城市洪水风险缓解¶

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。

工作空间 (模型数据目录, 必填): 将写入所有模型输出文件的文件夹。如果这个文件夹不存在，将创建它。如果数据已经存在于文件夹中，它将被覆盖。
文件后缀 (文本, 可选的): 后缀，它将附加到所有输出文件名。区分模型运行很有用。
感兴趣的区域 (向量, polygon/multipolygon, 必填): 汇总和总结最终结果的区域地图。
这些路径可能是流域或污水渠边界。
土壤水文组 (栅格, 必填): 土壤水文组的地图。栅格的值可以是1、2、3或4，分别对应于土壤水文组A、B、C或D。
土地使用/土地覆盖 (栅格, 必填): 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。
土壤水文组 (栅格, 必填): 土壤水文组的地图。栅格的值可以是1、2、3或4，分别对应于土壤水文组A、B、C或D。
: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 (整数, 必填): LULC栅格中的LULC代码。每个代码必须是唯一的整数。

cn_a (数量, 单位: 无单位的, 必填): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 A.

cn_b (数量, 单位: 无单位的, 必填): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 B.

cn_c (数量, 单位: 无单位的, 必填): 该LULC类型在土壤组代码中的曲线数字值 C.

cn_d (数量, 单位: 无单位的, 必填): 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 (向量, polygon/multipolygon, 可选的): 建筑物地图。

Field:
- type (整数, 必填): 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, 有条件地要求): 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 (整数, 必填): 建筑类型代码。
- damage (数量, 单位: 货币单位/m², 必填): 这种建筑类型的潜在破坏损失。
  任何货币都可以使用

结果解释¶

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。