風暴潮災害風險評估研究綜述

風暴潮災害風險評估研究綜述

1沿海城市風暴潮災害風險概述風暴潮是由于嚴重的氣候變化，海水異常上升，受影響的海域的潮位遠遠超過正常潮位的自然現(xiàn)象。根據(jù)誘發(fā)風暴潮的天氣系統(tǒng)特征,通常將風暴潮分為臺風(颶風)風暴潮和溫帶風暴潮兩大類。我國海岸線漫長,濱海地區(qū)地域遼闊,南北縱跨溫、熱兩帶。春秋季節(jié),渤海、黃海沿岸是冷暖空氣頻繁交匯的地區(qū),而渤海又屬于超淺海,極宜溫帶風暴潮的發(fā)展;夏秋之時,東南沿海頻繁遭受臺風襲擊,臺風風暴潮時常發(fā)生。因此我國風暴潮災害十分嚴重,是西北太平洋沿岸國家中風暴潮災害發(fā)生次數(shù)最多、損失最嚴重的國家。沿海城市地位的重要性和面臨風暴潮災害的高風險性促使沿海城市風暴潮災害風險研究備受關注。由于受全球氣候變暖和海平面上升的影響,沿海城市風暴潮災害風險水平顯著增加。2004年12月印度洋地震海嘯引發(fā)的風暴潮災害,造成死亡和失蹤人數(shù)達30多萬,其經(jīng)濟損失逾200億美元,成為人類歷史上記錄到的同類災害中死亡人數(shù)最多的一次;2005年8月美國新奧爾良的“卡特里娜”颶風帶來的特大風暴潮災難,導致1069人遇難,直接經(jīng)濟損失超過千億美元。近幾年,隨著我國沿海地區(qū)人口密度的增加和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,風暴潮災害造成的損失呈逐年上升趨勢,已位居我國各種海洋災害之首。2004年8月發(fā)生的臺風“云娜”肆虐浙江15小時,導致全省死亡164人,失蹤24人,直接經(jīng)濟損失高達181.28億元;2006年8月在浙江省蒼南縣馬站鎮(zhèn)登陸的超強臺風“桑美”造成了浙江、福建沿海特大風暴潮災害,兩省共損失70.17億元,死亡230人,失蹤96人。近年來,聯(lián)合國人居處(UNHABITAT)、美國國家海洋和氣象局(NOAA)和歐盟等機構啟動了沿海城市風暴潮災害風險分析與管理研究,建立沿海城市風險動態(tài)評估模型,強調風暴潮災害對沿海城市安全影響評價研究,使其成為風暴潮災害研究的前沿領域。風暴潮災害風險評估研究方法在歐美國家已相當成熟,被運用到不同城市進行實證研究,為制定科學合理的防災預案提供科學依據(jù),并取得了較好效果。在我國風暴潮災害風險評估還是一個嶄新的研究領域。風暴潮災害風險的定量化評估不僅是風暴潮災害風險管理的基礎和前提,也是風暴潮災害風險區(qū)劃和災前損失預評估的理論基礎。該研究對了解沿海城市風暴潮災害風險,編制避難撤退路線圖,進行防災預案效果的評估和調整,以及指導沿海城市未來土地利用規(guī)劃和防潮減災工作提供科學決策依據(jù),具有重要的理論和現(xiàn)實意義。2注重對風險的綜合研究風暴潮災害風險評估是風暴潮災害風險管理研究中非常重要的內容,是把災害的危險性與承災體的脆弱性緊密聯(lián)系起來的重要橋梁。在國際多學科開展的災害風險研究中,除了強調自然災害系統(tǒng)內在機制、風險評估模型、GIS在自然災害風險模型中的應用研究外,越來越關注從社會經(jīng)濟和人文行為等角度對人類自身接受風險水平開展綜合研究,重點逐漸轉向重視人類經(jīng)濟社會相對應的安全建設研究,把風險分析與相對應風險管理體系形成相聯(lián)系,高度重視人類社會經(jīng)濟和文化系統(tǒng)對各種災害的脆弱性響應水平與風險適應能力研究[4~6]。因此,在風暴潮災害風險研究中,應從自然、社會、經(jīng)濟、文化和政策等多角度對沿海城市面臨風暴潮災害的影響進行綜合災害風險評估。2.1國外風暴潮災害風險分析2.1.1風暴潮洪水研究風暴潮災害風險危險性研究包括對風暴潮強度和頻率的數(shù)值預報以及不同重現(xiàn)期風暴潮潮高位的研究。