基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估资料下载.pdf
《基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估资料下载.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估资料下载.pdf（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
因此，开展城市暴雨内涝风险评估具有重要的现实意义。
近20年来，国际减灾战略的实践证明，在自然灾害预防、防备和减灾三项工作中，灾害预防工作最为重要；
而灾害风险评估作为灾害风险管理的核心内容，是人类社会预防自然灾害，控制和降低自然灾害风险的重要基础性研究，己成为学术界探讨的热点问题之一1。
但近五年来，作者等在实施国家自然科学基金面上和重点项目过程中发现，我国城市自然灾害风险评估至今缺乏统一的程序与范式，尤其是针对城市地区小尺度的自然灾害风险评估理论和方法的系统研究尚待深入开展。
因此，本文着重对当前国际上城市小尺度灾害风险评估热点进行探讨，选择了城市频发的暴雨内涝灾害为研究对收稿日期：
2009-10-18;
修订日期：
2010-03-09基金项目：
国家自然科学基金面上、重点项目（40571006;
40730526）;
上海市教委重点学科项目（J50402）;
上海师范大学重点培育学科项目（DZL801）;
上海市科技启明星项目（09QA1401800）Foundation:
TheKeyProjectforNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.40571006,40730526;
KeySubjectDevelopingProjectbyShanghaiMunicipalEducationCommission,No.J50402;
KeySubjectDevelopingProjectbyShanghaiNormalUniversity,No.DZL801;
ShanghaiYouthScienceandTechnologyVenusProgram,No.09QA1401800作者简介：
尹占娥（1963-）,女,山西兴县人,博士,副教授,中国地理学会会员（S110000896M）,主要从事遥感、GIS和城市自然灾害等研究。
E-mail:
通讯作者：
许世远,教授,E-mail:
553-562页65卷地理学报5期象，结合上海市静安区实证研究，提出了一套基于小尺度的城市暴雨内涝灾害风险评估的思路与方法，创建了基于GIS栅格城市暴雨内涝灾害的风险评估模型与范式，以充实、完善小尺度的城市自然灾害风险评估研究理论与方法，为我国制订城市灾害风险管理和规划提供依据。
本文研究与当前国际上很多大城市开展的基于社区尺度的灾害风险评估研究趋向一致，在我国尚待展开，以作为城市开展减灾管理的依据，也是确保大尺度灾害风险评估精度的基础和前提。
2研究方法与数据2.1研究方法灾害风险可以定义为一定概率下灾害造成的破坏或损失4，主要包括致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三个方面：
R=HVE
（1）式中:
R为风险；
H为致灾因子；
V为不同强度致灾因子所造成的某种要素的损失程度即脆弱性；
E为暴露在风险中的各种要素，例如房屋、财产、资源环境等。
在城市暴雨内涝风险评估中也可以采用上述评估模型。
当前，城市小尺度的自然灾害风险评估研究相当薄弱，尚缺乏成熟的风险评估方法与范式。
已有的城市雨洪模型主要利用经验水文模型和水动力力数值模拟两类方法反映从降雨径流到行洪的各个环节。
如美国的暴雨模型（STORM）和SCS模型，我国的新安江模型和陕北模型都是经验水文模型应用的典型代表5。
该经验水文模型方法发展较早，模型结构较简单，能大大地简化计算量，但难以模拟洪水过程及其空间分布。
近年来，我国学者将一维和二维水动力模型结合来模拟城市暴雨洪涝过程，已在北京、上海、天津、南京、南昌等地开展了模型验证6-9。
但因沿程河流及管网形态特征和边界条件等的复杂性，进行模拟就相对困难，应用具有很大的局限性，且计算方法和过程十分复杂，数据运算量大，在城市洪水风险分析中实用性受到较大限制10。
