地理科学进展, 2021, 40(6): 1048-1059 doi: 10.18306/dlkxjz.2021.06.014

研究综述

城市暴雨内涝综述:特征、机理、数据与方法

黄华兵,1,2,3, 王先伟1,2,3, 柳林4,5

1.中山大学地理科学与规划学院,广州 510275

2.广东省公共安全与灾害工程技术研究中心,广州 510275

3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519080

4.广州大学地理科学与遥感学院公共安全地理信息分析中心,广州 510006

5.辛辛那提大学地理系,美国 辛辛那提 OH 45221

A review on urban pluvial floods: Characteristics, mechanisms, data, and research methods

HUANG Huabing,1,2,3, WANG Xianwei1,2,3, LIU Lin4,5

1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

2. Guangdong Provincial Engineering Research Center for Public Security and Disasters, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519080, Guangdong, China

4. Center of GeoInformatics for Public Security, School of Geography and Remote Sensing, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China

5. Department of Geography and Geographic Information Science, University of Cincinnati, Cincinnati, OH 45221, USA

收稿日期: 2020-09-7   修回日期: 2020-12-10   网络出版日期: 2021-06-28

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41871085
广州市科技计划项目.  201707010098

Received: 2020-09-7   Revised: 2020-12-10   Online: 2021-06-28

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  41871085
The Science and Technology Program of Guangzhou.  201707010098

作者简介 About authors

黄华兵(1983— ),男,博士,副教授,主要从事自然灾害风险评估与减灾等研究。E-mail:huanghb7@mail.sysu.edu.cn

摘要

建成环境的高空间异质性与致灾过程的复杂性给城市暴雨内涝研究带来巨大的挑战,具体表现为模型代表性不够、计算效率低、基础数据和验证数据匮乏。以机器学习为代表的人工智能技术、高分遥感和互联网大数据的快速发展则为城市暴雨内涝研究提供了新的契机。论文结合人工智能、高分遥感和互联网大数据等新技术发展,从特征、机理、数据与方法4个维度对暴雨内涝的研究现状和发展趋势进行了系统总结,主要结论包括:① 暴雨内涝具有短历时性、空间散布性、连锁性和突变性,其热点呈现空间上的动态迁移特征。② 降雨时空特征和城市化程度决定暴雨内涝灾害的量级,地形条件尤其是微地形则决定发生位置和内涝频率。地形控制作用指数(topographic control index, TCI)对暴雨内涝发生位置具有良好的指示能力。③ 排水管网、高精度地形和不透水面分布是暴雨内涝模拟的关键基础数据;降雨过程的高时空变异性是暴雨内涝近实时预报预警的主要瓶颈,需要充分利用天气雷达观测提高其精准度;互联网众包大数据是获取高空间覆盖度暴雨内涝灾情信息的新途径,但也面临不同类型信息融合、提炼和质量控制的挑战。④ 结合水动力模拟与机器学习可建立兼具物理基础和计算效率的暴雨内涝模拟方法,是实现近实时模拟与快速预报预警的有效途径。

关键词: 暴雨内涝 ; 人工智能 ; 大数据 ; 遥感

Abstract

The spatial heterogeneity of urban built environments is a primary challenge in the research of urban pluvial floods in terms of the model representativeness, computational efficiency, and data requirements. The development of new technologies, including artificial intelligence, big data, and remote sensing, provides opportunities for the research of urban pluvial floods, such as efficient approaches and high-resolution data. This study conducted a comprehensive review of the research progress on urban pluvial floods from four perspectives—flood characteristics, mechanisms, data, and research methods, and finally came to four conclusions: 1) Urban pluvial floods have typical features such as short duration, scattered and evolving spatial distribution, chain effect, and sharp increase of losses at the critical scenario. 2) Micro-topography plays an important role in the spatial distribution of urban pluvial floods, and the topographic control index shows the potential of identifying frequently flooded areas. 3) The highly variable rainfall processes are the bottleneck in the near-real-time flood simulation, and the radar rainfall data provide a solution. Internet-based big data provide a new way to extract flood inundation data with high spatial coverage, but still face the problems of quality control and fusion with multi-sources data. 4) Machine learning could be coupled with hydrodynamic models to improve the efficiency of near-real-time flood simulation.

Keywords: urban pluvial floods ; artificial intelligence ; big data ; remote sensing

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本文引用格式

黄华兵, 王先伟, 柳林. 城市暴雨内涝综述:特征、机理、数据与方法. 地理科学进展[J], 2021, 40(6): 1048-1059 doi:10.18306/dlkxjz.2021.06.014

HUANG Huabing, WANG Xianwei, LIU Lin. A review on urban pluvial floods: Characteristics, mechanisms, data, and research methods. Progress in Geography[J], 2021, 40(6): 1048-1059 doi:10.18306/dlkxjz.2021.06.014

洪涝灾害是世界范围内高频发生的自然灾害,对国民经济与社会发展形成持续的干扰。1998年特大洪水后中国持续的水利工程建设有效提升了流域防洪标准,减小了大江大河洪水的威胁。但是,21世纪以来伴随中国快速城市化进程的内涝频发造成了广泛影响和严重损失。根据2006—2016年中国水旱灾害公报统计数据,2006年以来中国每年受淹城市都在100个以上,其中2010年受淹城市258个,2012年184个,2013年234个,而且在大江大河水势基本调控平稳的情况下2010、2012、2014年洪灾直接经济损失均超过1998年特大洪灾[1]。住建部对351个城市进行专项调研,2008—2010年全国有62%的城市发生过内涝,超过3次以上的有137个,其中有57个城市最大淹没时间超过12 h[2]。由于人口、资源和交通等关键基础设施在城市集聚,暴雨内涝往往造成严重的人员伤亡、经济损失,以及交通拥堵、电力中断和公共健康等问题。典型暴雨内涝事件包括济南2007年“7·18”(30多人死亡,33万人受灾,经济损失13.2亿元)[3]、北京2012年“7·21”(79人死亡,160.2万人受灾,经济损失116.4亿元)[4,5]和广州2020年“5·22”(4人死亡[6],超万台汽车被淹[7],地铁13号线部分区间停运22 d[8])等。

