新疆?dāng)M建鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)分區(qū)和致災(zāi)性分析*

劉艷，阮慧華，何清

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002;2.廣東省氣象信息中心，廣東廣州510080)

0 引言

特殊的地理特征和巨大的資源優(yōu)勢決定了新疆必須依靠“大運量、低成本、高效率”的鐵路運輸。目前，鐵路承擔(dān)了95%的進(jìn)出疆客貨運輸任務(wù)。鐵路沿線因所處地理環(huán)境特殊，使其常面臨大風(fēng)、沙害和積雪等氣象災(zāi)害威脅［1－8］。目前，鐵路沿線地區(qū)氣象災(zāi)害問題已成為制約鐵路安全運輸?shù)闹匾蛩刂?。如何進(jìn)行防御并提出合理規(guī)劃建議對保障新疆經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。本文綜合有關(guān)鐵路沿線、城市暴雨和農(nóng)業(yè)污染等自然災(zāi)害的研究方法，將其應(yīng)用到新疆?dāng)M建鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)的區(qū)劃和致災(zāi)性分析中。對新疆?dāng)M建鐵路沿線47個行政單元雪風(fēng)災(zāi)歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)計，選取新疆105個地面站1961－2010年極大風(fēng)速日資料和年均最大風(fēng)速資料分析了沿線大風(fēng)空間特征，選取北疆51個地面站1961－2008年逐日雪深資料重點分析了沿線冬季最大雪深空間分布，以此獲得鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)的高(易)發(fā)區(qū)域。利用GIS空間分析技術(shù)，以鐵路沿線兩側(cè)50 km緩存區(qū)為研究對象，綜合人口密度、地均GDP、人均GDP和耕地比重建立雪風(fēng)災(zāi)承災(zāi)體脆弱性指數(shù)定量分析雪風(fēng)災(zāi)高(易)發(fā)區(qū)域的承災(zāi)強(qiáng)度，給新疆?dāng)M建鐵路的合理規(guī)劃提出科學(xué)建議。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 區(qū)域選擇與數(shù)據(jù)來源

1.1.1 區(qū)域選擇

目前，自然災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要以縣級行政單元為主，鐵路沿線自然災(zāi)害與所穿越行政單元的自然災(zāi)害具有一定的相似性［9－11］，在缺乏直接針對交通干線自然災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，提取鐵路沿線各行政單元的歷史自然災(zāi)害記錄，對其加以研究分析。因此，本文以鐵路兩側(cè)50 km為緩存區(qū)(Buffer)，選擇對鐵路沿線具有自然災(zāi)害統(tǒng)計意義的47個行政單元進(jìn)行分析。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

①災(zāi)情數(shù)據(jù)。選自2000年整編的《中國氣象災(zāi)害大典(新疆卷)》，統(tǒng)計時段1990－2000年，220條風(fēng)災(zāi)記錄。2000－2010年新疆各地區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)村雪災(zāi)災(zāi)情，包括傷亡人數(shù)、過程降水量、房屋損失、牲畜受災(zāi)和經(jīng)濟(jì)損失等300條雪災(zāi)記錄。②氣象數(shù)據(jù)。全疆105個地面站1961－2010年極大風(fēng)速日數(shù)據(jù)和最大風(fēng)速月數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上計算了年均最大風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)(風(fēng)速＞17 m/s)。北疆51個地面站1961－2008年雪深日數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上計算了冬季(11月至次年3月)最大雪深。③社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。摘自2009年新疆統(tǒng)計年鑒。各縣市人口密度、地均GDP、人均GDP和耕地比重。④地理信息數(shù)據(jù)。鐵路沿線不同比例尺(1∶5萬，1∶25萬和1∶100萬)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。主要包括行政區(qū)劃圖、數(shù)字高程模型(DEM)和鐵路分布等。

