群岛城市复合洪水多受体暴露评估：跨尺度水动力模拟与机器学习空间化方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：Multi-Receptor Exposure to Compound Flooding in an Archipelagic City: Cross-Scale Hydrodynamic Modeling and Machine-Learning-Based Spatialization

　　

在全球气候变化和快速城市化的背景下，岛屿城市因其破碎的地形和有限的陆域空间，面临日益增长的复合洪水风险，然而针对群岛环境的跨尺度建模和高分辨率暴露评估仍然不足。本研究以中国舟山市为案例，开发了一个结合跨尺度水动力模拟与高分辨率空间化的复合洪水多受体暴露评估综合框架。在灾害评估方面，采用参数化台风模型、FVCOM和LISFLOOD-FP的单向顺序耦合，模拟了50年、200年和1000年设计水平下的风暴潮洪水、暴雨洪水和复合洪水。利用潮位站观测、历史风暴潮记录、遥感历史淹没范围和有记载的城市内涝点对模型性能进行了评估。在暴露评估方面，采用基于随机森林（Random Forest）的dasymetric制图方法生成了30 m分辨率的人口和第二、三产业GDP数据集；第一产业GDP采用基于土地覆盖的方法进行空间化，并编制了涵盖八个子系统的3314个关键基础设施设施数据库。结果表明：（1）在50年、200年和1000年设计情景下，复合洪水淹没面积分别为289.95 km2、424.93 km2和513.31 km2；（2）在1000年复合情景下，57.5%的人口、51.3%的GDP和63.3%的关键基础设施处于暴露状态；（3）基础设施暴露表现出显著的子系统异质性，其中沿海设施的暴露率最高（76%），应急救援设施达到65.3%；（4）分部门GDP暴露揭示了各区县之间显著的经济地理差异，凸显了差异化适应策略的必要性。所提出的框架提供了空间显式信息以支持差异化的沿海适应规划，并可推广至其他面临类似数据约束的群岛和小岛屿城市。

论文解读

一、研究背景与问题

全球人口和经济活动高度集中于沿海地区，叠加海平面上升和气候变化下热带气旋的预计增强，使得沿海洪水风险成为区域可持续发展的核心威胁。截至2020年，全球约11%的人口（约8.96亿人）居住于海拔10 m以下的低海拔沿海区域。IPCC第六次评估报告进一步指出，在全球平均海平面上升0.15 m的情况下，百年一遇沿海洪水的潜在暴露人口将增加约20%；若海平面上升0.75 m，该比例将翻倍。在中国东南沿海，台风登陆期间的风暴潮与极端降雨常同步发生，产生复合洪水，其淹没范围和社会影响可显著超过单一致灾因子单独作用的情形，对现有基于单一驱动因素设计的防洪体系构成严峻挑战。

岛屿城市在这一风险格局中处于独特脆弱地位：高岸线-陆域面积比、破碎的岛屿地形、短促的水文响应路径和有限的陆域空间，可加剧海洋与陆地洪水的相互作用，使淹没影响大比例的可居住土地。然而，现有洪水灾害模拟和暴露评估框架仍以大陆沿海城市、三角洲和河口应用为主，其在破碎岛屿环境中的应用受到独特地形条件和可靠高分辨率输入及验证数据稀缺的制约。就洪水灾害模拟而言，方法已从简化的静态或"浴缸"式淹没方法演进至基于过程的流体动力学模型，再到能够表征大气、海洋、水文和陆地过程相互作用的耦合建模框架。但现有复合洪水耦合研究主要集中于大型三角洲、河口和大陆沿海平原，针对群岛环境特有挑战的研究仍然有限：高度曲折岸线的自动化网格生成、多个岛屿子流域与短径流路径的整合、以及海洋与陆地监测数据双重稀缺下的空间分布式验证，均制约了跨尺度模型在破碎岛屿环境中的可靠性。

在暴露评估方面，以行政单元汇总的人口普查和经济统计数据存在空间聚合偏差，可能掩盖人口和经济活动在单元内部的显著异质性。这一问题在岛屿环境中尤为突出，因为人口、经济活动和关键基础设施往往集中于狭窄的低洼沿海区域。将高分辨率洪水模拟与粗粒度暴露数据叠加，可能导致显著的空间错配并扭曲暴露人口和资产的估算。此外，现有洪水暴露评估多侧重于人口和总体经济资产，而对关键基础设施的系统性关注相对不足；分部门经济活动在综合洪水暴露框架中的代表性也较为欠缺。

