青海省G06高速公路氣象條件危險區(qū)劃研究

丁立善 李延林 丁培華 石榮山

摘 要：筆者研究了青海省G06高速公路沿線不同氣象條件的時間特征，并運用GIS技術(shù)分析了不同氣象條件的空間特征，運用層次分析法（AHP）確定不同氣象條件的權(quán)重系數(shù)，最后制作了綜合危險區(qū)劃圖。結(jié)果表明：同一路段不同的氣象條件在時間、空間上有一定的規(guī)律，利用層次分析法得出不同氣象條件的權(quán)重系數(shù)值，由權(quán)重系數(shù)的大小可知影響青海省G06高速公路的氣象條件依次為：積雪、降雪、降雨、能見度、風，從綜合危險性區(qū)劃得出：高危險區(qū)、較高危險區(qū)在德馬高速果洛路段、西麗高速果洛和玉樹路段，中危險區(qū)在京藏高速海西東路段、德馬高速海西東南方向路段、西麗高速海南西南路段、張汶高速海北方向，其余為低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

關(guān)鍵詞：氣象條件;層次分析法;青海省G06高速公路

中圖分類號：U412.36+6;P429? ? 文獻標志碼：A? 文章編號：1003-5168（2022）10-0106-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.024

Study on Meteorological Condition Risk Zoning of G06 Expressway in Qinghai Province

DING Lishan1? ? LI Yanlin1? ? DING Peihua1? ? SHI Rongshan2

（1.Weather Bureau of Huangnan Tibetan Autonomous Prefecture， Qinghai Province， Huangnan 811300，China;2.Weather Bureau of Henan County， Qinghai Province， Henan 811500，China）

Abstract：The author? studies the time characteristics of different meteorological conditions along the G06 expressway in Qinghai Province， and analyzes the spatial characteristics of different meteorological conditions by using GIS technology， and then uses AHP to determine the weight coefficients of different meteorological conditions， finally， a comprehensive hazard zonation map is made. The results show that different meteorological conditions in the same road section have certain regularity in time and space， and then the weight coefficient values of different meteorological conditions are obtained by using analytic hierarchy process， according to the weight coefficient， the weather conditions affecting the G06 highway in Qinghai Province are snow， snow， rain， visibility and wind， from the comprehensive risk area， the high risk area is drawn in the section of Golog Tibetan Autonomous Prefecture， Xili Subdistrict， Shenzhen， Guoluo and Yushu， the middle danger zone is in the east-west section of beijing-tibet Expressway， the southeast-west section of Dema Expressway， the southwest-hainan section of Xili Subdistrict， Shenzhen Expressway and the north-sea section of Zhangwen expressway.

Keywords： meteorological conditions; analytic hierarchy process; Qinghai G06 expressway

0 引言

近年來青海省高速公路得到了快速發(fā)展，截至2017年底，高速公路（含一級）通車里程3 500 km以上，極大提升了青海省的公路通行能力[1]。青海省地域遼闊，市州之間路途遙遠，人們?yōu)榱朔奖愠鲂幸话銜x擇高速公路，然而高速公路的交通通行與沿線的自然災害有著密切關(guān)系，其中惡劣氣象條件直接危害高速公路通行安全，如降雪、強降水、積雪、低能見度、大風等[2-3]。因此，對青海省G06高速公路進行氣象條件區(qū)劃研究十分必要。

為了更好地開展高速公路專業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)，減少不利氣象條件對高速公路的危害，國內(nèi)學者利用GIS對高速公路進行了氣象服務(wù)方面的研究，如豐德恩等[3]利用GIS設(shè)計了我國高速公路交通氣象災害風險預警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，推動了高速公路預報預警業(yè)務(wù)的開展;李藹恂等[4]研究了我國公路低能見度災害風險評估與區(qū)劃，分析得出了我國主要公路低能見度災害風險分布特征;宋建洋等[5]研究了我國高速公路大風災害風險評估與區(qū)劃，分析得出了我國高速公路大風災害風險分布特征;曲曉黎等[6]基于氣象條件設(shè)計了河北高速公路通行狀況綜合風險等級的預報方法。以上都是國內(nèi)學者開展公路專業(yè)氣象服務(wù)方面的研究，但是全國各地區(qū)氣候差異較大，影響公路的氣象條件也不盡相同。張曉美等[2]研究發(fā)現(xiàn)影響青海省公路的氣象條件主要是強降水、公路積雪，保廣裕等[7]也對青海省公路沿線強降雪天氣災害進行了風險區(qū)劃研究。因此，對青海省G06高速公路的不同氣象條件進行研究十分必要，對開展高速公路天氣預警預報服務(wù)具有一定的幫助。

