探討高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃方法

探討高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃方法1高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性分析一般來說，氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性是致災(zāi)因子（危險(xiǎn)性）、承災(zāi)體（脆弱性）、孕災(zāi)環(huán)境（敏感性）及防災(zāi)減災(zāi)能力綜合作用的結(jié)果。它的形成既取決于致災(zāi)因子的強(qiáng)度與頻率，也取決于自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景的易損性，同時(shí)還需考慮一個(gè)地區(qū)或行業(yè)對氣象災(zāi)害的防御能力。根據(jù)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論函數(shù)模型，考慮各氣象災(zāi)害危險(xiǎn)性、敏感性、脆弱性、防災(zāi)抗災(zāi)能力等各評價(jià)因子對災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的作用方向和大小，可建立如下災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型：VH、VE、VS、VR分別表示致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境的敏感性、承災(zāi)體的脆弱性和防災(zāi)抗災(zāi)能力各評價(jià)因子指數(shù)；WH、WE、WS、WR是各評價(jià)因子的權(quán)重值，表示各指標(biāo)對氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成的相對重要性。高速鐵路氣象災(zāi)害主要是指高鐵運(yùn)輸業(yè)所遭受的氣象災(zāi)害，一般災(zāi)害統(tǒng)計(jì)單元為高鐵線路區(qū)間或區(qū)段，而承災(zāi)體主要包括高鐵線路、橋隧、站場、列車、供電及通訊設(shè)施等。高速鐵路是一個(gè)集多方面先進(jìn)技術(shù)于一體的運(yùn)輸行業(yè)。其列車的運(yùn)行是智能化自動(dòng)控制，運(yùn)行設(shè)備及智能控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)直接決定著列車的運(yùn)行安全。為了使列車運(yùn)行高平順，高鐵線路建設(shè)多為高架、橋梁、隧道，路軌多為無砟軌道。為了預(yù)防和減少極端天氣的影響，橋梁隧道設(shè)有排水系統(tǒng)，秦嶺淮河以北道岔多建有融冰雪裝置，新建高鐵還考慮在一些風(fēng)災(zāi)高發(fā)區(qū)建設(shè)防風(fēng)墻。另外，高速鐵路建有綜合防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)，在新建高鐵沿線設(shè)有風(fēng)、雨、雪、溫度等氣象信息站，其監(jiān)測信息可實(shí)時(shí)反饋到調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)對大風(fēng)、強(qiáng)降雨、大雪等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測報(bào)警，并依據(jù)應(yīng)急預(yù)案采取降速、停運(yùn)等措施。高速鐵路在修建之前，已進(jìn)行過氣候可行性論證，盡量避開氣象災(zāi)害高發(fā)區(qū)。因此，在一般的風(fēng)、雨、雪等天氣條件下，高速列車均可正常運(yùn)行，與其它運(yùn)輸業(yè)相比，高速鐵路具有較強(qiáng)的抗擊風(fēng)雨雪等氣象災(zāi)害的能力，氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性相對較小。2高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)因子的選擇影響高鐵的氣象災(zāi)害主要有風(fēng)災(zāi)、水災(zāi)、雷電、及低溫雨雪冰凍災(zāi)害。不同氣象災(zāi)害影響高鐵的方式及主要設(shè)施各不相同，風(fēng)災(zāi)主要影響列車，水災(zāi)主要影響路軌，雷電主要影響供電設(shè)施，低溫冰雪災(zāi)害主要影響路軌及供電通訊系統(tǒng)，因此，高鐵承受不同災(zāi)種的脆弱性因子及孕災(zāi)環(huán)境敏感性因子的選擇應(yīng)該有所差別。下面分災(zāi)種對高鐵氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)因子進(jìn)行分析討論。2.1風(fēng)災(zāi)大風(fēng)是對高速鐵路運(yùn)行影響最為嚴(yán)重的天氣之一，它會(huì)使高鐵輸電線路和接觸網(wǎng)產(chǎn)生振動(dòng)與擺動(dòng)，大跨度橋梁產(chǎn)生風(fēng)振，但是更主要的還是對列車的影響，高速運(yùn)行的列車車體與軌道之間的摩擦力較小，當(dāng)有強(qiáng)風(fēng)從側(cè)面吹來時(shí)，列車的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括脫軌系數(shù)、減載率、傾覆系數(shù)及輪軌橫向力均顯著增大，在力矩的作用下極易發(fā)生側(cè)翻事故。