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关键词:暴雨洪涝;GIS技术;致灾因子危险性;风险评估
中图分类号:TV122+.1 文献标识码:A 文章编号:
引言
20世纪90年代以来,在以全球变暖为主要特征的气候变化背景下,极端天气气候事件明显增多,特别是强降雨引发的暴雨洪涝灾害。如2008年北海市6月份雨量高达900毫米;2011年10月1日,福成镇4小时雨量超过400毫米;2012年7月下旬,北海市铁山港区一次连续暴雨过程(4天)雨量超过600毫米;2012年10月29日,北海市区和银滩镇一小时雨量分别是140毫米和150毫米。这些极端强降雨天气对北海市社会经济和人民群众财产安全造成严重的影响。因此,为有效的规避风险,为给北海市经济可持续发展和防灾减灾决策提供理论支持和科学依据,开展北海市暴雨洪涝风险评估很有必要,而致灾因子危险性分析是暴雨洪涝风险评估的主要部分。
1.暴雨洪涝对北海市影响概况
北海市位于广西南部,低纬度沿海地区,南濒北部湾,属亚热带海洋性季风气候,主要受中低纬度天气系统影响,是气象灾害较为频繁的区域之一,而暴雨洪涝是北海市最主要的气象灾害之一。北海市平均每年每站发生暴雨(日雨量50毫米)以上降雨7-8天,大暴雨(日雨量100毫米)以上2-3天。暴雨天气给北海市造成了严重的洪涝灾害,据气象灾情数据统计,不包含台风暴雨所造成的损失,北海市平均每年因暴雨洪涝造成损失超过亿元。
2.数据和方法
2.1数据来源:
(1)气象观测数据
气象资料取自北海市24个自动气象站逐日降雨量资料,资料时间从2008年1月~2012年7月。
(2)基础地理信息资料利用ArcGIS9.2对广西1:25万地理数据中的F4905、F4906、F4909和F4910等四个图幅所包含的E00资料和dem ASCII资料进行格式转换和拼接、对矢量数据分层、筛选以及裁剪、经、纬度和坡度、坡向栅格数据提取等一系列处理后得到北海市的行政区划界数据、行政点数据、河流、水体数据、路网数据及网格距为100m×100m的广西DEM、经度、纬度、坡度、坡向栅格数据。
2.2暴雨洪涝灾害风险指数模型构建
自然灾害风险的形成过程中,是致灾因子危险性(VH)、孕灾环境稳定性(VE)、承灾体的脆弱性(VS)和防灾减灾能力(VR)等4个主要因子的综合作用的结果,其函数表达式为:。式四个因子当中,致灾因子危险性(VH)所占的权重最大。
2.3相关技术方法:
(1)因子规范化处理方法
气象灾害的孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体脆弱性、防灾减灾能力四个评价因子包含若干个指标。由于评价指标体系的参评因子来自不同的方面,各参数间的量纲不统一。为了消除各指标的量纲和数量级的差异,需对每一个指标值进行规范化处理。
敏感性、危险性、易损性三个指标规范化计算采用公式:
式中Dij 是j 区第i个指标的规范化值, Aij是j 区第i个指标值, mini和maxi 分别是第i个指标值中的最小值和最大值。
(2)加权综合评价法
暴雨洪涝致灾因子危险性指数的计算采用加权综合评价法。加权综合评价法综合考虑各个具体指标对评价因子的影响程度,是把各个具体指标的作用大小综合起来,用一个数量化指标加以集中,计算公式为:
式中 V 是评价因子的值,n 是评价指标个数,Di 是指标 i的规范化值,Wi 是指标 i 的权重。权重 Wi 的确定可由各评价指标对所属评价因子的影响程度重要性,利用层次分析法确定,或根据专家意见,结合当地实际情况讨论确定。
3.致灾因子危险性区划
致灾因子危险性表示引起暴雨洪涝灾害的致灾因子强度和概率特征,是暴雨洪涝灾害产生的先决条件。
3.1临界致灾雨量的初步确定
暴雨过程降水定义:过程降水量以连续降水日数划分为一个过程,一旦出现无降水则认为该过程结束,并要求该过程中至少一天的降水量达到或超过50毫米,最后将整个过程降水量进行累加。
统计本市年各气象台站1天、2天、3天、……10天(含10天以上)暴雨过程降水量。将本市所有台站的过程降水量作为一个序列,建立不同时间长度的10个降水过程序列。分别计算不同序列的第98百分位数、第95百分位数、第90百分位数、第80百分位数、第60百分位数的降水量值,该值即为初步确定的临界致灾雨量。利用不同百分位数将暴雨强度分为5个等级,具体分级标准为: 60%~80%位数对应的降水量为1级,80%~90%位数为对应的降水量为2级,90%~95%位数对应的降水量为3级,95%~98%位数对应的降水量为4级,大于等于98位数对应的降水量为5级。
3.2降水致灾因子权重的确定
根据暴雨强度等级越高,对洪涝形成所起的作用越大的原则,确定降水致灾因子权重。暴雨强度5、4、3、2、1级权重分别为5/15、4/15、3/15、2/15、1/15。
3.3单站降水致灾因子危险性指数
加权综合评价法计算不同等级降水强度权重与将各站的不同等级降水强度发生的频次归一化后的乘积之和。
3.4致灾因子危险性区划
将各站的危险性指数作为本市分县乡镇图的致灾因子影响度属性的属性值赋给该图,然后将该图栅格化,利用GIS中自然断点分级法将致灾因子危险性指数按5个等级分区划分(高危险区、次高危险区、中等危险区、次低危险区、低危险区),绘制致灾因子危险性指数区划图(图1)。由图可见,北海市暴雨洪涝危险性大致呈现东北高西南低的分布态势,说明北海市东北部发生暴雨的强度和频度要明显强于西南部。致灾因子高危险区主要位于合浦县东到东北部,从白沙镇、公馆镇到闸口镇、石康镇一带,低危险区位于北海市西南端。
图1 北海市暴雨洪涝灾害致灾因子危险性区划图
4.结论与讨论
4.1一直以来,由于乡镇一级的气象资料、灾情资料和社会经济数据十分匮乏,自然灾害风险评估工作只能以县为分析单元。本文采用中尺度自动气象站资料和各乡镇社会经济数据进行风险评估分析,基于地理信息化(GIS)技术,应用自然灾害风险指数法、加权综合平均法,大大提高了评估科学性和精细化程度。
4.2以乡镇为单元的区域自动站气象历史资料,存在资料长度较短的问题。如果能结合水文、海洋以及能源等部门的气象资料则评估效果更可靠。
4.3采用逐日降雨量做暴雨洪涝、台风等灾害风险评估,很多时候对暴雨强度的反映不够准确,假如使用逐小时降雨量做暴雨洪涝的危险性因子分析不但可以增加资料样本数,还能提高分析精度。
4.4应用专家打分法、灾情验证法及查找文献等方法选取评估因子、确定各因子权重系数,还是具有一定的主观性。
参考文献:
章国材.气象灾害风险评估与区划方法.气象出版社,2010.1
暴雨洪涝灾害风险区划技术规范(气减函〔2009〕24号文附件)
作者简介:
[关键词] 广东省 水资源 水安全
[中图分类号] F205 [文献标识码] A [文章编号] 1004-6623(2017)03-0033-04
[作者简介] 周余义(1986 ― ),湖南永州人,综合开发研究院(中国 . 深圳)可持续发展与海洋经济研究所助理研究员,研究方向:区域经济,人文地理;张静超(1986 ― ),湖北襄阳人,综合开发研究院(中国 . 深圳)可持续发展与海洋经济研究所助理研究员,研究方向:产业经济。
水安全问题通常指人类在社会生存和经济发展过程中,改变了水文循环平衡,降低了水质,从而引发水危害的问题。广东水资源丰富,但受时空分布不均、环境污染以及气象灾害等多重因素影响,也面临着多方面的水安全威胁。尤其是在人口、经济不断向城市密集区集聚,水资源空间失衡加剧,城市水安全愈发脆弱的背景下,建立系统化的水安全应对策略具有重要意义。
一、广东水资源及用水概况
1. 水资源概况
广东河流众多,降水充沛,水资源总量丰富,常年值约为1830亿立方米,是我国东部地区水资源总量最大的省份。2015年,广东水资源总量为1933.4亿立方米,约占全国水资源总量的7%,仅次于、广西、四川和江西,居全国第五。人均水资源量为1792立方米,处于全国中等水平。
2. 用水变化情况
近10年来,由于用水效率大幅提升和用水结构的优化,广东用水总量总体呈现先升后降态势,用水总量控制取得了显著成效,为缓解水资源供应压力发挥了积极作用。2015年,广东用水总量为443.1亿立方米,相比2006年减少16.3亿立方米,相比2010年的最高值减少26亿立方米,相当于深圳2015年用水量的1.3倍。