1 資料和方法

1.1 資料

京藏高速公路，即北京—拉薩高速公路，簡稱京藏高速，國家高速公路編號G6。筆者研究的是青海省境內(nèi)G06高速及其支線，G06高速作為青海省最重要的高速公路，連接著青海省兩市六州。G06高速公路在青海省的主要路段有：G6（京藏）高速公路（馬場垣—格爾木）、G0611（張汶）高速公路（西寧—門源、西寧—同仁）、G0612（西和）高速公路（茶卡—小柴旦湖立交）、G0613（西麗）高速公路（共和—玉樹）、G0615（德馬）高速公路（德令哈—久治）。

考慮數(shù)據(jù)的代表性，選取2013—2020年沿線高速公路24個國家氣象站、21個交通站的數(shù)據(jù)，可以較好地代表高速公路的氣象條件。氣象資料是通過CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口下載，其中降雪、積雪的氣象數(shù)據(jù)是國家氣象站的日數(shù)據(jù)，風、能見度、降雨是國家氣象站和交通站的小時數(shù)據(jù)，其中考慮能見度數(shù)據(jù)連續(xù)性選取2016—2020年的數(shù)據(jù)。參考《高速公路交通氣象條件等級》（QX/T 111—2010）[8]將降雨條件定義為小時降雨量≥10.0 mm對高速公路交通運行產(chǎn)生影響出現(xiàn)的次數(shù);降雪條件定義為日降雪量≥0.0 mm對高速公路交通運行產(chǎn)生影響出現(xiàn)的次數(shù);積雪條件定義為日雪深≥0.0 cm對高速公路交通運行產(chǎn)生影響出現(xiàn)的次數(shù);風條件定義為小時平均風速出現(xiàn)≥8 m/s對高速公路交通運行產(chǎn)生影響出現(xiàn)的次數(shù);能見度條件定義為小時最小能見度≤500 m對高速公路交通運行產(chǎn)生影響出現(xiàn)的次數(shù)。

1.2 方法

本研究運用層次分析法（AHP）、反距離權(quán)重法、自然斷點法、疊權(quán)求和、歸一化等統(tǒng)計方法[9-16]。

利用層次分析法確定不同氣象條件的權(quán)重，按照表1中的1—9比例標度法對不同氣象條件的重要性進行兩兩比較，并將比較的結(jié)果[Aij（i， j=1，2，...，n）]寫成n×n階矩陣（A）的形式，構(gòu)建出不同氣象條件的判斷矩陣。

然后對判斷矩陣進行歸一化處理計算出不同氣象條件的權(quán)重系數(shù)，并求出判斷矩陣的特征值，計算一致性比率判斷矩陣是否符合隨機一致性指標。利用GIS中的反距離權(quán)重法、自然斷點法、疊權(quán)求和等方法制作青海省G06高速公路不同氣象條件的危險性等級圖并通過歸一化處理后制作出綜合危害性等級圖，并將危害性等級劃分為5個等級，分別為：較低風險區(qū)、低風險區(qū)、中等風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)。

2 結(jié)果分析

2.1 時間特征分析

2.1.1 降雨條件分析。從降雨條件出現(xiàn)的時間分析可知，沿線降雨條件出現(xiàn)在每年的汛期，尤其季節(jié)性特征明顯。依次是夏季>秋季>春季，其中夏季占比高達86.58%，是降雨條件的高發(fā)期，冬季無降雨條件出現(xiàn)，即冬季是低發(fā)期。按月分析可得，8月降雨條件最多17.3次，占比高達44.09%。分析可得，降雨條件主要集中在夏季，即每年的6—8月。

2.1.2 降雪條件分析。從降雪條件出現(xiàn)的時間分析可知，沿線全年都有降雪條件出現(xiàn)，尤其季節(jié)性特征明顯。依次是春季>冬季>秋季>夏季，其中春季占比高達37.84%，是降雪條件的高發(fā)期，夏季占比最少3.39%，是降雪條件的低發(fā)期。按月分析可得，2月降雪條件出現(xiàn)的最多107.8次，占比高達14.37%，8月降雪條件出現(xiàn)的最少3.5次，占比為0.47%。分析可得，降雪條件主要集中在冬季2月，春季的3—4月，即每年的2—4月。

