張 娣,曲曉黎,張中杰,張金滿,王 潔,尤 琦
(1.河北省氣象服務(wù)中心,河北 石家莊 050021;2.河北省氣象科學(xué)研究所,河北 石家莊 050021;3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050021)
朔黃鐵路西起山西省神池南站,東至河北省黃驊港站,正線總長(zhǎng)594 km,為國(guó)家Ⅰ級(jí)線路、雙線電氣化、重載鐵路,是我國(guó)西煤東運(yùn)的第二大通道[1],在全國(guó)路網(wǎng)中占有重要地位。鐵路沿線地形復(fù)雜,西部路段多為山地或丘陵,加之近年來(lái)華北地區(qū)極端天氣氣候事件頻發(fā),強(qiáng)降水或連續(xù)降水極易造成滑坡和泥石流等水害,對(duì)鐵路沿線路基、隧道、橋梁等造成很大威脅[2],防洪安全形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。如2016年7月19日河北省西部山區(qū)的特大暴雨,導(dǎo)致鐵路沿線山體滑坡、塹坡溜坍,鐵路線路受損,運(yùn)輸中斷,嚴(yán)重影響了鐵路的正常運(yùn)營(yíng)[3]。
鐵路水害是指由于高強(qiáng)度或持續(xù)性降水(包括因降水誘發(fā)的滑坡、泥石流、崩坍等地質(zhì)災(zāi)害)造成鐵路線路受損或運(yùn)輸中斷的現(xiàn)象[4],受地形、地質(zhì)條件影響,具有明顯的地域性特征,還與鐵路部門(mén)的抗洪標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)[5-6]。降水是誘發(fā)鐵路水害的主要因素之一[7],圍繞降水開(kāi)展的鐵路水害閾值和預(yù)報(bào)模型研究是鐵路災(zāi)害防御體系的重要環(huán)節(jié)[8-9]。近年來(lái),國(guó)外學(xué)者研究了強(qiáng)降水引發(fā)水害的敏感性和預(yù)警模型等[10-12],國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞水害也做了很多有意義的研究,分析降水特征及其對(duì)鐵路水害的影響[13-14],研究鐵路水害的前期有效雨量[15]及雨量閾值[16-17],并嘗試建立鐵路水害預(yù)警模型[18-19]和概率預(yù)報(bào)模型[20-22]等,但針對(duì)華北地區(qū)貨運(yùn)鐵路雨量警戒的研究鮮有報(bào)道,加之朔黃鐵路現(xiàn)有的雨量警戒標(biāo)準(zhǔn)已制定多年,隨著近年來(lái)設(shè)備的不斷升級(jí),橋梁、路基的穩(wěn)固維修維護(hù)及對(duì)隱患路段的排查整治等,需對(duì)現(xiàn)有的雨量警戒制度進(jìn)行調(diào)整,使其在能保證鐵路運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)安全和鐵路運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性前提下,縮短鐵路調(diào)度和管理部門(mén)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間,及時(shí)排查水害隱患,又避免雨量警戒過(guò)于敏感。因此,本文在參考已有研究的基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害降水分型[23-24]等方法,分析平原、山區(qū)路段鐵路水害的分布特征及降水影響因子,研究針對(duì)朔黃鐵路雨量警戒閾值指標(biāo),為鐵路部門(mén)汛期高效調(diào)度和安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障,為科學(xué)防洪、精準(zhǔn)防洪提供決策依據(jù),提升鐵路應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害的應(yīng)急處理和防御能力,最大限度減少損失,確保鐵路運(yùn)輸安全暢通。
以朔黃鐵路為研究區(qū)域,其中山區(qū)路段包括神池南—西柏坡13個(gè)車(chē)站,平原路段包括靈壽—黃驊港27個(gè)車(chē)站,統(tǒng)計(jì)2017—2019年鐵路水害和降水?dāng)?shù)據(jù)資料。鐵路水害資料是由朔黃鐵路運(yùn)輸部提供的管內(nèi)各工務(wù)段上報(bào)的水害記錄,包括水害的發(fā)生時(shí)間、影響工務(wù)段、水害類(lèi)型、是否影響安全行車(chē)等,其中水害類(lèi)型包括路基下沉、邊坡溜塌、路肩塌陷、水漫線路、泥石流淹埋線路、橋墩局部沖刷、軌道懸空等;降水資料來(lái)自朔黃鐵路沿線車(chē)站的40個(gè)DZZ4型自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐5 min降水量數(shù)據(jù)。
