如何实现绿色发展，谁会从中受益？为跨区域洪水风险管理进行协调的绿色基础设施规划

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：Where to go green and who benefits? Coordinated green infrastructure planning for cross-regional flood risk management

跨区域洪水风险管理与绿色基础设施协同规划研究揭示流域异质性与管理绩效的耦合效应，通过SCS-MIKE11模型模拟与模拟退火算法优化，证实离散型生态网络配置可兼顾地形与水文连通性，优先优化区域边界FRMP能实现流域级风险均衡。

　　全球气候变化和快速城市化正在加剧世界各地的洪水风险，尤其是在跨区域流域中，由于各地区的管辖权往往独立实施防洪措施，这种风险尤为显著。尽管灰色基础设施（如堤坝、排水系统等）被广泛用于应对这些增加的风险，但其分散的应用方式通常会将灾害转移到相邻区域，并对生态环境造成负面影响。相比之下，绿色基础设施（GI）作为一种自然与半自然区域的互联网络，提供了一种基于自然的解决方案，然而地形、土壤、土地利用和水文连通性的差异使得制定通用的GI规划指南变得复杂。因此，本研究旨在解决两个关键问题：（1）一个区域的洪水风险管理绩效（FRMP）变化如何影响相邻区域？（2）如何根据流域的异质性来定制GI规划？我们以中国长江三角洲生态绿色一体化示范区内的三个相邻区域为研究对象，利用SCS-MIKE11水文-水动力模型模拟洪水过程，通过模拟退火算法优化GI空间布局，并采用TOPSIS方法选择能够平衡各区域FRMP的配置方案。研究结果表明：（1）区域间FRMP存在显著的相关性，其中中游与上游和下游呈负相关（<0.001）；（2）分散的GI空间布局更能适应流域的异质性；（3）在配置GI时优先考虑区域边界处的FRMP有助于降低整个流域的洪水风险；（4）分配正义和综合的土地与水资源管理对于应对跨区域洪水挑战至关重要。本研究揭示了区域间FRMP的耦合关系，并开创了一种响应流域异质性的GI优化方法，为跨区域洪水风险管理的协调GI规划提供了新的决策支持工具。

近年来，全球气候变化和快速城市化导致洪水的频率和强度不断增加，给人类的安全和财产带来了严重威胁。这些风险在跨区域流域中尤为突出，特别是在跨境流域中，涉及超过28亿人口（约占全球人口的42%），每年产生约22,000立方公里的河流径流量（占全球河流径流量的50%以上）。由于河流的自然连通性，同一流域内的各个管辖区域共享共同的河岸命运。然而，当各区域采取孤立的防洪策略时，往往忽视了对其他区域的影响，甚至可能加剧区域间的冲突。因此，洪水风险管理已经演变为一项复杂的挑战，需要跨区域的协调合作。

然而，跨区域的洪水风险管理协调仍然不足。目前，超过20个国家缺乏正式的协调机制，仅有8个国家在2020年至2023年间加强了跨境合作。因此，洪水风险管理仍然依赖传统的灰色基础设施，如水坝、堤防和排水系统，以快速收集和输送径流，实现局部保护。然而，这些孤立的策略往往会加剧相邻区域的洪水风险，并未能有效降低整个流域的洪水风险。例如，在越南湄公河流域的水力模拟显示，上游高堤防的建设在2011年洪水事件期间使下游的峰值水位上升了9-13厘米。同样，在萨斯奎哈纳河流域的研究表明，位于堤防保护范围之外的区域经历了100年洪水淹没范围扩大约25%，某些下游区域甚至面临洪水深度增加高达2米的情况。尽管这些案例研究量化了洪水干预在区域间的具体影响，但它们仅限于特定事件和本地情境的分析，缺乏一种适用于不同流域条件的通用框架，以预测区域间洪水风险的关系。显然，缺乏明确的区域间洪水风险关系，阻碍了不同区域利益相关者的证据基础谈判。现有知识的有限可转移性也使得在多样化的流域系统中制定能够平衡区域利益的协调策略变得困难。因此，为了提供可转移且基于证据的协调策略，本研究提出了一个关键的研究问题：一个区域的洪水风险管理绩效（FRMP）变化如何影响相邻区域？