因此大風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)向都是列車傾覆的重要參數(shù)，當(dāng)線路走向與風(fēng)向夾角垂直，該路段運(yùn)行的高速列車受到橫風(fēng)影響，此時(shí)列車安全運(yùn)行的危險(xiǎn)度最大，當(dāng)線路走向與風(fēng)向夾角小于45時(shí)，該地段的線路主要受側(cè)風(fēng)影響，存在站停列車溜逸的危險(xiǎn)。2.1.1致災(zāi)因子危險(xiǎn)性依據(jù)大風(fēng)對高鐵的影響機(jī)理，大風(fēng)的危險(xiǎn)性評價(jià)因子應(yīng)該選擇大風(fēng)頻率、大風(fēng)盛行風(fēng)向與線路之間的夾角值。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)風(fēng)向與高鐵線路之間的夾角處理起來非常麻煩，這是因?yàn)闅庀笥^測風(fēng)向（16個(gè)方位）實(shí)際上是一個(gè)角度范圍，高鐵線路在某個(gè)影響區(qū)間也不一定都是直線，很難計(jì)算一個(gè)較為精確的夾角值進(jìn)行判斷。而且，無論什么風(fēng)向的大風(fēng)，只要達(dá)到某個(gè)閾值，就可能給高鐵帶來危害。因此，可借鑒國內(nèi)外高速鐵路運(yùn)行管制及管理辦法中的相關(guān)規(guī)定，只考慮大風(fēng)風(fēng)速，如，我國鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）第343條規(guī)定：在環(huán)境風(fēng)速不大于15m/s時(shí)，列車可以正常速度行使；環(huán)境風(fēng)速不大于20m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于300km/h;環(huán)境風(fēng)速不大于25m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于200km/h;環(huán)境風(fēng)速不大于30m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于120km/h;環(huán)境風(fēng)速大于30m/s時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車組進(jìn)入風(fēng)區(qū)。2.1.2孕災(zāi)環(huán)境敏感性孕災(zāi)環(huán)境的區(qū)域差異，決定了致災(zāi)因子時(shí)空分布特征的背景。針對大風(fēng)來說，風(fēng)形成的原因主要是受地形和氣象等因素影響，而這些因子的作用均能在大風(fēng)發(fā)生的強(qiáng)度與頻率即致災(zāi)因子中體現(xiàn)，所以研究中考慮大風(fēng)直接作用于高鐵這個(gè)特定的個(gè)體，它的孕災(zāi)環(huán)境可不予考慮。2.1.3承災(zāi)體脆弱性承災(zāi)體是指直接受到災(zāi)害影響和損害的人類社會(huì)主體，在此就是大風(fēng)影響區(qū)的高速鐵路相關(guān)設(shè)施，即電網(wǎng)、橋梁、列車等。其受損程度除與大風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)外，與線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、防災(zāi)工程設(shè)施及列車的運(yùn)行速度、運(yùn)營密度、客運(yùn)量均有關(guān)系。針對高速鐵路來說，運(yùn)營速度在一定程度上反映了高鐵的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營速度越高，說明高鐵的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越高，受災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)性越小。而對行駛中的列車來說，運(yùn)行速度越高，受大風(fēng)影響的風(fēng)險(xiǎn)度則越大。相對于以上運(yùn)行速度影響的兩種風(fēng)險(xiǎn)度取向，兩者相較取其重，因此主要考慮大風(fēng)對運(yùn)行列車的影響。經(jīng)過某大風(fēng)影響區(qū)段的列車越密集，遭受大風(fēng)影響的風(fēng)險(xiǎn)性越大，列車客運(yùn)量越大，受損程度就越大。由于客運(yùn)量數(shù)據(jù)變化較大，而運(yùn)營密度在一定程度上也反映了客運(yùn)量平均狀況，因此，列車運(yùn)行速度和運(yùn)營密度可作為脆弱性評價(jià)因子。2.1.4防災(zāi)減災(zāi)能力防災(zāi)減災(zāi)能力通常理解為受災(zāi)區(qū)對氣象災(zāi)害的抵御能力和恢復(fù)程度的能力，其包括應(yīng)急管理能力、減災(zāi)投入、資源儲(chǔ)備等。防災(zāi)減災(zāi)能力越高，可能遭受的潛在損失越小，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)越小。