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2019年7月1日 体积 49 问题 2
在这个问题上的工程创新的示例介绍了文章,发展弹性的基础设施。

适应气候变化的基础设施:工程和政策观点

星期一,2019年7月1日

作者: 比拉尔米。阿尤布和爱丽丝℃。山

每年,政府和私营部门投资的数万亿美元的基础设施可能无法承受的风险(牛津经济研究院2017年),未来的气候变化。世界上大多数的新的基础设施将建在发展中国家,面临着哪些救灾和城市化(牛津经济研究院2017年)的双重挑战,而应对灾害是发达国家的主要纯天然同样的挑战。哈维-damage飓风,玛丽亚和IRMA $ 265十亿总计约,使得2017年最昂贵的飓风季节在美国历史(2017年drye; 2017年希思科特; NOAA 2018)。长寿命的基础设施必须抵御极端天气,气候变化的影响,以及其他危害。

背景

基础设施的发展需要广泛的参与者,包括决策者,规划者,资助者,工程师,研究人员和社区。他们塑造共同的物理结构和服务,以支持旨在为几十年来提供公共的关键。一些演员都试图考虑气候风险整合到未来的基础设施的决定。例如,土木工程师(ASCE)的美国社会制定了风险管理的适应性一个自上而下的方法,在图1所示开始与气候情景,并预测这些有前途的,但尽管努力,创新的理念,以及应对气候风险的策略没有常见的做法。

图1

如何应变能力设计,资金和公共基础设施投资纳入?这个问题放工程师和其他专业人士在与气候变化赛跑,以加强规划和设计实践。

气候和天气都表现出加剧的极端,但系统架构传统的设计,建造,操作和维护根据假设随机项固定的气候和天气条件,不考虑未来气候变化和相关的不确定性增加,加大隐患。技术适应性,适应性设计,新的政策和适当的(例如,应对风险管理)是必要的,以减少气候变化的影响和风险。

气候变化和国家的影响

2014年气候变化政府间专门委员会(IPCC)的结论是,气候系统变暖是毋庸置疑的,它是极有可能的是,由于观察中期20世纪变暖的主要的原因是人类的影响。从国会授权的国家评估第四气候图(nca4; USGCRP 2018)这些趋势在数字描绘2和3。50年代以来,人形,核不温室气体(GHG)排放已促使许多观察到的变化,这几十年来都是空前甚至千年(IPCC 2014)。温室气体排放的未来是不确定的,取决于许多因素,包括政策,人口增长,全球化,经济活动和人类行为,所有这些都需要使用投影来定义路径排放(欧盟委员会2015年; hausfather 2018)。

 图2

 图3

根据nca4,整体年平均地表气温增加约1.8°从1901年F(1.0℃)至2016年ESTA 115年的时间,现在在现代文明史上最温暖,和过去几年也看到了破纪录的气候相关的极端天气。研究人员已经记录在表面,大气,和海洋温度的变化;冰川融化;减少积雪;萎缩海冰;是水平的不断提高;海洋酸化;增加大气中的水和蒸汽。

在不脱离政策,行为或技术变化主要排放减少量,相对于总的年平均温度,以工业化前倍可由9°F(5℃)以上2100年随着显著减少增加,它可以被限制为3.6°F( 2°C)或更低,仍然会关联与造成严重影响气候。

在周围很多气候将如何变化,气候科学家和工程师的斗争,以准确地表征未来的气候和极端天气,即使在概率方面,基于预测需要许多假设的不确定性的光关于温室气体排放的途径。

提高工程设计气候变化

而气候正在发生变化的证据非常强,工程界已经发现很难在相关的工程实践的空间和时间尺度纳入考虑气候变化。适应和减缓技术和战略的发展基于当前难以捉摸实践证明。

作为一个例子,相对海平面上升(SLR)是局部观察的现象,反映在海平面水平的变化是,沉降或海底的隆起和积累,腐蚀或沉积物沿海压实。沉积物堆积和侵蚀大大通过沉降和隆起的影响,所以这些procesos相互加强通常(ASCE 2018)。大陆边缘的构造环境在决定是否海岸线经验路段因沉降或隆起大的陆地分手地质作用的主要角色。此外,通过(一)冰期抑郁症,与相关的均衡调整过程中的大陆冰川广泛覆盖,或(b)由于反弹冰川退缩的时期,冰川装载在贡献率比创建隆起慢于撤退。除了在地质时间尺度上的长期变化,相对单反相机是由流体撤出,转移或消除的物质来源,和其他人类活动的影响。

单反高分辨率的预测是对的持久工程设计的发展具有重要意义。他们是有用的工具,以支持沿海减灾设计标准和通信预计将利益相关者的变化。然而,工程工作还必须考虑未来单反显著未知数,包括温室气体的可能途径有引致以及基于行为的那些冰盖,这仍然是不确定的。

