CN112288151A - 一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法 - Google Patents

一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，包括：步骤1、确定研究区域，分析并明确灾害链中的灾害事件节点，构建灾害系统；步骤2、从致灾因子、孕灾环境、承灾载体三个方面对灾害系统进行分析，步骤3、考虑灾害形成的时空效应以及各灾害间的耦合效应，分析各个次生事件之间的相互演化机制，完成灾害应急的灾害链的构建；步骤4、分别构建台风降水预测模型和水文模型，其中水文模型又包括降雨量模型、产流模型、汇流模型、排水模型、积水模型；步骤5、分析台风、暴雨、洪涝自然灾害的致灾因子、孕灾环境、承灾载体，并分析各灾害之间的输入输出关系，将各灾害模型联系起来，完成灾害链的分析。

Description

一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法
技术领域
本发明涉及自然灾害管理、灾害应急和灾害链系统技术领域，具体涉及一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法。
背景技术
我国是世界上自然灾害发生最频繁、灾情最严重的国家之一，自然灾害防治能力有待提高。我国自然灾害种类繁多且频发，导致社会稳定以及人民生命财产安全受到严重威胁，并造成了十分巨大的经济损失。信息技术的发展，特别是遥感技术、GIS、计算机网络技术、数据库技术等的发展，在整个自然灾害管理过程中，包括灾前的预测预警、灾中的实时监测与风险评估、灾后的减灾应急部署与辅助决策，都发挥了重要的作用，取得了显著的成果。但是这些都局限于一些局部过程，注重于对单一灾种(如台风、暴雨、洪涝等)的监测和预防，对于各种灾害之间的联系研究尚浅。
我国的海岸线较长，沿海地区频繁遭受台风自然灾害的影响，且影响较为显著，且常常伴随着暴雨、洪涝等一系列自然灾害的发生，对经济和人们声明财产安全造成严重影响。而目前我国对灾害的研究都较为单一，因此无法进行准确灾害分析的技术问题。
发明内容
本发明提出一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，用于解决或者至少部分解决现有技术的方法存在的无法进行准确灾害分析的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，包括：
S1：确定研究区域，分析该区域内自然灾害历史数据，研究台风可能引发的危机事件及其可能演化的后果，分析并明确灾害链中的灾害事件节点，构建灾害系统；
S2：从致灾因子、孕灾环境、承灾载体三个方面对灾害系统进行分析；
S3：考虑灾害形成的时空效应以及各灾害间的耦合效应，分析各个次生事件之间的相互演化机制，描述灾害链的成灾机制，完成灾害应急的灾害链的构建；
S4：对台风-暴雨-洪涝灾害链进行灾害链的分析，分别构建台风降水预测模型和水文模型，其中水文模型包括降雨量模型、产流模型、汇流模型、排水模型、积水模型；
S5：分析台风、暴雨、洪涝自然灾害的致灾因子、孕灾环境以及承灾载体，并分析各灾害之间的输入输出关系，将步骤S4中建立的各灾害模型联系起来，进行灾害分析。
在一种实施方式中，步骤S3包括：
S301：构建灾害系统模型：
S(n)＝{SG,R,E}
式中，S(n)表示整个灾害链系统，包括n个灾害事件、事件间的内在联系以及所处环境，n≥2；SG表示系统中的n个灾害事件；R表示各个灾害事件间的关系；E表示灾害链所处的环境；
S302：获取灾害之间的联系：
f(SGi(t),Ri,j(t),SGj(t))＝0
式中，SGi(t)表示灾害链中的第i个灾害事件在t时刻的状态；SGj(t)表示灾害链中的第j个灾害事件在t时刻的状态；Ri,j(t)表示SGi(t)、SGj(t)二者在t时刻的相互关联关系，f表示t时刻SGi(t)通过作用因子Ri,j(t)对SGj(t)产生作用，使得SGi和SGj之间产生联系；
S303：根据灾害系统和灾害之间的联系，构建灾害链，灾害链包含多个灾害事件SG(t)，各灾害事件之间通过关联关系Ri,j(t)连接而成，并在外界环境E的作用下呈连锁链式结构演化，最终造成一系列灾害后果H(t)。
