风暴潮灾害风险评估研究综述

风暴潮灾害风险评估研究综述

1沿海城市风暴潮灾害风险概述风暴潮是由于严重的气候变化，海水异常上升，受影响的海域的潮位远远超过正常潮位的自然现象。根据诱发风暴潮的天气系统特征,通常将风暴潮分为台风(飓风)风暴潮和温带风暴潮两大类。我国海岸线漫长,滨海地区地域辽阔,南北纵跨温、热两带。春秋季节,渤海、黄海沿岸是冷暖空气频繁交汇的地区,而渤海又属于超浅海,极宜温带风暴潮的发展;夏秋之时,东南沿海频繁遭受台风袭击,台风风暴潮时常发生。因此我国风暴潮灾害十分严重,是西北太平洋沿岸国家中风暴潮灾害发生次数最多、损失最严重的国家。沿海城市地位的重要性和面临风暴潮灾害的高风险性促使沿海城市风暴潮灾害风险研究备受关注。由于受全球气候变暖和海平面上升的影响,沿海城市风暴潮灾害风险水平显著增加。2004年12月印度洋地震海啸引发的风暴潮灾害,造成死亡和失踪人数达30多万,其经济损失逾200亿美元,成为人类历史上记录到的同类灾害中死亡人数最多的一次;2005年8月美国新奥尔良的“卡特里娜”飓风带来的特大风暴潮灾难,导致1069人遇难,直接经济损失超过千亿美元。近几年,随着我国沿海地区人口密度的增加和经济的迅猛发展,风暴潮灾害造成的损失呈逐年上升趋势,已位居我国各种海洋灾害之首。2004年8月发生的台风“云娜”肆虐浙江15小时,导致全省死亡164人,失踪24人,直接经济损失高达181.28亿元;2006年8月在浙江省苍南县马站镇登陆的超强台风“桑美”造成了浙江、福建沿海特大风暴潮灾害,两省共损失70.17亿元,死亡230人,失踪96人。近年来,联合国人居处(UNHABITAT)、美国国家海洋和气象局(NOAA)和欧盟等机构启动了沿海城市风暴潮灾害风险分析与管理研究,建立沿海城市风险动态评估模型,强调风暴潮灾害对沿海城市安全影响评价研究,使其成为风暴潮灾害研究的前沿领域。风暴潮灾害风险评估研究方法在欧美国家已相当成熟,被运用到不同城市进行实证研究,为制定科学合理的防灾预案提供科学依据,并取得了较好效果。在我国风暴潮灾害风险评估还是一个崭新的研究领域。风暴潮灾害风险的定量化评估不仅是风暴潮灾害风险管理的基础和前提,也是风暴潮灾害风险区划和灾前损失预评估的理论基础。该研究对了解沿海城市风暴潮灾害风险,编制避难撤退路线图,进行防灾预案效果的评估和调整,以及指导沿海城市未来土地利用规划和防潮减灾工作提供科学决策依据,具有重要的理论和现实意义。2注重对风险的综合研究风暴潮灾害风险评估是风暴潮灾害风险管理研究中非常重要的内容,是把灾害的危险性与承灾体的脆弱性紧密联系起来的重要桥梁。在国际多学科开展的灾害风险研究中,除了强调自然灾害系统内在机制、风险评估模型、GIS在自然灾害风险模型中的应用研究外,越来越关注从社会经济和人文行为等角度对人类自身接受风险水平开展综合研究,重点逐渐转向重视人类经济社会相对应的安全建设研究,把风险分析与相对应风险管理体系形成相联系,高度重视人类社会经济和文化系统对各种灾害的脆弱性响应水平与风险适应能力研究[4~6]。因此,在风暴潮灾害风险研究中,应从自然、社会、经济、文化和政策等多角度对沿海城市面临风暴潮灾害的影响进行综合灾害风险评估。2.1国外风暴潮灾害风险分析2.1.1风暴潮洪水研究风暴潮灾害风险危险性研究包括对风暴潮强度和频率的数值预报以及不同重现期风暴潮潮高位的研究。