从用水效率来看,2015年,广东人均综合用水量、万元GDP用水量和万元工业增加值用水量分e为411立方米、61立方米和37立方米,相比2006年分别下降了16.8%、65.1%和65.7%,与全国同期相比分别低7.6%、32.2%和36.5%。受此影响,广东用水结构也发生了较大调整,突出表现在工业用水量的快速下降。2006~2015年,广东工业增加值由12518.6亿元增长到30259.5亿元,增长了142%,但工业用水量由135.6亿立方米下降至112.5亿立方米,减少23.1亿立方米,占全省用水总量的比重由29.5%下降至25.4%。
二、广东水安全面临
“两大失衡”和“三大风险”
(一)两大失衡
广东是我国东部地区水资源最丰富的省份,但受自然地理环境和气候条件的影响,水资源的开发和利用长期存在两大失衡。
1. 空间分布失衡
水资源空间分布失衡,突出表现在资源分布重心与城市社会经济重心偏离和区域内部供需差异显著两方面。一方面,珠三角作为广东城市社会经济发展的重心所在,集聚了全省54%的人口和79%的经济总量,但水资源总量仅占不到全省的1/3,而山区、西翼及东翼①则占有全省69%的水资源,资源分布重心与城市社会经济重心严重偏离。
另一方面,区域内部供需差异显著。2015年,全省21个地级市中,水资源总量最大的为清远,达284.6亿立方米,是用水量15倍;而深圳水资源总量为18.5亿立方米,用水量达19.9亿立方米,需要依靠大量的境外引水来满足城市发展需求。
2. 降水时间失衡
降水是广东水资源的主要来源。广东的降水量主要集中在汛期(4~9月),导致大多数降水以洪水形式出现并流入大海,无法调蓄成为可利用的水资源而浪费,水资源开发利用率难以提升。从多年统计的平均值来看,广东水资源开发利用率为24.7%,若包括上游入境水量,则为10.8%。其中,东江(含珠江三角洲)28.6%,粤西诸河22.0%,粤东诸河21.7%,韩江21.4%,西江20.4%,北江10.2%。
(二) 三大风险
受区域经济发展、水环境污染及气候条件等多重因素影响,广东水安全面临三大风险。
1. 水质性缺水风险
随着经济发展和人口增长,在用水量大幅增长的同时,入河废污水排放量也在大幅增长。2006~2016年的10年中,全省入河废污水排放总量达930亿吨,年均排放量达93亿吨,使全省大部分河、湖、库均受到不同程度的污染,特别是珠三角城市周边的河涌、河段,大部分已被严重污染,水环境面临严峻的挑战,部分地区面临严重的水质性缺水危机。2015年,全省各流域水功能区中,东江的达标率最高,为62%,其余均在50%以下,最低的为粤西诸河,仅为27.4%。水质性缺水已成为广东最重要的水安全问题。
2. 资源性缺水风险
受水资源时空分布失衡和区域经济与人口规模分化的双重影响,广东部分区域正面临着日益加剧的资源性缺水风险。从水资源总量与用水量的变化关系来看,目前全省面临资源性缺水风险的区域大概可以分为三个层级,第一层级是用水量已经超过或十分接近水资源总量的区域,包括深圳和中山两市;第二层级为随着用水量的增加,在将来一段时间内有可能会超过水资源总量的区域,包括佛山、东莞和广州3市;第三层级为水资源总量相比用水量盈余较大,难以遭受资源性缺水风险的区域,包括汕头、珠海、湛江、揭阳、云浮、潮州、茂名、江门、汕尾、惠州、梅州、阳江、肇庆、河源、韶关和清远16个市。
3. 洪涝灾害风险
广东濒临南海,是西太平洋台风登陆中国的主要地区,台风、暴雨、风暴潮等灾害发生频繁,受洪涝灾害风险较大。近年来沿海市积极推动滨海新区建设,进一步加速了城市社会经济发展重心沿海布局的趋势,使沿海地区洪涝灾害的风险不断加剧。2015年,全省共遭遇了26场次强降雨和3个台风、1个热带低压正面登陆或严重影响。其中,5月,全省强降水天气异常频繁,出现了该年以来强度最强、范围最广、持续时间最长的降水过程,降水量达474毫米,较常年同期显著偏多84%,粤北、珠三角和粤东均出现不同程度的洪涝灾害,直接经济损失约18.7亿元。
三、提升广东水安全保障水平的五大对策
一是强化全省域的水资源统筹调配。立足全省水资源分布情况及用水区域差异,建立城市水资源管理计算机模型,对城市水资源进行信息化管理,以应对复杂多变的水资源变化情况,为城市水资源管理提供信息支持。加强对重点缺水城市的水资源供应保障,以深圳、中山等资源性缺水风险较高的城市为重点,积极推进跨流域、跨区域的引水工程建设,完善以流域和区域为单元的蓄、引、提、排、灌、供、用协调统一的水资源配置网络体系,将水资源丰富而用水相对较少地区的富余水量充分利用起来,增强城市供水保障能力和应急能力,缓解区域内资源性缺水压力。
二是加大水资源保护力度。创新水资源保护思路,建立系统化的水环境保护体系。制定和完善水功能区划,分区分级加强水功能保护,强化对流域水功能区分区、分段治理,坚持“边控制、边改善”,稳步改善各流域水功能区达标状况。加强对严重污染河流和城市河段的综合整治,积极推进“源头控制,末端治理”相结合的水污染治理方式,逐步减少入河废污水排放量,实现“水量”和“水质”的双重提升。
三是建立雨洪资源化利用体系。大力推进城市雨洪资源化利用工程,选择试点城市,积极推进“用户―支管―干管”一体的雨洪资源化利用体系建设,逐渐在全省范围内建成路径完整、接驳顺畅、运转高效的雨洪水收集输送系统。加快推进新建城区和旧城改造区的污水管网建设,推动污水管网与片区开发同步规划、同步建设,从系统上考虑片区上下游排水配套设施的建设与完善,严格实行雨污分流,提升雨洪资源化利用水平。
四是推广完善再生水利用体系。制定再生水利用实施计划,实施再生水利用示范工程,将建设污水再生回用设施和铺设再生水管道纳入城市建设和发展的总体规划,以六河流域为重点,坚持厂网配套、管网优先、建管并重的原则,完善再生水利用设施。将再生水生产企业纳入再生资源回收行业,给予相应的政策支持和鼓励,鼓励再生水技术的自主创新。科学制订企业使用自来水、再生水、河网水和地下水的价格标准,形成有利于节约用水、分类用水的价格体系。
五是积极推动海绵城市建设。完善海绵城市建设标准规范,积极引导新老城区开展海绵城市建设,全面增强城市排水防涝能力。对全省范围的易涝点进行全面普查,有效结合城市更新,有计划地实行海绵化改造,逐步实现小雨不积水,大雨不内涝。城市新区应坚持高标准,落实严要求,加强海绵城市的整体设计,实现与周边地形、水系、道路、市政设施的衔接,打造一批海绵城市示范工程。
[参考文献]
[1]彭建,赵会娟等.区域水安全格局构建:研究进展及概念框架[J].生态学报,2016,36(11):3137-3145.
[2]廖永丰,聂承静,杨林生,李海蓉.洪涝灾害风险监测预警评估综述[J].地理科学进展,2012,31(3):361-367.
[3]李慧.广东省经济增长与水资源关系的实证研究[D].华南理工大学,2010.
[4]黄红明.广东省水资源开发利用前景分析研究[D].武汉大学,2004.
[5]张翔,夏军,贾绍凤.水安全定义及其评价指数的应用[J].资源科学,2005,27(3):145-149.
Abstract:Water resources are both basic natural resources and strategic socio-economic resources. Guangdong Province is the most economically developed province in China. Water safety is a major strategic issue related to the sustainable development of Guangdong Province. According to the analysis, it is found that the total amount of water resources in Guangdong Province is abundant, and there is a large surplus relative to the limited water consumption. However, due to the superposition of multiple factors, water security is facing a double Challenge such as “two imbalances” and “three risks”, on this basis, the paper puts forward five countermeasures to improve water security in Guangdong Province.