城市暴雨内涝不仅涉及降雨、地表产汇流、管网排水和河道排涝等水文水动力过程,还受社会经济发展和城市管理等人文因素的影响,是一种人文与自然因子综合作用下的城市灾害[9],其空间热点呈现动态变化特征[10,11],致灾机理复杂且具有显著的区域差异。暴雨内涝物理过程的复杂性、驱动因子的综合性,以及城市建成环境的高空间异质性给城市水文研究与暴雨内涝模拟带来巨大挑战,具体表现为模型代表性不够、计算效率低、基础数据和模型验证数据匮乏等[12]

地球科学与计算机领域的新技术快速发展则从数据和方法层面为城市水文研究和暴雨内涝模拟提供了新的契机。多源遥感技术能够提供大范围、高精度的地表覆盖产品与数字高程模型(digital elevation model, DEM),天气雷达能够提供高分辨率的降雨过程信息,社交媒体和众包等互联网平台提供了高空间覆盖度的暴雨内涝灾情信息,以机器学习为代表的人工智能技术则具备高效的模式识别能力,可用于暴雨内涝的灾情快速提取和近实时模拟。数据精度、分辨率和空间覆盖度的提高,以及方法准确性和计算效率的提升,共同推动城市水文学和暴雨内涝研究快速发展,深化了对暴雨内涝特征和致灾机理的理解,并将有力促进暴雨内涝风险评估、近实时预报预警和排水工程设计等应用领域的精细化发展。因此,本文结合人工智能、大数据和遥感等新技术的快速发展,从特征、机理、数据与方法4个维度对城市暴雨内涝的研究进展进行系统梳理和总结,以期为中国城市防灾减灾和精细化管理等工作提供参考和支撑。

1 暴雨内涝特征

1.1 短历时性与空间散布特征

城市水文过程的时空尺度显著小于流域水文过程,其汇流时间在小时尺度,空间范围一般不超过数百平方公里。受此影响,暴雨内涝与流域洪水在时空特征上也存在显著差异。时间上,暴雨内涝发生在小时尺度,小于流域洪水的日尺度。空间分布上,流域洪水的影响区域具有明确的方向性,从河道向外围扩散;受产汇流特征变化、自然与人工混合排水体制以及建成环境高空间异质性的影响,暴雨内涝则可能发生于城市的任意位置[13]。具体而言,可能由于地表径流量过大而直接在局部低洼处形成积水,可能是雨水径流经管网输送后在特定节点发生超载和溢流(即双向排水,dual-drainage),也可能由于河流高水位的顶托或倒灌作用,这3种内涝现象发生的空间尺度依次增大,从局部小范围、排水管网到河流流域。实际内涝现象不仅单独发生在这3种空间尺度上,更有可能是3种机制相互作用的结果。因此,暴雨内涝具有时间上的短历时性和空间上的散布特征,这对预报预警的实时性和应急响应的空间覆盖度提出了更高要求。

1.2 内涝热点动态性

城市暴雨内涝呈现出典型的“城市化—内涝频发—工程治理—内涝减缓”的演变路径,使得内涝热点在空间上迁移,呈现动态变化特征。“先地上后地下”发展模式下,排水工程建设滞后且标准偏低,排水系统难以有效排除由于地表不透水化而增加的暴雨径流,进而导致内涝频发。针对内涝频发的水浸黑点进行工程治理,提高其排水能力,则可有效缓解局部地区的内涝问题。

以广州市主城区为例,李彬烨等[10]的研究表明:1980—2012年间内涝点在空间上呈现显著的扩张态势:2000年以前绝大部分内涝点集中于老城区(越秀区),2000年后则扩散到天河、海珠、白云和黄埔等区域。内涝点核密度与城市不透水面密度呈显著正相关(99%置信水平),其相关性随城市化发展逐渐增强,表明城乡建设用地扩张是暴雨内涝灾害频发的一个重要诱因。黄华兵等[11]的研究表明:2009—2015年间广州市主城区的内涝热点呈现自西(老城区)向东(新城区)的转移态势(图1a和1b),排水改造工程的实施则有效减缓了暴雨内涝灾害(图1c和1d)。

图1

图1   广州市主城区内涝格局演变与排水改造工程的内涝减缓效果

注:此图改绘自文献[11]。

Fig.1   The shift of urban flood hotspots in downtown Guangzhou and the mitigation effect of the improving drainage projects


1.3 连锁性与突变性

城市暴雨内涝区别于传统农业洪涝灾害最为显著的特征,是其连锁性与突变性[14]。农业洪涝灾害以直接经济损失为主,而城市暴雨内涝则呈现直接损失与间接损失兼具的特点。间接损失的大小取决于城市生命线各子系统,如交通、电力、供水、通信等之间的相互依赖程度,依赖程度越高则间接损失的量级越高,影响的空间范围越大。典型的暴雨内涝灾害连锁场景包括“暴雨内涝—交通拥堵—居民出行受阻”和“暴雨内涝—电力中断—供水、通信等中断—社会经济活动停滞”等。现代城市的一个显著特点是日益增加的复杂度,其驱动因素包括:① 以效率为主要导向的发展模式;② 部门职能的条带分隔;③ 忽略环境的安全性和可持续性,以获取发展资金为主要目标的短期决策[15]

城市的复杂水文情势和高价值承灾体使暴雨内涝灾害损失呈现突变性。当降雨强度低于设计标准时,排水系统能有效排水除涝;而超标准降雨特别是极端暴雨发生时,在城市系统复杂度日益增长和暴雨内涝灾害连锁性增强的背景下,损失则会急剧上升,如广州2020年“5·22”局地特大暴雨导致4人死亡,地铁13号线部分站点进水,几个新建住宅小区的地面及地下停车场被淹,超万台汽车被淹报废。另一方面,超标准降雨可能同时耦合其他致灾因素,如江河客水急增,沿海风暴潮增水,从而引起江水或海水顶托甚至倒灌,加剧城市内涝灾情。在极端情景下,沿江或沿海的防洪堤围溃塌,将引起灾害损失的进一步急剧扩大。