高鐵運(yùn)輸業(yè)因其特殊的行業(yè)屬性，其應(yīng)急管理、災(zāi)害防御及減災(zāi)投入主要依賴行業(yè)內(nèi)部管理及資源調(diào)配，與地方經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)度相對較小。考慮防災(zāi)減災(zāi)因子的選取既要代表某鐵路區(qū)間的減災(zāi)能力，還要便于獲取及量化分級，各管區(qū)的高鐵運(yùn)營里程在一定程度上體現(xiàn)了某鐵路管理區(qū)的高鐵建設(shè)及管理情況，因此可選擇高鐵運(yùn)營里程作為某區(qū)間的防災(zāi)減災(zāi)能力評價(jià)因子。水災(zāi)主要是指強(qiáng)降雨所造成高鐵氣象災(zāi)害，主要影響有兩種方式：①強(qiáng)降雨引發(fā)的暴雨洪澇、河水泛濫，直接沖毀路軌、橋梁、通訊電力設(shè)施、涵洞和防護(hù)工程，淹沒路軌；②強(qiáng)降雨引發(fā)泥石流、滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，沖毀各種鐵路設(shè)施、掩埋路軌，造成列車運(yùn)行中斷、顛覆等事故。2.2.1致災(zāi)因子危險(xiǎn)性水災(zāi)不像風(fēng)災(zāi)那樣具有突發(fā)性，而是具有積少成多、循序漸進(jìn)的規(guī)律，其影響程度，主要取決于降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。可反映某地水害平均狀況的因子有：平均暴雨量、平均暴雨日、日最大降雨量、不同強(qiáng)度暴雨出現(xiàn)頻率、或者不同強(qiáng)度的小時(shí)雨量出現(xiàn)頻率等。日本東海道新干線降雨限速采用的是24h連續(xù)雨量+小時(shí)雨量的綜合判斷標(biāo)準(zhǔn)。在我國，鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）第347條規(guī)定，遇有降雨天氣，重點(diǎn)防洪堤段1h降雨量達(dá)到45mm及以上時(shí)，列車限速120km/h;1h降雨量達(dá)到60mm及以上，列車限速45km/h;當(dāng)1h雨量降至20mm及以下、且持續(xù)30min以上時(shí)，可逐步解除限速。依據(jù)高速鐵路水災(zāi)影響機(jī)理，參照國內(nèi)外鐵路相關(guān)規(guī)定，水災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)因子可選擇平均暴雨量、小時(shí)雨量20mm以上的不同閾值范圍出現(xiàn)的頻率，如20?30mm、30?40mm等出現(xiàn)的頻次。2.2.2孕災(zāi)環(huán)境敏感性水災(zāi)形成的原因除了與降雨有關(guān)外，還與地形、地質(zhì)、水系、植被等環(huán)境因素有關(guān)。洪澇災(zāi)害一般發(fā)生在地勢低洼、排水不暢、江河湖庫附近，即地形越低，距離江河湖庫愈近，就更易遭受洪水侵襲，因此可選擇高程、河網(wǎng)密度和距離水體遠(yuǎn)近作為洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境因子。山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害一般發(fā)生在溝谷、坡地的一些地質(zhì)松軟或巖石破碎地帶，因此可選擇高差和坡度等地形因子，土壤/巖石類型、植被覆蓋率等地質(zhì)環(huán)境因子作為地質(zhì)災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境因子。在地質(zhì)災(zāi)害的形成中，高差越大、坡度越陡，強(qiáng)降雨所形成的地表徑流勢能差越大，對巖石或泥砂的沖刷力越大，形成山洪泥石流的危險(xiǎn)性越高。而植被可以攔蓄雨水、減緩雨水產(chǎn)生地表徑流，并保持水土，減輕水土流失，削減地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性。因此，根據(jù)強(qiáng)降水對高鐵的影響機(jī)理，主要選擇高程、高差、坡度、河網(wǎng)分布（河網(wǎng)密度及離水體距離）、土壤/巖石類型、植被覆蓋率等環(huán)境因子建立敏感性評價(jià)指標(biāo)體系。2.2.3承災(zāi)體脆弱性水災(zāi)直接損害的是高鐵的軌道設(shè)施及經(jīng)過列車，同時(shí)軌道損毀會(huì)造成列車停運(yùn)、旅客滯留等多種間接損失。因此軌道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、軌道結(jié)構(gòu)（有砟還是無砟）、列車運(yùn)營密度、客流量等均可作為脆弱性評價(jià)因子。如前所述，列車運(yùn)營速度與軌道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營密度與客運(yùn)量之間有一定關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)證明有砟軌道更易遭受水害損毀。因此，水災(zāi)中的脆弱性因子可選擇高鐵的軌道結(jié)構(gòu)、列車的運(yùn)營速度、運(yùn)營密度作為評價(jià)因子。2.2.4防災(zāi)減災(zāi)能力同一高鐵區(qū)段的防災(zāi)減災(zāi)能力可選取同樣的評價(jià)因子。