华北地区汛期降水特征与铁路防洪对策研究

申文军，王冀

(1.北京铁路局工务处，北京100860;2.北京市气象局，北京100089)

华北地区汛期降水特征与铁路防洪对策研究

申文军1，王冀2

(1.北京铁路局工务处，北京100860;2.北京市气象局，北京100089)

利用华北地区6省市1961—2012年212个气象台站资料，采用趋势系数、滤波分析等气候统计方法，从时间、空间多维度分析了华北地区汛期降水的主要特征。结合1961—2014年铁路水害数据和防洪实际，研究降雨类型与水害类型的关系，提出防范策略。

华北地区 降水 年际变化 趋势分析 科学防洪

华北地区属暖温带半干旱半湿润季风气候，年降水量400～900 mm，夏季为主要的降水时段，降水量占全年的70%左右，汛期平均降水量为355 mm。北京铁路局辖区覆盖华北大部地区，管内共有正线144条，桥梁4 872座，隧道504座，营业里程全长4 701.4 km，山区铁路占正线运营里程的46%。由于部分线路建设年代早，地形复杂，设备先天不足，抗洪能力低，水害对行车安全构成较大威胁，防洪安全形势严峻。近年来，华北地区极端天气气候事件发生频率增加，汛期降水偏多趋势明显增强，根据华北地区汛期降水的主要特征、趋势和成因，并结合铁路历年水害数据和防洪实际研究相应的对策是十分必要的。

1 华北地区汛期降水的主要特征

本文所用资料来源于国家信息中心提供的1961—2012年6省市(京、津、冀、鲁、晋、豫)500个台站逐日降水资料，剔除观测年份不足52年的台站和连续缺测10 d或全年缺测日数大于30 d的站点后，最终选取了华北地区212个台站48年逐日降水资料。华北地区汛期降水的主要特征如下:

1)近10年来全国范围雨带北移趋势明显。从全国雨带年代际分布变化趋势看(图1)，21世纪以来雨带开始明显北移，由华东地区不断北上，华北地区降雨明显增多，成为夏季主要降雨带之一。

图1 中国地区夏季雨量年代际(1950—2010年)正距平频次百分率空间分布

2)夏季降水呈显著下降趋势，但近年来明显增多。华北地区夏季降水的时间变化曲线和线性趋势如图2(a)所示，通过信度95%的显著性检验为-2.0 mm/10年，有4个偏多时段(1961—1964年、1971—1979年、1991—1994年、2000年代中期之后);小波分析结果(图2(b))表明华北夏季降水在1990年后降水周期约为6年，未来华北降水呈现明显增多趋势。

3)汛期月度降水增多趋势明显。华北6—8月的降水空间分布，整体表现为由西向东逐月增加，6，7，8月降水量分别为60～80，120～220和120～180 mm。

4)主汛期暴雨集中。暴雨集中在7月下旬至8月上旬，主要由几场暴雨造成，占汛期降水总量的70%以上，一次暴雨的日降水量有时可达月降水量的50%以上，多年平均大雨以上降水量占总降水量的65%左右。

图2 1961—2012年华北地区夏季降水距平逐年变化曲线

5)极端强降水历时短，雨强大。华北地区地形对降水增幅作用十分明显，短历时降水强度在我国大陆是罕见的，1～12 h的降水量极值十分接近世界极值，其中6 h降水量极值(860 mm)创世界记录。

6)山区阵性降雨预测难度大，突发性强，受地形影响大。由于其尺度小，生命史较短，形成的物理机制复杂，对其准确预报难度很大。山区强降水一般呈现双峰型，即午后至傍晚和清晨两个峰值，近年来短历时强降水有增加趋势。

7)偶有持续性强降雨发生。1961—2012年夏季，华北共出现287次区域持续性强降水过程，其中7月出现持续性强降水的次数最多，其次为8月，6月最少，有6成以上过程的持续时间为4～6 d。持续性强降水过程的次数、总日数及过程总降水量的时间变化均呈现减少趋势。

8)台风影响次数少，雨量大。台风是导致华北地区出现暴雨的主要原因之一。1949—2001年，华北地区共出现台风暴雨51次，7—8月占总数的82%，其中7月中旬至8月上旬出现30次，占总次数的58%。单站过程雨量200～300 mm，300～400 mm，＞400 mm的分别有20，10，7次，合计占总次数的72%。连续降雨最长可达到5 d。

9)降雨移动三条路径清晰可循。西南—东北路径主要是暖式切变降水，多位于华北南部，是华北汛期降水的主要路径;西北—东南路径的冷涡降水导致近年来华北地区6月份降水有偏多趋势;东南—西北路径降水大多与台风北上有关，具有降水量大、持续时间长、雨量分布均匀的特点。