2 暴雨内涝致灾机理

暴雨内涝的物理过程涉及降雨、地表产汇流、管网排水和河道排涝等,但其影响因子不仅包括降雨强度大、不透水率高、地形条件不利和水位顶托等自然因素,还包含与人为活动相关的地表沉降、设计排水能力低和排水管网堵塞等[16,17]。实际内涝现象往往是在不同空间尺度下人文和自然多因子相互作用的结果。中国的城市暴雨内涝,从城市水循环角度看,主要原因是以地表硬化为主要特征的城市化导致的雨水渗透和调蓄能力下降;从城市管理角度看,“先地上后地下”的发展模式、较低的排水设计标准则是主要诱因。下面详细总结降雨时空特征、城市化和地形条件对暴雨内涝的影响机制。

2.1 降雨时空特征对内涝的影响

持续性降雨或短历时高强度降雨是城市暴雨内涝的主要驱动因子[12]。准确认识降雨时空特征及其对内涝的影响是致灾机理研究的重要内容,也是进行城市排水工程设计的前提。

暴雨雨型用于描述降雨强度的时程分布。对于给定重现期和历时的设计降雨,暴雨雨型决定了峰值流量,从而影响内涝风险大小。中国多个城市如北京[18]、上海[19]、广州[20,21]、深圳[22]、南京[23]、西安[24]的暴雨分析表明,暴雨场次呈现增加趋势,主要归因于短历时暴雨的增加,而且短历时暴雨大部分为雨峰在前部的单峰型降雨。西安地区单峰型降雨的内涝模拟表明:重现期小于20 a时雨峰系数越小内涝越严重,大于20 a时规律则相反;不同雨峰系数间的内涝差异随重现期变长而减小[25]。成都地区的内涝模拟研究则表明:重现期大于20 a时雨峰系数越小内涝越严重,小于20 a时雨峰系数对内涝程度的影响不显著[26]。上述内涝模拟主要采用芝加哥雨型进行暴雨时程分配,而广州地区的内涝模拟则表明采用芝加哥雨型表达降雨过程将显著低估内涝风险[27]。潘璀林等[20]提出了一种改进的Huff雨型,对实际降雨过程的拟合效果优于芝加哥雨型,可有效降低暴雨设计中的不确定性。

降雨的空间差异不仅表现在江河流域尺度,也体现在城市尺度,特别是在城区不断扩张和雨岛效应的影响下[28]。例如,广州市2012年11个雨量站记录的多场致灾降雨数据显示,站点间12 h雨量相差40~200 mm,相对偏差为40%~100%[29];西安市西咸新区3个气象站同一场降雨的雨量相差45%[30]。考虑到降雨空间差异,一般用点面折减系数(areal reduction factor, ARF)表示从点雨量到面雨量之间的换算关系,这对于合理确定城市尺度排水设施的规模至关重要,如地表和地下调蓄设施。一般而言,点面折减系数随降雨历时变长而增加,随流域面积变大而降低[31]。也就是说,与长历时降雨相比,短历时降雨的空间不一致性更高,因而是降雨空间差异研究的重点。短历时暴雨的内涝模拟表明:相同降雨量条件下,降雨空间不一致性越高,相比于均匀情况下的内涝积水削减量则越大[30]。除了降雨历时和流域面积,点面折减系数还受到降雨类型、降雨形态、季节、地理区位、流域属性、降雨数据来源和计算方法等因素影响[32]

2.2 城市化水文效应及其对内涝的影响

城市化以建设用地扩张及不透水表面增加为主要特征。建设用地扩张使得水系被填埋、挤占,河网密度降低,调蓄功能和泄洪能力显著衰减[33,34]。不透水表面增加的短期水文效应表现为对场次降雨径流关系的影响:① 透水面积减少,导致下渗量降低,以及相应的产流量增加;② 自然地表到不透水面的转变降低了地表糙率,因而增加了地表径流的汇流速度;③ 产汇流特性变化使得洪峰流量增大,洪峰时间提前。长时间尺度上的水文效应则体现为:人工陆面持水能力比自然地表弱,使得城市的蒸散发比例明显减少;地表下渗量减少,使得城市的基流量减少,总径流量增加。除了直接对地表和地下水文过程的影响,城市化对降雨的形成也有一定影响。物理机制上,城市化主要通过城市热岛效应、下垫面变化和气溶胶排放等进行影响,而且不同地区间的主导机制有显著差异。关于城市化的增雨效应,国内外站点降水资料解析倾向于支持的结论是:城市化使城区和下风向郊区雨季降水有较明显增加,并使强降水事件发生频率增加,因而使降水在时程分布上可能更为集中,但城市化对旱季降水的影响相对不明显[35]。因此,城市化降低了河网水系的调蓄容量,改变了地表径流的时空模式及水循环过程,进而改变城市的水量平衡情况,形成促进局部降雨增加的正反馈效应,以及局部蒸散发减少的负反馈效应[36]

从自然灾害系统论看,城市化对暴雨内涝的致灾因子、孕灾环境和承灾体都存在显著作用,总体而言将导致内涝风险增加。致灾因子方面,通过热岛效应、城市冠层三维结构和高气溶胶浓度影响降雨特征,特别是暴雨强度和频率的增加,从而增加内涝风险和防治压力。孕灾环境方面,城市地面结构变化导致洪峰流量增加和洪峰时间提前,而且城市快速扩张对水域和洪泛区的侵占降低了天然的泄洪和调蓄能力,这些因素的共同作用进一步放大了内涝风险。承灾体方面,城市化地区人口、财富和资源的快速增加与高度集中使得同等规模暴雨内涝导致的损失将比以往更大。