1.1.3 研究方法

①歷史災(zāi)情記錄定量化。雪風(fēng)災(zāi)頻次統(tǒng)計和風(fēng)災(zāi)影響對象類型和歷年最大經(jīng)濟(jì)損失統(tǒng)計。②致災(zāi)性大風(fēng)定義。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的規(guī)定［12］，當(dāng)瞬間風(fēng)速達(dá)到或超過17.0 m/s(或目測估計風(fēng)力達(dá)到或超過8級)的風(fēng)記為大風(fēng)。由于無法得到長時段完整的順時大風(fēng)，本文以10 min平均風(fēng)速大于或等于17.0 m/s定義為致災(zāi)性大風(fēng)。③災(zāi)情評估因子。雪深和風(fēng)數(shù)據(jù)來自有限地面站，且站點位置分布及其密度受地形條件限制。因此，必須進(jìn)行空間插值生成連續(xù)分布的雪深和大風(fēng)空間信息。本文將研究區(qū)內(nèi)各地面站多年平均最大雪深、年均最大風(fēng)速和致災(zāi)性大風(fēng)日數(shù)矢量圖層進(jìn)行空間內(nèi)插獲得各要素柵格圖。④雪風(fēng)災(zāi)風(fēng)險度分析。采用人口密度、地均GDP、人均GDP和耕地比重建立雪風(fēng)災(zāi)承災(zāi)體指數(shù)CH作為雪風(fēng)災(zāi)的脆弱性指標(biāo)定量表示發(fā)生縣域的承災(zāi)強(qiáng)度。CH值愈高，表明承災(zāi)體潛在的危險性愈大［13］。CH計算公式如下:

式中:Pd、Ld、Pd和Ed分別代表人口密度(人/km2)、耕地比重(%)、人均GDP(萬元/人)和地均GDP(萬元/km2)。由于所選用指標(biāo)單位不同，為了便于計算，選用以下直線縮放公式，將各個指標(biāo)量化到可計算的0～10的無向量指標(biāo)來表示:

式中:X表示無向量的指標(biāo)值;Xi表示各指標(biāo)的原始值;Xmax表示各指標(biāo)的的最大值。

2 鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)分區(qū)

2.1 雪災(zāi)分區(qū)

由于雪災(zāi)記錄中傷亡人數(shù)、過程降水量、房屋損失、牲畜受災(zāi)和經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)的不完整性，本文僅對2000－2010年新疆各個地區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)村發(fā)生雪災(zāi)的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，以此作為雪災(zāi)分區(qū)的定量指標(biāo)(圖1)。結(jié)果顯示:近10年，阿勒泰市和富蘊縣出現(xiàn)雪災(zāi)均計11次，塔城盆地的塔城市和額敏縣分別達(dá)10次和8次，伊犁河谷的伊寧縣高達(dá)8次。同時，從時間分布上看，當(dāng)年11月至次年2月的5個月中都有可能出現(xiàn)較厚積雪。南疆較強(qiáng)積雪主要出現(xiàn)在2月和3月，積雪保留時間較短。冬季(11月至次年3月)最大雪深多年平均空間分布(圖2)顯示，擬建鐵路在阿勒泰－富蘊段、塔城－額敏段最大雪深60～70 cm，哈巴河－布爾津－福海段和額敏－托里段為40～60 cm。這是因為天山北坡是迎風(fēng)坡，西北氣流受地形作用在北坡抬升，使得這一帶成為降水集中區(qū)域。因此，綜合歷史雪災(zāi)狀況和區(qū)域冬季最大雪深空間分布狀況，獲知擬建鐵路隸屬阿勒泰－富蘊一帶、塔城－額敏－托里一帶為雪災(zāi)高發(fā)區(qū)。

圖1 2000－2010年全疆雪災(zāi)次數(shù)分布圖(單位:d)

圖2 1961－2008年冬季平均最大雪深空間分布(單位:cm)

2.2 風(fēng)災(zāi)分區(qū)

對1950－2000年全疆各個地區(qū)縣市鄉(xiāng)村大風(fēng)災(zāi)害記錄進(jìn)行刪選后，本文選擇了鐵路沿線通過行政單元1990－2000年的220條風(fēng)災(zāi)記錄，對其進(jìn)行了風(fēng)災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計、風(fēng)災(zāi)影響區(qū)域?qū)ο箢愋秃蜌v年最大經(jīng)濟(jì)損失統(tǒng)計(圖3)。其中，吐魯番地區(qū)風(fēng)災(zāi)次數(shù)居全疆之首，大風(fēng)級別在10級以上，主要造成境內(nèi)鐵路中斷和填埋坎兒井及部分農(nóng)田受損。1993年5月4－5日、9－10日期間，了墩站至鄯善站7處路軌被大風(fēng)掀起沙土掩埋，交通運輸被迫中斷3 d，大風(fēng)使該區(qū)段通訊線路中斷，7臺火車頭玻璃被打壞，造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)6 400萬。克拉瑪依市大風(fēng)級別在9～12級，主要造成市內(nèi)通訊線路和油田野外作業(yè)停頓。尉犁縣和若羌縣次數(shù)達(dá)8次，主要造成英蘇牧區(qū)和瓦石峽鄉(xiāng)牧區(qū)牲畜受災(zāi)。和田地區(qū)的洛普縣10次，主要造成房屋、羊棚和葡萄架倒塌。疏附縣4次，主要造成棉花和蔬菜大棚受損，最大經(jīng)濟(jì)損失達(dá)214萬。阿勒泰地區(qū)的布爾津主要為作物受損和部分作物和水渠被沙掩埋的風(fēng)災(zāi)。從時間分布上看，風(fēng)災(zāi)多出現(xiàn)在4、5和6月。4月風(fēng)災(zāi)為46次，5月71次，6月20次。因此，應(yīng)在春夏季重點做好大風(fēng)災(zāi)害的防范工作。

