【摘要】：近年來,隨著極端氣候變化和城市化的快速發(fā)展,我國城市發(fā)生洪澇災害的頻率不斷增加。洪澇災害不僅造成社會經(jīng)濟損失,而且威脅城市居民生命健康。面對日益嚴峻的城市洪澇災害,除了借助工程措施,如擴建排水設施,提高城市排水防澇標準外,對城市展開洪水模擬及洪水彈性研究可以提高城市防災減災水平,是減少城市洪澇災害損失的重要非工程措施。目前,雖然城市洪水模擬等在城市洪水管理中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用,但尚需進一步對城市洪水高精度模擬進行研究。此外,我國對城市洪水彈性及其與洪水風險關系的研究相對較少,難以滿足城市洪水管理的需求。本文以倫敦和大連為研究對象,研究了考慮多源信息及城市地表特征的二維城市高精度洪水模擬、區(qū)域尺度的城市洪水彈性、柵格尺度的城市洪水彈性和風險以及基于實物期權的城市洪水管理措施應用。主要研究內(nèi)容及成果有以下幾個方面:(1)提出了一個新的考慮多源信息和城市地表特征的2D城市高精度洪水模擬整體框架。該框架將與洪水模擬精度相關的幾個處理方法結合在一起來提高洪水模擬結果的精度,這些方法主要包括洪水信息提取方法,地形中的關鍵城市地表特征處理方法以及洪水模型評估方法。首先,利用已有的城市洪水相關報告及從社交平臺獲得的洪水淹沒圖片提取洪水信息,并將其用于洪水模型參數(shù)設置。其次,在缺乏土壤下滲和排水管網(wǎng)排水能力數(shù)據(jù)的情況下,對2D模型中代表土壤下滲和排水管網(wǎng)排水的降雨扣除法和恒定下滲率法進行了對比研究。最后,對地形數(shù)據(jù)中的關鍵地表特征進行修正,研究其對洪水模擬結果的影響。結果表明:從社交平臺等搜集的洪水淹沒圖片通過ArcGIS處理后可以用于洪水模型參數(shù)設置和校核;恒定下滲率法可以較好地描述洪水退水過程,更適合用在2D洪水模型中;城市地表特征對洪水流動具有很大的影響,因此對這些重要的城市地表特征進行識別、修正對高精度城市洪水模擬是十分有必要的�；诳焖儆嬎隳Ｐ� Cellular AutomataDual-DraInagESimulation(CADDIES),本文構建的考慮多源信息和城市地表特征的2D城市高精度洪水模擬框架可以提高城市洪水模擬精度。(2)從區(qū)域尺度出發(fā),提出了借助系統(tǒng)性能函數(shù)量化區(qū)域洪水彈性的方法。選取大連市寺兒溝排水區(qū)為研究對象。首先,采用ArcGIS進行研究區(qū)自然集水區(qū)域的劃分。其次,借助CADDIES水動力洪水模擬結果,計算31個集水區(qū)域的洪水彈性,并且對影響洪水彈性計算的相關參數(shù)及輸入數(shù)據(jù)進行分析。結果表明:本文借助洪水淹沒面積(柵格數(shù)量)提出的區(qū)域洪水彈性計算方法可以用于分析不同區(qū)域?qū)τ诒┯暌u擊的抵御及恢復等能力,洪水彈性分析結果可以用于科學制定和實施區(qū)域防洪規(guī)劃等;對于洪水彈性較小的區(qū)域,其洪水彈性值對設計降雨歷時和雨峰系數(shù)比較敏感;區(qū)域洪水彈性受淹沒水深閾值hc影響,決策者應根據(jù)使用目的采用合理的水深閾值hc對區(qū)域洪水彈性進行分析。(3)為了彌補以區(qū)域為評價單元的方法的不足以及更好地指導城市排水設施改造等,本文開展了精細化的城市洪水彈性研究,提出了用于城市柵格尺度的洪水彈性量化方法,并將柵格洪水彈性與風險進行了對比分析。以倫敦Waterloo為例,借助CADDIES水動力學模擬結果計算研究區(qū)中2753369個柵格(水平精度5 m r 5 m)的洪水彈性和風險。結果表明:本文提出的柵格洪水彈性計算方法以及風險計算方法可以用于高精度城市洪水彈性、風險研究,從而可以幫助決策者容易識別城市中的高風險、低彈性等柵格的具體空間分布;柵格洪水風險和彈性均具有“一對多”特征,根據(jù)此特征可以做出洪水風險-彈性分區(qū)圖,即高風險-低彈性(Ⅰ)、高風險-高彈性(Ⅱ)、低風險-低彈性(Ⅲ)及低風險-高彈性(Ⅳ),這有助于城市洪水管理,提高城市防災減災水平;柵格洪水彈性受系統(tǒng)功能完全喪失時的水深閾值Hc影響,決策者應根據(jù)使用目的采用合理水深閾值Hc對柵格洪水彈性分析。(4)基于實物期權理論提出了在氣候變化不確定條件下采用Sustainable Urban Drainage Systems(SuDS)措施(綠色屋頂、生物滯留設施、滲透路面)對城市排水設施長期投資改造和成本效益評估的方法。為了減小城市內(nèi)澇損失及有效利用雨水資源,可以采用SuDS措施對城市排水系統(tǒng)進行改造。但是,在針對城市排水系統(tǒng)進行投資改造時,改造方案的效益容易受未來氣候變化不確定性影響,增加了投資決策的難度。因此本文采用實物期權方法來降低氣候變化不確定性對城市長期投資改造帶來的損失。結合UK Climate Projections(UKCP09)氣候變化數(shù)據(jù),利用三叉樹模型計算未來降雨的變化值及其相應的轉移概率。選取倫敦Waterloo區(qū)域進行實例研究,并且對固定改造和實物期權兩種改造方法進行了對比分析。結果表明:當采用相同種類的SuDS措施進行城市防洪排澇工程改造時,基于實物期權法生成的改造方案凈現(xiàn)值大于基于固定改造法生成的方案凈現(xiàn)值,即前者成本效益更好;隨著SuDS措施單位造價的增加,實物期權法比固定改造法具有更明顯的優(yōu)勢;在采用SuDS措施對城市進行洪水風險管理時,實物期權法具有處理氣候變化不確定性的能力。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU998.4
【圖文】：

