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暴雨洪涝灾害风险评价与管理研究
 

 
项目支持:
应用GIS 进行水害风险评价与防灾对策系统的建立,日本学术振兴会资助项目;提高社会防灾能力实证研究——城市洪水风险评价、预警与管理对策优化模型研究,日本文部科学技术省重大项目子项目;松花江流域洪泛区社会经济数据空间化,亚行贷款松花江洪水管理项目协调办、水利部松辽水利委员会;松辽流域实时水情信息查询系统,水利部松辽水利委员会。
 

 

    洪涝灾害是指通常所说的洪灾和涝灾的总称,它是由于一次短时或连续的强降水过程(暴雨)致使江河洪水泛滥淹没农田和城乡或因长期降雨等产生积水或径流淹没低洼土地,造成农业或其他财产损失和人员伤亡的一种灾害。洪灾,即洪水灾害是指过量降水造成的河水冲垮堤坝,淹没耕地,冲毁房屋,或突发的山洪冲毁耕地,冲走人畜等现象;涝灾,也称为雨涝灾害或涝渍灾害,是指长期大雨或暴雨造成的洼地积水不能及时排除,从而因渍生灾的现象,其中,把因积水过多而造成的灾害称为涝灾,而把在低洼地区因地下水过高,土壤水分长期处于饱和状态而造成的灾害称为渍灾。由于洪灾和涝害往往同时发生,在大多数情况下很难区分,所以常统称为洪涝灾害,亦泛称水灾。二者在概念上的区别是,洪水灾害指的是因暴雨急流或河湖泛滥所造成的灾害;雨涝是指因渍水、淹没造成的灾害。雨涝主要危害农作物生长,造成农作物减产或绝收;洪水除危害农作物外,还破坏房屋、建筑、水利工程设施、交通设施、电力设施等,并造成不同程度的人员伤亡。由于洪水和雨涝往往同时或连续发生在同一地区,所以进行灾情调查统计和分析研究时,大多难以准确界定区别,此时统称为洪涝灾害。雨水过多常常会引起洪涝灾害,而一个地区某一时段的大量降水,又往往是一场或几场暴雨的结果,所以暴雨是造成洪涝的主要原因,以致人们把洪涝称为暴雨洪涝。
   
主要研究成果:

    本文在概述了洪涝灾害的涵义、主要类型、基本特征、形成机制、洪涝灾害风险的内涵和概念框架的基础上,以日本的山口县、名古屋的新川城市化洪泛区和中国的辽河中下游为示范区,借助“3S”技术、自然灾害风险评价技术、计算机模拟技术和风险管理方法及各种数量化方法对暴雨洪涝灾害风险评价与管理的理论、基本程式、方法进行了系统研究。

 
 
主要研究成果图:
 
 
 


图1 雷达回波水平分布(PPI)影像示例图
(1998年7月21日23时33分22秒(左图)-1998年8月17日09时54分30秒(右图))
 

 
 

    图2 是1998年7月21日23时18分20秒和8月17日10时03分42秒的垂直方向上雷达回波(RHI)的分布图。从7月21日23时18分20秒的分布图可以看到,回波顶部的高度是低于10Km,中层存在着较强的回波,表明在这个高度的附近有着较强的上升气流存在。8月17日10时03分42秒的时候,回波顶部的高度超过10Km,较强的回波集中在下层,表明基本上没有较强的上升流存在。
 

 
 


图2 雷达回波垂直分布(RHI)影像示例图
(1998年7月21日23时18分20秒(左图)-1998年8月17日10时03分42秒(右图))
 

 

    图3是1998年8月17日09时51分30秒~09时59分31秒不同仰角下的PPI雷达回波分布图。这样通过不同时间不同仰角的雷达回波分布(RHI)可以全面、及时地捕捉到观测范围内的大范围的降雨现状和雨域的移动方向。
    图4是1998年7月21日22时03分~7月22日00时33分每30分钟的雷达回波的水平分布(PPI)的时间变化图。从分布图可以判定,在山口县存在着从西南向到东北延伸的带状回波,其中在相同方向上存在一条比较强的回波带。图5是利用雷达数据的移动计算方法计算得到的图4所示的降雨域的移动计算结果结果。图6是1998年7月21日22时03分~7月22日00时33分每30分钟的雷达回波的垂直分布布(RHI)的时间变化图。
 


