意大利南部卡拉布里亚高灾害与半干旱流域的水文响应分析：历史极端洪水与当前森林火灾相关事件

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Analysis of hydrological response in high-hazard and semi-arid catchments of southern Calabria, Italy: Historical extreme floods and current forest fires-related events

　　

**研究区域**
本研究聚焦于半干旱地中海环境，具体是意大利南部的卡拉布里亚地区。该区域由于自然和人为因素的共同影响，极易发生水文地质灾害。此处的阿斯普罗蒙特山体面临多灾害风险：它是2021年8月发生的大规模高强度野火影响最严重的地区之一，并且经常暴露于可能引发严重洪水的强降雨事件中。

**研究重点**
本研究量化了在频繁和极端降水（包括历史严重事件）情景下，森林火灾在流域尺度的水文效应。研究人员重建了一次过去的极端洪水事件，以校准和验证一个能够模拟火灾前后条件的水文模型。随后应用该模型评估了火灾前后峰值流量的变化。

**区域新水文见解**
结果表明，与预期相反，重现期较短的降雨事件导致流量增加百分比最大，这表明森林的保护作用倾向于随着重现期的增加而减弱。研究结果有助于增进对野火影响的认识，突出了森林在降低洪水峰值流量方面的有效性，尤其是在频繁降雨事件期间。

**论文解读：意大利南部卡拉布里亚高灾害与半干旱流域的水文响应分析**

**研究背景与问题**

地中海盆地被公认为全球气候变化的“热点”区域，其独特的自然（气候、形态成因、岩性、地貌）和人为（土地利用变化）因素组合，使其极易受到干扰。近几十年来，由于深刻而快速的社会经济和气候变化，整个地中海地区极端事件（如降水、山洪和森林火灾）的频率和强度显著增加，严重影响了自然生态系统和人类住区，造成了显著的环境退化并放大了水文地质灾害。当多个极端事件相继或同时发生时，其复合影响会被大大放大。其中，野火之后紧接着强降雨事件（后者通常发生在夏末至初冬）是最关键的多灾害组合之一，由于森林保护的快速丧失，这成为不稳定的主要原因。

森林火灾会移除山地植被覆盖，使土壤裸露，改变土壤结构，增加地表疏水性，导致流域水文响应发生剧变。后续的降雨事件常常会产生增强的径流和泥沙输送速率，其效应可比未燃烧流域观测值高出四个数量级，并在火灾后的头1-2年达到最大。然后，随着植被恢复，这些值趋于逐渐下降，而恢复到火灾前的水文条件通常需要3-5年，在严重退化的环境中可能需要数十年。这些级联过程不仅加剧了洪水和侵蚀灾害，也给易发生火灾的地中海环境中的土地和水资源管理带来了重大挑战。

位于意大利南部、地中海盆地中心的卡拉布里亚地区，历史上同时受到暴雨和广泛野火的影响，是一个典型的例子。自19世纪末以来，特别是20世纪下半叶，该地区记录了几次在强度（高达160 mm h^-1）和持续时间（24小时超过500 mm）方面均表现出非凡特征的降水事件。这些事件常常在地形陡峭、面积小（<100 km²）、水文响应迅速且输沙能力强的流域引发灾难性的山洪。山洪往往携带大量碎屑，迅速向下游、穿过山谷和城市化地区移动，形成强大的液-固混合体，摧毁定居点，造成人员伤亡，并迫使许多居民永久离开村庄。该地区历史上特别悲惨的是1953年10月的事件，造成了严重而广泛的破坏、数百人伤亡以及数千居民流离失所。在此事件期间，卡拉布里亚地区超过50%的面积遭受了异常强降雨袭击。

