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沿海台风风暴潮灾害复合情景模拟与应急避难研究-以上海为例

叶明武  
【摘要】:全球突发性自然-人为复合灾害事件日渐频繁,造成严重的生态环境破坏和人员伤亡,如何构建科学合理的防灾减灾体系已成为全球、国家和区域可持续发展进程中共同面临的科学难题。沿海地区因人口聚集、经济发达和气象灾害频发成为当前防灾减灾的重点区域。区域海平面的上升,叠加城市化过程中负面因素的干扰,促使沿海地区孕灾环境的加速演变,承灾系统抗灾能力下降。在监测预警技术和应急响应能力仍滞后的背景下,加强灾害情景模拟、风险评估与应急响应的集成研究将有助于沿海地区科学有效地应对各类突发性灾害事件。 在国家自然科学基金重点项目“沿海城市自然灾害风险应急预案情景分析(40730526)”、“中国沿海城市自然灾害风险评估体系研究(40571006)”和上海市科技启明星计划项目“基于情景分析的上海市自然灾害风险评估与区划研究(09QA1401800)”、华东师范大学优秀博士培养基金(No.2010033)等科研项目的支撑下,本论文紧密结合沿海地区应对极端台风风暴潮灾害的迫切需求,基于区域台风风暴潮灾害风险系统的驱动力-压力-状态-响应(DPSR)作用机制,提出构建集灾害复合情景模拟、灾害风险区划与预警、应急疏散模拟为一体的防灾应急避难理论与方法体系,并以上海为例开展实证研究。研究成果旨在为上海等沿海城市防灾应急疏散预案编制提供理论和技术支撑。本论文主要从以下方面开展理论与实证研究: 首先,从城市系统动力学角度,提出并构建沿海城市台风风暴潮灾害风险系统的D-P-S-R理论研究模式,即以台风-风暴潮等致灾因子为驱动力(D),分析海平面上升、地面沉降和冲淤变化等环境演变压力(P)背景下承灾体的风险状态(S),从风险区划、预警发布和应急疏散探讨响应策略(R),深入探讨了风险系统各要素的自身内涵以及要素间的作用关系,由此初步形成城市灾害风险系统动力学研究范式,补充和完善当前自然灾害风险评估与控制的理论方法体系。 其次,依据情景分析和风险评估基础理论,综合得出台风风暴潮灾害风险是由时间情景、空间情景和强度情景复合而成;通过定性描述与定量赋值相结合的方式确定台风风暴潮灾害复合情景的因子构成,采用递推法组合了低风险、中风险、高风险三类层次的情景矩阵;在二维水动力模型MIKE HD和GIS空间分析技术的支持下,实现了各类复合情景下台风风暴潮的增水-漫堤-溃堤-淹没演进过程模拟,对模拟结果进行数据输出并构建灾害情景风险数据库,通过GIS可视化和专题制图技术实现灾害风险区划与预警分级。 第三,基于灾害风险复合情景模拟的时空序列结果,分析某给定情景下人群的时空活动特征,并建立了受灾避难人口数量及空间分布数学预测模型,以此确定沿海城市防洪应急避难的情景需求;通过对学校等开放空间的防洪避难适宜性评价遴选备选避难场所;应用区位配置理论之集合覆盖模型实现避难场所的服务区划;基于防洪应急避难网络系统,应用最优路径疏散算法实现了应急疏散过程的动态模拟;综上,建立集灾害场景构建、避难场所选址与服务区划、动态疏散模拟于一体的防洪应急避难服务体系,为城市防洪应急响应工作的快速有效开展提供理论与方法的支撑。 第四,基于SimpleGIS二次开发平台,采用VC#+AE的开发模式,完成沿海城市台风风暴潮灾害风险区划与应急避难系统的整体架构设计和桌面系统研发,初步实现了灾害风险区划、应急避难等若干工具的有效集成,基本满足灾害研究的一体化和可视化的功能需求,为应急疏散预案的动态和可视化编制提供了有效途径,对于防灾减灾部门指导灾害实践具有一定的应用价值。 最后,基于上述的理论方法和工具集,以上海为例开展了区域台风风暴潮灾害的复合情景模拟与应急避难研究,结果表明,现今至2030年上海地区主要验潮站潮位增长速率为2-3mm/a,年均地面沉降速率约为2mm/a,区域相对海平面上升趋势明显,孕灾环境加速演变;现有海堤工程面临着1000年一遇台风风暴潮威胁,浦东和金山地区海堤存在4个高风险溃堤断面,亟需加强工程防御和应急体系建设;复合情景2010 P3 K1模拟结果显示,金山区受灾范围为金山卫镇、山阳镇和石化街道,避难人口为150994人,采取应急区划和分阶段疏散模拟,完成整体疏散共需46.02分钟,灾害风险区划与应急避难分析工具集对于应急疏散预案的动态、可视化编制具有重要的辅助决策作用。


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