（自然地理学专业论文）上海沿海地区台风风暴潮灾害情景模拟及风险评估.pdf

i i t il l ii 1 l l l ii i iu i y 17 4 3 0 7 2 r i s ka s s e s s m e n ta n ds c e n a r i os i m u l a t i o no f s t o r m s u r g ei ns h a n g h a ic o a s t a la r e a s b y c u i n ax i e e s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rs h i y u a nx u p r o f e s s o rz h e n l o uc h e n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y ( c o d e ：1 0 2 6 9 ) f o rm a s t e r sd e g r e ei np h y s i c a lg e o g r a p h y a p r i l ，2 0 1 0 s c h o o lo fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n ts c i e n c e ，e a s tc h i n a n o r m a lu n i v e r s i t y , s h a n g h a i ，2 0 0 0 6 2 ，p r c h i n a 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文上海沿海地区台风风暴潮灾害情景模拟及风险评估， 是在华东师范大学攻读硕士博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 说明并表示谢意。 作者签名： 逝霉碰日期：汐户年岁月弓f e l 华东师范大学学位论文著作权使用声明 上海沿海地区台风风暴潮灾害情景模拟及风险评估系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的砸匠博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华 东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主 管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版； 允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加 入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出 版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密 学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 力2 不保密，适用上述授权。 导师签名 m 五年rr 弓| e l 本人签名 艏黝 ； 1 1 1 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 进墨拯硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称 ， 单位备注 乏、1 激缴镌色在厢籀吠芬 主席 卯膨受，教抬乍彖脚勿穴荟 霞九数徽梭蠡泉。仰讫磁 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文 摘要 摘要 自然灾害风险是当代国际社会、学术界普遍关注的热点问题。沿海城市是世 界上人口、经济和社会发展的重要区域和集聚中心，也是自然灾害易发和频发区 域。上海是中国内外开放，南北交流、东西联动的枢纽和经济龙头，而风暴潮灾 害是该地区的群害之首，由此造成的社会经济损失极为严重。开展上海沿海地区 风暴潮灾害的风险评估研究可为上海市制定风暴潮灾害风险管理范式、应急控制 预案和可持续发展模式提供理论基础和科学依据。 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 ( 4 0 7 3 0 5 2 6 ) 、国家自然科学基金项目“中国沿海城市自然灾害风险评估体系 研究( 4 0 5 7 1 0 0 6 ) 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( 0 9 q a l 4 0 1 8 0 0 ) 的资助下，本论文系统分析了上海 风暴潮变化特征及其形成机理；利用a r c g i s 平台，构建了风暴潮灾害静水模型； 基于m i k e2 1 水动力模型，运用数值计算和空间地理分析相交互方法，构建了 台风风暴潮动态情景模拟模型；从危险性、脆弱性和暴露性角度，评估了不同频 率风暴潮灾害风险，建立了一套适于上海风暴潮灾害风险分析与研究的方法体 系。 本文得到以下8 方面成果： 1 构建了适应于上海沿海地区的城市风暴潮灾害风险评估系统。该系统分为风 险辨识、风险分析和风险评估三部分，其中风险辨识包括风暴潮特征分析、 历史潮灾分析和致灾因子分析；风险评估包括致灾因子危险性分析，承载体 脆弱性分析和暴露性分析。 2 采用了基于情景分析的模拟方法开展风暴潮灾害风险评估。该方法有别于传 统的基于指标的风险建模，采用多种时空情景( 时间尺度、空间尺度、频率 一重现期) 、自然情景( 台风、风暴潮、地面沉降、海平面上升) 、人为情景 ( 社会经济、人口分布) 进行历史潮灾再现和预设潮灾模拟。并基于a r c g i s 和m i k e 2 1 两种方法分别进行潮灾的静态模拟和动态模拟，风险表达更具真 实性、直观性。 3 上海城市台风风暴潮灾害是天文、气象、地形、海平面上升多重因子作用结 果。并具有以下特征：年最高潮位持续较高、各月出现频率不均、风暴潮出 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文 摘要 现频次不断增加、风暴潮灾害严重。通过a r c g i s 平台对上海滨海地区风暴 潮灾害进行静态模拟，可知在堤坝受损情景下，无论发生百年一遇还是千年 一遇潮灾发生时，研究区几乎全部受灾。而在有堤坝情景下，即使考虑地面 沉降因素影响，千年一遇和百年一遇风暴潮在很长_ 段时期内对上海滨海三 区都不会造成严重影响。 在堤坝受损情景下百年一遇潮灾最大淹没面积为1 0 4 1 4 5 k m 2 ，占整个滨海三 区总面积的5 8 3 0 ，位于浦东大部，南汇南部和奉贤东部。