北京师范大学贾梁 杨赛霓

0. 引言

全球变暖背景下，极端天气和气候事件频发，气候变化将导致自然灾害事件加剧。极端降水及其引发的各类地质和水文灾害是气候变暖的显著后果之一，受到广泛关注。洪涝灾害作为我国主要气象灾害之一，具有范围广、发生频繁、突发性强、损失大的特点，给社会经济造成巨大损失。仅2020年洪涝灾害造成6346万人次受灾、直接经济损失1789.6亿元，比前5年均值偏多12.7%和15.5%。全球极端降水呈现增加趋势，这将会进一步加剧洪涝灾害的影响。随着中国城市化的加速，更多的人口、城市和复杂的道路网络等社会经济要素将暴露于洪涝灾害。

高速公路是国家基础设施建设中关键一环，能够效连接各类基础设施，保障区域间人流、物流运输，当其受到一定冲击和威胁时，会导致故障在基础设施系统中蔓延，进而产生更大影响，造成的破坏远超单条路段损害。我国高速公路分布的广泛性使其极易受洪水影响。为确保未来高速公路能够稳定且长效运行，有效评估未来洪水灾害可能对高速公路造成的影响将成为国家公路规划建设工作中亟需解决的关键问题。

国内外学者对洪涝灾害风险已开展多方面工作，Koks等对全球公路和铁路资产进行了多灾种风险分析，分析了不同经济状况的国家的铁路和公路处在不同强度灾害下的长度，约27%的网络处于至少一种灾害下，约7.5%的公路和铁路资产暴露于百年一遇的洪水灾害[1]。Pregnolato等提出了一种综合评估方法来量化极端降水带来的洪水风险，以路网的预期行驶时间作为衡量标准，通过降水天气生成器生成极端降水，将其输入城市高分辨率供水模型CityCAT，得到水深和速度信息，判断扰乱后通行时间的变化[2]。有学者通过降水径流模型研究洪水演化过程。Wang等提出了一套失效模型以定量评估洪水对公路网络的影响，并通过2017年哈维飓风事件对模型进行验证[3]。利用水文水动力模型模拟洪水有助于进一步摸清洪水灾害演化过程，但计算相对繁琐，模型参数对模拟结果影响较大。由美国农业部提出的土壤保持服务the Soil Conservation Service（SCS）模型作为简单有效的方法之一，已得到广泛应用。Chen等人利用SCS和AHP模型，构建了道路风险分区模型，获得了洪水风险分区图并识别了城市脆弱路段[4]。广东和广西是未来极端降水的高影响区域[5]，本文以广东和广西为研究区域，利用SCS模型和高分辨率统计降尺度未来降水数据集NEX-GDDP评估洪水危险性，利用复杂网络理论分析高速公路路段的重要性，采用风险矩阵法分析高速公路路段洪水风险，以期为区域高速公路洪水风险评估和灾害响应决策提供新的视角。

1. 数据和方法

1.1 数据

本研究所需数据有广东和广西高速公路数据、降水数据、广东和广西DEM数据、地表覆盖数据和水位站水位数据等。

中国公路和铁路数据来自开放街道数据OSM(Open Street Map)，本研究中使用高速公路数据。地表覆盖数据采用GlobalLand30数据集，该数据集来自由国家测绘地理信息局，分辨率为30米，包括水体、湿地、人造地表等类型，公布于网站http://www.globallandcover.com。DEM数据采用30米分辨率ASTER GDEM数据，公布于网站https://yceo.yale.edu/aster-gdem-global-elevation-data。水位站水位数据来自中华人民共和国水文年鉴-珠江流域水文资料[6]。降水数据采用高分辨率统计降尺度数据集NEX-GDDP，选取2050年连续三日（3d）最大降水量，排放情景选取典型浓度路径RCP8.5。2050年代表本世纪中期，RCPs情景代表不同的的温室气体排放和二氧化碳浓度综合，RCP8.5可以有效表示未来温室气体排放不断增加的情景[7]。

1.2 方法

本文将高速公路转化为复杂网络，不同路段表示网络中的边。利用降水数据分析洪水致灾因子危险性，引入边中心性介数、边连通性变化和边距离效率变化作为路段重要性指标，通过风险矩阵法评估广东和广西高速公路路段洪水风险等级。

1.2.1 路段重要性评估指标

其中，Q表示径流深度（mm），P表示总降水量（mm），I_a表示初始降水量，S表示潜在的最大降水量（mm），通常I_a=0.2S。在土壤条件相对稳定的情况下，CN的变化主要由土地利用变化引起。国家标准《建筑给排水设计规范》GB50015-2003和《室外排水设计规范》GB50014-2006描述了不同下垫面类型和区域条件的径流系数。参考Wang等[9]等提出的方法，根据不同土地利用类型的径流系数计算CN，具体数值见 REF _Ref20192 \h 表1。

