【2017年整理】高速铁路暴雨灾害防控技术研究.pdf

监控站在不同时间监测的雨量和雨强值 能进行比较，从而能分别表示出暴雨 的水平分布特征和随时间变化的特点 安全防灾系统雨量监测站在监测时间、 监测仪器、监测方法和数据处理等方 面要保持高度统一以一日最大降水 量5年一遇设计值、l 0IniIG．最大雨量 为主控要素，结合各级暴雨日数来确 定暴雨区间在暴雨区间具有代表性 的里程(暴雨警戒区域)建立安全防 灾系统雨量监测站，每个监测站设置 一套传感器 2、降水量的定义 从天空降落到地面上的雨水， 未经蒸发、渗透、流失而在水面上积 聚的水层深度，称为降雨量，以m iil 为单位，它可以直观地表示降雨的 多少 国家气象局规定：2 4小时内的 降雨量称之为日降雨量，几是日最 大降水量在1 0 m m以下称为小雨， l0．0～24．9trim为中雨，25．0～49． 9 m m为大雨，暴雨为5 0．0～9 9． 9mm，大暴雨为l00．0～250．Omm， 超过250．Omm的称为特大暴雨 3 暴雨特征 我国高速铁路沿线暴雨主要由 两种天气系统形成：第一种是西风 带低值系统，包括锋、气旋、切变线、 低涡和槽等，影响全国大部分地区， 形成大面积暴雨洪水。

这类暴雨一 般持续时间长、范围大、降水总量 大往往在大江大河上形成流域性 的暴雨洪水，常造成干支流洪水遭 遇、洪峰叠加的严重洪水灾害第二 种是低纬度热带天气系统，包括热 带风暴和台风，主要影响东南沿海 和华南地区当热带风暴和台风登 陆后，一般表现为低气压消失，如气 团移动转而北上，深入内陆，与北方 冷空气相遇，这可能形成大范围强 降雨，这类暴雨在中国北方地区出 现的大暴雨中占很大比重如l 9 7 5 年8月淮河大水，l 996年8月海河大 水此外，在干旱或半干旱地区，因 气流的强对流作用，常出现局部雷 暴雨，形成洪峰高、陡涨陡落、来势 图4．0-1长吉高速铁路沿线夏雨型示意图 ，口 氅， |的 篓： 降水年变化类型，以我国高速铁路沿 速 竺 巴 夏 5 0m m～~ N N o…6．DUIIII 苎 分布范围广、! ； 京津、石太、哈大、 区域 萼老 ． 喜 ；’ 、亲 IN： 孽 釜 磊 露 海 塞 高 秉 聂：粱蒿善篱 堂 曼 ．J， I N 4、． ’6 妻 皇 璺 渐望 ： ． 譬 影响 善 磊菩 2 不 ， 多 水 妻 幂 警 三 ． ，兰：时 ： 秦三 =u蒌 皇全i~t年降水量i+- 奎喜。

摹蓑 ,,Tk J言．FJ ff l- ~ - 盖 曼 ，， ’女 '4所示；⑤郑 高速铁路沿线暴雨划分为6种不同的 草 ： IN 4 205 中国科技信息201 年第6期 cHINA SCIENCE JD TEC~OGY INFORMATION Mar 201 1 图4．o 川黔高速铁路沿线全年阴雨型，四季多雨， 舂夏季暴雨最多型示意图 0—5所示⑥川黔高速铁路沿线全年 阴雨型，四季多雨，春夏季降水最 多，如图4．0—6所示 4、一日最大降水量不同概率 设计值研究 以全国高速铁路沿线73 8个基本 气象站，近40年(1971～2009年)各 月以及全年一日最大降水量资料为基 础，采用雨监测技术、气象学、铁道工 程技术、数理统计与概率论相结合的方 法，应用皮尔逊Ⅲ(简称PⅢ)概率 模式，计算全国高速铁路沿线738个基 本气象站一日最大降水量频率理论分 布，并且进行∞2检验，通过率90％ 4．1皮尔逊Ⅲ型曲线的概率密度函 数 皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有 限一端无限的不对称单峰、正偏曲 线，数学上常称伽玛分布，其概率密 度函数为： ／㈨= (x一口o 口唧 (5_1—1) ^； 式中：F(o【)一 的伽玛函 数；O【、p、a0一分别为皮尔逊Ⅲ型分 布的形状尺度和位置未知参数， Ⅸ 0，p 0 。