2.1.3 積雪條件分析。從積雪條件出現(xiàn)的時間分析可知，沿線全年都有積雪條件出現(xiàn)，尤其季節(jié)性特征明顯。依次是冬季>春季>秋季>夏季，其中冬季占比高達51.3%，是積雪條件的高發(fā)期，夏季占比最少0.71%，是降雪條件的低發(fā)期。按月分析可得，1月積雪條件出現(xiàn)的最多127.1次，占比高達19.54%，7月積雪條件出現(xiàn)的最少0.1次，占比為0.02%。分析可得，積雪條件主要集中在冬季即每年的12月到次年的2月。

2.1.4 風條件分析。從風條件出現(xiàn)的時間分析可知，沿線全年都有風條件出現(xiàn)，其季節(jié)性依次是冬季>春季>秋季>夏季，其中冬季占比高達37.2%，是風條件的高發(fā)期，夏季占比最少12.25%，是風條件的低發(fā)期。按月分析可得，2月風條件出現(xiàn)的最多694.6次，占比高達15.23%，8月風條件出現(xiàn)的最少139.9次，占比為3.07%。分析可得，風條件主要集中在冬季1—2月和春季3月，即每年的1—3月。

2.1.5 能見度條件分析。從能見度條件出現(xiàn)的時間分析可知，沿線全年有能見度條件出現(xiàn)，其季節(jié)性特征依次是秋季>春季>夏季>冬季，其中秋季占比高達33.11%，是能見度條件的高發(fā)期，冬季占比最少13.22%，是能見度條件的低發(fā)期。按月分析可得，9月能見度條件出現(xiàn)的最多84.8次，占比高達13.13%，12月能見度條件出現(xiàn)的最少15.8次，占比為2.45%。分析可得，能見度條件主要集中在秋季，即每年的9月到11月。

2.2 空間特征分析

參考《高速公路交通氣象條件等級》（QX/T 111—2010）[16]和本研究中對降雨、降雪、積雪、風、能見度條件的定義，對不同氣象條件進行等級劃分且分析不同等級的分布情況，并利用反權(quán)重法制作不同等級空間分布圖，然后用疊加分析制作危險性空間分布圖。因為不同的等級對高速公路的危害程度不一致，參考楊忠恩等[17]在基于GIS的浙江省高速公路大霧災害風險區(qū)劃中對不同能見度等級的權(quán)重系數(shù)值和宋建洋等[5]我國高速公路大風災害風險評估與區(qū)劃研究對不同風力等級的權(quán)重系數(shù)值，將1～4級不同的氣象條件的權(quán)重分別考慮為1/10、2/10、3/10、4/10。

2.2.1 降雨條件危險性區(qū)劃。對沿線站點2013—2020年出現(xiàn)的降雨條件進行統(tǒng)計，共有313次。用降雨等級劃分：1級（10.0～14.9 mm/h）218次、二級（15.0～29.9 mm/h）88次、三級（30.0～49.9 mm/h）6次、四級（≥50.0 mm/h）1次，降水條件等級主要在一級，占比高達69.6%。從降雨條件危險性區(qū)劃圖可知：降雨條件危險性區(qū)路段空間分布為高危險區(qū)、較高危險區(qū)在德馬高速果洛路段、張汶高速西寧和海北路段、京藏高速西寧路段，中危險區(qū)在京藏高速海南和海東路段、西麗高速海南路段，其余為低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

2.2.2 降雪條件危險性區(qū)劃。對沿線站點2013—2020年出現(xiàn)的降雪條件進行統(tǒng)計，共有5 997次，用降雪條件等級劃分：1級（0.0～2.4 mm）4 620次、二級（2.5～4.9 mm）706次、三級（5.0～9.9 mm）459次、四級（≥10.0 mm）212次，降雪條件等級主要在一級，占比高達77%。從降雪條件危險性區(qū)劃圖可知：降雪條件危險性區(qū)路段空間分布為高危險區(qū)、較高危險區(qū)在西麗高速玉樹和果洛路段、德馬高速果洛路段，中危險區(qū)在德馬高速海西東南方向路段、西麗高速海南西南路段、張汶高速海北方向，其余為較低危險區(qū)、低危險區(qū)。