表 1 不同土地利用类型的径流系数和径流曲线数值

将径流深度按照表2划分为不同等级:

表 2 径流深度分级

评估水位因素需考虑河流水位和地表高程。本研究选取2010年6-9月珠江流域水文站点平均水位高度，利用式8表示水位因素RL，按照 REF _Ref20947 \h 表3所示规则划分水位因素等级。

RL = H_R - H_DEM                  （8）

表 3 水位因素分级

其中，H_R是河流水位（mm），H_DEM是地形高程（mm）。洪水致灾因子可由下式表示：

H_f = P * RL                （9）

可依据 REF _Ref21074 \h 表4获得洪水致灾因子危险性等级分值:

表 4 洪水致灾因子危险性等级矩阵

1.2.3 路段洪水风险评估

选取洪水致灾因子危险性等级和高速公路路段重要性评价公路洪水风险等级（风险等级划分规则见表5），可用下式表示，表示为R_1、R₂和R₃：

R₁ (EB) = H_f * EB_i           （ SEQ 5. \* ARABIC \s 1 10）

R₂ (CRI) = H_f * CRI_i          （ SEQ 5. \* ARABIC \s 1 11）

R₃ (DRI) = H_f * DRI_i          （ SEQ 5. \* ARABIC \s 1 12）

表 5 公路洪水风险分级矩阵

2. 高速公路路段重要性分析

本文采用路段边介数中心性、边连通性变化和边网路效率变化评估路段重要性。 REF _Ref26296 \h 图1展示了边介数中心性，其中G80广昆高速公路、G2518深岑高速公路南宁至广州段为高重要性等级。G72泉南高速公路、G78汕昆高速公路和G25长深高速公路的共用段为中高级重要性。G72泉南高速公路部分路段、S43六钦高速公路、G65包茂高速公路、G78汕昆高速公路贺州和肇庆段、G15开阳高速公路为中等重要性。连接主要城市的高速公路（G80）路段介数中心性相对较高。

图 1 广东和广西高速公路路段边介数重要性

 REF _Ref23709 \h 图2展示了边连通性变化分布，路段连通性变化指标多数为低重要性等级。其中G80广昆高速公路由南宁到梧州段为高重要性等级，G15开阳和G72泉南高速公路南宁段为中高重要性等级，S43六钦高速公路、G78汕昆高速公路和G25长深高速公路的共用段为中重要性等级，其余高速公路重要性等级均为中低及以下。

图 2 广东和广西高速公路路段连通性变化重要性

 REF _Ref22514 \h 图3展示了网络效性变化分布，其中G80广昆高速公路由南宁到梧州段为高重要性等级，G72泉南高速公路来宾和南宁段、S43六钦高速公路、G65桂林和贺州段、G15开阳段等为中重要性等级，其余高速公路重要性等级均处于中低及以下。不同的公路密集区连接路段的网络效性变化重要性等级较高。

图 3 广东和广西高速公路路段连通性变化重要性

根据上述三类重要性等级分布，本文选取了20条高速公路路段作为重点路段，对重点路段的重要性及风险等级进行统计与对比分析。表6显示了重点路段的重要性等级，G80广昆高速公路在南宁、贵港和玉林段三类重要性均为高级，G72泉南高速公路在南宁段均为中高级，G78汕昆高速公路在梅州至河源段、梅州至揭阳段、G35济广高速公路在惠州段均有两项重要性指标为中高级。

表 6 重点路段重要性等级

路段名称	所在区域	路段边介数 中心性	路段连通性变化 重要性	路段距离效率 变化重要性
G80广昆	南宁	3	2	3
G80广昆	南宁、贵港、玉林	5	5	5
G80广昆	云浮	2	1	1
G2518深岑	梧州、云浮	5	1	1
S51肇阳	云浮	5	1	1
G72泉南	南宁	4	4	4
G72泉南	南宁、来宾、柳州	3	2	3
S43六钦	南宁、钦州	2	3	3
G94珠三角环线	江门	4	1	1
G15广州绕城	广州	1	5	2
G15开阳	阳江、江门	3	4	3
G15阳茂	茂名、阳江	2	3	2
S2广河	惠州	4	1	2
G78汕昆	梅州、河源	4	3	4
G78汕昆	梅州、揭阳	4	3	4
G78汕昆	贺州、肇庆	3	1	3
G35济广	惠州	4	3	4
G04乐广	清远	3	1	2
G65包茂	桂林	3	1	3
S32西部沿海	中山	1	2	2