关键词:洪水淹没 DEM 格网模型
一、前言
我国是一个自然灾害十分频繁的国家,洪涝灾害一直严重威胁着人民生命财产安全和社会的稳定与发展。近几十年来,自然资源的开发利用不断扩大,城乡经济建设飞速发展,洪水出现的频率及其造成的损失也不断的增加。因此,快速、准确、科学地模拟、预测和显示洪水淹没范围,以便发挥防洪工程效益,并以非工程措施来减轻洪水危害,对防洪减灾具有重要意义。别是对于城市和蓄滞洪区,如果能够预先获知洪水的淹没范围和水深的分布情况,对于挽救人民的生命财产和减少洪涝灾害损失都具有十分重要的价值。获取洪涝灾害范围和该范围内相对准确的水深分布对洪涝灾害评估和经济损失评估也具有重要的意义。
二十世纪九十年代以来,利用GIS技术为手段进行洪水淹没研究一直是一个研究热点,但大多数的研究仍然比较粗略,没有充分利用GIS的空间分析功能,因而没有准确地反映地形的连通性和洪水的流向等。本文以数字高程模型(DEM)为基础,将地形的连通性和TIN和任意多边形格网模型技术相结合,尝试把三维地形能够较真实地反映地形地貌要素和二维GIS技术中矢量栅格一体化的空间分析功能这两大优势运用到洪水淹没范围的模拟研究中,采用平面模拟方法模拟淹没范围,能够更准确、科学地确定洪水淹没范围和水深分布,为洪水风险图制作、防洪指挥调度和洪涝灾害的损失评估提供准确的评判依据。
二、洪水淹没分析方法及其与洪水模拟演进的比较
洪水淹没是一个很复杂的过程,受多种因素的影响,其中洪水特性和受淹区的地形地貌是影响洪水淹没的主要因素。对于一个特定防洪区域而言,洪水淹没可能有两种形式,一种是漫堤式淹没,即堤防并没有溃决,而是由于河流中洪水水位过高,超过堤防的高程,洪水漫过堤顶进入淹没区;另一种是决堤式淹没,即堤防溃决,洪水从堤防决口处流入淹没区。无论是漫堤式淹没还是决堤式淹没,洪水的淹没都是一个动态的变化的过程。
针对目前防洪减灾的应用需求,对于洪水淹没分析的要求可以概化为两种情况,一是在某一洪水水位条件下,它最终会造成多大的淹没范围和怎样的水深分布,这种情况比较适合于堤防漫顶式的淹没情况。另外一种情况是在给定某一洪量条件下,它会造成多大的淹没范围和怎样的水深分布,这种情况比较适合于溃口式淹没。对于第一种情况,需要有维持给定水位的洪水源,这在实际洪水过程中是不可能发生的,处理的办法是可以根据洪水水位的变化过程,取一个合适的洪水水位值作为淹没水位进行分析。对于第二种情况,当溃口洪水发生时,溃口大小是在变化的,导致分流比也在变化。另外一般都会采取防洪抢险措施,溃口大小与分流比在抢险过程中也在变化,洪水淹没并不能自然地发生和完成,往往有人为防洪抢险因素的作用,如溃口的堵绝,蓄滞洪区的启用等。这种情况下要直接测量溃口处进入淹没区的流量是不大可能的,因为堤防溃决的位置不确定,决口的大小也在变化,测流设施要现场架设是非常困难也是非常危险的。所以实际应用时,考虑使用河道流量的分流比来计算进入淹没区的洪量。
归根到底,洪水淹没的机理是由于水源区和被淹没区有通道(如溃口、开闸放水等)和存在水位差,就会产生淹没过程,洪水淹没最终的结果应该是水位达到平衡状态,这个时候的淹没区就应该是最终的淹没区。基于水动力学模型的洪水演进模型可以将这一洪水淹没过程模拟出来,即在不同时间的洪水淹没的范围,这对于分析洪水的淹没过程是非常有用的。洪水演进模型虽然能够较准确地模拟洪水演进的过程,但由于洪水演进模型建模过程复杂,建模费用高,通用性不好,一个地区的模型不能应用到另外一个地区。特别是对于江河两侧大范围的农村地区模型的边界很难确定。所以上述两种概化的处理方法也是常用的。 三、对二维与三维分析方法的比较 洪水的淹没分析人们往往想到三维的洪水淹没分析,但实际上更有实用价值的应该是二维的淹没分析,原因有下面几点:
(1)目前所说的三维不是真正的三维,严格地说应该是2.5维,即用二维的表现设备来表现三维,这种条件下的三维往往受视角和视点的影响,视觉效果并不如人意,不能满足实际的应用需求。虽然现在市场上出现了一些真三维的观察显示设备,但其在价格,对硬件性能的要求,实用性上尚不能达到普遍使用的目的。
(2)二维来表现我们三维的现实世界是我们概化问题一贯的处理方法,特别是对于场一类的事物用二维来表现具有直观、简单、明了的优点。
(3)目前洪水模拟演进、洪涝灾害评估等实用模型大都是基于二维的,所以采用二维的洪水淹没分析能够更好地与成熟的模型结合。
基于格网模型的洪水淹没分析就是一种二维的淹没分析方法。
四、基于格网模型的淹没分析思想 基于DEM的洪水淹没分析可以解决上述两种洪水最终淹没范围和水深分布的问题,但由于DEM数据量大,对于较大范围的洪水淹没分析,在目前的计算机硬件技术水平上还不能较快地计算出结果,这对于防洪减灾决策实施等方面,这种计算速度是不能忍受的。格网模型的思想很早就已经提出,并且在各个领域得到广泛的应用,如有限元计算的离散单元模型,目前所能见到的较先的洪水模拟演进模型(如陆吉康教授的水动力洪水演进模型)也是一种格网化的模型。基于空间展布式社会经济数据库的洪涝灾害损失评估模型也是基于格网模型的思想(见李纪人等人的相关文章)。由于格网本身对模型概化的优越性,同时考虑到与洪水演进和洪涝灾害损失评估模型更好地结合,所以采用基于格网的洪水淹没分析模型是比较好的选择。
由DEM可以较方便地生成TIN模型。生成的TIN模型,其三角网格的大小分布情况反映了高程的变化情况,即在高程变化小的区域其三角网格大,在高程变化大的区域其三角网格小,这样的三角格网在洪水淹没分析方面具有以下优点:
(1)洪水淹没的特性与三角格网的这种淹没特性是一致的,即在平坦的地区淹没面积大,在陡峭的区域淹没面积小,所以采用这种格网更能模拟洪水的淹没特性。
(2)洪水的淹没边界和江河边界等都是非常不规则的,采用三角形格网模型比规则的四边形格网模型等更能够模拟这种不规则的边界。
(3)三角形格网大小疏密变化不一致,既能满足模型物理意义上的需求,也能节省计算机的存储空间,提高计算速度。
五、基于三角格网模型的淹没分析方法 针对一个特定地区的洪水淹没分析,为了减少数据量和便于分析,一般根据洪水风险,预先圈定一个最大的可能淹没范围,并且将沿江两岸分成左右两半分别进行处理分析,靠江边的边界处理为淹没区的进水边界。这样处理对于防洪减灾来说是合理的,一般在防洪区域,沿江两岸堤防建设的洪水保证率是不一样的,有重点地保护一些地区和放弃一些地区,所以需要将两岸分开处理。
目前国家测绘局能够提供七大江河周边地区1:1万的DEM数据,在实际应用中需要根据特定的防洪区域的微地形修正该DEM数据,以保证地形数据的准确,根据实测微地形(如堤防、水利工程等)数据修正DEM的GRID栅格高程值。将一系列实测数据进行自动快速修正GRID的程序已经在ARCINFO DESKTOP 8.1 平台上开发完成,可以直接进行交互式使用。将修正后的DEM数据用上面提到的洪水最大可能淹没范围进行剪裁,得到的区域就是所需要进行淹没分析研究的范围。
将DEM转换为TIN模型,提取三角格网,并对每个三角格网赋高程值,高程值按三个顶点从GRID上取得的高程值的取平均求得。该三角格网就是要进行洪水淹没分析的格网模型,如下图1所示。
图1 三角形格网模型
5.1给定洪水水位(H)下的淹没分析 选定洪水源入口,设定洪水水位、选出洪水水位以下的三角单元,从洪水入口单元开始进行三角格网连通性分析,能够连通的所有单元即组成淹没范围,得到连通的三角单元,对连通的每个单元计算水深W,即得到洪水淹没水深分布,如下图2所示。
图2 三角单元水深分布图
单元水深的计算公式如下式(1)。
W=H-E
(1)
式中:
W—单元水深;
H—水位;
E—单元高程。
5.2洪水淹没连通区域算法 对洪水淹没区域连通性的考虑,在一些淹没分析软件中,仅考虑高程平铺的问题,即在任何地势低洼的区域都同时进水,实际上从洪水本身淹没的角度来说这是不准确的,洪水首先是从洪水源处开始向外扩散淹没,只有水位高程达到一定程度之后,洪水才能越过某一地势较高的区域到达另一个洼地。洪水淹没的连通性算法可以从投石问路法的原理来理解。
假定有一个探险家,他带着一个高程标准(水位高程)需要将这一高程以下所有能够相互连通的区域探寻出来,假定这片区域由不同大小的格网组成,格网是由边数一样多(当然也可以不一样多,但那样会使问题更复杂)的多边形组成,这里为讨论问题的方便我们假定为四边形(其他格网单元的多边形可作类似考虑),探险家前进的方向即为投石问路的石子,探险家背着一个袋子,袋子里装着前进方向的石子。开始,探险家只有一颗石子,某一个表明能够进入的边界单元的石子,能够从这一边界单元进入的条件是,他所带的高程标准表明这一单元的高程比高程标准低。探险家投出这颗石子从这一边界单元进入,进入该单元后(对该单元做标记,表明已经走过),又得到三颗石子,即三个可能前进的方向,需要对这三颗石子检验是否可以继续用于投石问路,首先检验石子指明方向的单元是否具有已走过的标志,如果有则丢弃之,如果没有则保留,继续下一步检验。继续检验的条件是石子指明前进方向的单元高程比所带的高程标准是高还是低,如果高则该石子不合格,丢弃之,是低则合格,放入袋子中,袋中石子个数自动增加。检验完后,判断袋子中的石头个数,如果不为零,则可以继续往下探寻,再从袋子中取出一颗石子(袋中石子个数减一),继续投石问路,直到袋子中没有石子为止。这样就能遍历整个区域,找出与入口单元相连的满足高程标准的连通区域。
