CN114357713A - 一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法。所述方法包括以下步骤：构建城市洪涝一二维耦合模型并划分网格单元；模拟得到与降雨序列相对应的各网格单元各时段的地表淹没水深和水流流速；划分各网格单元的土地利用类型；确定土地利用类型属于非交通用地的网格单元各时段的***性能；确定土地利用类型属于交通用地的网格单元各时段的***性能；确定各网格单元的***性能受影响时长；改进基于网格的弹性评估方法，确定各网格单元的时段平均弹性。本发明反映城市***对洪涝灾害抵抗、适应和恢复能力，从而更好地实现对城市洪涝灾害风险的区划。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域为城市洪涝灾害风险评估，具体涉及一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法。
背景技术
21世纪以来，由气候变化引起的灾害风险及其发生频次不断增加，城市化所带来的雨岛效应、热岛效应进一步加剧了自然***原有的水文循环规律的改变，增加了区域***水文过程的不确定性，短历时暴雨强度和发生频率增大。我国洪涝灾害频繁，为更好地应对洪涝等极端水文事件所带来的不利影响，我国提出建设海绵城市、韧性城市。基于此，城市在面对洪涝灾害时所具有的弹性及其在风险评估中的作用受到了重点关注。目前而言，关于城市***面对洪涝弹性的度量主要分为两类，一类主要针对较大尺度的城市***，选取洪涝弹性相关指标，采用多指标加权集合的方法对弹性指标进行定量评估计算，如Bertilsson等(Bertilsson,L.,Wiklund,K.,de Moura Tebaldi,I.,et al.Urban floodresilience–A multi-criteria index to integrate flood resilience into urbanplanning[J].Journal of Hydrology,2019,573:970–982.)基于前人的研究，综合考虑城市排水***长期抵抗侵扰并持续提供排水服务、城市地区从洪涝损失中恢复以及城市***疏散洪水并恢复正常运作等三方面的能力对指标FResI进行改进，提出了名为SpatializedUrban Flood Resilience Index(S-FRESI)的洪涝弹性指标。另一类则主要针对较小尺度的城市***，基于网格和***性能曲线确定弹性指标，较前一种方法则能反映***性能在面对洪涝灾害时随时间的变化过程，如Wang等(Wang Y.,Meng F.,Liu H.,etal.Assessing catchment scale flood resilience of urban areas using a gridcell based metric[J].Water Research,2019,163:114852.)提出了一种基于***性能曲线的网格尺度的弹性度量方法，以是否发生淹没的两种状态为标准，对网格的***性能赋值为0或1。Chen等(Chen,J.,Chen,W.,Huang,G.Assessing urban pluvial floodresilience based on a novel grid-based quantification method that considershuman risk perceptions[J].Journal of Hydrology,2021,601:126601.)基于此做出改进，将网格***性能的取值范围扩展为1到0的任意值，从而更好地体现网格的***性能在面对洪涝灾害时逐渐变化的过程和变化的程度。然而，当前基于网格的弹性评估方法只考虑***性能变化程度，在评估量化弹性的过程中只考虑地表淹没水深影响而忽略***性能受影响时长和水流流速对洪涝弹性的影响，且在确定***性能变化的水深阈值时，需要考虑研究区所含建筑物、树木、草地、农作物等的状态，具有一定的主观性和地域性。此外，目前国内外针对弹性的相关研究相对较少，对弹性在洪涝灾害风险中所起的作用以及两者之间的联系是未来需要深入探索的方向之一。在建设韧性城市的背景下，对弹性评估方法进行改进，可更准确地评估城市***面对洪涝灾害时所具有的弹性以及洪涝对不同土地利用类型实际功能的影响，反映城市***对洪涝灾害的抵抗、适应和恢复能力，从而更好地区划城市洪涝灾害风险。
发明内容
为改进现有的基于网格及***性能曲线的弹性评估方法，使其能更准确地反映人类社会物理环境在应对洪涝灾害时的抵抗、恢复和适应能力，本发明基于***性能变化程度、***性能受影响时长、***性能曲线改进现有的弹性评估方法，在考虑***性能变化程度以及地表淹没水深的同时，考虑***性能受影响时长以及水流流速对洪涝弹性的影响，并借助HR阈值法所含经验公式划分***性能变化阈值，在确定具有行洪作用的交通用地的***性能时，从行人和车辆的受力物理机制出发，考虑行人和车辆在不同水深以及水流流速下的失稳状态，以临界流速量化***性能变化阈值，从而降低弹性评估过程中阈值的主观性和地域性。
