世纪尺度人类土地转型重塑热带流域洪水灾害风险

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Century-scale human land transformation reshapes flood hazards in a tropical catchment

　　

世纪尺度城市化系统性地加剧了洪水淹没风险（flood inundation hazards）。历史土地利用重建使近100年间的洪水对比成为可能。城市扩张增大了洪峰流量（peak discharge）、径流量（runoff volume）和淹没深度（inundation depth）。洪水易发区（flood-prone areas）向上游及支流流域扩展。研究结果为基于自然（nature-positive）与可持续的城市洪水管理策略提供了科学依据。

世纪尺度城市化重塑热带流域洪水风险的机制与启示——基于Masai River流域1926—2024年土地利用重建与水文模拟的论文解读

人类对地表系统的改造已成为人类世最具标志性的过程之一，其中城市化是最广泛、最迅速的土地利用变化形式。全球城市人口从1950年的约7.46亿增至2014年的39亿，城市土地持续扩张，预计到2050年全球66%的人口将居住于城市地区。城市扩张以不透水面替代透水地表，减少入渗与蒸散发、增强水文连通性、改变天然排水系统，从而提高地表径流、放大洪水洪峰、加速洪水传播，并最终增加洪水频率与量级。然而，已有的长期水文效应研究大多仅比较两期土地利用或二至五十年的观测记录，很少从早期未开发状态出发，追踪近一个世纪的城市化累积水文效应；同时，土地利用变化与气候变率同步发生，现有方法难以将城市化效应从降雨变化中分离。热带地区因历史土地利用信息与长序列水文观测稀缺，这类问题尤为突出。马来西亚半岛南部的Masai River流域正经历快速城市化与频发洪涝灾害，是开展该类研究的典型实验场。本研究旨在回答：在百年尺度上，持续的城市化如何独立于气候变率影响洪水径流与淹没？其框架对数据稀缺热带流域是否具备可转移性？

研究选择马来西亚柔佛州的Masai River流域为对象，该流域面积26 km2，主河道长约7 km。研究人员利用1926年日本帝国陆军陆地测量部1:50,000历史地形图、2002年马来西亚国家测绘总监出版1:25,000地形图（图幅175b和175d）、2018年柔佛州灌溉与排水部土地利用数据及2024年Google Earth高分辨率卫星影像，重建了1926、2002、2018、2024四个时期的土地利用条件并统一为七类。研究专用水文观测于2024年7月至2025年12月在五个河段站点开展，使用压力式水位计（Onset U20-001-01）与轨迹相机（Voopeak TC02）获取水位和表面流速，建立各站点水位-流量关系。模型采用降雨-径流-淹没（RRI）二维分布式水文模型，空间分辨率30 m×30 m，以2024年11月14日洪水事件率定，Nash-Sutcliffe效率系数为0.97，并以三个独立洪水事件进行验证（NSE=0.75—0.88）。基于IDF曲线设计了50年与100年一遇、历时1、3、24小时的六种设计降雨情景，对四个土地利用时期施加相同降雨驱动，从而将洪水径流与淹没的变化归因于土地利用变化而非气候变异。统计检验采用Kruskal-Wallis检验与Dunn事后检验，并进行了单参数敏感性分析。

3.1 世纪尺度土地利用转型
1926年流域以橡胶种植园为主，湿地沿下游河道约占10%；到2002年种植园降至约20%，草地和不透水面合计约30%；至2024年不透水面约占流域总面积40%。土地利用转移分析表明，原有种植园与下游湿地主要转为城市用地和开发空地，部分废弃种植园经植被恢复转为森林或草地。

3.2 模型性能
以最大实测洪水事件率定后的模拟与观测流量过程高度一致（NSE=0.97），三个独立验证事件的NSE为0.75—0.88，且模拟淹没位置与实地观测的洪泛位置相符，表明RRI模型能较好再现该热带城市流域的降雨-径流-淹没过程。

3.3 城市化放大洪水径流
相对1926年，2002年总径流量增幅为3.0%—46.0%，2018年为4.8%—52.8%，2024年为5.5%—54.4%；洪峰流量增幅分别为3.4%—33.0%、5.4%—38.5%和6.0%—39.6%。增幅随降雨历时缩短而增大，且50年一遇情景的增幅普遍高于100年一遇情景，表明城市化对短历时极端降雨的洪水响应放大效应最强。

3.4 短历时降雨产生最大淹没
在2024年土地利用条件下，1小时和3小时设计降雨产生的最大淹没深度明显大于24小时情景；3小时100年一遇情景（Case 5）的最大淹没深度最大，被用于详细时空分析。2002年以后土地利用条件使淹没在雨洪开始后约30分钟即出现，多处60分钟内超过0.25 m，而1926年条件下淹没出现时间推迟至约70分钟。

3.5 淹没深度世纪增加
全流域淹没网格的最大淹没深度从1926年的1.24 m增至2002年的1.26 m、2018年的1.35 m和2024年的1.40 m。统计检验表明除2018与2024年之间外，其余各时期之间淹没深度差异显著，说明淹没强度随城市化进程呈累积上升趋势。

3.6 洪水风险向支流和新城区扩展
空间对比显示，2002年淹没增幅集中于干流中下游；至2018和2024年，随着城市发展扩展到支流和上游地区，淹没增幅区也随之向支流和上游扩展，表明城市化改变了洪灾的空间位置与范围，而非仅增大洪水量值。

3.7 淹没区土地利用组成变化
0.1—0.5 m浅淹没网格在2002年、2018年和2024年以城市用地为主，且城市浅淹没网格数量随开发进程增加；大于0.5 m的深淹没在2002年以空地为主，之后空地比例下降、草地和城市用地比例上升，至2024年草地占比最大而城市深淹没面积也持续增加。

3.8 参数敏感性
敏感性分析显示，山坡曼宁糙率系数（n_Slope）变化使洪峰流量比为0.67—1.12、淹没面积比为0.95—1.02；饱和水力传导度（k_v）变化使洪峰比为0.80—1.07、淹没面积比为0.79—1.13；土层厚度影响相对有限。洪峰对山坡糙率最敏感，淹没范围对饱和水力传导度最敏感，但研究主要结论对参数不确定具有稳健性。

讨论部分指出，百年尺度的城市化在热带流域留下了持续性水文遗产，当前洪水风险不能仅从当代土地利用来理解，而要纳入长期土地利用轨迹的累积效应。城市化不仅强化了洪水幅值，还重构了洪水风险的空间组织，将暴露度引向支流与新兴上游城区。研究建议采取空间差异化的适应策略：在经常遭受深淹没的开放草地与空地，优先实施湿地恢复、蓄滞洪区、间歇性堤防等自然为本解决方案（NbS）；在浅淹没城市区域，推广雨水花园、透水铺装、下渗设施等低影响开发（LID）措施。该归因框架可转移至其他快速城市化的热带流域，有助于从地球系统科学视角理解人类地表改造对陆地水系统的长期影响。

研究结论可概括为：城市化使洪峰流量增加3.4%—39.6%，径流总量增加3.0%—54.4%，并显著加剧了洪水淹没；洪水风险空间分布从历史上易淹的下游区域向支流与上游新建城区扩展。长期人类土地改造留下了持续的水文遗产，在世纪尺度上继续影响洪水行为。研究所建立的归因框架可推广至历史和观测资料均有限的其他快速城市化热带流域，为将历史土地利用轨迹纳入洪水风险评估、支撑更具韧性的流域管理和适应持续城市化与全球环境变化提供了科学基础。