城市洪涝治理与韧性城市建设:变革、创新与启示

我国城市洪涝治理经历了从工程措施到工程与非工程措施并举,从洪涝分治到洪涝统筹,从城市局部治理到流域系统治理的重大转变。特别是海绵城市和韧性城市理念的引入,显著提升了城市洪涝治理水平,促进了城市可持续发展。经过多年探索与实践,我国在技术应用、政策管理、公众与社会参与等方面取得了显著进展,城市洪涝模拟与风险评估取得重要成果,监测感知系统日趋完善,预报预警技术取得突破,应用场景更加广泛;跨部门协作与联动机制、政府与社会资本合作模式的提出,高效信息传播机制和公众参与程度的加强,均显著增强了城市应对洪涝灾害的能力,为防洪减灾工作提供了有力支撑。借助北斗卫星、激光雷达、物联网、人工智能、大数据等先进技术,我国持续推进数字孪生流域、国家水网与区域水网建设,为洪涝治理和水利高质量发展提供了重要支撑。今后,城市洪涝治理将继续朝着系统化、智能化、生态化方向发展,面对新时代的机遇与挑战,应结合海绵城市与韧性城市建设,坚持系统治理、坚守底线思维、坚持创新发展,通过全局性谋划和整体性推动,不断提升水旱灾害防御水平和水安全保障能力。

深圳河流域2023年“9·7”极端特大暴雨分析及洪涝治理思考

城市暴雨洪涝灾害是目前我国城市最突出的水患灾害。2023年9月7日,深圳市发生极端特大暴雨,深圳河流域处于暴雨中心,造成较严重洪涝灾害,本次暴雨洪涝灾害为流域水安全保障敲响了警钟。通过全面总结深圳河流域暴雨洪涝特性及防御情况,分析暴雨洪涝灾害成因,在此基础上,从提高河道泄洪能力、增大流域洪水调蓄能力、加强城市排水防涝能力建设、强化超标准暴雨应急管理能力等方面提出洪涝治理对策,思考城市洪涝治理方式和理念,为系统解决洪涝问题、提升高密度城市洪涝防御能力提供参考。

遥感技术在洪涝灾害防御中的前沿应用与面临挑战

及时全面掌握洪涝发生的关键信息是洪涝灾害防御的基础,将遥感技术与传统监测技术相结合,形成“天空地”一体化的立体监测体系,可以实现宏观观测与重点监测的互补与协同,有利于洪涝灾害的监测、预报和预警,显著提高洪涝灾害防御能力。遥感技术可应用于水体提取、水位测算、降水测量、流量估算、洪涝模拟、灾害损失估计等,但在监测数据可用性、监测方法有效性等方面还有很多问题需要解决。

城市洪涝风险的多方法组合评估与应用

近年来,受全球气候变化与城镇化快速发展的双重影响,城市极端降水事件频发,由此引发的城市洪涝灾害常造成灾难性的生命和财产损失,给城市公共安全带来了严重威胁。由于不同评估方法中指标赋权不同,评价结果往往存在较大差异,给风险评估与区划工作带来了诸多困难。因此,通过融合不同方法的权重构建一套复合权重,进而解决不同评估方法中结论非一致性的问题,这对于提升风险评估的准确性是至关重要的。该文以湖北省为例,旨从危险性、暴露性、脆弱性和恢复性四个层面构建城市洪涝风险评估体系。首先,分别采用熵权法和层次分析法计算指标权重;之后,通过Kendall检验判断两套权重序列的一致性并给出相应的复合权重计算结果;最后以湖北省下辖8个城市的历史洪涝事件为例,对上述风险评价结果进行了验证。结果显示,与熵权法和层次分析法相比,基于复合权重的组合评价方法具有更高的准确率。

基于知识图谱的城市洪涝灾害链推演及时空特性解析

城市洪涝灾害具有链式传播特性,解析城市洪涝灾害链的传递规律和时空演变特征对于阻断灾害链具有重要意义。本研究以郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹和京广快速路隧道被淹2个事件为案例,构建知识图谱揭示灾害链传递规律。通过复盘灾害链的演变过程,从中识别灾害链中的诱发点、引爆点、扩散点以及放大点,并着重分析致灾机理以及灾害链的时空特性,以灾害曲线形式直观展示不同灾害链的影响程度。郑州“7·20”洪涝灾害典型案例解析表明,两事件存在多个灾害链阻断时机,在救灾过程中应综合考虑灾前、灾中因素的影响,果断采取断链措施,并且要充分发挥应急措施的时效性,及时阻断引爆点和扩散点,降低洪涝灾害损失。该方法能够应用于链式灾害的复盘,指导分析具体事件的致灾机理和救灾切入点。