从问题的收敛性上来看,这种算法是完全可以收敛的,因为探险家开始的本钱只有一颗石子,每前进一步,得到得石子个数可能为0,1,2,3(别的多边形数目可能不一样,一定包括零),但他一定得消耗一颗用于探路的石子,所以如此不断探寻下去,最后石子用完,连通区域也就找出来了。
5.3给定洪量(Q)条件下的淹没分析 在进行灾前预评估分析时可以根据可能发生的情况给定一个洪量,或者取洪水频率对应的流量的百分数。在灾中评估分析时Q值可以根据流量过程曲线和溃口的分流比计算得到,有条件的地方,可以实测,不能实测的可以根据上下游水文站点的流量差,并考虑一定区间来水的补给误差计算得到。
在上述H分析方法的基础上,通过不断给定H条件下求出对应淹没区域的容积V与Q的比较,利用二分法等逼近算法,求出与Q最接近的V,V对应的淹没范围和水深分布即为淹没分析结果
一般:
(2)
简化计算式:
(3)
式中:
V—连通淹没区水体体积;
Ai—连通淹没区单元面积,由连通性分析求解得到;
Ei—连通淹没区单元高程,由连通性分析求解得到;
m—连通淹没区单元个数,由连通性分析求解得到。
定义函数:
(4)
显然该函数为单调递减函数,函数变化趋势如图3所示:
图3 F(H)函数变化趋势图
已知 ,H0为入口单元对应的高程,要求得一个H,使得F(H)
0。为利用二分逼近算法加速求解,在程序设计时考虑变步长方法进行加速收敛过程。需要预先求得一H1使。H1的求解可以设定一较大的增量H循环计算,直到,()。再利用二分法求算在(H0,H1)范围内趋近于零的Hq。Hq对应的淹没范围和水深分布即为给定洪量Q条件下对应淹没范围和水深
图4 Hq求解示意图
六、任意多边形格网模型的洪水淹没分析方法
前面谈到利用TIN模型产生的三角单元格网来进行洪水淹没分析,这样的淹没分析方法是有一些缺点的,首先由DEM产生TIN模型时对于高程有一个概化过程,即在三角单元内认为高程是均匀的,在实际处理时由三个点的高程平均取得。
将DEM转化为多边形,处理时将具有相同高程并且相邻的单元合并为一个多边形,这样可以大大减少多边形的数量,同时又能保证DEM的高程精度完全不损失。这样得到的格网模型比较三角单元格网模型,单元数量要多得多,但单元的高程精度要比三角单元高,所以三角单元的格网模型可以用于较粗精度的分析,由DEM直接转化为多边形的格网模型可以用于较高精度的分析。
任意多边形格网模型的洪水淹没分析方法与三角单元格网模型相似,也可以采用投石问路算法,但相对于三角单元格网模型在算法上略作一些技巧上的处理,因为每一个单元相邻的单元数量是不确定的,在算法上将每个单元的相邻单元编号预先生成一个序列,在对每一个单元进行投石问路时,从预先生成的序列中提取出相邻单元的编号,完成投石问路的整个算法过程,每个单元的相邻单元数量虽然是不确定的,但是有限的,所以投石问路算法一定可以收敛。下图5是任意多边形格网模型洪水淹没分析的一个例子。
图5 任意多边形格网模型洪水淹没分析结果
七、遥感监测淹没范围水深分布分析 遥感监测的手段对于洪水淹没范围的确定是非常有效的,对于水深的分布情况通常是很难确定的。
由DEM生成任意多边形网格模型,该模型保证了网格单元上的高程是均等的,将遥感监测洪水淹没范围与该多边形网格模型叠加,认为淹没边界线所在的单元水深为零,淹没边界线以内的单元水深即为边界单元高程减去所在单元的高程值(这种做法是在假定淹没边界单元上的高程是相等的,实际上可能不是这样,这时可以考虑求每一个淹没边界单元相对于该单元产生的水深,然后再用距离倒数平方和加权求得该点的水深)。下图6是这种方法的一个实例,洪水遥感监测的淹没范围通过圈定一个范围来模拟,粗线为模拟的洪水遥感监测的淹没范围,淹没范围内水深分布通过颜色梯度表现。
图6 遥感监测淹没范围水深分布分析结果
参考文献
关键词:环形河网;排涝能力;泵站规模;围填海区域
中图分类号:TV212文献标识码:A文章编号:
16721683(2014)02005004
Planning and Design of Scale of Drainage Pump Station in River Networks
LIU Bojing ,YANG Min,LI Huiping
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,
Tianjin 300072,China)
Abstract:In recent years,the utilization rate of reclamation area has increased significantly.In order to prevent the flood disaster in this area,the planning and design of scale of drainage pump station are crucial.First,according to the information of river network in the reclamation area,a numerical simulation model was established through the generalization of drainage system in the area.Secondly,the storage capacity was used to analyze the impacts of drainage capability of the drainage system, initial water level,and location of drainage pumping station on flood drainage,and therefore the relationship between the scale of drainage pump station and drainage process was obtained.Finally,the parameters affecting the drainage capability of drainage system were nondimensionalized to measure the drainage capacity of ringshaped river network. The results can provide reference for the planning and design of drainage pump station in the ringshaped river network area.
Key words:ringshaped river network;drainage capability;scale of pump station;reclamation area
随着经济的迅速发展,我国土地资源日益趋于紧张,围填海区域的开发利用率明显增高。全球气候变暖及下垫面的大规模改造在不同程度上改变了水文的循环状况,甚至改变了降雨的强度和持续时间。为确保该区域的安全使用,需要科学合理地规划水系,对其进行排涝能力分析,确定区域排涝所需泵站的规模并预测不同泵站规模下,该区域发生洪涝灾害的可能性。
有关学者[19]利用Hecras建立数值计算模型,对许多天然河道的输水与排涝能力做了相关研究,以排涝期间河水是否超过堤顶作为最终评定标准,指出发生洪涝灾害的原因并针对具体工程提出相应的解决办法。本文选择某区域四横四纵环形河网,河网总长约50 km,河网除了保证景观需求,最重要的是保证汛期区雨水排涝。区内降雨由16座雨水泵站提升后排入环形河网,再通过环布河网四周的8座排涝本站外排至外海。本文将影响排涝系统排涝能力的相关参数无量纲化,以衡量环形河网的排涝能力,为今后类似区域的排涝工程建设提供参考。
1模型构建
1.1排涝系统概化
区域排涝系统多由河道、湿地、雨水泵站和排海泵站等组成,排涝泵站与雨水泵站的位置见图1。河网多为人工新开挖的河道,河道断面几何形态见图2。河道糙率是表征河渠底部和岸壁影响水流阻力的综合因素的系数。参考水力学等相关计算手册,根据河道类型将河道糙率设定为0.02~0.025。
图1排涝系统结构示意图
Fig.1Schematic diagram of drainage system structure
图2典型河段断面类型图
Fig.2Typical river cross section
1.2边界条件
1.2.1河道初始水位
现代气象预报的时效性与准确性可以为排涝前的准备工作提供依据。实际运行时,可根据预报,将渠网水位预降至低水位,腾空库容,减小排涝泵站的装机容量,提高防洪能力。渠道的调蓄涌容调节[5]通过将渠网初始水位控制于常水位以下,利用渠道初始水位和高水位之间的容积,采用以时间换取空间的方法,获取更大的调蓄库容。模型设定各边界条件不变,计算不同初始水位条件下渠网水系各断面的最高水位,结果见图3。当渠道初始水位降至1.0 m以下时,降低渠道初始水位对渠网水系各断面最高水位结果影响不大;当渠网水位升高至1.2 m以上时,渠网水系各断面最高水位迅速增高。从经济、景观要求和排涝安全三方面考虑,实际运行中渠道初始水位为1.0 m。