國外風暴潮數(shù)值預報研究始于20世紀70年代,經(jīng)過30多年的發(fā)展,已在實時預報中得到廣泛應用。例如美國的SLOSH模型、英國的海模型、荷蘭的DELFT3D模型、丹麥的MIKE12模型、澳大利亞的GCOM2D/3D模型和加勒比海地區(qū)的TAOS模型等,他們都有各自的特點,適用于不同國家的氣候特征和海岸水文地貌特征[7~15]。其中以美國的SLOSH模型最為成熟,在國內外得到了廣泛的應用。近幾年,美國SLOSH模式的創(chuàng)建專家開始運用地理信息系統(tǒng)為模型輸入水深資料和地面數(shù)字高程資料,確定風暴潮災害風險區(qū),并開展了沿海特定區(qū)域風暴潮災害風險評估。由于全球氣候變化導致臺風頻率和強度的增加以及海平面的升高,進而增加了臺風風暴潮的危險性。K.L.Mcinnes等對海平面上升和風暴潮對澳大利亞東北部沿海Cairns市的影響進行研究。運用GCOM2D模型來模擬大陸架的海流和海平面上升情況,并計算了不同氣候條件下的風暴潮重現(xiàn)期。J.Benavente等對西班牙西南加第斯灣沿岸地區(qū)由于長期海岸侵蝕造成海岸線后退導致沿海地區(qū)風暴潮洪水危險性的增加進行研究。根據(jù)當?shù)氐臑暮︼L險和災害的氣象學、地貌學和水動力學特征,通過計算風暴潮潮高、建立DEM模型和風暴潮洪水演進模型,對多源信息進行整合繪制了風暴潮洪水危險圖,并對風暴潮洪水危險性進行定量化評估。最后根據(jù)海岸線后退情況預測了未來風暴潮洪水可能影響的區(qū)域,并繪制出風險區(qū)劃圖。2.1.2社會經(jīng)濟視角下的社會脆弱性研究風暴潮災害風險不僅與風暴潮的強度和頻率有關,而且與風暴潮承災體的暴露性和脆弱性密切相關。國外學者分別從社會經(jīng)濟學角度對風暴潮災害風險的脆弱性和暴露性進行研究,建立了基于不同場景的動力學風險評估模型和相關的評價指標體系;并且把研究區(qū)域的尺度從大都市群逐漸縮小到城市社區(qū),以提高風暴潮災害風險評估的準確度。LisaR.Leinosky等對美國大西洋沿岸弗吉尼亞州東南部HamptonRoads的大都市群區(qū)域面臨颶風風暴潮洪水和海平面上升的脆弱性進行了實證研究。運用SLOSH模型和DEM模型對弗吉尼亞州HamptonRoads地區(qū)遭遇不同強度的颶風風暴潮洪水,在不同海平面高度條件下的暴露性進行了分析。從社會經(jīng)濟學角度運用主成分分析方法進行社會脆弱性分析,并繪制了暴露性和脆弱性風險圖。還根據(jù)未來不確定的人口增長和分布情況以及海平面上升情況,在設計不同的場景條件下對風暴潮災害風險的脆弱性進行研究。Ken.Granger對澳大利亞Cairns市的風暴潮災害風險進行了定量化研究。該文研究了城市社區(qū)對風暴潮災害的暴露水平和脆弱性的度量方法;并在Cairns市進行了實證研究。根據(jù)不同概率條件下的風暴潮潮高、DEM模型和洪水淹沒深度設計不同的風暴潮暴露場景,并對不同的建筑物和城市基礎設施的暴露性進行了評估。從社會、經(jīng)濟、文化和建筑等角度建立了城市社區(qū)脆弱性評價指標體系和綜合評價指數(shù)。A.D.RaO等對印度洋孟加拉灣沿岸安得拉邦地區(qū)的風暴潮和臺風災害的脆弱性進行研究。他們運用了一系列詳細的地圖描繪了城市地區(qū)的自然脆弱性,尤其是對全球變暖和不同風暴潮重現(xiàn)期條件下洪水淹沒區(qū)和強臺風脆弱區(qū)進行了研究。從社會學角度根據(jù)不同的社會經(jīng)濟學參數(shù)確定出脆弱性區(qū)域,并同時給出風暴潮洪水和臺風災害脆弱性區(qū)劃圖。2.1.3風暴潮災害風險風暴潮災害風險區(qū)劃,不僅要對風暴潮風險大小進行等級劃分,而且還要劃分不同等級風險的區(qū)域范圍。