基于组合赋权-云模型的城市洪涝灾害韧性评价方法

基于城市系统应对洪涝灾害事件的响应过程,从基础抵御、防灾预警、应急响应和适应恢复4个方面构建了包含4个一级指标和20个二级指标的城市洪涝灾害韧性评价指标体系,在此基础上通过可拓层次分析法和熵权法对指标分别进行主观和客观赋权,结合博弈论理论进行组合赋权,提出了基于组合赋权-云模型的城市洪涝灾害韧性评价方法。南京市6个行政区的验证结果表明:该方法可有效评价城市洪涝灾害韧性水平,6个行政区中建邺区、江宁区为高韧性地区,鼓楼区、秦淮区为较高韧性地区,雨花台区为中等韧性地区,溧水区为较低韧性地区。

气候变化对城市暴雨洪涝影响研究进展

在气候变化和城市化的双重驱动下,人口稠密、经济发达的城市地区的洪涝问题日趋严重。气候变化背景下城市暴雨洪涝研究既是全面认识和理解气候变化影响的重要内容,也是降低灾害风险、减轻灾害影响的实际需要。从探究方法和技术手段的角度,综述了气候变化下极端降水特征、城市暴雨洪涝和城市洪涝韧性3个方面的国内外主要研究成果;系统归纳了气候变化下城市暴雨洪涝变化趋势的诊断方法、技术手段,关注气候情景设计、洪涝评估模型;阐述了气候变化下城市洪涝韧性的理念与实践,总结了韧性定性、定量评估方法;指出了气候变化下城市暴雨洪涝研究面临的主要挑战及关键技术难题,提出了未来研究的重点方向,如加强对气候变化与城市化双重驱动下极端降水、复合洪涝时空演变特征及其形成机理的研究,提高人工智能模型对气候变化背景下洪涝模拟的准确性和可解释性,深化城市洪涝韧性中概念框架、定性定量方法以及不确定性的探讨等。

考虑时间变化的洪涝灾害损失评估

洪涝灾害是对我国影响最大的自然灾害之一。聚焦灾害损失评估问题,本文构建了考虑时间变化的洪涝灾害损失函数。一方面,表征灾害损失随着致灾因子强度先递增、而后增幅趋缓的静态S型曲线关系;另一方面,通过量级、形状和位置三个参数综合考虑灾害损失随时间的动态变化情况。基于《中国水旱灾害防御公报》提供的受灾人口、直接经济损失数据,对于各省级行政区2006—2021年洪涝灾害损失进行评估分析。结果表明:通过拟合洪涝灾害损失函数,洪涝灾害损失关于致灾因子强度和时间的三维空间散点图可有效地拓展成为连续的三维空间曲面及二维空间热力图。各省级行政区受灾人口整体上呈现出逐年下降的特征,但随致灾因子强度的增加而趋于增加。各省级行政区直接经济损失则表现出明显的差异,随时间呈现出大幅下降、缓慢下降和略有增加等不同特征。考虑时间变化的洪涝灾害损失函数是变化环境下灾害评估的有效工具,可为区域洪涝灾情评估提供借鉴和参考。

中国城市洪涝问题:现状、成因与挑战

全球气候变化和快速城市化双重影响下,中国城市洪涝问题日益严重,已成为影响中国城市公共安全与区域高质量发展的突出瓶颈。本文基于文献资料、灾情数据、统计年鉴等,梳理了中国城市洪涝类型与灾害特点,总结了城市洪涝的基本现状与发展趋势,阐释了城市洪涝形成机制与灾害成因,分析了城市降水变化、产汇流特性变化、排水格局变化及规划与管理对城市洪涝的影响;为科学认识中国城市洪涝问题和实现变化环境下城市洪涝科学治理,从基础数据监测与信息共享、基础理论与机理研究、成因驱动与量化识别、城市洪涝预警预报与风险评估技术以及城市洪涝灾害管理等6个方面,指出了当前研究面临的主要挑战与未来研究的重点方向。

