沿河公路水毀災害區域風險識別研究

□馬保成 田偉平 范麗曉 朱英珍

沿河公路水毀災害區域風險識別研究

□馬保成 田偉平 范麗曉 朱英珍

沿河公路；水毀災害；風險識別；徑流強度；孕災環境；氣候因素；下墊面因素

我國公路地質地形復雜多變，氣象條件時空差異較大，河谷水系分布廣泛。特別是在山區，公路多沿河設線、跨溝設涵，在氣候因素和下墊面因素的綜合作用下，洪水流量、流速一般較大，洪水期間發生沿河公路、小橋涵水毀及溝谷泥石流水毀（統稱為沿河公路水毀）的可能性較大。近幾年，我國公路水毀損失巨大，水毀防治形勢十分嚴峻。對存在沿河、跨溝公路水毀災害風險的地區進行區域識別，是重要的災前識別方法，有利于從宏觀上明確容易發生水毀災害的區域（即水毀易發區），從而更好地實施各種水毀預防和治理措施。

風險識別（也稱為風險辨識）是用感知、判斷或歸類等方式對現實或潛在的風險進行鑒別的過程。它是災害風險管理的第一步，也是風險評估和風險治理的前提。其目的是找出災害風險隱患，以及引起風險的主要因素，并對后果做出定性的估計。就公路工程而言，根據識別的精確程度和實際工作需要，可以分為區域路網上的風險初判、路線風險預判和路段風險詳判等3個層面。

風險識別與風險評估具有不同的內涵，但是在實際工作中，二者的界限往往難以厘清。根據災害學理論，災害系統包括孕災環境、致災因子、承災體和災情等4個要素。災害風險評估通常是在危險性評估（重點針對致災因子）、易損性評估（重點針對承災體）的基礎上，最終完成災害損失大小及其可能性的估計。災害風險識別則回答災害的“易發性”問題，即某一地區（段）是否具備發生災害的條件，以及可能發生的災害類型和規模大小，并對其風險大小進行簡易估計。由此可見，風險識別與災害易發性評價、風險區劃實質上是同一概念，它主要是針對孕災環境的宏觀自然屬性而進行的。風險識別能夠以較小的投入，圈定出災害易發區（段），排除不易發生災害的地域，從而使得風險評估可以在潛在風險較高的地區優先、進一步深入開展，從一定程度上節省工作量、提高工作效率。

有關災害風險識別、評價的研究近年來屢見報道。筆者在現有公路水毀研究資料分析的基礎上，通過收集現有的地理信息數據，立足于區域路網層面，利用GIS平臺對沿河公路水毀災害的區域風險識別方法進行分析。

一、公路水毀災害區域孕災環境因素分析

我國經濟快速發展，公路建設持續完善，截至2012年底，全國公路總里程達423.75萬公里（未計香港、澳門特別行政區及臺灣省統計數據），全國公路密度為44.14公里/百平方公里，路網通行能力和抗災保通能力不斷加強，且仍處于快速更新狀態。另外，從區域層面看，公路工程建設對區域水毀孕災環境的影響程度也是有限的、局部的。因此，筆者著重考慮自然環境在公路水毀致災過程中的主導作用，待公路網數據較為充分的時候，通過GIS緩沖區分析技術，再考慮區域環境中的路網因素。

沿河公路洪水水毀災害是公路工程中十分多見的水毀類型之一，對公路及行車安全危害極大。從孕災環境看，降雨、地質地貌、植被等自然環境條件對沿河公路水毀的孕育和發展起關鍵作用，公路沿線小流域范圍內產生的山洪和泥石流易引起小流域出口處的小橋涵發生水毀，順延河道的沿河公路路段則容易遭受河道洪水的侵襲。其承災體主要是山區沿河公路路基路面及其防護工程結構物、小橋涵、公路沿線附屬設施。強降雨引發的洪水、匯流是沿河公路水毀的主要致災原因之一。

坡面、河川徑流的強度大小對沿河公路水毀具有直接的影響。不同區域的徑流量、水網密度和溝谷密度等自然條件會對公路工程產生不同程度的影響，對于公路水毀區域識別，可用徑流強度來綜合反映這些因素的影響大小。因此，徑流強度是一個綜合指標。從徑流形成的機理和過程看，徑流強度的主要影響因素有降雨、植被覆蓋度、河網密度和溝谷比重（即溝谷面積占坡面面積比）。其中，降雨是形成徑流的必要的氣象水文條件，植被覆蓋度、河網密度和溝谷比重是眾多下墊面因素中的3個突出因子。河網密度大的地區，河川徑流強度通常也較大；坡面漫流的雨水通過溝谷匯集到河道，因此，在溝谷比重較大的地區，坡面、河川徑流強度相對較大。這些因素對徑流強度的影響因地而異，要綜合起來分析，既考慮單一因子的影響，也要考慮其綜合影響。

二、公路水毀災害區域孕災環境識別指標

沿河公路水毀是暴雨引發徑流對公路工程結構物直接作用的結果。因此，降雨徑流及其影響因素是重要的水毀易發區識別指標。考慮到公路工程的特點、現有研究資料及其精度，筆者從氣候因素（主要考慮降雨因子）和下墊面因素（主要考慮植被覆蓋度、河網密度、溝谷占坡面面積比3個因子）出發，用綜合反映這兩者關系的指標——徑流強度，進行沿河公路水毀災害區域識別（風險初判）方法的研究。

