基于HEC-HMS与HEC-RAS耦合模拟的SSP排放情景洪水灾害制图——以埃塞俄比亚南部Afiya河流域为例

《Watershed Ecology and the Environment》：Flood Hazard Mapping under SSP Emission Scenarios Integrating HEC-HMS and HEC-RAS Modeling in Afiya River Catchment, Southern Ethiopia

　　

研究人员指出，气温上升、降水变化及极端天气加剧了洪水风险的严重程度与发生频率。研究针对SSP2-4.5和SSP5-8.5两种共享社会经济路径（SSPs）下2041-2070年及2071-2100年的预估气候变化情景展开。利用水文工程中心-水文建模系统（HEC-HMS）和水利工程中心-河流分析系统（HEC-RAS）模型，对50年和100年重现期的洪水情景及淹没范围进行了模拟。研究表明，HEC-HMS与HEC-RAS的耦合建模为模拟和研究潜在洪水情景提供了强有力的平台。

洪水灾害制图是气候变化影响研究的重要方向，而非洲东部与西部正面临日益频繁的洪水威胁。埃塞俄比亚因地形崎岖和气候多变，其Afiya河流域在雨季常遭受山洪危害，但此前对该区域未来气候变化下洪水风险的系统评估十分有限，且早期研究多集中于发达国家，对撒哈拉以南非洲关注不足。为此，研究人员利用多种全球气候模型（GCMs）和两种共享社会经济路径（SSPs）情景，结合水文与水力学模型，评估气候变化对Afiya河流域洪水灾害的影响，并绘制不同重现期下的洪水风险图，以支持适应性规划。

研究人员基于五个GCMs在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下得到的未来降水与温度数据，驱动HEC-HMS水文模型生成设计洪水过程线，再输入HEC-RAS水力模型模拟淹没范围，最终绘制50年与100年重现期的洪水灾害图。研究得出：未来该流域将变得更暖更湿，峰值流量显著增加，淹没面积随排放情景和时期推移持续扩大，高危险区面积上升，农业用地等面临更大威胁。该研究为数据稀缺地区开展气候变化洪水风险评估提供了可复制的技术框架，并揭示了高排放情景可能酿成更严峻洪水灾害的紧迫性。

主要关键技术方法包括：收集1993-2020年五个气象站和1993-2017年水文数据，以及12.5 m分辨率数字高程模型（DEM）；通过CMhyd软件对五个GCM的降水与温度输出进行分布映射（DM）偏差校正；采用HEC-HMS模型进行水文模拟，校准期为1993-2009年，验证期为2010-2017年，并以纳什-苏特克利夫效率（NSE）和决定系数（R²）评价性能；使用Log Pearson type-III分布进行洪水频率分析；利用HEC-RAS 6.3.1求解圣维南方程模拟洪水演进；淹没深度按低、中、高、极高危险等级划分。

**3.1 平均温度和降雨的变化**
通过比较基准期（1985-2014）与未来期气候数据发现，SSP2-4.5下2050s平均年降水量增加2.1%（1217 mm至1243 mm），温度上升1.5 °C；2080s降水增加2.6%，温度上升2.1 °C。SSP5-8.5下增温增湿更为显著，2080s降水增加3.1%，温度上升3.8 °C，表明未来该流域将面临更暖湿的气候条件。

**3.2 性能分析与设计**
**3.2.1 洪水频率分析**
基于五个GCM模拟的峰值流量显示，SSP5-8.5情景下50年和100年重现期流量的相对增幅始终大于SSP2-4.5，且2080s的增幅高于2050s。配对t检验表明两种情景下的峰值流量差异具有统计学意义（2050s p=0.032，2080s p=0.018），证实高排放情景会显著增加洪水风险。

**3.2.2 校准与验证**
HEC-HMS模型在校准期（1993-2009）和验证期（2010-2017）的NSE分别为0.71和0.69，R²分别为0.73和0.71，表明模拟流量与观测流量拟合良好，模型性能可靠。

**3.3 预计的洪水变化**
**3.3.1 基准期（1985-2014）洪水淹没范围**
基准期50年一遇洪水淹没约179.81 ha，100年一遇淹没约185.73 ha；平均最大淹没深度分别为1.56 m和1.74 m。淹没区中约28.2%（50年）和29.1%（100年）的房屋受影响，低危险区面积比例略有上升，中危险区从11.43%增至12.38%，高与极高危险区面积比例在两种重现期之间有所波动，但总淹没面积随重现期增大而增加。

**3.3.2 未来洪水淹没范围及其变化**
在2050s，SSP2-4.5情景下50年和100年重现期的总淹没面积分别为117.92 ha和155.01 ha；SSP5-8.5情景下则增至129.13 ha和165.15 ha。到2080s，SSP2-4.5情景下分别为151.84 ha和178.72 ha，SSP5-8.5情景下升至158.27 ha和186.50 ha。同时，平均最大淹没深度也随时间上升，例如2080s在SSP2-4.5下50年一遇洪水深度可达2.96 m，100年一遇为3.43 m，表明未来洪水危害的强度和范围都将显著扩大。

**3.3.3 气候变化情景下的洪水灾害图**
洪水灾害图显示，未来淹没区在空间上显著扩展，尤其是低危险区面积占比最高，但中、高危险区亦随重现期增加而扩大。与东非其他流域（如Ribb河、Woybo河、Awash盆地、Blue Nile和Omo盆地）的研究相比，本文预测的2080s洪泛面积增加27%-40%落在已有文献报道的22%-55%范围内，结果具有一致性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究假设土地利用和人口不变，而现实中未来的森林砍伐或城市化可能进一步加剧洪水风险，建议后续研究采用气候-土地利用耦合模型。结论翻译如下：气候变化正显著影响洪水灾害制图，导致淹没面积扩大，不同土地类型面临的洪水威胁随时间增加。2050年代，SSP2-4.5情景下淹没面积为117.92 ha，而SSP5-8.5情景在各风险类别中均显示更大淹没面积；50年一遇洪水总淹没面积从117.92 ha增至129.13 ha，100年一遇从155.01 ha增至165.15 ha。2080年代，SSP2-4.5下总淹没面积从151.84 ha增至SSP5-8.5下的158.27 ha（50年），100年一遇从178.72 ha增至186.50 ha。总体淹没面积从2050年代到2080年代持续增长，且高危险区分布更广、水深更大，农业用地、耕地和草地/水体淹没面积显著增加。数据凸显了制定综合洪水管理与减缓政策的迫切性，以保护敏感土地利用并加强基础设施。