基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估_精品文档.pdf

1、地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第65卷 第5期2010年5月Vol.65,No.5May,2010基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估尹占娥1,许世远2,殷 杰2,王 军2(1.上海师范大学地理系，上海 200234；2.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200062)摘要：自然灾害情景模拟与风险评估是灾害研究的核心内容和热点问题之一，但城市自然灾害风险评估至今却缺乏统一的程序与范式。本文选择了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。基于灾害风险的基本理念，从致

2、灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三方面入手，探讨不同情景下的小尺度城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险表达方式；提出了小尺度城市暴雨内涝灾害风险评估宜采用情景模拟和综合分析方法，充分考虑城市的内部地形特征、降水、径流和排水等因素，创建一个基于GIS栅格的城市内涝模型，并基于多种重现期灾害情景，更客观地模拟内涝积水深度和淹没面积；采用多次实地调查获得的内涝损失数据，拟合出居民房屋和室内财产的灾损曲线；利用灾损曲线评估脆弱性、暴露要素和损失，建立超越概率-损失曲线，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，为制订城市暴雨内涝灾害风险管理和规划奠定了基础。这亦为进一步开展小尺度城市自然灾害

3、情景模拟和风险评估研究提供了一种新探索。关键词：小尺度；情景模拟；暴雨内涝；灾害风险评估；上海1引言随着全球气候变化和城市化进程的加快，在自然和人为因素的相互作用下，城市自然灾害发生频率、强度及其造成的损失日益加剧1-3。暴雨内涝是许多城市频发的主要自然灾害类型，如2005年8月6日，台风“麦莎”带来的大暴雨造成上海市区200余条道路积水，5万多户居民家进水，直接经济损失13.58亿元。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

4、，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

5、科技启明星项目(09QA1401800)Foundation:The Key Project forNational Natural Science Foundation of China,No.40571006,40730526;Key Subject Developing Project byShanghai Municipal Education Commission,No.J50402;Key Subject Developing Project by Shanghai NormalUniversity,No.DZL801;Shanghai Youth Science and Tech

6、nology Venus Program,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

7、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

8、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

9、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

10、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520 km。水面积减少近10.46 km2，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

11、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33.5 m，其中，静安、黄浦等区不少地区低于3 m，最低仅2 m多，而黄浦江黄浦公园站多年平均高潮位3.12 m，多年平均潮位2.2 m，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

12、(2006)、研究区0.5m等高线生成的DEM图(2 m2 m)(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

13、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D

14、EM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.1 Framework of rainstorm water-logging risk assessme

15、nt based on GIS-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、

16、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(36 mm/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.2 Modification of urban DEM by buildings in Jingan District,Shanghai原始DEM建