研究表明,對(duì)降水因子進(jìn)行平方根或立方根轉(zhuǎn)化后,其正態(tài)分布性會(huì)明顯改善。由于各降水因子最大值和最小值之間全距較大,且相對(duì)比較分散,偏態(tài)分布特征明顯,因此選擇計(jì)算立方根的方式對(duì)降水因子進(jìn)行正態(tài)化處理[25]:
式中:PA(mm)為降水因子;PX為正態(tài)化處理后的降水因子。
均值-標(biāo)準(zhǔn)差法[26-27]利用降水因子均值和不同標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)來(lái)劃分鐵路水害的降水警戒閾值。標(biāo)準(zhǔn)差反映了降水因子相對(duì)于平均降水量的偏離程度,用均值和標(biāo)準(zhǔn)差能反映不同降水的差異,由于記錄的水害資料中未出現(xiàn)鐵路停運(yùn)的情況,說(shuō)明統(tǒng)計(jì)的降水因子極大值仍未達(dá)到誘發(fā)鐵路停運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn),因此將降水因子以μ、μ±2std和極大值(Pmax)為降水閾值分割點(diǎn)。
參考2005年中國(guó)氣象局《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法(試行)》,采用準(zhǔn)確率(RA)、空?qǐng)?bào)率(RF)和漏報(bào)率(RM)對(duì)朔黃鐵路雨量警戒情況進(jìn)行效果檢驗(yàn)[28]。計(jì)算公式如下:
式中:NA為發(fā)布雨量警戒信息且實(shí)際實(shí)施雨量警戒措施的站次(正確預(yù)報(bào));NB為發(fā)布雨量警戒信息而實(shí)際未實(shí)施雨量警戒措施的站次(空?qǐng)?bào));NC為未發(fā)布雨量警戒信息而實(shí)際實(shí)施雨量警戒措施的站次(漏報(bào))。
2017—2019年朔黃鐵路沿線共發(fā)生不同類(lèi)型水害237站次。圖1為朔黃鐵路水害發(fā)生站次與平均降水量的月際變化。可以看出,朔黃鐵路水害主要出現(xiàn)在4—9月,其中7月水害發(fā)生站次最多,占水害發(fā)生總站次的51.7%,其次是8月,占比41.3%,10—11月鐵路水害相對(duì)較少,1—3月和12月沒(méi)有水害記錄。水害發(fā)生站次與降水量分布是同步的,降水量最多月份與水害發(fā)生站次最多月份一致,華北地區(qū)降水主要集中在汛期(6—8月),7月持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生次數(shù)最多,局地性較強(qiáng),其次是8月[13-14]。統(tǒng)計(jì)2017—2019年朔黃鐵路不同等級(jí)降水量時(shí)鐵路水害發(fā)生站次(表1)情況,暴雨時(shí)出現(xiàn)水害站次最多(117站次),占水害發(fā)生總站次的49.4%,大雨時(shí)出現(xiàn)水害站次其次(82站次),占比34.6%,中雨及以下量級(jí)時(shí)出現(xiàn)水害站次較少,占比不足10%,2017—2019年無(wú)特大暴雨觀測(cè)記錄,因此沒(méi)有統(tǒng)計(jì)。
圖1 2017—2019年朔黃鐵路水害發(fā)生站次與平均降水量的月際變化Fig.1 The monthly variation of occurrence times of water disasters and average precipitation on the Shuozhou-Huanghua Railway from 2017 to 2019
華北地區(qū)的鐵路水害由不同類(lèi)型降水引起[12-13],統(tǒng)計(jì)2017—2019年朔黃鐵路水害資料、降水量數(shù)據(jù)以及降水持續(xù)時(shí)間情況,發(fā)現(xiàn)引發(fā)鐵路水害的降水類(lèi)型主要有3種:局地暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水、連續(xù)性降水(表2)。局地暴雨[29-30]或短時(shí)強(qiáng)降水[31-32]是鐵路水害的激發(fā)因素,會(huì)引發(fā)局地土體沖刷、水沖線路、路基溜塌、崩塌落石等突發(fā)水害,連續(xù)降水[13,16]直接影響土壤含水量,造成水漫線路、塹坡坍塌、橋涵悶孔等水害。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)2017—2019年朔黃鐵路237站次水害中有108站次由局地暴雨引發(fā),占水害發(fā)生總站次的45.6%,77站次由連續(xù)性降水導(dǎo)致,占比32.5%,52站次由短時(shí)強(qiáng)降水天氣造成,占比21.9%(表2)。值得注意的是有些鐵路水害不僅由一種降水類(lèi)型造成,而是由2種降水類(lèi)型共同作用的結(jié)果,如2019年8月9日河北滄州市河間站出現(xiàn)的水害,降水持續(xù)時(shí)間2.0 h,1 h最大降水量51.1 mm,24 h降水量59.8 mm,由短時(shí)強(qiáng)降水和局地暴雨共同作用導(dǎo)致。平原路段和山區(qū)路段引發(fā)鐵路水害的主要降水類(lèi)型不同,平原路段水害主要由局地暴雨引發(fā),而山區(qū)路段水害主要誘因是連續(xù)性降水。
