[論文レビュー] A Safety Factor Approach to Designing Urban Infrastructure for Dynamic Conditions

Sanjib Sharma, Ben Seiyon Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Flood Risk Assessment and ManagementEnvironmental Science参考文献 56被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、気候変動、不透水表面、インフラの耐用年数における深い不確実性を想定した都市雨水下水道インフラの設計に、安全係数アプローチを提案する。非定常降雨予測と不確実性の伝播を定量化することで、100年に1度の水理的信頼性を達成するには、標準設計指針より1.4～1.7の安全係数が必要であることが示された。これは顕著に高い初期コストを伴うが、気候変動および社会経済的変化に対するレジリエンスを向上させる。

ABSTRACT

Current approaches to design flood‐sensitive infrastructure typically assume a stationary rainfall distribution and neglect many uncertainties. These assumptions are inconsistent with observations that suggest intensifying extreme precipitation events and the uncertainties surrounding projections of the coupled natural‐human systems. Here we demonstrate a safety factor approach to designing urban infrastructure in a changing climate. Our results show that assuming climate stationarity and neglecting deep uncertainties can drastically underestimate flood risks and lead to poor infrastructure design choices. We find that climate uncertainty dominates the socioeconomic and engineering uncertainties that impact the hydraulic reliability in stormwater drainage systems. We quantify the upfront costs needed to achieve higher hydraulic reliability and robustness against the deep uncertainties surrounding projections of rainfall, surface runoff characteristics, and infrastructure lifetime. Depending on the location, we find that adding safety factors of 1.4–1.7 to the standard stormwater pipe design guidance produces robust performance to the considered deep uncertainties. The insights gained from this study highlights the need for updating traditional engineering design strategies to improve infrastructure reliability under socioeconomic and environmental changes.

研究の動機と目的

• 現在の雨水下水道インフラ設計指針における定常気候仮定の限界を是正すること。
• 水理的信頼性に影響を与える極端な降雨予測、表面の不透水性、インフラの耐用年数における深い不確実性を定量化すること。
• これらの不確実性を無視した場合の洪水リスクと設計のレジリエンスへの影響を評価すること。
• 非定常状態下で100年に1度の水理的信頼性を達成するための安全係数を特定すること。
• 気候レジリエントな都市インフラのための、更新された設計戦略を提示すること。

提案手法

• 累積不確実性フレームワークを用いて、気候、流出特性、使用寿命の各不確実性要因が全体の信頼性分散に与える相対的寄与を定量化する。
• 複数のモデルとシナリオを用いた信頼性推定の分散分解により、各段階での限界累積不確実性を計算する。
• 信頼性は、非定常状態下での気候モデルからの極端な降雨予測、流出係数、管路の耐用年数の関数としてモデル化する。
• 標準的な管路設計指針に安全係数を適用し、目標信頼性を達成する。コストへの影響も定量化する。
• 分散ベースの不確実性分解を用いることで、正規性仮定や外れ値に敏感な分散分析（ANOVA）の制限を回避する。
• NA-CORDEX気候モデル出力と統計的ダウンスケーリングを用いて、複数の地域に応用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 気候予測、流出、インフラ耐用年数における深い不確実性が、雨水排水システムの水理的信頼性にどのように影響するか。
• RQ2 設計リスクを引き起こす要因として、気候の不確実性が社会経済的および工学的不確実性に比べて果たす相対的寄与はどの程度か。
• RQ3 非定常気候状態下で100年に1度の水理的信頼性を達成するには、どの程度の安全係数が必要か。
• RQ4 深い不確実性を無視すると、洪水リスクが著しく低く見積もられ、将来の気候条件下でインフラの性能が不十分になる原因となる。
• RQ5 高い不確実性下でレジリエントな性能を達成するために安全係数を適用した場合のコストへの影響は何か。

主な発見

• 気候の不確実性が、雨水排水システムの水理的信頼性の不確実性の主な駆動要因であり、社会経済的および工学的不確実性を上回る。
• 標準的な雨水管設計指針に1.4～1.7の安全係数を適用することで、すべての検討事例で100年に1度の水理的信頼性が達成される。
• 深い不確実性を無視すると、洪水リスクが著しく低く見積もられ、将来の気候条件下でインフラの性能が不十分になる。
• 必要な安全係数は顕著な追加の初期コストを伴い、レジリエンスと経済的効率性のトレードオフを反映している。
• 累積不確実性アプローチは、正規性仮定に依存しない不確実性伝播の定量化と、主な不確実性要因の同定に効果的である。
• 本研究は、気候変動下で将来に耐えうる都市インフラを設計するには、従来の定常設計仮定では不十分であることを示している。