城市洪水风险缓解模型

引言

洪水灾害来自不同的来源，包括:河边(或河流)洪水、沿海洪水和暴雨(或城市)洪水——这是InVEST模型的重点。自然基础设施对每一种洪水灾害都有影响。与暴雨洪水有关，自然基础设施的作用主要是通过减少径流产生、减缓地表流动和创造蓄水的空间(在积洪平原或盆地)。

InVEST模型计算径流减少量，即每个像素保留的径流量与暴雨量的比较。对于每个流域，它还通过叠加潜在的洪水范围、和已建成基础设施来计算潜在的经济损失。

模型

工作原理

产流和径流衰减系数

对于每个栅格单元：math:i，根据土地使用类型和土壤特征，我们使用曲线编号法估算了径流：math:Q (mm)

(114)\[\begin{split}Q_{p,i} = \begin{Bmatrix} \frac{(P - \lambda S_{max_i})^2}{P + (1-\lambda) S_{max,i}} & if & P > \lambda \cdot S_{max,i} \\ 0 & & otherwise \end{Bmatrix}\end{split}\]

式中：math:P 表示暴雨设计深度（单位：mm） \(S_{max,i}`表示潜在保水率（单位：mm） :math:\)lambda cdot S_{max}`表示启动径流的降雨深度，也称为初始损失(简化式:math:lambda=0.2).

\(S_{max}\) 表示曲线编号的函数（单位：mm） \(CN\) 表示一个取决于土地利用和土壤特性的经验参数

(115)\[S_{max,i}=\frac{25400}{CN_i}-254\]

然后，模型计算每栅格单元的径流保留率:math:R_i 为:

(116)\[R_i=1-\frac{Q_{p,i}}{P}\]

以及每栅格单元的径流保留量 \(R\_m3_i\) as:

(117)\[R\_m3_i=R_i\cdot P\cdot pixel.area\cdot 10^{-3}\]

With \(pixel.area\) in \(m^2\).

Runoff volume (also referred to as "flood volume") per 径流量（也代指“洪水量”）每栅格单元 \(Q\_m3_i\) 也可被计算为

(118)\[Q\_m3_i=Q_{p,i}\cdot pixel.area\cdot 10^{-3}\]

计算潜在的服务（可选）

首先，\(\text{Affected.build}\) 建筑基础设施的潜在损失总和，以美元计，

(119)\[\text{Affected.build}_W = \sum_{b ∈ B}a(b,W)·d(b)\]

式中

  • \(b`是所有已建成基础设施集合中的建筑足迹:math:`B\)

  • \(a(b,W)\):是 \(m^2\) 中建筑物占地面积，\(b\) 与:math:W 流域相交

  • \(d(b)\) 是:math:currency/m^2`（来自伤害损失表）中建筑:math:`b 类型的伤害值

然后计算:math:text{Service.built}`是每个流域已建成基础设施避免破坏的指标:math:`W:

(120)\[\text{Service.built}_W=\text{Affected.build}_W·\sum_{i ∈ W}R\_m3_i\]

式中

  • \(i\) 是流域:math:W 中的一个栅格单元

  • \(R\_m3_i\) 是栅格单元:math:i 上的径流保持体积

\(\text{Service.built}\) 表示为:math:currency·m^3。它只应被视为一项指标，而不是实际的储蓄指标。

局限性和简化

径流产量: 该模型使用了一个简单的方法(scs -曲线编号)，引入了很高的不确定性。然而，这种方法通常可以很好地捕捉不同土地利用之间的排序，即自然基础设施的影响将在模型输出中定性地表示。未来的工作将旨在包括景观路径:观点包括TOPMODEL(有一个R包)，UFORE(在iTree中使用)，CADDIES等

评估方法: 目前采用了一种简单的洪水风险保留价值评估方法，将洪水风险评估为已建基础设施所避免的破坏。可以实施其他方法(例如，与死亡率、发病率或经济混乱有关的方法)。另一个服务指标是受影响人口，即面临洪水风险的人数。这可以只针对弱势群体，例如与年龄、语言等有关的群体。参见Arkema等人，2017年，对社会脆弱性指标的综述。这一指标可以通过把十字路口的人口加起来来计算

数据需求

备注

城市防洪的空间层可能有不同的坐标系，但*它们必须都是投影坐标系*，而不是地理坐标系。

备注

栅格输入可能有不同的单元大小，它们将被重新采样以匹配土地利用/土地覆盖栅格的单元大小。因此，栅格模型结果将具有与土地利用/土地覆盖栅格相同的单元大小。

  • Workspace (directory, required): The folder where all the model's output files will be written. If this folder does not exist, it will be created. If data already exists in the folder, it will be overwritten.

  • File Suffix (text, optional): Suffix that will be appended to all output file names. Useful to differentiate between model runs.

  • Area of Interest (vector, polygon/multipolygon, required): A map of areas over which to aggregate and summarize the final results.