表1 2017—2019年朔黃鐵路不同等級(jí)降水量時(shí)水害發(fā)生站次Tab.1 The occurrence times of water disasters under different grade precipitation on the Shuozhou-Huanghua Railway from 2017 to 2019
表2 2017—2019年朔黃鐵路不同路段水害發(fā)生站次及降水類(lèi)型Tab.2 The occurrence times and precipitation types of water disasters in different sections of the Shuozhou-Huanghua Railway from 2017 to 2019
結(jié)合鐵路水害發(fā)生時(shí)降水持續(xù)時(shí)間和降水類(lèi)型,本文以連續(xù)降水量、1 h最大降水量和24 h降水量作為影響鐵路水害的降水因子,分析2017—2019年朔黃鐵路水害發(fā)生站次與降水因子的相關(guān)關(guān)系。其中,連續(xù)降水量是指一次降水過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻到水害出現(xiàn)時(shí)刻每5 min降水量的總和;1 h最大降水量是指一次降水過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻到水害出現(xiàn)時(shí)刻內(nèi)每5 min滑動(dòng)計(jì)算的前1 h降水量的最大值;24 h降水量是指水害出現(xiàn)時(shí)刻前24 h降水量的總和。分析發(fā)現(xiàn)鐵路水害發(fā)生站次與連續(xù)降水量、1 h最大降水量、24 h降水量均呈較好的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.561、0.533、0.502,且通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明這3個(gè)因子作為鐵路水害的降水因子可行。
圖2 2017—2019年朔黃鐵路水害發(fā)生時(shí)降水持續(xù)時(shí)間及降水量散點(diǎn)圖Fig.2 The scatter diagram between precipitation duration and precipitation amount during the water disasters on the Shuozhou-Huanghua Railway from 2017 to 2019
圖2為2017—2019年朔黃鐵路水害發(fā)生時(shí)降水持續(xù)時(shí)間和降水量散點(diǎn)圖。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),降水持續(xù)時(shí)間在0~24 h的水害發(fā)生150站次,占水害發(fā)生總站次的63.3%;在24~48 h的水害發(fā)生74站次,占比31.2%,因此認(rèn)為鐵路水害主要是由48 h以?xún)?nèi)的短期降水導(dǎo)致。連續(xù)降水量多集中在30.0~120.0 mm時(shí),是水害高發(fā)區(qū),發(fā)生水害224站次,占比94.5%;30.0 mm以下降水量一般不足以激發(fā)水害;120.0 mm以上的降水發(fā)生頻率較小,因此引發(fā)水害的概率相對(duì)較小。1 h最大降水量多在10.0~60.0 mm時(shí),是水害高發(fā)區(qū),發(fā)生水害199站次,占比84.0%;1 h最大降水量在10.0 mm以下時(shí)降水強(qiáng)度不大,破壞力相對(duì)較小,且該條件下發(fā)生水害時(shí)降水的持續(xù)時(shí)間多在12 h以上,水害主要由連續(xù)降水引發(fā)。
雨量警戒是鐵路部門(mén)決定鐵路警戒狀態(tài)的降水指標(biāo),是判斷降水影響鐵路安全程度的基本依據(jù)[7-8],文中主要分為無(wú)警戒、出巡警戒、限速警戒、封鎖警戒。由于降水因子全距較大,因此首先對(duì)其進(jìn)行正態(tài)化處理,再計(jì)算不同降水因子對(duì)應(yīng)的水害發(fā)生頻率(圖3)。對(duì)于平原和山區(qū)路段,連續(xù)降水因子、1 h最大降水因子和24 h降水因子對(duì)應(yīng)的水害發(fā)生頻率均呈明顯單峰型分布。最后統(tǒng)計(jì)各降水因子的均值(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(std),根據(jù)均值-標(biāo)準(zhǔn)差法和極大值法分別對(duì)不同路段水害同期的連續(xù)降水因子、1 h最大降水因子、24 h降水因子進(jìn)行分割,以μ-2std、μ、μ+2std和Pmax分別對(duì)應(yīng)無(wú)警戒、出巡警戒、限速警戒和封鎖警戒的降水因子閾值,最后對(duì)其進(jìn)行3次方處理得到對(duì)應(yīng)的警戒雨量閾值(表3),可以看出,平原路段雨量警戒閾值高于山區(qū)路段。
