CN110704999A - 沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及防灾减灾领域，为提出一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，为沿海城市防洪减灾工作提供了更精细的科学依据。为此，本发明采取的技术方案是，沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，利用洪涝模拟模型进行不同降雨‑潮位组合情景群模拟，得到不同组合工况下的区域淹没范围，并根据量化方法评估降雨和潮位对不同排水子系统的致灾作用度，在此基础上进行各排水子系统洪涝致灾因子区划。本发明主要应用于沿海城市洪涝致灾因子作用度量化场合。
Description
技术领域
本发明涉及防灾减灾领域。具体涉及沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法。
背景技术
在我国，70％以上的大城市和50％以上的人口分布在沿海及东部平原丘陵地区，且沿海地区占据了75％以上的工农业产值。随着几大城市群(京津冀、长三角和珠三角特大城市群) 和海南自贸区城市化水平不断提高，加上全球气候变化导致极端降雨、风暴潮发生概率持续增加，沿海城市面临的内涝灾害形势异常严峻。
在沿海城市，洪涝灾害受降雨和潮位等多维致灾因子联合影响。区域强降雨或者风暴潮均可直接造成城市内涝，或者降雨条件下高潮位阻碍城市排水系统导致内涝。因此，沿海城市的洪涝致灾风险评估尤为重要，其不同区域受降雨和潮位的影响程度均不相同，现有研究及方法未对不同区域的主要致灾因子加以识别，而不同致灾因子对应的减灾措施不尽相同，只有识别各区域的主要致灾因子，才能有针对性的制定城市洪涝防灾措施。鉴此，通过不同降雨-潮位组合情景群模拟对沿海城市不同区域降雨和潮位的致灾作用度进行识别和量化，并对沿海城市洪涝灾害致灾因子进行区划，根据不同洪涝成因区域开展排涝措施适应性评估，可以提出一套适用于沿海城市洪涝致灾因子致灾作用度量化及区划的方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在基于对多种暴雨和潮位组合工况下沿海城市区域淹没范围的分析，提出一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，为沿海城市防洪减灾工作提供了更精细的科学依据。为此，本发明采取的技术方案是，沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，利用洪涝模拟模型进行不同降雨-潮位组合情景群模拟，得到不同组合工况下的区域淹没范围，并根据量化方法评估降雨和潮位对不同排水子系统的致灾作用度，在此基础上进行各排水子系统洪涝致灾因子区划；其中，主要致灾因子识别过程如下：对于不同的降雨潮位组合工况，在设定的区域，如果该区域的淹没范围随降雨量的增长而显著增长，但是随潮位的增长变化不明显，说明降雨为该区域的主要致灾因子；反之，如果该区域的淹没范围随潮位的增长明显增加而随降雨的增长变化不明显，则判定潮位为主要的致灾因子；若淹没范围随着降雨和潮位的增长均显著增长，则说明降雨和潮位均为该区域洪涝灾害的致灾因子。
具体步骤细化如下：
步骤(1)：评估得出使区域淹没范围开始发生变化的最小降雨量和最小潮位值r1、t1以及组合工况中设定的最大降雨量和最大潮位值rn、tn，计算导致区域淹没程度变化的降雨量取值的变幅△R、潮位取值的变幅△T：
步骤(2)：计算当降雨量分别为r1、rn时，潮位值由t1变动至tn区域平均淹没范围X1、Xn；潮位值分别为z1、zn时，降雨量由h1变动至hn区域淹没范围的变化Y1、Yn：
式中：X1i为当降雨量最小，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Xni为当降雨量最大，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Y1i为当潮位值最小，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Yni为当潮位值最大，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；
步骤(3)：由步骤(2)中X1、Xn、Y1、Yn求得降雨、潮位引起的淹没范围变幅R′、T′分别为：
步骤(4):对淹没范围变幅进行归一化处理，得到单位降雨变幅引起的淹没范围变化KR以及单位潮位变幅引起的淹没范围变化KT：
步骤(5)：根据降雨、潮位对区域淹没范围的作用因子KR和KT，比较得出二者对区域的致灾作用度K：
K的取值范围为0～1，K值越大表示降雨的致灾性越强，潮位的致灾性越弱，据此得到沿海城市各排水子系统洪涝的主要致灾因子；
步骤(6)：根据洪涝灾害致灾因子作用度量化结果，得出沿海城市不同区域洪涝致灾因子风险区划，根据区划结果，选取不同风险区划的典型区域，分析评估不同风险区划区域内排涝措施的适应性；
步骤(7)：减灾效应评估。基于致灾因子风险区划成果，运用上述城市洪涝数值模拟模型，在各排涝措施蓄排水量相同的情况下，模拟比较不同降雨潮位组合下各排涝措施实施后，典型排水子系统淹没水位、淹没面积、淹没体积等的降低幅度，以此评估各排涝措施的有效性。排涝措施可分为新建蓄水工程、泵站工程、管网工程和改变下垫面条件。