    这些路径可能是流域或污水渠边界。

  • Soil Hydrologic Group (raster, required): Map of soil hydrologic groups. Pixels may have values 1, 2, 3, or 4, corresponding to soil hydrologic groups A, B, C, or D, respectively.

  • Land Use/Land Cover (raster, required): LULC的地图。该栅格中的所有数值必须在生物物理表中有相应的条目。

    所有输出都将根据该栅格的分辨率产生。

  • Soil Hydrologic Group (raster, required): Map of soil hydrologic groups. Pixels may have values 1, 2, 3, or 4, corresponding to soil hydrologic groups A, B, C, or D, respectively.

  • :investspec:` 城市洪水风险缓解曲线编号表路径` 表中包含与土地覆盖图中每个土地用途类别对应的模型信息。土地覆盖光栅中的所有LULC类必须在该表中有相应的值。每一行是一个土地利用/土地覆盖类别，列的命名和定义必须如下:

Columns:

  • lucode (integer, required): LULC codes from the LULC raster. Each code must be a unique integer.

  • cn_a (number, units: unitless, required): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 A.

  • cn_b (number, units: unitless, required): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 B.

  • cn_c (number, units: unitless, required): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 C.

  • cn_d (number, units: unitless, required): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 D.

  • 建成的基础设施 (vector, polygon/multipolygon, optional): 建筑物地图。

    Field:

    • type (integer, required): 表示建筑物类型的代码。这些代码必须与损坏损失表中的代码一致。

  • 危害损失表 (CSV, conditionally required): 每个建筑类型的潜在破坏损失数据表。基础设施建设矢量 "类型 "字段中的所有数值必须在此表中有相应的条目。如果提供建筑基础设施向量，则需要。

    Columns:

    • type (integer, required): 建筑类型代码。

    • damage (number, units: currency units/m², required): 这种建筑类型的潜在破坏损失。

      任何货币都可以使用

输出解释

  • Parameter log:每当模型运行时，将在工作区中创建一个文本(.txt)文件。该文件将列出该运行的参数值和输出消息，并将根据服务、日期和时间命名。当遇到NatCap关于模型运行中的错误时，请包括参数日志。

  • Runoff_retention.tif:带有径流保留值的栅格 (无单位，相对于降水量). 计算公式:eq:runoff_retention.

  • Runoff_retention_m3.tif:带有径流保留值的栅格(in \(m^3\)). 计算公式:eq:runoff_retention_volume.

  • Q_mm.tif:带有径流值的栅格(毫米)。由公式计算:eq:runoff.

  • flood_risk_service.shp: Shapefile属性表中的结果。

    • rnf_rt_idx:每个流域的径流保留值的平均值 (\(R_i\))。

    • rnf_rt_m3:每个流域的径流留水量总和 (\(R\_m3_i\)), in \(m^3\)。

    • flood_vol:每个流域的洪水量(Q_m3, equation (118))。

    • aff_bld:对已建基础设施的潜在损害，以货币单位计算，按流域计算。仅在提供已建基础设施向量输入时计算。

    • serv_blt: \(Service.built`为这个流域构建的值(see equation :eq:`service.built\))。流域径流截留服务指标。仅在提供已建基础设施向量输入时计算。

附录:数据来源和参数选择指南

土地利用土地覆盖

流域

设计暴雨的降雨深度

设计暴雨是一种用于建模目的的假想暴雨。设计暴雨降水值应根据区域和目标进行选择。例如，它可以是每次降雨事件的平均降水量，某个百分位数的降水量，或100年预计出现一次的最大降水量。

为了计算设计暴雨，用户可以查询他们所在城市的强度-频率-持续时间(IFD)表。暴雨持续时间等于所研究流域的平均集中时间。集中注意力的时间可以从现有的研究或网络工具中得出。https://www.lmnoeng.com/Hydrology/TimeConc.php。参见Balbi等人(2017)对这些方法的详细描述。

土壤分组

曲线编号

建筑设施

每种建筑类型的潜在损害损失

在美国，HAZUS提供损害数据。在全球范围内，欧盟委员会最近的一份报告提供了有用的数据：https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC105688/global_flood_depth-damage_functions__10042017.pdf

参考文献

Arkema, K. K., Griffin, R., Maldonado, S., Silver, J., Suckale, J., & Guerry, A. D. (2017). 结合社会、生态和自然科学，推进对沿海社区的自然和基于自然的保护。https://doi.org/10.1111/nyas.13322

Balbi, M., Lallemant, D., & Hamel, P. (2017). 生态系统服务评估的洪水风险框架:概念验证。

NRCS-USDA。(2004)。第十章。暴雨直接径流的估算。在美国农业部(编)，第630部分水文。国家工程手册。检索自http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/water/?cid=stelprdb1043063

NRCS-USDA Part 630水文国家工程手册，第7章水文土壤组。2007

NRCS-USDA Part 630水文国家工程手册，第9章水文土壤复盖体，2004。

Sahl，J.(2015)。生态系统服务的经济评估方法:文献综述，以支持城市雨水管理服务评估建模框架的发展。