显然，三个参数确定 以后，该密度函数随之可以确定可以 推证，这三个参数与常用的三个参数、 Cv、CS具有如下关系： 4 ‘ ! 嚣 (5．1-3) XC el ( 鲁](5-1~4)- P：P( ，)=J／ ， (5小5 因此，皮尔逊Ⅲ型频率曲线的 密度函数可表示为以x、C V、CS为 参数的函数 f(jr"，C，，c{， )(5一l一6) 4．2频率曲线统计参数的估计和确 定 对于高速铁路沿线7 3 8个基本 气象站近4 0年全年一日最大降水量 系列，可采用矩法参数计算公式，计 算各统计参数： 均值=『： (5_'2—1) " 均方差s 或s： (5．2—2) √ l ～ c ：j 变差系数c：一s(5．2—3) 偏态系数C：==至! 兰! ’ ( 一1X”一2) ‘c 式中X 为高速铁路沿线各气象站 历年一日最大降水量系列变量 (i=l，…，FI)；n为系列项数 4．3皮尔逊Ⅲ型频率曲线 高速铁路沿线暴雨设计值计算 中，一般需要求出指定频率P所对应 的一日最大降水量取值xp，这就需要 对密度函数进行积分，确定其下限 xP，即： 尸=尸( 艺X，)=l／ c：， ， (5-3-1) 求出等于及大于x P的累积频率 P值。

直接由式(5 4—1)计算P值 非常麻烦，实际做法是通过变量转换， 变换成下面的积分形式： 尸(圣≥ ，)=f／( ． ， 母 (5～3 2) 式(5—3—2)中被积函数只含 有一个待定参数C S，其他两个参数 、Cv都包含在①中，是标准化变量，称 为离均系数①①的均值为0，标准差 为l因此，只需要假定一个Cs值，便 可从式(5—3—2)通过积分求出P与 中之间的关系对于给定的CS值，对 应数值表，已先后由美国福斯特和前苏 联雷布京制作“皮尔逊Ⅲ型频率曲线的 离均系数①P值表”由 就可以求出 相应频率P的X值： XX(1+cvo)(5—3— 3) 式(5 3～3)中Xp为不同概率下 一H最大降水量设计值(InlT1)；x为一 日最大降水量均值(mm)；Cv为一日 最大降水量变差系数；①为离均系数 以武广高速铁路为例，绘制武广高速铁 路沿线一日最大降水量皮尔逊Ⅲ型频率 曲线图，如图5．3 l～图5．3 2所示 4．4频率与重现期的关系 频率曲线绘制后，可在频率曲线 上求出指定频率P的设计值xp由于 “频率”较为抽象，高速铁路特大桥抗 风工程设计中常用“重现期”来代替“频 率”所谓重现期是指某随机变量的取 值在长时期内平均多少年出现一次，又 称“多少年一遇”。

频率P与重现期T 的关系如下： _， 1 (5-3～1) 式中：T为重现期，年；P为频率， ％在高速铁路沿线一日最大降水量频 率计算时，由WTTPP软件的 、Cv、 Cs值，查①值表得出不同频率P的Xp 值计算出一日最大降水量5年一遇、 l0年一遇、20年一遇设计值，为雨量 警戒标准的制定提供理论支撑 5、雨量警戒标准 雨量警戒制度是铁道部结合近几 年铁路雨量警戒制度的执行情况，参 考国内外雨量警戒值的构建模式，目 前出台了对提速、普速线路雨量出巡、 限速和封锁警戒值指导性意见为确保 线路汛期行车安全的一种安全保障制度 ，由警戒标准、防御标准和管理制度3部 分组成 5．1基本概念与定义 5．1．1临界雨量 临界雨量定义：临界雨量是指高 速铁路沿线暴雨引发泥石流灾害的界限 值暴雨泥石流临界雨量确定方法有 多变量、费雪准则、马氏距离、概 率模式不同频率分析方法其中概率 模式不同频率分析方法优点在于涵盖近 40年内平均每2年、5年、l 0年出现 中国科技信息201'年第6期 cHiNA SCIENCE 0 TE~OGY INFORMATION Mari 201 1 几率和风险；多变量法确定暴雨泥石 流临界雨量改变以往传统不科学方式的 缺点，也能准确区分发生降雨及未发生 降雨区；以费雪准则和马氏距离法推算 临界雨量均需要对区别和数作修订。

