杜建華，鄭虹暉，趙 蕾，陳 明

(1.海南省氣象信息中心，海南 ?？?570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 ?？?570203；3.海南省氣象服務(wù)中心，海南 ?？?570203)

引 言

海南島氣候?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)性氣候，降水充沛。年降水量為940.8～2388.3 mm，且降水空間分布不均。強降雨發(fā)生往往威脅公共交通安全運行。截至2018年底，G98海南環(huán)島高速公路是海南省唯一一條國家級高速公路，全長612.8 km，環(huán)島高速公路的建成通車，標志著海南省高速公路主骨架已基本形成，沿線港口的集疏能力和綜合交通能力大大提高。然而，由于海南島內(nèi)高速公路橋涵、隧道占比高，旅游旺季車流量急劇加大，一旦發(fā)生強降雨，極易造成路況擁堵甚至交通事故，進而嚴重影響通行效率。針對2008—2012年海南環(huán)島高速公路開展的氣象災(zāi)害風(fēng)險普查，發(fā)現(xiàn)對高速公路通行造成影響以及引發(fā)交通事故的災(zāi)害性天氣類型首要為強降雨，其次是霧。近年來，國內(nèi)針對高速公路通行安全與氣象條件關(guān)系的研究廣泛開展，如分析研究全國、華北地區(qū)、華東地區(qū)和西北地區(qū)不同氣象條件對高速公路安全通行和運營的影響[1-4]；構(gòu)建交通氣象安全指數(shù)和高影響天氣預(yù)警模型[5-8]；基于孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性等因素的城市交通、高速公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃、風(fēng)險評估、風(fēng)險等級預(yù)報的研究[9-14]等。有研究表明降雨會使交通事故顯著增多[15-16]，因此對華東、華南、華中等地區(qū)高速公路交通事故與降雨關(guān)系及應(yīng)對策略的研究陸續(xù)開展[17-22]。本文針對海南環(huán)島高速公路，基于高速公路沿線氣象觀測資料及降雨造成的交通事故資料，開展交通事故綜合評估分析和風(fēng)險區(qū)劃研究，以期為強降雨氣象條件下海南高速公路安全通行保障提供客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料：(1)由海南省公安交管部門提供的2010—2014年G98環(huán)島高速公路交通事故資料，包括交通事故發(fā)生地點、誘發(fā)原因、死傷人員數(shù)量、經(jīng)濟財產(chǎn)損失等；(2)由海南省氣象信息中心提供的相應(yīng)時段逐小時氣象觀測資料。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度法

針對因降雨引發(fā)的交通事故采用灰色關(guān)聯(lián)度法[23-24]進行評估排序。

設(shè)參考數(shù)據(jù)列X0=(x0(1),x0(2),…,x0(m))為1，即交通事故損失最大情況下的轉(zhuǎn)換函數(shù)值；Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(m))為比較數(shù)列，m為評估指標的個數(shù)；i=1,2,3,…,n,n為被評價個例的個數(shù)。

各比較數(shù)列和參考數(shù)列對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(j)計算公式如下：

(1)

式中：ρ為分辨系數(shù)，取0.5。

關(guān)聯(lián)度ri公式如下：

(2)

按照關(guān)聯(lián)度的大小，將交通事故進行評估排序。

2 強降雨災(zāi)害風(fēng)險

2.1 環(huán)島高速公路交通事故特征

2010—2014年，海南環(huán)島高速共發(fā)生362起交通事故，呈逐年下降趨勢(圖略)。圖1為2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)月際變化?？梢钥闯?，3月、7月和8月發(fā)生起數(shù)最多，11月最少，其他各月發(fā)生起數(shù)持平。

圖1 2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)月際變化Fig.1 The monthly variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island duirng 2010-2014

圖2為2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)日變化。可以看出，06:00—12:00(北京時，下同)交通事故發(fā)生起數(shù)較其他時段明顯偏少，尤其是06:00—08:00為低谷時段，而19:00—20:00更容易發(fā)生交通事故。在362起交通事故樣本中，發(fā)生在原東線高速路段156起，原三亞繞城高速29起，原西線高速136起，原?？诶@城高速41起。

圖2 2010—2014年海南環(huán)島高速交通事故發(fā)生起數(shù)日變化Fig.2 The diurnal variation of frequency of traffic accidents on highway around Hainan island during 2010-2014