图3初始水位对最高水位的影响
Fig.3The impact of initial water level on maximum water level
1.2.2雨水泵站
系统内共设16座雨水泵站,每座泵站有8台水泵,每座泵站总的抽排流量范围在8~20 m3/s之间。雨水泵站最大抽排流量根据当地设计暴雨确定。由于城市化的发展,城市地区市政排水和区域排涝设计标准的不同[1012]、降雨强度、降雨历时的不同,将直接决定雨水泵站规模与运行情况,包括抽排流量、运行时间等。雨水泵站排水过程线见图4。由于雨水管网集水的时间延迟,降雨刚开始的某段时间内,雨水泵站的抽排流量为递增的过程。每座雨水泵站的8台水泵的运行方式为:每隔15 min开启1台。本文共设定了15种排水方案,各参数取值见表1。本文中各个参数意义如下:T为雨水泵站总排水时间,反映降雨历时(h);Q雨为雨水泵站最大抽排流量,反映降雨强度(m3/s);W为雨水泵站排水过程线包围下的面积,反映一次降雨的总量(m3);Q排为排涝泵站总抽排流量(m3/s);V为排涝系统的调节库容,即初始水位与设计暴雨水位之间的库容(m3)。根据计算,环形河网的调节库容V=140万 m3/s。
图4雨水泵站排水过程
Fig.4The drainage process of rainwater pump station
1.2.3排涝泵站
排涝泵站的任务是将河道内的水提升排进外海,排涝泵站的位置需考虑抽排过程中对河道内水流流态的影响,即保证河道内的水在排涝期间水位波动较小,河道内不形成局部涌水,河道的过流能力满足要求。故排涝泵站布置不能过于集中。本文为做普遍性研究,排涝泵站采取分散对称布置,如图1所示。排涝泵站根据河道实际常年水位情况设定起排水位为0.8 m,关停水位为0.4 m。
2河网水系水位差异
河网水系各断面最高水位差异指河网某时刻某一断面达到最高水位,其与河网中水位最低断面水位之间的差。按照雨水泵站排水工况,设定模型的边界条件。通过计算得到15种工况下,河网最大超高为0时,比较河网水系各断面最高水位差异。计算结果表明,河网各断面水系涨落较为同步,当某断面水位达到最大值时,其他断面的水位也达到或者几乎达到最大值,见图5。各断面最高水位差Δ≤50 cm,说明排涝期间,河网水位波动不是很大。
3排水过程与泵站规模的关系
环形河网本身有一定的库容,可对洪水进行调蓄。排涝系统的排涝能力主要受到排涝系统自身的调节能力和该区域降雨强度与降雨历时的影响。为了系统研究这两者之间
图5河网水系各断面最高水位差异
Fig.5Differences in maximum water levels of
each cross section in the river network
的关系,本文定义超高概念,超高指河网在排涝期间所能达到的最高水位与设计暴雨水位的差值,并以该区域的降雨量、降雨强度、泵站的排水流量为变量,将雨水泵站的排水总量W以河网的调节库容V无量纲化,排涝泵站抽排流量以雨水泵站最大抽排流量无量纲化,分析它们之间的相互关系。将计算结果绘于图6、图7、图8和图9。
当河网水位恰巧达到设计暴雨水位时、且雨水泵站和排涝泵站均以最大抽排流量抽排时,只Q雨=Q排才能保证河网水位不超过设计暴雨水位。由图6、图7和图8可以看出排涝泵站的总的抽排流量小于雨水泵站的排水总量,即Q排/Q雨
由图6、图7和图8可以得到不同条件下、不同允许超高下排涝泵站的规模。相反,确定了排涝泵站的规模后,也可以查找相应图表分析系统排涝能力及相应风险。
图6排水总量与泵站规模的相对关系(Q雨=134)
Fig.6Relationship between the total drainage and
scale of drainage pump station (Qr=134)
图7排水总量与泵站规模的相对关系(Q雨=200)
Fig.7Relationship between the total drainage
and scale of drainage pump station (Qr=200)
图9为当河网最大超高恰好为0时,V/W与Q排/Q雨的关系,从图中可以看出,当V/W一定时,随着Q雨变大,即降雨强度变大时,Q排/Q雨反而减小,说明在排涝初期河网的调蓄能力发挥了很大的作用,降雨强度是影响河网排涝能力的主要原因。
图8排水总量与泵站规模的相对关系(Q雨=267)
Fig.8Relationship between the total drainage and
scale of drainage pump station (Qr=267)
图9调节库容与泵站规模的关系(Δ=0)
Fig.9Relationship between the regulating storage and
scale of drainage pump station (Δ=0)
4结语
本文通过构建排涝计算模型,分析环形河网的排涝能力,以该区域的降雨量、降雨强度、泵站的排水流量为变量,将雨水泵站的排水总量W以河网的调节库容V无量纲化,排涝泵站抽排流量Q排以雨水泵站最大抽排流量Q雨无量纲化,分析它们之间的相互关系,评价系统排涝特性,从而确定不同降雨条件下,泵站的相对规模。本文研究思路可以为其他类似工程的规划设计提供参考。
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1.无人机技术概述
无人机,简言之就是无人驾驶的飞机,英文缩写“UAV”,是利用无线电遥控设备和系统程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称,从技术角度定义触发可以分为:无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器等多种机型。
1 . 1无人机的工作原理
无人机机体通常偏小,由机体、飞机控制系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统五大主体部分构成,飞机控制系统是无人机飞行控制的关键,是飞机的“心脏”;数据链系统主要功能是准确传输遥控的指令,保障数据信息在控制人员与无人机之间进行高效、有序的实时传输;发射回收系统是确保无人机可以顺利飞抵标准高度及安全返回,实现重复使用的系统保障。无人机不同的机型,其功能也有所差别,无人直升机、无人固定翼飞机、无人多旋翼飞行器特点如下表所示。
1 . 2无人机特点
无人机是近年来在民用领域引起广泛关注的适用性较强的科学技术,是飞行、遥控、遥测与计算机技术的完美融合,较之于传统的测量手段,具有明显的优势。
1.2.1数据信息精度高
无人机在军用领域具有较多的经验,民用领域应用时间短且多是低空飞行,高度一般在50~1000m左右,对于地形地貌的图像捕捉属于近景测量,精度属于亚米级别,测量范围在0.1~0.5m之间。
1.2.2机动、实时、高效
无人机因其较低的飞行高度,不受传统飞行器航空管制的约束,而且受天气的影响较小,机动性高,可以全天候接受飞行任务。相较于传统的人操控飞行器,无人机成本较低,携带的摄影器材成本也不高,可以进行低空全景的数据采集,有效降低成本的同时提高了数据信息的采集效率。
1.2.3安全、灵活
无人机对于起降场地没有特殊要求,适应性极强,运行操控准备时间也较短,控制人员通常在经过短暂培训后即可以进行无人机操作。同时,无人机不需要人员进行实机机体内的操作,在天气条件恶劣的时候也可以进行测量作业,而且可以避免相应的人员伤害情况,安全性高。
1.2.4全方位测量
无人机对于数据信息的采集可以实现高精度的要求。无人机通常携带高精度的成像设备对地面影像进行采集,也可以进行垂直或者斜影拍摄,通过垂直的拍摄行程地形的平面数据,对地形、建筑物进行低空多角度的拍摄获取高分辨率的纹理影像,实现了对地貌进行全方位的数据采集。理论而言,三颗遥感卫星即可以实现对全球地面的全覆盖,通过与卫星遥感技术的结合,可以限度扩大无人机测量的范围。数据信息也是通过卫星或者地面信息站点进行传输,对地形的全方位数据采集,有效的解决的遥感技术与传统航测技术对于地面复杂地形的遮挡问题,实现了优势的互补及数据的全方位采集。
2.无人机技术在水利水电工程测量中的应用
水利水电工程需要在地形条件较为复杂的区域施工,对地形测量数据的精准性是工程设计优化的基础,更是工程有序、安全进展的重要保障。在工程测量中,人为测量方式受地形地貌的限制较大,卫星遥感在小面积的数据精确性方面又有不足,与传统的航空测绘作业活动相比,无人机具有机动灵活、反应迅速等诸多优点,是DEM数据获取的一项重要手段,能够填补通用航空在小面积、大比例尺摄影测量方面的空白,实用性较强。
2 . 1数据信息实时性
水利水电工程建设涉及生态环境、动态数据监控等多个方面,无人机数据信息的高效、高精等实时性特征对于及时把握第一手的工程现场数据信息具有重要作用。利用无人机,搭配空间信息技术,有效结合中低空无人机遥感测量数据与卫星空间技术的大范围数据信息,可以实现对工程周边环境的全覆盖,建立科学的工程设计,及时发现工程中存在的问题或者引起周边水土资源的变化,采取切实有效的优化措施,提高工程建设使用中的实效性。