上述方法挑战在舟山这类岛屿城市中尤为突出。舟山群岛由2085个岛屿组成，常住人口约116万，人口、产业和城市资产高度集中于有限的沿海陆域。作为宁波-舟山港口体系的重要组成部分，该区域还承载密集的港口、工业和交通活动，进一步加剧了沿海暴露资产的集中度。然而，已有研究大多分别考察风暴潮和降雨诱发洪水，其跨多个破碎岛屿的跨尺度相互作用，以及人口、分部门GDP和关键基础设施的高分辨率暴露评估，仍未得到充分研究。为此，本研究以舟山为案例，构建并应用了一套面向群岛城市的复合洪水多受体暴露评估综合框架。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员开发了一套结合跨尺度水动力模拟与高分辨率空间化的复合洪水多受体暴露评估框架，以舟山市为案例开展实证研究。研究采用的主要关键技术方法包括：

第一，构建了参数化台风模型（Takahashi-Fujita模型）、FVCOM（有限体积海洋模型）和LISFLOOD-FP（二维陆域淹没模型）的单向顺序耦合建模链，实现风暴潮、暴雨和复合洪水的跨尺度模拟。其中，FVCOM采用非结构化三角网格，计算域包含90139个节点和174715个单元，近岸分辨率最高达约50 m；LISFLOOD-FP采用局部惯性浅水方程，在30 m网格上运行，FVCOM模拟的逐时沿海水位作为动态边界条件传递给陆域模型。同时，利用建筑足迹、道路网络和海堤信息对30 m FABDEM地形进行了重建。

第二，采用基于随机森林回归与dasymetric制图相结合的方法，生成30 m分辨率的人口和二三产业GDP空间化数据集。人口模型基于浙江省1359个乡镇级行政单元的人口统计数据，预测变量包括高德POI核密度、珞珈一号夜间灯光、ESA WorldCover建成区、OpenStreetMap道路信息、Sentinel-2 NDVI以及FABDEM衍生高程和坡度。GDP₂和GDP₃模型基于长三角304个县级行政单元的分部门GDP统计数据，采用与部门活动特征相适应的预测变量组合。第一产业GDP则采用基于ESA WorldCover 2020土地覆盖的面积加权方法进行空间分配。

第三，编制了涵盖八个子系统的3314个关键基础设施设施空间数据库，数据来源包括舟山市公共数据开放平台、高德POI、WRI全球电厂数据库、Baker Institute中国能源与基础设施地图、OpenCellID及地方水资源数据库。

第四，通过将30 m受体数据集与各洪水情景的最大淹没图进行空间叠加，量化人口、分部门GDP和关键基础设施的暴露量及暴露率，以0.15 m水深作为暴露筛选阈值。

三、研究结果

（1）洪水淹没特征。 跨尺度耦合模型的模拟结果显示，三种洪水类型的淹没面积均随重现期增加而持续增大，复合洪水在每个设计水平下均产生最大的淹没面积。风暴潮淹没面积从50年情景的180.45 km²（占模拟陆域面积的12.93%）增至200年情景的328.85 km²（23.57%）和1000年情景的451.05 km²（32.33%）。暴雨淹没面积相应从138.35 km²（9.92%）增至248.52 km²（17.81%）和351.42 km²（25.19%）。复合洪水淹没面积分别为289.95 km²（20.78%）、424.93 km²（30.46%）和513.31 km²（36.79%）。空间分布上，风暴潮淹没主要集中于沿海低地并沿低海拔河流廊道向内陆扩展；暴雨淹没呈现更为分散的空间格局，主要分布于城市边缘山麓地带、谷地和低洼城区；复合洪水则兼具两者的空间特征。在1000年复合情景下，定海区绝对淹没面积最大（199.70 km²），而岱山县的相对淹没比例最高（40.50%）。

（2）暴露受体的空间分布。 30 m高分辨率受体数据集揭示了舟山行政单元内部显著的空间异质性。人口高度集中于沿海低地和城市化区域，定海区昌国和城东街道最高密度达约每30 m×30 m网格26人。GDP₁广泛分布于内陆山区、欠发达沿海区域和水产养殖水体；GDP₂集中于发达和工业化区域，特别是舟山本岛东南沿海低地、盐仓-环南区域、白泉镇和岱山高亭镇；GDP₃则集中于城市和商业中心。关键基础设施的3314个设施分布于八个子系统，其空间分布因功能类别而异。

