基于尾部风险状态演化的洪水风险评估与损伤测算方法

本发明属于极端洪水风险评估以及损伤测算领域，尤其涉及一种基于尾部风险状态演化的洪水风险评估与损伤测算方法。

背景技术：

1、近年来，在全球气候变化及城市化快速发展的共同影响下，极端降雨事件发生频次和强度不断增加，导致流域洪水、山洪灾害以及城市内涝事件呈现出更加显著的突发性和复杂性。洪水灾害不仅造成大范围基础设施受损和经济损失，而且在空间上具有明显的扩散传播特征，容易通过河网系统、地形条件及城市排水网络向相邻区域传递风险，使得洪灾影响范围持续扩大。因此，如何准确识别极端洪水风险演化过程并开展损伤测算，已成为洪灾风险管理领域的重要研究方向。

2、目前，洪水风险评估研究主要围绕洪水发生概率分析、洪灾损失估算及灾害空间分布模拟等方面展开。传统方法通常基于历史洪水观测数据，利用降雨量、水位、流量或淹没面积等指标描述洪水强度，并通过概率统计模型分析洪灾发生可能性，再结合经验损失率模型估算灾害损伤规模。该类方法在常规洪灾条件下具有一定适用性，但在极端洪灾风险识别和跨区域风险传播分析方面仍存在明显不足。

3、现有洪水风险评估与损伤测算方法主要存在以下缺陷：首先，现有方法多采用整体历史样本构建风险分布模型，通常基于单一概率分布函数对洪水强度指标进行拟合，难以准确识别极端洪水事件在尾部区域的统计特征。由于极端洪水事件具有发生频次低、损伤规模大的特点，其尾部样本往往呈现明显的非平稳性和阶段性变化，传统固定参数模型难以反映尾部风险状态随时间演化的动态规律，导致极端洪灾发生频次预测精度较低。

4、其次，现有方法在洪灾风险分析过程中通常仅关注单一空间单元内的风险变化，对洪水在不同区域之间的传播关联关系考虑不足。而洪水灾害受地形起伏、河道连通性及区域排水条件影响，具有显著的空间依赖特征，一个区域发生洪灾后可能通过空间传递作用影响相邻区域风险水平。现有风险模型大多缺乏对区域间空间传播机制的描述，难以有效表征洪灾在空间尺度上的联动扩散过程，从而限制了区域整体风险评估能力。

5、此外，现有损伤测算方法通常依据固定损伤率或经验损失函数估算灾害损伤规模，缺乏对承灾体空间暴露特征、脆弱性差异以及区域传播效应的综合考虑。当洪水强度超过局部完全淹没阈值时，传统模型通常直接采用固定全损假设，忽略了承灾体修复能力及空间扩散引起的风险叠加效应，容易造成损伤估算偏差。与此同时，现有研究往往将洪水尾部风险识别、空间传播分析及损伤测算过程分开处理，缺乏一种能够将尾部风险状态演化与空间传播机制耦合分析的综合方法，难以满足极端洪灾条件下风险评估与损伤预测的实际需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于尾部风险状态演化的洪水风险评估与损伤测算方法提高了极端洪水事件在非平稳条件下的风险识别精度和影响评估可靠性。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于尾部风险状态演化的洪水风险评估与损伤测算方法，包括：

3、收集目标区域的历史洪水事件带时间标签的历史观测数据；所述历史观测数据包括洪水强度指标、损失数据和承灾区域基本情况数据；

4、利用洪水强度指标分级阈值对历史洪水事件的洪水强度指标进行离散化，得到洪水风险数据集；

5、利用洪水风险数据集初始化尾部风险特征函数；设置滑动观测窗口，在洪水演进过程中，当滑动观测窗口更新时，基于当前滑动观测窗口内新增洪水事件的观测数据更新尾部风险特征函数；

6、根据历史观测时间长度与未来目标时间段的预测时间长度之间的时间尺度关系，对尾部风险特征函数进行时间尺度转换，并利用转换后的尾部风险特征函数，预测未来目标时间段内各洪水强度指标等级的发生频次；