2.2.3 積雪條件危險性區(qū)劃。對沿線站點2013—2020年出現(xiàn)的積雪條件進行統(tǒng)計，共有5 205次，用積雪條件等級劃分：1級（<1.0 cm）1 806次、二級（1.0～2.9 cm）1 838次、三級（3.0～4.9 cm）778次、四級（≥5.0 cm）783次，積雪條件等級主要在一二級占比高達70%。從積雪條件危險性區(qū)劃圖可知：積雪條件危險性區(qū)路段空間分布為高危險區(qū)、較高危險區(qū)在德馬高速果洛和海西東南路段、西麗高速果洛和玉樹路段、京藏高速海西東路段，中危險區(qū)在西和高速中間路段，其余為低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

2.2.4 風條件危險性區(qū)劃。對沿線站點2013—2020年出現(xiàn)的風條件進行統(tǒng)計，共有36 479次，用風條件等級劃分：1級（8.0～13.8 m/s）35 586次，二級（13.9～17.1 m/s）830次、三級（17.2～20.7 m/s）63次、四級（≥20.8 m/s）0次，風條件等級主要在一級占比高達97.6%。從風條件危險性區(qū)劃圖可知：風條件危險性區(qū)路段空間分布為高危險區(qū)、較高危險區(qū)在西麗高速果洛和玉樹路段、德馬高速中間路段、京藏中間路段及其高海拔路段，其余為中危險區(qū)、低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

2.2.5 能見度條件危險性區(qū)劃。沿線站點2016—2020年出現(xiàn)的能見度條件進行統(tǒng)計，共有3 229次，用能見度條件等級劃分：1級（200～500 m）2 629次，二級（100～200 m）447次、三級（50～100 m）52次、四級（≤50 m）35次，能見度條件等級主要在一級占比高達83.5%。從能見度條件危險性區(qū)劃圖可知：能見度條件危險區(qū)路段空間分布為高危險區(qū)、較高危險區(qū)在西麗高速果洛玉樹交界處路段，其余為中危險區(qū)、低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

2.3 利用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)

通過層次分析法確定不同氣象條件的權(quán)重，對不同氣象條件的重要性進行兩兩比較進行打分，計算不同氣象條件的權(quán)重系數(shù)如表2所示，影響青海G06高速及其支線的氣象條件依次是積雪、降雪、降雨、能見度、風。通過計算矩陣的一致性比例為0.016 4小于0.1，則權(quán)重系數(shù)分配的一致性合理。

選取青海G06高速沿線的5個氣象條件作為評價指標，采用表2得到不同的權(quán)重系數(shù)，先對不同的氣象條件進行歸一化處理，運用GIS疊加分析制作綜合危險性區(qū)劃分析，形成青海G06高速綜合危險性區(qū)劃（圖1），由圖1可知：綜合危險性區(qū)主要分布在青海的玉樹、果洛地區(qū)，其中高危險區(qū)、較高危險區(qū)在德馬高速果洛路段、西麗高速果洛和玉樹路段，中危險區(qū)在京藏高速海西東路段、德馬高速海西東南方向路段、西麗高速海南西南路段、張汶高速海北方向，其余為低危險區(qū)、較低危險區(qū)。

3 結(jié)語

①在同一路段不同的氣象條件發(fā)生時間有一定的規(guī)律，青海G06高速上降雨條件主要集中在夏季，降雪條件主要集中在冬季2月和春季的3—4月，積雪條件主要集中在冬季，風條件主要集中在冬季1—2月和春季3月，能見度條件主要集中在秋季。

②在同一路段不同的氣象條件發(fā)生空間有一定的規(guī)律，青海G06高速上降雨條件的危險路段在德馬高速果洛路段、張汶高速西寧和海北路段、京藏高速西寧路段，降雪條件的危險路段在西麗高速玉樹和果洛路段、德馬高速果洛路段，積雪條件的危險路段在德馬高速果洛和海西東南路段、西麗高速果洛和玉樹路段、京藏高速海西東路段，風條件的危險路段在西麗高速果洛和玉樹路段、德馬高速中間路段、京藏中段的中間路段及其高海拔路段，能見度條件的危險路段在西麗高速果洛玉樹交界處路段。

③利用層次分析法得出不同的氣象條件權(quán)重，依次是積雪、降雪、降雨、風、能見度，其中高危險區(qū)、較高危險區(qū)在德馬高速果洛路段、西麗高速果洛和玉樹路段，中危險區(qū)在京藏高速海西東路段、德馬高速海西東南方向路段、西麗高速海南西南路段、張汶高速海北方向，其余為較低危險區(qū)、低危險區(qū)。

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