2 历年水害统计与水害特征

本文所用资料来源于北京铁路局防洪办提供的1961—2014年辖区正线水害档案，剔除资料不全和数据不准确的年份后，最终选取辖区51年的有效资料。

2.1 历年正线水害统计

北京局近50余年水害发生频率与降雨量在时空上高度一致(图3)，其中水害断道次数与降水量的关系最好，相关系数为0.44(通过了95%的信度水平检验)，反映出降水量与断道次数相关性最强。

2.2 历史水害分布特征

自1961年以来，北京铁路局辖区共发生水害断道1 746次，中断行车13 598 h;平均每年断道32次，年平均中断行车252 h，平均每次中断行车7 h 48 min。1993年以来共发生水害慢行530次，平均每年慢行25次。自2001年开始，降雨量超标后工务段主动进行封锁检查1 385次，年平均主动封锁检查99次。从正线水害等级看，中断24 h以上的特大型水害28次，中断12～24 h的大型水害135次。从近年正线断道类型看，主要包括崩塌落石、泥石流、路基下沉或塌陷、水漫线路、路堤溜塌、堑坡或挡墙坍塌、倒树侵限和桥涵损毁，近十年各类型水害断道次数和时间分布见图4，其中崩塌落石、路基下沉或塌陷、水漫线路3种类型占比较大，尤以桥梁损毁单次断道时间最长，山区铁路水害约占总数的70%以上。

图3 华北地区汛期降水和铁路灾害变化时程曲线

图4 近十年各类型水害断道次数和时间分布

2.3 降雨类型与水害类型的关系

北京局降水类型主要有对流雨、地形雨、锋面雨和台风雨4种。其中汛初、汛末多为锋面雨，主汛期多为对流雨和地形雨，偶有台风雨发生。对流雨具有强度大、雨量多、雨时短、雨区小的特点，通常表现为雷暴、短时强降雨、阵性降雨等。地形雨是在部分高大山地的迎风坡，降雨云团随着山坡提升致水汽凝结形成的降雨，具有降雨充沛、雨区稳定、过程清晰的特点，是山区铁路致灾的主要降雨类型。锋面雨在汛初和汛末冷暖空气相遇形成持续时间长、雨强小的连绵降雨。台风雨是热带海洋上的风暴带来的降雨，风暴在福建沿海、山东半岛登陆，对北京局东部地区造成较大影响。不同的降雨类型与其引发的水害类型具有相关性。

1)华北地区主汛期2～3场暴雨造成的水害损失最大，占当年水害断道总量的70%以上。暴雨所到之处几乎各种类型水害集中暴发。这时主要通过提前采取封锁、停运措施，发生水害后采取疏导、迂回等行车方式确保运输安全。

2)由台风带来的降水造成所有水害类型大面积暴发，破坏力强，发生的概率较低。

3)短时、局部强降雨发生的频率最高，主要发生在入汛初期和汛末时段，易引发水冲线路、桥涵堵塞、路堤溜塌等突发水害。

4)阵性降雨发生的概率大，降雨前无任何征兆，分布范围小，防范最困难。发生水害后应急处置慢，对局部运输干扰大。

5)持续性降雨发生概率较低，降雨强度不大，破坏力较小。长时间降雨易造成土体饱和，引发路基下沉或溜塌、零星落石等水害，造成限速运行。

6)雷暴大风等恶劣天气突出，降雨时雷暴大风相伴而生，破坏力极大，易引起倒树侵限、接触网倒杆断电、房屋倒塌、屋棚掀翻等水害。

7)双峰型山区强降水造成夜间水害发生的频率较高。由于山区铁路存在午后—傍晚和清晨两个降雨峰值，造成70%以上的水害发生在夜间。由于夜间视线差，检查难度大，发生水害后抢险困难，影响行车的时间和造成的损失较白天更大。

3 防范对策与建议

实践证明，水害的发生与降雨密切相关，降雨造成的岩土体重度增加与强度降低、地下水位升高的浮托作用、水力梯度形成的渗透压力等因素容易诱发水害。水害发生的时间、地点、规模和程度一般由降雨类型与水害类型的耦合程度决定。利用降雨与水害发生的关系和规律去指导防洪工作和灾害预警，可以大大降低灾害损失。

1)加强防洪组织机构建设和重点区域的布控。铁路局应加强防洪组织机构建设，及时成立局级防洪应急指挥中心，行车各部门联合办公，加强行车指挥与水害抢险组织。山区铁路工务段相应成立段级防洪办公室，全年开展防洪工作。根据全国雨带北移的趋势，应逐年增加防洪工程投资力度，不断提高整体的抗洪能力。针对近年来华北地区6月份降水偏多的趋势，将入汛时间提前到6月1日。