在一种实施方式中，S4中构建的降雨量模型为：
Figure BDA0002737349900000021
式中，q为平均降雨强度；A1是重现期一年时1min的降雨量；P为重现期；t为降雨历时；C为反映降雨强度随重现期的参数，b，n为反映降雨历时变化情况的参数，令A＝167A1(1+ClgP)，得到：
Figure BDA0002737349900000031
构建降雨量模型的步骤包括：
S4011：建立降雨强度与重现期之间的关系，根据降雨强度推算重现期；
S4012：根据重现期计算参数A，b，n，计算方式如下：
n＝0.762-0.023ln(P–0.836)
B＝14.314+0.248ln(P–0.836)
当重现期在1～10a时，A＝16.351+2.564ln(P–0.836)
当重现期在10～100a时，A＝17.210+2.688ln(P–3.422)
其中A是雨力，重现期的单位是a，表示年，不同重现期对应的A的计算公式不同；b是时间参数，n是暴雨衰减指数；
S4013：求雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
i(t)表示瞬时降雨强度，平均降雨强度q与瞬时降雨强度之间的关系表示为：
Figure BDA0002737349900000032
则瞬时降雨强度表达式为：
Figure BDA0002737349900000033
则雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
Figure BDA0002737349900000041
将上式化简得：
Figure BDA0002737349900000042
其中，i'(t)表示雨峰前的瞬时降雨强度，i”(t)表示雨峰后的瞬时降雨强度，雨峰的相对位置用雨峰系数η表示，取值范围为0～1，由历史降雨资料获得；ta为雨峰前的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ia；tb为雨峰后的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ib。
在一种实施方式中，构建产流模型的方法包括：
S4021：计算下渗率f：
f＝fc+(f0-fc)e-kt
式中，f0为初始入渗率；fc为稳定入渗率；k为衰减系数；
S4022：获得产流速率计算公式：
地表尚未出现雨水流动的阶段称为初损阶段，降雨总量达到初损的时刻为ts，得到产流速率计算公式如下：
Figure BDA0002737349900000051
式中I'(t)为产流速率，mm/min；I(t)为瞬时降雨强度，mm/min。
在一种实施方式中，构建汇流模型的方法包括：
S4031：计算等流时面上的产流量，第iΔt和第(i-1)Δt等流时线之间的区域面积为Si，在其上的产流量为：
Figure BDA0002737349900000052
式中，Ii为产流量；Δti是第i区域的汇流时间；
S4032：计算等流时面上的汇流量：
Figure BDA0002737349900000053
式中，Qi为第i个等流时面上的汇流量；Ii为该区域的产流量；
Figure BDA0002737349900000054
为第i条等流时线到出水口之间的区域的平均径流系数；
每个等流时面可能包含多种类型的地块，采用加权平均的方法求出每个区域的平均径流系数，公式如下：
Figure BDA0002737349900000055
式中，Si为某一等流时面上各类地面的面积；
Figure BDA0002737349900000056
为对应各地块类型的径流系数；
S4033：计算整个子流域的汇流量Q：
Q＝∑Qi。
在一种实施方式中，步骤S4中构建的排水模型的方法具体包括：
采用经验公式进行排水能力计算：
q＝Kq0+q’0
式中，q为排水率；q0为设计排涝模数；K为综合系数；q0'为特殊原因导致的排水能力的变化；
排涝模数q0的计算方法如下：
Figure BDA0002737349900000061
式中，Rp为设计日降雨量；F为排水口流域的面积；m为峰量指数，反映洪峰与洪量的关系；n为递减指数，反映排涝模数与排水口流域面积的关系。
在一种实施方式中，步骤S4中构建的积水模型为：
Qz＝∑[(Qi-q·Si)·Δti]