具体选取实施排涝措施后淹没水位降低幅度进行减灾效应评估：
式中：△H为排涝措施实施后淹没水位降低幅度；Hbefore为未实施排涝措施时研究区域淹没水位；Hafter为实施排涝措施后研究区域淹没水位。
本发明的特点及有益效果是：
本发明从沿海城市洪涝灾害的两个主要致灾因子降雨和潮位出发，通过构建沿海城市洪涝灾害数值模拟模型，对多种降雨潮位组合情景群下区域淹没范围变化进行模拟分析，量化了沿海城市各区域洪涝灾害致灾因子致灾作用度，进一步可对沿海城市洪涝致灾因子进行风险区划，基于此可提出适应于各个区域的防治措施，为沿海城市的防灾减灾工作提供了更为精细的科学依据。
附图说明：
图1.一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法技术路线图。
图2.海甸岛研究区排水子系统。
图3.海甸岛洪涝灾害致灾因子风险区划。
图4.②区不同防涝措施下的淹没水位响应。
具体实施方式
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，利用洪涝模拟模型进行不同降雨- 潮位组合情景群模拟，得到不同组合工况下的区域淹没范围，并根据量化方法评估降雨和潮位对不同排水子系统的致灾作用度，在此基础上进行各排水子系统洪涝致灾因子区划。主要致灾因子识别思路如下：对于不同的降雨潮位组合工况，在一定的区域，如果该区域的淹没范围随降雨量的增长而显著增长，但是随潮位的增长变化不明显，说明降雨为该区域的主要致灾因子。反之，如果该区域的淹没范围随潮位的增长明显增加而随降雨的增长变化不明显，则判定潮位为主要的致灾因子。若淹没范围随着降雨和潮位的增长均显著增长，则说明降雨和潮位均为该区域洪涝灾害的致灾因子。该方案具体步骤如下：
步骤(1)：评估得出使区域淹没范围开始发生变化的最小降雨量和最小潮位值r1、t1以及组合工况中设定的最大降雨量和最大潮位值rn、tn，计算导致区域淹没程度变化的降雨量取值的变幅△R、潮位取值的变幅△T：
步骤(2)：计算当降雨量分别为r1、rn时，潮位值由t1变动至tn区域平均淹没范围X1、Xn；潮位值分别为z1、zn时，降雨量由h1变动至hn区域淹没范围的变化Y1、Yn。
式中：X1i为当降雨量最小，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Xni为当降雨量最大，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Y1i为当潮位值最小，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Yni为当潮位值最大，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围。
步骤(3)：由步骤(2)中X1、Xn、Y1、Yn求得降雨、潮位引起的淹没范围变幅R′、T′分别为：
步骤(4):对淹没范围变幅进行归一化处理，得到单位降雨变幅引起的淹没范围变化KR以及单位潮位变幅引起的淹没范围变化KT：
步骤(5)：根据降雨、潮位对区域淹没范围的作用因子KR和KT，比较得出二者对区域的致灾作用度K：
K的取值范围为0～1，K值越大表示降雨的致灾性越强，潮位的致灾性越弱。表给出了K 值的大小与降雨、潮位对区域的致灾作用的对应关系，据此可以得到沿海城市各排水子系统洪涝的主要致灾因子。
表1降雨、潮位致灾作用度量化关系表
步骤(6)：根据洪涝灾害致灾因子作用度量化结果，可得出沿海城市不同区域洪涝致灾因子风险区划。根据区划结果，选取不同风险区划的典型区域，分析评估不同风险区划区域内排涝措施的适应性。
步骤(7)：减灾效应评估。基于致灾因子风险区划成果，运用上述城市洪涝数值模拟模型，在各排涝措施蓄排水量相同的情况下，模拟比较不同降雨潮位组合下各排涝措施实施后，典型排水子系统淹没水位、淹没面积、淹没体积等的降低幅度，以此评估各排涝措施的有效性。排涝措施可分为新建蓄水工程、泵站工程、管网工程和改变下垫面条件等。本文中选取实施排涝措施后淹没水位降低幅度进行减灾效应评估。
式中：△H为排涝措施实施后淹没水位降低幅度；Hbefore为未实施排涝措施时研究区域淹没水位；Hafter为实施排涝措施后研究区域淹没水位。
下面将对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1，一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，选取沿海城市海口市海甸岛这一区域进行实证研究，方法步骤如下：
(1)海甸岛洪涝模拟模型构建与模拟工况的设定
以海甸岛排水系统为研究区域，海甸岛洪涝模拟模型基础资料包括管网、一维检查井、河道断面、子汇水区、障碍区及DEM高程等资料，模拟模型构建主要包括一维模型构建、模型参数设置、二维模型构建等步骤，最后选取2014年7月威马逊台风来临时实际降雨、潮位过程以及淹没情况进行模型率定，得到可靠的洪涝模拟模型。
根据海口市1974-2012年的实测日降雨量和日潮位资料，设定不同降雨潮位组合作为情景模拟工况，典型降雨值取为海口市5年一遇设计日降雨量199.11mm、10年一遇设计日降雨量242.69mm、20年一遇设计日降雨量288.19mm和50年一遇设计日降雨量352.97mm，典型潮位值取为1.88m、2.25m、2.53m、2.9m、3.16m和3.40m。