图3 不同仰角的雷达回波水平分布示例图
(1998年8月17日9时51分30秒-9时59分31秒、RANGE: 60km)

 


图4 雷达回波水平分布的时间变化示例图
(1998年7月21日22时03分-7月22日00时33分、EL: 5.8°、RANGE: 60km)
 


图5 降雨区移动计算结果示例图
 


图6 雷达回波垂直分布的时间变化图
(1998年7月21日22时18分37秒-23时48分46秒、AZ:315°、RANGE:60Km)
 

    山口县表示暴雨灾害风险素因的5个指标的空间分布特征如图7所示。总体分布规律表现为:人口密度和每km2的国民生产总值、地形指数主要在濑户内海侧较大,而植被指数和土壤指数相反,在日本海侧和内陆地区较大。
 


图7 山口县地形指数、土壌指数、植生指数、人口密度及1km2国民生产总值空间分布图

   
    山口县1965年到1994年的30年间由暴雨造成的被害人数、被害房屋数和被害金额的空间分布如图8所示。被害人数最多的地区包括山口市、岩国市、小野田市、萩市、田万川町、須佐町等;被害房屋最多的地区有山口市、宇部市、岩国市、豊北町等;被害金额最多的地区有山口市、防府市、宇部市等,暴雨引起的被害表现出明显的区域差异特征。
 


图8 山口县暴雨灾害损失空间分布图


 


图9 山口县暴雨灾害风险图

   
    本研究选取日本中部地区爱知县名古屋市附近的城市化洪泛区为研究示范区(图9)。该区包括名古屋市的西枇杷岛区、新川区、名古屋西区以及北区。
 


图10 研究区域的位置和范围


    为便于格网统计,日本建立了一套完整的基于格网系统的统计模式。统计格网分为两种:一种是边长约为1km的基准地域格网,另一种是在人口比较集中地区进一步再分为边长为500m的1/2地域格网。在这些格网地域上会定期进行国势调查(如人口、家庭、住宅等信息)以及事业所、企业单位调查,调查结果由日本总务省统计局负责向社会出版。由于原始数据的格式是格网式的,因此本研究使用的空间分析方法是格网法。根据格网法的基本概念,不同种类的格网都可以利用GIS技术来生成,如图10。
 


图11 不同类型网格生成及坐标变换

 
    本研究假设由于不同重现期的降水导致堤防出现破堤,为了进行不同情况下的期望损失评估,就需要用到情景模拟,这主要包括基础(设计)洪水评估和破堤情况分析等。假定新川左岸破堤,基于基础(设计)洪水评估方法和破堤情况分析方法进行三种情景模拟:20年、30年和100年重现期的东海洪水情景模拟(图21)。
 


图12 新川地区情景模拟分析


    图12表示了研究区的DEM和500米×500米格网。
 


图13 研究区的DEM和500米×500米格网


    1999年日本名古屋的新川洪泛区遭受严重洪水灾害,图13表示该区破堤后洪水演进的模拟。水流动态一旦被模拟,就可以计算出风险大小。本研究中洪泛区格网仅包含数字高程数据,街道网和大型建筑物对洪水灾害的影响在模型中并没有被很好地表示出来。在下一步研究中,将把不同类型的格网综合起来研究,以把洪水在所有因子综合作用下的变化情况表现出来。
 


图14 新川洪泛区洪水模拟

   
    GIS 是收集、存储、处理、更新、输出和显示空间数据的基本工具,因此可以用GIS来绘制结果图,如图14、15、16、17、18和19所示。
 


图15 新川盆地建筑物分布图
 


图16 建筑物的空间分布
 


图17 建筑物结构的脆弱性空间分布
 


图18 建筑物的地面坡度
 


图19 研究区的地面坡度
 


图20 破堤120分钟内建筑物结构损失的空间分布
 

 
    此外,为了获得洪水演进的情景,用到三维制作和动态显示,结果用图表示如下。
 


图21 洪水过程模拟(I)
 


图22 洪水过程模拟(II)
 


图23 洪水过程模拟(Ⅲ) 
(新川破堤120分钟时的洪水淹没情况)
 


图24 洪水灾害风险曲线示例 
 


                        图25 辽河中下游危险性区划图                                图26 辽河中下游暴露性区划图


                        图27 辽河中下游脆弱性区划图                            图28 辽河中下游防灾减灾能力区划图



图29 辽河中下游风险区划图



 

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