式中，Qz为积水点积水量；Qi为第i时段末积水点的汇流量；q为排水效率；Si为该区域的面积；Δti为单位汇流时间。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明提供的一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，首先构建了灾害系统；并从致灾因子、孕灾环境、承灾载体三个方面对灾害系统进行分析；然后构建了灾害应急的灾害链；再对台风-暴雨-洪涝灾害链进行灾害链的分析，分别构建台风降水预测模型和水文模型，其中水文模型包括降雨量模型、产流模型、汇流模型、排水模型、积水模型；并分析台风、暴雨、洪涝自然灾害的致灾因子、孕灾环境以及承灾载体，并分析各灾害之间的输入输出关系，将建立的各灾害模型联系起来，进行灾害分析。
通过本发明的方法，针对台风自然灾害，引入灾害链理论，对不同灾害之间的相互影响进行研究，建立多灾种耦合灾害链模型，为灾害的防治提供一定的思路。尤其针对台风、暴雨、洪涝灾害，考虑灾害事故的时空效应和耦合作用，进行了灾害分析，建立灾害之间的联系，构建了台风-暴雨-洪涝灾害链，可以进行准确的灾害分析，从而为灾害的预警和防治提供了可行的方法，
进一步地，针对当前灾害领域缺乏完整的语义库，本发明结合灾害链的定义，对灾害领域的概念、属性和关系进行了完整地描述，建立了一个灾害链的数学表征模型。
进一步地，构建的水文模型为分布式水文模型，将流域分割成多个单元，每个单元分别记录降雨量、植被、土壤和高程等属性信息，模型参数的精度与流域分割单元的尺寸相适，通过地形地貌资料、历史洪水资料等确定。以单元为单位进行产流、汇水、积水分析，同时考虑到了多种下垫面类型，包括道路、裸地、旱地、沙地、植被、建筑、农用地、河流湖泊，不同下垫面类型具有不同的下渗率，使模型更加精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为具体实施例本发明的方法流程图；
图2为灾害链的链发行为示意图：
图3为在不同孕灾环境下构成的台风灾害链示意图；
图4为具体实施例中台风-暴雨-洪涝灾害链构建过程以及灾害分析的示意图。
具体实施方式
本申请发明人通过大量的研究发现：单因素导致的灾害越来越少，尤其是当前人类活动对自然界产生了极大的影响，引起了自然界的复杂变化，任何一种灾害的发生都不可能是孤立的，都与其他因素相联系，同时，任何一种灾害的发生都会对其周围环境产生影响，进而为其他现象的发生提供条件。所以各灾害在时间与空间以及发生机理上是有一定联系的，在一定的时空范围内，一种灾害的发生，通常会引发多种其他的灾害，使得灾害的发生呈现一种链式结构，即灾害链。灾害的链式连锁反应以及做综复杂的特征，远比单一灾害造成的威胁与损失要大的多，因此理解灾害之间的相互作用与联系，研究灾害链的成灾机制与作用规律，构建灾害链，对防灾减灾具有重要的意义，大幅降低灾害带来的经济损失。
基于此，本发明提供了一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，面向重大自然灾害应急领域，研究台风灾害引发的一系列次生、衍生灾害，构建灾害链，并以台风-暴雨-洪涝灾害链为例进行灾害分析，为灾害应急提供支持。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明实施例提供了一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，包括：
S1：确定研究区域，分析该区域内自然灾害历史数据，研究台风可能引发的危机事件及其可能演化的后果，分析并明确灾害链中的灾害事件节点，构建灾害系统；
S2：从致灾因子、孕灾环境、承灾载体三个方面对灾害系统进行分析；
S3：考虑灾害形成的时空效应以及各灾害间的耦合效应，分析各个次生事件之间的相互演化机制，描述灾害链的成灾机制，完成灾害应急的灾害链的构建；
S4：对台风-暴雨-洪涝灾害链进行灾害链的分析，分别构建台风降水预测模型和水文模型，其中水文模型包括降雨量模型、产流模型、汇流模型、排水模型、积水模型；
S5：分析台风、暴雨、洪涝自然灾害的致灾因子、孕灾环境以及承灾载体，并分析各灾害之间的输入输出关系，将步骤S4中建立的各灾害模型联系起来，进行灾害分析。