除了转移洪水风险，灰色基础设施策略还会对生态环境产生重大影响，包括沉积物枯竭、水质恶化和生物多样性丧失，尤其是上游的干预对下游区域的影响尤为明显。在沃尔塔河流域的研究表明，阿科松博水坝的建设使下游区域的沉积物通量减少了90%以上，从而降低了营养物质含量并导致水质恶化。同样，堤防会干扰河流与泛滥平原之间的水、沉积物和生物的交换，大幅减少下游区域的生物多样性和生态系统生产力。这些生态后果凸显了采用基于自然的洪水风险管理解决方案的迫切需求，同时也揭示了协调跨区域干预的挑战。

基于自然的解决方案，特别是绿色基础设施（GI），在解决洪水风险转移和生态退化方面具有独特优势。GI指的是一个经过战略规划的自然和半自然空间网络（如湿地和森林），利用自然过程来管理洪水风险，同时提供更广泛的生态系统服务。作为一种互联网络，GI可以在管辖权之外减轻洪水峰值，改善水质，并在流域尺度上维持栖息地的连通性。实证研究表明了这些效果：在米兰的都市流域中，GI面积扩大25%后，洪水相关的损失减少了一半，并且洪水暴露的人口减少了40%。除了洪水缓解，GI还能增强污染物过滤能力，并提供连续的栖息地，从而增强流域范围内的生物多样性。因此，将多功能GI与传统灰色基础设施相结合，已成为一种可持续且协调的跨区域洪水风险管理策略。

然而，要实现GI的全部潜力，需要一种能够明确考虑流域异质性的空间规划方法。这种异质性源于地形、土壤、土地利用和水文连通性的差异，使得制定通用的GI规划指南变得困难。因此，目前针对特定情境的研究得出了不同的建议。对于地形变化显著的流域，建议在河流走廊沿线布置GI，以调节径流；而对于平坦的流域，下游区域则被认为是更适宜布置GI的地方，以最大化渗透能力。此外，当考虑土壤质地和土地利用分布时，分散的GI配置比集中布局在洪水风险管理效果上更为优越。总体而言，这些发现突显了流域异质性对GI FRMP的关键影响。这又提出了另一个关键的研究问题：如何通过GI空间布局的优化有效应对流域异质性？

因此，为了解决这两个关键研究问题，本研究开发了一个用于协调GI规划的决策框架，该框架明确考虑了区域间洪水风险的相互作用以及流域的异质性。我们聚焦于中国长江三角洲生态绿色一体化示范区，该区域涵盖三个行政区域：青浦（上海）、吴江（江苏）和嘉兴（浙江）。在这一示范区中，广泛存在的圩田系统（即配备水闸和水泵的堤防低地）显著改变了水文连通性，提高了堤防区域内的局部排水能力，但也加剧了洪水风险，并在相邻区域之间引发了更严重的洪水管理冲突。

为了填补这一研究空白，我们首先利用SCS-MIKE11水文-水动力模型的输出进行相关性分析，以量化一个区域的FRMP改善如何影响相邻区域。分析结果表明，缺乏协调的干预措施可能会削弱其他区域的效益，从而凸显了区域间协调的重要性。随后，我们根据流域的异质性对GI空间布局进行定制化优化，采用模拟退火算法（SA）进行优化，并采用技术评估法（TOPSIS）进行多标准决策分析，展示了以边界为中心的分散布局在平衡FRMP方面比无协调或统一布局更为有效。最后，我们将这些见解综合成一个可复制的决策框架，以指导规划者在不同流域系统中实施适应性且协调的GI规划，从而实现洪水风险管理的优化。

在方法部分，如图1所示，本研究提出的协调GI规划决策框架包含四个相互关联的步骤。该过程首先通过调整土地利用和土地覆盖（LULC）生成随机的GI空间布局，遵循地方领土规划所定义的面积限制。这些布局随后通过SCS-MIKE11水文-水动力耦合模型进行评估，以分析其对洪水峰值的削减效果。通过模拟退火算法，我们能够探索多种可能的GI布局方案，并在优化过程中调整其位置和密度，以达到最佳的洪水管理效果。同时，我们采用TOPSIS方法对不同布局方案进行综合评估，以衡量其在不同区域间的FRMP平衡能力。通过这一过程，我们不仅能够优化GI的布局，还能确保其在不同区域间的协调性和有效性。