本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。
一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，包括以下步骤：
S1、基于研究区实际情况构建城市洪涝一二维耦合模型并划分网格单元；
S2、基于城市洪涝一二维耦合模型模拟得到与降雨序列相对应的各网格单元各时段的地表淹没水深和水流流速；
S3、划分各网格单元的土地利用类型，包括非交通用地和交通用地；
S4、对土地利用类型属于非交通用地的网格单元，确定其各时段的HR值；
S5、参考HR阈值法中对阈值的确定方法，确定土地利用类型属于非交通用地的网格单元各时段的***性能；
S6、对土地利用类型属于交通用地的网格单元，确定该网格单元各时段地表淹没水深下使行人或车辆开始失稳的临界流速并作为该网格单元的***性能变化的阈值；
S7、确定土地利用类型属于交通用地的网格单元各时段的***性能；
S8、确定各网格单元的***性能受影响时长；
S9、改进基于网格的弹性评估方法，确定各网格单元的时段平均弹性。
进一步地，步骤S1中，通过已有的城市洪涝模型软件，包括InfoWorks ICM，构建研究区的城市洪涝一二维耦合模型，划分得到研究区非结构化网格单元。
进一步地，步骤S2中，基于所构建城市洪涝一二维耦合模型中的二维模型在单场次降雨序列下的模拟结果，得到各个网格单元在各时段的地表淹没水深以及地表水流流速。
进一步地，步骤S3中，基于已有的土地利用类型分布数据，利用可分辨和提取土地利用类型分布的软件，包括ArcGIS，确定各网格单元的土地利用类型。
进一步地，步骤S4中，对土地利用类型属于非交通用地的网格单元i，参考HR阈值法，利用公式(1)确定其各时段的HR值，具体如下：
HR(i,t)＝d(i,t)(v(i,t)+0.5)+DF(i,t)； (1)
其中，HR(i,t)表示网格单元i在t时刻的淹没情况对人类造成的危险性；d(i,t)为网格单元i在t时刻的地表淹没水深，单位为m；v(i,t)为网格单元i在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；DF(i,t)为网格单元i在t时刻的泥石系数，与土地利用类型及不同时刻的水深和流速有关，具体取值如下：
若0≤网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)＜0.25m，则土地利用类型属于草地/耕地、林地和城市的网格单元i在t时刻的泥石系数均为0；
若0.25m≤网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)＜0.75m，则土地利用类型属于草地/耕地、林地或城市的网格单元i在t时刻的泥石系数分别为0、0.5或1；
若网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)≥0.75m或网格单元i在t时刻的地表水流流速v(i,t)≥2m/s，则土地利用类型属于草地/耕地、林地或城市的网格单元i在t时刻的泥石系数分别为0.5、1或1。
进一步地，步骤S5中，参考HR阈值法中对阈值的确定方法，利用公式(2)确定非交通用地网格各时段的***性能，具体如下：
其中，p(i,t)为网格单元i在t时刻的***性能。
进一步地，步骤S6中，对土地利用类型属于交通用地的网格单元j，利用公式(3)确定该网格单元j各时段地表淹没水深所对应的使行人或车辆失稳的临界流速，并以此作为该网格单元j的***性能变化的阈值，具体如下：
其中，Uc(j,t)为网格单元j在t时刻下行人或车辆开始失稳的临界流速，单位为m/s；hf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表淹没水深，单位为m；
由于以上公式的成立基于行人在地表淹没水深达到1.52m时完全失稳，SUV类型的车辆在地表淹没水深达到0.6m以及小轿车类型的车辆在地表淹没水深达到0.4m时完全失稳的假设，当网格单元j在t时刻的地表淹没水深超出1.52m时，无需再以临界流速作为***性能变化的阈值，网格单元j的***性能直接为0。
进一步地，步骤S7中，根据公式(4)确定土地利用类型属于交通用地的网格单元j各时刻的***性能；
其中，Uf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；p(j,t)为网格单元j在t时刻的***性能。
进一步地，步骤S8中，根据步骤S5和步骤S7中确定的各网格单元在各时段的***性能，统计整个研究时段内各网格单元***性能取值不为1的总时长，以此作为各网格单元的***性能受影响时长。
