新论文 | 气候变化下的混凝土基础设施风险评估

全球气候正在以前所未有的速度发生变化，表现为CO2浓度、温度、相对湿度、降水、海平面等气候变量的变化。气候变化以直接或间接的方式，对土木基础设施的性能和使用寿命产生了不利影响。例如，气候变化导致灾害的强度、频率和空间分布发生变化，如飓风、洪水和海啸，最终导致基础设施所遭受的荷载增加。此外，由于大气中CO2浓度、温度和相对湿度的变化，混凝土结构耐久性也正加速恶化。依赖于历史气候条件或静态过程假设的土木基础设施设计规范及安全评估方法将不再适用于快速变化的气候。

应对气候变化影响的主要挑战来自于气候的不确定性，可分为：(1) 与不同温室气体排放情景有关的情景不确定性；(2) 不同气候模型在预测未来气候变量（如温度、降水和风）时产生的模型不确定性；(3) 源于气候变化过程固有变异性的自然不确定性。这些不确定性贯穿基础设施的整个使用寿命，因此很难制定最佳规划或决策。尽管该问题已经引起了英国、美国、联合国等国家或机构的广泛关注，也取得了一些研究进展，但对气候变量及相关不确定性的量化，以及将气候变化的影响和相应的适应措施纳入基础设施的设计、建设和维护的研究仍然有限。

为了弥补这一差距，本文全面回顾了气候变化对土木基础设施风险评估影响的相关研究。考虑到土木基础设施中最广泛使用的是混凝土结构，本文重点为气候变化下混凝土基础设施退化和风险评估的研究进展（见图1）。

全球范围内，气温、降水模式、海平面、相对湿度和氯化物含量的变化对各类基础设施产生深远影响。对于使用寿命通常在30至200年的混凝土结构来说，随着气候的长期变化，其面临的风险也将不断增加。因此，在设计、维护和管理的各个阶段，都必须充分考虑这些气候变量。表1详细列出了6个与混凝土基础设施性能密切相关的气候变量。

考在考虑未来气候变量的不确定性时，如何合理纳入未知的CO2排放情景、不同的气候变化预测模型以及气候的自然变异性，成为了一项重大挑战。为此，IPCC（政府间气候变化专门委员会）在第六次评估报告（AR6）中列出了一组涵盖从非常高到非常低的温室气体和CO2排放情景，供参考至2050年。这些情景旨在为气候变量及其不确定性的量化提供依据。值得注意的是，IPCC在此前的第五次评估报告（AR5）中提出的代表性浓度路径（RCP）已被广泛应用，包括严重减缓排放的情景（RCP 2.6）、两种中等排放情景（RCP 4.5和RCP 6.0）以及高排放情景（RCP 8.5）。由于篇幅所限，本文不再对这些情景展开详细讨论。

表2列出了气候变量变化对混凝土基础设施产生重大影响的途径与案例。许多研究表明：气候不确定性对基础设施风险评估的影响因地区和基础设施类型而异。然而，大多数研究仅限于定性讨论，没有对特定地区气候情景下的基础设施风险进行定量评估。

气候变量的变化将引发与土木基础设施相关的灾害荷载波动，如风、雪、洪水以及海平面上升等（详见表3）。这些变化通常表现为极端荷载的频率或强度增加，进而提升相关灾害的风险。此外，由于气候变化对灾害发展趋势的影响难以精准预测，因此在进行基础设施的风险评估时，必须将灾害的不确定性纳入考量，以确保评估结果的可靠性和全面性。

混凝土基础设施的可靠性不仅受到外部荷载变化的影响，还与结构抗力的变化密切相关。因此，在评估气候变化对混凝土基础设施的影响时，必须同时考虑外部荷载和结构抗力的双重作用。实际上，诸如CO2浓度、温度和相对湿度等气候变量的变化，会显著加速结构抗力的劣化过程，进一步削弱结构的长期性能和耐久性。

