第3講：孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析yasuo

第三講：孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析主講：王軍第1節(jié)：孕災環(huán)境的定義第2節(jié)：孕災環(huán)境的分類第3節(jié)：陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析第4節(jié)：陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—地面沉降情景分析第5節(jié)：近岸海床孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—沖淤變化情景分析第6節(jié)：綜合孕災環(huán)境構建研究（略）主講內容孕災環(huán)境是由大氣圈，水圈，生物圈，巖石圈，人群圈所組成的綜合地球表層環(huán)境，但不是這些要素的簡單疊加，而是體現(xiàn)在地球表層過程中一系列具有耗散特性的物質循環(huán)和能量流動以及信息與價值流動的過程。第一節(jié)：孕災環(huán)境的定義注：據百度百科災害研究所指的孕災環(huán)境是指大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、人類圈相互作用而形成的一種綜合環(huán)境，是致災因子形成、災情產生的重要場所。孕災環(huán)境可分為二大類：自然環(huán)境和社會環(huán)境第二節(jié)：孕災環(huán)境分類孕災環(huán)境是一個十分復雜的研究對象注：據百度百科造成災害影響巨大的主要因素除了致災因子特征外，孕災環(huán)境特征是另一個重要因素。沿海城市作為社會經濟發(fā)展的重要區(qū)域，快速城市化對地表系統(tǒng)的改造強度大、變化迅速。從災害風險研究角度分析，快速城市化將改變孕災環(huán)境的穩(wěn)定性，形成新的孕災環(huán)境。自然災害的種類多樣，如洪澇災害、氣象災害等，研究不同災種的孕災環(huán)境時所要考慮的影響因子也各不相同，因而在研究孕災環(huán)境時一定要針對特定的災種來開展。沿海城市的重要特點是地處海陸交互區(qū)域，陸地環(huán)境和海域環(huán)境變化有明顯的不同。以風暴潮災害為例，其孕災環(huán)境是指陸域和海域地形環(huán)境。海域地形主要受到泥沙輸入、沖淤變化的影響，陸域地形主要受地面沉降、土地利用變化等影響。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析方法1：基于城市規(guī)劃的土地利用變化情景分析土地利用變化是造成城市孕災環(huán)境變化的重要因素之一。遙感信息是開展土地利用變化研究的重要信息來源，利用遙感信息，開展遙感解譯和土地利用分類來獲取城市地表覆蓋變化特征研究。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析（1）土地利用現(xiàn)狀遙感解譯利用不同遙感解譯軟件，如IMAGEERDAS、ENVI等可對研究區(qū)域遙感影像進行交互解譯，提取研究區(qū)如工業(yè)倉儲用地、交通用地、公共建筑用地、居住區(qū)用地、綠化用地、市政公共設施用地、農業(yè)用地、水域、其他用地等空間信息就是圖像分類。監(jiān)督分類流程第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析（2）土地利用總體規(guī)劃土地利用總體規(guī)劃圖以定性、定量、定位的方式體現(xiàn)了土地利用總體規(guī)劃方案，是實施土地利用總體規(guī)劃、落實土地用途管制制度的重要依據。土地利用中長期規(guī)劃反映了一個城市未來發(fā)展的目標和方向，充分考慮了城市可持續(xù)發(fā)展和科學發(fā)展的因素，是集整體性、長期性、戰(zhàn)略性和科學性為一體的未來行動方案。在我們進行城市孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析時，現(xiàn)成的城市土地利用總體規(guī)劃圖是非常重要的信息，可以直接用于對城市未來土地利用變化的分析，這為城市土地利用變化研究提供了便捷、可靠的信息來源。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析（3）案例分析1——天津濱海新區(qū)土地利用變化情景分析本研究通過遙感圖像處理、解譯來獲取最新的土地利用/土地覆被資料；并根據《天津市濱海新區(qū)城市總體規(guī)劃（2005-2020年）用地布局規(guī)劃》預測天津市濱海新區(qū)2020年土地利用/土地覆被情況。根據實際需要、各種數(shù)據源的優(yōu)缺點以及資料的可得性，本研究選擇了2008年4月Landsat/TM衛(wèi)星遙感數(shù)據，見下圖。TM衛(wèi)星遙感數(shù)據波譜分辨率較高，對水體以及植被反映較好，30m的空間分辨率也能夠滿足研究的需要。天津市濱海地區(qū)TM影像

