[论文解读] 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 22

一句话总结

本文提出一种安全系数方法，以应对气候变化、不透水地表和基础设施寿命等深层不确定性下的城市雨水排水系统设计问题。通过量化非平稳降雨预测及不确定性传播，研究显示，为实现1/100年一遇的水力可靠性，需在标准设计指南基础上增加1.4至1.7的安全系数，这显著提高了前期成本，但能增强对气候变化和社会经济变化的适应能力。

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.

研究动机与目标

• 解决当前雨水排水系统设计规范中静态气候假设的局限性。
• 量化影响水力可靠性的极端降雨预测、地表不透水性及基础设施寿命中的深层不确定性。
• 评估忽略这些不确定性对洪水风险和设计鲁棒性的影响。
• 确定在非平稳条件下实现1/100年一遇水力可靠性的安全系数。
• 为气候适应型城市基础设施提供更新的工程设计策略指导。

提出的方法

• 采用累积不确定性框架，量化气候、径流特性及使用寿命等各不确定性来源对整体可靠性方差的相对贡献。
• 通过在多个模型和情景下对可靠性估计进行方差分解，计算各阶段的边际累积不确定性。
• 将可靠性建模为气候模型提供的极端降雨预测、径流系数及非平稳条件下管道寿命的函数。
• 对标准管道设计指南应用安全系数，以实现目标可靠性，并量化其成本影响。
• 采用基于方差的不确定性分解方法，避免方差分析（ANOVA）对正态性假设和异常值敏感的局限性。
• 分析基于NA-CORDEX气候模型输出和统计降尺度方法，在多个地点进行。

实验结果

研究问题

• RQ1 气候预测、地表径流和基础设施寿命中的深层不确定性如何影响雨水排水系统的水力可靠性？
• RQ2 与社会经济和工程不确定性相比，气候不确定性在驱动设计风险方面所占的相对贡献如何？
• RQ3 在非平稳气候条件下，为实现1/100年一遇水力可靠性，所需的安全系数大小是多少？
• RQ4 忽略深层不确定性会导致洪水风险被严重低估，并引发未来气候条件下基础设施性能不足的设计决策吗？
• RQ5 为实现深层不确定性下的鲁棒性能，应用安全系数的成本影响是什么？

主要发现

• 气候不确定性是雨水排水系统水力可靠性不确定性的主导驱动因素，超过社会经济和工程不确定性的影响。
• 在标准雨水管道设计指南基础上应用1.4至1.7的安全系数，可在所有考虑的情况下实现1/100年一遇的水力可靠性。
• 忽略深层不确定性可能导致洪水风险被严重低估，从而在未来的气候条件下导致基础设施性能不足。
• 所需的安全系数导致显著的前期成本增加，反映出韧性与经济效率之间的权衡。
• 累积不确定性方法能有效量化不确定性传播，并识别关键不确定性来源，而无需依赖正态性等限制性假设。
• 本研究证明，传统的静态设计假设在气候变化背景下不足以支撑未来城市基础设施的长期适应性。