《Water》：Morphometric and Geospatial Analysis for Flash Flood Susceptibility Assessment in Wadi Al-Disha, Northern Saudi Arabia: Insights from a Dual Model
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山洪是沙特阿拉伯西北部干旱和半干旱地区的一种极端水文-地貌灾害，对沙特2030愿景下快速扩张的城市区域、基础设施和可持续发展项目构成重大风险。本研究利用高分辨率12.5 m空间分辨率的ALOS-PALSAR数字高程模型（DEM），评估了Wadi Al-Dish
山洪是沙特阿拉伯西北部干旱和半干旱地区的一种极端水文-地貌灾害，对沙特2030愿景下快速扩张的城市区域、基础设施和可持续发展项目构成重大风险。本研究利用高分辨率12.5 m空间分辨率的ALOS-PALSAR数字高程模型（DEM），评估了Wadi Al-Disha流域（4212.81 km2）的山洪易发性。研究采用双模型方法，将尺度依赖的形态计量排序法（Morphometric Ranking Method）与尺度无关的El-Shamy方法相结合，应用于18个子流域，调查、分析并计算了15个有效水文-形态计量参数。排序法模型将子流域SC-18划分为高易发区，SC-4为低易发单元，其余15个子流域为中风险等级，其中面积最大的子流域SC-9在中等级别中得分最高，仅略低于高易发等级阈值。另一方面，El-Shamy方法模型将SC-3和SC-8定义为高山洪易发等级，其余16个子流域反映为中易发等级。该评估是基于地形形态计量的物理性易发性评价，未考虑社会经济暴露度或水文（降雨-径流）信息，研究人员在文中明确指出了这些范围边界。与区域研究的比较验证表明，分叉比（bifurcation ratio）指示构造裂谷作用影响了分叉参数值，迫使El-Shamy方法模型在构造复杂、高起伏景观中低估易发性。为减轻这些山洪易发性并保障邻近的穆罕默德·本·萨勒曼王子皇家保护区（Prince Mohammed bin Salman Royal Reserve）的可持续基础设施，研究建议在快速流速的源头区域设计针对性水坝，并在上游高原建立早期预警系统。
论文解读：基于双模型的Wadi Al-Disha流域山洪易发性评估
一、研究背景与意义
山洪是干旱和半干旱地区最具破坏性的水文灾害之一，其特点是高强度、短历时降雨后迅速产生过量地表径流。沙特阿拉伯西北部地区尽管总体气候干旱至半干旱，但周期性对流事件仍可引发严重山洪。2018年11月的一场风暴在12小时内产生超过48 mm降雨，超过年均降水量，在裸露的古生代砂岩地形上引发快速地表径流，冲毁道路、侵蚀农田并破坏生态旅游基础设施。随着气候变化导致的降雨强化和快速城市化，该地区山洪的频率和强度均显著增加。
Wadi Al-Disha流域位于沙特阿拉伯西北部塔布克省，面积约4212.81 km2，地处红海沿岸带东部，向西汇入亚喀巴湾水系。该流域紧邻NEOM开发区域，同时位于穆罕默德·本·萨勒曼王子皇家保护区内，具有重要的地貌学、地质学和生态学意义。然而，该区域此前缺乏基于高分辨率数字高程数据的详细形态计量分析和定量评估框架，尤其缺乏对Wadi Al-Disha子流域的系统性山洪易发性研究。已有研究多聚焦于地貌、地质和地质遗产特征，或采用不同方法评估其他流域的水文特征。鉴于该流域的战略重要性、地貌关键性、旅游潜力及其与沙特2030愿景国家级大型开发项目的邻近性，建立有效的山洪易发性评估模型对基础设施发展、可持续土地利用策略和风险减缓至关重要。该研究发表于《Water》期刊。
二、主要技术方法
