本研究基于气象部门地面气象观测站网, 共收集有川藏铁路四川段沿线附近20个县(区)有风要素观测的地面区域自动气象站287个, 其测风高度基本位于离地10 m. 考虑到部分区域自动气象站2009-2022年观测时间较短或观测数据完整率较低, 同时为尽可能保证高原地区有足够观测站点密度, 按以下2个原则对部分站点进行剔除: ①观测年限低于3 a. ②数据完整率低于70%. 经过剔除后, 共选出200个区域自动气象站, 其中81个站观测年限为3~5 a, 41个站观测年限为6~10 a, 78个站观测年限为11 a及以上. 将该200个地面区域自动气象站自建站至2022年的逐日极大风速观测数据(含风速和风向)作为本文研究的基础数据, 数据均来源于四川省气象探测数据中心, 并经过质控. 200个地面区域自动气象站分布及其观测年限如图 1所示. 由于所用区域自动气象站观测资料年限不一, 需进一步探讨不同年限极大风速资料的可比性. 鉴于国家级气象站自2003年实现自动化观测改造后开始有较为完整的逐日极大风速观测资料, 利用基于研究区所有国家级气象站统计的2004年以来日极大风速, 进行MK(Mann-Kendall)检验^[15](图 2). 由图 2可知, 2004-2022年研究区年平均日极大风速为6.7~7.4 m/s, MK检验显示, UF和UB两条曲线在临界范围(0.05水平显著线)内多次相交, 无法判断有明显突变发生, 且UF位于临界范围内, 表明过去19年区域极大风速变化较为平稳, 趋势变化不显著. 因此, 可认为研究区近2009-2022年不同观测年限的极大风速资料具有一定可比性.

采用风切变幂律公式进行风速随高度变化的推算, 公式如下:

式中: v₁, v₂分别为高度z₁, z₂处的风速, m/s；a为风切变指数, 其值大小反映风速垂直切变的强度, 常取1/7^[16], 但鉴于川藏铁路四川段大部处于高原峡谷区, 一般风的垂直切变较大, 参考任腊春等^[17]对高原峡谷地区风切变指数的研究成果, 取a=0.3.

横向风压是指风对车辆侧面产生的压力, 常用于评估横风对铁路和高速公路的影响^[18]. 计算公式如下:

式中: W为横向风压, N/m²；v为横风风速, 即风场垂直于轨道的分量, m/s；ρ为空气密度, kg/m³.

空气密度一般与海拔密切相关, 特别是高海拔高原地区, 空气密度受海拔影响明显^[19]. 考虑到川藏铁路沿线高差大, 根据气体状态方程, 求得空气密度与海拔关系方程式, 用于对川藏铁路沿线空气密度的计算. 公式如下:

式中: ρ_H为海拔为H时的空气密度, kg/m³；H为海拔, m.

气象灾害危险性是指气象灾害的异常程度, 一般采用灾害强度、灾变频率等作为评估指标进行综合度量^[20]. 本研究在确定危险性评估指标基础上, 采用层次分析法, 构建基于GIS的加权综合评估模型, 开展危险性评估. 具体如下:

式中: R为危险性评估指数；w_i为第i个指标权重, 由层次分析法求取；D_i为第i个评估指标归一化值. 其中归一化方法如下:

式中: D为归一化值；D_max、D_min分别为D的最大值与最小值.

然后, 基于GIS, 采用自然断点法^[21], 实现分级数据组间差异最大、组内差异最小, 将危险性评估指数划分为低、较低、中等、较高、高5个等级.

气象上一般将10 m高度极大风速大于17.2 m/s(8级)出现的日数作为大风日数的统计标准. 图 3显示了基于区域自动气象站统计的川藏铁路四川段沿线年均大风日数空间分布的逐月变化.

