冬季温度低，更易达到降雪条件，暴雪灾害多发。如图3b 所示，闪电灾害的月际变化呈单峰型分布，且季节分布比较明显，主要集中在5～9月，占全年的91.23%；闪电灾害在8月出现最大值（294 次），占26.18%，10月～次年4月发生的次数占比仅为8.77%；造成这种情况的原因主要是秋、冬季对流不如夏、春季旺盛，夏季暴雨多且雷电多发。如图3c 所示，暴雨灾害的月际变化与闪电灾害类似，同样呈单峰型分布，具有很明显的季节性特征；暴雨灾害最先在2月中旬出现，而后一直呈上升趋势，7月达到最大值，之后呈显著的下降趋势；5～10月，暴雨灾害占全年的93.60%，其中7月（206 次）占比为30.65%，12月～次年2月没有暴雨灾害出现；这是因为受夏季风影响，夏季降水频次和强度明显增加，导致暴雨灾害增多，而冬季在冬季风影响下水汽较弱，且一般多降雪，降雨明显减少。如图3d 所示，拉萨-林芝铁路沿线大风灾害发生频次分布与暴雪灾害较为相似，表现为上半年多且下半年少的特征；1月开始急剧增多，峰值出现在2月和3月，4月后急剧减少，5～12月处于低发阶段；1～4月大风灾害出现次数占全年的74.59%，其中2月和3月均出现16 次，合计占比为45.67%，6～11月大风灾害发生次数均低于3 次；春季和冬季北方冷空气入侵往往引起大风日数增加，是导致冬季和春季大风灾害多发的主要原因。

图3 拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害的月际变化特征

3.2 承灾体易损性评估分析

拉萨-林芝铁路沿线各县市的社会经济水平和人口分布情况通常就决定了所造成的危害程度。如果一个地方人均GDP 越高、人口密度越高、农田等基础设施越多，则受灾情况就会越严重。根据以县市为单元的行政区域土地面积和人口总数计算出当地的人口密度分布（图4b）可知，最密集区域在拉萨市和山南市，拉萨市人口密度最大达到了855 人/km2，其次是曲水县和贡嘎县，人口密度分别是26 人/km2和23 人/km2。根据西藏年鉴中给出的社会经济数据计算人均GDP 分布（图4a）可知，最高的林芝市巴宜区为5.38 万/人，同级别的还有山南市桑日县、林芝市米林县。

图4 拉萨-林芝铁路沿线各县市的人均GDP（a）和人口密度（b）情况

在考察人口密度和人均GDP 对拉萨-林芝铁路沿线承灾体易损性影响程度的基础上，利用层次分析法分别给予比重0.4 和0.6，以各县市为基础单元，计算出承灾体脆弱性值，得到了拉萨-林芝铁路沿线灾害承灾体的脆弱性分布（图5）。如图所示，承灾体易损性的高易损区位于拉萨市；次高易损区位于山南市、曲水县、以及琼结县附近；中易损区位于贡嘎县、曲松县、林芝市以及尼木县附近；在拉萨-林芝铁路沿线以北大多位于次低易损区，而在拉萨-林芝铁路以南，大部分市县都位于低风险区，主要因为铁路以南区域人口密度较小，经济水平较低，即使发生灾害，受到的损失也较小。

图5 承灾体易损性区划

3.3 孕灾环境稳定性评估分析

地形对于孕灾环境敏感性的影响主要表现在高程以及地形的升沉。地势越低的地方、河网分布越麋集的地方，越可能发生暴雨灾害。利用高程差表示地形的起伏度，高程差越大，地形起伏越明显，越易于形成灾害。而处于较高海拔的区域，则越容易发生大风以及冰雪灾害。拉萨-林芝铁路处于西藏高海拔地区，地形险峻，途径雅鲁藏布江峡谷地区，还有极具挑战性的桑珠岭隧道、巴玉隧道。拉萨-林芝铁路沿线的孕灾环境主要是指铁路沿线附近的河流分布、地形、坡度和坡向等因素（图6），经过层次分析法，将海拔、河网、坡度和坡向分别赋予权重值0.3、0.2、0.25、0.25，计算孕灾环境稳定性指数。如图7 所示，拉萨-林芝铁路沿线高风险区集中在拉萨、山南、曲松和加查县周围，主要是因为这段路线地形起伏很大且峡谷河流较多；朗县到林芝这段路线则是低风险区，这是由于林芝到米林这段地势相对平缓且河网没那么密集，而且植被数量相对也较多，有利于减少灾害的发生。

图6 孕灾环境影响因子

图7 孕灾环境稳定性区划

3.4 致灾因子危险性分布分析

为了更加直观地表示拉萨-林芝铁路沿线致灾因素的灾害危险程度，以铁路两侧70 km 缓冲区为研究对象，得到了4 种气象致灾因素的灾患危险分布(图8)。暴雨灾害（图8a）高风险区主要出现在林芝以及波密县附近，其周边的米林县处于次高风险区，而拉萨到郎查的这段路线上发生暴雨的风险都比较小。大风灾害（图8b）高风险区主要出现在朗县附近，次高风险区在山南县到加查县附近，林芝地区也有小部分，而拉萨、曲水以及波密县属于大风灾害低风险区。暴雪灾害（图8c）高风险区主要出现在波密县附近，林芝东部和米林县东南部处于中风险区，拉萨和林芝西北都处于次低风险区，山南到朗县这段区域属于低风险区。闪电灾害（图8d）整体发生都不是很多，除了林芝、拉萨、山南等几个城市附近属于低风险区，其余基本上是次低风险区。