最深淹没深度为 1 5 0 m ，位于奉贤区东南沿海地区与南汇区相邻的滩涂上。相对的千年一遇 潮灾最大淹没面积为1 3 8 4 9 7 k m 2 ，占整个滨海三区总面积的7 2 9 9 ，几乎 覆盖了浦东、南汇全部地区，仅在奉贤西北部地区没有淹没。最深淹没深度 为2 7 0 m ，位于顾路镇和龚路镇沿海地区。 对两种时间情景下各土地利用类型暴露性进行评估。无论百年一遇还是千年 一遇潮灾，居住区用地和农业用地的的淹没范围变化较大，其中千年一遇居 住区淹没面积是百年一遇的3 7 5 倍，农业用地淹没面积是百年一遇的1 4 4 倍，其他土地利用类型是百年一遇的1 1 3 倍。 根据上海市历史灾情现有资料确定损失率与淹没水深间函数关系，提出各类 财产不同水深等级的潮灾损失率。各土地利用类型淹没水深叠加上对应的脆 弱度，得到整个研究区域内不同土地利用的潮灾损失率。其中，堤坝受损情 景下百年一遇潮灾损失率主要集中在1 0 2 0 之间，最大潮灾损失率为 5 0 ，即为淹没水深1 0 m - - - 1 5 m 下农业用地的损失率；对应千年一遇潮灾 损失率主要集中在1 0 - - - 2 0 和2 0 - 3 0 之间，最大潮灾损失率为1 0 0 ， 即为淹没水深 2 0 m 下农业用地的损失率。 堤坝受损情景下百年一遇潮灾发生时，上海市滨海三区( 浦东、南汇、奉贤) 潮灾淹没损失值为5 0 5 8 6 8 5 亿元；对应千年一遇潮灾淹没损失值为8 0 1 9 6 1 3 亿元。不同重现期情景下各土地利用类型潮灾淹没损失值大d , j 顷序为：工业 仓储用地损失 公共设施用地损失 交通用地损失 农业用地损失 绿化 用地损失 居住用地损失 水域用地损失。 以浦东国际机场为研究对象，堤坝受损情景下百年一遇潮灾的最大淹没面积 为1 1 9 6 k i n 2 ，占整个浦东机场总面积的2 9 9 0 ，最深淹没深度为0 5 9 m 。相 对应的千年一遇潮灾的最大淹没面积为2 8 2 1 k i n 2 ，占整个滨海三区总面积的 7 0 5 1 ，最深淹没深度为0 6 2 m 。二者淹没水深大多集中在0 m - - - 0 5 m 范围 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文 摘要 内，分别占淹没面积的9 8 5 0 和9 4 9 4 。参照2 0 0 9 年上海浦东机场利润收 入，进行潮灾损失评估得：发生百年一遇潮灾时，损失5 0 2 3 万元，停航造 成的滞留旅客为9 9 万人次，货邮8 7 6 5 万吨；发生千年一遇潮灾时，损失 1 2 0 1 4 万元。停航造成的滞留旅客为1 1 8 8 万人次，货邮1 0 5 1 8 万吨。 关键词：上海，风暴潮，情景模拟，风险评估，加e g i s ，m i k e2 1 华东师范大学2 0 1 0 届硕上论文摘要 a b s t r a c t n a t u r a ld i s a s t e ri st h eh o t s p o tq u e s t i o ni ni n t e r n a t i o n a ls o c i e t ya n da c a d e m e c o a s t a lc i t i e sa l ei m p o r t a n ta l e a sa n ds t r a t e g i cf o c u so fp e o p l ec o n v e r g e n c y , n a t i o n a l e c o n o m ya n ds o c i e t yd e v e l o p m e n t s h a n g h a ii st h ee c o n o m i ch u bo fc h i n aa n dt h e l e a d i n gl i n k a g eo fe a s t - w e s t ，n o r t h s o u t h h o w e v e r , s t o r ms u r g ed i s a s t e r sh a p p e n e a s i l ya n df r e q u e n t l yi nt h er e g i o n ，s oe c o n o m i cl o s si se x t r e m e l ys e r i o u s t h i s d i s s e r t a t i o nw i l lp r o v i d eb a s e so ft h e o r ya n ds c i e n t i f i ct o o l sf o rs t o r ms u r g ed i s a s t e r r i s km a n a g e m e n tm o d e l ，e m e r g e n c yp l a na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm o d e l t h i sd i s s e r t a t i o nw a sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 4 0 7 3 0 5 2 6 ，n o 4 0 5 7 1 0 0 6 ) a n ds h a n g h a is c i e n c ea n d t e c h n o l o g yv e n u sp r o j e c t ( n o 0 9 q a l 4 0 1 8 0 0 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fs h a n g h a i s t o r m s u r g ea n d i t sf o r m a t i o nm e c h a n i s m ，e s t a b l i s ht h es t o r m s u r g e d i s a s t e r h y d r o s t a t i cm o d e lo na r c g i sp l a t f o r m a n db a s e do nm i k e2 1h y d r o d y n a m i cm o d e l ， u s i n gn u m e r i c a la n ds p a t i a lg e o g r a p h i ca n a l y s i sm e t h o d s ，c o n s t r u c ts t o r ms u r g e d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l