作為世界上最大的發(fā)展中國家和世界第二大經(jīng)濟體，我國的城市化發(fā)展己經(jīng)進入快逡逑速發(fā)展階段。中國國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)顯示，從２００８年到２０１５年，中國的城市建成區(qū)逡逑面積增加了邋１．５８Ｘ邋１０４邋ｋｍ２，如圖１．２所示。２０１５年時，我國的城市化率己達到５６．１％，逡逑并且這一比例仍在持續(xù)增加。同時，我國很多城市現(xiàn)有的排水管網(wǎng)修建年代久遠、設計逡逑排水能力偏低等，導致很多城市頻頻遭受雨洪災害。據(jù)統(tǒng)計，２０１０年、２０１１年及２０１２逡逑年，我國遭受雨洪災害的城市分別有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襲，全市平均降雨量達到１７０ｍｍ，中心城Ｅ平均降雨量達到２１．５逡逑ｍｍ，暴雨中心房山區(qū)的降雨量甚至達到４６０ｍｍ。如圖１．３，北京“７．２１”暴雨導致城區(qū)逡逑下凹式立交橋出現(xiàn)６３處積水點，造成７９人死亡，全市受災人口邋１９０萬人，因災造成直逡逑接經(jīng)濟損失達１１６．４億元［１３，１４］。２０１３年７月，武漢市中心城區(qū)遭遇特大暴雨，降雨量達逡逑３３４邋ｍｍ

由于各個學科之間的差異，不同研宄對象和知識領域在使用彈性概念時仍存在很大逡逑的差異。概括起來，彈性可以分為兩大類：生態(tài)彈性（ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）和工程彈性逡逑（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）邋［７７］，而工程彈性和生態(tài)彈性的概念圖如圖１．４所示。生態(tài)彈性逡逑是指系統(tǒng)受到干擾后維持一種狀態(tài)的能力；而工程彈性是指系統(tǒng)從干擾中恢復的速度。逡逑雖然對于彈性的定義有差異，但是二者的內(nèi)涵基本是一致的。上述兩種定義都與系統(tǒng)的逡逑狀態(tài)和干擾有關，其中生態(tài)彈性注重強調(diào)系統(tǒng)改變前可以承受的干擾量，而工程彈性則逡逑強調(diào)干擾后恢復平衡需要的時間。盡管生態(tài)系統(tǒng)彈性研宄已經(jīng)取得了顯著的成就，但是逡逑彈性在工程領域的研宄相對還比較少［７７－８１］，尤其在城市水系統(tǒng)工程領域。近年來，面對逡逑全球頻發(fā)的洪水災害，城市洪水彈性逐漸得到了越來越多的關注和發(fā)展。２００７年，洪水逡逑彈性組織（ＦＲＧ）成立，旨在提高城市環(huán)境中的洪水彈性。２０１０年，基于歐盟的城市區(qū)逡逑域洪水彈性研究項目（ＣＯＲＦＵ），很多學者針對城市洪水彈性進行了研宄。２０１３年，逡逑在英國�？巳卮髮W召開了洪水彈性國際會議（ＩＣＦＲ）

圖１．５論文組織結構圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｔｈｅｓｉｓ逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2785888