由图 3可见, 在空间分布上, 四川段沿线各月大风日数呈现为相似的分布特征. 其中, 泸定县以东路段受盆地地形影响, 全路段各月大风日数基本低于1 d；泸定县以西路段受高原地形影响, 大部分路段各月大风日数超过5 d, 且理塘县路段出现大值中心. 在时间分布上, 四川段沿线大风日数呈现明显的季节变化. 其中, 1-2月大风日数相差不大, 最大值分布于理塘路段, 但一般不超过15 d；3-5月大风日数较为一致, 与1-2月相比有一定程度增多, 特别是雅江县以西路段增加明显, 超过15 d的区域已覆盖至理塘县全路段；进入6月, 雅江县以西路段大风日数略有减少, 特别是理塘县路段超过15 d的区域仅限于理塘县西部；7-9月, 全路段大风日数减至全年最小, 除理塘县路段局部为10~15 d外, 其他路段均在10 d以下, 特别是雅江县以东路段基本低于1 d；进入10月, 雅江县以西路段大风日数略有增加, 理塘县路段基本在10 d以上；11-12月大风日数有进一步增加, 理塘县路段超过15 d以上的大值区范围不断扩大. 总体而言, 受高原和盆地地形不同的影响, 泸定县以西路段各季节大风日数由多到少排序依次为: 春季、冬季、秋季、夏季, 而泸定县以东路段各季节大风日数均较少；理塘县路段和春季分别是川藏铁路四川段大风日数最多的路段和时段, 特别是春季理塘路段, 春季各月均有一半以上天数出现大风.

为进一步分析川藏铁路四川段强风风速特征, 对各月年均极大风速进行统计. 图 4显示了基于区域自动气象站统计的川藏铁路四川段沿线年均极大风速空间分布的逐月变化. 由图 4可知, 对于泸定县以东路段, 年均极大风速一般较小. 其中, 1-2月、9-12月大部路段年均极大风速低于5.0 m/s, 而3-8月稍大, 部分路段可为5~10 m/s. 对于泸定县以西路段, 年均极大风速基本较大. 其中, 1-3月年均极大风速超过10 m/s, 特别是理塘县路段大部在20 m/s以上；4-6月, 巴塘县至白玉县路段年均极大风速继续维持在10~15 m/s, 而理塘县路段、泸定县至雅江县路段均有减小, 其中前者超过20 m/s的大值区范围缩小明显, 后者低于10 m/s的范围不断扩大；进入7-9月, 年均极大风速进一步减小, 基本处于全年最低, 其中雅江县至白玉县路段大部为10~15 m/s, 泸定县至雅江县路段大部为5~10 m/s；10-12月, 年均极大风速逐渐增大, 特别是理塘县路段大部增加至15 m/s以上. 综上可见, 泸定县以东路段大部秋、冬季年均极大风速低于5 m/s, 春、夏季为5~10 m/s. 泸定县以西路段大部年均极大风速超过10 m/s, 其中1-4月极大风速偏大, 7-9月极大风速偏小. 理塘县路段是川藏铁路四川段各月极大风速大值中心, 该路段在川藏铁路四川段建设与运营期应加强防风措施.

为了进一步分析四川段沿线强风风向特征, 本研究根据16个标准风向的分类标准, 对极大风速风向发生频率最大风向(盛行风向)进行统计, 将统计出的风向按照站点位置以箭头形式标注于地形图上. 鉴于泸定县以西高原地区气象观测站点较为稀疏, 而泸定县以东盆地地区气象观测站点较为密集, 对泸定县以西高原地区按照铁路沿线周边20 km范围提取站点, 对泸定县以东盆地地区按照铁路沿线周边5 km范围提取站点. 图 5为铁路沿线极大风速盛行风向逐月变化图. 一般盛行风向与地形走势密切相关, 由于泸定县以西高原地区山脉河谷主要呈南北走向, 而泸定县以东盆地地区与高原呈东西布局, 所以本研究对泸定县以西地区重点分析南北风向, 对泸定县以东地区重点分析东西风向. 由图 5可知, 对于泸定县以西路段, 1-3月和10-12月白玉县路段、雅江县至理塘县路段各月极大风速盛行风向以偏北风为主, 理塘县至巴塘县路段、康定市至雅江县路段以偏南风为主, 4-9月大部路段以偏北风为主. 对于泸定县以东路段, 1-12月大部路段各月极大风速盛行风向以偏东风为主, 与罗青等^[22]得到的四川盆地西部各季节近地面平均风场呈东风的结论相一致. 高原地区大风日数较多、极大风速较大, 特别是铁路横穿的高原河谷区, 由于峡谷地形对风速的加强和跨河桥梁建设施工的需要, 其往往是铁路建设与运营的重点防风区, 需重点关注其风向特征. 分析高原河谷区的极大风速盛行风向可发现, 铁路横穿的大渡河区(康定市与泸定县附近)极大风速盛行风向以偏南风为主, 雅砻江河谷区(雅江县)和金沙江区(白玉县)以偏北风为主, 而巴曲河谷区(巴塘县)1-3月、10-12月以偏南风为主, 其他月份以偏北风为主.