（3）人口暴露。 人口暴露随重现期增加而持续上升，复合洪水情景下最高。50年暴雨情景下暴露人口最低，为220047人（占19.01%）；50年复合情景下增至350475人（30.27%）。1000年复合情景下暴露人口达666055人（57.53%），为九种情景中最高。分区县看，普陀区在风暴潮情景下人口暴露率最高（最高设计水平下约55%），定海区在暴雨和复合洪水情景下最高（分别约47%和63%），嵊泗县始终最低。

（4）分部门GDP暴露。 GDP暴露随重现期增加而持续上升，复合洪水情景下最高。1000年复合情景下暴露GDP达775.09亿元（占51.31%）。分区县和分部门看，普陀区GDP₁暴露最高（9.45亿元），岱山县GDP₂暴露最高（141.57亿元），定海区GDP₃暴露最高（195.62亿元）。定海区在1000年复合情景下的总GDP暴露率达约56%，其中GDP₁约42%、GDP₂约59%、GDP₃约55%。

（5）关键基础设施暴露。 关键基础设施暴露随重现期增加而持续上升，复合洪水情景下最高。1000年复合情景下暴露设施达2097个（占63.28%）。子系统间差异显著：通信设施绝对暴露数量最高（1000年复合情景下655个），沿海设施在风暴潮和复合情景下暴露率最高（1000年情景下分别约74%和76%），水利和水务设施在暴雨情景下暴露率最高（1000年情景下约56%），应急救援设施暴露率达65.3%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，研究结果揭示了风暴潮、暴雨和复合洪水在淹没规模和空间分布上的明显差异，这与以往关于沿海城市中沿海水位和降雨可产生不同洪水格局的研究一致。复合洪水在每个设计水平下均产生最大淹没面积，支持了多种洪水驱动因素相互作用可增加沿海洪水空间范围和严重程度的结论。在群岛形态下，破碎岛屿、绵长岸线和短促排水路径缩小了海洋与陆地洪水过程的空间分离，增加了两种洪水路径空间相互作用的可能性。

多受体暴露评估的同步比较表明，不同维度的社会经济活动可同时暴露于同一极端洪水情景，但总体百分比无法揭示暴露受体间的空间和功能差异。分部门GDP评估不仅识别暴露的经济活动数量，还识别暴露的经济活动类型，为差异化经济暴露评估提供了比总体GDP指标更丰富的信息基础。关键基础设施的不同子系统具有不同的空间分布、服务功能和相互依赖性，需进行受体特异性分析。暴露本身不应直接解释为损害、经济损失或服务失效，实际后果还取决于脆弱性、洪水强度、防护水平、冗余度和网络相互依赖性。

研究结论部分指出：本研究通过结合跨尺度水动力模拟与高分辨率社会经济和基础设施空间化，开发了群岛城市复合洪水灾害模拟和多受体暴露评估的综合框架。以中国舟山为案例，在50年、200年和1000年设计水平下评估了风暴潮、暴雨和复合洪水，以及人口、分部门GDP和关键基础设施的高分辨率暴露。主要发现包括：（1）跨尺度建模框架为舟山群岛的风暴潮、暴雨和复合洪水提供了一致的表征，复合洪水淹没面积在50年、200年和1000年设计情景下分别为289.95、424.93和513.31 km²，均大于相应设计水平下各单一洪水情景；（2）多源地理空间数据能够在数据受限的群岛环境中实现多个暴露受体的高分辨率表征，人口模型交叉验证R²为0.957，GDP₂和GDP₃模型分别为0.832和0.939；（3）跨洪水情景和受体类型的比较揭示了暴露的显著异质性：1000年复合情景下57.5%的人口、51.3%的GDP和63.3%的关键基础设施位于淹没区内，关键基础设施暴露在子系统间差异显著，分部门GDP揭示了定海、普陀、岱山和嵊泗之间不同的经济暴露特征。所提出的框架可推广至其他群岛和小岛屿城市，未来研究应进一步纳入统计推导的复合事件概率、动态人口分布、基础设施网络相互依赖性和本地校准的脆弱性关系，以从暴露评估推进至全面的复合洪水风险和韧性分析。