研究人员采用12.5 m空间分辨率的ALOS-PALSAR数字高程模型（DEM）作为基础数据源，该数据经与局部地形图对比验证，均方根误差（RMSE）在合理阈值内。数据处理流程包括：使用填洼工具调整数据空洞；采用D8流向算法构建层次化排水系统；依据Strahler水道分级法（1952, 1957）确定河道等级；最终将流域划分为18个子流域（SC-1至SC-18）。所有数据统一采用通用横轴墨卡托投影（UTM，Zone 37 N）和WGS 84大地基准。研究提取并计算了15个水文-形态计量参数，涵盖面积、线性、地形三大类，并应用两种互补模型：尺度依赖的形态计量排序法（Morphometric Ranking Method）和尺度无关的El-Shamy方法。此外，研究人员还采用皮尔逊相关分析和主成分分析（PCA）检验参数冗余性，并构建了基于PCA权重的替代方案以验证等权排序法的稳健性。
三、研究结果
3.1 面积特征与地表渗透性
排水密度（Dd）值总体适中，介于0.47 km-1至0.61 km-1之间，分别对应子流域4和8，表明整个流域地质框架相对均质。近不透水的古生代和第四纪岩石严重限制局部渗透，短历时高强度降雨事件中干燥地表产生大量地表径流。伸长度比（Re）值极低，子流域6、10、11、13、16和18的Re值分别为0.29、0.28、0.32、0.34、0.33和0.33，被划分为高度狭长单元。这类狭长子流域因主河道较长导致汇流时间延长，易产生山洪峰值。
3.2 线性形态计量与构造控制
分叉比（Rb）值在子流域4和7之间变化，范围1.5至4.53。子流域6、7、9、11、13、16、17和18的Rb值超过4，分别为4.2、4.53、4.28、4.01、4.07、4.1、4.03和4.2。高Rb值揭示排水方向受新生代活动构造线理和NNW-SSE及NW-SE走向正断层强烈控制，这些断层与红海裂谷事件的区域构造密切相关。高Rb值表明水文过程响应延迟，因地表径流需流经复杂、高度分支的支流网络。
3.3 地形与地貌属性
子流域18海拔最高达1662 m，其次为子流域17（1385 m）和子流域8（1307 m），短距离内局部落差可达1.5 km。这种显著高程异常产生巨大重力势能，加速地表径流下坡流速。起伏比（Rr）在子流域2、3和8中显著偏高，分别为75.64 m、73.94 m和76.57 m，与Hisma高原复杂地形相关，陡峭垂直崖壁在降雨事件中迅速形成高地表径流集中，短时间内将干涸河道转变为携带碎屑的强洪水。
3.4 形态计量排序法易发性分级
形态计量排序法将15个参数按与山洪易发性的正相关（A类：面积、排水密度、渗透数、河流频率等）和负相关（B类：形状因数、分叉比、伸长度比）分类，采用直接或逆方程计算排序值，以平均值划分低（≤1.5）、中（>1.5–2.5）、高（>2.5）易发等级。结果显示：子流域18为高易发区（平均排序2.65），因其最高地形起伏和短距离内显著高程落差；子流域3至9等16个子流域为中易发区（平均排序1.81至2.44），其中面积最大（415.37 km2）、排水最密集（Nu=1723）的子流域9得分最高，紧邻高易发阈值；子流域4为低易发区（平均排序1.18），因其面积小（26.78 km2）、河道总长仅12.71 km、平均起伏405 m，蓄水能力有限。
3.5 参数冗余性与客观权重检验
皮尔逊相关分析显示多组参数高度共线：面积（A）、河流数（Nu）和河道长度（Lu）相关系数r=1.00；排水密度（Dd）、河流频率（Fs）和渗透数（If）相关系数r≥0.99；起伏度（R）和粗糙度数（Nr）相关系数r=0.99。主成分分析表明前两个主成分分别解释53.1%和26.7%的总方差（累计79.8%），说明15个参数实际仅覆盖两个独立维度：流域规模轴和排水效率/地形轴。基于第一主成分载荷构建的PCA加权方案与原始等权排序高度一致（Spearman秩相关系数ρ=0.98），识别出相同的前三高易发子流域（18、9、13）和最低易发子流域（4），仅在第四位排序上略有差异（PCA加权为子流域1，等权为子流域17），证明等权排序法并非脆弱选择。
3.6 El-Shamy方法评估
