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《天津大学》 2014年
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沿海城市暴雨潮位关联特性及洪涝风险分期控制研究

徐奎  
【摘要】:近十年来,随着全球变暖和我国城市化的迅猛发展,极端气象事件诱发的城市洪涝灾害越来越频发,尤其是沿海城市,这引起了人们越来越多的关注。对沿海城市而言,暴雨和潮位都是其主要的洪涝致灾因子,其联合风险概率和联合作用直接关系到洪涝风险的程度,进而影响到沿海城市防洪排涝系统设计及管理。因此,本文以沿海城市福州市为例,从多方面内容探讨了沿海城市暴雨和潮位的关联特性,并在此基础上提出适应环境变化的洪涝风险分期控制策略。本文的研究工作及成果主要包括以下几个方面:第一,统计分析了福州市降雨、潮位以及台风降雨的变化特征,量化了热带气旋对降雨的影响及贡献。结果表明:热带气旋对年降雨量贡献呈现逐渐降低的趋势,对7、8、9、10月份的降雨量占比均超过40%;对大暴雨天数占比达到50%以上;4级热带气旋对福州当地的降雨量贡献最大,年均达到76.67mm。第二,采用EM算法求解混合Von Mises分布模型参数,并用混合Von Mises拟合暴雨、极端降雨以及热带气旋降雨发生的时间分布,结果表明拟合效果较好,说明EM算法求解混合Von Mises分布模型参数是一种有效的方法。根据混合Von Mises拟合的发生时间分布规律,得出暴雨、极端降雨以及热带气旋降雨发生在7、8、9月份的概率非常大,超过50%,最高达到78%。第三,运用验证后的水系行洪排涝模拟模型,分析了各个水系的水力特征及水力联系,揭示了福州市主城区发生洪涝灾害的主要原因。结果表明:山区客水和城区洪水集中汇入、强降雨下中上游过流能力不足、高潮位顶托为福州城区洪涝灾害频发的主要原因。第四,量化了不同暴雨与潮位联合作用对洪涝灾损的影响,并提出了洪涝灾损及灾生的阈值条件。结果表明:1)对于福州主城区而言,当降雨小于20年一遇时,下游泵站可以有效的减轻洪涝灾损程度,反之泵站的作用效率很低;当降雨超过100年一遇时,下游泵站基本不起作用,反之泵站的作用才能体现。2)如果要有效减轻洪涝灾损程度,必须增大上游的蓄排能力。否则,仅在下游加大泵站建设,当降雨超过百年一遇时,泵站作用甚微。第五,建立了考虑环境变化的暴雨和潮位的联合风险概率模型,量化了环境变化对暴雨潮位联合风险率的影响。结果表明:1)对于福州而言,同时出现大暴雨与较高潮位的概率是很小的,但是自1985年以后,极端降雨与极端潮位组合风险概率显著增加,平均增长率超过300%。2)对于沿海城市而言,其防洪排涝工程的设计标准随着环境变化会发生变化,因此在未来的防洪排涝工程设计中,需先评估变化环境对洪涝风险因素的影响。第六,构建了考虑环境变化的洪涝风险分期控制优化模型。结果表明:取最优解时,总成本为14.26亿元。若不采用分期建设策略,则总成本为21.48亿元。这说明分期工程建设策略不仅能使管理者根据环境的变化更加灵活的制定防洪排涝规划,甚至在一定程度上更加节省成本。
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