国外风暴潮数值预报研究始于20世纪70年代,经过30多年的发展,已在实时预报中得到广泛应用。例如美国的SLOSH模型、英国的海模型、荷兰的DELFT3D模型、丹麦的MIKE12模型、澳大利亚的GCOM2D/3D模型和加勒比海地区的TAOS模型等,他们都有各自的特点,适用于不同国家的气候特征和海岸水文地貌特征[7~15]。其中以美国的SLOSH模型最为成熟,在国内外得到了广泛的应用。近几年,美国SLOSH模式的创建专家开始运用地理信息系统为模型输入水深资料和地面数字高程资料,确定风暴潮灾害风险区,并开展了沿海特定区域风暴潮灾害风险评估。由于全球气候变化导致台风频率和强度的增加以及海平面的升高,进而增加了台风风暴潮的危险性。K.L.Mcinnes等对海平面上升和风暴潮对澳大利亚东北部沿海Cairns市的影响进行研究。运用GCOM2D模型来模拟大陆架的海流和海平面上升情况,并计算了不同气候条件下的风暴潮重现期。J.Benavente等对西班牙西南加第斯湾沿岸地区由于长期海岸侵蚀造成海岸线后退导致沿海地区风暴潮洪水危险性的增加进行研究。根据当地的灾害风险和灾害的气象学、地貌学和水动力学特征,通过计算风暴潮潮高、建立DEM模型和风暴潮洪水演进模型,对多源信息进行整合绘制了风暴潮洪水危险图,并对风暴潮洪水危险性进行定量化评估。最后根据海岸线后退情况预测了未来风暴潮洪水可能影响的区域,并绘制出风险区划图。2.1.2社会经济视角下的社会脆弱性研究风暴潮灾害风险不仅与风暴潮的强度和频率有关,而且与风暴潮承灾体的暴露性和脆弱性密切相关。国外学者分别从社会经济学角度对风暴潮灾害风险的脆弱性和暴露性进行研究,建立了基于不同场景的动力学风险评估模型和相关的评价指标体系;并且把研究区域的尺度从大都市群逐渐缩小到城市社区,以提高风暴潮灾害风险评估的准确度。LisaR.Leinosky等对美国大西洋沿岸弗吉尼亚州东南部HamptonRoads的大都市群区域面临飓风风暴潮洪水和海平面上升的脆弱性进行了实证研究。运用SLOSH模型和DEM模型对弗吉尼亚州HamptonRoads地区遭遇不同强度的飓风风暴潮洪水,在不同海平面高度条件下的暴露性进行了分析。从社会经济学角度运用主成分分析方法进行社会脆弱性分析,并绘制了暴露性和脆弱性风险图。还根据未来不确定的人口增长和分布情况以及海平面上升情况,在设计不同的场景条件下对风暴潮灾害风险的脆弱性进行研究。Ken.Granger对澳大利亚Cairns市的风暴潮灾害风险进行了定量化研究。该文研究了城市社区对风暴潮灾害的暴露水平和脆弱性的度量方法;并在Cairns市进行了实证研究。根据不同概率条件下的风暴潮潮高、DEM模型和洪水淹没深度设计不同的风暴潮暴露场景,并对不同的建筑物和城市基础设施的暴露性进行了评估。从社会、经济、文化和建筑等角度建立了城市社区脆弱性评价指标体系和综合评价指数。A.D.RaO等对印度洋孟加拉湾沿岸安得拉邦地区的风暴潮和台风灾害的脆弱性进行研究。他们运用了一系列详细的地图描绘了城市地区的自然脆弱性,尤其是对全球变暖和不同风暴潮重现期条件下洪水淹没区和强台风脆弱区进行了研究。从社会学角度根据不同的社会经济学参数确定出脆弱性区域,并同时给出风暴潮洪水和台风灾害脆弱性区划图。