3. 洪水致灾因子危险性分析

将水位因素和径流深度划分为四级，利用风险矩阵法获得洪水致灾因子危险性等级，共分为低、中低、中、中高和高五个等级。由 REF _Ref22161 \h 图4可知低危险性区域面积较大，中高和高危险性等级主要出现在广西省贵港市和广东省广州市、东莞市和佛山市一带以及揭阳市、汕头市和潮州市一带，广东省高危险性区域多于广西，且多数沿海岸分布。

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图 4 广东和广西洪水致灾因子危险性等级图

4. 高速公路路段风险评估

综合考虑高速公路路段重要性指标和洪水致灾因子危险性，利用风险矩阵法得到广东和广西高速公路路段风险等级。图5展示了高速公路风险等级R₁。风险路段主要集中于广西以南宁为中心的区域和广东省佛山、中山、珠海、广州、东莞和深圳等地。各类情景中广东肇庆和佛山部分路段为较高级R₁风险，包括G80广昆高速肇庆段和G15广州绕城高速佛山段。G25长深高速公路河源段、S2广河高速公路和G35济广高速公路位于广州和惠州交界地带部分路段为较高级R₁风险。

图 5 高速公路路段边介数洪水风险R₁ (EB)

图6展示了高速公路风险等级R₂。R₂风险较低及更高风险路段集中区域与R₁相似。G80广昆高速公路由南宁到梧州为中低级R₂风险。G15开阳高速公路和S32西部沿海高速的阳江和江门段均为中级和中高级R₂风险，风险等级相对较高。

图 6 高速公路路段连通性变化洪水风险R₂ (CRI)

图7展示了高速公路路段洪水风险等级R₃。G25长深高速公路河源段风险等级较高，G15开阳高速公路和G72泉南高速来宾段为中风险等级，其余高速公路路段风险等级较低。

图 7 高速公路路段距离效率洪水风险R₃ (ERI)

表8统计了重点路段不同种类风险的等级。S51肇阳高速公路云浮段、G72泉南高速公路南宁至柳州段、G15广州绕城高速公路、G15开阳高速公路阳江至江门段和G78汕昆高速公路梅州至河源段为中高级风险及更高风险。G72泉南高速公路南宁至柳州段为较高R₁风险，G80广昆高速公路为中风险等级。多数路段风险等级为中等级及以下。

表 8 重点路段各类风险等级

路段名称		所在区域	路段边介数 风险	路段连通性 风险	路段距离效率 风险
G80广昆		南宁	Ⅳ	Ⅱ、Ⅳ	Ⅳ
G80广昆		南宁、贵港、玉林	Ⅳ	Ⅱ、Ⅳ	Ⅳ
G80广昆		云浮	Ⅱ	Ⅰ	Ⅰ
G2518深岑		梧州、云浮	Ⅳ	Ⅰ	Ⅰ
S51肇阳		云浮	Ⅴ	Ⅰ	Ⅰ
G72泉南		南宁	Ⅱ	Ⅱ	Ⅱ
G72泉南		南宁、来宾、柳州	Ⅱ、Ⅳ	Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ	Ⅱ、Ⅳ
S43六钦		南宁、钦州	Ⅰ	Ⅱ	Ⅱ
G94珠三角环线		江门	Ⅱ	Ⅱ	Ⅱ
G15广州绕城		广州	Ⅵ	Ⅱ	Ⅳ
G15开阳		阳江、江门	Ⅳ	Ⅳ、Ⅴ	Ⅳ
G15阳茂		茂名、阳江	Ⅱ、Ⅳ	Ⅳ	Ⅰ、Ⅱ
S2广河		惠州	Ⅳ	Ⅱ、Ⅳ	Ⅱ
G78汕昆		梅州、河源	Ⅱ、Ⅳ	Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ	Ⅱ、Ⅳ
G78汕昆		梅州、揭阳	Ⅱ	Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ	Ⅰ、Ⅱ
	G78汕昆	贺州、肇庆	Ⅱ、Ⅳ	Ⅰ、Ⅱ	Ⅰ、Ⅱ
	G35济广	惠州	Ⅳ	Ⅱ	Ⅰ
	G04乐广	清远	Ⅱ、Ⅳ	Ⅰ、Ⅱ	Ⅱ、Ⅳ
	G65包茂	桂林	Ⅳ	Ⅰ	Ⅳ
	S32西部沿海	中山	Ⅱ	Ⅳ	Ⅱ、Ⅳ

5. 结论

本文构建了路段重要性指标，分析了洪水危险性等级，并利用风险矩阵法得到路段风险。结果显示广东洪水较高风险等级区域多于广西，且多数沿海岸分布。多数高速公路路段在三类风险指标中均为低风险等级。S51肇阳高速公路、G72泉南高速、G15广州绕城高速公路、G15开阳高速公路和G78汕昆高速公路的部分路段为中高级及更高风险等级。为减轻未来洪水灾害对高速公路的影响，需要对高风险路段加强保障及维护措施，做好应急抢险各项相关准备工作。