在认定山区缺乏足够的植被覆盖（当时正遭受不合理开发）是这些灾难的主要原因后，意大利政府颁布了第一部针对卡拉布里亚地区的“特别法”。通过这项特别法，启动了大规模的风险减缓工作，包括广泛的重新造林计划和河流工程控制工程。这些干预措施包括建造了超过10,000座拦沙坝、广泛的河道整治以调节急流、以及在大约150,000公顷的坡地上重新造林。随着时间的推移，主要由高密度针叶林组成的重新造林区发挥了其保护功能，在随后的几十年里显著减少了水文地质灾害现象。然而，部分由于这些树种的易燃性，通过重新造林取得的效益常常被周期性的森林火灾所破坏，这些火灾周期性地影响了先前重新造林的山区。最严重的事件之一发生在2021年，当时野火影响了阿斯普罗蒙特地区约15,000公顷的土地。可以推测，这一事件通过大面积移除森林覆盖，可能再次使该地区面临高的水文地质脆弱性，就像70年前一样。

事实上，在多个案例中，例如2017年7月和2022年8月在卡拉布里亚南部的希拉记录的事件，强降雨发生在森林火灾后仅几天，引发了山洪和碎屑流（包括岩石和原木），对住宅、商业和旅游区造成了严重破坏。尽管这些极端事件反复发生，但由于缺乏连续的水文测量记录，卡拉布里亚流域的水文特征描述仍然有限。因此，长期流量数据的缺失使得难以量化极端降雨下流域的水文响应，并难以估计随时间发生的变化（如土地利用变化、基础设施建设等）相关的事件重现概率。此外，缺乏直接观测也阻碍了有效减缓策略的规划，并凸显了需要间接方法来重建过去的流量事件并评估多灾害条件下的流量。

**研究目的与方法**

本研究旨在评估与森林火灾相关的“fiumare”（意大利南部特有的急流水道）的水文响应，并量化极端洪水事件（如近几十年来袭击卡拉布里亚地区的那些事件）在那些遭受高强度野火严重影响的流域再次发生的风险。为此，研究人员整合了多种方法，核心是构建并校准了一个基于SCS-CN（土壤保持局-曲线数）方法的水文模型，并应用该模型模拟了火灾前后不同降雨情景下的水文响应。

主要技术方法包括：1. **流域与案例选择**：选取了卡拉布里亚阿斯普罗蒙特山区的三个代表性流域（Amendolea, Melito, Valanidi）作为案例研究，这些流域具有典型的半干旱地中海流域特征，历史上遭受过灾难性洪水，并周期性受到森林火灾影响。2. **历史极端事件重建**：针对1953年发生在Valanidi流域的极端洪水事件，研究人员利用历史文献中的近似峰值流量数据，并采用**树轮水文学方法**作为间接验证手段。该方法通过分析洪水在树干上留下的痕迹（古水位指示物，PSIs），结合水力学的**回水推算法**和水文学的**推理公式法**，重建了更可靠的峰值流量范围（约410–435 m³ s^-1），用于后续模型校准。3. **水文模型构建与校准**：使用HEC-HMS软件，构建了基于SCS-CN方法的分布式水文模型。利用重建的1953年历史降雨序列和对应的验证后流量数据，对模型进行了校准和验证，获得了能够模拟该极端事件的可靠模型。4. **多情景模拟分析**：将校准后的模型应用于三个研究流域。通过改变土地利用条件（火灾前的CN_PRE和火灾后的CN_POST，基于Corine土地覆盖数据和火灾影响区域计算），并输入不同重现期（2年至200年）的设计降雨（基于区域雨量站数据通过**耿贝尔分布**和**频率风暴法**生成），模拟了火灾前后在各种降雨情景下的水文响应，重点分析了峰值流量的变化百分比。

**研究结果**

**1. 研究流域的形态特征**
三个研究流域普遍具有高排水密度（2.8至3.8 km^-1）和平均坡度（20–25%）等形态特征，证实了其对强气象事件快速响应的显著倾向。火灾后，所有流域和子流域的曲线数（CN）值均有所增加，增幅在3%至17%之间，其中Colella子流域（Amendolea流域内）的增幅最大（17%），对应的过火面积比例也最高（83%）。