在進行了幾何校正、圖像配準、研究區(qū)圖像數(shù)據的提取、波段選擇、圖像增強等遙感圖像預處理以后，主要考慮以下幾個方面來確定天津市濱海新區(qū)土地利用/土地覆被遙感分類系統(tǒng)：參考了土地部門仍在廣泛應用的全國農業(yè)區(qū)劃委員會8大類分類方案以及新土地管理法所規(guī)定的3大類分類方案；該地區(qū)土地利用/覆被狀況及其變化特點，所建立的土地利用/覆被遙感分類系統(tǒng)必須能夠反映天津濱海地區(qū)海岸帶主要土地利用/覆被類型狀況及其未來發(fā)展變化趨勢；遙感影像的分辨率，該研究所用的遙感圖像是陸地衛(wèi)星TM影像，其分辨率為30m×30m，所建立的分類系統(tǒng)必須與這一分辨率相適應。天津市濱海地區(qū)2008年土地利用/土地覆被空間分布根據《天津市濱海新區(qū)城市總體規(guī)劃（2005-2020年）用地布局規(guī)劃》，濱海新區(qū)2020年土地利用/土地覆被空間分布胡蓓蓓.天津市濱海新區(qū)主要自然災害風險評估[D].華東師范大學,2009.第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析（3）案例分析2——天津中心城區(qū)土地利用變化情景分析結合天津土地利用現(xiàn)狀和實際研究需要，將中心城區(qū)土地利用類型分為8類：水體、道路交通用地、工業(yè)倉儲用地、公共設施用地、村鎮(zhèn)農田用地、居住用地、人工綠地和未利用地。2010年天津中心城區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖根據天津土地利用類型2020規(guī)劃圖，主要分為8類：水體、道路交通用地、工業(yè)倉儲用地、公共設施用地、廣場用地、居住用地、人工綠地和其他用地。陳晶晶.基于情景模擬的天津市中心城區(qū)暴雨內澇風險分析與管理[D].華東師范大學,2010.第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析方法2：土地利用變化動態(tài)預測方法與模型動態(tài)預測方法與模型介紹：基于城市規(guī)劃的土地利用變化預測情景單一，沒有辦法進行多情景預測，因此在應用中存在較大的局限性，如何反映或者預測土地利用演化特征成為近年來研究的熱點。城市土地利用演化的實質是人為干預下的城市生態(tài)景觀的自組織機制作用過程，其中，自組織機制是城市土地利用演化的核心動力，地理環(huán)境是演化基礎，人為干預是調控機制。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析方法2：土地利用變化動態(tài)預測方法與模型國內元胞自動機應用研究起步較晚，受國際研究的推動，20世紀90年代末地理學界才開始類似的嘗試研究，主要集中在基于元胞自動機的LUCC和城市增長模擬；周成虎等（1999）在DUEM模型的基礎上，構建了面向對象的、隨機的、不同構的和兩個CA模型耦合的GeoCA-Urban模型，提出了地理元胞自動機（GeoCA）的概念，該模型可以引入GIS空間數(shù)據庫、遙感土地分類等實際數(shù)據來模擬和預測具體城市的發(fā)展演化。黎夏和葉嘉安（2002）設計了ANN-CA模型，將對空間作用的影響約束因素分為局部、區(qū)域和全局性三類，使模型的構建更加自然和真實。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析方法2：土地利用變化動態(tài)預測方法與模型目前常用的預測并模擬未來社會經濟狀況的地理模型主要是元胞自動機（CA）模型，主要用于模擬城市空間擴張和土地利用的時空演變。大多數(shù)CA模型僅能模擬一類城市用地的時空變化，而GeoCA-Urban模型可以同時模擬多種用地變化，且該模型具有較好的可操作性。GeoCA-Urban是一個基于柵格的模型，主要包括了居住用地、工業(yè)用地、商業(yè)服務用地、道路交通用地、農地以及其他類型用地六類，將各類用地類型轉化為用地柵格細胞?；诔鞘袆討B(tài)演化模型，GeoCA-Urban通過一系列決策規(guī)則（如細胞年齡、發(fā)展策略、距離和方向、密度條件等）來確定各種類型用地之間的轉換概率。此外，該模型還考慮了城市發(fā)展的控制因素（如地形、城市規(guī)劃、法律法規(guī)等），通過一個控制圖層來限制各類用地柵格的轉換變化。（1）建模過程主要包括3個方面設置模型生長的種子，即具有生長能力的土地利用柵格。以上海為例來進行介紹。基于2000、2003和2006年上海土地利用矢量圖，利用ArcGIS將數(shù)據分別轉換成50m分辨率柵格圖。所有數(shù)據均轉換成.asc格式導入GeoCA-Urban模型，并將居住、工業(yè)和商業(yè)用地類型的柵格設置為模型發(fā)展的種子?？刂茍D層依據已有土地利用圖和上海城市規(guī)劃（1999–2020）來獲取，將整個上海大都市區(qū)分為5類，包括限制城市化地區(qū)、居住用地發(fā)展適宜區(qū)、工業(yè)用地發(fā)展適宜區(qū)、商業(yè)用地發(fā)展適宜區(qū)和不受限制地區(qū)。限制城市化地區(qū)主要是土地利用圖中的道路交通用地、公共設施用地、水域、濕地和林地。居住、工業(yè)和商業(yè)用地的發(fā)展適宜區(qū)則為上海城市規(guī)劃（1999–2020）各自的規(guī)劃區(qū)域。不受限制地區(qū)則是農業(yè)用地和未利用地，這兩類用地類型可以轉化為其他各類用地。模型參數(shù)的獲取?；谏鲜鰞蓚€步驟，2000年的土地利用圖被用來模擬2003年的土地利用格局，而2003年的土地利用圖則被用來模擬2006年的土地利用格局。在模擬過程中嘗試了不同的參數(shù)組合，并將模擬結果與原數(shù)據進行比對，最終獲取了一套較為滿意的模型參數(shù)用于未來2030年的土地利用預測。第三節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析—土地利用變化情景分析