川藏铁路桥隧比超过90%, 存在大量的路基、路堑、桥梁等工程, 且工期较长^[12]. 强风不仅会影响桥梁等工程建设抗风参数设计, 还会影响工程建设的施工安全. 因此, 评估川藏铁路建设施工期的强风危险性十分必要. 根据《铁路工程基本作业施工安全技术规程》(TB10301-2020)和已有研究成果^[23-24], 一般当风力达到6级及以上等级, 就会对铁路、桥梁等施工造成一定影响. 结合川藏铁路沿线大风对建设施工的影响调查, 将6级及以上大风划分为5个不同风灾等级, 如表 1所示. 其中, 当风力达到6级时, 高空作业需要采取可靠的安全措施；当风力达到7级时, 高塔吊需要停工；当风力达到8级时, 停止一切吊装、高空作业；当风力达到9级时, 停止一切施工；当风力超过9级时, 需对人员、可移动机械等进行撤离. 基于危险性评估原理^[25-26], 从强风灾害频次和强度特征出发, 将各等级风灾年均出现日数作为危险性评估指标, 采用加权综合评估模型, 评估铁路施工期强风危险性. 根据各等级风灾对川藏铁路施工的影响, 运用层次分析法, 求取1至5级风灾各指标权重分别为: 0.03, 0.07, 0.13, 0.26, 0.51.

图 6显示了川藏铁路四川段沿线10 km缓冲区范围内施工期强风危险性等级. 由图 6可知, 泸定县以东路段基本属于低危险性等级, 泸定县西部至雅江县东部大部路段属于较低危险性等级. 除白玉县北部路段和巴塘县中部路段外, 雅江县以西路段基本在中等及以上危险性等级, 其中雅江县西部至理塘县路段基本属于高危险性等级. 结合地形看, 雅江县西部至理塘县路段虽为高危险等级区, 但其位于丘状高原, 地势相对平坦, 而巴塘县西部至白玉县南部路段虽属于中等至较高危险性等级区, 但其位于金沙江河谷区, 地形高差大, 桥梁、隧道等建设工程多且施工难度大, 强风孕灾环境敏感. 因此, 对巴塘县西部至白玉县南部路段的强风影响也应按最高等级防护施工要求应对.

与施工期不同, 运营期需要考虑强风对铁路基础设施、列车运行稳定性、异物吹入铁路轨道等的影响, 因此在选取强风危险性评估指标方面存在明显差异. 横风可使车体产生较大的侧向风压, 降低列车运行的稳定性. 铁路基础设施建设一般会考虑强风影响, 但对强风的考虑往往限定在某一重现期条件下. 而异物吹入轨道一般出现在大风天气. 因此, 选取列车年均极大风速横向风压、50年一遇极大风速和年均大风日数作为川藏铁路运营期强风危险性评估指标. 以离地2 m高度作为列车高度, 首先基于10 m高度极大风速观测值, 运用公式(1)计算2 m高度极大风速值, 然后根据2 m高度极大风速及其对应10 m高度风向和铁路走向, 采用公式(2)和(3)统计列车年均极大风速横向风压, 并基于2 m高度逐月极大风速统计值, 采用WeiBull分布函数计算列车50年一遇极大风速^[27]. 图 7a显示了川藏铁路四川段沿线10 km缓冲区范围内列车年均极大风速横向风压. 泸定县以东路段列车年均极大风速横向风压基本低于10 N/m², 泸定县以西路段以理塘县最高, 大部路段超过40 N/m², 其次为泸定县至康定市东部和巴塘县至白玉县南部, 大部路段为10~20 N/m², 康定市西部至雅江县东部和白玉县北部较小, 大部路段低于10 N/m². 图 7b显示了2 m高度列车50年一遇极大风速空间分布. 泸定县及其以东路段50年一遇极大风速低于20 m/s, 康定市至雅江县路段基本为20~30 m/s, 理塘县最高, 大部路段超过30 m/s, 巴塘至白玉路段基本为10~30 m/s. 图 7c显示了年均大风日数空间分布. 年均大风日数超过150 d的路段主要分布于理塘县, 雅江县以东路段基本低于50 d.