表3 朔黃鐵路平原路段和山區(qū)路段雨量警戒閾值Tab.3 The rainfall warning threshold in plain and mountain sections of the Shuozhou-Huanghua Railway
圖3 2017—2019年朔黃鐵路平原路段(a、b、c)、山區(qū)路段(d、e、f)不同降水因子對(duì)應(yīng)的水害發(fā)生頻率直方圖(a、d)連續(xù)降水因子,(b、e)1 h最大降水因子,(c、f)24 h降水因子Fig.3 The frequency histogram of water disasters corresponding to different precipitation factors in plain sections(a,b,c)and mountain sections(d,e,f)of the Shuozhou-Huanghua Railway from 2017 to 2019(a,d)continuous precipitation factor,(b,e)the hourly maximum precipitation factor,(c,f)the 24-h precipitation factor
根據(jù)上文得到的平原和山區(qū)鐵路路段不同級(jí)別的雨量警戒閾值,對(duì)2020年汛期朔黃鐵路雨量警戒情況進(jìn)行效果檢驗(yàn),均無(wú)漏報(bào)情況發(fā)生。平原路段共發(fā)布出巡警戒信息26站次,限速警戒信息2站次,未發(fā)布封鎖警戒信息(實(shí)際也沒(méi)有出現(xiàn)封鎖警戒情況)。實(shí)際實(shí)施出巡警戒措施記錄23站次,出巡警戒準(zhǔn)確率為88.5%,空?qǐng)?bào)率為11.5%。實(shí)際實(shí)施限速警戒措施記錄2站次,分別出現(xiàn)在河北羊三木站和黃驊南站,2020年7月5日羊三木站連續(xù)降水量77.6 mm,1 h最大降水量74.3 mm,降水持續(xù)時(shí)間1.3 h;2020年7月31日黃驊南站連續(xù)降水量83.9 mm,1 h最大降水量70.7 mm,降水持續(xù)時(shí)間7.4 h,均為1 h最大降水量達(dá)到限速警戒標(biāo)準(zhǔn)。山區(qū)鐵路路段共發(fā)布出巡警戒信息18站次,實(shí)際實(shí)施出巡警戒措施記錄16站次,出巡警戒準(zhǔn)確率為88.9%,空?qǐng)?bào)率為11.1%,未發(fā)布限速和封鎖警戒信息,也沒(méi)有實(shí)施限速和封鎖警戒措施記錄,因此沒(méi)有進(jìn)行檢驗(yàn)。總體上,針對(duì)平原和山區(qū)鐵路路段制定的雨量警戒閾值較為合理,相較于已有的警戒標(biāo)準(zhǔn),減少了無(wú)效的人員出巡,可為鐵路氣象服務(wù)提供一定的技術(shù)支持,為鐵路部門(mén)汛期高效調(diào)度和安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障,為科學(xué)防洪、精準(zhǔn)防洪提供一定的決策依據(jù)。
(1)2017—2019年朔黃鐵路水害主要發(fā)生在4—9月,7月發(fā)生站次最多,其次是8月,水害分布與降水量分布同步,降水量最多月份與水害最多月份一致,暴雨時(shí)水害發(fā)生站次最多。
(2)朔黃鐵路水害的降水類(lèi)型主要有3種:局地暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水、連續(xù)性降水。局地暴雨引發(fā)鐵路水害的次數(shù)最多,占水害發(fā)生總站次的45.6%,其次是連續(xù)性降水,短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)鐵路水害頻次最少。平原路段鐵路水害主要由局地暴雨引發(fā),而山區(qū)路段主要誘因是連續(xù)性降水。
(3)對(duì)于平原和山區(qū)路段,連續(xù)降水因子、1 h最大降水因子和24 h降水因子對(duì)應(yīng)的水害發(fā)生頻率均呈單峰型。由于降水因子全距較大,水害記錄中未出現(xiàn)封鎖停運(yùn)情況,因此以μ-2std、μ、μ+2std和Pmax分別對(duì)應(yīng)無(wú)警戒、出巡警戒、限速警戒和封鎖警戒降水因子閾值。
(4)對(duì)平原和山區(qū)路段雨量警戒閾值指標(biāo)檢驗(yàn),均無(wú)漏報(bào)情況發(fā)生,平原路段出巡警戒準(zhǔn)確率達(dá)88.5%,空?qǐng)?bào)率為11.5%,限速警戒準(zhǔn)確率達(dá)100%;山區(qū)路段出巡警戒準(zhǔn)確率達(dá)88.9%,空?qǐng)?bào)率為11.1%,因此制定的雨量警戒閾值較為合理。