进一步地，步骤S9中，基于***性能曲线，根据公式(5)和公式(6)确定各网格单元的时段平均弹性，具体如下：
其中，R(i)和R(j)分别为网格单元i和网格单元j的时段内平均弹性；p(i,t)和p(j,t)分别为网格单元i和网格单元j在t时刻的***性能；tn为研究时段的总时长，单位为h；ti和tj分别为网格单元i和网格单元j的***性能受影响时长，单位为h。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
通过对已有的弹性评估方法进行改进，在考虑***性能变化程度以及地表淹没水深的同时，考虑***性能受影响时长以及水流流速对洪涝弹性的影响，并借助HR阈值法所含经验公式划分***性能变化阈值。在确定具有行洪作用的交通用地的***性能时，从行人和车辆的受力物理机制出发，考虑行人和车辆在不同水深以及水流流速下的失稳状态，以临界流速作为***性能变化阈值，从而弥补当前基于网格的弹性评估方法只考虑***性能变化程度，在评估弹性过程中只考虑地表淹没水深影响而忽略***性能受影响时长和水流流速对洪涝弹性的影响的缺点，并降低在确定***性能阈值时的主观性和地域性，以更准确地评估城市***面对洪涝灾害时所具有的弹性以及洪涝对不同土地利用类型实际功能的影响，反映城市***对洪涝灾害抵抗、适应和恢复能力，从而更好地实现对城市洪涝灾害风险的区划。
附图说明
图1为实施本发明一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法的示意图；
图2为应用于本发明弹性评估过程的***性能曲线示意图；
图3为应用于深圳市民治片区实施例的四种设计暴雨过程示意图。
具体实施方式
本发明为一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，目前已应用于深圳市民治片区等，以下结合在深圳市民治片区的四个实施例及其附图对本发明的具体实施作进一步说明。下面参考的附图仅是示例性质的，本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、基于研究区实际情况构建城市洪涝一二维耦合模型并划分网格单元；
首先构建深圳市民治片区基于Infoworks ICM的城市洪涝一二维耦合模型，确定模型中的2D区间和二维计算区域，之后利用2D区间划分得到研究区非结构化网格单元共40989个。其中所构建的InfoWorks ICM模型的2D区间及网格化区间相关参数如表1所示。
表1 2D区间及网格化区间相关参数表
S2、基于城市洪涝一二维耦合模型模拟得到与降雨序列相对应的各网格单元各时段的地表淹没水深和水流流速；
以深圳市民治片区10年一遇、20年一遇、50年一遇及100年一遇共四个设计暴雨重现期，历时2h且时间间隔为5分钟的降雨序列为单场次降雨时间序列，如图3所示，在Infoworks ICM中设置模拟总时长为8h，模拟得到各网格单元在四个设计暴雨重现期，即四个实施例下的逐时段地表淹没水深及地表水流流速。
S3、划分各网格单元的土地利用类型，包括非交通用地和交通用地；
基于已有的深圳市民治片区土地利用类型分布矢量图，在ArcGIS中利用相交工具，划分得到各网格单元所属土地利用类型，统计得到非交通用地类型和交通用地类型网格的数量及所占面积，如表2所示。
表2不同类型网格数量及所占面积
S4、对土地利用类型属于非交通用地的网格单元，确定其各时段的HR值；
对土地利用类型属于非交通用地的网格单元i，参考HR阈值法，利用公式(1)确定其各时段的HR值，具体如下：
HR(i,t)＝d(i,t)(v(i,t)+0.5)+DF(i,t)； (1)
其中，HR(i,t)表示网格单元i在t时刻的淹没情况对人类造成的危险性；d(i,t)为网格单元i在t时刻的地表淹没水深，单位为m；v(i,t)为网格单元i在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；DF(i,t)为网格单元i在t时刻的泥石系数，与土地利用类型及不同时刻的水深和流速有关，具体可按表3进行取值。
表3 DF取值表
S5、参考HR阈值法中对阈值的确定方法，确定土地利用类型属于非交通用地的网格单元各时段的***性能；
利用公式(2)确定非交通用地网格各时段***性能，具体如下：
其中，p(i,t)为网格单元i在t时刻的***性能。
S6、对土地利用类型属于交通用地的网格单元，确定该网格单元各时段地表淹没水深下使行人或车辆开始失稳的临界流速并作为该网格单元的***性能变化的阈值；
对土地利用类型属于非交通用地的网格单元j，利用公式(3)确定该网格单元j各时段地表淹没水深所对应的使行人或车辆失稳的临界流速，并以此作为该网格单元j的***性能变化的阈值，具体如下：