在工程设计中的不确定性进行处理:观察法

对用人方法观察(OM)处理了岩土工程实践土木工程师的不确定性,最初是由太沙基的提案(尼克尔森等,1999 ;.啄1969年,太沙基和佩克1948年)。在气候变化的OM的具体步骤(太沙基和佩克1948之后修改)如-follows(也参见阿尤布和Wright 2016):

  1. 项目设计是基于最有可能的天气或气候条件(S),而不是最不利的。从最可能的情况是最可信的不利偏差识别。
  2. 动作或设计变形例的过程被设计(预先)为不利的天气或气候可预见的从最可能的条件(一个或多个)的每偏差。
  3. 该项目的性能随着时间的推移观察(使用预选的数量)和该项目的响应是分摊观测到的变化。
  4. 修改设计和施工(-previously识别)可以响应于观察到的变化来实现。

图4提供的示例和ASCE(2018)包括附加示例。

 图4

不确定性和设计理念

随着不确定性相关的气候未来并不完全量化,并在工程实践THEREFORE占它需要认识和治疗的不确定性,以及工程判断。不确定性大致可分为如下为了方便(阿尤布和Klir 2006):

  • 认可和充分表征(例如,材料的性质);
  • 确认,但适度表征(例如,未来的沉淀,飓风,风速);
  • 特征值,认可不良(例如,-Energy未来受全球人口使用);
  • 认可但不表征(例如,全球治理,合作);和
  • 未知的或自然的存在(例如,物理定律或行为尚未根据目前的方法和研究发现的追求或无法发现)。

气候突起意味着一个相似类型-uncertainty(斯坦福斯等人2007)的,虽然它们被用于传送到公众的目的差异表达;然而,这五个类提供工程及规划导则和标准的基础。

它是在工程进行分类的不确定性为(a)偶然的和(b)认知常见的做法。认为前者是与生俱来的情况和束缚随着数据收集,鉴定都可以,尽管其增强。后者是还原数据收集或调查,经济成本,虽然调查可能会收不回减少的数据。

规划的气候变化不仅需要规划气候不确定,但有关准备也为监管,环境,经济,社会和其他条件影响工程项目的不确定性。

风险评估

为管理不确定性(阿尤布2014)实用的方法手段风险。风险而言常用的测量只是作为一个事件或情况,并与发生相关的结果或后果的发生概率。主要风险评估来讲有三个回答问题(Kaplan和加里克1981):

  1. 会发生什么?
  2. 怎么可能是这样的情况发生?
  3. 如果它确实发生,会带来什么后果?

THUS风险评估是一个系统的过程,以确定身份潜在的,不确定的事件,包括危害,估计和确定事件发生的可能性发生的后果。

如果工程师开发为工程实践为应对气候变化,人口增长的新模式,开发模式改变的项目,社区,甚至国家的风险状况。气候变化的影响可能难以具有高度在许多情况下,确定性的估计,但可以明确的适应症是有一定的影响,比如单反的,更频繁的极端高温事件,而在极端的数量在活动区域​​增加这些已经很少碰到。这些不断变化的风险建议的足迹,无论在地区或国家层面的事件的严重性。

占工程设计不确定性

通过考虑基础设施到可接受水平的不确定性达到适当的人身安全和经济和效率的设计工程师。 THUS不确定性是在开发设计理念基础。基于不确定性的增强了解工程设计演变。

五种类型的不确定性风陵渡驱动工程师向着上述做法增强。当-uncertainty被认可和特点,(繁体),佐丹奴国的工程师使用安全性的因素,其次是基于 - 可靠性设计在建筑规范。病例2和3,凡不确定性中等或不好确认,但其特点,工程师使用或可靠性,基于风险的通知设计。

当与应对气候变化,重要的是要认识到这是不可能的定义风险模型的先验概率分布。场景建模,它可以被用来进行敏感性分析和地址的变化,有条件的集成了概率如下信息的不确定性。由于地震需求的空间变异,地面运动的随机相位,土壤因地制宜,民用基础设施的性能水平(可从脆弱性曲线作为用于改变水平危险条件概率)衡量。场景建模有助于设计了气候变化,但可能不足。

强大的决策

强大的决策(RDM)在哪里可以解决的情况下是深不确定性确认,但无论是特点几乎不能或不可能的的特征。它提供了一个分析框架以鉴定策略,可以执行在宽范围内表征的差不确定性。反过来,RDM策略可以提供,同时结合概率信息进行分析的一些场景的基础。

能识别框架RDM这将是不敏感的战略,以在将来的气候模型投影深深的不确定性相关的漏洞。但是,它可能不会产生成本效益的解决方案。

适应性风险管理

当不确定性是无法识别的,或者是不可能完全定义和估计风险和潜在成本的一个项目,以减少在行动的时间框架应采取的不确定性,自适应设计工程师使用时应或风险管理。这些都是有效的最多4和5,可以使用的情况下,尽管他们在其他国家。威尔比和Dessai(2010)提出了所谓的一个可靠的框架 适应性管理 气候风险,这涉及到监测环境和安装措施的性能系统评估。该方法要求清点这被合成为随后的办法一个子集,当前的气候制度下降低脆弱性较佳的适应战略。应该能够在各种场景表现良好,无论气候变化和条件所产生的策略。