因氣象原因造成的交通事故有77起，其中由降雨引發(fā)64起，占樣本總數(shù)的17.7%，由濃霧引發(fā)19起，占樣本總數(shù)的5.2%。由降雨和濃霧引發(fā)的交通事故造成的死傷人數(shù)和經(jīng)濟財產(chǎn)損失分別占20%和7%。降雨是誘發(fā)海南環(huán)島高速公路交通事故的主要氣象因素。

2.2 降雨造成的交通事故評估

海南環(huán)島高速公路大多數(shù)交通事故致災(zāi)因素是降雨，因此，從64個因降雨造成的交通事故樣本中，選出有人員死傷及經(jīng)濟財產(chǎn)損失的40個典型個例，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法進行評估分析。

基于1991年《公安部關(guān)于修訂道路交通事故等級劃分標準的通知》，結(jié)合本省交管部門實際處置經(jīng)驗，按交通事故后果和影響的嚴重程度，將高速公路交通事故劃分為簡易事故、一般事故、較大事故、重大事故和特別重大事故5個級別(表1)，以死亡人數(shù)u1、受傷人數(shù)u2和直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失u3作為評估指標，3項指標中有任意一項或以上滿足判別條件時即認定為該等級，如果有幾個等級均滿足條件，取較高等級。

表1 高速公路交通事故分級標準Tab.1 Classification standard of highway traffic accidents

在所選擇的個例中，各項評估指標的樣本分布情況見表2。2010—2014年，海南環(huán)島高速公路交通事故以一般事故及以下等級居多，死亡人數(shù)在區(qū)間[3,10)的事故有2起。重、特大交通事故多以巨額經(jīng)濟財產(chǎn)損失為主。

表2 40個典型交通事故個例評估指標樣本分布Tab.2 The sample distribution of assessment indexes of selected 40 typical traffic accident cases

對于死亡人數(shù)，對應(yīng)有一般、較大、重大和特別重大4個等級，而受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失分別對應(yīng)簡易、一般、較大、重大和特別重大5個等級，因此基于區(qū)間值法的3項評估指標對應(yīng)的指標區(qū)間分別為[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]；(0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]；(0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]。

根據(jù)死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失對應(yīng)的指標區(qū)間[22]進一步構(gòu)造3項評估指標的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

(3)

(4)

(5)

式中：x1(u1)、x2(u2)和x3(u3)分別表示死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失3項評估指標的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

最后，計算得出每次交通事故的關(guān)聯(lián)度，40次個例的關(guān)聯(lián)度為0.356～0.434，將關(guān)聯(lián)度從大到小排列，排在前10位的交通事故個例見表3。其中排在前三位的交通事故依次為2010年1月7日19:00、2011年2月13日20:00和2010年11月15日02:45因降雨造成的交通事故。2010年1月7日凌晨開始，原東線高速公路萬寧地區(qū)出現(xiàn)局地強降水，日降水量為135.5 mm，事故發(fā)生前6 h最大小時降雨量達26 mm，事故發(fā)生時小時雨量已明顯減弱，但是前期降水造成的路面積水和視程影響仍然存在，這次交通事故無人員死亡，但受傷人數(shù)多達6人，直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失特別巨大。

表3 交通事故關(guān)聯(lián)度前10位及相應(yīng)的歸一化處理后的評估指標及關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.3 The top ten correlation degree of traffic accidents and corresponding normalized evaluation indexes and correlation coefficients

2.3 強降雨風(fēng)險區(qū)劃

為進一步了解強降雨對環(huán)島高速公路通行的影響，選擇定安、瓊海、萬寧、陵水、三亞、樂東、東方、昌江、儋州、臨高和?？?1個高速公路交通管理站2010—2014年累計降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時降雨量作為致災(zāi)因子危險性指標；以環(huán)島高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險普查得到的強降雨致災(zāi)隱患路段、單向車流量作為承災(zāi)體脆弱性指標；以因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和事故灰色關(guān)聯(lián)度最大值作為承災(zāi)體易損性指標。

基于加權(quán)分析法建立環(huán)島海南高速公路強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)模型如下：

R=αH+βVa+γV

(6)

式中：R為強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)；H為致災(zāi)因子危險性指標；Va為承災(zāi)體脆弱性指標；V為承災(zāi)體易損性指標；α、β、γ分別為各指標的權(quán)重。

(7)

式中：當(dāng)i=1、2和3時，Hi分別為累計降雨日數(shù)、最大日降雨量和最大小時降雨量分指標；ai為各分指標權(quán)重系數(shù)。

(8)