**2. 通过树轮水文学方法验证历史流量估计值**
在Valanidi流域上游确定了六个稳定的河道断面，记录了32个古水位指示物（PSIs）。树轮学分析显示，其中8个PSIs是由1953年的极端洪水留下的。通过**回水推算法**和**推理公式法**估算的峰值流量范围在410.5至435.1 m³ s^-1之间，与历史文献中的估计值（Q_HIST ≈ 420 m³ s^-1）高度吻合，平均偏差为2.6%，从而验证并加强了历史流量估计的可靠性。

**3. 1953年10月流量建模（Q_MOD）**
使用1953年历史降雨（P_HIST）作为输入，校准后的模型模拟出的流量（Q_MOD）为419.4 m³/s，与历史数据一致。模拟显示，在植被覆盖条件下（CN_PRE），模拟流量（Q_PRE）比Q_MOD低约0.5%；而在火灾后无植被覆盖条件下（CN_POST），模拟流量（Q_POST）比Q_MOD高约0.5%。这表明对于此次重现期超过200年的极端降雨，植被覆盖对峰值流量的调节作用相对有限。

**4. 不同重现期降雨情景下所选流域水文响应的模拟**
模拟了不同重现期（2至200年）降雨下，火灾前后峰值流量的变化。结果显示，**所有流域的流量增加百分比均随着降雨重现期的增加而减少**。例如，在Amendolea流域，流量增幅从2年一遇降雨时的约19%下降到200年一遇时的约6%。在受火灾影响更严重的子流域（如Colella），这种趋势更为明显，增幅从2年一遇时的42%下降到200年一遇时的11%。研究还发现，流量增加百分比随重现期变化的曲线存在一个明显的拐点（约在5年重现期附近），之后增幅下降趋势变缓，并在约100年重现期时趋于渐近值。

**讨论与结论**

**讨论**：
研究发现，与直观认知可能不同，**森林植被对径流的削减作用在频率较高（重现期较短）的降雨事件中更为有效**。对于重现期超过200年的极端降雨，植被覆盖对峰值流量的调节比例相对较小（仅几个百分点）。这可以归因于高强度降雨下，植被冠层对降雨的截留和延迟作用有限，当降雨强度超过土壤渗透能力时，会产生霍顿超渗径流，植被的效益主要体现在减少泥沙产量而非径流量上。此外，在高强度洪水事件中，水流携带大量沉积物、巨石和碎屑，导致实际水位高于单纯液体流量预期的水位，这也影响了树木上留下的洪水痕迹。研究还指出，2021年火灾的规模、持续时间和范围远大于干旱的影响，导致了远超干旱相关效应的后果。

**结论**：
半干旱地中海环境下的流域，如卡拉布里亚地区的流域，过去和最近都受到极端事件的影响，例如常常导致灾难性洪水的强降雨和森林火灾。如果极端事件相继发生，例如在最近烧过的地区发生强降雨，其影响可能会被放大，需要使用多灾害方法进行研究。

源头林区的存在对于减少地表径流和洪水形成至关重要，特别是在像卡拉布里亚这样容易发生水文地质不稳定的地区。2021年，野火摧毁了阿斯普罗蒙特山体约15,000公顷的林地，这在很大程度上抵消了20世纪60年代在灾难性洪水事件后进行重新造林作业所取得的水文地质风险减缓效果。

本研究中，用于评估火灾前后水文响应变化的水文建模表明，森林火灾和强降雨/洪水这两种极端事件的复合效应不仅在重现期约为200年的事件情况下被放大，在频繁降水事件情况下也是如此。实际上，火灾前后条件之间的流量增加在重现期为2至5年的降雨事件中从25%变化到42%，并且随着重现期的增加，百分比值逐渐减小。

该研究有助于增加关于森林保护作用及其在减少流域水文响应方面功能的知识，突出了植被覆盖在更频繁的降雨事件期间更为有效。正是这些更频繁的事件，使生活在水道附近社区的生命每日面临风险，并且这些社区正日益受到森林火灾的威胁。