2 . 2实现科学的水域动态监测
水利水电工程对区域内的生态环境具有重大的影响,需要对水文信息进行动态的检测,掌握及时有效的数据,综合全面的分析环境影响。区域内的水文信息每时每刻都在发生着变化,依据传统的统计数据显然不具有时效性,无人机的遥感测量技术可以实现对水文信息的实时采集,通过高精度的影像收集设备,经过对比分析呈现出水文环境的变化,不仅有助于降低人力、物力测绘成本,也有助于提高监测效率。通过全民水域基础数据信息的收集,依据科学的信息处理流程,对分区域的水文信息汇集成像,准确获取不同区域水文信息的面积、类型、权属及分布,建立切实有效的不同部门的联合机构,构建水域动态数据的检测及管理机构,既保障水利水电工程的顺利运转,更保障生态环境的平衡。
2.3促进防汛工作开展
2004年7月,无人机遥感监测技术应用于暴雨引起的广西桂平市蒙圩镇洪涝灾害调查,第一时间获取了洪涝区、退水区、非洪涝区等信息的遥感图,为抗险救灾提供了重大帮助,这也是我国首次利用自控无人驾驶飞机对洪涝灾害的遥感监测的纪录。无人机的高机动性、低成本、数据影像收集快速、高效性,是空间数据收集的重要方式。水利水电工程在提供电力资源的同时,也是调节水流、防汛抗旱的基础工程保障,在日常的防汛检查中,无人机可以有效克服交通不畅、地形条件恶劣的影响,全时、全方位的进行滞洪区的水域环境监测,立体化的查看水库、敌方等险工险段,为管理控制人员提供第一手的信息资料,有助于形成更科学、合理的管理系统。同时,无人机机体小,便于携带,对其降落场地也没有特殊要求,一旦发生洪险,人可以在安全区域进行操作,无人机进入出险区域,有效的降低了人身伤害的风险。
【关键词】 干旱 全球变暖 水利
2010年云南遭遇百年一遇的特大旱灾,干旱范围之广、历时之长、程度之深、损失之大均为云南省历史少有。云南、贵州、广西、重庆、四川等地的干旱,开始于2009年末,至2010年3月仍在持续。云南大部、贵州西部和广西西北部已达特大干旱等级,其中云南旱情尤为严重。
1.干旱发生的原因及解决方法
干旱是目前最复杂而且又是被人们了解最少的自然灾害,它对人类所造成的影响要远远超过其他的自然灾害。我国季风气候明显,逐年间季风的不稳定性和境内由于地形,山脉等因素造成的水热分布不均匀导致了我国干旱的频繁发生。
1.1气候因素气候变化(主要是温度和降水变化)不仅引起自然状态下水资源量的变化,而且影响水循环中各个环节的变化。气候变化的重大影响之一就是对水循环和水管理系统的影响。全球尺度蒸发量,降水量,极端强降雨日数和强降雨量等都有一定程度的增加,对区域乃至全球尺度的水循环产生重要的影响。
1.2人类活动 人类活动将加速大气环流和水文循环过程,将引起水资源量和空间上的分布变化,导致水资源短缺的问题更加突出,水环境生态问题会进一步恶化,而且严重洪涝和大范围干旱等极端天气灾害的发生频率和量级也可能进一步提高。水循环是全球变化四大主题(水、碳、食物、健康)中的核心问题。由于我国高经济发展速度和高人口数量,人类活动对环境的扰动尤为突出,导致我国正面临世界上最为严重的水资源短缺及安全问题,已成为对我国经济与社会可持续发展的严重障碍。所以在发展经济的同时,一定要注意人水和谐的理念。
1.3节水设备不完善现阶段限制节水灌溉发展的问题是计算设施欠缺,管理手段陈旧;节水灌溉工程设备没有形成规范化与标准化,没有监督检测部门来规范其生产;节水灌溉技术发展缓慢,满足不了生产的需要。
1.4节水的主要原理 一是减少蒸发蒸腾量,即减少生理需水,特别是每天11:00~18:00可节水5毫米;二是可减少稻田渗透量,减少无效耗水,节水1~2毫米的水。
1.5解决方法 加大工程设施建设力度;优化水利设施与农艺措施的组合;建立完善的蓄水回灌体系,拦蓄天然降水,增加地表水资源,涵养地下水资源;加强灌水设备和量化设备的研制与开发;加强作物需水规律和灌溉制度的研究。
2.发展方向和趋势
2.1分布式水文模型 目前对于分布式水文模型尚有争议,在应用上也存在许多困难,模型的不确定性、尺度转换问题以及空间分布信息的局限性等都还存在许多疑问。但是经过30多年的发展,分布式水文模型已经凸显出许多集总式水文模型所不具备的优势,随着对水文过程的进一步认识和理解,分布式水文模型也将在疑问中不断完善,从而可以为干旱评估提供更为准确的气象水文资料,为干旱的准确评估和预测预报奠定坚实的基础条件。
2.2遥感 通过遥感技术可以获得大面积的土壤、植被、地质、地貌、地形、水文和气象等观测信息,也可以测定估算蒸散发,土壤含水量和可能成为降雨的云中水汽含量,这为分布式水文模型建模提供了详细的下垫面信息,在进行大面积的干旱监测方面具有明显优势。
2012年7月21日,北京地区迎来特大暴雨。7月21日至22日的暴雨过程影响范围很广,北京、天津、河北中北部及山西北部均出现了大范围强降雨过程。其中北京全市平均降雨量为190.3毫米,石景山模式口达328毫米,房山区河北镇降雨量为460毫米,是全市最大降雨量,达到了特大暴雨量级。另外,北京还有11个气象站观测到的降雨量突破了建站以来的历史极值。
这场暴雨历史罕见,由于雨势强、雨量大,北京出现严重城市内涝,对城市交通等造成严重影响,部分中小河流和水库出现汛情。据北京市防汛抗旱指挥部消息,截至7月26日,北京区域共发现77具遇难者遗体,其中66人身份已经得到确认,11人身份正在确认之中。在已经确认身份的66名遇难者中,包括在抢险救援中因公殉职的5人。在已经确认身份的61名遇难者中(除因公殉职),36人为男性,25人为女性;溺水死亡46人,触电死亡5人,房屋倒塌致死3人,泥石流致死2人,创伤性休克致死2人,高空坠物致死2人,雷击致死1人。
【名词解释】
城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象。
【城市内涝的成因及解决办法】
城市内涝的原因很多,简单地分析归纳起来主要有以下两个方面。
1.自然原因:(1)地势低洼;(2)降水强度大(暴雨),范围集中。
2.人为原因:(1)城市排水设施落后;(2)地面硬化,导致地表径流增加,汇流时间缩短;(3)绿地、湿地面积减少,使城市滞水、蓄水能力降低;(4)城市化破坏了原有的地形和水系;(5)城市“热岛效应”使城市降水增多;(6)城市河道及行洪、蓄洪区被占用。
如何进行科学的规划和设计来应对城市内涝呢?应从以下几个方面入手。
1.建立完善的城市地上、地下排水系统。
2.建设绿地(植树种草),增加下渗水量,减缓地表水的汇流速度。
3.保护原有的天然河道、湿地,增加泄洪、蓄洪能力。
4.在城市低洼地建设一些临时蓄洪池和地下调蓄库,减少地表径流,增加地下径流。
5.在铺设路面的时候,多采用渗水方砖,使水能够更好地渗入地下。
6.发展屋顶储水,把雨水储存起来,使得雨水资源化。
【近两年高考考点盘点】
城市内涝是我国城市化进程中出现的一个突出问题。城市内涝作为生活中的地理现象,近年来已成为全国频发的自然灾害,是备受社会关注的一个热点问题。回顾往年,展望未来,城市内涝问题依然会是高考的一个重点。2012年海南省高考地理卷第26题就考了这样的一道题,题目为:城市涝灾(内涝)和城市水资源短缺并存,已成为我国部分城市的新环境问题。收集拦蓄雨水为城市所用被称为城市雨水资源化。城市雨水资源化可同时缓解城市涝灾和水资源短缺的问题。根据资料,提出实现城市雨水资源化应采取的措施。本题是在整治城市内涝的前提下,考查如何实现雨水资源化,是对城市内涝的一个新的考查点。在2011年江苏省高考地理卷第21~22题也考查了有关城市内涝的问题。题目为:图1为同一降水过程形成的自然状态的洪水过程线、自然状态的地下径流过程线、城市化后的洪水过程线和修建水库后的洪水过程线示意图。读图回答21~22题。
图1
21.人类活动影响下形成的洪水过程线是 ( )
A.① B.② C.③ D.④
22.防治城市内涝的措施有 ( )
A.兴建污水处理厂 B.疏浚河道 C.加强道路建设 D.完善排水系统
第21题,实际是涉及城市内涝产生的原因问题;第22题是城市内涝的防治措施问题。只有搞清楚城市内涝产生的原因,才可找到解决城市内涝的对策。
【习题练习】
2012年7月21日至22日,中国大部分地区遭遇暴雨,其中北京及其周边地区遭遇61年来最雨及洪涝灾害。截至26日,北京已有77人因此次暴雨死亡。根据北京市政府举行的灾情通报会的数据显示,此次暴雨造成房屋倒塌10 660间,160.2万人受灾,经济损失116.4亿元。读上面资料,完成1~2题。
1.近年来,城市内涝在我国一些大城市相继出现,下列有关城市内涝产生原因的叙述,正确的是 ( )
①城市地表硬化面积过大导致地表径流增加 ②城市化带来的“雨岛效应”,易导致降水强度增大 ③城市建设导致市区蒸发量减少 ④城市管网不完善,城市规划赶不上城市化发展
A.①②③ B.①②④ C.①③④ D.②③④
2.对减轻北京市中心区内涝作用不大的是 ( )
A.植树种草,建设绿地
B.提倡营造“绿色屋顶”和“绿色阳台”
C.路面硬化多用渗水方砖以增加下渗
D.城市建设中尽可能保护天然池塘、河道
从地形学角度出发,将地面凹凸不平的程度定义为地表粗糙度。城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力,致使城市内产生积水灾害的现象。读不同地表降雨损失量变化线示意图,回答3~4题。