2.1.3风暴潮灾害风险风暴潮灾害风险区划,不仅要对风暴潮风险大小进行等级划分,而且还要划分不同等级风险的区域范围。美国的风暴潮灾害风险区划是把袭击大西洋和墨西哥湾沿岸的台风按强度分为五类,对研究区域采用SLOSH模式按台风强度分类计算,计算台风移速时用历史上袭击这一地区台风移速的平均值,每类台风所有可能路径均进行SLOSH模式计算,依据模式计算结果绘出每类台风最大的风暴潮淹没陆地范围。也可按100年一遇台风计算风暴潮淹没陆地面积的大小。Willian等对美国风暴潮灾害风险区划及评估方法作了较详细阐述,并对风暴潮灾害造成的损失进行估计,但由于是以县为单位进行基本的社会经济资料统计,因此计算结果的实用性较低。其它相关研究还有Zerger等对澳大利亚Cairns市的风暴潮灾害风险进行评估,并就不确定因素对风暴潮灾害风险管理的影响进行比较研究。另外,Zerger还对基于GIS的风暴潮灾害风险决策模型的有效性进行检验。日本学者对居住在大都市中的贫民或流浪者等城市弱势群体,在大都市面临风暴潮灾害时的救助问题进行相关研究。2.2风暴潮灾害风险评估在防患于未然的防灾思想指导下,风暴潮灾害风险评估研究逐渐得到重视。风暴潮灾害风险评估能迅速确定易受风暴潮灾害袭击的区域,并能用于制定防潮减灾总体规划,还可以将风暴潮风险评估结果换算为可能的灾情损失估值,为防潮减灾提供参考。国内学者对风暴潮灾害风险评估也进行了初步研究,主要是针对风暴潮灾害的风险分析和计算,偏重于对风暴潮潮高的计算。近几年,国内的学者也开始从社会经济学角度对风暴潮灾害承灾体的风险进行研究。2.2.1最大风暴潮pmss计算根据不同验潮站保存资料完整性和准确性的不同,王喜年、吴少华等学者分别计算了中国沿海吕泗等17个验潮站不同重现期的风暴潮位和塘沽不同重现期的高潮位与风暴潮位。这些结果有的已被部分工程设计部门作为设计依据,有的对当地防潮工程设计与防潮减灾有重要参考意义[26~27]。可能最大风暴潮PMSS(ProbableMaximumStormSurge)的计算对我国沿海正在新建和拟建核电站设计高潮位的确定至关重要。尹庆江、王喜年等运用台风风暴潮PMSS的计算方法对浙江镇海站的PMSS进行了计算。后来,王喜年等又分别计算了江苏田湾核电站、广东阳江核电站的PMSS值。应仁方等建立了适合上海的风暴潮数值模型,然后对吴淞站PMSS进行订正,给出了吴淞站的最高潮位是6.77m。吴少华、王喜年等对海州湾温带风暴潮天气类型进行划分,并首次构造了可能最大温带风暴潮增、减水天气系统,运用风暴潮数学模型计算了可能最大温带风暴潮增、减水,并已被核电站设计部门采用。王超提出了一种将风暴潮增水过程与天文潮位变化过程随机组合的概率分析方法计算风暴潮影响下工程设计的高潮位值。2.2.2风暴潮灾灾度评估国内学者对风暴潮灾情损失及其等级划分进行的定量化研究,对于风暴潮风险评估具有重要的参考价值。冯利华根据风暴潮造成的人员伤亡和财产损失情况提出了对风暴潮灾情定量化的灾度指标。徐启望等根据风暴潮灾害直接经济损失和灾度两个指标通过建立不同的数学模型间接地对风暴潮灾情评估进行了初步探讨。叶雯等运用感知器算法对广东省湛江地区的台风风暴潮的灾情等级进行判别评估[34~35]。