且当前国内的城市暴雨模型主要针对雨洪淹没特征分析，没有建立规范的灾害损失调查与评估体系，灾情数据资料获取困难，少数模型中按照灾后统计构建了损失评估方法，而从灾害风险系统着手开展灾前风险评估极少涉及，缺乏成熟的评估方法与范式，难以满足小尺度的城市暴雨内涝的风险评估要求。
本文选择上海市暴雨内涝灾害频发的静安区为典型实证研究区，在对城市灾害风险源、历史灾情、自然环境和社会经济特征风险辨识的基础上，采用多学科交叉的方法，从致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析角度入手，探讨不同情景下的小尺度城市暴雨内涝灾害损失评估和风险表达模式（图1）。
致灾因子分析采用情景摸拟和综合研究方法，充分考虑城市的大地貌格局、内部地形特征、降水、径流以及排水等因素对已有的内涝模型进行修正11-15，利用GIS栅格空间分析技术，基于多种重现期灾害情景，模拟内涝积水深度和淹没面积。
暴露分析基于淹没分析提取暴露要素。
脆弱性分析采用承灾体的灾损曲线来量化脆弱性。
在此基础上，建立超越概率-损失曲线和风险曲线，计算年平均灾害损失，从而构建基于GIS栅格的城市暴雨内涝灾害的风险评估模型与范式。
2.2研究区概况和数据上海中心城区近140余年来河道消失至少310条段，长度超过520km。
水面积减少近10.46km2，水面率下降3.61%，河道蓄容量较140余年前减少超过80%16。
河流调蓄能力被极大削弱，加之城市化导致的不透水面积不断增大，大大增加城市径流速度和流量。
同时，由于过度抽取地下水以及高层建筑和大规模地下工程建设，上海中心城区地面严重沉降，目前市区地面高程一般在33.5m，其中，静安、黄浦等区不少地区低于3m，最低仅2m多，而黄浦江黄浦公园站多年平均高潮位3.12m，多年平均潮位2.2m，城市中心5545期尹占娥等：
基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估不少地区已没有自排条件。
选择上海市静安区为典型实证研究区，该区地势低洼，人口与建筑密集，具有典型的城市景观格局与地表特征，城市热岛和雨岛效应显著，也是暴雨内涝灾害频发的地区之一，对城市建成区暴雨内涝灾害风险研究具有代表性。
研究所用的主要数据包括研究区行政界限（2006）、遥感解译的土地利用数据（2006）、研究区0.5m等高线生成的DEM图（2m2m）（2005）、遥感解译的建筑分布图（2005），2007-2008年多次对上海暴雨受灾地区进行实地问卷调查和收集保险公司理赔资料等共获得暴雨内涝损失数据125份，建立了上海暴雨淹没损失评估数据库。
3致灾因子分析致灾因子分析作为风险评估的第一步，旨在对致灾因子的特征进行分析与模拟，以获取致灾因子潜在的影响范围、强度、持续时间等危险性数据，也被称作危险性分析17。
本文在参考已有的城市内涝模型的基础上11-15，确定内涝集水区域、城市地形模拟、城市降雨模型、城市径流模型、城市排水和数学计算模型，并结合GIS的水文分析和空间分析模块等，构建了一个基于情景的致灾因子分析方法。
3.1确定内涝集水区域城市建成区下垫面具有不透水性，可作为研究区大的地貌格局。
本文以上海市建成区的DEM数据为背景，仅考虑水流方向受重力影响，利用ArcGIS水文分析模块生成水流方向图，共提取出建成区6134个集水盆地，将实证研究区行政边界涉及到的所有集水盆地整合为一个集水区域；
同时，参考实际地形特征，提取出对水流具有阻隔作用的河堤、路基等线状高地，对整合后的集水区域进行边界修正，确定了静安区内涝集水区。
3.2城市地形模拟城市地形模型用于模拟城市内部地貌的高程变化，通过对集水区地表高程进行房屋影响修正后，生成与现实相近的城市表面高程。
以往的研究中，修改DEM的方法是采用房屋的高程值，即将每个栅格的高程值加上地表的房屋高度11,12。
该方法只是将建筑当成一个个不可淹没的柱体，虽然模拟出城市地表的高度起伏，却忽视了水对建筑内部的淹没，据此计算出的内涝积水深度将高于实际值。
因此，本文采用将地形上出现房屋的栅格单元高程值，加上建筑底层离地（门槛或台阶）高度值进行修正后，获得了静安区城市建筑修正DEM（图2）。
静安区不同建筑离地高度的修正值，依据2008年8月26日、2008年9月20日上海暴图1基于GIS栅格的城市暴雨内涝灾害风险评估流程Fig.1Frameworkofrainstormwater-loggingriskassessmentbasedonGIS-Grid55565卷地理学报5期雨内涝灾害的实地调查基础上，参考民用建筑设计通则（JGJ37-87）18，对城市不同类型居住建筑赋予不同的离地高度值（表1）。