概率模式不同频率分析方法：是 以高速铁路沿线近40年一日最大降水 量达到43．6％、20．0％、l0．0％为三级 警戒(注意警戒、危险警戒、封锁警戒) 临界雨量，即分别以日最大降水量2年 一遇、5年一遇、l0年一遇设计值对应 1Omin最大雨强、lh最大雨强资料，以 及警戒区域的暴雨特性、地形地质条件 等确定以一日最大降水量发生概率 l0％、20％、43．6％设计值与1Omin最 火降水量确定暴雨警戒区间，它揭示高 速铁路沿线三级警戒区间一日最大降水 量的取值在40年内平均每2年、5年、 10年出现几率和风险，如图6．1 1所 示绘制高速铁路沿线任意里程日 最大降水量与1 0Inin最大雨量对应 列线图为我国高速铁路沿线暴雨 三级警戒提供科学依据 图6．1 l结果表明：我国高速铁 路沿线日连续降水量与1 0min平均 最大雨量相关显著，相关系数达到 0．9999，通过 =0．O01显著性检验 当中央气象台发布暴雨预警信息，高 速铁路沿线WXT520雨量计l0rain最 大降水量分别达到2．0mm为注意警 戒，启动暴雨安全防灾暴雨预警系 统，为行车指挥控制系统提供较为合 l 蒋 一 理的限速指令信息；当高速铁路沿线 WXT520雨量计1 0min最大降水量分 别达到4．Omm、6．Omm时，分别为 危险警戒、封锁警戒，启动应急预案 提供决策依据，从而达到安全、高效 行车的目的。

图6．1一l中所示的5 0 m m、 1OOmm和l 5Omm三条列线图，大致 反映了我国高速铁路沿线主要暴雨 区和非暴雨区、大面积暴雨、台风暴 雨分布的地域区界其中5 0mm列线 图，将我国大陆分成面积大致相等 的东西两半部，西半部除天山南北、 祁连山、贺兰山麓和内蒙古草原偶 有短历时暴雨外，大部分地区暴雨 发生机会较少；东半部是中国的暴 雨洪水区，年平均暴雨时间一般在 ld以上，最高区间高达l6d100ram 列线图包括辽东半岛往西沿燕山、 太行山往南至云贵高原南缘，大体 上是我国大面积暴雨分布地理界线， 5Omm至lOOmm列线图之间的广大 区间海拔一般在1 5OOm以上，包括蒙 古高原、山陕高原、云贵高原，以短 历时局地性暴雨为主，大面积暴雨 出现的机会较少；lOOmm以东约占1／ 4国土面积的平原丘陵区，暴雨强度 大，且易出现大面积、长历时的暴 雨从浙．『T舟山往南至广西北部湾滨 海迎风山地的1 50mm雨量线，此线以 东的滨海地带及岛屿，是出现台风暴 雨的主要地区，暴雨频率最高，强度 大，多并发风暴潮 5．2警戒雨量 警戒雨量是铁路部门制定的用于 发布铁路沿线暴雨洪水的预警尺度，决 定线路警戒状态的雨量指标，是雨量警 戒制度执行的技术标准之～。

临界雨量是泥石流、滑坡等自然 现象发生的特征条件，是判断雨情对线 路安全威胁程度的基本依据；警戒雨量 则是在前者的基础上，考虑到其他因素 的影响，根据应用的需要而制定的应用 技术标准前者是后者的制定依据和基 础，后者是前者的工程应用 警戒雨量在构成形式上与临界雨 量相对应，亦包括两部分：前期降水和即 时雨强以日连续降水量作为前期降水 指标，1Omin、lh雨强为即时雨强，利 于现场的操作和管理 雨量警戒制度是一种分级、分段 ，各工种联控执行的警戒制度，其技术关 键包括：警戒标准的制定和防御标准的 制定 5．2．1雨量警戒标准的制定 雨量警戒标准的制定主要包括高 速铁路沿线警戒区段的划分和明确进入 各级警戒状态的降水条件，形成分级、 分区段警戒的警戒标准【2 雨量 警戒制度”根据沿线的雨情来指导进行 警戒，所以，警戒区段划分应充分考虑铁 路沿线雨情特征，同时还应考虑到地面 条件、线路状况和现场的操作与管理等 因素在区划过程中应遵循以下几条原 则： (1)遵从铁路沿线汛期雨情的分 区 (2)各区段内的地质地貌条件及地 质灾害情况相对一致 (3)各区段内的线路状况及抗洪能 力相对一致 (4)便于现场对雨量警戒制度的执 行与管理。

5．2．2三级警戒状态 依据雨量时程方程(4 5)，结 合概率模式不同频率分析方法，确定高 速铁路沿线汛期三级警戒：“注意警 戒”、“限速。