El-Shamy方法通过绘制分叉比与排水密度、分叉比与河流频率的关系图，将子流域划分为三个水文-地貌带：A带（高补给潜力、低易发性）、B带（低补给潜力、高易发性）和C带（中等易发性）。结果显示子流域3和8被划分为高山洪易发区（B带），其特征为相对低的分叉比值和高排水密度及高河流频率值（SC-3：Dd=0.56 km-1，Fs=4.18 km-2；SC-8：Dd=0.61 km-1，Fs=4.52 km-2），表明高效排水系统促使快速地表径流集中。其余16个子流域均被划分为中易发区（C带）。值得注意的是，研究流域内无子流域落入A带（低易发性），所有子流域的分叉比值（范围1.50–4.53，其中8个子流域超过4）均受红海裂谷断裂系统抬升，这一发现提示El-Shamy（1988）的带边界阈值最初基于埃及东部沙漠流域制定，可能不完全适用于红海裂谷邻近的阿拉伯地盾地形。
3.7 双模型对比与区域验证
形态计量排序法为尺度依赖模型，对能产生大量径流的大型流域高度敏感；El-Shamy方法为尺度无关模型，评估排水网络路径效率和构造控制。两模型在14个子流域上结果一致（均为中易发），支持高置信度分类。差异集中在：子流域18（排序法为高，El-Shamy为中）、子流域3和8（排序法为中，El-Shamy为高）、子流域4（排序法为低，El-Shamy为中）。差异机制在于：大型构造复杂子流域（如18）中密集断裂系统抬高分叉比值（Rb>4.2），El-Shamy方法将其解释为高效分散/排水证据，从而低估易发性；而排序法基于绝对面积、河道长度和数量，不受Rb参数影响。对于陡峭小型子流域（3和8），Rb参数无构造异常，El-Shamy方法的效率逻辑正常运作，准确识别为高易发单元。区域验证方面，沙特中部Hanefah流域的双模型研究证实El-Shamy方法在构造活跃流域中低估山洪易发性；塔布克市1981、1988、2013和2018年的洪水记录及2019年1月区域性极端事件（塔布克省10人死亡、超过135次紧急救援）均支持该区域山洪风险的真实性。
3.8 空间与历史佐证
研究通过两条独立证据链佐证易发性分级：一是塔布克区域历史洪水记录作为类比佐证；二是空间暴露分析——Al-Disah村位于子流域9和18之间，子流域18被排序法评为高易发，子流域9为中易发最高位；Shuwaq位于子流域8上游，该子流域被El-Shamy方法评为高易发。两个居民点均直接暴露于至少一种模型的高易发判定之下，凸显双模型方法的必要性。
四、讨论与结论
4.1 减缓措施与管理建议
研究将双模型结果转化为具体管理措施：子流域18（大型构造复杂单元）优先采用梯级蓄水设施、源头汇流处拦砂坝和预警基础设施；子流域3和8（小型陡峭单元）优先建设源头河道拦砂坝和沉积物截留设施；子流域9、13和17作为次级优先监测对象。所有建设建议均为基于形态计量/GIS提取的选址指导，实际工程前需进行岩土、水力和成本效益分析。此外建议在陡峭河道建设梯级蓄水水文单元，在砂岩崖壁开凿安全应急通道，并在Harrat ar-Raha高原（子流域18源头）布设遥测雨量站，与下游预警系统联动。
4.2 研究结论
本研究成功结合高分辨率ALOS PALSAR DEM数据和地理空间技术，对沙特阿拉伯西北部Wadi Al-Disha流域进行了详细的双模型山洪易发性评估。通过分析18个子流域的面积、线性和地形参数，研究揭示了一个受陡峭砂岩地形和活跃新生代构造活动共同影响的异质性流域。形态计量排序法将子流域18确定为高易发单元，子流域9（最大且排水最密集）为中易发最高位；El-Shamy方法将子流域3和8确定为高易发单元。模型间的不一致由红海裂谷带断裂框架驱动，该框架抬高分叉比值，可迫使尺度无关模型低估大型高起伏子流域的易发性。研究建议在源头快速流速区域设计针对性水坝，并在上游高原建立早期预警系统。后续研究将整合形态计量易发性分类与降雨-径流和水力建模（HEC-HMS/HEC-RAS）、客观多准则权重模型及实地验证，从静态地形易发性评估迈向动态、定量验证的山洪灾害预测系统。
