基于多源信息的城市洪水模拟与弹性分析

发布时间：2020-08-08 17:38

【摘要】：近年来,随着极端气候变化和城市化的快速发展,我国城市发生洪涝灾害的频率不断增加。洪涝灾害不仅造成社会经济损失,而且威胁城市居民生命健康。面对日益严峻的城市洪涝灾害,除了借助工程措施,如扩建排水设施,提高城市排水防涝标准外,对城市展开洪水模拟及洪水弹性研究可以提高城市防灾减灾水平,是减少城市洪涝灾害损失的重要非工程措施。目前,虽然城市洪水模拟等在城市洪水管理中已经发挥了重要的作用,但尚需进一步对城市洪水高精度模拟进行研究。此外,我国对城市洪水弹性及其与洪水风险关系的研究相对较少,难以满足城市洪水管理的需求。本文以伦敦和大连为研究对象,研究了考虑多源信息及城市地表特征的二维城市高精度洪水模拟、区域尺度的城市洪水弹性、栅格尺度的城市洪水弹性和风险以及基于实物期权的城市洪水管理措施应用。主要研究内容及成果有以下几个方面:(1)提出了一个新的考虑多源信息和城市地表特征的2D城市高精度洪水模拟整体框架。该框架将与洪水模拟精度相关的几个处理方法结合在一起来提高洪水模拟结果的精度,这些方法主要包括洪水信息提取方法,地形中的关键城市地表特征处理方法以及洪水模型评估方法。首先,利用已有的城市洪水相关报告及从社交平台获得的洪水淹没图片提取洪水信息,并将其用于洪水模型参数设置。其次,在缺乏土壤下渗和排水管网排水能力数据的情况下,对2D模型中代表土壤下渗和排水管网排水的降雨扣除法和恒定下渗率法进行了对比研究。最后,对地形数据中的关键地表特征进行修正,研究其对洪水模拟结果的影响。结果表明:从社交平台等搜集的洪水淹没图片通过ArcGIS处理后可以用于洪水模型参数设置和校核;恒定下渗率法可以较好地描述洪水退水过程,更适合用在2D洪水模型中;城市地表特征对洪水流动具有很大的影响,因此对这些重要的城市地表特征进行识别、修正对高精度城市洪水模拟是十分有必要的。基于快速计算模型 Cellular AutomataDual-DraInagESimulation(CADDIES),本文构建的考虑多源信息和城市地表特征的2D城市高精度洪水模拟框架可以提高城市洪水模拟精度。(2)从区域尺度出发,提出了借助系统性能函数量化区域洪水弹性的方法。选取大连市寺儿沟排水区为研究对象。首先,采用ArcGIS进行研究区自然集水区域的划分。其次,借助CADDIES水动力洪水模拟结果,计算31个集水区域的洪水弹性,并且对影响洪水弹性计算的相关参数及输入数据进行分析。结果表明:本文借助洪水淹没面积(栅格数量)提出的区域洪水弹性计算方法可以用于分析不同区域对于暴雨袭击的抵御及恢复等能力,洪水弹性分析结果可以用于科学制定和实施区域防洪规划等;对于洪水弹性较小的区域,其洪水弹性值对设计降雨历时和雨峰系数比较敏感;区域洪水弹性受淹没水深阈值hc影响,决策者应根据使用目的采用合理的水深阈值hc对区域洪水弹性进行分析。(3)为了弥补以区域为评价单元的方法的不足以及更好地指导城市排水设施改造等,本文开展了精细化的城市洪水弹性研究,提出了用于城市栅格尺度的洪水弹性量化方法,并将栅格洪水弹性与风险进行了对比分析。以伦敦Waterloo为例,借助CADDIES水动力学模拟结果计算研究区中2753369个栅格(水平精度5 m r 5 m)的洪水弹性和风险。结果表明:本文提出的栅格洪水弹性计算方法以及风险计算方法可以用于高精度城市洪水弹性、风险研究,从而可以帮助决策者容易识别城市中的高风险、低弹性等栅格的具体空间分布;栅格洪水风险和弹性均具有“一对多”特征,根据此特征可以做出洪水风险-弹性分区图,即高风险-低弹性(Ⅰ)、高风险-高弹性(Ⅱ)、低风险-低弹性(Ⅲ)及低风险-高弹性(Ⅳ),这有助于城市洪水管理,提高城市防灾减灾水平;栅格洪水弹性受系统功能完全丧失时的水深阈值Hc影响,决策者应根据使用目的采用合理水深阈值Hc对栅格洪水弹性分析。(4)基于实物期权理论提出了在气候变化不确定条件下采用Sustainable Urban Drainage Systems(SuDS)措施(绿色屋顶、生物滞留设施、渗透路面)对城市排水设施长期投资改造和成本效益评估的方法。为了减小城市内涝损失及有效利用雨水资源,可以采用SuDS措施对城市排水系统进行改造。但是,在针对城市排水系统进行投资改造时,改造方案的效益容易受未来气候变化不确定性影响,增加了投资决策的难度。因此本文采用实物期权方法来降低气候变化不确定性对城市长期投资改造带来的损失。结合UK Climate Projections(UKCP09)气候变化数据,利用三叉树模型计算未来降雨的变化值及其相应的转移概率。选取伦敦Waterloo区域进行实例研究,并且对固定改造和实物期权两种改造方法进行了对比分析。结果表明:当采用相同种类的SuDS措施进行城市防洪排涝工程改造时,基于实物期权法生成的改造方案净现值大于基于固定改造法生成的方案净现值,即前者成本效益更好;随着SuDS措施单位造价的增加,实物期权法比固定改造法具有更明显的优势;在采用SuDS措施对城市进行洪水风险管理时,实物期权法具有处理气候变化不确定性的能力。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU998.4
【图文】：