其中，Uc(j,t)为网格单元j在t时刻时行人或车辆开始失稳的临界流速，单位为m/s；hf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表淹没水深，单位为m；在深圳市民治片区的四个实施例中，统计得到四种设计暴雨重现期下各交通用地网格单元的最大和最小***性能变化阈值。
由于以上公式的成立基于行人在地表淹没水深达到1.52m时完全失稳，SUV类型的车辆在地表淹没水深达到0.6m以及小轿车类型的车辆在地表淹没水深达到0.4m时完全失稳的假设，当网格单元j在t时刻的地表淹没水深超出1.52m时，无需再以临界流速作为***性能变化的阈值，网格单元j的***性能直接为0。
S7、确定土地利用类型属于交通用地的网格单元各时段的***性能；
根据公式(4)确定土地利用类型属于交通用地的网格单元j各时刻的***性能；
其中，Uf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；p(j,t)为网格单元j在t时刻的***性能。
S8、确定各网格单元的***性能受影响时长；
在深圳市民治片区的四个实施例中，根据步骤S5和步骤S7中确定的各网格单元在各时段的***性能，统计模拟总时长8h内各网格单元***性能取值不为1的总时长，以此作为各网格单元的***性能受影响时长。统计得到四个实施例中不同类型网格单元的***性能平均受影响时长，如表4所示。
表4各实施例中网格单元的***性能平均受影响时长
S9、改进基于网格的弹性评估方法，确定各网格单元的时段平均弹性；
借助***性能曲线并假定相邻时段之间的***性能为线性变化，将其简化为由各网格各时段和其相邻下一时段的***性能取值以及横轴所围成的梯形面积的总和；根据公式(5)和公式(6)确定各网格单元的时段平均弹性，具体如下：
其中，R(i)和R(j)分别为网格单元i和网格单元j的时段内平均弹性；p(i,t)和p(j,t)分别为网格单元i和网格单元j在t时刻的***性能；tn为研究时段总时长，单位为h；ti和tj分别为网格单元i和网格单元j的***性能受影响时长，单位为h。
在本说明书叙述中提到的相同或类似的符号和标注，代表相同或近似的物理意义或具有相同或近似的功能，并且本说明书中所使用的图例，仅仅是为了更好地解释本发明，本发明的适用性并不限制于此。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例做出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。
本发明为一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，根据说明书提供的示例及相关步骤，可用于对城市地区的洪涝弹性及洪涝灾害风险评估中。本发明基于网格及***性能曲线，通过对已有的弹性评估方法进行改进，在考虑***性能变化程度以及地表淹没水深的同时，考虑***性能受影响时长以及水流流速对洪涝弹性的影响，并借助HR阈值法所含经验公式划分***性能变化阈值。在确定具有行洪作用的交通用地的***性能时，从行人和车辆的受力物理机制出发，考虑行人和车辆在不同水深以及水流流速下的失稳状态，以临界流速作为***性能变化阈值，从而弥补当前基于网格的弹性评估方法只考虑***性能变化程度，在评估弹性过程中只考虑地表淹没水深影响而忽略***性能受影响时长和水流流速对洪涝弹性的影响的缺点，并降低在确定***性能阈值时的主观性和地域性，以更准确地评估城市***面对洪涝灾害时所具有的弹性以及洪涝对不同土地利用类型实际功能的影响，反映城市***对洪涝灾害抵抗、适应和恢复能力，从而更好地实现对城市洪涝灾害风险的区划。
Claims (10)
1.一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于研究区实际情况构建城市洪涝一二维耦合模型并划分网格单元；
S2、基于城市洪涝一二维耦合模型模拟得到与降雨序列相对应的各网格单元各时段的地表淹没水深和水流流速；
S3、划分各网格单元的土地利用类型，包括非交通用地和交通用地；
S4、对土地利用类型属于非交通用地的网格单元，确定其各时段的HR值；
S5、参考HR阈值法中对阈值的确定方法，确定土地利用类型属于非交通用地的网格单元各时段的***性能；
S6、对土地利用类型属于交通用地的网格单元，确定该网格单元各时段地表淹没水深下使行人或车辆开始失稳的临界流速并作为该网格单元的***性能变化的阈值；
S7、确定土地利用类型属于交通用地的网格单元各时段的***性能；
S8、确定各网格单元的***性能受影响时长；
S9、改进基于网格的弹性评估方法，确定各网格单元的时段平均弹性。
2.根据权利要求1所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S1中，通过已有的城市洪涝模型软件，包括InfoWorks ICM，构建研究区的城市洪涝一二维耦合模型，划分得到研究区非结构化网格单元。
