新疆高速公路風害防控技術研究*

馬淑紅 張云惠 馬韞娟 戈峰 程鵬 韋振勛 薛萬新

1. 北京大學，北京 100871；2. 新疆氣象臺，烏魯木齊 830002；3. 清華大學，北京 100084；4. 國家發改委宏觀院，北京 100037；5. 新疆公路規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830002

新疆高速公路風害防控技術研究*

馬淑紅1張云惠2馬韞娟3戈峰4程鵬5韋振勛5薛萬新5

1. 北京大學，北京 100871；2. 新疆氣象臺，烏魯木齊 830002；3. 清華大學，北京 100084；4. 國家發改委宏觀院，北京 100037；5. 新疆公路規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830002

選取新疆高速公路沿線100多個氣象臺站近50年（1961～2010年）風向、風速資料，以及沿線7個6要素5層梯度風1年（2009～2010年）風監測資料、10個鐵塔梯度風和30個大風監測站近10年（2001～2010年）監測資料，應用氣象模式和極值Ⅰ概率模式計算出高速公路沿線100m×100m空間網格點上距路面4m高度處最大瞬時風速，結合線路走向與強風主風向之間夾角，確定高速公路沿線強橫風警戒區間。研究結果表明：新疆高速公路五橫布局中的百里風區強橫風區間大風日數在157～209d，是我國乃至世界高速公路風害最嚴重的區間之一。阿拉山口風區、三十里風區、達坂城風區強橫風區間次之，年平均大風日數148～155d。公路平原綠洲區間的風害最少，年平均大風日數不足10d。沙漠公路中部大風日數多于盆地邊緣綠洲區間。高速公路強風區間短時間內瞬時風速隨時間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時風速隨時間變化遵循正弦波周期。新疆高速公路沿線風害5大區域中以特強重大危險區和強重大危險區危害區危害最大。研究提出了新疆“五橫七縱”高速公路風害防控技術主要包括：風害防控信息管理技術、防風柵防護技術。因此本項研究對于制定全國高速公路風害防控技術和安全行車技術標準及防災減災具有一定的指導意義。

高速公路沿線；大風規律；風害防控技術

大風天氣對公路建設和養護以及安全行車影響很大。分析研究新疆高速公路沿線大風規律以及防控技術，對確定強橫風區間和防護對策以及安全行車技術標準具有重要科學意義和工程價值。

新疆短期預報指導手冊中張家寶曾利用72個氣象臺站30年（1951～1980年）大風資料統計分析新疆大風的氣候特征[1]。馬淑紅曾用古爾班通古特沙漠地區及周圍20個氣象站45a（1961～2005a）歷史資料，結合古爾班通古特沙漠北部、中部、南部3個5層梯度風近5年（2001～2005年）風監測資料，分析了古爾班通古特沙漠瞬時最大風速時空分布特征[2]。馬韞娟等對我國高速鐵路、高速公路風害的防控等方面做了大量的研究[3-9]。然而，對新疆高速公路沿線大風規律防控技術研究目前尚未見報道。

本文利用了新疆公路沿線100多個氣象臺站近50年（1961）風向、風速資料，以及沿線7個6要素5層梯度風1年（2009～2010年）風監測資料、10個鐵塔梯度風和30個大風監測站近10年（2001～2010年）監測資料。在大量的野外監測珍貴資料分析基礎上，計算出高速公路沿線100m×100m空間網格點上距路面4m高度處最大瞬時風速，系統分析新疆公路沿線大風規律，提出了新疆“五橫七縱”高速公路風害防控技術由風害防控信息管理技術、防風柵防護技術組成。為高速公路強橫風天氣安全行車提供技術保障。

1 資料來源與方法

1.1 資料選取

依據《地面氣象觀測規范》有關標準[10]和公路橋梁抗風技術標準[11]，選取新疆公路沿線107個氣象臺站近50a（1961a～2010a）最大和極大風速、風向資料，以及沿線7個6要素（風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量）5層（0.15m、0.5m、2.0m、3.0m、4.0m）梯度風監測站1年最大和極大風速、風向監測資料、10個鐵塔梯度風監測站和30個大風監測站近10年（2001年～2010年）最大和極大風速、風向數據。