在OM,适应性风险管理的技术,提供了手段加强项目的弹性,以未来的气候和极端天气。设计方法而不是基于极端事件的概率网站站长,工程师应该寻求其他办法,在各种可能的条件,包括那些尚未确定做得很好。这种方法允许的高性价比战略的发展做出了一个项目,未来的气候和极端天气事件更有弹性的包括增强弹性或改编,而不是后来加装的一些初始水平。

地震工程研究使用性能为基础的设计,这意味着系统被设计在性能在9月份水平的标准通常规定来操作。专注于设计保证功能性,耐用性,以及系统在适当的平均复发周期的安全性。

适应性管理扩展性能化设计的概念风险占预计的气候变化的影响,从风险增加。作为危害特性得到改善,例如海平面最新预测,将-reexamined气候风险和使用项目管理的内置功能,作为促成该系统在成本效益方面的变化。

建立弹性的基础设施的政策选择

它不只是工程师的斗争,使声音随着气候等不确定因素的脸是如何决定的。也正是在政府和两个私营部门政策和决策者。至少有三种方式,以确保基础设施建设步伐,保持政策的指导与气候变化不断升级的风险:规划未来的风险,系统性思维和绿色基础设施的主流。

规划未来的风险

风险来自气候变化减缓未来,就必须开始规划他们。两种方法来事先规划的做法是屏幕项目气候承受能力和/或要求,他们有弹性的建筑规范和标准的规定。莫非国会要求,任何资金都联邦投资于基础设施项目之前,该项目受到资助机构进行筛选,以确定气候影响弹性及其合理预计在项目生命周期,包括那些可能影响操作和维护。如果筛查显示该项目将无法承受预期风险,联邦政府需要在设计变更应保证弹性或拒绝提供资金。

同样,对于被称为行政命令11988-,卡特总统于1977年签署的气候影响风险地区限制发展的资金,确实在投资漫滩,可以增加弹性。[1]

以确保基础设施的设计和建设充分考虑未来的气候条件下,联邦政府需要也可以被某些标准得到满足。联邦洪水风险管理标准(ffrms),由美国总统奥巴马(白宫2015年)建立的,而是由特朗普总统撤销,很有启发性。这指令所要求的资助联邦资金施工时或在或接近漫滩结构的大幅翻新,结构必须升高2-3英尺(或用最新的气候科学相一致的水平)。

鼓励基础设施的联邦投资能抵御未来极端气候事件,政府可以为元素设计灵活,如LOSSAN铁路走廊(图4)的结合提供奖励。如果该项目的设计充分为未来的影响账户,其以覆盖更多的联邦资金可以增加建筑的潜在弹性,例如由成本,扩大涵洞处理降水量的增加在可预见的未来预计的大小。

系统性思考

关于如何系统地思考基础结构构建是有弹性的,以风险的多个来源有助于降低政府的政策从气候变化风险。例如,热带风暴Allison在2001年之后,德克萨斯医疗中心(TMC),其中损失了25多年的研究数据,采取了激进措施减少未来的暴风雨面临的风险及其multiacre校园。除其他措施,TMC电气设备搬迁,实验室动物和实验,以较高的楼层。提升了医院的工作的敏感元件也减少了其他风险,如擅自篡改和窃取的威胁。

在政策结合,系统思考可以帮助确保基础设施是弹性的多种类型的危害。灾难发生后,政府需要某些类型的改进莫非使结构“建得更好”为用于恢复重建资金的条件。

绿色基础设施的主流

主流化的​​绿色基础设施政策可以帮助避免昂贵的灰色基础设施项目,有可能带来的好处不亚于后者。

当桑迪飓风在2012年袭击美国东海岸,它压倒许多基础设施服务,包括防洪,这证明不足以应付在若干情况下的风暴潮。然而,在整个美国东北部沿海湿地防喷额外的洪水损失估计为6.25亿$在飓风(纳拉扬等人去了。2016)。随着平均10%,并且在某些情况下,高达29%的无财产损害的湿地地区出现。

THUS宝贵的生态系统可以提供降低风险的服务,以及为小于或人类建造的基础设施更好的表现。应该把这个政策考虑,并充分利用绿色基础设施的好处。

结论

政策协调和工程实践之间必须实现具有成本效益的解决方案:如适应气候变化的基础设施。这种协调将取决于决策者,规划者和设计师的现行做法的改变。

引用

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[1]   - 管理//www.fema.gov/executive-order-11988-floodplain-

关于作者:比拉尔阿尤布,例如,是马里兰大学的技术中心和系统管理,土木与环境工程系,帕克学院的教授和主任。爱丽丝山是胡佛研究所,斯坦福大学的研究员。