[论文解读] Urban Flood Drifters (UFDs): identification, classification and characterisation

Arnau Bayón, Daniel Valero+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Flood Risk Assessment and ManagementEnvironmental Science被引用 3

一句话总结

本研究提出城市洪水漂浮物（UFDs）作为移动的城市物体，通过阻塞排水系统并加剧洪水淹没程度而加剧洪水灾害。基于1999至2023年间来自63次全球洪水的270张灾后影像，研究对UFDs按类型、材质和稳定性进行分类，发现塑料、建筑废料和木材占比最高（各占50–60%），而汽车出现在31.5%的影像中。研究提出一种新型稳定性图谱，识别出以浮力或阻力为主导的移动性，突出显示了此前被忽视的高风险物体，如活动房屋和家具。

ABSTRACT

Extreme floods threaten lives, assets and ecosystems, with the largest impacts occurring in urbanised areas. However, flood mitigation schemes generally neglect the fact that urban floods carry a considerable amount of solid load. In this study, we define Urban Flood Drifters (UFDs) as loose objects present in the urban landscape that can become mobile under certain flow conditions, thereafter blocking drainage infrastructure and endangering both downstream and upstream communities. Based on 270 post-flood photographic records from 63 major inundations of the past quarter-century across 46 countries, we provide a comprehensive analysis of UFDs and their flood-hazard implications. We show that a variety of vehicles, furniture and a heterogeneous mixture of drifters are present in post-flooding scenarios. Plastic, construction debris and wood (natural or anthropogenic) dominate the statistics of transported drifters in urban floods (with frequencies of roughly 50-60% each), followed by cars (present in 31.5% of post-flood images). Other heavy vehicles are readily observed in post-flood imagery and furniture such as bins, garden sheds or water tanks also appear occasionally, therefore suggesting that they can play a relevant role in extreme floods.

研究动机与目标

• 基于物理和功能特性，识别并分类在洪水期间变得移动的城市松散物体，即城市洪水漂浮物（UFDs）。
• 量化全球多样化城市环境中灾后场景中UFDs的普遍性和材料组成。
• 评估UFDs在不同水流条件下水动力稳定性的差异，区分浮力主导与阻力主导的移动性。
• 开发一种稳定性图谱，使城市规划者能够优先识别高风险UFDs，用于洪水韧性基础设施设计的减灾措施。
• 强调非车辆类UFDs（如家具、木材和塑料废料）在加剧洪水灾害和导致基础设施阻塞方面被低估的作用。

提出的方法

• 从1999年至2023年间，从全球46个国家的63次重大城市洪水事件中，收集了270张灾后影像记录，数据来源为公共媒体和灾害报告。
• 基于功能、材质和几何形态，将UFDs划分为10个类别（如车辆、家具、塑料废料、木材等），采用标准化分类体系（表2）。
• 统计各类UFD在影像中的频率与普遍性，计算出现率（例如，31.5%的影像中包含汽车）。
• 应用水动力稳定性分析，利用阻力与浮力公式：F_drag = 0.5 × ρ × C_D × A × v² 和 F_buoy = ρ × g × V_displaced，其中C_D = 1，φ1 = φ2 = 1以简化计算。
• 生成稳定性图谱（图7），以主导作用力（浮力 vs. 阻力）为参数，表征不稳定性，使用临界水流条件（h = 0.2–0.5 m，v = 1–3 m/s）。
• 对水流深度、流速及几何参数（φ1, φ2）进行敏感性分析，评估不同UFD类型下稳定性预测的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在城市洪水期间，哪些类型和材质的城市物体最常变得移动？它们在灾后影像中的普遍性如何？
• RQ2 与汽车相比，UFDs的水动力稳定性特性（特别是浮力与阻力）在不同物体类型间有何差异？
• RQ3 哪些UFD类别由于尺寸、质量或卡阻倾向，最有可能导致基础设施阻塞？
• RQ4 在典型洪水条件下，非车辆类UFDs（如家具、塑料和木材）的不稳定性是否显著高于汽车？
• RQ5 能否开发一种统一的稳定性图谱，基于主导失稳力对UFDs进行分类，以辅助城市洪水风险规划？

主要发现

• 塑料废料、建筑废料以及天然或人为来源的木材是出现频率最高的UFDs，占所有影像的50–60%，其中90%的影像至少包含这三类材料中的一种。
• 汽车在31.5%的灾后影像中被观察到，是记录最频繁的UFD类型，但大型车辆（如厢式货车、活动房屋、房车）的出现频率为汽车的41%，且具有更高的阻塞潜力。
• 城市与家庭用家具（如垃圾箱、花园棚屋、储水箱）在相当数量的影像中被观察到，表明其构成显著但尚未充分研究的灾害风险。
• 活动房屋和房车比汽车对浮力更敏感，在更低水深下即变得不稳定，从而显著增加其移动风险。
• 大多数UFDs，尤其是家具和大型车辆，要么对阻力更敏感，要么比汽车更容易漂浮，表明存在一个此前被忽视的、高风险的物体类别。
• 稳定性图谱（图7）显示，在临界水流条件（如h = 0.3 m，v = 2 m/s）下，许多UFDs——尤其是体积与质量比高的物体——表现出以浮力为主导的不稳定性，表明在中等洪水条件下可能过早发生移动。