梁海燕等基于现有的风暴潮风险评估研究方法,主要针对小面积区域,建立了适用于海口湾沿岸风暴潮风险区的损失评估模型,并根据不同的水位条件,利用GIS软件分析淹没范围;统计100a一遇极值高水位淹没区内的建筑物,估计可能受灾人口。同时,对研究区的基本社会经济资料作了较精确的分类统计,并对不同部门损失率的计算方法作了详细的介绍和较准确的计算,为区域的防潮部署和规划提供了科学的依据。2.2.3风暴潮承灾体风险评估研究过去人们注重对致灾因子进行研究,而忽视承灾体对风暴潮灾害的承受响应能力研究。实际上只有当风暴潮作用的承灾体遭到破坏时,才能形成真正的海洋灾害。因此,在我国深入开展风暴潮承灾体的风险评估迫在眉睫,它将促使防灾预案更加有效,决策更科学。任鲁川虽然提出了风暴潮灾害风险分析的基本程序框架,但是并没对具体的承灾体开展评估研究。海浪风暴潮漫堤风险评估是一个崭新的研究领域,尹宝树等对黄河三角洲示范区,根据漫堤程度提出了漫堤灾害风险等级标准,并基于建立的海浪和风暴潮潮汐数值模式及长期预测结果,提出了风险评估方法和程序步骤,对黄河三角洲近岸海域主要地段进行了多年一遇和典型台风过程漫堤灾害的风险评估,为沿海防潮减灾提供了科学依据。3风暴潮灾害风险评估研究风暴潮已成为我国沿海城市面临的主要自然灾害之一,因此未来风暴潮灾害研究将成为人们日益关注的焦点。国内风暴潮灾害研究早期侧重从灾害学角度研究风暴潮的发生基础、诱发因素和致灾机制等,现在已经逐渐转向对风暴潮的致灾因子、孕灾环境、承灾体和灾情四个方面进行研究。灾害风险评估是把风险学引入到灾害学研究的一门新兴的交叉学科,它打破了传统研究只考虑灾害发生机理和灾情损失的局限性,着重于对灾害发生及其损失中的不确定性因素进行研究。目前采用的数学建模、模糊数学、概率统计、灰色系统理论以及软计算等多种方法,都是对风暴潮灾害中诸多不确定因素研究的行之有效的方法。3.1建立风险评估模型风暴潮灾害综合风险评估不仅是指从风暴潮发生频率和强度的自然属性角度利用准确的数值预报和设计不同概率水平下极端事件的场景模拟对风暴潮灾害的危险性和风险要素的暴露性进行评估,而且还指从社会、经济、政策、文化、工程等不同角度综合考虑沿海城市对风暴潮灾害的承受响应能力(即脆弱性评估),建立灾害综合风险评估指标体系和动态风险评估模型,同时进行灾害风险区划和灾害风险图的编制,利用基于风险的决策支持系统对防灾预案的有效性和灾情损失进行定量化预评估。为提高风暴潮灾害风险评估的精度,要逐渐缩小研究区域的空间尺度,以人地关系作用最强烈的沿海城市社区为研究单位,利用高分辨率的多源遥感影像提取更加准确及时的重要信息,运用地理信息系统的强大的空间分析功能进行风险区划,以提高风暴潮灾害风险评估和灾情损失评估的准确度。3.2文潮、波浪增水、沿海城市复杂的时空复杂性风暴潮灾害风险具有动态性特征。其动态性反映在风暴潮不同概率强度和频率设计场景条件下的风暴潮高潮位(风暴潮、天文潮以及波浪增水的叠加)及其危害影响、不同空间尺度区域和沿海城市复杂巨系统(包括自然子系统、社会子系统和经济子系统)脆弱性的时空变化规律、以及沿海城市风险要素(如人口、建筑物、城市基础设施和城市生命线工程等)的暴露程度(含防灾工程措施和非工程措施)的时空变化规律。目前这在我国还是一个崭新的课题,亟待进行更深入的研究。