2.3 地形对内涝的控制作用

在暴雨内涝致灾的物理过程中,地形主要影响地表汇流和管网排水,其作用顺序位于降雨和产流过程之后。降雨、产流和管网排水能力决定了内涝积水的量级,地形条件则决定了内涝积水的空间格局。从地形分析角度,不论是局部暴雨径流直接积水、管网超载溢流积水,还是水位顶托或倒灌造成的积水,其空间位置一定位于低洼地带。内涝模拟表明:在同一个研究区,持续时间越长、重现期越大的暴雨导致的内涝积水和损失越严重,但不同暴雨导致的积水空间位置在很大程度上是一致的[37,38],在这背后是地形因子对内涝致灾的控制作用,即其直接影响内涝空间格局的形成。

高强度人类活动深刻地改变了城市地区的地形分布,形成复杂的微地形,进而影响暴雨内涝的发生位置。例如:① 下穿式立交道路由于低洼地形的汇水特征而往往成为内涝黑点;② 新建小区填高地面,使得邻近老旧小区的内涝风险增加;③ 城市主干道的横向高差导致地表水流的分隔,形成局部洼地,成为潜在的内涝发生位置。按照《城市道路工程设计规范》(2016年版)[39],道路横坡为1%~2%。以中间高、两边低的双向8车道主干道路为例,路宽约为35 m,则道路中线与两侧的横向高差约为0.18~0.35 m,若加入中间绿化隔离带的高度,其阻隔影响则更大。因此,精细化暴雨内涝分析必须考虑建成区高空间异质性和微地形的影响,充分利用高精度高分辨率DEM。

基于GIS数字地形分析进行积水淹没模拟是城市暴雨内涝研究的常规步骤。在积水淹没分析中地形因子仅作为下垫面基础数据输入模型,尚缺乏类似地形湿度指数(topographic wetness index, TWI)[40]和HAND(height above the nearest drainage)[41]等已应用于流域洪水模拟的定量指标。黄华兵 等[42]提出了一种针对暴雨内涝的以洼地小流域为评价单元的地形控制作用指数(topographic control index,TCI),综合反映流域面积(A)、平均坡度(S)和洼地蓄水体积(V)对内涝致灾的影响,该指数的原理如图2所示。在广州市番禺区市桥地区基于1 m分辨率激光雷达DEM的研究表明:TCI指数对内涝黑点的空间位置具有良好的指示能力。此外,TCI指数已被成功应用于暴雨内涝主导因子空间异质性分析[43]和易涝地区高压输电塔的稳定性研究[44]

图2

图2   地形控制作用指数(TCI)原理示意图

注:改绘自文献[42]。完全淹没一个洼地所需时间越短,则其内涝风险越大。淹没洼地所需时间与汇水面积A和坡度S成反比,与洼蓄体积V成正比。

Fig.2   Principle of the topographic control index (TCI)


3 暴雨内涝模拟数据

暴雨内涝模拟主要使用降雨、土地利用/覆盖、地形、土壤、排水管网、道路和河流水系等基础数据,以及流量、水位和积水范围等验证数据。其中,排水管网、高精度DEM和不透水面分布是关键基础数据,是实现暴雨内涝精细化模拟的必要条件。此外,由于降雨过程的高时空变异性以及站点分布和观测范围的局限性,城市降雨观测是暴雨内涝近实时模拟的主要瓶颈;由于传统水文监测成本较高,获取大范围、高分辨率验证数据是暴雨内涝模拟的一个重要挑战。

3.1 降雨观测

目前降雨观测手段主要包括地面站点观测、卫星遥感和天气雷达估测等。地面站点观测基于固定位置进行连续观测,可获取高精度高时间分辨率的点降雨。可采用泰森多边形或克里金插值等方式从点降雨计算面降雨信息,但由于站点分布较为稀疏,无论采用何种方式均难以准确表达降雨空间差异。卫星遥感与天气雷达观测都属于间接观测,需要通过特定算法来计算地面降雨量。卫星降雨的空间覆盖范围大,分辨率较粗,如热带降雨测量任务卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)为0.25°,卫星与地面站点融合降水(the merged precipitation data of the Climate Prediction Center Morphing Technique and gauge based precipitation, CMPA)为0.1°,在大尺度流域水文研究中得到较多应用,但无法应用于空间尺度较小的城市水文学研究。与地面站点观测和卫星降雨相比,天气雷达测雨具有显著的高空间分辨率特征。中国从20世纪末开始部署新一代天气雷达网,主要为S波段与C波段多普勒天气雷达系统,目前部分地区已开始升级和部署双线偏振天气雷达系统[45]。以广州雷达站的S波段多普勒天气雷达系统为例,测量范围230 km,时间分辨率6 min,空间分辨率1 km[46]

暴雨内涝模拟的降雨数据需求取决于应用场景。在不同重现期暴雨情景下评价内涝危险性可采用雨量站降雨,而在内涝近实时预报预警中则需要充分利用高时空分辨率的天气雷达观测刻画城市降雨的高时空变异性,从而有效提升暴雨内涝模拟和预报预警的精度[47,48]

3.2 模型验证数据

为刻画城市水文过程响应机制,需要采集高空间覆盖度的河流、管道水文参数以及地表积水信息对暴雨内涝模型进行校准。水文监测数据是校准暴雨内涝模型的理想数据,但由于所需成本过高而难以大范围应用。地表积水信息采集中,现场调查和问卷调查等传统手段成本高、效率低、空间覆盖度小;遥感观测手段中,航空照片、雷达与卫星影像的采集受制于植被冠层和云层的遮挡,微波遥感能穿透云层,但由于角反射效应而无法提取城市地区的地表积水信息[49];广泛分布的传感器网络如视频监控也是获取内涝积水信息的一种方式[50,51],但监控设备归属于多样化主体,使得大范围数据获取存在困难。智能手机和消费级无人机的普及应用,提供了覆盖范围更广的内涝灾情信息,在应急响应、救援决策和灾情评估中发挥着越来越广泛和重要的作用。互联网技术的快速发展,特别是移动互联网和社交媒体的出现,以及公众的高度参与为大范围感知内涝灾情提供了有效途径。