依據(jù)同樣方法，可篩選出雷電的致災(zāi)因子為閃電頻次和平均強(qiáng)度；孕災(zāi)環(huán)境可參照風(fēng)災(zāi)不予考慮；脆弱性因子可選擇列車的運(yùn)行速度、運(yùn)營密度。低溫雨雪冰凍災(zāi)害的致災(zāi)因子可選擇降雪日數(shù)、凍雨日數(shù)、積雪深度在5cm以上的積雪日數(shù)、地表溫度0°C時(shí)日降水量2.5mm的降水總量;敏感性因子可選擇高度和坡向；脆弱性因子可選擇列車運(yùn)行速度、運(yùn)營密度、及道岔是否有融雪功能。3高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方案探討高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖是標(biāo)示高鐵沿線可能發(fā)生的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度的地圖。目前，大多數(shù)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖為單幅圖，即針對一種氣象災(zāi)害，某一地理單元對應(yīng)一個(gè)相對的年均風(fēng)險(xiǎn)值或風(fēng)險(xiǎn)等級。但是，氣象災(zāi)害具有明顯的時(shí)空分布特征，其風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該體現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、空間、強(qiáng)度的可能性。單幅風(fēng)險(xiǎn)圖在一定程度上體現(xiàn)了某災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的空間及強(qiáng)度可能性，但無法體現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間可能性，這樣就無法確定不同時(shí)間的防范重點(diǎn)，或者說相同時(shí)間段的重點(diǎn)防范區(qū)域。為了體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間可能性，可增加分月風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，組成區(qū)劃圖組。在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)因子中，體現(xiàn)時(shí)間變化的主要是致災(zāi)因子，因此可將各類致災(zāi)因子進(jìn)行分月統(tǒng)計(jì)，對各類因子的月數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，分母采用此類因子的年合計(jì)值，用此種標(biāo)準(zhǔn)化的致災(zāi)因子計(jì)算分月風(fēng)險(xiǎn)值，繪制月風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，各月風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃采用相同的分級標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，年綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖可體現(xiàn)高鐵沿線不同區(qū)段發(fā)生氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)大小；分月風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，可體現(xiàn)哪些月份發(fā)生氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)大，也可體現(xiàn)同月不同區(qū)段氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布，從而確定高速鐵路沿線某氣象災(zāi)害的重點(diǎn)防范時(shí)段及區(qū)段。4結(jié)語本文從氣象災(zāi)害對高鐵的影響機(jī)理出發(fā)，在了解高速鐵路建設(shè)、運(yùn)營及管理機(jī)制的基礎(chǔ)上，借鑒已有災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃理論，對高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行分析。依據(jù)因子篩選原則：選擇引起災(zāi)害的主控因子，盡量選擇易于獲取及量化分級的因子，篩選出大風(fēng)、水災(zāi)、雷電及低溫雨雪冰凍等氣象災(zāi)害的各類評價(jià)因子組成評價(jià)指標(biāo)體系。從風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的實(shí)用性出發(fā)，在綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的基礎(chǔ)上，增加分月風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，較為全面地