基于上述评估指标, 采用加权综合评估法, 评估铁路运营期强风危险性. 根据《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》和兰新客运专线实践^[28], 当环境风速(约2 m高度观测值)≤15 m/s时, 可以正常速度行驶；当环境风速≤20 m/s时, 运行速度≤300 km/h；当环境风速≤25 m/s时, 运行速度≤200 km/h；环境风速≤30 m/s时, 运行速度≤120 km/h；环境风速≤35 m/s时, 运行速度80 km/h；环境风速＞35 m/s时, 停运. 综合考虑不同环境风速对铁路运营影响, 采用层次分析法, 得到列车年均极大风速横向风压、50年一遇极大风速和年均大风日数等3个指标权重分别为: 0.4, 0.3, 0.3. 图 7d显示了川藏铁路四川段沿线10 km缓冲区范围内运营期强风危险性等级. 泸定县以东路段基本属于低危险性等级, 泸定县以西至雅江县路段大部属于较低危险性等级, 雅江县以西至理塘县路段大部属于较高及以上危险性等级, 其中理塘县路段属于高危险性等级, 巴塘县路段大部属于中等危险性等级, 白玉县大部属于较低危险性等级. 综上可见, 运营期应加强对雅江县以西至理塘县路段的强风防范. 对于康定市和巴塘县出现的中等危险性等级路段, 由于大部是在河谷区, 地形复杂, 孕灾环境敏感, 也应加强强风防范.

本研究基于地面区域自动气象站10 m高度的风观测资料, 统计分析了川藏铁路四川段沿线的大风日数、极大风速及其盛行风向的空间分布特征, 并根据施工期与运营期强风的不同影响, 建立不同指标分别评估了强风危险性, 得到如下结论:

1) 泸定县以西路段受高原地形影响, 大部分路段各月大风日数超过5 d. 理塘和春季分别是川藏铁路四川段大风日数最多的路段和时段, 特别是春季理塘路段, 各月均有一半以上天数出现大风. 泸定县以东路段受盆地地形影响, 路段各月大风日数基本低于1 d.

2) 泸定县以东路段大部秋、冬季年均极大风速低于5 m/s, 春、夏季为5~10 m/s. 泸定县以西路段大部年均极大风速超过10 m/s, 其中春季最大, 夏季最小, 各月极大风速大值中心均出现在理塘县路段. 关于极大风速盛行风向, 泸定县以西大部路段以偏北风为主, 泸定县以东大部路段以偏东风为主, 其中, 大渡河区以偏南风为主, 雅砻江河谷区和金沙江区以偏北风为主.

3) 施工期强风危险性评估结果表明, 巴塘县西部至白玉县南部路段属于中等及以上危险性等级, 雅江县西部至理塘县路段属于高危险性等级, 但巴塘县西部至白玉县南部路段位于金沙江河谷区, 地形高差大, 强风孕灾环境敏感, 对巴塘县西部至白玉县南部路段的强风也应按最高等级防护施工要求应对.

4) 运营期强风危险性评估结果表明, 理塘县路段大部位于高危险性等级, 属于运营期应加强强风防范的重点区域. 其中, 理塘县路段列车年均极大风速横向风压超过40 N/m², 50年一遇极大风速超过30 m/s, 年均大风日数超过150 d. 对于康定市和巴塘县内出现的中等危险性等级路段, 由于大部是在河谷区, 地形复杂, 孕灾环境敏感, 也应加强强风防范.

影响川藏铁路强风灾害风险的因素很多, 也较为复杂. 鉴于川藏铁路沿线地理位置特殊、地形复杂、桥隧比高、施工难度大且周期长, 获取川藏铁路沿线较为翔实的孕灾环境和承灾体易损性数据十分困难. 因此, 本研究主要分析了川藏铁路四川段强风灾害致灾因子危险性. 为了克服沿线测风站点稀疏的缺点, 本研究尽可能收集地面区域自动气象站的测风数据开展分析. 与以往研究^[11-12]相比, 本研究指出了理塘县路段是大风频次较高、风速较大区域, 并分别给出了川藏铁路四川段施工期和运营期危险性评估结果, 评估结果更为精细, 也更有利于为川藏铁路四川段的建设与运营提供指导. 但需指出的是, 地面区域自动气象站大多设立在河谷或山谷区, 其区域研究结果的代表性可能会存在一定不足.