基于重建历史地形的多事件数值模拟量化地形改造对洪水灾害与暴露的影响

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Quantifying the impact of landform modifications on flood hazards and exposure: Event-based numerical simulations using reconstructed historical terrain

　　

研究区域：本研究聚焦日本丸森町（Marumori Town），其所在的阿武隈川（Abukuma River）流域盆地面积为273.46 km²。在过去一个世纪中，这一历史上易受洪水侵袭的地貌经历了大规模人为改造，蜿蜒河道被裁弯取直，并受堤防约束，以支撑城市与农业发展。

研究重点：本项研究定量评估了历史地形改造与城市扩张如何改变降雨-径流行为及洪水暴露。研究人员采用高分辨率水文模型，分别在重建的历史（1908年）地形和当前工程化景观上模拟了35场真实降雨事件，并对建筑区域洪水暴露的变化进行了空间分析。

区域水文新认知：模拟结果揭示了受降雨和地形共同影响的洪水响应转换机制。在高强度降雨事件中，现代堤防通过约束溢岸水流降低了河流泛滥（fluvial inundation）。相反，在较低强度降雨条件下，这些结构阻碍了侧向洪泛区排水，拦截径流并加剧局部内涝（pluvial flooding）。经验推导的强度阈值划定了内涝主导与河流泛滥主导两种模式之间的转换点。此外，结构性措施适度减少了整个流域的淹没范围，并将建筑区域平均洪水深度降低了10%–15%。然而，这却促使城市开发向活跃洪泛区扩张了78%。因此，大多数事件中建筑区域洪水暴露增加了一倍以上，体现了“安全发展悖论”（safe development paradox）。最后，在如2019年台风海贝思（Typhoon Hagibis）等超设计标准极端事件中，基础设施的效益迅速衰减，产生的广泛淹没与未改造的历史地貌相当。

论文解读：历史地形改造对洪水灾害与暴露的影响——基于重建地形的多事件数值模拟

一、研究背景与问题

在全球许多河流流域，过去一个世纪的大规模人类活动显著改变了自然地貌，如河道裁弯取直、堤防建设、城市化扩张等。这些改造旨在降低洪水风险，但其长期水文效应以及对灾害暴露的影响尚缺乏系统量化。针对日本丸森町这样一个历史上易涝的流域，阿武隈川及其支流被大幅度人工化，然而，这些地形改造究竟是有效缓解了洪水灾害，还是在某些条件下反而加剧了风险，仍缺乏机制层面的科学证据。已有区域尺度研究多依赖粗分辨率土地利用/覆盖数据或统计模型，难以解析微地形对局部径流和淹没过程的控制作用。虽然高分辨率物理水文模型已可用于精细模拟，但系统重建历史地形并跨多场降雨事件定量分离地形改造影响的工作仍然稀缺。因此，本研究旨在利用高分辨率数值模拟框架，定量评估百年尺度地形改造与土地利用变化对降雨诱发洪水灾害及暴露的影响。

二、研究内容与结论概述

研究人员重建了明治时代（1908年）的自然地形，并将其与当代工程化地形进行对比。对35场真实降雨事件（含极端台风事件）采用相同的气象输入，分别模拟过去和现在地形下的水文响应，进而提取淹没面积、水深、水量等指标，并结合建筑足迹分析暴露变化。结果表明：现代工程化地形并非在所有降雨条件下都降低洪水风险。高强度降雨时，堤防和顺直河道能有效约束河流泛滥；但在低强度降雨时，这些结构阻碍洪泛区侧向排水，反而加剧内涝。强度阈值（最大雨强约26.5±1.2 mm/hr，平均雨强约5.8±0.6 mm/hr）划定了两种主导淹没模式的转换。尽管整体流域淹没指标平均下降（峰值水量减少7.1%，淹没面积减少2.6%），但城市扩张使建筑足迹增加78%，且新增开发集中于历史洪泛区，导致建筑区域洪水暴露面积平均增加110%，峰值水量增加92%，形成“安全发展悖论”。在2019年台风海贝思等超设计标准事件中，工程措施几乎失效，现代地形下的淹没范围与历史自然地形相当，基础设施的减灾效益消失。

三、主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：基于历史地形图（1:50,000比例尺，明治时期参谋本部测绘）和现代数字高程模型（DEM）进行历史地形重建，通过地理配准、特征抹除、基础设施拆除、河道填充与再下切等步骤生成1908年自然地貌；使用高分辨率水文-地质力学模型（由Dolojan等提出），耦合Green-Ampt入渗模型、基于浅水方程的地表径流模型、无限边坡稳定性分析和阈值式泥石流路径分析，在10 m网格上模拟全流域（约461.6 km²）的降雨-径流过程；采用Huff四分位分类法表征降雨时程分布，并利用Leave-One-Out Cross-Validation（LOOCV）统计确定临界阈值。研究数据来源包括日本国土地理院DEM、国际土壤参考和信息中心数据库、国土交通省水文水质数据库、OpenStreetMap建筑足迹等。所有模拟均采用统一降雨空间分布和相同土壤参数，以隔离地形变化的影响。