降雨量決定暴雨洪水流量的大小。習慣上采用日降雨量來分析其對公路工程的影響。通過降雨數據資料的分析，選取“全國年日平均降雨量大于25毫米日數”作為降雨因子指標，根據全國降雨日數的總體分布特點及其對沿河、跨溝公路水毀的影響程度，將影響度分為5個等級，并利用GIS形成圖件《中國年日（24小時）平均降雨量大于25毫米日數分布圖》，根據耕地、無植被、草原、灌木和林地5種植被覆蓋類型，利用GIS系統分析全國植被數據，將植被覆蓋度對公路水毀的影響劃分為5級，并對影響度加以賦值，據此編制了《中國公路植被覆蓋度圖》。河網密度是單位面積（1平方公里）內的河網總長度，根據河網的分布特點和專家系統意見將其對公路的影響程度分為5級，并對影響度賦值，據此基于GIS編制了《中國河網密度圖》。采用坡度>25°地形面積占地區面積比來表征溝谷比重。利用GIS計算出各區的溝谷比重，將其對沿河公路水毀的影響強弱分為5個級別，并對影響度賦值（見表1所列），據此編制了《溝谷（大于25°）所占面積比圖》。

在分析降雨、植被覆蓋度、河網密度、溝谷比重等4個影響因子的基礎上，綜合考慮各因素對沿河公路水毀的作用，由這4個因子的影響度值通過加權求和構成“徑流強度指數”。

表1 各因子分級及影響度值

三、沿河公路水毀災害區域識別

1.公路水毀災害區域識別圖件的編制

基于GIS空間分析功能，根據空間疊加計算各柵格單元的徑流強度指數。結果表明，徑流強度指數值Hc分布在0.13～0.87之間。分析其地域分布特點，將全國沿河公路水毀情況分為“較少發生”（0.13≤Hc<0.40）、“可能發生”（0.40≤Hc<0.60）、“易發生”（0.60≤Hc≤0.87）等3個區域，最終得出《中國沿河公路水毀區域識別圖》。由于各基礎數據的精度有所不同，綜合后本圖件的精度可達到1∶800萬。

通過疊加公路網GIS數據，就可以分析沿河公路水毀的易發區（段），從而實現沿河公路水毀災害的區域識別（風險初判）。其中，徑流強度指數及其圖件是區域初判的主導指標，降雨因子、植被覆蓋度因子、河網密度因子、溝谷比重因子等4個因子及其圖件是區域初判的輔助指標。這些指標圖件配合使用，可用于分析省（區）級和全國范圍的沿河公路水毀發育現狀和發展趨勢，同時可以找出影響程度較大的因子，為有關交通部門防汛搶險宏觀決策提供重要參考和依據。

2.區域識別結果分析

（1）水毀“較少發生”的區域包括大興安嶺、內蒙古、天山山脈南北、青藏高原西部和北部等。對比全國公路網圖可知，該區公路密度小，且以低等級公路為主。隨著路網建設力度的加大，水毀的影響應適當考慮。

（2）“可能發生”水毀區域包括東北三省東部、華北平原、四川盆地、云貴高原東部、陰山山脈、黃土高原、祁連山以及青藏高原東、南部等。該區域發生水毀的可能性較大，應重視公路水毀的影響。

（3）水毀“易發生”區域主要集中在遼東半島、武夷山及東南沿海地區、秦巴山區、橫斷山區、昆侖山地等。該區公路水毀的易發性大，應加強汛期強降雨、洪水的預測預警工作。公路規劃、設計時應把水毀防治作為重要內容，在公路養護管理中應注意巡查，加強防護。這類地區屬于優先進行水毀評價和治理的地區。

四、總結

（1）厘清了災害風險識別的概念，指出風險識別與災害易發性評價的工程意義相同；危險性評價應該在易發性評價的基礎上，更多地考慮致災因子的影響作用，進一步回答災害在某一時期內發生的可能性大小這一深刻科學問題，其難點在于風險概率的定量化。否則，危險性評價仍然會降低為易發性評價，這是目前研究中較為普遍存在的問題。

（2）考慮降雨、植被覆蓋度、河網密度和溝谷比重等因素的綜合影響，基于GIS編制了《中國沿河公路水毀區域識別圖》，實現了沿河公路水毀災害的區域初判。將全國沿河公路水毀劃分為“較少發生”、“可能發生”、“易發生”等3個區域。其中，徑流強度指數及其圖件是區域識別的主導指標，降雨因子、植被覆蓋度因子、河網密度因子、溝谷比重因子等4個因子及其圖件，是區域識別的輔助指標。由于各基礎數據的精度、區域覆蓋程度等有所不同（如全國數字高程數據精度達到1∶25萬，而降雨資料的精度部分地區要低一些），綜合后各圖件的精度可達到（部分超過）1∶800萬。這些指標圖件可用于分析省（區）級和全國范圍的沿河公路水毀趨勢，且效果較好。筆者提出的沿河公路水毀區域識別方法和GIS強大的數據管理、分析能力，通過提高基礎數據的精度、適當修正或變更基礎指標及其權重，可以將區域沿河公路水毀識別的精度提高到縣鄉級乃至更精細的程度。

（作者單位：西安科技大學；長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室）

10.3963/j.issn.1006-8864.2014.10.025

西部交通建設科技項目（編號2006 318 000 07）；陜西省教育廳科研計劃項目資助（編號14JK1484）