2003年上海市土地利用模擬圖

2006年上海市土地利用模擬圖

基于過去城市發(fā)展過程模擬和驗證，以2006年土地利用圖作為模型的初始值，考慮到一般的城市遠景規(guī)劃多以20年為限，因此未來2030年被設為模型運行的合理目標年份?？紤]到2030年之前上海均處于快速城市化階段，因此2006到2030年的模擬依然采用上述的模型參數(shù)組合。同時，因為缺乏未來基礎設施規(guī)劃的相關數(shù)據，尤其是其空間分布，這里假設道路交通用地、公共設施以及特殊用地類型未來均不發(fā)生變化。2030年上海市土地利用模擬圖殷杰.中國沿海臺風風暴潮災害風險評估研究[D].華東師范大學,2011.第四節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析——地面沉降情景分析

方法1：模型和方法介紹采用多年平均地面沉降數(shù)據計算年均沉降柵格數(shù)據。利用年均沉降柵格數(shù)據可以粗略估計未來多年的沉降情景。采用方法：GIS的空間柵格運算。以上海為例。上海地區(qū)年均地面沉降速率圖上海地區(qū)1980-2005年累計地面沉降圖GIS的空間柵格運算第四節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析——地面沉降情景分析

方法2：模型和方法介紹地面沉降的主要成因是開采地下流體。因此，以地下流體開采為主因的地面沉降模擬和預測始終是地面沉降研究領域的熱點。目前，預測模型主要可以分為確定性模型、隨機統(tǒng)計模型和人工智能模型三大類。確定性模型主要包括滲流模型和土體變形模型；隨機統(tǒng)計模型主要包括回歸模型、時間序列模型和灰色模型；用于預測地面沉降的人工智能模型主要包括人工神經網絡和遺傳算法。第四節(jié)陸地孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析——地面沉降情景分析方法2：模型與方法應用案例—以天津濱海新區(qū)為例首先預測地下水的動態(tài)變化：南水北調2012年給天津供水；根據近幾年地下水開采逐年減少的實際情況，設計三種地下水開采方案。第一方案：2001~2007年以實際開采量為準輸入，2007年以后地下水開采量按照2007年實際開采量輸入，各含水組開采量參照2001~2005年年均各含水組地下水開采比例來計算，其目的是預測最不利情況下的地面沉降發(fā)展狀態(tài)。第二方案：2001~2007年以實際開采量為準輸入，2007年以后地下水開采量，以2007年實際開采量為基準逐年降低2%，各含水組開采量參照2001~2005年年均各含水組地下水開采比例來計算，以模擬沒有外來水源，保持現(xiàn)在控沉措施條件下地面沉降發(fā)育狀況。第三方案：2001~2007年以實際開采量為準輸入，2007~2012年地下水開采量，以2007年實際開采量為基準逐年降低2%，各含水組開采量參照2001~2005年年均各含水組地下水開采比例來計算；2013~2020年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)壓采方案為準。第三方案模擬預測南水北調水源利用以后地下水系統(tǒng)動態(tài)變化和地面沉降發(fā)育狀況，第三方案是地下水限采的最理想方案。2007-2015年累計沉降量圖（方案1）2007-2020年累計沉降量圖（方案1）2007-2015年累計沉降量圖（方案2）2007-2020年累計沉降量圖（方案2）2007-2020年累計沉降量圖（方案3）胡蓓蓓.天津市濱海新區(qū)主要自然災害風險評估[D].華東師范大學,2009.