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[成果]3983金沙官网地理科学学部、应急管理部-教育部减灾与应急管理研究院安全科学与工程学科杨赛霓教授课题组在《自然-通讯》上发文

2019年5月15日,自然-通讯(Nature Communications)杂志在线发表了3983金沙官网地理科学学部、应急管理部-教育部减灾与应急管理研究院杨赛霓教授课题组的最新研究成果。该研究长文题为“区域洪水导致公路网络大规模突然失效”(Local floods induce large-scale abrupt failures of road networks)。


灾害影响研究近年来已在灾害风险科学、安全科学和网络科学等领域取得了重要进展。但自然灾害导致的基础设施功能的重大损害或崩溃,依然是基础设施灾害风险防范工作中的重大挑战。在全球气候变化背景下,洪水造成的社会经济系统损失不断增大。理解全球气候变化情景下洪水对基础设施系统致险(灾)的过程及机理,开发全球变化情景下洪水的影响评估模型,从动态过程的角度理解全球变化下洪水影响的不确定性,定量评估洪水对基础设施的破坏,是全面理解全球气候变化影响的重要内容,也是有效适应和防范全球变化风险的科学基础。这对于提高基础设施系统的服务能力、保障社会经济系统的正常运行和国家的长治久安具有重要意义。


作为一种典型的关键基础设施系统,该论文以公路系统作为承灾体对象进行研究。该研究的难点源于洪水致灾因子与路网的三维特性的耦合:洪水对路网功能的影响过程中,路段和交叉口的高程起到了关键作用。而当前灾害风险科学和网络科学领域的已有方法并不适用于分析三维致灾因子影响下具有三维拓扑结构的网络的性能。


该论文提出了一套失效模型以定量评估洪水对公路网络的影响,并通过2017年哈维飓风事件对模型进行验证。研究通过收集整理2017年哈维飓风引起的洪水情景和失效公路路段数据,与失效模型计算出的失效路段进行了比较:模型计算出的失效路段可以有效地涵盖事件发生时交通部门关闭路段的90.6%,和被洪水淹没路段的94.1%(如图1所示)。


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图1 实际数据和模型结果的比较


在此基础上,论文使用失效模型研究洪水对中国和美国公路网络的影响。通过分析洪水引起的直接、间接和完全失效的特性,将洪水的破坏结果与随机和局部破坏(如图2 所示)的结果进行了比较。研究发现:(1)由于洪水更具局部破坏性,洪水对邻近区域的影响比随机破坏更强;(2)由于洪水可以通过河道将影响从一个地区传播到另一个地区,因而比局部破坏影响范围更广;(3)直接失效是常规性洪水对公路网络的主要损害方式(类似于局部破坏),但间接失效是极端洪水对公路网络的主要损害方式(类似于随机破坏);(4)洪水对公路网络破坏的过程中表现出了突然的非连续相变,这表明在系统临界点附近,洪水强度的微小增大可能会导致整个公路网络发生大规模的失效,从而造成整个公路系统的崩溃。


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图2 洪水、随机破坏和局部破坏的示意图


该研究同时开发出一种解析解法用于计算洪水对公路网络的影响。该解法的计算结果与失效模型的仿真结果一致性较高,且显著提高了计算效率,能够分析更大空间尺度上洪水对路网的影响。


该论文提出的失效模型和解析解法,可用于识别自然灾害影响下基础设施系统中的关键组件,帮助行业部门设计有效的防灾减灾策略以预防基础设施系统功能的大规模突然失效,也为理解基础设施系统的抗灾韧性开辟了新思路,推动了自然灾害学和安全科学与工程相关方向的研究进展。


该工作以3983金沙网站在线平台为第一单位发表,由杨赛霓教授(通讯编辑)、博士生汪伟平(第一编辑)与美国波士顿大学H.Eugene Stanley教授和美国伦斯勒理工学院Jianxi Gao教授(共同通讯编辑)合作完成。此工作得到国家科技部重点研发计划“全球变化人口与经济系统风险形成机制及评估研究”,国家自然科学基金委创新群体项目“地表过程模型与模拟”和国家留学基金委等的支撑。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10063-w

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