具体来说，步骤S1中确定研究区域，分析自然灾害历史数据可得，台风可能引发的危机事件有风暴潮、巨浪、暴雨、内涝、山洪、泥石流、滑坡，这些自然灾害即为灾害链中的灾害事件节点；步骤S2中对灾害系统进行分析，孕灾环境不同，建立的台风灾害链也不同。台风一般起源于海平面，对临海区域易造成威胁，临海区域的孕灾环境可以分为海岸带、丘陵地区、城市平原地区。孕灾环境包括气象气候环境、地理环境、经济环境、人文环境等。
在一种实施方式中，步骤S3包括：
S301：构建灾害系统模型：
S(n)＝{SG,R,E}
式中，S(n)表示整个灾害链系统，包括n个灾害事件、事件间的内在联系以及所处环境，n≥2；SG表示系统中的n个灾害事件；R表示各个灾害事件间的关系；E表示灾害链所处的环境；
S302：获取灾害之间的联系：
f(SGi(t),Ri,j(t),SGj(t))＝0
式中，SGi(t)表示灾害链中的第i个灾害事件在t时刻的状态；SGj(t)表示灾害链中的第j个灾害事件在t时刻的状态；Ri,j(t)表示SGi(t)、SGj(t)二者在t时刻的相互关联关系，f表示t时刻SGi(t)通过作用因子Ri,j(t)对SGj(t)产生作用，使得SGi和SGj之间产生联系；
S303：根据灾害系统和灾害之间的联系，构建灾害链，灾害链包含多个灾害事件SG(t)，各灾害事件之间通过关联关系Ri,j(t)连接而成，并在外界环境E的作用下呈连锁链式结构演化，最终造成一系列灾害后果H(t)。
具体来说，步骤S3通过分析灾害形成的时空效应以及各灾害间的耦合效应，分析各个次生事件之间的相互演化机制，首先对整个灾害系统进行数学表征，灾害链中某一灾害对另一灾害的作用可能是瞬时的，也可能是持续的，各个灾害之间的触发关系具有时间效应，因而得到灾害之间的联系，进而可以得出如图2所示的灾害链的链发行为。
灾害事件发生后，在一定的时空范围内，灾害系统内的致灾因子在孕灾环境的作用下发生异变，产生新的致灾因子，系统中的承灾载体便会承受更多致灾因子的影响，当承灾载体的能力达到某个临界值时，就会产生新的灾害事件，以此类推，演化为灾害事件的串发现象，由此形成灾害链。在不同孕灾环境下构成的台风灾害链如图3所示。
进一步地，步骤S4中以台风-暴雨-洪涝灾害链为例进行灾害链分析，按照上述灾害链数学表征，台风作为第一个灾害节点，首先分析整个灾害链的E，也就是灾害环境，然后逐个分析链式效应，形成台风-暴雨-洪涝灾害链，最终造成一系列损失，分析过程以及结果如图4所示。
具体来说，台风灾害产生的原因往往是由于海面上气温升高导致气体上升形成气流，气流运动导致气压改变，气压改变又会影响气流运动，再加上地球旋转力的作用，形成气旋，通过自身的运动登陆陆地导致沿海地区形成台风灾害。
台风中心气压大小、近中心最大风速达到一定值就会形成台风，临海以及地形因素是它的孕灾环境，形成台风后有运动路径，台风路径不同，其影响区域也不同，这里考虑城市平原孕灾环境，台风形成气旋后，自身会造成一些灾害损失，同时它对环境产生影响，造成其他灾害，气流上升遇冷空气凝结导致降雨，降雨强度与台风的风速之间有一定的联系。
在构建台风降水预测模型时，包括两个步骤301和302，
步骤301：得到任意高度处的竖向风速
本实施例使用Yan Meng台风模型与Smith台风模型相结合的方式。将竖向风速方程添加到Yan Meng模型初始的微分方程中：
Figure BDA0002737349900000101
Figure BDA0002737349900000102
式中，v表示广义水平向风速的矢量和，即v＝vrs+vθs，vrs表示边界内水平径向风速，vθs表示边界内水平切向风速，
Figure BDA0002737349900000103
是梯度算子，表示在空间各方向上的全微分，是微积分中的一个微分算子,叫Hamilton算子,用来表示梯度和散度；ρ表示空气密度；
Figure BDA0002737349900000104
表示气压梯度；f表示科氏力系数；k表示拟合参数；F表示地表摩擦阻力；r为风场中任一点距离台风中心的距离；w表示竖向风速大小。
然后借鉴Smith台风模型的处理方法进行化简。
(a)对于静止台风(c＝0)，水平向风速(vrs,vθs)均没有方位角的变化。因此上式可以简化为：
Figure BDA0002737349900000105
再对上式从z＝0到z＝Z进行积分，并对结果进行变形化简可得任意高度处的竖向风速w：