美國的風暴潮災害風險區(qū)劃是把襲擊大西洋和墨西哥灣沿岸的臺風按強度分為五類,對研究區(qū)域采用SLOSH模式按臺風強度分類計算,計算臺風移速時用歷史上襲擊這一地區(qū)臺風移速的平均值,每類臺風所有可能路徑均進行SLOSH模式計算,依據(jù)模式計算結果繪出每類臺風最大的風暴潮淹沒陸地范圍。也可按100年一遇臺風計算風暴潮淹沒陸地面積的大小。Willian等對美國風暴潮災害風險區(qū)劃及評估方法作了較詳細闡述,并對風暴潮災害造成的損失進行估計,但由于是以縣為單位進行基本的社會經(jīng)濟資料統(tǒng)計,因此計算結果的實用性較低。其它相關研究還有Zerger等對澳大利亞Cairns市的風暴潮災害風險進行評估,并就不確定因素對風暴潮災害風險管理的影響進行比較研究。另外,Zerger還對基于GIS的風暴潮災害風險決策模型的有效性進行檢驗。日本學者對居住在大都市中的貧民或流浪者等城市弱勢群體,在大都市面臨風暴潮災害時的救助問題進行相關研究。2.2風暴潮災害風險評估在防患于未然的防災思想指導下,風暴潮災害風險評估研究逐漸得到重視。風暴潮災害風險評估能迅速確定易受風暴潮災害襲擊的區(qū)域,并能用于制定防潮減災總體規(guī)劃,還可以將風暴潮風險評估結果換算為可能的災情損失估值,為防潮減災提供參考。國內學者對風暴潮災害風險評估也進行了初步研究,主要是針對風暴潮災害的風險分析和計算,偏重于對風暴潮潮高的計算。近幾年,國內的學者也開始從社會經(jīng)濟學角度對風暴潮災害承災體的風險進行研究。2.2.1最大風暴潮pmss計算根據(jù)不同驗潮站保存資料完整性和準確性的不同,王喜年、吳少華等學者分別計算了中國沿海呂泗等17個驗潮站不同重現(xiàn)期的風暴潮位和塘沽不同重現(xiàn)期的高潮位與風暴潮位。這些結果有的已被部分工程設計部門作為設計依據(jù),有的對當?shù)胤莱惫こ淘O計與防潮減災有重要參考意義[26~27]?？赡茏畲箫L暴潮PMSS(ProbableMaximumStormSurge)的計算對我國沿海正在新建和擬建核電站設計高潮位的確定至關重要。尹慶江、王喜年等運用臺風風暴潮PMSS的計算方法對浙江鎮(zhèn)海站的PMSS進行了計算。后來,王喜年等又分別計算了江蘇田灣核電站、廣東陽江核電站的PMSS值。應仁方等建立了適合上海的風暴潮數(shù)值模型,然后對吳淞站PMSS進行訂正,給出了吳淞站的最高潮位是6.77m。吳少華、王喜年等對海州灣溫帶風暴潮天氣類型進行劃分,并首次構造了可能最大溫帶風暴潮增、減水天氣系統(tǒng),運用風暴潮數(shù)學模型計算了可能最大溫帶風暴潮增、減水,并已被核電站設計部門采用。王超提出了一種將風暴潮增水過程與天文潮位變化過程隨機組合的概率分析方法計算風暴潮影響下工程設計的高潮位值。2.2.2風暴潮災災度評估國內學者對風暴潮災情損失及其等級劃分進行的定量化研究,對于風暴潮風險評估具有重要的參考價值。馮利華根據(jù)風暴潮造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失情況提出了對風暴潮災情定量化的災度指標。徐啟望等根據(jù)風暴潮災害直接經(jīng)濟損失和災度兩個指標通過建立不同的數(shù)學模型間接地對風暴潮災情評估進行了初步探討。葉雯等運用感知器算法對廣東省湛江地區(qū)的臺風風暴潮的災情等級進行判別評估[34~35]。梁海燕等基于現(xiàn)有的風暴潮風險評估研究方法,主要針對小面積區(qū)域,建立了適用于?？跒逞匕讹L暴潮風險區(qū)的損失評估模型,并根據(jù)不同的水位條件,利用GIS軟件分析淹沒范圍;統(tǒng)計100a一遇極值高水位淹沒區(qū)內的建筑物,估計可能受災人口。