风险-生态系统指标框架用于评估废弃城郊河道中基于自然的洪水缓解措施

《Environmental and Sustainability Indicators》：A Risk–Ecosystem Indicator Framework for Assessing Nature-Based Flood Mitigation in Abandoned Peri-Urban River Channels

　　

本研究开发并应用了一个面向指标的评估框架，以评估一种基于自然的恢复策略，该策略将废弃的城郊河道转化为多功能湿地，用于洪水风险缓解和环境绩效提升。研究人员采用结合了二维水动力模拟和基于可靠性的风险评估的综合方法，量化极端降雨情景下洪水概率和预期经济损失的变化。同时，利用土地利用变化模拟和生态系统服务建模推导环境绩效指标，重点关注碳储存和栖息地质量。结果表明，所提出的湿地显著降低了淹没概率及相关洪水损害。在不确定性分析下，碳储存平均增加6%，上限改善可达28%，而栖息地适宜性得以维持，无明显退化。通过将水文风险与生态系统服务指标整合在统一的分析框架内，本研究展示了废弃河道修复如何同时增强韧性和生态绩效。所提出的方法论为面临水文危险的城郊环境提供了一种可迁移的、支持可持续土地和水资源管理的决策支持工具。

本研究针对城郊废弃河道转化为多功能湿地的基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）评估，开发了一个整合水文与生态指标的风险-生态系统指标框架。研究背景方面，传统灰色基础设施在应对日益加剧的城市化与气候变化引发的复合环境风险时存在局限，而湿地等NbS虽被广泛认可，但其绩效定量评估仍缺乏统一标准。现有研究多依赖确定性水文模拟，忽略输入参数的不确定性，且对碳储存、栖息地质量等协同效益的评估常采用静态参数，难以支撑风险知情决策。为弥补这一缺口，研究人员以台湾黄河流域废弃河道为案例，开展了两部分研究：洪水风险缓解评估和环境协同效益评估。通过将水动力模拟与可靠性分析及风险损失估算相结合，并将土地利用模拟与贝叶斯更新及生态系统服务模型耦合，该框架实现了不确定性下的系统性评价。论文发表在《Environmental and Sustainability Indicators》。研究结论表明，所提出的湿地设计可大幅降低淹没概率与预期经济损失，同时提升碳储存（平均增加6%，上限达28%），且栖息地质量仅轻微下降（0.1%），显著提升了城郊地区的韧性与生态绩效，为可持续土地和水资源管理提供了可迁移的决策支持工具。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）二维水动力模型HEC-RAS 2D，用于模拟黄河流域50年及2年重现期洪水情景下的淹没范围；2）自适应克里金（Adaptive Kriging）可靠性分析方法（AK-PSO-HHs），通过引入粒子群优化（PSO）和空心超球空间（HHs）减少计算成本，将输出转换为等效安全因子；3）基于风险的损害评估方法（EAD），结合可靠性分析得出的失效概率与二维模拟的淹没范围，量化不同重现期下的农业、住宅等损失；4）CA–Markov土地利用变化模拟模型，用于预测未来土地利用/覆盖（2025–2041年），并生成适宜性图（基于人口、距水域、海域及道路距离等因子）；5）生态系统服务工具InVEST，结合贝叶斯更新获取的碳储存系数（来自文献及台湾本地数据）计算碳储存量，并评估栖息地质量。数据来源包括台湾国家土地测量与制图中心（NLSC）2017、2019、2021年高分辨率土地利用数据（精度≥90%）及政府开放数据平台20米分辨率数字高程模型（DEM），研究区域为黄河流域废弃河道（约0.235平方公里）。

研究结果：
4.1 废弃河床湿地设计的二维水流模拟：通过对比基线情景与湿地设计情景的HEC-RAS 2D模拟结果发现，在50年重现期洪水下，淹没总面积减少约45,481 m2（9.86%），其中深度大于2米的区域减少，低于2米的区域略有增加，归因于湿地滞洪效应；在2年重现期洪水下，所有深度等级中淹没面积均减少，总减幅约6,700 m2（3.95%）。这表明湿地设计有效降低了不同重现期洪水下的淹没范围。
4.2 可靠性与基于风险的损害评估：采用自适应克里金（AK-PSO-HHs）进行可靠性分析，并通过与AK-MCS、REIF等方法对比验证了其准确性（失效概率估计与MCS高度一致，且函数评估次数显著降低）。案例研究定义了下游渔港（G1）和上游农田（G2）两个极限状态函数（允许淹没深度0.5米）。基线情景下，下游G1失效概率>50%，安全因子<1；湿地设计后，下游失效概率降至3.00%（安全因子1.37），系统级失效概率降至5.30%（安全因子1.32）。基于可靠性分析计算预期年损失（EAD）发现，湿地设计提升了约75.00%的洪灾损失削减率。
4.3 环境协同效益评估：CA–Markov模型经Kappa系数（>0.9，接近完美一致性）验证后，预测了2025–2041年土地利用变化。预计森林面积增加（受防风林政策影响），农业用地先增后减。通过InVEST模型结合贝叶斯更新的碳储存参数计算发现，与基线预测相比，2025年湿地设计情景的平均碳储存增加6%，95%置信区间上限增加28%。栖息地质量评估显示，湿地设计导致平均栖息地适宜性微降0.1%，主要因现有威胁源（灰色基础设施、裸地）的持续影响，但整体保持稳定。

讨论部分（讨论与局限）：本研究通过整合水文风险与生态指标，提出了一个改进的评估框架。主要贡献在于将概率可靠性分析与动态生态系统评估结合，克服了传统确定性方法的不足。湿地设计在减少洪灾损失（约75%）和增加碳储存（6%）的同时，仅产生0.1%的栖息地质量下降，表明存在轻微但可接受的权衡。但存在若干局限：水动力模拟仅基于有限设计洪水情景，未考虑复合洪涝过程；可靠性分析未涵盖土地利用政策变化、湿地功能维护等长期不确定性；栖息地评估受现有威胁源影响，改善有限。未来需纳入长期沉积、植被演替及更多社会经济情景。

研究结论部分翻译：本研究开发了一个风险-生态系统指标框架用于评估废弃城郊河道中基于自然的洪水缓解。黄河流域案例表明，重新连接废弃河道并转化为多功能湿地能够在维持或提升生态绩效的同时减少洪水暴露。主要贡献在于将不确定性、失效概率、预期损害、碳储存和栖息地质量整合到单一决策支持结构中，使NbS绩效评估超越确定性淹没结果，为比较修复与洪水缓解方案提供更清晰的基础。该框架具有可转移性，模块化结构允许根据当地数据与管理需求纳入不同模型、指标和数据集，从而支持面临类似挑战地区的决策，包括洪水风险降低、土地利用压力、生态退化及多功能水管理策略需求。从政策与规划视角看，结果强调了将基于可靠性的风险评估纳入NbS规划的重要性。该框架有助于决策者确定修复措施是否提供可量化的风险削减效益并产生环境协同效益，同时支持修复场地优先排序、工程与基于自然的替代方案比较，以及城郊流域适应性洪水风险管理策略的制定。总体而言，本研究证明废弃城郊河道不应仅被视为退化或未利用空间，而应视为用于综合洪水缓解与生态系统增强的潜在资产。所提出的风险-生态系统指标框架为促进NbS实施、增强城郊韧性以及推进可持续土地和水资源管理提供了实用的决策支持工具。