Figure BDA0002737349900000106
(b)考虑台风的整体移动速度c(c≠0)时，任意高度处的竖向风速w的大小，将添加竖向风速的初始微分方程从z＝0到z＝Z进行积分，整理得：
Figure BDA0002737349900000111
步骤302、建立对称降水预测模型：
首先，假设表面降水率i与参考高度H处向上的水汽通量成正比。假设在参考高度H范围内，温度T和饱和率Q固定不变，并分别等于沿竖向方向的均值
Figure BDA0002737349900000112
和
Figure BDA0002737349900000113
结合地理环境，台风高发的时间多为夏秋季节，海域多属于亚热带与热带地区，所以
Figure BDA0002737349900000114
的取值范围为20℃～24℃，
Figure BDA0002737349900000115
的取值范围为75％～85％。
基于以上假设，对称降水强度isym为：
Figure BDA0002737349900000116
式中，
Figure BDA0002737349900000117
是单位体积的饱和空气完全冷凝后的液态水体积，wH(r)等同于w(r,z＝H)，表示z＝H处的竖向风速，由步骤301公式计算。
Figure BDA0002737349900000118
通过Clausius-Clapeyron方程得到：
Figure BDA0002737349900000119
上式中液态水密度取ρw＝1000kgr/m3，
Figure BDA00027373499000001110
的单位为℃。
进一步地，预测降雨强度作为水文模型的输入参数。
在一种实施方式中，S4中构建的降雨量模型为：
Figure BDA00027373499000001111
式中，q为平均降雨强度；A1是重现期一年时1min的降雨量；P为重现期；t为降雨历时；C为反映降雨强度随重现期的参数，b，n为反映降雨历时变化情况的参数，令A＝167A1(1+ClgP)，得到：
Figure BDA00027373499000001112
构建降雨量模型的步骤包括：
S4011：建立降雨强度与重现期之间的关系，根据降雨强度推算重现期；
S4012：根据重现期计算参数A，b，n，计算方式如下：
n＝0.762-0.023ln(P–0.836)
B＝14.314+0.248ln(P–0.836)
当重现期在1～10a时，A＝16.351+2.564ln(P–0.836)
当重现期在10～100a时，A＝17.210+2.688ln(P–3.422)
其中A是雨力，重现期的单位是a，表示年，不同重现期对应的A的计算公式不同；b是时间参数，n是暴雨衰减指数；
S4013：求雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
i(t)表示瞬时降雨强度，平均降雨强度q与瞬时降雨强度之间的关系表示为：
Figure BDA0002737349900000121
则瞬时降雨强度表达式为：
Figure BDA0002737349900000122
则雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
Figure BDA0002737349900000123
将上式化简得：
Figure BDA0002737349900000131
其中，i'(t)表示雨峰前的瞬时降雨强度，i”(t)表示雨峰后的瞬时降雨强度，雨峰的相对位置用雨峰系数η表示，取值范围为0～1，由历史降雨资料获得；ta为雨峰前的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ia；tb为雨峰后的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ib。
具体来说，降雨强度达到一定程度形成暴雨，而降雨强度与多个参数有关，本实施方式采用芝加哥雨型，得到降雨强度公式。
S4011中，降雨强度与重现期之间的关系是离散的，部分对应关系如下表：
重现期/a 24h降雨量mm 重现期/a 24h降雨量mm
0.5 30 7 140.6
1 44.8 10 189
2 74.1 15 201.3
3 86.2 20 230
4 101.1 ... ...