同時,對研究區(qū)的基本社會經(jīng)濟資料作了較精確的分類統(tǒng)計,并對不同部門損失率的計算方法作了詳細的介紹和較準確的計算,為區(qū)域的防潮部署和規(guī)劃提供了科學的依據(jù)。2.2.3風暴潮承災體風險評估研究過去人們注重對致災因子進行研究,而忽視承災體對風暴潮災害的承受響應能力研究。實際上只有當風暴潮作用的承災體遭到破壞時,才能形成真正的海洋災害。因此,在我國深入開展風暴潮承災體的風險評估迫在眉睫,它將促使防災預案更加有效,決策更科學。任魯川雖然提出了風暴潮災害風險分析的基本程序框架,但是并沒對具體的承災體開展評估研究。海浪風暴潮漫堤風險評估是一個嶄新的研究領域,尹寶樹等對黃河三角洲示范區(qū),根據(jù)漫堤程度提出了漫堤災害風險等級標準,并基于建立的海浪和風暴潮潮汐數(shù)值模式及長期預測結果,提出了風險評估方法和程序步驟,對黃河三角洲近岸海域主要地段進行了多年一遇和典型臺風過程漫堤災害的風險評估,為沿海防潮減災提供了科學依據(jù)。3風暴潮災害風險評估研究風暴潮已成為我國沿海城市面臨的主要自然災害之一,因此未來風暴潮災害研究將成為人們日益關注的焦點。國內風暴潮災害研究早期側重從災害學角度研究風暴潮的發(fā)生基礎、誘發(fā)因素和致災機制等,現(xiàn)在已經(jīng)逐漸轉向對風暴潮的致災因子、孕災環(huán)境、承災體和災情四個方面進行研究。災害風險評估是把風險學引入到災害學研究的一門新興的交叉學科,它打破了傳統(tǒng)研究只考慮災害發(fā)生機理和災情損失的局限性,著重于對災害發(fā)生及其損失中的不確定性因素進行研究。目前采用的數(shù)學建模、模糊數(shù)學、概率統(tǒng)計、灰色系統(tǒng)理論以及軟計算等多種方法,都是對風暴潮災害中諸多不確定因素研究的行之有效的方法。3.1建立風險評估模型風暴潮災害綜合風險評估不僅是指從風暴潮發(fā)生頻率和強度的自然屬性角度利用準確的數(shù)值預報和設計不同概率水平下極端事件的場景模擬對風暴潮災害的危險性和風險要素的暴露性進行評估,而且還指從社會、經(jīng)濟、政策、文化、工程等不同角度綜合考慮沿海城市對風暴潮災害的承受響應能力(即脆弱性評估),建立災害綜合風險評估指標體系和動態(tài)風險評估模型,同時進行災害風險區(qū)劃和災害風險圖的編制,利用基于風險的決策支持系統(tǒng)對防災預案的有效性和災情損失進行定量化預評估。為提高風暴潮災害風險評估的精度,要逐漸縮小研究區(qū)域的空間尺度,以人地關系作用最強烈的沿海城市社區(qū)為研究單位,利用高分辨率的多源遙感影像提取更加準確及時的重要信息,運用地理信息系統(tǒng)的強大的空間分析功能進行風險區(qū)劃,以提高風暴潮災害風險評估和災情損失評估的準確度。3.2文潮、波浪增水、沿海城市復雜的時空復雜性風暴潮災害風險具有動態(tài)性特征。其動態(tài)性反映在風暴潮不同概率強度和頻率設計場景條件下的風暴潮高潮位(風暴潮、天文潮以及波浪增水的疊加)及其危害影響、不同空間尺度區(qū)域和沿海城市復雜巨系統(tǒng)(包括自然子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng))脆弱性的時空變化規(guī)律、以及沿海城市風險要素(如人口、建筑物、城市基礎設施和城市生命線工程等)的暴露程度(含防災工程措施和非工程措施)的時空變化規(guī)律。目前這在我國還是一個嶄新的課題,亟待進行更深入的研究。3.3風暴潮災害風險評估技術研究風暴潮災害風險評估包括災害本身的危險性評估、承災體對災害的暴露性評估以及承災體的脆弱性評估三個主要內容。風暴潮災害發(fā)生的強度和頻率是它的自然屬性,是人類無法改變和控制的,而風暴潮災害的暴露性和脆弱性是可以通過人類活動改變的,因此我們可以通過減少沿海城市對風暴潮災害的暴露性和脆弱性來降低沿海城市風暴潮災害的風險水平和減少災害損失。