在候选解决方案和优化结果部分，我们的研究结果，如补充材料图S4所示，展示了模拟退火算法的有效性。在某一候选方案的迭代过程中，算法初始峰值水位为3.182米。在优化的早期阶段，较高的算法温度允许接受次优解，这导致了峰值水位的显著波动，有时甚至超过3.2米。随着温度的降低，算法逐渐稳定，并最终找到能够有效平衡FRMP的布局方案。通过这种优化过程，我们能够识别出哪些GI布局在不同区域间具有最佳的洪水管理效果，并根据流域的异质性调整其空间分布。例如，在某些区域，增加GI的密度可以有效降低峰值水位，而在其他区域，优化布局可能需要将GI分散在更广泛的区域，以适应不同的地形和土地利用条件。

在GI空间布局优化应对流域异质性的部分，优化GI空间布局一直是洪水风险管理研究的核心。尽管许多研究试图制定适用于不同尺度的通用规划规则，但它们通常得出不同的结论。流域尺度的研究表明，流域异质性，即地形、土壤、土地利用和水文连通性的变化，可能是导致这些不同结论的主要原因。尽管存在这种变化，我们仍然能够通过优化GI的空间布局，找到适用于不同区域的解决方案。例如，在某些区域，将GI集中在河流沿线可以有效减少洪水峰值，而在其他区域，分散的布局可能更适合，以适应不同的地形和土地利用条件。通过这种优化方法，我们能够实现GI在不同区域间的协调，并提高其在洪水风险管理中的整体效果。

在结论部分，本研究提出了一种用于协调GI规划的创新决策框架，不仅提升了流域的FRMP，还在区域间实现了利益的公平分配。以长江三角洲生态绿色一体化示范区为案例，我们的研究为决策者和规划者提供了有价值的见解和实用的工具。研究结果表明，将区域边界处的FRMP作为优化目标是关键。通过这种方式，我们能够确保GI的布局不仅符合当地的地理和生态条件，还能在区域间实现协调，从而有效降低整个流域的洪水风险。此外，我们还强调了分配正义和综合的土地与水资源管理在应对跨区域洪水挑战中的重要性。这些发现为未来跨区域洪水风险管理提供了新的思路和方法，有助于推动更加可持续和协调的GI规划实践。

本研究通过模拟退火算法和TOPSIS方法，探索了不同GI布局方案对洪水管理绩效的影响。结果表明，分散的布局方案在适应流域异质性方面更具优势。通过这种方式，我们不仅能够优化GI的空间分布，还能确保其在不同区域间的协调性，从而有效降低整个流域的洪水风险。此外，研究还揭示了区域间FRMP的耦合关系，为跨区域洪水风险管理提供了新的理论支持。通过这些方法，我们能够为决策者提供科学依据，以制定更加有效的洪水管理策略。

在研究过程中，我们采用了多种方法和技术，以确保研究的全面性和准确性。首先，我们利用SCS-MIKE11水文-水动力模型模拟洪水过程，以分析不同GI布局方案对洪水峰值的影响。其次，我们采用模拟退火算法进行优化，以探索不同的GI配置方案，并找到最优解。最后，我们采用TOPSIS方法进行多标准决策分析，以衡量不同布局方案在不同区域间的FRMP平衡能力。通过这些方法，我们能够系统地评估GI布局方案的有效性，并为决策者提供科学依据，以制定更加合理的洪水管理策略。

本研究的成果不仅适用于长江三角洲生态绿色一体化示范区，还具有更广泛的适用性。通过分析区域间FRMP的耦合关系，我们能够识别出哪些区域间的洪水管理策略最为有效，并为其他类似流域提供参考。此外，研究还强调了分配正义和综合的土地与水资源管理在应对跨区域洪水挑战中的重要性。通过这种方式，我们能够确保洪水管理策略不仅在技术上可行，还能在社会和生态层面实现公平和可持续性。

本研究的创新之处在于，它首次提出了一个能够同时考虑区域间洪水风险互动和流域异质性的决策框架。这一框架不仅有助于优化GI的空间布局，还能为决策者提供科学依据，以制定更加协调和有效的洪水管理策略。通过这种方式，我们能够实现GI在不同区域间的平衡，并确保其在洪水风险管理中的整体效果。此外，本研究还强调了在不同流域系统中制定协调策略的重要性，以应对日益加剧的洪水风险。

总之，本研究通过系统分析和多方法应用，揭示了区域间FRMP的耦合关系，并提出了一个能够有效应对流域异质性的GI优化方法。这一方法不仅适用于长江三角洲生态绿色一体化示范区，还具有更广泛的适用性，为其他类似流域提供了重要的参考。通过这种方式，我们能够为决策者提供科学依据，以制定更加协调和有效的洪水管理策略，从而实现可持续的流域治理。