全球洪水建模中的堤防模块开发：基于河段参数化方法的创新研究

这篇研究通过开发CaMa-Flood洪水模型中的简化堤防模块（仅需堤防未保护比例和等效堤高两个参数），提出基于公开土地利用和堤防标准数据的河段级参数化方法，显著提升了全球洪水模拟精度。验证表明：堤防识别准确率达82.1%，水动力模拟Nash-Sutcliffe效率从0.68提升至0.84，洪水灾害制图精度从0.76增至0.87，为数据稀缺区域的防洪决策提供了新工具。

　　

摘要

堤防（levee）作为防洪关键基础设施，当前全球洪水模型因数据缺失和机制复杂难以准确表征。研究开发了集成堤防模块的CaMa-Flood模型，仅需堤防未保护比例（levfrc）和等效堤高（levhgt）两个参数，通过河段级参数化方法实现全球尺度应用。

1 引言

全球90%的洪水损失发生在堤防保护区域，但现有模型如JBA、FATHOM等仅通过后处理简化表征堤防作用。研究突破在于：1）利用决策树模型（DT）识别保护河段（HR达82.1%）；2）基于土地用途距离（ldudst）推算levfrc（NSE>0.83）；3）通过洪水频率分析将堤防标准转化为levhgt。

2 材料与方法

2.1 研究区域与数据

覆盖90°N-60°S的流域>500 km²河流，采用MERIT Hydro 90 m水文数据和Sentinel-2 10 m土地利用数据。

2.2 保护河段识别

构建包含单位流域面积（A_unit）、城市/农田面积、GDP等特征的DT模型，后处理确保河网连续性。

2.3 堤防参数估计

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  levfrc：通过正交搜索算法计算堤距（levdst），验证显示ldudst比河宽相关性更高（PCC>0.97）

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  levhgt：采用迭代法将FLOPROS堤防标准转化为等效高度，3次迭代后收敛（RMSE<0.05 m）

2.4 模型开发

CaMa-Flood v4.05新增四种水存储-水位关系场景（图4），通过局部惯性方程计算河-漫滩流量。

3 结果

3.1 参数估计

全球识别44,822个保护河段，北纬45°（欧美中）和东经100-120°（中国）密度最高。levfrc均值0.04，95%河段<0.08（图7）。

3.2 模型验证

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  水动力：密西西比河8个河段验证显示，WSL模拟NSE从0.68升至0.84（表3）

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  灾害制图：美国5个案例ACC提升11%，FBI从1.83降至0.56；长江、恒河等8个国际区域ACC达0.94（图13）

4 讨论

假设单一堤防系统的局限性可能低估自然堤坝区域的洪水风险。与USNLD记录的堤高相比，等效levhgt存在167.2%偏差，反映模型基准差异。未来需整合ICESat-2等遥感数据提升精度。

5 结论

研究首次实现：1）基于公开数据的全球堤防参数化；2）堤防模块使水动力模拟NSE提升23.5%；3）建立土地用途距离与堤距的定量关系。成果为《全球洪水风险报告》等国际评估提供新方法学支撑。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推断；专业术语如NSE、HR等均保留英文缩写；数学符号如A_unit等按原文格式呈现）