3.3风暴潮灾害风险评估技术研究风暴潮灾害风险评估包括灾害本身的危险性评估、承灾体对灾害的暴露性评估以及承灾体的脆弱性评估三个主要内容。风暴潮灾害发生的强度和频率是它的自然属性,是人类无法改变和控制的,而风暴潮灾害的暴露性和脆弱性是可以通过人类活动改变的,因此我们可以通过减少沿海城市对风暴潮灾害的暴露性和脆弱性来降低沿海城市风暴潮灾害的风险水平和减少灾害损失。国内在风暴潮灾害风险评估中,对于风暴潮准确预报、不同重现期的风暴潮潮高的估算和灾情损失的评估研究较多,而从自然、社会、经济、政策、文化、工程等不同角度系统建立风暴潮灾害综合风险评估程序框架和指标体系,沿海城市面对风暴潮灾害的承受能力及响应机制进行综合研究则较少。国内风暴潮灾害风险图的绘制大多依据灾害的危害程度的大小,但值得注意的是并不是风暴潮灾害的危险程度越大灾害的风险就越大,灾害的暴露程度和脆弱水平也是决定灾害风险水平高低的关键因素。距离风暴潮登陆点的远近、风暴潮途径地区防潮减灾工程的建设情况和社会经济发展状况,将直接影响着灾害风险暴露程度、脆弱水平以及灾情损失的多少。也可以从防灾的工程措施和非工程措施对风暴潮灾害风险暴露性和脆弱性进行评估。如何科学地构建一套规范的风暴潮灾害风险评估指标体系标准,使其不仅能够对同一城市进行长期动态的灾害风险评估,而且可以根据统一的灾害风险评价指标体系对不同城市的风暴潮灾害风险评价结果进行分析比较,这已经成为风暴潮灾害风险评估的关键问题。目前对风暴潮灾害危险性的研究可以加快风暴潮预报预警系统的建立,应选择一些风暴潮灾害频发地区适当引进国外先进数值预报预警技术,建立适合当地的风暴潮预报预警系统,结合实时观测数据资料开展风暴潮动态实时预警预报,及时掌握风暴潮灾害的风险。3.4地面灾害风险区划城市的土地利用规划图通常能够反映城市社会经济发展的方向和水平,利用不同时期的土地利用规划图,并结合高分辨率的多源遥感卫星影像、激光雷达探测信息和地形图,运用3S(GIS、RS、GPS)技术,绘制较为精确的数字高程模型;通过对我国风暴潮灾害多发地区灾害历史资料和社会经济统计资料的收集和整理,对不同时期城市人口的增长和分布情况以及城市建筑物和基础设施(含城市生命线工程)进行分类统计分析,建立不同风险要素的损失率曲线,构建符合相应国家数据标准的规范数据库和辅助决策支持系统,综合集成开发一套地理信息系统开发平台;掌握我国沿海地区风暴潮灾害发生的频率、强度及其时空分布规律,就可以对重点区域不同时期土地利用变化条件下不同概率风暴潮重现期场景下灾害风险进行分级区划、制定区划图绘图原则和绘制灾害风险区划图,可以客观反映风暴潮灾害风险的时空动态变化趋势。也可以根据居民点和避难所分布情况以及城市交通状况建立城市风暴潮灾害避难撤退图(含撤退路线和避难所)。同时,还可以根据研究区的实际情况运用虚拟现实技术建立不同的三维风暴潮灾害虚拟场景进行风暴潮灾害风险的模拟和避难撤退模拟。3.5风暴潮灾灾资源评估困境中各要素损失率和预评估的确定风暴潮是否成灾以及灾害损失的程度可以通过风暴潮灾害风险评估进行定量化或半定量化研究,但这其中也存在着许多不确定性因素影响评价结果的准确性。因此需要运用风险学的方法和理论来研究风暴潮灾害中不确定性因素,找出其中的规律,尽最大可能使其评价结果接近实际情况。可以利用遥感技术、地理信息技术、数学模型和软计算等方法构建灾情评估信息系统