研究背景

洪水是塑造地表過程的一種自然營力，而近年來洪泛區内城市建成區的擴張以及人口增長導緻了洪水暴露度增加，緻使洪水緻災問題愈發嚴峻。林佩蓉課題組近期在探究洪泛區内城市建成區的擴張模式時，注意到堤防保護的洪泛區内城市建成區分布更為密集（圖1），而這一現象與堤防效應（leveeeffect）直接關聯。

圖1 堤防保護的洪泛區及其周邊遙感影像

（黃色線條為堤防，淡藍色陰影為堤防保護的洪泛區，從左至右區域分别為Larksville, PA; Louisville, KY; Chico, CA; Albuquerque, NM）

什麼是堤防效應？——堤防建設的兩面性

堤防效應主要是指堤防等工程設施的建設在減少洪水災害發生（hazard）的同時，往往會伴随對災害風險防範意識的下降，從而導緻洪泛區内的社會經濟活動加劇（圖2），增加洪災暴露度（exposure）。與此同時，堤防建設會帶來虛假的安全感并模糊人們對洪泛區物理邊界的認知，因此當小概率、高影響的極端洪水事件發生時會由于災害風險意識不足和高脆弱性（vulnerability）導緻更嚴重的洪災經濟損失和人員傷亡。

然而，洪泛區城市建成區的擴張模式與堤防建設之間的相互關系缺乏客觀的定量分析，而它構成了評價人水關系的重要基礎。本研究試圖通過定義一個堤防效應指數，量化出堤防效應下洪泛區城市建成區擴張的時空分布格局，為應對氣象水文災害新常态與實現城市可持續發展提供科學決策依據。

圖2 堤防效應下洪泛區内的城市建成區擴張示意圖

構建定量分析研究框架

堤防效應下洪泛區城市建成區擴張模式的定量分析是一個較有挑戰性的問題：一方面，由于空間覆蓋範圍廣且屬性要素齊全的堤防地理信息數據庫較為匮乏，可用于支撐宏觀尺度時空定量分析的數據較少；另一方面，影響洪泛區城市建成區擴張的因素間關系錯綜複雜，缺乏一種定量判别方法來研究堤防效應下的洪泛區城市建成區擴張模式。

本研究基于合成分析（Composite Analysis）和時間/空間控制變量方法，結合美國堤防數據集（National Levee Database, NLD）提供的千餘個堤防要素數據集（NLD）和美國國家地質調查局（USGS）提供的近70年年尺度土地覆蓋變化數據，分别提取了千餘組堤防保護洪泛區内及相應行政單元内的城市建成區增長曲線。研究結果表明，在堤防建設10年内，堤防保護的洪泛區内建成區擴張速率平均上升了62%，而相應郡級行政單元内建成區擴張速率僅上升了29%，這揭示了人們由于堤防的保護作用而對洪泛區内的災害風險認知下降，并更傾向于在洪泛區内發展（圖3）。

圖3 堤防保護的洪泛區内和對應行政單元内城市建成區擴張時間序列的合成分析結果

基于上述結果，研究小組進一步通過時間/空間控制變量方法定義了堤防效應指數，以此來量化堤防建設與城市建成區擴張模式之間的關聯。通過對行政單元和自然流域單元進行合成分析，發現在曆史上缺乏強大人口增長動力且受到洪水災害影響顯著的地區（如密西西比河、密蘇裡河、弗羅裡達等地區）呈現正效應，即堤防建設後保護區内建成區擴張速率的加速快于相應行政單元擴張速率的增加。人們需要增強對這些正效應區域洪災剩餘風險（residual risk）的認知。

進一步針對堤防建造年份進行合成分析，發現正效應主要集中在70年代前，而在70年代之後開始逐漸減弱并反轉，這個變化與美國洪水保險計劃項目（NFIP）相關。1968年開始的NFIP項目和之後實施的強制性保險措施，使得人們對災害風險的認知加強并遠離洪泛區進行土地開發，這表明了非結構性防洪措施與結構性防洪措施相互作用，共同影響了洪泛區的城市建成區發展模式（圖4）。

圖4 堤防效應指數的時間動态變化。三角形表示主要洪泛區管理政策的年份。

相關讨論

本研究通過對堤防效應下洪泛區城市建成區擴張模式進行定量分析，發現了伴随堤防建設以及風險意識下降的洪泛區城市建成區加快擴張的現象，并揭示了非結構性防洪措施在洪泛區可持續發展管理中的重要作用。研究呼籲各個地區開展客觀的定量分析，并根據自身氣候水文和社會經濟條件，因地制宜地制定和完善洪泛區管理策略，以實現更可持續的洪泛區管理。

以上成果以“Reversal of the levee effect towards sustainable floodplain management”為題于2023年8月21日在線發表在綜合性期刊Nature Sustainability上。beat365官方网站林佩蓉研究員為論文的通訊作者；beat365官方网站訪問學生、堪薩斯州立大學地理與地理空間科學系博士生Meng Ding（丁萌）為論文第一作者。本研究得到了可持續發展大數據國際研究中心CBAS青年科學家項目（CBAS2002ORP05）和beat365科研啟動經費（7100604136）的資助。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01202-9

Ding, M.^#,P. Lin^#,*, S. Gao, J. Wang, Z. Zeng, K. Zheng, X. Zhou, D. Yamazaki, Y. Gao, Y. Liu: Reversal of the levee effect towards sustainable floodplain management.Nat Sustain (2023), https://doi.org/10.1038/s41893-023-01202-9.