湖北省城市洪涝灾害韧性时空演变及驱动因素分析

洪涝灾害是湖北省主要自然灾害之一。开展湖北省城市洪涝灾害韧性研究,可加快该地区韧性城市建设,促进城市的可持续健康发展。以湖北省17个城市为研究对象,选取2010-2021年为研究期,从压力、状态、响应等维度构建城市洪涝灾害韧性评价指标体系,运用CRITIC-熵权组合赋权法分析其洪涝灾害韧性时空演变,并利用空间自相关法分析其洪涝灾害韧性空间集聚特征,再用地理探测器模型分析其驱动因素。结果表明:①研究期内湖北省城市洪涝灾害韧性指数呈波浪式上升趋势,增幅达34.82%;②城市洪涝灾害韧性的空间分布主要呈现为“西高东低”和以武汉为高值向外递减,城市洪涝灾害韧性的空间集聚效应较强;③城市洪涝灾害韧性的空间分异性为多因素共同作用。其中,人口暴露程度、地形起伏情况、地表陡缓程度、医疗保障能力为主要驱动因素。研究结果可为城市防洪减灾政策提供参考。

漓江峰丛片区高位岩溶洼地洪涝水文过程及有效治理

漓江峰丛片区高位岩溶洼地洪涝频发,严重影响该地区农村经济发展和自然景观资源开发与保护。本研究选择在漓江峰丛片区暗嵅高位洼地开展洪涝水循环过程研究,对洼地内主要消水口(A01、A03落水洞)进行扩宽和疏通,加大过水能力,使洪涝水害得到有效治理。结果表明:洼地积水成涝对降雨响应迅速,降雨结束后,12~24 h内洼地积水深度就能达到最大,日降雨量超过50 mm或72 h累计降雨量超过90 mm,洼地就容易积水成涝。2023年4-7月共造成了8次洪涝灾害,洪涝总时长达417.5 h(18.6 d)。鱼嵅地下河出口排泄量达到大气降雨补给量的77.77%和87.32%,为暗嵅洼地地下水总排泄口,主要通过中部A01、A02、A03、A044个消水洞排水,4个消水洞不同的消水速度造成了出口流量的4个峰值。A01消水洞水力坡度小,下部管道受方解石矿渣堵塞,消水速度较慢,现仅对A01洞口进行整治,未能有效解决洼地洪涝问题。A03、A04消水洞位于方解石脉矿的南侧,未受到方解石尾矿渣的影响,岩溶管道过水通畅。通过疏通A04消水洞,并将南侧古蚕洼地的洪流引至A03消水洞,缩短洪涝时间66.71 h(2.8 d)。因此,修建好南部排水沟系统,使南部古蚕洼地的水全部通过A03、A04消水洞快速向鱼嵅地下河出口排泄,是进一步减轻暗嵅洼地洪涝受灾程度的重要措施。

融合多源数据的湖北省城市洪涝灾害韧性综合评估

【目的】洪涝灾害是湖北省主要自然灾害之一,为了评估湖北省城市洪涝灾害韧性水平,以加快韧性城市建设、助力推进省域协同发展,【方法】从洪涝灾害的暴露度、敏感性、适应力和恢复力4个维度,构建湖北省城市洪涝灾害韧性评价指标体系,采用G1法(序关系法)和熵权法对评价指标进行赋权,收集气象、遥感影像、基础地理、社会经济等多源数据,应用GIS空间分析技术,对湖北省城市洪涝灾害韧性进行评估。【结果】结果显示:湖北省城市洪涝灾害韧性整体处于中等韧性水平。其中,高韧性区域主要分布在神农架林区、宜昌市和武汉市,较高和中等韧性水平区域大多位于荆门市及其以西的鄂西地区,其余地区洪涝灾害韧性水平较低,总体呈西强东弱的分布态势。【结论】融合多源数据的洪涝灾害韧性评估方法能准确高效地评估研究区洪涝灾害韧性水平,研究成果可为湖北省制定区域洪涝灾害管理及韧性城市规划提供参考。

晋城市西河排水片区洪涝模拟与调控研究

为评估场次暴雨情形时地下排水管网的排水效率,提高城市韧性与防洪排涝能力,以山西省晋城市西河排水片区为研究对象,通过暴雨洪涝过程模拟,分析了其管网系统排水效率与地表洪涝特征.通过添加调蓄设施,对比分析了不同方案对洪涝过程的调控效果.结果表明:10 a降雨重现期时溢流时长>1.0 h的节点数占总节点数的70.31%,超载时长>0.5 h的管道占管道总数的44.74%;不同重现期>70%范围的积水持续时间>1.0 h,管网排水压力较大;调蓄设施对地表洪水量具有不同程度的削减作用,在中上游添加调蓄设施能够减轻下游排水压力;而泵站开启水位不同对洪涝调控的作用较为有限;调蓄设施对积水深度较大区域的内涝缓解作用比较显著,对水深>0.4 m区域积水面积的削减率在10和50 a降雨重现期时分别为42.05%和28.52%.