公众参与产生的互联网大数据包含大量噪声,比如由机器人或广告系统生成的非暴雨内涝信息,需要从包含噪声的大数据中筛选出具有空间位置的内涝相关信息。此外,质量控制也是利用互联网大数据的重要问题[52],常用的方法有3类:① 通过增加内容贡献者的数量来相互印证,降低个体误差的影响;② 根据历史行为评价内容贡献者的可靠性,采用高可信度个体提供的信息;③ 根据暴雨内涝的经验知识判断信息的可靠性[53,54]

互联网大数据在地震、海啸、飓风、洪水与内涝等自然灾害的灾情探测、灾后重建和公众情绪感知上得到较多应用。国外相关研究主要基于Twitter,YouTube、Foursquare和Flickr等平台进行。新浪微博是国内主要的公众社交媒体平台之一,用户群体庞大,内容开放,国内相关研究主要基于此平台开展,如关于地震[55,56]、台风[57,58,59,60]和城市污染[61,62],以及暴雨内涝灾情分析,包括北京2012年“7·21”特大暴雨[63,64]、武汉2016年夏季特大暴雨[65]、广州2017年“5·7”特大暴雨[66],以及南京[67]和郑州[68]等城市暴雨内涝灾害。近年来,B站、抖音等短视频APP和网站提供了更多的内涝灾害淹没场景信息,可以从多个角度识别灾情发生位置、淹没深度和承灾体属性等,将会在暴雨内涝模拟、灾情评估和应急救援工作中发挥越来越重要的作用。

4 暴雨内涝模拟方法

水动力模拟是目前暴雨内涝模拟的主流方法,其物理基础明确,能以较高精度表达水动力过程,但是对模型数据要求高,依赖于流量、水位等验证数据来校准模型。此外,水动力模拟的计算效率较低,虽然通过硬件发展和并行计算可以提升计算能力,但在数百平方公里的城市尺度进行高精度快速模拟仍然面临较大的挑战,特别是需要进行多情景模拟时。机器学习方法模式识别能力强,计算效率高,但忽略水流运动物理过程,其结论受制于训练样本,因而具有明显的区域性,泛化能力不强。因此,这2类方法具有较好的互补性,结合水动力模拟与机器学习,如以水动力模拟结果作为机器学习的训练样本,可建立兼具物理基础和计算效率的暴雨内涝模拟方法,实现暴雨内涝的近实时模拟与快速预报预警。

4.1 水动力模拟

水动力模拟是研究暴雨内涝致灾机理、评估暴雨内涝风险和提升城市防灾减灾能力的关键技术。根据对管网排水的处理方式不同,水动力模拟模型分为2类:① 采用一维模型(1D)模拟管网排水。管道超载后雨水径流由节点溢流到地表,然后根据地表漫流计算得到积水信息,地表漫流可采用二维模型(2D)或者基于GIS的简化模型。这类模型包括InfoWorks CS、Mike Urban和EPA SWMM等。② 简化管网排水。根据设计排水能力将其从降雨中扣除,超出蒸散发、土壤渗透和管道排水能力的部分则在地表低洼处形成积水。这类模型主要基于DEM的栅格格网进行计算,包括LISFLOOD[69]、FloodMap[70,71]、元胞自动机模型[50],以及基于GIS数字地形分析的快速淹没模型等[72,73,74,75]。第一类模型特别是采用双向排水概念的“1D+2D”模式能够准确表达雨水径流运动和地表积水过程,可用于分析暴雨内涝致灾机理,但这类模型对模型基础数据和验证数据要求高,且计算效率低,适用于具备较好数据基础的小尺度分析,而难以在大范围分析如城市尺度中得到广泛应用。第二类模型对管网排水和地表漫流模拟进行简化,以物理过程表达精度的一定损失为代价降低了基础数据要求,提高了模型计算效率,适用于对效率有一定要求的应用场景,如暴雨内涝预警和应急响应决策。此外,在暴雨情景下管道压力流的作用将明显增加排水管网的输送能力,应用第二类模型时简单以设计能力作为管网排涝能力上限有一定的不合理性,将显著高估实际内涝风险。为了降低暴雨内涝模拟结果的不确定性,需要定量表达出管道压力流的作用[76]

4.2 机器学习

机器学习是人工智能研究的一个重要领域,最早可追溯到20世纪40年代开始的人工神经网络研究。它是一类算法的总称,可从大量数据中挖掘隐含规律,并将其用于预测和分类等任务。深度学习[77]是机器学习发展的里程碑,它与大数据、云计算和存储能力提升共同推动了人工智能的快速发展,在包括信息技术的很多领域取得了革命性的进展,最有代表性的是图像识别和语音识别[78]。此外,机器学习也有力推动了自动驾驶、机器人、生物信息学、生态学、医学、遗传学、环境科学、测绘学、地理学和自然灾害等领域的发展。

根据历史灾害记录建立灾害风险与影响因子之间的拟合模型,并依据模型进行风险制图是机器学习在自然灾害研究中的主要应用方式,学习方法包括Logistics回归、支持向量机、随机森林、朴素贝叶斯、多目标决策分析和基于人工神经网络的深度学习等[79,80,81,82]。对于暴雨内涝,学习特征(影响因子)包括最大日降雨量、暴雨频率、不透水率、高程、坡度、地形湿度指数TWI、距河流距离、距道路距离和排水管网密度等。机器学习建立的模型有良好拟合能力,然而其得到的规律不会超出样本数据包含的信息。换言之,机器学习模型的可靠性依赖于标记数据(历史灾害记录)的准确性和完整性。然而,暴雨内涝发生的短历时性与空间散布特征增加了完整采集历史灾害数据的困难。提升机器学习模型的可靠性可从2个方面着手:① 挖掘未标记样本包含的信息,如采用分层抽样方法[83];② 利用互联网大数据增加标记样本[49]

机器学习与互联网大数据的结合,在传统的水动力模拟方法之外提供了暴雨内涝模拟的新途径,对模型数据的要求低于水动力模拟,可行性高。但是,基于机器学习的暴雨内涝研究不考虑水动力过程,缺乏物理基础,其模拟结果和致灾机理的合理性高度依赖于历史内涝记录的准确性和完整性。