5 117.8 100 325
S4012中，根据重现期计算参数A，b，n，计算公式如下表：
Figure BDA0002737349900000132
在一种实施方式中，构建产流模型的方法包括：
S4021：计算下渗率f：
f＝fc+(f0-fc)e-kt
式中，f0为初始入渗率；fc为稳定入渗率；k为衰减系数；
S4022：获得产流速率计算公式：
地表尚未出现雨水流动的阶段称为初损阶段，降雨总量达到初损的时刻为ts，得到产流速率计算公式如下：
Figure BDA0002737349900000141
式中I'(t)为产流速率，mm/min；I(t)为瞬时降雨强度，mm/min。
具体来说，在城市降雨过程中，降雨达到一定程度(时间、强度)后地表会产生径流，大部分损失来自于降雨初期的损失和地表下渗。所以首先计算下渗率。在下渗计算中，常用Horton下渗方程来计算。
S4021中，城市不同类型下垫面的衰减系数与入渗率如下表：
Figure BDA0002737349900000142
在一种实施方式中，构建汇流模型的方法包括：
S4031：计算等流时面上的产流量，第iΔt和第(i-1)Δt等流时线之间的区域面积为Si，在其上的产流量为：
Figure BDA0002737349900000143
式中，Ii为产流量；Δti是第i区域的汇流时间；
S4032：计算等流时面上的汇流量：
Figure BDA0002737349900000144
式中，Qi为第i个等流时面上的汇流量；Ii为该区域的产流量；
Figure BDA0002737349900000145
为第i条等流时线到出水口之间的区域的平均径流系数；
每个等流时面可能包含多种类型的地块，采用加权平均的方法求出每个区域的平均径流系数，公式如下：
Figure BDA0002737349900000151
式中，Si为某一等流时面上各类地面的面积；
Figure BDA0002737349900000152
为对应各地块类型的径流系数；
S4033：计算整个子流域的汇流量Q：
Q＝∑Qi。
具体来说，在地形地势的影响下，产生的径流会汇聚，所以建立汇流模型模型，产流模型提供的产流速率作为它的输入参数，采用等流时线法模拟地表汇流过程。
由于采用等流时线法，每过一个时间间隔，就生成一条等流时线，因此可以得到第iΔt和第(i-1)Δt等流时线之间的区域面积Si上的产流量。
S4032中，每个等流时面可能包含多种类型的地块，因此可以采用加权平均的方法求出每个区域的平均径流系数。
在一种实施方式中，步骤S4中构建的排水模型的方法具体包括：
采用经验公式进行排水能力计算：
q＝Kq0+q0’
式中，q为排水率；q0为设计排涝模数；K为综合系数；q0'为特殊原因导致的排水能力的变化；
排涝模数q0的计算方法如下：
Figure BDA0002737349900000153
式中，Rp为设计日降雨量；F为排水口流域的面积；m为峰量指数，反映洪峰与洪量的关系；n为递减指数，反映排涝模数与排水口流域面积的关系。
具体来说，排水是降雨-产流-汇流的下一环节，城市一般建设有排水系统，汇流量除去排水量才是最终的积水量，所以建立排水模型。q0'为特殊原因导致的排水能力的变化，例如人为抽排时相当于变相增加了系统排水能力，此时q0'为正值；而相反地，因某些特殊情况限制排水时q0'为负值，正常默认为0。
在一种实施方式中，步骤S4中构建的积水模型为：
Qz＝∑[(Qi-q·Si)·Δti]
式中，Qz为积水点积水量；Qi为第i时段末积水点的汇流量；q为排水效率；Si为该区域的面积；Δti为单位汇流时间。
具体来说，综合以上城市水文循环(降雨-产流-汇流-排水)公式，可以得到积水量计算公式，即积水模型。
积水量超过某区域的可承载量就会暴发洪水，导致房屋被淹，人民生命和财产安全受到威胁，同时农作物被淹，造成经济损失，交通系统也受到影响，洪水长时间不消退还会传播瘟疫。
根据台风-暴雨-洪涝灾害链模型，当台风发生前或发生时，可以按此链发效应，根据台风的风速预测降水-产流-汇流-排水-积水，进行内涝风险评估，及时进行灾害防治。
