城市扩张还是城市风险？通过自然因素和空间决策模型的视角解开库马西的洪水悖论

《Journal of African Earth Sciences》：Urban Growth or Urban Risk? Unraveling the Flood Paradox in Kumasi through the Lens of Natural Factors and Spatial Decision Modeling

城市洪水脆弱性评估：基于AHP和OLS的阿西蒂姆区（Kumasi）研究显示，约98%城区存在中到高洪水风险，验证准确率达95%，Kappa系数0.91。主要预测因子包括地形高程（β=0.1324）、坡度（β=0.0707）、地形湿润指数（TWI，β=0.1062）及降雨强度（β=0.2033），同时城市扩张指标NDVI和LULC（β=0.0402/0.0201）亦具显著影响。研究强调需通过空间整合型城市治理，结合前瞻性土地规划、植被恢复和排水设施优化，应对快速城市化带来的防洪挑战。

　　随着全球城市化进程的加速，城市可持续发展面临着诸多挑战，其中洪水风险尤为突出。在这样的背景下，本研究以加纳的库马西市为案例，对城市洪水风险进行了评估和制图。研究采用分析层次过程（AHP）这一空间决策建模方法，深入探讨了自然和城市因素对洪水易发性的多样化影响。通过这一模型，研究发现库马西市大约98%的区域对洪水具有中度至高度的易发性。这一模型结果得到了验证评估的支持，整体准确率达到95%，Kappa系数为0.91，这强调了制定可操作的洪水管理策略和增强城市韧性规划的紧迫性。

在库马西市，自然地形变量，包括海拔（β = 0.1324，p < 0.001）、坡度（β = 0.0707，p < 0.001）、地形湿润指数（β = 0.1062，p < 0.001）、排水密度以及靠近河流和城市开发动态（归一化植被指数：β = 0.0402，p < 0.001，以及土地利用和土地覆盖：β = 0.0201，p < 0.046）是洪水易发性的主要预测因子。普通最小二乘法（OLS）多元线性回归模型揭示了自然变量和城市开发动态对洪水风险的正向贡献，表明它们在城市中对洪水风险的影响。因此，本研究呼吁向空间整合型城市治理模式转变，这一模式应基于积极的空间规划、以环境因素为导向的土地使用政策和响应水文的基础设施设计。

在城市发展中，土地利用变化对洪水风险的影响显著。快速的城市扩张往往伴随着植被和开放空间向建成区的转变，这导致了城市对洪水的易感性增加。这种转变不仅影响了水文过程，还对城市的排水系统和生态平衡造成了压力。同时，城市规划决策往往忽视了环境因素，导致了洪水易发区域的形成。然而，这些规划决策通常更关注经济和社会因素，而未充分考虑环境因素，这进一步加剧了洪水风险。

为了更全面地理解洪水易发性，本研究采用了多种空间决策支持模型，包括分析层次过程（AHP）、多标准决策方法和集成的水文-水力学模型，如SWMM–HEC-RAS-2D。这些模型能够有效模拟洪水动态，并为风险缓解策略提供指导。例如，Khatooni等人（2025）在伊朗城市展示了耦合建模系统在模拟洪水动态和指导风险缓解策略方面的应用。类似地，Pourghasemi等人（2012）和Hooshyaripor等人（2020）的研究表明，AHP在评估洪水脆弱性方面具有强大的鲁棒性，通过整合多种自然和人为因素。本研究采用AHP框架，并将其应用于库马西市的洪水风险评估，以提供一个科学的、基于因素权重的脆弱性模型。

从方法论的角度来看，AHP的优势在于其能够系统地对各个因素进行排序和加权，从而为决策提供依据。AHP方法通过一系列步骤，首先识别和选择多个标准，然后建立这些参数的层次结构，接下来通过主观赋值确定每个标准的相对重要性，最后通过综合评分确定优先级，从而对决策问题进行综合评估。这种方法在灾害管理领域被证明是一种强有力的工具，能够提供结构化和系统化的决策支持。

在本研究中，AHP方法的实施还涉及到专家小组的参与，包括研究人员、城市规划师和GIS分析师。他们通过多学科视角对库马西市的洪水易发性进行了评估，确保了决策过程的客观性和科学性。通过使用几何均值法对判断进行聚合，并计算一致性比率以确保逻辑一致性，这种方法在提升模型可靠性方面发挥了重要作用。研究结果表明，一致性比率（CR）低于10%（5.3%），因此一致性判断并未进一步确定。然而，CR的计算使用了Goepel（2018）提出的AHP模型，最终得出的CR值为0.053，表明一致性良好，符合Saaty（2003）推荐的CR < 0.1的标准。