5 结论

城市暴雨内涝研究面临模型代表性不够、计算效率低、基础数据和模型验证数据匮乏等挑战,人工智能、遥感和互联网大数据等新技术的快速发展则为其提供了机遇。本文从特征、机理、数据和方法等4个维度进行了系统分析与总结,认为充分利用人工智能(近实时模拟和预报预警)、遥感(高精度的降雨、地表覆盖和DEM)和互联网大数据(高空间覆盖度的内涝灾情)等新技术是暴雨内涝研究的发展趋势,主要结论为:

(1) 城市暴雨内涝具有短历时性和空间散布特征;受降雨、下垫面和排水改造工程等驱动因子变化的影响,暴雨内涝热点呈现空间上的动态迁移特征;随着城市系统复杂性的增加,暴雨内涝灾害的影响具有连锁性,损失则具有突变性。

(2) 降雨时空特征和城市化程度直接影响地表产流量,进而决定暴雨内涝灾害的量级,地形条件则决定暴雨内涝灾害的发生位置,尤其是高强度人类活动影响下形成的微地形,如主干道路和下穿式立交道路。地形控制作用指数TCI综合考虑汇水面积、坡度和洼蓄体积对内涝风险的影响,对暴雨内涝发生位置具有良好的指示能力。

(3) 降雨过程的高时空变异性是暴雨内涝近实时模拟的主要瓶颈,需要充分利用高时空分辨率的天气雷达观测,以提高近实时模拟的精准度。传统的水文监测数据是反映城市水文过程响应机制和校准暴雨内涝模型的理想数据,但由于所需成本过高而难以大范围应用。随着智能手机和消费级无人机的普及应用,新浪微博、B站和抖音等互联网应用平台提供了获取高空间覆盖度暴雨内涝灾情信息的新途径,但同时也面临信息识别、提炼、融合和质量控制等诸多挑战。

(4) 水动力模拟与机器学习在暴雨内涝模拟上具有较强的互补性,结合二者建立兼具物理基础和计算效率的暴雨内涝模拟方法,是实现暴雨内涝近实时模拟与快速预报预警的有效途径。

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暴雨内涝是城市常见的“城市病”。本研究通过收集20世纪80年代、90年代,以及2000年之后广州市主城区严重暴雨内涝资料,探索改革开放后广州市暴雨内涝时空演变特征,分析城市建设用地扩张对暴雨内涝的影响。结果表明,20世纪80年代至今,广州市主城区暴雨内涝点在时间和空间2个尺度上有显著的变化。早期内涝点主要集中于市中心的越秀区,随着城市化进程的推进逐渐在白云、天河等城市化较快的区域出现。从1990-2010年,广州市城乡建设用地扩张显著,城市不透水面密度与暴雨内涝点核密度呈正相关。其相关性随城市化发展逐渐增强,表明改革开放后广州市城市的快速扩张,对主城区暴雨内涝点的时空演变有较大的影响。因此,城市暴雨内涝的防治应重视城市不透水面格局的优化和调整。

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Berne A, Delrieu G, Creutin J D, et al.

Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology

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Wang R Q, Mao H N, Wang Y, et al.

Hyper-resolution monitoring of urban flooding with social media and crowdsourcing data

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Liu L, Liu Y, Wang X, et al.

Developing an effective 2-D urban flood inundation model for city emergency management based on cellular automata

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薛丰昌, 宋肖依, 唐步兴, .

视频监控的城市内涝监测预警

[J]. 测绘科学, 2018,43(8):50-55, 61.

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[ Xue Fengchang, Song Xiaoyi, Tang Buxing, et al.

Urban waterlogging monitoring based on urban video image

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Yang J C, Yu M Z, Qin H, et al.

A twitter data credibility framework: Hurricane Harvey as a use case

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Zhang G M, Zhu A X.

The representativeness and spatial bias of volunteered geographic information: A review

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Goodchild M F, Li L N.

Assuring the quality of volunteered geographic information

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薄涛, 李小军, 陈苏, .

基于社交媒体数据的地震烈度快速评估方法

[J]. 地震工程与工程振动, 2018,38(5):206-215.

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[ Bo Tao, Li Xiaojun, Chen Su, et al.

Research of seismic intensity rapid assessment based on social media data

Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2018,38(5):206-215. ]

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李想, 刘纪平, 罗安, .

面向微博的灾害类事件地址提取与空间定位方法: 以地震事件为例

[J]. 测绘与空间地理信息, 2018,41(4):128-131.

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[ Li Xiang, Liu Jiping, Luo An, et al.

Weibo-oriented address extraction and spatial positioning method for disaster events: Take seismic events as an example

Geomatics & Spatial Information Technology, 2018,41(4):128-131. ]

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邬群勇, 裘钰娇.

微博数据位置信息反映台风灾情的有效性分析

[J]. 测绘科学技术学报, 2019,36(4):406-411.

[本文引用: 1]

[ Wu Qunyong, Qiu Yujiao.

Effectiveness analysis of typhoon disaster reflected by microblog data location information

Journal of Geomatics Science and Technology, 2019,36(4):406-411. ]

[本文引用: 1]

杨腾飞, 解吉波, 李振宇, .

微博中蕴含台风灾害损失信息识别和分类方法

[J]. 地球信息科学学报, 2018,20(7):906-917.

