通过先进的水动力建模和数字技术对湖泊附近的文化遗产遗址进行洪水风险评估

《Results in Engineering》：Flood risk assessment of cultural heritage sites near lakes via advanced hydrodynamic modeling and digital technologies

文化遗产洪水风险评估需高分辨率建模。本文以波兰Smuszewo湖畔遗址为例，融合LIDAR与无人机数据构建10米网格地形及湖泊水深模型，采用HEC-RAS二维Rain-on-Grid方法模拟1-50年设计 storms及0-1.5米 lake阶段上升，揭示湖体几何对峰值流量影响达55倍（1年重现期），而50年重现期差异缩小。研究显示即使 lake阶段抬升1.5米，遗址仍保有1米以上自由板，无表面淹没风险，但浅层（<25厘米）木质结构因周期性湿化将加速生物降解。建议采用多尺度物理模型与数字孪生技术，优先获取湖体高程数据，并建立长期监测体系应对微生物侵蚀等隐性风险。

　　### 湖泊与文化遗产的洪水风险评估：一个综合的高分辨率模型框架

洪水是一种全球范围内极具破坏力的自然灾害，它不仅影响自然生态系统，也对文化遗产构成严重威胁。近年来，随着气候变化和人类活动的加剧，许多位于湖泊或河流附近的考古遗址面临更高的洪水风险。本文通过在波兰Smuszewo湖畔的考古遗址进行研究，展示了如何利用高分辨率、基于物理的建模方法来评估这些复杂地形环境中的洪水风险。该研究不仅揭示了湖泊与洪水的互动机制，还强调了湖泊地形在洪水模拟中的关键作用，并为未来文化遗产的洪水风险管理提供了新的思路。

#### 研究背景与重要性

在欧洲，洪水不仅由河流极端水位引起，湖泊和水库的水位变化同样可以引发严重的洪水灾害。近年来，欧洲的洪水事件频率和强度显著增加，尤其是湖泊水位的波动和降水事件的增强，对文化遗产的保护提出了新的挑战。湖泊由于其较大的储水能力，通常能够减缓洪水对周边地区的冲击，但当水位被错误地设定时，模型可能会产生误导性的洪水风险预测。此外，文化遗产的木质结构对水位变化非常敏感，尤其是在经历了从厌氧到好氧环境转变后，容易受到生物降解和化学变化的影响。因此，研究湖泊地形对洪水模拟的影响，对于准确评估文化遗产的洪水风险至关重要。

#### 研究目标与方法

本研究的主要目标是开发并应用一个高分辨率、基于物理的洪水建模框架，以评估湖泊边界的考古遗址所面临的洪水风险。研究采用HEC-RAS 2D Rain-on-Grid（RoG）模型，结合LiDAR和无人机摄影测量技术获取的高精度地形数据，以及数字化的湖泊水深模型，模拟了不同设计暴雨事件下的洪水动态和遗址淹没情况。通过三种情景分析，研究探讨了不同地形数据对洪水预测的影响，包括模型校准、显式水深与未显式水深的对比，以及水位上升到临界点时的淹没风险。

#### 模型构建与校准

为了构建高精度的洪水模型，研究团队获取了Czeszewo湖及其流域的1米分辨率数字高程模型（DTM）和数字表面模型（DSM）。这些数据来源于波兰的Geoportal，并通过QGIS软件进行下载和处理。为了进一步提高模型的精度，研究还进行了无人机航拍，获取了湖床的水深数据，并通过插值和矢量化处理，构建了高精度的数字湖床模型。这些数据被整合到HEC-RAS模型中，以模拟洪水在复杂地形下的传播路径。

模型校准基于2024年7月10日至14日的一场五天暴雨事件，该事件对湖面水位变化具有显著影响。研究团队使用了Janwlkp气象站的10分钟降雨数据，作为模型的输入。通过比较模型预测的水位变化与实际观测数据，研究团队调整了模型参数，以确保模拟结果的准确性。模型校准后的水位预测误差范围较小，RMSE约为0.06米，MAE约为0.055米，表明模型能够有效地模拟湖泊的水位变化。