c o n t r a s tw i t hh y d r o s t a t i cm o d e l ，h y d r o d y n a m i cm o d e li s m o t er e l i a b l ea n da u t h e n t i c t h e r e f o r e ，b a s e do nd y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t s ，f r o mt h e p o i n to fr i s k , v u l n e r a b i l i t ya n de x p o s u r e ，a n a l y s i st h er i s kd e g r e e so fd i f f e r e n t f r e q u e n c i e s ，a n db u i l ds t o r ms u r g ed i s a s t e rr i s kz o n i n gm a p ，e s t a b l i s hs t o r ms u r g e r e s e a r c hm e t h o d o l o g ys u i t a b l i n gf o rs h a n g h a i s e v e r a lm a i nc o n c l u s i o n sa l es h o w na sf o l l o w s ： 1 c o n s t r u c t e ds h a n g h a iu r b a ns t o r ms u r g ed i s a s t e rs y s t e m ，t i d a lw a v ed i s a s t e r r i s ks y s t e m sa n dd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n tm o d e l u r b a ns t o r ms u r g ed i s a s t e rr i s k s y s t e m sc o m p o s e db yt h ep r e g n a n tt i d a ld i s a s t e re n v i r o n m e n t ，i n d u c i n gf a c t o r sa n d i n h e r i t i n gb o d y t i d ed i s a s t e rr i s ka n a l y s i s a n da s s e s s m e n t s y s t e mi n c l u d e r i s k i d e n t i f i c a t i o n ，r i s ka s s e s s m e n ta n dr i s km a n a g e m e n t r i s ka n a l y s e sm a i n l yi n c l u d e r i s ka n a l y s i so fi n d u c i n gf a c t o r s ，v u l n e r a b i l i t ya n a l y s i sa n de x p o s u r ea n a l y s i so f i n h e r i t i n gb o d y 2 u s i n gs c e n a r i oa n a l y s i st ot h er i s km o d e l i n g d i f f e r e n tf r o mt h ei n d e xs y s t e m ， w eu s e dav a r i e t yo fs p a t i a la n dt e m p o r a ls c e n a r i o s ( t i m es c a l e ，s p a t i a ls c a l e ， 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文 摘要 f r e q u e n c y - r e t u r np e r i o d ) ，t h e n a t u r a l s c e n a r i o s ( t y p h o o n s ，s t o r ms u r g e s ，l a n d s u b s i d e n c e ， s e al e v e l r i s e ) ， m a l l - m a d es c e n a r i o s ( s o c i o - e c o n o m i c , p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n ) t or e p r e s e n t a t i n gt h eh i s t o r i c a ls t o r ms u r g ea n ds i m u l a t i n gf u t u r et i d e d i s a s t e r u s i n ga r c g i st os i m u l a t es t a t i cs i m u l a t i o na n du s i n gm i k e 2 1t os i m u l a t e d y n a m i cs i m u l a t i o n c o m p a r i s o no fk n o w n ，m i k e 2 1d y n a m i cs i m u l a t i o ni s m o r e a u t h e n t i c i t y , i n t u i t i v e 3 s h a n g h a is t o r ms u r g ed i s a s t e r sa r cr e s u l to fw e a t h e r ，t e r r a i n ，s e a l e v e lf a c t o r s a n dh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：t h ea n n u a lm a x i m u ms u s t a i n e dh i g h e r , f r e q u e n c yo fe a c hm o n t hu n e v e n ，t h ef r e q u e n c i e so fs t o r ms u r g e si n c r e