DOI:10.12082/dqxxkx.2018.180062      [本文引用: 1]

社交媒体在灾害信息的实时发布与传播中发挥着越来越重要的作用。在灾害发生过程中,社交媒体中蕴含的实时灾损信息对灾情及时响应和评估有重要意义。然而,这些涉灾文本具有信息破碎度高、文本特征稀疏、标注语料库匮乏等缺点,使得传统的基于监督学习的方法难以有效提取其中的灾损信息。为此,本文提出了一种通过扩展上下文特征和匹配特征词的方法来快速识别和分类社交媒体中蕴含的不同类别的灾损信息。本方法首先基于中文语法规则,抽取小规模不同灾损类别下微博文本中的涉灾关键词构建特征词搭配对。然后,利用词向量模型和已有词库对这些特征词搭配对进行补充和扩展。同时,根据中文词语共现规则,引入外部语料库优化特征词间的语义搭配关系。最终,以此为基础构建台风灾损分类知识库对灾情文本中蕴含的不同类别灾损信息进行识别和分类。本文以2016年9月15日台风“莫兰蒂”登陆事件作为研究案例,以评估本文方法在灾损信息识别和分类上的效果。结果表明,本文方法对微博文本中蕴含的不同类别风灾损失信息的识别和分类效果显著(各类别综合评价指标都达到了0.74以上)。基于灾损信息分类结果,本文绘制了台风影响的时空分布图,从而进一步说明本文方法在灾害损失评估和减灾救灾方面的效用。

[ Yang Tengfei, Xie Jibo, Li Zhenyu, et al.

A method of typhoon disaster loss identification and classification using micro-blog information

Journal of Geo-information Science, 2018,20(7):906-917. ]

[本文引用: 1]

梁春阳, 林广发, 张明锋, .

社交媒体数据对反映台风灾害时空分布的有效性研究

[J]. 地球信息科学学报, 2018,20(6):807-816.

DOI:10.12082/dqxxkx.2018.180022.      [本文引用: 1]

当灾害事件发生时,与之相关的社交媒体数据不断产生,其中包含了丰富的灾情信息和签到地理位置信息,这为灾情态势的及时感知提供了一种新的数据源,但是因社交媒体用户量的地区差异及网络空间中信息传播模式的特点,给社交媒体签到数据所代表的空间点过程的模式分析带来了一些新的问题,如签到点密度与实际灾害点事件密度之间的对应关系、签到点之间的空间关系、点格局的空间异质性及其影响因素等。本文以2016年14号台风“莫兰蒂”为例,以“台风”和“莫兰蒂”为关键词,在新浪微博平台上采集了2016年9月14-17日的微博数据,使用文档主题生成模型(Latent Dirichlet Allocation, LDA)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)对微博文本进行分类,构建了含有签到位置信息的灾情点事件数据库。在此基础上,针对社交媒体用户分布的空间异质性提出了一种基于签到点用户活跃度的加权模型。以全局自相关统计量Moran′s I为指标,对加权前后的签到微博数据进行对比,发现这些在社交网络中产生的签到微博数据在现实地理空间中存在明显的空间自相关性;基于“雨”、“停电”等关键词,利用上述加权处理后的微博数据库进行灾害制图,结合真实灾情资料进行时空对比分析,结果表明系列图谱能够反映台风灾害的时空过程趋势。

[ Liang Chunyang, Lin Guangfa, Zhang Mingfeng, et al.

Assessing the effectiveness of social media data in mapping the distribution of typhoon disasters

Journal of Geo-information Science, 2018,20(6):807-816. ]

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张岩, 李英冰, 郑翔.

基于微博数据的台风“山竹”舆情演化时空分析

[J]. 山东大学学报(工学版), 2020,50(5):118-126.

[本文引用: 1]

[ Zhang Yan, Li Yingbing, Zheng Xiang.

Spatial and temporal analysis of network public opinion evolution of typhoon "Mangkhut" based on Weibo data

Journal of Shandong University (Engineering Science), 2020,50(5):118-126. ]

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相恒茂, 付小康, 高浠舰, .

基于社交媒体的城市污染信息探测

[J]. 测绘与空间地理信息, 2017,40(8):47-49, 53.

[本文引用: 1]

[ Xiang Hengmao, Fu Xiaokang, Gao Xijian, et al.

Urban pollution detection based on social media

Geomatics & Spatial Information Technology, 2017,40(8):47-49, 53. ]

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王艳东, 荆彤, 姜伟, .

利用社交媒体数据模拟城市空气质量趋势面

[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2017,42(1):14-20.

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[ Wang Yandong, Jing Tong, Jiang Wei, et al.

Modeling urban air quality trend surface using social media data

Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017,42(1):14-20. ]

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刘淑涵, 王艳东, 付小康.

利用卷积神经网络提取微博中的暴雨灾害信息

[J]. 地球信息科学学报, 2019,21(7):1009-1017.

DOI:10.12082/dqxxkx.2019.180701      [本文引用: 1]

从社交媒体中挖掘灾害应急信息,能够有效帮助传统灾害管理获取实时、主题丰富的灾害信息,从而成为灾害应急管理的新手段。得益于深度学习在自动特征提取上的成就,本文研究了一种利用卷积神经网络对社交媒体中的灾害应急信息进行自动实时提取与分类的方法。首先,利用社交媒体数据和Word2vec模型,构建与灾害类事件相关的语料库并获得相应的词向量;其次,将词嵌入文本和相应的灾情类别作为卷积神经网络的输入,经过多分类学习得到分类模型,用以提取近实时灾害信息。以2012年“7.21北京特大暴雨”事件为案例,通过分类模型获得常见灾情类别的暴雨灾害社交媒体信息。该模型在测试集上的精度达到了90%以上,并且将模型运用于新爬取的2016年暴雨数据集上也得到了较好的表现,说明该模型在近实时自动提取灾害信息方面具有可行性。在对2012年分类结果进行时空分析结果表明,通过社交媒体获得的暴雨灾害主题信息符合灾害发展的规律,说明了利用深度学习提取社交媒体数据中的灾害应急信息的有效性和可行性,能够为实时灾害应急管理提供新的思路。

[ Liu Shuhan, Wang Yandong, Fu Xiaokang.

Extracting rainstorm disaster information from microblogs using convolutional neural network

Journal of Geo-information Science, 2019,21(7):1009-1017. ]

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李雪尘, 熊薪.

基于社交平台大数据的暴雨时空分析

[J]. 科技创新导报, 2019,16(5):119-121.

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[ Li Xuechen, Xiong Xin.

Spatiotemporal analysis of storm events using social media data

Science and Technology Innovation Herald, 2019,16(5):119-121. ]

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Cheng X X, Han G F, Zhao Y F, et al.