2)铁路沿线加密增设雨量监测设备。雨量监测设备是指导防洪应急、保证行车安全的重要装置。近年来极端天气明显增多，局部降雨差距较大，为了真实反映铁路沿线降雨实况，各车站每5～8 km设置1台雨量计是十分必要的，同时在防洪重点处所应加密设置，降雨时可第一时间采取雨量警戒措施，减小行车风险。

3)科学设定雨量警戒值。封锁警戒值主要考虑短时暴雨的影响，宜取1 h雨量(气象上16 mm/h为暴雨)的2～3倍为封锁警戒值(35～50 mm)，主要防范短时暴雨诱发的水冲线路、崩塌落石、倒树等水害。限速警戒值主要考虑连续降雨、24 h降雨+短时较强降雨，兼顾雨量达到封锁警戒值前为减小对运输的干扰通过控制行车速度来减小行车风险而进行的临时限速，宜取1 h雨量、24 h雨量+1 h雨量、连续雨量3种警戒模式，主要防范路基下沉、边坡溜坍等水害。出巡警戒值主要考虑短时较强雨量、连续降雨量2个因素，取1 h雨量、连续雨量2种警戒模式，在降雨初期即启动设备巡检，及时发现和处置防洪隐患和零星水害，应尽量降低出巡警戒值，尽早组织出巡检查。从实施效果看，80%以上的水害是在采取警戒措施后发现的。

4)雨量警戒信息接通列车调度台。雨量达到警戒值后，传统的防控模式是登记申请—车站值班员上报—列车调度员审批—现场警戒，这个过程约需15～40 min，存在极大的安全漏洞。雨量警戒信息接入列车调度台后，调度员可以在第一时间发布封锁命令，同时可进一步接入车站值班室及运行机车，最大限度地缩短应急响应和处置时间。

5)建立红橙黄蓝4级预警及响应机制。依据中雨、大雨、暴雨、大暴雨4个级别，在雨前启动不同级别预警，提前做好人员、机具、材料的集结准备，认真做好“观云追雨盯图”，加强每场降雨的盯控和迎送，及时组织抢险工作。

6)优化暴雨天气的行车组织。在搞好防洪重点处所等级管理的基础上，暴雨天气应以优化行车组织为主，积极发挥各系统、各部门全员防洪作用。车务部门优化调度、主动扣车，机车司机主动降速运行或停车避险，工务部门加强冒雨巡查，加密机车添乘，不宜盲目提级看守或全路段看守。山区铁路客车停运、货车降速运行，开通前实行首趟货物列车或单机确认制度。对山区低等级线路要果断停运。

7)加强夜间关键时段的防控。针对夜间水害多发的特点，应合理调整夜间的封锁、限速雨量警戒值，适当延长夜间封锁、限速时间。夜间降雨时，工务段对封锁、限速警戒值按降低20%～30%的幅度掌握。夜间区间封锁后，设备检查要细致全面，可适当延长封锁时间。夜间区间开通后，要延时限速到天亮。

8)加强科技防洪体系建设。完善防洪信息平台，动态掌握雨情、水情、库情;建立防洪检查人员GPS手机定位平台，实现防洪显性化、可视化管理;加大高铁防灾监测、山体落石与泥石流监测等措施的推广实施力度和防控范围。

［1］张清，黄朝迎.我国铁路水害及其评估模型研究［J］.应用气象学报，1999，10(4):495-502.

［2］汤家法，姚令侃，华明.铁路汛期行车安全对策——雨量警戒制度研究［J］.自然灾害学报，2002，11(3):132-136.

［3］王冀，蒋大凯，张英娟.华北地区极端气候事件的时空变化规律分析［J］.中国农业气象，2012，33(2):166-173.

［4］陆日宇.华北夏季不同月份降水的年代际变化［J］.高原气象，1999，18(4):510-519.

［5］巢清尘.减少气候异常对交通运输影响的评估及对策［J］.地理学报，2000，55(S1):157-162.

［6］张清，黄朝迎.我国交通运输气候灾害的初步研究［J］.灾害学，1998(3):43-46.

［7］李盾，万蓉.武汉地区雾的特点及其对交通的影响［J］.湖北气象，2000(3):20-22.

［8］孟燕军，赵习方，王淑英，等.北京地区高速公路能见度气候特征［J］.气象科技，2001(4):27-32.

［9］周华国，魏庆朝，曾学贵，等.近十几年来中国铁路水害的时空统计特征［J］.自然灾害学报，1995，27(4):43-46.

(责任审编李付军)

U216.41+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.43

1003-1995(2015)05-0170-04

2015-01-01;

2015-02-15

申文军(1976—)，男，河北邯郸人，工程师。