(2)不同降雨潮位组合工况下各排水子系统淹没范围的统计
依据海口市主城区的排水管网布设和水系分布，对研究区划分了5个排水子系统，如图 2所示。根据上述典型组合工况，对5个排水子系统的排水情况进行模拟，得到不同降雨潮位组合工况下各排水子系统的淹没范围。
(3)致灾因子作用度量化
根据模拟结果及量化指标计算公式(见式(1)～(11))，推求降雨和潮位对不同区域致灾作用的影响程度及降雨、潮位对联合致灾区域的综合致灾作用度，对照表1给出的N值与致灾作用的对应关系，得到降雨、潮位联合致灾区域的主要致灾因子判断结果，如表2所示。
表2降雨、潮位致灾作用度量化K值和致灾作用对应关系
(4)洪涝灾害致灾因子风险区划
综合对降雨、潮位致灾作用度的识别和量化结果，得到海口市海甸岛洪涝灾害致灾因子风险区划，如图3所示。
(5)减灾效应评估
以主要致灾因子为潮位的②区为例，选择不同组合工况进行模拟。组合工况中设计降雨重现期取为5年一遇，典型潮位取值分别为3.4m、3.16m、2.9m、2.53m。结合②区的计算洪量，取蓄排水工程规模为10万m3，泵站抽排能力为25m3/s。新建蓄水工程和泵站工程的减灾效应如图4所示。由图可知：在同种降雨和潮位标准下，②区在增加蓄水设施、排水泵站设施后，平均淹没水位均有降低，并且泵站工程效果高于蓄水工程效果。由(12)式可得，二者不同工况下淹没水位平均变化幅度分别为△H蓄＝0.365、△H泵＝0.741。可见，对于潮位为主要致灾因子的区域，应采用排涝泵站作为该区的主要排涝措施。
Claims (3)
1.一种沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，其特征是，利用洪涝模拟模型进行不同降雨-潮位组合情景群模拟，得到不同组合工况下的区域淹没范围，并根据量化方法评估降雨和潮位对不同排水子系统的致灾作用度，在此基础上进行各排水子系统洪涝致灾因子区划；其中，主要致灾因子识别过程如下：对于不同的降雨潮位组合工况，在设定的区域，如果该区域的淹没范围随降雨量的增长而显著增长，但是随潮位的增长变化不明显，说明降雨为该区域的主要致灾因子；反之，如果该区域的淹没范围随潮位的增长明显增加而随降雨的增长变化不明显，则判定潮位为主要的致灾因子；若淹没范围随着降雨和潮位的增长均显著增长，则说明降雨和潮位均为该区域洪涝灾害的致灾因子。
2.如权利要求1所述的沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，其特征是，具体步骤细化如下：
步骤(1)：评估得出使区域淹没范围开始发生变化的最小降雨量和最小潮位值r1、t1以及组合工况中设定的最大降雨量和最大潮位值rn、tn，计算导致区域淹没程度变化的降雨量取值的变幅ΔR、潮位取值的变幅ΔT：
步骤(2)：计算当降雨量分别为r1、rn时，潮位值由t1变动至tn区域平均淹没范围X1、Xn；潮位值分别为z1、zn时，降雨量由h1变动至hn区域淹没范围的变化Y1、Yn：
式中：X1i为当降雨量最小，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Xni为当降雨量最大，潮位从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Y1i为当潮位值最小，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；Yni为当潮位值最大，降雨从最小值变化至最大值各工况下的淹没范围；
步骤(3)：由步骤(2)中X1、Xn、Y1、Yn求得降雨、潮位引起的淹没范围变幅R′、T′分别为：
步骤(4):对淹没范围变幅进行归一化处理，得到单位降雨变幅引起的淹没范围变化KR以及单位潮位变幅引起的淹没范围变化KT：
步骤(5)：根据降雨、潮位对区域淹没范围的作用因子KR和KT，比较得出二者对区域的致灾作用度K：
K的取值范围为0～1，K值越大表示降雨的致灾性越强，潮位的致灾性越弱，据此得到沿海城市各排水子系统洪涝的主要致灾因子；
步骤(6)：根据洪涝灾害致灾因子作用度量化结果，得出沿海城市不同区域洪涝致灾因子风险区划，根据区划结果，选取不同风险区划的典型区域，分析评估不同风险区划区域内排涝措施的适应性；
步骤(7)：减灾效应评估。基于致灾因子风险区划成果，运用上述城市洪涝数值模拟模型，在各排涝措施蓄排水量相同的情况下，模拟比较不同降雨潮位组合下各排涝措施实施后，典型排水子系统淹没水位、淹没面积、淹没体积等的降低幅度，以此评估各排涝措施的有效性，排涝措施可分为新建蓄水工程、泵站工程、管网工程和改变下垫面条件。
3.如权利要求1所述的沿海城市洪涝致灾因子作用度量化及区划方法，其特征是，具体选取实施排涝措施后淹没水位降低幅度进行减灾效应评估：
式中：ΔH为排涝措施实施后淹没水位降低幅度；Hbefore为未实施排涝措施时研究区域淹没水位；Hafter为实施排涝措施后研究区域淹没水位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200117 |
|
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