3.根据权利要求1所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S2中，基于所构建城市洪涝一二维耦合模型中的二维模型在单场次降雨序列下的模拟结果，得到各个网格单元在各时段的地表淹没水深以及地表水流流速。
4.根据权利要求1所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S3中，基于已有的土地利用类型分布数据，利用可分辨和提取土地利用类型分布的软件，包括ArcGIS，确定各网格单元的土地利用类型。
5.根据权利要求1所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S4中，对土地利用类型属于非交通用地的网格单元i，参考HR阈值法，利用公式(1)确定其各时段的HR值，具体如下：
HR(i,t)＝d(i,t)(v(i,t)+0.5)+DF(i,t)； (1)
其中，HR(i,t)表示网格单元i在t时刻的淹没情况对人类造成的危险性；d(i,t)为网格单元i在t时刻的地表淹没水深，单位为m；v(i,t)为网格单元i在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；DF(i,t)为网格单元i在t时刻的泥石系数，与土地利用类型及不同时刻的水深和流速有关，具体取值如下：
若0≤网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)＜0.25m，则土地利用类型属于草地/耕地、林地和城市的网格单元i在t时刻的泥石系数均为0；
若0.25m≤网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)＜0.75m，则土地利用类型属于草地/耕地、林地或城市的网格单元i在t时刻的泥石系数分别为0、0.5或1；
若网格单元i在t时刻的地表淹没水深d(i,t)≥0.75m或网格单元i在t时刻的地表水流流速v(i,t)≥2m/s，则土地利用类型属于草地/耕地、林地或城市的网格单元i在t时刻的泥石系数分别为0.5、1或1。
6.根据权利要求5所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S5中，参考HR阈值法中对阈值的确定方法，利用公式(2)确定非交通用地网格各时段的***性能，具体如下：
其中，p(i,t)为网格单元i在t时刻的***性能。
7.根据权利要求1所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S6中，对土地利用类型属于交通用地的网格单元j，利用公式(3)确定该网格单元j各时段地表淹没水深所对应的使行人或车辆失稳的临界流速，并以此作为该网格单元j的***性能变化的阈值，具体如下：
其中，Uc(j,t)为网格单元j在t时刻下行人或车辆开始失稳的临界流速，单位为m/s；hf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表淹没水深，单位为m；
由于以上公式的成立基于行人在地表淹没水深达到1.52m时完全失稳，SUV类型的车辆在地表淹没水深达到0.6m以及小轿车类型的车辆在地表淹没水深达到0.4m时完全失稳的假设，当网格单元j在t时刻的地表淹没水深超出1.52m时，无需再以临界流速作为***性能变化的阈值，网格单元j的***性能直接为0。
8.根据权利要求7所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S7中，根据公式(4)确定土地利用类型属于交通用地的网格单元j各时刻的***性能；
其中，Uf(j,t)为网格单元j在t时刻的地表水流流速，单位为m/s；p(j,t)为网格单元j在t时刻的***性能。
9.根据权利要求6或8任一项所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S8中，根据步骤S5和步骤S7中确定的各网格单元在各时段的***性能，统计整个研究时段内各网格单元***性能取值不为1的总时长，以此作为各网格单元的***性能受影响时长。
10.根据权利要求9所述的一种考虑***性能受影响时长和水流流速的弹性评估方法，其特征在于，步骤S9中，基于***性能曲线，根据公式(5)和公式(6)确定各网格单元的时段平均弹性，具体如下：
其中，R(i)和R(j)分别为网格单元i和网格单元j的时段内平均弹性；p(i,t)和p(j,t)分别为网格单元i和网格单元j在t时刻的***性能；tn为研究时段的总时长，单位为h；ti和tj分别为网格单元i和网格单元j的***性能受影响时长，单位为h。
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