本研究的发现强调了城市开发动态和自然因素在洪水易发性中的复杂相互作用。城市扩张往往导致自然地形的改变，从而加剧洪水风险。例如，库马西市的坡度和海拔分析显示，低坡度区域（0.0-5.1%）和低海拔区域（206-315米）对洪水易发性具有重要影响。这些区域由于排水能力差和水体积聚，成为洪水易发区域。相比之下，高坡度区域（9.5-35%）虽然有利于快速排水，但可能增加侵蚀和突发洪水的风险。这些自然地形因素与城市开发动态相互作用，形成了库马西市洪水易发性的复杂图景。

水文参数的分析同样揭示了洪水易发性的关键因素。研究关注了排水密度、地形湿润指数（TWI）和与河流的欧几里得距离。这些水文因素的分析提供了对城市水文动态如何影响洪水易发性的深入理解。结果表明，排水密度在库马西市的分布呈现出低、中、高三个层次，分别对应不同的洪水易发性水平。与河流的近距离则意味着更高的洪水易发性，特别是在降雨强度较大的情况下。这些水文因素与自然地形变量相互作用，进一步增加了城市对洪水的敏感性。

此外，降雨模式和强度也是洪水易发性的重要影响因素。研究展示了库马西市在2024年的降雨强度指数，该指数分为低、中、高三个层次。低降雨强度区域显示出一致的值，表明降雨强度在一年内相对稳定。中等和高强度区域则显示出均匀的值，分别为6.69 mm/h和6.77 mm/h。这些稳定的降雨强度模式与以往研究中提到的降雨强度作为洪水易发性指标的可靠性相一致。然而，不同区域之间的细微差异表明了洪水易发性的潜在变化。例如，高强度降雨区域可能对排水系统造成更大的压力，从而增加洪水风险。

城市开发动态对洪水易发性的空间表现也进行了深入分析。研究发现，城市化过程在库马西市的过去二十年中加速，导致城市用地比例从2003年的48.78%增加到2024年的82.55%。这一趋势表明，城市扩张已经显著改变了土地利用和覆盖模式，对城市洪水风险产生了深远的影响。城市扩张往往伴随着自然区域向建成区的转变，这减少了自然区域对雨水的吸收和过滤能力，进一步加剧了洪水风险。

道路基础设施的空间分布也是洪水建模中的关键因素。道路不仅影响径流分布，还通过形成障碍物和集中水流路径，增加了特定区域的洪水风险。研究中计算了道路密度，这一指标是洪水风险的重要决定因素。结果表明，研究区域的道路密度为21.19 km/km2，总道路基础设施长度约为5050.85 km。高密度的道路网络通常意味着高比例的不透水表面，这可能导致雨水径流增加，从而提高洪水风险。此外，库马西市的排水系统覆盖仅为总道路长度的3.30%，这一显著的不匹配凸显了排水基础设施与城市扩张之间的不足，进一步增加了洪水易发性。

在城市规划和政策方面，研究还探讨了洪水缓解的法规和政策。加纳的分区指南和规划标准旨在保护河流缓冲区免受城市侵占。这些法规将水体划分为不同的水文类别，每个类别都有特定的缓冲区设置。例如，市政水库的河岸保护缓冲区需要60-90米的后退距离，而主要的常年河流和溪流则需要10-60米的缓冲区。在本研究区域，次要的常年溪流需要10-15米的缓冲区。其他水道，如间歇性溪流和森林保护区内的溪流，需要10-20米和10-50米的缓冲区。此外，湿地需要从高水位线测量的30米缓冲区。然而，Biliyitorb Liwur等人（2023）批评了加纳缓冲区设置的不足，认为当前的后退距离不足以保护水体的自然水文缓冲区，包括湿地。因此，这些区域成为城市开发和垃圾倾倒的热点。类似地，Owusu-Ansah（2016）指出，水道内未经监管的垃圾倾倒和建设加剧了洪水事件。

在本研究中，为了评估水文缓冲区，我们使用了45米的后退距离，其中包括15米用于次要的常年溪流和30米用于湿地。研究假设所有溪流都有湿地沿其路径，因此应用了30米的缓冲区政策。水文缓冲区的空间图示显示，尽管有政策规定，但截至2024年，大部分划定的缓冲区已被城市开发侵占。这些缓冲区的使用率仅占城市总面积的0.42%（1.7 × 10?? km2），表明缓冲区设置未能有效阻止洪水风险。这一现象反映了城市规划和政策执行中的不足，特别是在非洲城市，城市扩张往往与生态敏感性区域发生冲突。

