基于改进DEM的上海城市洪涝模拟与风险应对

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洪水灾害已成为沿海地区人类生产生活的重要威胁。在当今全球城市化发展背景下,大量人口迁入城市,导致财产与资源的高度聚集,沿海地区一旦遭受洪水灾害将会造成巨量财产损失与人员伤亡。因而准确预测洪水灾害,对于维持人类生产生活秩序、减轻洪水对人们生活生产的影响有着极为重要的现实意义。当前洪涝过程分析进入高精度数值模拟时代,水动力模型可以有效模拟水流在地面的扩散过程,实现相对准确且便利的洪水过程模拟及预测。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为地表形态的重要输入文件,在水文模型与水动力模型中起着关键作用,洪水模拟结果的可信度高度依赖于DEM的准确性。目前人们拥有众多可免费获取的DEM产品供科研及非商业用途使用,由于不同DEM的数据采集自不同的硬件平台以及拥有不同的算法,免费获取的DEM产品之间存在着较大的地表垂直差异,这个问题在海拔低、地形平、建筑多的沿海城市更为显著。因此,有必要在洪水模拟中通过输入不同的DEM来评估地形因素造成的结果差异,并尝试减少DEM的异常高程误差,提升模拟结果。论文使用了LISFLOOD-FP水动力模型和六套公开获取的DEM产品(SRTM,GDEM,AW3D30,MERIT,NASADEM,Coastal DEM)对上海市黄浦江流域开展河流洪水模拟,并讨论洪水淹没结果的差异。然后,通过使用两种基于统计学的方法——狄克逊检验法和直接平均法对DEM进行修正处理,生成改正DEM—MDEM(Modified DEM,MDEM),并将结果与原始DEM进行比较。最后,通过本研究中表现良好的高程数据叠加上海市黄浦江设防资料,综合分析当前黄浦江设防水平以及潜在风险,并根据结果提供上海市黄浦江沿岸河堤设防建议。主要研究成果如下:(1)在相同的初始与边界条件下,六套原始DEM的洪水淹没结果存在着明显的差异。本研究中相同条件下选取不同DEM在极端情况下会导致淹没面积预测的差异超过1200倍。这表明只使用单一的DEM数据开展洪水模拟可能会导致结果的巨大误差,这种误差难以满足高置信度的洪水暴露分析和灾害应急响应。(2)论文中使用的方法——通过狄克逊检验并生成修正的MDEM在预测淹没范围的准确性得到了提高,此外还减少了极端水深的误差。这一结果表明,MDEM在洪水模拟的准确性方面有一定的性能改进,并且促进了地形高程数据质量的提升。但仍然需要有更为准确和高分辨率的免费DEM来支持科研人员开展更为精确的洪水预测。(3)比较几套在研究区表现良好的DEM淹没结果发现,当前黄浦江的设防水平整体表现良好,50年及100年一遇的洪水事件很难对黄浦江中游及下游的上海市中心城区构成威胁。黄浦江上游至中游区间仍然存在潜在威胁,考虑到先前规划时黄浦江上游至中游尚未进行大规模开发,设防标准低于市中心,因而仍然符合设计预期。但结合上海市十四五规划和2035远景目标对于青浦、奉贤新城战略发展规划,提升上游青浦至闵行奉贤岸段设防标准乃至整个黄浦江设防标准对于保障上海市社会经济发展成果、抵御极端灾害、提高居民生活幸福感具有重要价值。本研究重点关注了地形数据不确定性在洪水数值模拟中的潜在影响,并提出了一种提升地形数据准确性、降低高程误差的方法,并通过上海市黄浦江河流洪水事件进行了研究。该研究一方面拓展了当前相关领域研究对于DEM性能提升的思路;另一方面结合新的高程数据在上海开展实例研究,为上海市防洪抗汛决策提供了一定的参考依据。
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