3.关于地表粗糙度与降雨损失量关系的叙述,正确的是 ( )
A.地表粗糙度越高,降雨损失量越大
B.地表粗糙度越高,城市内涝越严重
C.地表粗糙度越小,降雨后地面的汇流时间越长
D.草地比沥青路面粗糙度大,汇流速度快
4.2012年7月21日,在暴雨的“洗礼”下,北京变成了“水城”。面对城市内涝的威胁,今后城市可采取的措施,正确的是 ( )
A.扩大城市绿地面积,降低地表粗糙度
B.减少城市地表硬化面积,减少降雨损失量
C.降低城市绿化带的海拔,增加地表蓄水能力
D.增设城市地下污水管网,降低排水速度
5.读材料,回答问题。
2012年7月21日,北京发生暴雨,暴雨导致北京市内城区和郊区发生内涝灾害,公路、铁路、民航等交通方式均受到不同程度影响。暴雨导致京港澳高速公路多处严重积水、车辆被淹,最深处积水深达6米。城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象。
(1)根据材料简要分析城市内涝的形成原因。
(2)简述当前各大城市防治内涝应采取的措施。
【参考答案】
1.B 2.B 3.A 4.C
关键词:巨灾风险;农业保险 ;相互保险制
中图分类号:F840 文献标志码:A 文章编号:1673-291X(2014)03-0063-03
近年来,随着台风、暴雨、地震等巨灾风险事件不断发生,给全球经济尤其是农业带来了巨大的经济损失。例如2012年4—5月,南方地区共出现13次暴雨天气过程,导致湖北、江西等省(市、区)167千公顷农作物受灾[1]。黑龙江省作为中国农业大省,是国务院部署开展现代农业综合配套改革的试验区,面对巨灾风险频发的今天,将如何应对巨灾风险呢?本文从农业保险的角度进行探讨。
一、农业巨灾风险的界定及特点
(一)农业巨灾风险的界定
国际保险对巨灾风险没有统一的定义,瑞士再保险公司的Sigma将巨灾风险分为自然灾害和人为灾祸,1970年以来一直根据当年美国通货膨胀率调整公布全世界巨灾损失情况,根据瑞士再保险公司2011年对巨灾的标准(见表1),农业巨灾风险应当是造成农业经济损失总额在89.20万美元以上或者保险损失在44.6百万美元以上的风险。
有学者认为巨灾风险是指保险承保范围内的自然灾害和意外事故造成保险出现特定超赔责任的风险。由下页图1可知,横轴X表示保险公司业保险业务累计赔款总额,纵轴P表示发生相应赔款的概率,M表示保险公司保险赔款保险公司保险赔款总量分布函数。保险公司保险业务的赔付概率随赔款额的增加而递增,到达最高点A点后,保险公司保险业务的赔付率随赔款额的增加而下降,换句话说,也就是赔款越大即损失越大的风险发生的概率越低。假设我们现在能够清楚地判断保险公司的一般偿付能力,也就是存在某一H点,H点右侧的风险也就是我们常说的巨灾风险,尽管发生的概率较低,但是一旦发生对保险业将造成巨大的损失。目前保险业界对保险巨灾风险的界定比较一致的看法是,当保险公司农业保险业务赔付相当于当年保费收入的150%~200%时,即可确定为农业巨灾风险[3]。
(二)农业巨灾风险的特点
农业巨灾风险与一般风险相比具有如下特点:
1.发生频率低
相对于普通风险而言,巨灾风险发生的概率较低,这一特点,我们在图1的表述中已经看得很清楚了。据数据显示,普通风险一年中发生的频率可能是几十次,而巨灾风险发生的频率可能几年、几十年甚至上百年才有一次。以夏季低温为例,1949—2002年,黑龙江省共发生过10 次夏季低温冷害。
2.风险波及范围广且损失严重
一般风险只是涉及一个或者几个保险标的,但是地震、洪水、台风等巨灾风险涉及的范围就比较大,往往使一定范围内大量保险标的同时受损。一旦发生,就会造成数以亿计的巨额经济损失和严重的人员伤亡。以1998年洪水为例,全国共有29个省(区、市)遭受了不同程度的洪涝灾害,受灾面积3.18亿亩,成灾面积1.96亿亩,受灾人口2.23亿人,死亡3 004人,倒塌房屋685万间,直接经济损失达1 666亿元。
3.风险难以预测
巨灾风险的发生原因非常复杂,尽管人们投入大量的人力物力研究巨灾事件的预测问题,但是迄今为止人类驾驭巨灾的能力仍然有限。而且由于巨灾风险发生频率低,巨灾资料通常残缺不全,而且由于时间跨度过长而使资料的参考价值较低,一般理论界认为巨灾风险具有不可预测性。
4.风险难以分散
巨灾风险不符合大数定律,因而不能通过一般的保险手段来管理。巨灾发生频率低,从而不可能集中大量风险体以分散风险。即使存在这样一个保险公司,其实力强大到足以独立承担巨灾,它也不可能承保足够多的风险体从而使大数定律发生作用;结果是承受的巨灾风险无法充分分散,也不能化解。
二、黑龙江省巨灾风险及农业保险现状
(一)黑龙江省巨灾风险的现状
黑龙江省气候、地貌、土壤、植被等自然条件复杂,降水时空分布不均,同时由于水利工程基础薄弱,调蓄能力差,导致全省自然灾害发生频繁,自然灾害具有春旱秋涝、西旱东涝、水旱交替的灾害特点[4] 。黑龙江省的主要自然灾害包括气象灾害、土地沙化及水土流失灾害、风灾及沙尘暴冻害、森林火灾、农业病虫害、地质、地震灾害等自然风险。这里以气象灾害为例进行简要介绍,气象灾害主要有暴雨、霜冻、冰雹、大风、低温和旱涝等,对黑龙江省国民经济所造成的损失占各种自然灾害造成总损失的70%[5]。这些气象灾害中以暴雨洪水造成的损失最为严重,主要集中在夏秋两季。如2013年6月份,强降雨造成黑龙江省13个地市180个乡镇43.51万人受灾,洪涝灾害造成直接经济损失10.12亿元人民币,农作物受灾面积398.75万亩。
(二)黑龙江省农业保险的现状
黑龙江省农业保险一直走在全国前列。中国人民保险公司1982 年就开始在黑龙江省开办农业保险业务,开办包括烤烟、林木、塑料大棚、肉牛、肉鸡等险达15 种。2005年全国首家相互制保险公司阳光农业相互保险公司在黑龙江省挂牌经营,开始了以相互保险的方式经营农业保险业务。2007年,但黑龙江省政府决定自行开展农业保险保费补贴试点,2008年作为农业大省和国家的重要商品粮基地被纳入财政部全国范围农业保险试点范围。2013年,被列为先行试点现代农业综合配套改革试点区。
截至目前为止,黑龙江省政策性农业保险由中国人民财险保险公司、阳光农业相互保险公司经营,大地财险经营少量商业农业保险。自试点以来,黑龙江省农业保险保费持续增长,政府补贴力度逐年增大,对农业的保障力度不断加强。
黑龙江省农业保险在发展过程中也存在诸多的问题,主要体现在以下几个方面:一是相对商业保险,农业保险发展相对滞后,甚至出现萎缩,如农业保险的险种由最初的60个降为30个;二是亏损严重,赔付率极高,有数据显示,1986—2008 年黑龙江省农业保险保费的收入为4.98 亿元,累计赔付支出为4.25亿元,赔付率高达85.3%,超出保险业界的公认临界点;三是投保比例相对不足,农业保险保障相对不足。如2012年全省承保覆盖率为47%,虽较2009年提高了15个百分点,但是仍然有绝大多数的农民未能够得到农业保险保障。
三、黑龙江省农业保险应对巨灾风险的对策
(一)建立健全巨灾风险基金
通过SF模型分析可以得知,在风险确定的条件下,保险人的初始资本金越大,保单数量越多,保险人的安全性经营越容易实现[6]。针对黑龙江省常见的洪水、干旱等巨灾风险,这就要求中国保监会、黑龙江省保监局及行业协会、各保险公司应尽快建立健全巨灾风险基金,同时多渠道的筹集巨灾风险基金。在吸引保险公司应对巨灾风险时,应当考虑到保险公司的资产、巨灾风险承受能力、偿付能力等情况,只有资产雄厚、资本运营良好、巨灾风险承受能力强的公司才有资格开办巨灾保险,不符合要求的保险公司应严格禁止开办巨灾保险。
(二)建立健全巨灾风险数据库
通过模型分析,保险人对模糊风险存在着(下转99页)(上接64页)厌恶,相同损失期望值下,保险人会选择较为确定的风险。而且目前国际上如加拿大等很多国家都建立了全国性的灾害数据库,将一些居民区和商业区和公估部门及基础设施设计,以及这些区域的地理位置和灾害关系的相关信息都输入该数据库,利用这些信息评估该地区防御灾害事故的能力进行评估。黑龙江省在应对农业巨灾风险的过程中,应当逐步建立健全农业灾害数据库,将各地区的农业设施、农产品种植、历史灾害等情况输入该数据库,通过该数据库对该地区抵御农业巨灾风险的能力进行评估,为下一步建立巨灾保险产品及风险防控机制等提供理论和实务依据。
(三)加强风险管理的建设
通过相关模型分析得知,总损失和概率的期望值、方差及相关系数将影响保险公司的偿付能力,相关系数和概率越小,总损失的条件期望越小,保险人的安全性约束越容易实现。黑龙江省是农业大省,幅员辽阔,各类巨灾风险发生频繁,为降低巨灾风险给农业带来的经济损失,我省应加强农业风险管理体系建设,鼓励个人、企业和行业通过风险管理措施,加强防灾防损建设,从根本上降低巨灾的影响。
(四)利用资本市场健全风险的分散机制
随着中国资本市场的发展,我们可以借鉴瑞士等国家的先进经验,通过发行巨灾债券、巨灾期产品、巨灾期货、巨灾期权等衍生金融产品,引入资本市场力量,可以协助巨灾保险的投保人和保险公司更好地找到利益平衡点,探索金融技术和工程技术相融合、保险市场与资本市场相结合的巨灾保险制度。
参考文献:
[1] 中国气象局.2012年度全国主要农业气象灾害及其影响综述[R].中国气象局,2013.