3.3城市降雨模型和径流模型降雨是内涝灾害的致灾源，降雨量是评估模型中的主要输入变量。
利用上海城市降雨模型暴雨强度公式19，计算出静安研究区降雨过程中任意时间段内的平均降雨强度，其表达式为：
q=1995.84（P0.30-0.42）/（t+10+7lgP）0.82+0.07lgP
（2）式中:
q为暴雨强度；
P为暴雨重现期；
t为降水历时。
在降雨径流过程中，城市地表不平整产生的植被截留、雨期蒸散发、滇洼、下渗、壤中流和地下径流是主要损失量。
本文采用美国水土保持局的径流计算方法（SCS）20,21，利用研究区经验径流系数22，直接计算径流量。
在径流计算过程中，还需要考虑城市的排水能力。
城市排水主要由地下排水管网来实现，在排水管网数据无法获取的情况下，考虑到实证研究区域相对较小，可假设集水区内的排水管网的空间分布和排水能力是相近的，因此，内涝积水量可以通过径流量与排水量的差，乘以集水区面积计算得出，暴雨内涝情景模拟的实际径流量公式表示为：
W=（Q-V）S（3）式中:
W为内涝积水量；
Q为径流量；
V为排水量（36mm/h）；
S为集水区面积。
3.4城市暴雨内涝情景模拟依据集水区的内涝积水量，采用基于GIS的“等体积法”，模拟内涝淹没区域和淹没深度23-25。
本文将暴雨内涝看作一种无源淹没状态，考虑到洼地连通或可能出现的“高洼地”，需要找出集水区DEM中的所有洼地，并计算各个洼地的底点高程值和所有边界点高图2静安区城市建筑修正DEMFig.2ModificationofurbanDEMbybuildingsinJinganDistrict,Shanghai原始DEM建筑修正后的DEM表12008年静安区居住建筑类型及主要参数Tab.1ClassificationofbuildingsandattributedatainJinganDistrict5565期尹占娥等：
基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估程值，找出各洼地的边界最小高程值作为溢口，确定各洼地之间的包含关系，并逐个检验。
这种方法不考虑汇流的具体过程，只是根据地面汇流由高向低流动的重力特性和地形起伏情况，分别填充各洼地。
根据上述方法，本文以集水区1小时降雨历时内重现期（T）分别为5、10、20、50、100、200、500和1000年一遇的暴雨内涝为情景，得到不同情景下淹没高程与面积（表2），并利用ArcScene，模拟了不同情景下静安区暴雨内涝的淹没场景（图3a、b、c、d）。
研究表明静安区8种重现期最大积水深度为50cm（表2）。
4脆弱性分析脆弱性是指承灾体受到自然灾害外力作用下的损坏程度，又称为易损性。
其分析方法主要有：
（1）历史灾情数据判断方法、
（2）指标体系评估方法，（3）实地调查灾损率和灾损曲线方法。
其中历史灾情数据和指标体系方法评估脆弱性，虽然简单易操作，但存在着评估规范性缺乏和精度的不确定性，使得评估结果可信度不高；
而通过实地调查获得的灾损曲线，即承灾个体受到不同强度自然灾害作用后的损失大小关系曲线，数据采集规范客观，评估结果的精度和可信度高，但其工作的强度和难度较大，故极待加强基于灾损率调查进行的自然灾害脆弱性分析，特别是针对城市暴雨内涝灾害的灾损率调查与研究工作。
本文通过对上海暴雨内涝多发区域进行实地调查，获取灾害损失数据，建立灾损曲线（也图3静安区暴雨内涝不同重现期淹没场景Fig.3InundationscenariosofdifferentreturnperiodsofJinganDistrict一类居住建筑四类居住建筑二类居住建筑公共设施建筑新二类居住建筑工业建筑三类居住建筑其它建筑（d）T=1000（a）静安3D图（b）T=10（c）T=100图例淹没水体表2静安区不同重现期淹没深度和淹没面积Tab.2DepthandfloodinundatedareaofdifferentreturnperiodsinJinganDistrict55765卷地理学报5期可称为损失方程、脆弱性方程）的方法进行脆弱性分析，以表示各种承灾体的损失率与暴雨内涝淹没参数（如淹没深度、淹没历时和水流速度）之间的关系26-32。
暴雨内涝灾害的承灾体，主要包括不同类型的城市建筑和室内财产、人群、室外财产（车辆和基础设施等）和生态环境等。
不同的承灾体由于自身防御内涝灾害影响性质的不同，其所对应的灾损曲线和损失方程也是不同的。
