洪水频率非一致性对城市化的响应及定量归因—以珠江三角洲石马河流域为例

The physical mechanisms of flood generation have been changed by rapid urbanization, which breaks the stationary assumption of flood time series and makes design value calculated by stationary flood frequency analysis model be doubtful. The unreasonable design value may cause huge hidden danger to urban flood control safety. In this project, taking Shima River basin flowing through the kernel urban areas of Shenzhen and Dongguan as study region, the non-stationarity of flood time series will be detected by statistics methods whose potential driver factors will be also identified according to attribution framework, i.e. evidence of consistency, evidence of inconsistency, and provision of confidence. Additionally, the flood hydrographs under different urbanization levels will be simulated by SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrology model to attribute the urbanization effect. What is more, the non-stationary flood frequency analysis model with urbanization level as covariant will be built to detect the urbanization effect on flood extremes. The non-stationary model will be also used to analyze the response patterns of design flood variables to urbanization and to evaluate the return periods, risk, and reliability of water conservancy project during the design life. Exploring the driving mechanisms and response patterns of non-stationary flood frequency analysis under rapid urbanization will provide theoretic basis and technology support for flood control and disaster mitigation and water conservancy design in urban regions.

快速城市化改变了洪水形成的边界条件，导致洪水序列的一致性受到破坏，进而使传统的洪水频率分析方法所得的设计洪水值的可靠性受到强烈质疑，造成巨大的城市防洪安全隐患。本项目以流经深圳市和东莞市核心城市带的石马河流域为研究区域，采用数理统计方法检测洪水序列的非一致性特征，按照归因三原则（一致性、相异性和置信水平），识别造成洪水频率非一致性的重要驱动因素。一方面，借助SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型模拟不同城市化程度下洪水过程，定量辨析城市化对洪水变化的贡献率；另一方面，构建以城市化程度为协变量的非一致性洪水频率分析模型，定量检测城市化对非一致性洪水频率分析的影响。通过构建的非一致性洪水频率分析模型，揭示洪水特征量对城市化的响应规律，评估水利工程设计年限内洪水重现期、洪水发生风险和工程安全性，为城市化区域防洪减灾和工程设计提供理论依据。

暴雨-洪水是中国沿海城市群、特别是珠江三角洲面临的主要灾害威胁之一，本项目聚焦沿海城市群的暴雨-洪水驱动机制和发生风险，取得如下研究成果：.（1）通过观测分析和数值模拟，发现了城市化对不同强度等级降水量的不对称影响效应（抑制小雨、增强暴雨），揭示了城市化的不对称影响效应的物理机制；.（2）城市化对暴雨的增强效应在时间和空间上是不均匀的，城市化对暴雨的增强在时程分配上主要体现在对暴雨峰值的增强，在空间分布上主要体现在对暴雨中心处的增强；城市化导致暴雨的三维时空场呈现更加尖瘦的“锥子型”，有利于局部地区发生短历时、大量级的洪水；.（3）聚焦沿海城市群暴雨-洪水主要驱动因子之一热带气旋，提出了一套客观识别框架，建立了热带气旋与区域性暴雨的联系，评估了热带气旋移动速度减慢和移动历时增加对沿海区域特别是珠江三角洲暴雨-洪水风险的影响，发现热带气旋移动速度减慢和移动历时增加显著增大了沿海区域洪水的发生风险，这种增大的洪水风险在城市地区由于城市化的放大作用会进一步加强；.（4）定义了洪水多维属性特征（量级、频率和历时），根据洪水的产生机制和定义的驱动因子指标，提出了一套基于全子集回归的归因框架，量化了各驱动因子对洪水多维属性特征变化的贡献；.（5）基于5种全球气候模式和8种陆面水文模型，构建了一套评估洪水风险对全球变暖响应与评估的框架，并预估洪水量级和洪水变率对社会经济的影响。全球平均温度每升高1℃，珠江三角洲所在的中国东南地区中小量级洪水面积暴露度减少1.7%，极端洪水面积暴露度增加1.9%；未来经济增长导致国内生产总值（GDP）暴露度从减少2.5%/℃转变为增加1.7%/℃。全球变暖和经济增长共同加剧了珠江三角洲极端洪水的风险。.本研究揭示的城市化的暴雨-洪水驱动机制、评估的沿海区域洪水发生风险，对于中国沿海区域城市群应对和减轻全球变暖和城市化共同作用下的暴雨-洪水灾害具有重要的理论意义。