图8 拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾患危险性空间分布

3.5 灾害风险评估和区划分析

根据上节分析结果分别得到了孕灾环境稳定性指数、致灾因素危险性指数、承灾体易损性指数，使用层次分析分别赋予权重0.4、0.3、0.3，计算4 种气象灾害的灾患风险指数，并且将其分成五个级别，绘制出对应的风险区划空间分布（图9）。如图9a 所示，拉萨-林芝铁路沿线暴雨灾害高风险区主要出现在林芝市东南方向，这是由于林芝市东南部特殊的地形地貌与气候条件很容易形成强降水；而拉萨-林芝铁路沿线降水分布铁路两边较多，铁路运行路线中间降水较少，山区降水大于平原，东部降水大于西部。如图9b所示，加查县到朗县这段线路处于大风灾害高风险区，全程76 km，该区间一年中有300 d 出现7 级以上大风；次高风险区位于山南市附近，受地理位置影响，该区大风日数也相对偏多；低风险区位于拉萨市以及波密县附近，一年仅有不到50 d 出现大风。如图9c 所示，暴雪灾害高风险区位于米林到林芝这段路线，米林县与林芝之间有多座高峰，比如雪噶如戈山、帮仲普、朵卡隆等，这一带发生暴雪频繁；而拉萨到朗县这段铁路线路处于次低风险区，暴雪次数不多。如图9d所示，闪电发生高风险地区主要出现在加查县到朗县这段路线，该区间一年发生闪电次数是其他地区的十倍；其余路线几乎都处于中和次低危险区，闪电灾害并不严重。

图9 拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险区划空间分布

4 结论与讨论

4.1 结 论

本文选用1980～2010年拉萨-林芝铁路沿线17个气象站的逐日观测数据，结合铁路沿线附近各县市人口密度、人均GDP 等资料，构建拉萨-林芝铁路沿线主要气象灾害风险研究模型，并完成了主要气象灾害的高风险区划，得到如下主要结论：

（1）5～10月是拉萨-林芝铁路沿线暴雨的高发季节，占全年的93.60%。5～9月是拉萨-林芝铁路沿线闪电主要发生季节，占全年的91.23%。12月～次年4月是拉萨-林芝铁路沿线暴雪的多发季节，占全年的87.06%。1～5月是拉萨-林芝铁路沿线大风的高发季节，占全年的74.59%。

（2）承灾体易损性上，拉萨市是高易损区，因为拉萨人口最多，社会经济最发达，一旦发生灾害，造成的损失也很巨大。山南和贡嘎发展水平相对较低，处于中和次高易损区，林芝也处于中易损区域。其余县市由于人口不是很多，经济水平也一般，因此，承灾体易损性就很低，即使发生大的灾害，也不会造成多大的经济损失。

（3）拉萨-林芝铁路沿线气象灾害的孕灾环境稳定性呈流域性分布特征。高敏感区主要在拉萨-林芝铁路西侧，拉萨到加查县这段路线附近，这是由于该区域河网分布密集，地貌复杂且植被覆盖低。朗县到林芝这段线路水系相对较少，地势较为平缓且植被覆盖较多，属于低和次低稳定性区。

（4）拉萨-林芝铁路沿线暴雪灾害高风险区主要出现在林芝东南和米林以东区域。大风灾害高风险区主要出现在加查和朗县附近。闪电灾害高风险区域主要出现在林芝市和山南市附近。暴雨灾害高风险区主要出现在林芝市附近。

4.2 讨论

（1）暴雨主要会造成洪水、泥石流等自然灾害，拉萨-林芝铁路沿线暴雨主要发生在夏季和早秋季节，空间分布位主要位于林芝市以南和米林县以北区域。根据暴雨高发季节和地域分布特点，结合卫星雷达技术，将气象观测数据与实地考察数据相结合，科学合理地制定河流防洪计划，在关键河流区域兴建观测站、注重大小水利工程建设、加强洪水预警能力，为铁路安全运行提供可靠的保障。

（2）拉萨-林芝铁路沿线大风主要在加查县和朗县附近，在这一附近区域应该作为大风灾害的重点防护区。可以在必要的铁路路线附近修建“防风墙”或者种植防风林。相关部门也应该加强铁路沿线绿植保护措施，这样才可更有效防范大风。对于正在修建的林芝到成都段铁路也是如此，规划铁路路线时应该考虑尽量避开或者减少破坏现有的植被。

（3）冬、春季是雪灾的高发季节，拉萨-林芝铁路平均海拔在3000 m 以上，所以暴雪灾害在拉萨-林芝铁路沿线不可小觑。从拉萨一路沿着拉萨河下来，拉萨-贡嘎-山南-加查-朗县这一带都处于高风险区，建议在这一段区域建议修建防雪栅栏、防雪墙等设施。同时由于拉萨-林芝铁路经过多座高山隧道，许多高山常年积雪，还应该防患春季积雪融化所导致的洪涝等灾害。

（4）拉萨-林芝铁路沿线闪电主要发生在夏季的加查县附近，建议加查县关键区建立闪电预警观测站，做好恶劣极端天气下闪电预报工作，减少闪电灾害造成的损失。