本文在进行脆弱性分析时，考虑到暴雨内涝灾害不同于洪水，水流速度较低、持续时间较短，因此，可将淹没深度作为脆弱性的关键控制性指标，忽略淹没时间和流速的影响。
这与上海市静安区暴雨淹没损失实际调查情况一致，大的办公商务楼、商场等因离地高度高，防护条件好，基本从未被淹没过；
受淹没的主要是一楼居民住房和沿街的商店超市等。
由于静安区内工业厂房较少，且实地调查中几乎都没有造成实质性的损失；
而沿街的商店超市主要是小店面，一般都是位于居民楼沿街的一层，且获得的有效样本很少，不具有代表性。
因此，本文只对静安区居民房屋和室内财产进行了调研，建立了2008年静安区居民房屋和室内财产灾损曲线（图4、5）。
研究区人口的灾损曲线可参考Jonkman等建立的淹没深度死亡率损失方程33，因最大淹没深度为50cm，不会造成人员伤亡，因此，静安区暴雨内涝灾害对人口的脆弱性可忽略不计。
5暴露分析暴露分析主要是确定可能暴露于自然灾害影响下的人口、财产资源和经济等要素。
它是进行损失评估的重要步骤，需要确定最小分析单元、承灾体类型和数量等9,10，以便于后续进行损失的评估和风险评估。
城市暴雨内涝淹没区域内，并不是所有人类社会经济活动、物质财产或者资源环境等都受到破坏，只有当淹没深度超过一定的域值后，才会对某些承灾体造成损失和影响。
本文暴露分析的目标是提取各种承灾体的淹没信息。
对于房屋建筑，利用致灾因子分析中所得到的内涝淹没深度，将淹没深度大于0的即看作暴露房屋。
对于房屋室内财产，考虑到只有房屋内部被淹没后，室内财产才会受到破坏，因此，利用淹没水位高程的栅格图与房屋的离地高程图进行栅格相减运算（二者具有统一的栅格大小），提取出淹没值大于0的部分，即为静安区不同重现期室内财产淹没深度分布图，反映暴露要素（图6）。
6损失评估与风险表达损失评估是整个灾害风险评估程序的最后步骤，也是风险评估过程中最重要的工作。
灾害风险可以定义为一定概率下灾害造成的破坏或损失5，其表达式为：
图4静安区居住房屋模拟灾损曲线Fig.4Stage-damagescurveforresidentialbuildings图5静安区居民房屋室内财产模拟灾损曲线Fig.5Stage-damagescurveforbuildingcontents5585期尹占娥等：
基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估R=PL（4）式中:
R表示灾害风险；
P表示灾害发生的概率；
L表示破坏和损失量（元）。
各重现期暴雨内涝风险值可以依据公式（4）计算得出。
但一次内涝灾害风险评估，并不足以代表该区域的暴雨内涝风险水平，因此，需要综合多种重现期的灾害损失或风险值，建立超越概率损失曲线或风险曲线，通过对超越概率损失曲线或风险曲线进行积分获得年平均损失（AAFL），来表示研究区的暴雨内涝风险值则更为合理。
年平均损失（AAFL）计算公式为34：
AAFL=xf（x）dx（5）式中:
AAFL为年平均内涝损失；
x为内涝损失（或风险值）；
f（x）为内涝损失的概率。
研究区AAFL可以作为内涝灾害成本效益分析的基本依据。
实际投入与AAFL的差值，即为减灾降险的实际效益。
如果每年减灾降险的投入低于AAFL，那么减灾措施在经济上是可行；
如果减灾投入高于AAFL，则表明该项目在经济上是不合理的。
利用淹没深度、暴露信息和损失方程，对所有栅格进行逐个计算并求和，得到静安研究区暴雨内涝损失值。
对于房屋建筑价值的确定，本文依据2005-2008年上海统计年鉴中各类房屋的造价（不含地价），按照一定折旧赋值房屋重置成本（表1）。
室内财产则根据不同建筑类型室内所有物品的重置成本来估算，本项研究中室内财产是以多次暴雨内涝灾害发生后，通过研究区实地问卷调查确定的（表1）。
按2m2m栅格，计算居民房屋和室内财产损失，并将各类损失值基于GIS栅格统计，得到静安区不同重现期暴雨内涝可能损失（图7）。
通过统计8种重现期暴雨内涝损失并计算其风险值，建立静安区超越概率损失曲线（图8a）和风险曲线（图8b）。
从超越概率损失曲线形态上分析，在超越概率低于0.02（50年一遇）时，损失上升幅度剧增，且参考城市暴雨内涝分级标准，在积水深度达到25cm（50年一遇最大淹没深度）以上时，将会对城市功能造成严重影响。
因此，将超越概率低于0.02认为具有灾害性风险，其余则为非灾害性风险。