式中：當(dāng)j=1和2時，Vaj分別為強降雨致災(zāi)隱患路段和單向車流量分指標；bj為各分指標權(quán)重系數(shù)。其中，強降雨致災(zāi)隱患路段分指標采用0、1賦值法，單向車流量分指標采取3級等級賦值法。

(9)

式中：當(dāng)k=1、2時，Vk分別為因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和該路段內(nèi)發(fā)生交通事故最大灰色關(guān)聯(lián)度分指標；ck為各分指標權(quán)重系數(shù)。

各項風(fēng)險指標及分指標的權(quán)重系數(shù)采用層次分析法[25]確定，得出致災(zāi)因子危險性指標、承災(zāi)體脆弱性指標和承災(zāi)體易損性指標對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別為α=0.562，β=0.04和γ=0.398。對應(yīng)的分指標累計降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時降雨量、強降雨致災(zāi)隱患路段、單向車流量、因降雨造成的交通事故發(fā)生頻次、某一路段內(nèi)發(fā)生交通事故最大灰色關(guān)聯(lián)度的權(quán)重系數(shù)分別為a1=0.143、a2=0.312、a3=0.545、b1=0.812、b2=0.188、c1=0.387和c2=0.613。再將各分指標進行無量綱處理后，計算得出環(huán)島高速各管理站強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)(表4)。

為直觀起見，將11個高速公路管理站強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)R按照四分法進行分級：R≥0.85時為極高風(fēng)險；0.72≤R<0.85為高風(fēng)險；0.59≤R<0.72為較高風(fēng)險；R<0.59為低風(fēng)險。圖3為海南環(huán)島高速公路強降雨風(fēng)險區(qū)劃示意圖。可以看出，定安—萬寧段屬于強降雨災(zāi)害極高風(fēng)險路段。結(jié)合表4，定安—萬寧路段強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)高達0.862～0.967，該路段不僅累計降雨日數(shù)多，日最大降雨量也較大，超過11個管理站平均日最大降雨量的30%～50%，小時降雨量最大可達106 mm，而且引發(fā)的交通事故多，影響大。其次需要關(guān)注的是省會海口周邊及西線昌江路段，?？诼范物L(fēng)險區(qū)劃指數(shù)雖然剛剛接近高風(fēng)險范圍，但是省會周邊車流量大、累計降雨日數(shù)多、交通事故多發(fā)，需要格外注意；昌江路段易發(fā)生短時強降雨。相比之下，陵水和樂東路段風(fēng)險較低。

表4 海南環(huán)島高速各交通管理站強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)Tab.4 Risk zoning indexes at each traffic control station of the highway around Hainan island under heavy rainfall condition

圖3 海南環(huán)島高速公路強降雨風(fēng)險區(qū)劃示意圖Fig.3 Schematic map of heavy rainfall risk zoning of the highway around Hainan island

3 結(jié)論與討論

(1)2010—2014年，G98海南環(huán)島高速交通事故呈逐年下降趨勢，3月、7月和8月發(fā)生起數(shù)最多，11月最少，日變化呈現(xiàn)出06:00—12:00交通事故少、其他時段偏多的特征，其中06:00—08:00為低谷時段，19:00—20:00為高峰時段。原東線高速公路交通事故較西線偏多。因氣象條件造成的交通事故樣本中以降雨最多，其次是霧。

(2)選擇有人員死傷及經(jīng)濟財產(chǎn)損失的40個因降雨造成的交通事故典型個例，運用灰色關(guān)聯(lián)度方法，以死亡人數(shù)、受傷人數(shù)和直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失作為評估指標對典型個例進行評估排序。40次個例的灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值差距不大，而且直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失作用較為凸顯。

(3)選擇海南環(huán)島高速11個管理站2010—2014年累計降雨日數(shù)、最大日降雨量、最大小時降雨量作為致災(zāi)因子危險性指標；環(huán)島高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險普查得到的強降雨致災(zāi)隱患路段、單項車流量作為承災(zāi)體空間脆弱性指標；降雨造成的交通事故發(fā)生頻次和事故灰色關(guān)聯(lián)度最大值作為承災(zāi)體易損性指標構(gòu)建了環(huán)島高速強降雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)定安至萬寧路段是強降雨高風(fēng)險路段，西線的昌江和省會?？诖沃?。