1.2 資料對比分析

本文采用工程氣象學、流體力學、風監測技術、公路工程技術、空氣動力學相結合方法，以新疆公路沿線100多個氣象臺站近50年（1961～2010）最大風速、極大風速資料為基礎，結合沿線7個6要素5層梯度風1年監測資料、10個鐵塔梯度風和30個大風監測站近10年（2001年～2010年）監測站最大風速、極大風速資料，進行相關對比分析，結果表明：新疆“五橫七縱”高速公路沿線氣象臺站10m高度處的最大瞬時風速與沿線梯度風監測站4m高度處最大瞬時風速，以及30個大風監測站最大瞬時風速具有空間相關性，相關系數在0.4501～0.9897，均通過顯著性檢驗。如七角井氣象站與十三間房氣象站10m高度處最大風速進行對比分析，相關顯著，相關系數為0.6769，k系數為1.58，七角井氣象站與十三間房氣象站的站號相同，但是站址搬遷后的最大風速平行觀測對比分析結果表明：十三間房氣象站最大風速比七角井氣象站偏大1.58倍。這與建筑結構荷載規范中與風向一致山口地形訂正系數基本一致。經分析用前后兩站的對比觀測資料，結合前后兩段最大風速的比值系數來處理前段風速資料，使該站風速資料成為連續系列。從而證實本研究采用工程氣象學、流體力學、風監測技術、公路工程技術、空氣動力學等相結合方法是科學合理的。

1.3 強風、大風標準的確定

本文中強風、大風的標準是根據“公路風害防控技術研究課題和公路風害防控信息管理技術規則和預警標準制定，強風定義：當風力達6級（瞬時風速達到≥10.8m/s）的風稱為強風[12]。大風定義：當風力達8級（瞬時風速達到≥17.0m/s）的風稱為大風日數。公路沿線氣象臺站和鐵塔監測站大風日數是指10m高度處3s平均風速達到≥17.0的天數，高速公路沿線梯度風監測站大風日數是指4.0m高度處3s平均風速達到≥17.0m/s的天數。

1.4 氣候傾向率計算方法

年平均大風日數的氣候傾向率采用一次線性方程表示，方程如下：

式中Ti為年平均大風日數，ti為時間。b×10為氣候傾向率，表示為年平均大風日數每10年變化率b=d/10。相關系數r可作為年平均大風日數變化趨勢顯著性檢驗的判別依據。

2 大風規律

2.1 公路沿線大風規律

新疆地域遼闊，地形地貌具有“三山夾二盆” 的獨特特征，構筑“五橫七縱”高速、高等級公路網，其中“五橫”基本是E～W走向，“七縱”基本是S～N走向。在特殊地形環境影響下，每次冷空氣南下都可造成強勁風力，特別是線路走向與主風向之間夾角垂直的強橫風，對社會生產以及交通運輸等造成不利影響，給經濟帶來嚴重損失。

近50年大風資料研究結果表明：新疆五橫七縱高速公路沿線大風日數的分布特征受天氣系統和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區間強風和大風日數最多。其中五橫第一橫的百里風區強橫風區間風害最嚴重，是我國乃至世界高速公路風災最嚴重的區間之一，年平均大風日數在157d～209d，以十三間房氣象站大風日數最多，年平均大風日數209d，2010年大風日數達到224d，高速公路百里風區紅山口的年平均大風日數157d，以紅山口為中心向東西遞減。阿拉山口風區、三十里風區、達坂城風區強橫風區間次之，年平均大風日數148～155d。公路沿線平原綠洲區間風害最少，年平均大風日數不足10d，沙漠公路中部大風日數多于盆地邊緣綠洲區間。

2.2 公路沿線年平均大風日數隨年代變化趨勢

新疆公路沿線除個別區間年平均大風日數隨年代呈現增加趨勢外，大多數區間年平均大風日數隨年代呈現遞減趨勢，這與王旭等[13-14]的新疆大部分地區年大風日數隨年代呈現遞減趨勢相一致，這主要由于主要是北方冷空氣活動減弱和公路綠洲區間植樹造林防風效應所致；百里風區戈壁路段大風強度增加和大風日數隨年代變化趨勢呈現增加趨勢，變化率b＝20.0/10a，這主要由于全球氣候變暖，戈壁地帶溫度增高，地形導致氣壓梯度增大所致。

2.3 大風日數月分布

春秋季冷暖空氣交替頻繁，地區間氣壓梯度加大，常出現強勁的大風。夏季氣層不穩定，多陣性大風天氣，新疆高速公路大多數區間一年中以3～9月大風最多，占全年大風日數70%～90%以上。其中五橫七縱百里風區十三間房18d～25d，紅山口14d～20d，達坂城區間和三十里風區強橫風區間為11d～20d，如圖1a所示。阿拉爾一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右，如圖1b所示。

2.4 最大瞬時風速隨時間變化及周期特征

掌握強風隨時間變化規律，是為了保障不同類型汽車在強橫風天氣安全行車。因此，必須在不同類型汽車進入警戒區域前，依據短時內最大瞬時風速增加量，確定不同類型汽車在警戒區間內是控速、還是停車。根據芬蘭WXT520超聲波6要素傳感器、熱場式風向風速傳感器、三杯式風向風速傳感器，對新疆高速公路強橫風區間進行風監測表明：以芬蘭WXT520超聲波6要素風向風速傳感器精度最高。其次是三杯式風速傳感器，但存在長期維修的隱患。熱場式風向風速傳感器雷雨大風偏大5m/s～10m/s，寒潮大風偏低3m/s～5m/s。新疆高速公路強橫風區間短時間內瞬時風速隨時間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時風速隨時間變化遵循正弦波周期。