[2] 瑞士再保险公司.Sigma[N].2012-02.
[3] 冯文丽.农业保险理论与实践研究[M].北京:中国农业出版社,2008.
[4] 张昶,胡志全.黑龙江省农业自然灾害风险管理及其对策研究[J].农业经济问题,2008,(增刊):37.
关键词:洪灾风险;再保险;事故超赔再保险
中图分类号:F842.6文献标志码:A文章编号:1673-291X(2008)05-0054-02
一、洪水灾害风险状况
淮河流域主要行蓄滞洪区共计有28处,总行蓄洪面积3 903.6km2,区内有耕地343.4万hm2,人口165万。流域处于南北气候过渡带,各种天气系统相互交错又相互影响,很容易形成洪涝灾害。
据历史文献记载统计,公元前252年―公元1948年的2 200年中,淮河流域每百年平均发生水灾27次。1194年黄河夺淮初期的12、13世纪每百年平均水灾35次;14、15世纪每百年74次;从16世纪到1949年的450年间每百年平均发生水灾94次,灾害愈来愈频繁。2003年淮河流域遭受特大洪涝灾害,给流域内人民的生命财产带来了严重威胁,造成了巨大的损失。据统计,全流域受灾面积464.77万亩,成灾面积322.12万亩,受灾人口4 911万,倒塌房间60.67万间,直接经济损失364.32亿元。2007年入夏,淮河流域再次遭遇了1954年来最大的一场洪水,造成沿淮河南、安徽、江苏等省农作物受灾面积3 370万亩,成灾1 304万亩,受灾人口2 933万,死亡35人,倒塌房屋7.1万间,直接经济损失达156.1亿元。
二、洪水灾害风险的可保性分析
就洪水风险而言,它具有与一般风险相同的共性,如客观性、不确定性等。从这个意义上说,洪水风险具有一定的可保性。但相对于一般风险而言,洪水风险又具有自身的特性,即洪水发生频率低、洪灾损失巨大。这是因为:普通风险通常只会影响一个或几个保险标的,而一次洪灾会影响区域内几乎全部的保险标的,即洪灾区的所有投保人即所有风险单位都会因洪灾遭受损失,此时,这些风险单位就不再相互独立或相关的,在风险单位之间相互分散的效果就大大削弱,因此,损失程度与普通风险相比要大得多,从而使洪水保险的经营缺乏牢固的“大数法则“基础。大数法则中关于业务总量越大,经营的稳定性越好的论述并不适用于洪灾风险,恰恰相反,就洪灾风险而言,承保业务量越大风险也越大。由此可能会影响商业保险公司的偿付能力,有时甚至会导致资本不足的保险公司破产。
三、再保险对洪灾风险分散的作用
(一)洪灾再保险的理论基础――保险财务稳定性原理
所谓保险赔偿基金从理论上说就是根据损失概率计算出的某项业务每年平均所要支付的赔款金额。在实际中,往往视该项业务纯保险费总额的数字为保险赔偿基金,实际支付的赔款往往不足或者超过这个数字,超过或不足这个数字的幅度大小是由稳定性指标K来表示的。在实际运用中常常用赔偿额统计均方差σ与赔偿额均值S的比值来衡量保险经营财务的稳定性,即K=σ/S定义为财务稳定系数。关于用K检验保险财务稳定性有如下一些结论:(1)通过K值可以分析得出,实际损失超过预期损失各种不同幅度的可能性。(2)实际损失超过预期损失一定概率的值已给定,则K值越小,超过的幅度越小,说明保险财务稳定性越好;反之,K值越大,则超过的幅度越大,说明保险财务稳定性越差。
俄罗斯的保险理论认为,k≤0.1时,才能保证保险业务的财务稳定性,而根据洪水保险等一类巨灾保险的保险损失资料显示:k一般大于1,有时甚至达到10。可见洪水保险具有非常大的经营风险,往往超过保险人的自身承受能力。通过再保险(Reinsurance)保险人可以将其超过自身承受能力的一部分风险和责任转嫁给其他保险人分担,达到分散风险、分摊损失的目的。这就使得保险公司的经营稳定性大大增强,保证保险机构自身的财务稳定以及洪水保险计划能够长久顺利进行。
(二)洪灾再保险的风险分散职能
再保险的主要作用在于有效的分散风险,下面从四个方面阐述其分散洪灾风险的有效性:
1.对固有的巨大洪灾风险。当承保的洪灾保额巨大,而标的又极少、风险非常集中时,保险人可将超过一定标准的责任分保出去,以确保业务的财务稳定性。接受业务的一方,可视自身情况将业务全部留下,或留下合适标准的责任额后,将超过部分转分保出去。
2.对特定区域内的洪灾风险。对于区域性的保险公司而言,如果只在某一地区开展洪水保险业务,其相似的风险因子就会使保险公司面临相当大的风险,一次洪水所带来的损失甚至会抵消多年的利润。对这种特定区域内的洪灾风险,保险公司可以将超过自身承受能力的一部分风险和责任转嫁出去,以保证自身经营的稳定。
3.对某一时点的洪灾风险。对于单个保险人来说,即使长期经营的财务稳定性是良好的,但就某一单位时间来说,所承担的洪灾风险责任却显得过于集中,在某一时点发生的洪灾损失可能会抵消多年的盈利,造成财务的不稳定。在此情况下,通过再保险,保险人就能将其所承担的某一时点的洪灾风险,从纵向(即时间方面)及横向(即标的数量方面)两个方面进行双重分散。
4.通过相互分保,扩大洪灾风险分散面。相互分保是扩大洪灾风险分散面的最好方式。相互分保的特点是:保险人既将过分巨大的风险责任转移出去,同时又吸收他人的风险收入,这样,使该保险人所承担的总的保险责任数额变化不大,但却实现了洪灾风险单位的大量化及洪灾风险责任的平均化,因而洪灾风险得到了最佳的分散,财务稳定性得到很大的提高。
四、构建淮河流域蓄滞洪区洪水保险的再保险体系
(一)政府提供政策支持
洪灾保险本质上不是单纯的商业性保险,其部分地具有了准公共产品的特征,对于构建和谐社会、保证经济的平稳发展都有其不可替代的作用。由于洪灾保险具有小概率、大损失的特点,单纯的商业运作难以为继,国际上则普遍采用政府支持的方式。虽然我国也出台了一些扶持政策,但仅是原则性的。同时,洪灾风险的再保险体系是一个系统工程,涉及到许多利益主体。
(二)积极借鉴国外经验
发达国家在巨灾风险保险体系建设及运营方面走在我国前面,可以积极汲取其有益的经验,经过适当的改进,充实到中国洪灾风险的再保险体系建设中来。
(三)建立多层风险分担机制
政府、保险人、再保险人和被保险人共同承担洪灾风险。可以将洪灾损失分为三个相互衔接的基本层次:初级洪灾损失、中级洪灾损失和高级洪灾损失,对于不同层次的损失采取不同的风险分担比例。
(四)确定再保险自留额
自留额是指原保险人再保后承担的风险额度,实务中关于自留额的计算相当复杂,保险人在确定自留额时需要考虑很多因素,如利润、偿付能力、财务稳定性、行业竞争等。考虑的侧重点不一样,确定自留额运用的数理模型也不一样。常用的数理模型大致有二种:相对自留额模型和绝对自留额模型。绝对自留额模型主要适用于以下情形:在保险人对自留额精度要求不是很高时,或者保险人缺乏经验和足够的信息,无法对风险单位分门别类地计提自留额时,各类风险单位同质性较高,可以忽略彼此的差异,不需要对风险分类。对于洪水保险等政策性巨灾保险,我们更多关注的是其财务的稳定性以及破产的可能性,而其利润是否最大化不是首要的因素,所以,在计算洪水再保险自留额时,选用绝对自留额模型比较合适。
(五)洪灾风险的最佳再保险方式
洪灾风险的再保险方式很多,但运用最多的还是非比例再保险中的事故超赔再保险和赔付率超赔再保险。(1)事故超赔再保险。事故超赔再保险是以一次洪灾事故所发生的赔款总额来计算自负责任额和分保责任额。责任的计算关键在于一次事故的划分,有的巨灾事故,如洪水、地震等,用时间条款来规定多长时间作为一次事故,对于超出时间范围的事故,当做第二次事故处理。事故超赔再保险其目的是保障一次事故造成的责任累积,常用于异常灾害保险,故又可称为巨灾超赔再保险。(2)赔付率超赔再保险。赔付率超赔再保险是以年度赔款与保费的比率来确定自负责任和再保险责任的一种再保险方式。而比较以上两种再保险方式,结合淮河流域蓄滞洪区洪水保险发生频率小、一次事故大量标的发生索赔、以及一次事故索赔额巨大的特点,可以确定事故超赔再保险为洪灾风险的再保险方式。
参考文献:
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