考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险动态评估——以深圳市为例

为了揭示人群动态活动对城市洪涝灾害风险的影响,本文引入场所视角,建立了考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险评估模型,以深圳市福田区4个典型社区为例分析了工作日和休息日的白天、晚上4个时段下不同类型场所的洪涝灾害风险变化。结果表明:①除危险性以外,频繁的人群活动亦会增加场所的洪涝灾害风险,与人群活动相关的指标权重达0.31;②不同类型场所的洪涝灾害风险差异显著,且随着人群活动动态变化,生活场所平均风险最高,在4个时段波动较小;居住型混合场所洪涝平均风险次之,但晚上时段比白天高25%左右;商业场所、公共服务场所和办公型混合场所平均风险也较高,在工作日白天高于其他时段;绿色休闲场所在4个时段风险都最低;③居住型社区和综合型社区的洪涝风险存在显著差异,居住型社区为持续性高风险社区,其高风险场所占比在4个时段均超过40%,尤其在晚上达60%,而综合型社区风险呈现出工作日白天高于其他时段的特征,其高风险场所比例最高达54%。

基于随机森林优化算法的城市群洪涝灾害韧性时空演变研究

为了提升城市应对灾害的能力,对城市洪涝灾害韧性进行研究。基于“驱动力-状态-响应(DSR)”模型建立城市洪涝灾害韧性评估指标体系,采用随机森林优化算法(RF)构建城市洪涝灾害韧性评估模型,通过均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)评价模型性能。以关中平原城市群为例,分析西安、宝鸡、咸阳、商洛、铜川、渭南、临汾、运城、平凉、天水、庆阳等11座城市2011~2020年的城市洪涝灾害韧性时空演变规律。结果表明:驱动力和状态对城市洪涝灾害韧性水平影响较大,响应对城市洪涝灾害韧性水平影响较小;在时间序列上,关中平原城市群各城市洪涝灾害韧性水平发展存在较大差异,但整体处于平稳上升的状态,其中铜川的城市洪涝灾害韧性水平提升最为明显;在空间格局上,城市群洪涝灾害韧性水平呈现出由核心城市向外围递减的空间结构特征,各城市的洪涝灾害韧性等级的空间分布存在不均衡的现象。研究结果可为关中平原城市群韧性城市建设提供指导。

丘陵-平原复合小流域多致灾因子洪涝减灾分析

我国东南沿海地区常因复杂的洪涝致灾因子和复合的地形特征,导致流域行洪不畅而引发洪涝灾害,建立适合此流域特征的洪涝模拟模型,并通过洪涝减灾分析制定有效的防洪减灾手段十分必要。利用流域数字高程数据、河网数据、土地利用数据等资料,建立模拟沿海丘陵-平原复合流域洪涝过程的水文-水动力耦合模型,探讨基于工程调度的降低洪涝风险的方法。选择浙江省沿海城市—临海市的大田港流域作为研究区域,充分考虑研究区丘陵汇流、水库下泄、潮位涨落、河道初始水位、闸门泄洪等流域特征要素,设计模型边界条件,模拟不同设计洪水以及工程调度影响下研究区的洪水演进过程和洪水淹没情况。结果表明,所建立的模型能够较好地模拟丘陵-平原复合小流域的河道洪水演进过程。对于极易造成洪水淹没的重点防洪区域,通过调节内河初始水位和控制流域内的防洪挡潮闸门有效的缓解了大田港下游主城区和灵湖景区的洪水淹没情况。大田港流域东北侧区域与山丘接壤,下游工程调度对该区域洪水淹没的缓解效果延时。情景模拟结果为研究区洪涝灾害的预演、预报、预警以及预案提供了数据支撑,为城市防洪工程和平原排涝工程的进一步推进提供依据,为沿海丘陵-平原复合型小流域多致灾因子导致的洪涝灾害提供了解决思路。