四、研究结果

1. 代表性降雨事件的水文响应
选择累积雨量相近（171–188 mm）但强度不同的三场事件（Case 14、33、22）进行对比。低强度长历时事件（Case 14）在现代地形下的峰值淹没水量、最大淹没面积和平均最大水深均略高于历史地形；而高强度事件（Case 33、22）则相反，现代地形显著降低了这些指标。空间分布显示，自然地形允许河流漫溢并分散在洪泛区，而工程化地形则使洪水被约束在顺直堤防河道内，减少了洪泛区淹没，但改变了洪水的物理配置。

2. 全部降雨事件的整体对比
对35场事件（去掉台风海贝思异常值）进行统计分析，现代地形相比过去平均减少了7.1%的峰值水量、2.6%的淹没面积和2.7%的平均水深，但标准差很大，表明取决于降雨特性。象限分析显示，高强度事件落在左下象限（现代地形优于历史地形），低强度事件落在右上象限（现代地形劣于历史地形）。统计回归揭示了强度阈值的存在，其中最大雨强和平均雨强的阈值具有统计稳定性，而累积雨量阈值不确定性过大。此外，历史地形的淹没深度可由降雨特征解释约89%的方差，而现代地形仅能解释约60%，表明工程化地形引入了显著的非线性水文响应。

3. 建筑区域暴露分析
比较过去和现在的建筑足迹，发现其从360万m²增至637万m²（增加78%）。尽管三场代表性事件中建筑区域平均最大水深下降了14%–17%，但建筑区域最大淹没面积增加了92%–140%，峰值水量几乎翻倍。对所有事件（除Hagibis）的提取结果一致表明：建筑区域淹没面积平均增加110.12%，峰值水量平均增加92.49%，而平均水深下降10.63%（中位数14.53%）。这说明城市扩张不成比例地侵入高风险洪泛区，导致暴露增幅远超建筑足迹增幅。

4. 极端事件分析
2019年台风海贝思（累积雨量609 mm，峰值雨强77 mm/hr）作为超设计标准事件，模拟显示现代地形与历史地形的总淹没水量（+0.4%）、淹没面积（?0.3%）和平均水深（+4.2%）几乎没有差别，工程措施完全失效。建筑区域淹没面积（+109%）和峰值水量（+91%）仍翻倍，但平均水深仅下降2.9%，远低于其他事件的平均降幅（10.63%）。这表明即使基础设施被淹没超越，历史开发模式仍然决定了高暴露水平。

五、讨论与结论

讨论部分归纳了三个核心机制：其一，现代工程地形对洪水风险的缓解取决于主导淹没类型。低强度时堤防阻断洪泛区排水，造成内涝积水；高强度时则有效约束河洪。临界阈值具有地域特异性，受地形、河道几何和气候共同控制。其二，结构措施带来的安全错觉刺激了洪泛区开发，使暴露增长抵消了部分减灾效益，体现了堤防效应/安全发展悖论。其三，超设计标准事件下工程措施失效，淹没响应趋同于自然地形。这些发现强调综合风险管理必须同时考虑灾害、暴露和脆弱性，而单纯的工程手段无法消除洪水风险。

结论部分可翻译为：本研究通过重建明治时代与现代地形的对比模拟，定量评估了历史地形改造和城市发展如何改变日本丸森町的洪水淹没过程与灾害暴露。在35场实测降雨事件中施加相同的气象条件，隔离了景观演变的水文影响。结果表明，现代防洪改造通过改变水文连通性、水流路径和洪泛区蓄滞行为，从根本上重组了洪泛区水文过程。工程化河道和堤防在中高强度降雨中优先缓解了河流泛滥，但低强度降雨中却减少了侧向连通并阻碍局地排水，导致内涝加剧。经验临界阈值（最大雨强约26.5±1.2 mm/hr，平均雨强约5.8±0.6 mm/hr）表明丸森町存在依赖降雨的内涝-河洪主导模式转换。尽管流域尺度淹没指标平均下降（峰值水量减少7.1%，淹没面积减少2.6%），但建筑区域暴露却大幅增加，城市足迹仅增长约78%，而建筑淹没面积和水量却翻倍，量化展示了安全发展悖论。在2019年台风海贝思期间，工程措施迅速失效，现代地形淹没与历史地形相当，表明基础设施已超出其设计功能。总之，人为洪泛区工程通过重组水文连通性，只能缓解而不能消除洪水风险。该框架可转移至其他工程化流域，用于评估长期景观演变对洪水行为和空间暴露的影响。未来风险管理必须综合工程系统的水力性能、景观演变带来的水文动态变化和城市扩张模式，以应对气候变化下日益严峻的洪水风险。