a s e ，s t o r m s u r g ed i s a s t e rs e v e r e u s i n ga r c g i st os i m u l a t et h es t a t i cs i m u l a t i o no fs t o r ms u r g e d i s a s t e r si nc o a s t a lr e g i o no fs h a n g h a i ，w ec a ns e et h a ti nt h ed a md a m a g es c e n a r i o s ， w h e t h e ri nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r so ri nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r s ，a l m o s t a l lo ft h es t u d ya r e aa f f e c t e db yt h es t o r ms u r g e ；i nt h ec a s eo fad a m ，e v e nt a k i n gi n t o a c c o u n tl a n ds u b s i d e n c ef a c t o r , i nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r sa n di n1 0 0 0y e a r s ，a l o n gp e r i o do ft i m et h et h r e ec o a s t a la r e a so fs h a n g h a ia r en o ts e r i o u s 4 i nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r s ，t h em a x i m u ma f f e c t e da r e ai s1 0 4 1 4 5 k m 上， t h ep r o p o r t i o no f5 8 3 0 o ft h es t u c ya r e a , m a i n l yl o c a t i n gi np u d o n gd i s t r i c t ，s o u t h n a n h u id i s t r i c ta n de a s tf e n g x i a nd i s t r i c t t h ed e e p e s tf l o o d e dd e p t hi s1 5 0 m ， l o c a t i n gi nt h eb e a c ho fs o u t h e a s tc o a s t a la r e a so ff e n g x i a nd i s t r i c tw h e r ea d j a c e n t n a n h u id i s t r i c t i nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r s ，t h em a x i m u m a f f e c t e da r e ai s 1 3 8 4 9 7 k m z ，t h ep r o p o r t i o no f7 2 9 9 o ft h es t u c ya r e a , c o v e r i n ga l m o s ta l la r e a so f t h es t u d ya r e a , e x c e p tn o r t h w e s tf e n g x i a nd i s t r i c t t h ed e e p e s tf l o o d e dd e p t hi s2 7 m ， l o c a t i n gi nt h ec o a s t a la r e a so fg u l u t o w na n dg o n g l ut o w n 5 a s s e s s i n ge x p o s u r eo fe a c hl a n du s ei nt h et w oh o u r ss c e n a r i o s w h e t h e ri n t h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r so ri nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r s ，r e s i d e n t i a ll a n d a n da 鲥c u l t u r a ll a n di nt h es u b m e r g e da r e ac h a n g e dg r e a t l y t h el i v i n ga r e a si nt h e r e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r si s3 7 5t i m e so ft h a ti nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r s ，a n d a g r i c u l t u r a ll a n da r e ai nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r si s6 1 5t i m e so ft h a ti nt h e r e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r s t h eo t h e rc a s eo fl a n du s e si nt h es t o r ms u r g ed i s a s t e ri s a l m o s tt h es a m e 6 a c c o r d i n gt o t h es h a n g h a ih i s t o r i c a ld i s a s t e ri n f o r m a t i o nt od e t e r m i n e v 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文 摘要 r e l a t i o n s h i p o ft h el o s sr a t ea n dw a t e rd e p t h ，p r o p