#### 情景分析与结果

研究团队进行了三种情景分析，以评估不同模型配置对洪水预测的影响。第一种情景是模型校准，使用五天暴雨事件的降雨数据和实际水位变化进行校准。第二种情景是湖泊地形的对比分析，分别使用了包含显式水深的地形模型和未包含水深的地形模型。第三种情景是模拟水位上升对洪水风险的影响，研究团队逐步提高了初始水位，以评估在不同水位条件下洪水对遗址的威胁程度。

结果表明，使用未包含水深的地形模型会低估频繁暴雨事件的峰值流量，最高可达55倍。这是因为平地模型在模拟时会将雨水和地表径流储存在虚假的蓄水层中，而实际的水深模型能够更准确地模拟洪水的传播路径和水位变化。然而，对于高频率的暴雨事件（如50年一遇的暴雨），水深模型与未包含水深的模型之间的差异逐渐减小，因为湖泊在极端事件下会达到饱和状态，从而减缓洪水的传播速度。

在最极端的情况下，即使水位上升了1.5米，遗址仍然保留了超过1米的自由板（freeboard），表明湖泊的储水能力在洪水风险管理中起到了关键作用。研究团队还通过模拟不同水位上升条件下的洪水传播，揭示了水位变化对遗址淹没深度和范围的影响。结果显示，即使在最极端的水位条件下，洪水对遗址的威胁仍然有限，主要表现为对木质结构的缓慢侵蚀。

#### 水深模型的重要性

水深模型在洪水模拟中的作用不可忽视。它不仅能够准确反映湖泊的储水能力，还能模拟洪水在不同地形条件下的传播路径。在Smuszewo遗址的模拟中，显式水深模型能够更精确地预测洪水的峰值流量和淹没范围，而未包含水深的模型则可能低估洪水的严重性。这种差异在频繁暴雨事件中尤为明显，而在极端事件中则逐渐减小。因此，研究团队建议在文化遗产的洪水风险评估中，必须使用包含水深信息的高精度地形模型，以确保洪水预测的准确性。

#### 水位变化对遗址的影响

研究还分析了水位变化对遗址的长期影响。通过模拟不同水位上升条件下的洪水传播，研究团队发现，即使在水位上升1.5米的情况下，遗址仍然能够保持较高的自由板，表明湖泊的储水能力在洪水风险管理中具有重要意义。然而，水位变化也会对遗址的木质结构产生影响，尤其是在水位接近地下水位的浅层区域，容易引发微生物的侵袭和木材的快速降解。因此，文化遗产的保护不仅需要关注洪水的直接威胁，还需要考虑水位变化对木质结构的间接影响。

#### 研究的创新性与应用价值

本研究的创新性在于首次系统评估了湖泊地形在RoG模型中的作用，并结合高精度地形数据和水深模型，提出了一个适用于文化遗产洪水风险评估的建模框架。该框架不仅能够准确模拟洪水的传播路径和水位变化，还能够评估不同水位条件下的淹没风险。此外，研究还强调了多尺度、高分辨率地形数据在洪水模拟中的重要性，为未来的数字孪生（digital twin）技术和云模拟（cloud-based simulations）在文化遗产管理中的应用提供了理论支持。

#### 结论与未来展望

综上所述，本研究展示了高分辨率、基于物理的洪水建模方法在文化遗产保护中的重要性。通过结合LiDAR和无人机摄影测量技术，研究团队构建了一个能够准确模拟湖泊与洪水相互作用的模型，并揭示了水深模型在洪水预测中的关键作用。研究结果表明，即使在极端水位条件下，Smuszewo遗址仍然具有较高的洪水抵御能力，主要得益于湖泊的储水能力和自然地形的保护作用。然而，研究也指出，未来需要进一步研究湖泊水位变化对木质结构的长期影响，并开发更精细的洪水风险评估方法，以应对气候变化带来的挑战。此外，研究还强调了多情景敏感性分析在文化遗产管理中的应用价值，为未来的洪水风险评估和管理策略提供了重要的参考依据。