圖1 新疆五橫七縱百里風區沿線、阿和沙漠公路沿線各月大風日數曲線圖

圖2 強橫風區間不同風向下不同類型汽車傾覆臨界風速

2.5 強風主風向對安全行車影響

強橫風定義：瞬時風速達到10.8m/s以上，線路走向與強風主風向之間夾角在75～95°之間，稱為強橫風。強橫風區間瞬時風速達到傾覆翻車臨界風速是造成不同類型汽車傾覆翻車的主要和直接原因。因此，強風主風向與線路走向之間夾角以及最大瞬時風速是高速公路沿線汽車安全行車標準中的重要參數之一。

新疆高速公路沿線全年強風玫瑰圖分析結果表明：新疆高速公路沿線受強橫風影響的區間主要分布在百里風區區間、三十里風區高路堤彎道強橫風區間、瑪依塔斯等強橫風區間，上述區間風季常常出現傾覆翻車事故，對安全行車影響很大。為了確定強橫風區間不同風向下不同類型汽車傾覆翻車臨界風速，選取新疆高速公路百里風區強橫風區間進行監測，結果表明：高速公路百里風區強橫風區間不同主風下大客車、大貨車傾覆臨界風速為25.0m/s；中型客車17.0m/ s；小客車傾覆臨界風速為12.0m/s，如圖2所示。

3 強橫風區間確定

應用氣象模式和氣流分析及極值Ⅰ型概率模式計算出高速公路沿線1km×1km空間網格點上最大風速設計值，再將空間分布與沿線各里程的強風系數、路堤高和橋高增速系數、不同下墊面特征下冪指數相結合，建立距路面4m高度處任意里程100m×100m空間網格點上最大瞬時風速預測模式，結合線路走向與強風主風向之間夾角和不同車型傾覆臨界風速，從而確定高速公路沿線強橫風警戒區間。綜上所述，高速公路不同類型汽車傾覆翻車事故主要由于強橫風天氣條件下瞬時風速達到臨界風速所致，因此以最大瞬時風速2年一遇為“風害風險區劃”指標的核心技術方法之一，為風害等級閾值劃分提供科學依據。

4 公路風害風險評價及防控技術

采用三級區劃指標體系（年平均大風日數、最大瞬時風速2年一遇設計值、四季大風日數占全年百分比），等概率分區原則[15-16]，將新疆高速公路沿線風害危險分為5個大區，分別用羅馬字符文字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示：Ⅰ特強重大危險區、Ⅱ 強重大危險區、Ⅲ重大危險區、Ⅳ 中度危險區、Ⅴ較輕危險區。新疆高速公路沿線風害五大區域中以特強重大危險區和強重大危險區危害最大。提出了新疆“五橫七縱”高速公路風害防控技術主要包括：風害防控信息管理技術、防風柵防護技術。因此本項研究對于制定全國高速公路風害防控技術和安全行車技術標準及防災減災有一定指導意義。

5 結語與建議

5.1 新疆五橫七縱高速公路沿線大風日數的分布特征受天氣系統和地形影響的制約，以埡口、峽谷、山口、河谷、特大橋和高路基彎道區間強風和大風日數最多。其中五橫第一橫的百里風區強橫風區間大風日數在157d～209d，是我國乃至世界高速公路風害最嚴重的區間之一。

5.2 新疆高速公路大多數區間一年中以3～9月大風最多，五橫第一橫百里風區十三間房18d～25d，紅山口14d～20d，達坂城區間和三十里風區強橫風區間為11d～20d。阿拉爾一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右。

5.3 新疆高速公路強橫風區間風監測結果表明：以芬蘭WXT520超聲波6要素風向風速傳感器精度最高。其次是三杯式風速傳感器，但存在長期維修的隱患。熱場式風向風速傳感器雷雨大風偏大5m/s～10m/s，寒潮大風偏低3m/s～5m/s。建議采用芬蘭WXT520超聲波6要素風向風速傳感器。

5.4 高速公路強風區間短時間內瞬時風速隨時間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時風速隨時間變化遵循正弦波周期。

5.5 新疆高速公路沿線全年強風玫瑰圖分析結果表明：新疆高速公路沿線受強橫風影響的區間分布在百里風區區間、三十里風區高路堤彎道強橫風區間、瑪依塔斯強橫風區間、克拉瑪依至烏爾禾強橫風區間等。上述區間風季常常出現傾覆翻車事故，對安全行車影響很大。

5.6 新疆高速公路沿線風害5大區域中以風害特強重大危險區和強重大危險區的強橫風區間風害最嚴重。建議采取防風柵防護措施和風害防控信息管理技術。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.013

交通運輸部科技項目（編號：2009318000024）