國內在風暴潮災害風險評估中,對于風暴潮準確預報、不同重現(xiàn)期的風暴潮潮高的估算和災情損失的評估研究較多,而從自然、社會、經(jīng)濟、政策、文化、工程等不同角度系統(tǒng)建立風暴潮災害綜合風險評估程序框架和指標體系,沿海城市面對風暴潮災害的承受能力及響應機制進行綜合研究則較少。國內風暴潮災害風險圖的繪制大多依據(jù)災害的危害程度的大小,但值得注意的是并不是風暴潮災害的危險程度越大災害的風險就越大,災害的暴露程度和脆弱水平也是決定災害風險水平高低的關鍵因素。距離風暴潮登陸點的遠近、風暴潮途徑地區(qū)防潮減災工程的建設情況和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況,將直接影響著災害風險暴露程度、脆弱水平以及災情損失的多少。也可以從防災的工程措施和非工程措施對風暴潮災害風險暴露性和脆弱性進行評估。如何科學地構建一套規(guī)范的風暴潮災害風險評估指標體系標準,使其不僅能夠對同一城市進行長期動態(tài)的災害風險評估,而且可以根據(jù)統(tǒng)一的災害風險評價指標體系對不同城市的風暴潮災害風險評價結果進行分析比較,這已經(jīng)成為風暴潮災害風險評估的關鍵問題。目前對風暴潮災害危險性的研究可以加快風暴潮預報預警系統(tǒng)的建立,應選擇一些風暴潮災害頻發(fā)地區(qū)適當引進國外先進數(shù)值預報預警技術,建立適合當?shù)氐娘L暴潮預報預警系統(tǒng),結合實時觀測數(shù)據(jù)資料開展風暴潮動態(tài)實時預警預報,及時掌握風暴潮災害的風險。3.4地面災害風險區(qū)劃城市的土地利用規(guī)劃圖通常能夠反映城市社會經(jīng)濟發(fā)展的方向和水平,利用不同時期的土地利用規(guī)劃圖,并結合高分辨率的多源遙感衛(wèi)星影像、激光雷達探測信息和地形圖,運用3S(GIS、RS、GPS)技術,繪制較為精確的數(shù)字高程模型;通過對我國風暴潮災害多發(fā)地區(qū)災害歷史資料和社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料的收集和整理,對不同時期城市人口的增長和分布情況以及城市建筑物和基礎設施(含城市生命線工程)進行分類統(tǒng)計分析,建立不同風險要素的損失率曲線,構建符合相應國家數(shù)據(jù)標準的規(guī)范數(shù)據(jù)庫和輔助決策支持系統(tǒng),綜合集成開發(fā)一套地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺;掌握我國沿海地區(qū)風暴潮災害發(fā)生的頻率、強度及其時空分布規(guī)律,就可以對重點區(qū)域不同時期土地利用變化條件下不同概率風暴潮重現(xiàn)期場景下災害風險進行分級區(qū)劃、制定區(qū)劃圖繪圖原則和繪制災害風險區(qū)劃圖,可以客觀反映風暴潮災害風險的時空動態(tài)變化趨勢。也可以根據(jù)居民點和避難所分布情況以及城市交通狀況建立城市風暴潮災害避難撤退圖(含撤退路線和避難所)。同時,還可以根據(jù)研究區(qū)的實際情況運用虛擬現(xiàn)實技術建立不同的三維風暴潮災害虛擬場景進行風暴潮災害風險的模擬和避難撤退模擬。3.5風暴潮災災資源評估困境中各要素損失率和預評估的確定風暴潮是否成災以及災害損失的程度可以通過風暴潮災害風險評估進行定量化或半定量化研究,但這其中也存在著許多不確定性因素影響評價結果的準確性。因此需要運用風險學的方法和理論來研究風暴潮災害中不確定性因素,找出其中的規(guī)律,盡最大可能使其評價結果接近實際情況。可以利用遙感技術、地理信息技術、數(shù)學模型和軟計算等方法構建災情評估信息系統(tǒng)