o s ed i s a s t e rl o s so fd i f f e r e n t p r o p e r t yt y p e s l a n d u s es u b m e r g e dd e p t hs u p e r i m p o s e do nt h ec o r r e s p o n d i n g v u l n e r a b i l i t yt o o b t a i nv u l n e r a b i l i t yo fd i f f e r e n tl a n du s e si nt h ee n t i r es t u d ya r e a , n a m e l y , t h el o s sr a t eo fd i s a s t e r i nt h er e t u mp e r i o do f1 0 0y e a r s ，l o s sr a t eo ft i d a l d i s a s t e rm a i n l yf o c u so n1 0 2 0 ，t h el a r g e s ti n f l u xo fl o s s e si s 5 0 ， c o r r e s p o n d i n gt os u b m e r g e n c ed e p t ho f1 0 m 1 5 mi na g r i c u l t u r a ll a n d i nt h er e t u r n p e r i o do f1 0 0 0y e a r s ，l o s sr a t eo ft i d a ld i s a s t e rm a i n l yf o c u so n l 0 2 0 a n d 2 0 3 0 ，t h el a r g e s ti n f l u xo fl o s s e si s1 0 0 ，c o r r e s p o n d i n gt os u b m e r g e n c e d e p t ho fa b o v e2 mi na g r i c u l t u r a ll a n d 7 i nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0y e a r s ，t h et i d a lf l o o dd i s a s t e rl o s sv a l u e si nt h e t h r e ec o a s t a la r e a so fs h a n g h a i ( p u d o n g ，n a r d a u i ，f e n g x i a n ) 5 0 5 8 6 8 5m i l l i o nr m b i nt h er e t u r np e r i o do f1 0 0 0y e a r s ，t h et i d a lf l o o dd i s a s t e rl o s sv a l u e s8 0 1 9 6 1 3m i l l i o n r m b t i d a lf l o o dd i s a s t e rl o s s e si nd i f f e r e n tr e t u r np e r i o d sa r ei nt h eo r d e ro f i n d u s t r i a lw a r e h o u s el o s s e s p u b l i cf a c i l i t i e s l o s s e s t r a n s p o r t a t i o nl a n dl o s s e s a g r i c u l t u r a ll a n dl o s s g r e e ns p a c el o s s e s r e s i d e n t i a ll a n dl o s s e s w a t e rs p a c e l o s s e s 8 t a k et h ep u d o n gi n t e r n a t i o n a la i r p o r ta st h er e s e a r c ho b j e c t , i nt h er e t u r n p e r i o do f1 0 0y e a r s ，t h em a x i m u ma f f e c t e d a r e ai 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华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文目录 6 结论与展望。 6 1 结论8 5 6 2 展望8 8 附录。8 9 参考文献： 后记 9 0 9 5 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文目录 图表目录 图1 1 技术路线图1 4 图2 - 1 风暴潮灾害风险评估方法体系1 6 图2 2 城市风暴潮灾害风险评估步骤1 7 图2 3 风暴潮灾害情景分析1 9 图2 4 风暴潮灾害风险评估概图2 0 图2 6 风暴潮灾害损失评估体系2 1 图2 5 潮灾脆弱性评估方法步骤2 2 图2 7 理论与方法2 5 图3 - 1 上海市区示意图1 图3 2 上海市水系图1 图3 3 上海市d e m 。1 图4 - 1 上海市海塘堤防建设4 2 图4 2 堤坝受损情景下风暴潮影响范围4 3 图4 3 堤坝完好情景下风暴潮影响范围。4 4 图4 4 典型潮灾台风路径4 6 图4 5 长江口区非结构网格区域构建与验潮站分布图1 图4 69 7 1 1 号台风期间各验潮站潮高5 0 图4 70 5 0 9 号台风期间各验潮站潮高5 1 图4 80 5 1 5 号台风期间各验潮站潮高5 2 图4 9 长江口区矩形地形网格构建1 图4 - 1 09 7 1 1 号台风8 月1 9 日0 时模拟风场5 5 图4 - 1 1 模拟风速与实测风速对比图5 5 图4 - 1 2 验潮站实测潮位与模拟潮位对比图5 7 图4 - 1 3 海塘受损情景下9 7 1 1 号台风风暴潮影响范围5 8 图4 - 1 48 月1 9 日0 时9 7 1 1 台风风暴潮漫滩模拟影响范围6 0 图4 1 5 台风模拟路径6 1 图4 1 6 百年一遇台风期间各验潮站潮高6 2 图4 - 1 7 千年一遇台风风暴潮期间各验潮站潮高。6 3 图4 - 1 8 堤坝受损情景下风暴潮影响范围6 4 华东师范大学2 0 1 0 届硕士论文目录 图4 1 9 堤坝完好情景下风暴潮影响范围6