如上述，必须采用基于风险的混凝土基础设施评估和管理方法，以合理考虑气候有关不确定性。近年来，研究人员开始关注考虑气候变化的混凝土基础设施风险评估，特别是在以下方面：气候多灾害情景；基于机器学习的气候灾害和风险预测；时变气候灾害和风险预测；时变易损性、损失和风险评估。

考虑气候变化的混凝土基础设施风险评估一般包括以下三方面：（1）确定当前和未来气候情景下的灾害并描述其特征；（2）确定暴露程度并评估易损性；（3）量化相应的损失。表达式如下：

式中， P(H_i) 为特定灾害 H_i 的发生概率； P(D|H_i) 为给定灾害强度下的结构破坏概率；C(D) 为结构破坏造成的损失。在气候变化情景下，  P(H_i) 受到与气候相关灾害的频率、强度和分布变化的影响，P(D|H_i) 受到气候变化导致的结构抗性下降的影响。

在实际情况中，灾害可能在时间和空间上呈现出同时、连锁或累积的发生模式，形成复杂的多灾害情景。可以预见的是，随着气候变化加剧，多灾害事件将在未来变得更加频繁和常见，显著增加基础设施的潜在风险。沿海地区尤为脆弱，面临着多种气候相关灾害的叠加效应，如海啸、飓风、海平面上升、海岸侵蚀和盐水腐蚀等，这些灾害的共同作用对当地基础设施构成巨大威胁。

根据历史记录，多灾害事件不胜枚举，通常可划分为以下三类： (1) 同时发生但相互独立的灾害（如地震与飓风或强风）；(2) 触发型灾害（如地震引发的海啸）；(3) 不同时发生但可能威胁同一结构的灾害（如洪水与地震）。尽管研究人员对多灾害的概念和分析方法进行了大量研究，但涉及气候变化如何影响多灾害情景的工作较为有限。在少数文献中，气候变化有时被视为多灾害情景中的一个重要因素进行研究，但这一领域仍需更深入的探讨和发展。

气候变化引发的基础设施风险可以通过在设计和运营阶段采取适应措施进行有效缓解，如表5所示。Buhl和Markolf（2023年）在回顾了应对气候变化的基础设施规划、设计及决策执行方面的进展后，强调了气候适应策略应贯穿基础设施生命周期的各个阶段。然而，气候适应是一个复杂的决策过程，需要综合考虑气候变量及其相关的不确定性。这不仅包括与气候相关的灾害分析，还涉及结构退化的模拟和全面的风险评估，以确保适应措施的有效性和可持续性。

气候变化对混凝土基础设施的安全性和性能产生了显著影响，近年来，土木工程领域对该影响的量化研究逐渐关注。文献表明，气候不确定性显著增加了基础设施设计与维护的复杂性。气温和降水模式的变化可能引发灾害（如飓风、海啸、极端降雪）频率和强度的上升，进而加速基础设施退化，降低其安全性。通过风险评估对气候不确定性进行量化，可以为制定气候适应性策略提供重要参考。多灾害效应在气候变化背景下需得到全面考虑，以避免重大损失，并推动相应适应政策的制定和实施。

气候变化对混凝土基础设施灾害风险评估带来了三大挑战：

（1）气候不确定性的考量。气候变化的不确定性源于不同碳排放情景、气候模型差异及自然变异性。尽管IPCC提供了若干排放情景，但这些情景无法涵盖所有可能的未来变化。不同的大气环流模型因其假设的差异而产生不同的预测结果，因此减少全球气候模型的不确定性并对其进行量化是关键任务。

（2）气候特征参数的选择。不同类型的灾害模型对气候参数有不同的需求。极端事件（如飓风、洪水）需要关注气候参数的极端值，而长期变化（如海平面上升）则更加依赖于均值，因此如何为不同灾害选择合适的气候参数是另一大挑战。

（3）多灾害相关性的量化。气候变量的变化会影响不同灾害间存在关联性。例如，海平面上升会增加洪水的风险，而更频繁的极端降水可能与泥石流的发生密切相关。目前，许多模型仅考虑单一灾害，忽视了多灾害间的相互影响，因此量化多灾害的相关性将是气候风险评估中的重要任务。