暴雨洪涝灾害转移安置人数的组合预测模型研究

为了更加科学精准地预测暴雨洪涝灾害下需要转移安置的人数,收集2011—2018年全国范围内严重暴雨洪涝灾害案例,通过Pearson相关性分析检验转移安置人数与表征暴雨洪涝灾害严重程度影响因素之间的关系;分别使用基于主成分分析的回归模型和支持向量机(SVM)预测暴雨洪涝灾害下需要转移安置人数,并以2种方法的结果为基础,提出1种组合预测方法对暴雨洪涝灾害转移人数进行修正。研究结果表明:组合预测法的MSE、MAE均小于回归预测和SVM模型预测。使用组合预测方法对洪涝灾害转移安置人数进行预测,可以充分结合单一预测模型的优势,提高组合预测模型的预测精度和泛化能力。研究结果可为确定暴雨洪涝灾害的避难需求并制定避难疏散计划提供参考。

基于SAR卫星遥感技术的农田洪涝灾害信息提取技术

为提高农田洪涝灾害信息提取能力,探索了SAR卫星遥感影像水体及农田边界信息的自动提取方法。以江西丰城某次强降雨过程为例,采用阈值分割法、雷达及光学影像融合法,利用Sentinel-1卫星影像对灾前水体信息进行提取,巢湖一号卫星影像对灾中的水体信息进行提取,将二者提取信息进行叠加,得到本次强降水新增水体范围;利用Sentinel-2卫星影像,叠加天地图影像提取出研究区域的农田边界范围,将该边界与新增水体范围叠加,得到受本次强降雨影响农田洪涝灾害区域的范围。经评价,该方法可有效提高地物散射特征的分类精度,提取的11处受淹农田验证地块完整率均在80%以上。SAR遥感影像不受云雨天气影响,能够在洪涝灾害应急监测中提供有力的数据支撑,该分析方法有利于相关部门全面掌握农田灾情数据,迅速做出应急响应,提高洪灾的应急救助管理能力。

融合GPT和知识图谱的洪涝应急决策智能问答系统研究

为提高生成式预训练语言大模型(generative pre-trained transformer, GPT)的应急管理信息分析能力,以实现洪涝灾害应急处置过程中的在线辅助决策,提出融合GPT和知识图谱的应急决策智能问答系统(KG-GPT)。改进GPT架构以识别问题中的关键信息,利用知识图谱推理应急领域知识并生成具有逻辑性的回答;结合洪涝灾害的实际应急决策问答数据集并编制演练脚本,使用自动评估和专家评估方法将本系统与GPT进行对比实验。研究结果表明:该系统成功融合应急领域知识图谱和GPT模型,能够深刻理解问题的背景信息并生成流畅回答;与GPT相比,该系统可为决策者提供更快速准确的在线辅助决策工具。研究结果可提升洪涝灾害应急信息分析和决策效率。

基于CRITIC-加权灰色关联分析的年度洪涝灾情评估模型及应用

洪涝灾情评估能够直观呈现洪涝灾害强度和破坏程度,准确评估洪涝灾情是有针对性开展防洪减灾工作的基础。为充分表征洪涝灾害范围及深度,基于洪涝灾害的主要承灾体,从人口受灾、农作物受灾、房屋倒损、水利防洪设施损坏和经济损失5个洪涝灾害主要影响层面筛选洪涝灾情评估指标,分目标层、因子层、指标层构建全国及各地区年度洪涝灾情评估指标体系;基于年度洪涝灾害等级和年度洪涝灾害综合损失程度评估年度洪涝灾情,通过耦合CRITIC权重法和灰色关联分析模型构建CRITIC-加权灰色关联分析模型进行年度洪涝灾害等级评估,采用灾情指数法进行年度洪涝灾害综合损失程度评估;基于ArcGIS直观呈现空间数据的优势,将各地区年度洪涝灾害等级及综合损失程度采用区划图的形式展现。基于以上方法对2006-2021年全国及各地区进行年度洪涝灾情评估,结果表明:在全国年度洪涝灾情评估结果中,2010年为特大洪涝灾害,2013年和2016年为重大洪涝灾害;在各地区年度洪涝灾情评估结果中,湖南省2006年和2017年、河南省2021年年度洪涝灾害等级达到特大洪涝灾害;历年洪涝灾情较重且灾情频次较高的省份依次是四川省、湖南、湖北、江西、广东、海南;基于CRITIC-加权灰色关联分析模型和灾情指数法的年度洪涝灾情评估结果,可作为地区开展防洪减灾工作的依据。