风暴洪水复合情景模拟方法构建与实证研究

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河口三角洲是社会经济高度集聚的区域,也是海、河、陆自然地理单元的结合部,极易受到人类活动导致的海陆地形演变和气候变化造成的海平面上升、极端台风风暴潮等的影响。随着人类活动对生态环境影响的迅速扩大,沿海极端灾害事件频发,潜在破坏力也不断增加,已成为目前国际社会普遍关注的重大问题。因此,及时有效地对河口三角洲地区的极端灾害风险展开研究显得十分必要。本研究立足长江河口三角洲前缘地区——上海,运用灾害复合情景分析方法,在研究风暴洪水直接致灾因子和间接影响因素的趋势变化基础上,以2010年为基准年份,2030年(近期)和2050年(中长期)为目标年份开展实证研究,并探讨风暴洪水影响机理和防范策略。主要研究工作和结论如下:(1)风暴洪水直接致灾因子和间接影响因素的趋势预测:基于CMA_STI热带气旋最佳路径数据集,运用概率统计方法和确定论方法推算研究区直接致灾因子的强度,即登陆时最低中心气压为920hPa;12条设计路径的确定则采用以TC9711、TC8114、TC0012、TC0205和TC1109等历史上典型台风路径为模板进行平移的方法。间接影响要素中,海平面上升值采用IPCC AR5中RCP8.5情景下的最大预测值;区域地面沉降信息是基于1980-2005年年均沉降速率获得;海塘沉降速率则采用上海地区海堤历史沉降监测数据获得;近岸海床冲淤变化则是利用2002-2010年(三峡工程建成以来)的平均冲淤速率计算求得。(2)研究区风暴洪水模拟模型构建:运用MIKE 21二维水动力模型,计算域覆盖中国东部海域;基于研究区高精度地形数据搭建逐层加密的非结构嵌套网格地形,外海开边界则由全球潮汐预测模型DTU 10逐时步推算得到。以历史上TC9711、TC0216等数场典型风暴洪水期间的多个验潮站监测数据(潮位、风速等)为控制参数,选取糙率系数、涡粘系数、时间步长等部分常用敏感性参数进行率定,模拟潮位的振幅和相位均与实测值吻合较好;对比考虑和不考虑波浪辐射应力的潮位情况,长江口与杭州湾的两个潮位站平均值之比分别为1.07和1.09,因此本文风暴洪水模拟模型中不考虑波浪辐射应力的作用。(3)风暴洪水灾害复合情景方法构建与危险性模拟:选取台风路径、登陆参考点和中心气压,以及海平面上升、陆域和海塘沉降、海床冲淤等关键情景要素进行科学组合,构建未来时间情景下风暴洪水复合情景矩阵,共108场情景。将上述台风情景及间接影响因素为输入条件,开展风暴洪水过程动态模拟,结果显示综合情景下风暴洪水远大于各单情景要素引起的风暴洪水,并以正面登陆类台风为最严重,其中2050年4场正面登陆类台风造成的高淹没区面积分别为70.83km2、126.86km2、145.18km2、139.72km2,主要集中在中心城区东北部,包括新江湾城、长白新村、曲阳路等街道。这表明,在不提升任何工程防御标准的前提下,研究区未来时间情景下受风暴洪水影响较大。(4)研究区风暴洪水灾害影响机理研究:在风暴增水时空特征分析的基础上,采用一元二次模型,对各情景下的模拟极值潮位和相应的风暴洪水淹没面积.做相关性分析,2030年情景下相关系数最高值为0.825,2050年情景下相关性不显著。运用分离评判法定量分析各影响因素的贡献率,结果显示2010-2030年期间,海域冲淤对风暴洪水影响区面积贡献较大,最高达40.27%;在2010-2050年期间,海平面上升和陆域沉降对灾害形成过程的影响较大。基于上述风暴洪水模拟结果,利用GIS空间分析法对综合情景模拟结果进行空间运算,2030年和2050年高淹没危险区面积分别为25.88km2和180.95km2,其中2050年情景下淹没区以公共设施用地、居住用地和农用地为主,占52.35%;结合人口和GDP数据进行社会经济风险评估,将指标进行归一化处理后显示综合脆弱性最高级在2050年为45.42km2;根据评估结果和主导情景因素分析,将上海市风暴洪水中高危险区分为长宁、杨浦、虹口、闸北和黄浦5个受灾片区,利用2050年人口数进行应急疏散模拟,进而针对性提出了保护城市水源涵养区、开挖城市蓄水空间、提高部分海塘设防水平、加强城市排涝系统建设、优化城市应急避难场所布局、新建挡潮闸、开辟分洪区等极端风暴洪水的空间应对策略。
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