通过对超越概率损失曲线进行积图72008年静安区不同重现期暴雨内涝淹没损失图Fig.7LossmapsofdifferentreturnperiodsinJinganin2008（a）T=10（b）T=100（c）T=1000损失（元）0-800800-16001600-2400（a）T=10（b）T=100（c）T=1000图6静安区不同重现期室内财产淹没深度分布图Fig.6ExposureofbuildingcontentsofdifferentreturnperiodsinJinganDistrict55965卷地理学报5期分，得到静安区年均暴雨内涝损失（AAFL）风险值为342万元。
7结语本文以城市频发的暴雨内涝灾害为研究对象，结合上海市静安区实证研究，提出了一套基于小尺度的城市暴雨内涝灾害风险评估的思路与方法。
基于灾害风险定义为一定概率下灾害所造成的破坏或损失的理念，从致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三方面入手，探讨了不同情景下的城市暴雨内涝灾害损失评估和风险表达方式。
提出了小尺度城市的暴雨内涝灾害风险评估，宜采用情景模拟和综合分析方法。
致灾因子分析中改进了城市内部地形模拟。
脆弱性分析中构建灾损曲线的方法，研究中多次实地调查和收集获得的暴雨损失数据，构建了灾害评估损失数据库，这是灾害风险评估的重要基础数据，需要多年的收集与积累，也是目前灾害风险评估很欠缺的数据。
研究提供的方法与范式，有利于推进城市自然灾害，特别是开展城市小尺度自然灾害情景模拟和风险评估研究，亦为城市不同尺度灾害风险评估提供了一种新探索。
实证区案例研究表明：
按照2008年的实地调查与统计资料，模拟上海静安区8种暴雨重现期产生的地表积水深度，其中最大积水深度为50cm，暴雨内涝造成的年平均损失是342万元。
城市自然灾害风险系统是个复杂系统，受多变量因素制约，导致灾害风险评估的复杂性和艰巨性。
本文仅对小尺度城市暴雨内涝灾害所造成的房屋和室内财产损失风险进行了剖析，亦可开展城市基础设施、交通道路、工矿企业和生态环境等方面的灾害风险评估，加强不同自然灾害类型的小尺度风险评估与实证研究，系统构建城市各种承灾体脆弱性灾损曲线，加速我国城市自然灾害风险研究数据库的建设，实现自然灾害综合风险的动态评估，以不断地提高城市社区减灾降险和风险管理水平。
参考文献（References）1XuShiyuan,WangJun,ShiChunetal.Researchofthenaturaldisasterriskoncoastalcities.ActaGeographicaSinica,2006,61
（2）:
127-138.许世远,王军,石纯等.沿海地区自然灾害风险研究.地理学报,2006,61
（2）:
127-138.2ShiPJ,DuJ,JiMX.UrbanriskassessmentresearchofmajornaturaldisastersinChina.AdvancesinEarthScience.2006,21
（2）:
170-177.3ZhouNaisheng,YuanWen.ThestudyonstormbornsurfacewateraccumulationindowntownareaofShanghai.ActaGeographicaSinica,1993,48（3）:
262-271.周乃晟,袁雯.上海市暴雨地面积水的研究.地理学报,1993,48（3）:
262-271.4HelmP.Integratedriskmanagementfornaturalandtechnologicaldisasters.Tephra,1996,15
（1）:
4-13.5YangYi,WuSheng.Analysisandstudyonurbanrainstormseepersimulation.JournalofGeomatics,2009,34
（1）:
35-37.杨弋,吴升.城市暴雨积水模拟方法分析及研究.测绘信息与工程,2009,34
（1）:
35-37.6ZhengXiaoyang,HuChuanlian.Shanghaifloodcontrolanddecisionsupportsystemdesign.AdvancesinScienceand（a）（b）图8静安区超越概率-损失曲线和风险曲线（图中阴影部分为灾害性风险）Fig.8Exceedanceprobability-losscurveandriskcurveofrainstormwater-loggingdamage
升级会员 