本发明产生的有益效果是：
1、当前灾害领域缺乏完整的语义库，结合灾害链的定义，对灾害领域的概念、属性和关系进行了完整地描述，建立了一个灾害链的数学表征模型。
2、我国沿海地区台风自然灾害频发，针对台风自然灾害，引入灾害链理论，对不同灾害之间的相互影响进行研究，建立多灾种耦合灾害链模型，为灾害的防治提供一定的思路。尤其针对台风、暴雨、洪涝灾害，考虑灾害事故的时空效应和耦合作用，进行了详细的灾害分析，建立灾害之间的联系，构建了台风-暴雨-洪涝灾害链，为灾害的预警和防治提供了可行的方法。
3、构建的水文模型为分布式水文模型，将流域分割成多个单元，每个单元分别记录降雨量、植被、土壤和高程等属性信息，模型参数的精度与流域分割单元的尺寸相适，通过地形地貌资料、历史洪水资料等确定。以单元为单位进行产流、汇水、积水分析，同时考虑到了多种下垫面类型，包括道路、裸地、旱地、沙地、植被、建筑、农用地、河流湖泊，不同下垫面类型具有不同的下渗率，使模型更加精确。
本发明中所描述的具体实施的例子仅仅是对本发明的方法和步骤的举例说明。本发明所述技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施步骤做相应的修改或补充或变形(即采用类似的替代方式)，但是不会背离本发明的原理和实质或者超越所附权利要求书所定义的范围。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种面向灾害应急的灾害链构建与灾害分析方法，其特征在于，包括：
S1：确定研究区域，分析该区域内自然灾害历史数据，研究台风可能引发的危机事件及其可能演化的后果，分析并明确灾害链中的灾害事件节点，构建灾害系统；
S2：从致灾因子、孕灾环境、承灾载体三个方面对灾害系统进行分析；
S3：考虑灾害形成的时空效应以及各灾害间的耦合效应，分析各个次生事件之间的相互演化机制，描述灾害链的成灾机制，完成灾害应急的灾害链的构建；
S4：对台风-暴雨-洪涝灾害链进行灾害链的分析，分别构建台风降水预测模型和水文模型，其中水文模型包括降雨量模型、产流模型、汇流模型、排水模型、积水模型；
S5：分析台风、暴雨、洪涝自然灾害的致灾因子、孕灾环境以及承灾载体，并分析各灾害之间的输入输出关系，将步骤S4中建立的各灾害模型联系起来，进行灾害分析。
2.如权利要求1所述的灾害分析方法，其特征在于，步骤S3包括：
S301：构建灾害系统模型：
S(n)＝{SG,R,E}
式中，S(n)表示整个灾害链系统，包括n个灾害事件、事件间的内在联系以及所处环境，n≥2；SG表示系统中的n个灾害事件；R表示各个灾害事件间的关系；E表示灾害链所处的环境；
S302：获取灾害之间的联系：
f(SGi(t),Ri,j(t),SGj(t))＝0
式中，SGi(t)表示灾害链中的第i个灾害事件在t时刻的状态；SGj(t)表示灾害链中的第j个灾害事件在t时刻的状态；Ri,j(t)表示SGi(t)、SGj(t)二者在t时刻的相互关联关系，f表示t时刻SGi(t)通过作用因子Ri,j(t)对SGj(t)产生作用，使得SGi和SGj之间产生联系；
S303：根据灾害系统和灾害之间的联系，构建灾害链，灾害链包含多个灾害事件SG(t)，各灾害事件之间通过关联关系Ri,j(t)连接而成，并在外界环境E的作用下呈连锁链式结构演化，最终造成一系列灾害后果H(t)。
3.如权利要求1所述的灾害分析方法，其特征在于，S4中构建的降雨量模型为：
Figure FDA0002737349890000021
式中，q为平均降雨强度；A1是重现期一年时1min的降雨量；P为重现期；t为降雨历时；C为反映降雨强度随重现期的参数，b，n为反映降雨历时变化情况的参数，令A＝167A1(1+Clg P)，得到：
Figure FDA0002737349890000022
构建降雨量模型的步骤包括：
S4011：建立降雨强度与重现期之间的关系，根据降雨强度推算重现期；