第五節(jié)近岸海床孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析——沖淤變化情景分析由于海岸帶是沿海自然災害直接作用的區(qū)域，海床地形的變化對準確模擬臺風風暴潮等災害的影響具有重要的意義。因此，我們在進行臺風風暴潮危險性模擬時，首先需要進行近岸海床孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析。海床環(huán)境穩(wěn)定性是指海床縱向上發(fā)生沖刷或淤積的強度，以及橫向上沖刷區(qū)或淤積區(qū)面積大小。由于海床穩(wěn)定性受潮汐、波浪、風浪、含沙量、沉積物類型等因素影響，因此不同時段內、不同地理位置，發(fā)生沖刷或淤積強度和幅度不同，從而導致海床穩(wěn)定性存在明顯差異。第五節(jié)近岸海床孕災環(huán)境穩(wěn)定性分析——沖淤變化情景分析方法1：聚類指數(shù)增長模型聚類分析法可根據被分類對象的維數(shù)分為三類：一維聚類，二維聚類，多維聚類。由于在海床沖淤變化及預測中只有水深點數(shù)據，所以可以采用一維聚類分析法對插值數(shù)據進行分類，用水深點測度值來表征所有的水深點集，將水深點進行分類。2003-2005年沖淤圖

2005-2010年沖淤圖（1）未來地形預測分析應用上述原理和方法，我們以長江口南匯咀近岸海床為實驗區(qū)，以該區(qū)域2003年、2005年、2010年的海床地形數(shù)據為基礎，對該實驗區(qū)孕災環(huán)境的演變特征和變化趨勢進行模擬。依據聚類指數(shù)模型中的聚類準則及研究區(qū)面積，將2003-2010年沖淤結果分為8個區(qū)。各區(qū)閾值如下：A區(qū)：-7.1m~-1.4mB區(qū)：-1.4m~-0.6mC區(qū)：-0.6m~0.1mD區(qū)：0.1m~0.8mE區(qū)：0.8m~1.4mF區(qū)：1.4m~2.3mG區(qū)：2.3m~4.1mH區(qū)：4.1m~7.6m。南匯咀水深點分類結果

根據指數(shù)增長模型，以8個區(qū)域水深點為基礎，建立各個區(qū)域的預測模型。根據分區(qū)結果，得到2003、2005及2010年的水深數(shù)據序列，求解出模型中的參數(shù)并確定相應的預測模型（見下表）。時間/a參數(shù)方程200320052010RaA-4.49-7.57-8.42-1.68400.4355Z(t)=Z(2003)-1.6840·(t-2003)0.4355B-4.45-5.83-6.42-0.57140.6361Z(t)=Z(2003)-0.5714·(t-2003)0.6361C-4.67-5.46-5.61-0.51350.3107Z(t)=Z(2003)-0.5135·(t-2003)0.3107D-1.66-1.29-0.760.04091.5884Z(t)=Z(2003)+0.0409·(t-2003)1.5884E-1.62-0.9-0.460.22090.8522Z(t)=Z(2003)+0.2209·(t-2003)0.8522F-1.66-0.270.360.55070.6679Z(t)=Z(2003)+0.5507·(t-2003)0.6679G-2.56-0.38-0.021.49290.2731Z(t)=Z(2003)+1.4929·(t-2003)0.2731H-5.01-0.490.053.41750.2017Z(t)=Z(2003)+3.4175·(t-2003)0.2017表

南匯咀模型參數(shù)及方程

（2）誤差分析首先依據上表中各區(qū)域模型方程進行2011年海床地形預測。其次，將預測