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作为世界上最大的发展中国家和世界第二大经济体，我国的城市化发展己经进入快逡逑速发展阶段。中国国家统计局国家数据显示，从２００８年到２０１５年，中国的城市建成区逡逑面积增加了邋１．５８Ｘ邋１０４邋ｋｍ２，如图１．２所示。２０１５年时，我国的城市化率己达到５６．１％，逡逑并且这一比例仍在持续增加。同时，我国很多城市现有的排水管网修建年代久远、设计逡逑排水能力偏低等，导致很多城市频频遭受雨洪灾害。据统计，２０１０年、２０１１年及２０１２逡逑年，我国遭受雨洪灾害的城市分别有２５８座、１３６座及１８４座［１２］。２０１２年７月２１日，逡逑北京市遭遇特大暴雨侵袭，全市平均降雨量达到１７０ｍｍ，中心城Ｅ平均降雨量达到２１．５逡逑ｍｍ，暴雨中心房山区的降雨量甚至达到４６０ｍｍ。如图１．３，北京“７．２１”暴雨导致城区逡逑下凹式立交桥出现６３处积水点，造成７９人死亡，全市受灾人口邋１９０万人，因灾造成直逡逑接经济损失达１１６．４亿元［１３，１４］。２０１３年７月，武汉市中心城区遭遇特大暴雨，降雨量达逡逑３３４邋ｍｍ

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由于各个学科之间的差异，不同研宄对象和知识领域在使用弹性概念时仍存在很大逡逑的差异。概括起来，弹性可以分为两大类：生态弹性（ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）和工程弹性逡逑（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）邋［７７］，而工程弹性和生态弹性的概念图如图１．４所示。生态弹性逡逑是指系统受到干扰后维持一种状态的能力；而工程弹性是指系统从干扰中恢复的速度。逡逑虽然对于弹性的定义有差异，但是二者的内涵基本是一致的。上述两种定义都与系统的逡逑状态和干扰有关，其中生态弹性注重强调系统改变前可以承受的干扰量，而工程弹性则逡逑强调干扰后恢复平衡需要的时间。尽管生态系统弹性研宄已经取得了显著的成就，但是逡逑弹性在工程领域的研宄相对还比较少［７７－８１］，尤其在城市水系统工程领域。近年来，面对逡逑全球频发的洪水灾害，城市洪水弹性逐渐得到了越来越多的关注和发展。２００７年，洪水逡逑弹性组织（ＦＲＧ）成立，旨在提高城市环境中的洪水弹性。２０１０年，基于欧盟的城市区逡逑域洪水弹性研究项目（ＣＯＲＦＵ），很多学者针对城市洪水弹性进行了研宄。２０１３年，逡逑在英国埃克塞特大学召开了洪水弹性国际会议（ＩＣＦＲ）

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图１．５论文组织结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｔｈｅｓｉｓ逡逑

【参考文献】