S4012：根据重现期计算参数A，b，n，计算方式如下：
n＝0.762-0.023ln(P–0.836)
B＝14.314+0.248ln(P–0.836)
当重现期在1～10a时，A＝16.351+2.564ln(P–0.836)
当重现期在10～100a时，A＝17.210+2.688ln(P–3.422)
其中A是雨力，重现期的单位是a，表示年，不同重现期对应的A的计算公式不同；b是时间参数，n是暴雨衰减指数；
S4013：求雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
i(t)表示瞬时降雨强度，平均降雨强度q与瞬时降雨强度之间的关系表示为：
Figure FDA0002737349890000023
则瞬时降雨强度表达式为：
Figure FDA0002737349890000024
则雨峰前后的瞬时降雨强度表达式：
Figure FDA0002737349890000031
将上式化简得：
Figure FDA0002737349890000032
其中，i'(t)表示雨峰前的瞬时降雨强度，i”(t)表示雨峰后的瞬时降雨强度，雨峰的相对位置用雨峰系数η表示，取值范围为0～1，由历史降雨资料获得；ta为雨峰前的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ia；tb为雨峰后的降雨历时，对应的瞬时降雨强度为ib。
4.如权利要1所述的灾害分析方法，其特征在于，构建产流模型的方法包括：
S4021：计算下渗率f：
f＝fc+(f0-fc)e-kt
式中，f0为初始入渗率；fc为稳定入渗率；k为衰减系数；
S4022：获得产流速率计算公式：
地表尚未出现雨水流动的阶段称为初损阶段，降雨总量达到初损的时刻为ts，得到产流速率计算公式如下：
Figure FDA0002737349890000041
式中I'(t)为产流速率，mm/min；I(t)为瞬时降雨强度，mm/min。
5.如权利要1所述的灾害分析方法，其特征在于，构建汇流模型的方法包括：
S4031：计算等流时面上的产流量，第iΔt和第(i-1)Δt等流时线之间的区域面积为Si，在其上的产流量为：
Figure FDA0002737349890000042
式中，Ii为产流量；Δti是第i区域的汇流时间；
S4032：计算等流时面上的汇流量：
Figure FDA0002737349890000043
式中，Qi为第i个等流时面上的汇流量；Ii为该区域的产流量；
Figure FDA0002737349890000044
为第i条等流时线到出水口之间的区域的平均径流系数；
每个等流时面可能包含多种类型的地块，采用加权平均的方法求出每个区域的平均径流系数，公式如下：
Figure FDA0002737349890000045
式中，Si为某一等流时面上各类地面的面积；
Figure FDA0002737349890000046
为对应各地块类型的径流系数；
S4033：计算整个子流域的汇流量Q：
Q＝∑Qi。
6.如权利要1所述的灾害分析方法，其特征在于，步骤S4中构建的排水模型的方法具体包括：
采用经验公式进行排水能力计算：
q＝Kq0+q0′
式中，q为排水率；q0为设计排涝模数；K为综合系数；q0'为特殊原因导致的排水能力的变化；
排涝模数q0的计算方法如下：
Figure FDA0002737349890000051
式中，Rp为设计日降雨量；F为排水口流域的面积；m为峰量指数，反映洪峰与洪量的关系；n为递减指数，反映排涝模数与排水口流域面积的关系。
7.如权利要1所述的灾害分析方法，其特征在于，步骤S4中构建的积水模型为：
Qz＝∑[(Qi-q·Si)·Δti]
式中，Qz为积水点积水量；Qi为第i时段末积水点的汇流量；q为排水效率；Si为该区域的面积；Δti为单位汇流时间。
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