圖3 1990－2000年全疆風(fēng)災(zāi)次數(shù)分布圖(單位:d)

大風(fēng)日數(shù)和年均最大風(fēng)速多年平均空間分布(圖4、5)顯示，致災(zāi)性大風(fēng)在全疆大風(fēng)主要有4個高值中心，分別為托里縣境內(nèi)的阿拉山口、哈密境內(nèi)的十三間房、烏魯木齊縣境內(nèi)的達(dá)坂城和克拉瑪依市。其中，柴窩鋪－了墩路段年均大風(fēng)日數(shù)60 d以上，年均最大風(fēng)速20～34m/s，十三間房高達(dá)150 d以上，年均最大風(fēng)速34 m/s。哈密－若羌段40 d左右，年均最大風(fēng)速17～20 m/s，塔什庫爾干－阿克陶縣25 d左右，年均最大風(fēng)速8～17 m/s。

綜合近10年地區(qū)風(fēng)災(zāi)狀況和區(qū)域最大風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)多年平均分布特征，建議擬建鐵路在柴窩鋪－了墩路段、哈密－若羌段和塔什庫爾干－阿克陶段應(yīng)作為大風(fēng)災(zāi)害的重點防護(hù)區(qū)。

圖4 1961－2010年年均大風(fēng)日數(shù)(單位:d)

圖5 1961－2010年年均大風(fēng)風(fēng)速(單位:m/s)

圖6 擬建鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)承災(zāi)體指數(shù)分級圖

3 雪風(fēng)災(zāi)風(fēng)險度分析

災(zāi)害是承災(zāi)體與致災(zāi)因子相互作用的結(jié)果，致災(zāi)因子是災(zāi)害形成的必要條件。但是，如果沒有災(zāi)害作用對象，即承災(zāi)體，就無災(zāi)害而言。因此，自然災(zāi)害的損失是致災(zāi)因子和承災(zāi)體共同作用的結(jié)果。利用式(1)和式(2)生成雪風(fēng)災(zāi)承災(zāi)體指數(shù)CH柵格圖。可看出(圖6)，承災(zāi)體脆弱性區(qū)域差異性顯著。北疆克拉瑪依和烏魯木齊市及周邊和南疆庫爾勒市和和田市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且地區(qū)面積小，人口較集中。因此，承災(zāi)體脆弱性也最高。吐魯番地區(qū)的鄯善縣因耕地比重較大，脆弱性也較高。南疆阿克蘇地區(qū)的拜城縣和庫車縣和巴州的尉犁縣、若羌縣和且末縣及和田地區(qū)的民豐縣、于田縣、策勒縣和洛浦縣耕地比重和人口密度較小，脆弱性最低。

4 研究結(jié)論

本文利用GIS技術(shù)，綜合新疆歷史雪風(fēng)災(zāi)和區(qū)域積雪/大風(fēng)空間特征對擬建鐵路沿線雪風(fēng)災(zāi)進(jìn)行了區(qū)域劃分和承災(zāi)體脆弱性分析，得到以下結(jié)論:

(1)冬春季是鐵路沿線雪災(zāi)高發(fā)季，特別在北疆阿勒泰地區(qū)和塔城盆地，擬建鐵路阿勒泰－富蘊段、塔城－額敏－托里段為重雪災(zāi)區(qū)。鐵路設(shè)計階段應(yīng)開展線路走向、線路海拔等氣象專題研究和實地野外調(diào)查及實地短期氣候觀測，根據(jù)各段地貌特征和氣象條件，在鐵路彎道設(shè)計、防風(fēng)墻建設(shè)方面進(jìn)行嚴(yán)格科學(xué)論證。在鐵路設(shè)計時，應(yīng)盡量增大彎道半徑，選擇積雪概率小的地段且線路走向盡量與盛行方向一致，力爭避開風(fēng)吹雪地段和風(fēng)口地帶。工程防治方面建議安裝導(dǎo)風(fēng)設(shè)置、側(cè)導(dǎo)板、防雪墻和防雪柵欄等，營造防風(fēng)雪林帶，適當(dāng)提高路基，修繕邊坡等。

(2)大風(fēng)致災(zāi)事件多發(fā)生在4－6月。北疆克拉瑪依市、吐魯番地區(qū)是大風(fēng)重災(zāi)區(qū)，前者主要造成市區(qū)和油田作業(yè)區(qū)停頓，后者主要造成途徑鐵路停運和部分農(nóng)田受損。南疆地區(qū)風(fēng)災(zāi)主要為種植區(qū)農(nóng)田受損和部分溝渠沙掩埋及牧區(qū)牲畜死亡。擬建鐵路柴窩鋪－了墩段、哈密－若羌段和塔什庫爾干－阿克陶段為大風(fēng)災(zāi)害的重點防護(hù)區(qū)，春夏季重點做好對大風(fēng)災(zāi)害的防范。在防風(fēng)設(shè)施設(shè)計和修筑時應(yīng)對極端天氣事件的可能發(fā)生給予充分考慮。在大風(fēng)地區(qū)修建“擋風(fēng)墻”，并在大風(fēng)口處修建防護(hù)林帶，同時，建議有關(guān)部門不要隨意破壞鐵路沿線現(xiàn)有的稀疏植被，以便更好地改善鐵路周圍環(huán)境

由于缺乏直接針對擬建鐵路沿線自然災(zāi)害的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提取沿線地區(qū)雪風(fēng)災(zāi)記錄的不完整性，都有可能造成所得結(jié)論可能存在一定的局限性。后續(xù)研究中，有待獲取完善的鐵路沿線災(zāi)情數(shù)據(jù)和鐵路沿線加密氣象觀測數(shù)據(jù)，以便為新疆鐵路規(guī)劃建設(shè)提出科學(xué)可信的建議。

［1］劉德才.論氣象災(zāi)害對新疆國民經(jīng)濟(jì)的影響及其對策［J］．干旱區(qū)研究，1995，12(3):7－13．

［2］孫慶偉，王濤，韓志文，等.北疆鐵路沿線風(fēng)沙危害的研究［J］．中國沙漠，2004(3):182－186．

［3］姜強(qiáng)，薛潔.鐵路大風(fēng)監(jiān)測與行車安全試驗［J］．新疆氣象，2006，29(3):25－27．

［4］李斌.蘭新線風(fēng)區(qū)段鐵路大風(fēng)氣象災(zāi)害及防風(fēng)措施［J］．大陸橋視野，2007(6):88－89．

［5］向明燕，范麗紅，海米提·依米提，等.新疆近45年氣象災(zāi)害及其防御措施［J］．干旱區(qū)研究，2007，24(5):171－175．

［6］劉雙進(jìn).精伊霍鐵路風(fēng)吹雪災(zāi)害預(yù)防和治理探討［J］．路基工程，2008(4):74－75．

［7］祁延錄，王懷軍.大風(fēng)對新疆鐵路的影響及防護(hù)［J］．西部探礦工程，2009(6):161－163．

［8］蔣富強(qiáng)，李熒，李凱崇，等.蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特性研究［J］．鐵道學(xué)報，2010(6):105－110．

［9］魏一鳴.自然災(zāi)害復(fù)雜性研究［J］．地理科學(xué)，1998，18(1):25－31．

［10］戴雪榮，師育新，命立中，等.上海城市地貌環(huán)境的致災(zāi)性［J］．地理科學(xué)，2005，25(5):636－640．

［11］劉峰貴，張海峰，陳瓊，等.青藏鐵路沿線自然災(zāi)害地理組合特征分析［J］．地理科學(xué)，2010，30(3):384－390．

［12］俞衛(wèi)平.地面氣象規(guī)范［M］．北京:氣象出版社，2003:24．

［13］王靜愛，徐偉，史培軍，等.2000年中國風(fēng)沙災(zāi)害的時空格局與危險性評價［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2001，10(4):1－6.