Evaluating social media response to urban flood disaster: Case study on an East Asian City (Wuhan, China)

[J]. Sustainability, 2019,11(19):5330. doi: 10.3390/su11195330.

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黎洁仪, 梁之彦, 范绍佳.

基于社交网络的降水灾情检测

[J]. 广东气象, 2018,40(5):65-67.

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[ Li Jieyi, Liang Zhiyan, Fan Shaojia.

The detection of disasters related to precipitation using social media

Guangdong Meteorology, 2018,40(5):65-67. ]

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吴先华, 肖杨, 王国复, .

基于微博大数据的城市内涝灾害的灾情及公众情绪研究: 以南京市为例

[J]. 灾害学, 2018,33(3):117-122.

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[ Wu Xianhua, Xiao Yang, Wang Guofu, et al.

Research on disaster and public sentiment of urban waterlogging disaster based on microblogging big data: Take Nanjing as an example

Journal of Catastrophology, 2018,33(3):117-122. ]

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Wu Z N, Shen Y X, Wang H L.

Assessing urban areas' vulnerability to flood disaster based on text data: A case study in Zhengzhou City

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Bates P D, de Roo A P J.

A simple raster-based model for flood inundation simulation

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Urban fluvial flood modelling using a two-dimensional diffusion-wave treatment, part 1: Mesh resolution effects

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Yu D, Lane S N.

Urban fluvial flood modelling using a two-dimensional diffusion-wave treatment, part 2: Development of a sub-grid-scale treatment

[J]. Hydrological Processes, 2006,20(7):1567-1583.

DOI:10.1002/(ISSN)1099-1085      URL     [本文引用: 1]

马洪涛, 付征垚, 王军.

大型城市排水防涝系统快速评估模型构建方法及其应用

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[ Ma Hongtao, Fu Zhengyao, Wang Jun.

Construction and application of the rapid evaluation model for the large urban flood protection system

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周倩倩, 王和平, 许苗苗, .

基于GIS的栅格水文建模法快速评估内涝风险

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[ Zhou Qianqian, Wang Heping, Xu Miaomiao, et al.

A simplified GIS-based hydrological modeling approach for rapid flood risk assessment

China Water & Wastewater, 2015,31(21):109-113. ]

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Zhao G, Xu Z X, Pang B, et al.

An enhanced inundation method for urban flood hazard mapping at the large catchment scale

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Zhang S H, Pan B Z.

An urban storm-inundation simulation method based on GIS

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Huang H B, Pan Y, Wang X W.

A simplified representation of pressure flow from surface slopes in urban sewer systems

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Hinton G E, Salakhutdinov R R.

Reducing the dimensionality of data with neural networks

[J]. Science, 2006,313:504-507.

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LeCun Y, Bengio Y, Hinton G.

Deep learning

[J]. Nature, 2015,521:436-444.

DOI:10.1038/nature14539      PMID:26017442      [本文引用: 1]

Deep learning allows computational models that are composed of multiple processing layers to learn representations of data with multiple levels of abstraction. These methods have dramatically improved the state-of-the-art in speech recognition, visual object recognition, object detection and many other domains such as drug discovery and genomics. Deep learning discovers intricate structure in large data sets by using the backpropagation algorithm to indicate how a machine should change its internal parameters that are used to compute the representation in each layer from the representation in the previous layer. Deep convolutional nets have brought about breakthroughs in processing images, video, speech and audio, whereas recurrent nets have shone light on sequential data such as text and speech.

Abdellatif M, Atherton W, Alkhaddar R, et al.

Flood risk assessment for urban water system in a changing climate using artificial neural network

[J]. Natural Hazards, 2015,79(2):1059-1077.

DOI:10.1007/s11069-015-1892-6      URL     [本文引用: 1]

Lin L, Wu Z N, Liang Q H.

Urban flood susceptibility analysis using a GIS-based multi-criteria analysis framework

[J]. Natural Hazards, 2019,97(2):455-475.

DOI:10.1007/s11069-019-03615-2      [本文引用: 1]

Pluvial flooding is a common type of natural hazard caused by rainfall events with high intensity and short duration, which may lead to substantial property damages, transportation interruptions, and casualties. Modern cities are susceptible to pluvial flooding due to dense population and advanced economic development. To facilitate the development of better flood control and risk mitigation strategies, this study presents a new quantitative flood susceptibility analysis framework to estimate the potential flood extents and scale. The framework is based on the multi-criteria decision-making methods within a platform of the geographic information system (GIS). A composite urban flood risk index (FRI) is derived from various flood conditioning factors. The FRI consists of flood vulnerability index, hazard factors, and resilience capacity indicators. The flood-susceptible map is generated using the GIS spatial analysis tools and the analytic hierarchy process method. Zhengzhou city, China, is selected as the case study area. The result map shows that the highly susceptible areas are mainly located in Jinshui District, accounting for 64% of the total area of the risk zone. To further validate this framework, a flood inventory map is produced by mapping 74 test locations identified through survey data in this area, followed by plotting a receiver operating characteristic (ROC) curve. The ROC shows an area under the curve of 74.27%, which validates the proposed framework. Compared with other methods, the proposed framework is particularly suitable for application in data-scarce cases.

Tang X Z, Shu Y Q, Lian Y Q, et al.

A spatial assessment of urban waterlogging risk based on a Weighted Naïve Bayes Classifier

[J]. Science of the Total Environment, 2018,630:264-274.

DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.02.172      URL     [本文引用: 1]

Wu Z N, Zhou Y H, Wang H L, et al.

Depth prediction of urban flood under different rainfall return periods based on deep learning and data warehouse

[J]. Science of the Total Environment, 2020,716:137077. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.137077.

DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.137077      URL     [本文引用: 1]

Zhao G, Pang B, Xu Z X, et al.

Assessment of urban flood susceptibility using semi-supervised machine learning model

[J]. Science of the Total Environment, 2019,659:940-949.

DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.12.217      URL     [本文引用: 1]

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