此外，本研究还探讨了自然因素与城市开发动态对洪水易发性的相对影响。通过OLS回归模型，研究发现自然变量和城市开发变量都对洪水易发性有显著影响，总体模型解释了约71%的洪水风险变化。自然变量，如降雨量（β = 0.2033，p < 0.001）和距离河流（β = 0.1914，p < 0.001），显示出最强的影响。这些结果与之前的研究相一致，强调了水文连接性和湿润度在洪水生成中的作用。然而，城市开发变量，如NDVI（β = 0.0402，p < 0.001）和土地利用/覆盖（LULC；β = 0.0201，p = 0.046），虽然对洪水易发性有影响，但其贡献相对较小。这表明，尽管自然因素是洪水易发性的基础，但城市开发动态，尤其是不控制的土地转化、缓冲区侵占和不足的雨水管理基础设施，是库马西市洪水的主要驱动因素。

研究结果进一步表明，库马西市的洪水易发性主要由城市开发动态决定，而非单纯的自然过程。这挑战了传统的将洪水视为自然灾难的叙述，而是强调了人为因素在洪水发生中的作用。例如，社会经济差异可能影响社区应对洪水的能力，从而加剧弱势群体的脆弱性。因此，研究强调了在城市规划中优先考虑洪水韧性的重要性，以及在制定规划决策时考虑城市开发对洪水易发性的影响的必要性。

本研究的发现支持了在库马西市进行空间整合型城市治理的迫切需求。这包括将洪水易发性分析纳入城市规划决策，以识别洪水易发区域，从而采取主动措施降低洪水风险。城市规划政策应修订以优先考虑洪水韧性，例如将洪水易发性分析整合到规划过程中，为洪水易发区域指定绿地或洪水缓解基础设施，并实施严格的建筑规范和分区法规以最小化洪水风险。此外，研究还指出，现有的法规未能有效阻止城市开发在洪水易发区域的扩张，这凸显了政策执行和治理改革的重要性。

在实践层面，城市规划者和从业者可以发挥关键作用，通过将洪水易发性分析纳入规划实践，减少洪水风险。规划者应利用GIS、遥感和统计建模技术来识别洪水易发区域，从而在土地利用、分区和基础设施开发方面做出决策。此外，规划者应优先考虑洪水韧性，通过在城市设计中整合绿地、公园和花园来吸收雨水，减少地表径流。洪水友好的设计原则，如高架建筑、抗洪建筑材料和防洪门窗，也应被纳入城市设计中。最后，规划者应考虑适应性规划策略，以应对洪水风险的不确定性和变化性。发展灵活和动态的规划框架将使城市能够应对变化的洪水风险，并优先考虑可持续性和韧性。

研究还指出了未来研究的方向和限制。首先，本研究的地理和时间尺度限制了其结果的普遍性。虽然研究集中在库马西市，但这些发现可能无法直接推广到其他具有不同环境、经济和社会条件的城市或地区。此外，本研究仅考虑了2003-2024年的时间段，这可能未能完全捕捉洪水易发性和脆弱性的变化趋势。未来的研究可以扩展时间分析，以考虑长期趋势和变化。此外，本研究未探讨社会和经济因素，如贫困、不平等和治理，对洪水易发性和脆弱性的影响。这些因素在确定洪水对社区的影响程度方面至关重要，应成为未来研究的重点。例如，社会经济差异可能影响社区对洪水的准备和恢复能力，从而加剧弱势群体的脆弱性。

本研究的结果表明，城市洪水风险的管理需要多维度的策略，包括空间整合型治理、前瞻性的空间规划、以环境因素为导向的土地使用政策和响应水文的基础设施设计。这些策略不仅有助于降低洪水风险，还能促进城市可持续发展。此外，研究还强调了在空间风险建模中整合本地洪水监测和事件记录的重要性，以提高模型的可靠性和细节。通过采用参与式GIS、基于社区的报告和本地水文数据，可以进一步提升洪水风险评估的准确性和适用性。

总之，本研究提供了关于库马西市洪水易发性和脆弱性的深入分析，强调了城市开发动态和自然因素在洪水风险中的复杂相互作用。研究结果对城市规划和管理具有重要意义，为制定有效的洪水缓解和适应策略提供了科学依据。同时，研究也指出了未来研究的方向，包括扩展时间分析、整合社会和经济因素以及应用更先进的模型，如机器学习或人工神经网络，以提高洪水易发性预测的准确性和解释力。这些研究将有助于发展更全面的洪水风险评估框架，从而为政策制定者和实践者提供关键信息，以减轻洪水对城市的影响并增强城市的韧性。