7、基于各历史洪水事件下承灾体暴露基数、损失数据和洪水强度指标等级，拟合非线性增长函数，得到洪水强度等级与损伤率的动态响应关系；

8、利用洪水演进模型模拟各洪水强度指标等级下洪水的传播过程，得到各洪水强度指标等级对应预测洪水情景的淹没范围；

9、根据各预测洪水情景的淹没范围，分别对淹没范围内承灾体的暴露基数进行累加，得到各预测洪水情景的承灾体暴露基数；

10、利用洪水强度等级与损伤率的动态响应关系确定各预测洪水情景的损伤率；

11、将各预测洪水情景对应的洪水强度指标等级的发生频次、损伤率及承灾体暴露基数相乘，得到各预测洪水情景对应的未来损伤规模；

12、对各预测洪水情景对应的未来损伤规模进行加和，得到未来总体洪灾风险影响损伤总量。

13、进一步地，所述洪水强度指标为洪水流量或洪水流速；所述承灾区域基本情况数据包括承灾区域数字高程模型、河道几何数据、土地利用数据和建筑物数据。

14、进一步地，所述进行离散化，具体为将历史洪水事件的洪水强度指标离散化为历史洪水事件所在洪水强度指标等级的下限值；所述洪水风险数据集集的表达式为：

15、

16、其中，为第个洪水强度指标等级的下限值；为基于各历史洪水事件离散化后的洪水强度指标，统计的的发生频次。

17、进一步地，所述初始化尾部风险特征函数，具体为：

18、构建用于拟合洪水强度指标概率分布规律的分布函数集，所述分布函数集包括若干种候选概率分布函数模型；

19、利用洪水风险尾部分布数据集分别拟合各候选概率分布函数模型；

20、基于赤池信息准则aic与贝叶斯信息准则bic对各候选概率分布函数模型的拟合结果进行评价，筛选最优概率分布函数模型；

21、利用筛选得到的最优概率分布函数模型对洪水风险尾部分布数据集进行拟合，构建尾部风险特征函数。

22、进一步地，基于当前滑动观测窗口内新增洪水事件的观测数据更新尾部风险特征函数，具体为：

23、计算滑动观测窗口内新增洪水事件的观测数据与当前尾部风险特征函数预测结果之间的相对误差：

24、

25、其中，为新增洪水事件观测数据与尾部风险特征函数预测结果之间的相对误差；为新增洪水事件时，滑动观测窗口内对应洪水强度指标离散值的实际观测发生频次；为基于当前尾部风险特征函数计算得到的洪水强度指标离散值的预测发生频次；为洪水强度指标离散值集合；为洪水强度指标离散值集合的元素总数；为的绝对值；

26、判断相对误差是否小于10%，若是，不进行处理，否则，引入尾部演化权重系数更新尾部风险特征函数：

27、

28、

29、其中，为更新后的尾部风险特征函数；为更新前的的尾部风险特征函数；为用于表征当前洪水序列波动程度相对于历史总体波动程度的变化情况的尾部演化权重系数；为当前滑动观测窗口内各洪水事件的洪水强度指标离散值的标准差；为历史总时间跨度内各洪水事件的洪水强度指标离散值的标准差；为洪水强度指标离散值。

30、进一步地，所述未来目标时间段内各洪水强度指标等级的发生频次的表达式为：

31、

32、

33、其中，为未来目标时间段内的洪水事件总体发生频次；为动态时间修正因子；为当前尾部风险特征函数；为目标时间段的起始时间；为目标时间段的终止时间；为为当前滑动观测窗口内发生洪水事件的日期数量；为全部历史观测时间范围内发生洪水事件的时间单元日期数量；为洪水强度指标离散值。

34、进一步地，所述得到洪水强度等级与损伤率的动态响应关系，具体为：

35、将各历史洪水事件下承灾体暴露基数和损失数据的比值，作为各历史洪水事件下的物理损伤率；基于各历史洪水事件的洪水强度指标等级，关联物理损伤率和洪水强度指标等级，得到损伤率-强度等级响应关系数据集；基于损伤率-强度等级响应关系数据集拟合非线性增长函数，得到洪水强度等级与损伤率的动态响应关系。

36、进一步地，所述洪水强度等级与损伤率的动态响应关系的表达式为：

37、

38、其中，为第个洪水强度指标等级对应的损伤率；、和均为拟合参数；为第个洪水强度指标等级对应的离散值。

39、进一步地，所述确定各预测洪水情景的损伤率，具体为：当预测洪水情景对应的洪水强度指标未达到完全淹没阈值时，根据洪水强度等级与损伤率动态响应关系确定损伤率；当预测洪水情景对应的洪水强度指标达到承灾体完全淹没对应的预设洪水强度阈值时，根据承灾体可修复能力确定损伤率。

40、进一步地，所述承灾体可修复能力根据承灾体类型对应的灾后恢复能力指标确定；所述灾后恢复能力指标至少包括恢复时间指标、恢复成本指标、功能恢复指标和资源保障指标中的一种；承灾体可修复能力与损伤率对应关系根据历史灾害恢复样本建立，包括以下步骤：

41、收集历史灾害恢复样本，所述历史灾害恢复样本包括承灾体灾后恢复能力指标以及洪水强度指标等级最高等级的上限值情况下的历史损伤率；

42、对各历史灾害恢复样本的灾后恢复能力指标进行标准化处理，并分别计算各历史灾害恢复样本对应的承灾体可修复能力指数：

43、

44、其中，为承灾体可修复能力指数；为灾后恢复能力指标的数量；为第种灾后恢复能力指标的标准化值；为第种灾后恢复能力指标对应的权重；

45、基于各历史灾害恢复样本对应的承灾体可修复能力指数，建立损伤率映射关系：

46、

47、其中，为承灾体达到完全淹没阈值后的损伤率；为通过统计分析或回归拟合建立的映射函数。

48、本发明的有益效果为：本发明通过构建尾部风险特征函数，对极端洪水事件尾部数据进行拟合，并结合时间窗口对尾部风险状态进行更新，提高了模型对极端洪灾低频高损特征的识别能力，增强了对非平稳条件下洪灾风险演化规律的刻画能力。提出基于尾部风险动态变化特征的自适应更新机制，通过结合赤池信息准则aic与贝叶斯信息准则bic筛选最优概率分布函数模型，并依据历史观测数据的阶段变化特征进行尾部分段处理，实现尾部风险特征函数的动态修正，提高了未来不同时间跨度内极端洪水事件发生频次预测的准确性，增强了模型对极端事件风险外推分析的适用性。还构建了承灾体条件损伤响应机制，通过建立损伤率-强度指标响应函数，并结合分层损伤处理方式，对未完全淹没状态和完全淹没状态下的损伤特征进行区分测算，实现损伤率随洪灾强度变化的动态调整，提高了未来洪灾损伤规模测算结果的合理性与精度。将尾部风险状态演化分析、空间传播机制及损伤测算过程进行耦合，能够在考虑极端洪灾发生频次、区域风险扩散及承灾体脆弱性差异的基础上，对未来总体洪灾风险影响损伤总量进行综合预测，为极端洪灾风险管理、损失预估及防灾减灾决策提供更加科学的技术支撑。