2023年4月，河南大学黄河文明与可持续发展研究中心赵宏波（第一作者）、谷天顺（通讯作者）与北京大学城市规划与设计学院的赵鹏军教授、汤俊卿、宫兆亚等共同撰写的题为“Urban flood risk differentiation under land use scenario simulation”的研究论文发表在《iScience》(《Cell》子刊, IF=6.91)期刊。
研究以中国郑州市为研究区域，以多源数据为基础，基于随机森林（RF）采用MCDA方法评估了城市洪灾风险，并构建了一种将贝叶斯网络（BN）与斑块生成土地利用变化模拟（PLUS）模型相结合来预测未来城市洪灾风险概率的稳健方法，本研究的结果为城市景观规划和洪灾风险管理提供依据。
研究框架
由于地形复杂、气候多样以及人口众多等原因，中国是遭受洪灾经济损失和人员伤亡最多的国家之一。而郑州市作为拥有1274.2万常住人口的中国特大城市在2021年7月20日所遭遇的极端特大暴雨造成 380 人死亡，近200万人受到影响，直接经济损失达206.9 亿美元,成为重要的全球时事热点。此外，郑州市近年来城市化进程加快，城市扩张明显，土地利用格局演变剧烈。量化土地利用变化（LUCC）与城市洪灾风险间的复杂关系对于城市灾害风险管理意义重大。具体贡献如下：①评估了城市洪涝灾害的长期历史多维风险。②预测了土地利用多情景下的城市洪灾风险特征。③提出了一种新颖的、精准的和多属性的情景预测模型。
研究区域
郑州市作为国家中心城市，是河南省的省会城市和中国重要的综合性交通枢纽。郑州属于暖温带大陆性气候，雨热同期，年均降雨量达635.6mm。其汛期是每年的7-9月份，是暴雨洪涝灾害频发的季节，在这期间降雨量约占全年总降雨量的60%~70%。自2006年以来，郑州每年遭受暴雨15次以上，其中2021年7月郑州作为河南省的强降雨中心，引发了严重的洪涝灾害，此次洪灾是近年来全球发生的最严重的城市暴雨洪涝灾害之一，也是自河南省开始公开报道降雨灾害以来最强大的一次，引发世界广泛关注。
研究结果
从洪灾风险整体来看，2005-2020年郑州市洪涝灾害风险有所上升，洪灾风险指数不断增加，由0.35升至0.526，年均增幅为3.35%。整体来看，不同等级间洪灾风险的空间演变趋势明显，但总体上都呈现出“中部高、四周低”的分布格局。Ⅴ级洪灾风险区集中于郑州中部地区，分布范围向西和东南方向扩大；Ⅳ级洪灾风险区表现出以高风险区为中心向四周扩散的趋势；Ⅲ级洪灾风险区由中原区西部为主转变为五区零散发展；Ⅱ级洪灾风险区由惠济-金水-管城-二七外围连片区收缩至惠济区北部；Ⅰ级洪灾风险区零散分布在二七区南部、惠济区西北部和管城区南部。惠济区洪灾风险指数相对较低，未来遭受洪灾的可能性较小，中原区已演变为洪灾风险指数最高的区域，全区基本处于Ⅳ级洪灾风险区，需引起重视和加强防范。
从危险性、暴露性、脆弱性三大指数的空间分布来看，空间分布上仍呈现出“中部高、四周低”的分布格局。其中危险性指数以中值区、中高值区转变为以高值区为主，中值区、中高值区由惠济-金水-管城连片区逐渐收缩至惠济区。暴露性指数以低值区为主转变为以中高值区为主。低值区由郑州市外围四周区收缩至惠济区北部。脆弱性维度以中低值区为主转变为五类均衡散布。中低值区由郑州市外围四周区收缩至金水区中南部。
评估结果验证：2021年郑州“7·20”暴雨洪水淹没区域集中分布在郑州市中部地区，包括中原区中东部、惠济区南部、管城区中北部、金水区中西部和二七区中北部，将其与图9d作对比，发现洪水淹没区域和Ⅳ级洪灾风险区的空间分布基本吻合。2021年郑州720暴雨求助核密度高值区集中分布在金水区西南部、管城区西北部和二七区东北部，将其与图9d作对比，发现暴雨求助高值区与Ⅴ级洪灾风险区的空间分布基本吻合。综上，本文基于随机森林构建的洪灾风险评估模型精确度相对较高，适用于洪灾风险评估。
模型精度校验：利用Netica对贝叶斯网络数据集进行十折交叉验证，以“洪灾风险”作为目标节点，得到 10个条件概率参数各不相同的模型。结果表明：10组模型的平均错误率为10.04%，贝叶斯网络模型在预测洪灾风险时总体精度达到89.97%，在洪灾风险未来情景预测时具有较高可靠性。其中模型7错误率（8.69%）最低，预测性能最佳，故选取模型7作为研究对象用于未来土地利用情景洪灾风险预测。基于PLUS模型对郑州市2035年土地利用变化进行多情景模拟预测。2015年作为基准年，通过对比分析2020年土地利用预测图和土地利用实际分布图，kappa系数为0.75，总体精度达88.74%，说明土地利用模拟的精确度和可信度较高，可用于未来土地利用变化预测。
利用PLUS模型模拟3种土地利用情景，与2020年基准年对比其变化状况见图15，模拟结果见图16。可持续发展情景下耕地面积减少28.83%；林地面积减少36.39%；草地面积增加114.77%；水域面积增加10.72%；建设面积增加11.5%；未利用土地减少14.29%。而自然发展情景下，耕地、未利用土地面积减少，草地面积增加。经济发展情景下，耕地面积减少44.82%，建设用地增加18.01%。
可持续发展情景下洪灾风险处于Serious(Ⅳ级)、High(Ⅲ级)、Moderate(Ⅱ级)、Low(Ⅰ级)状态的概率分别是 34.4%、45.8%、 13.9%、5.81%；自然发展情景下分别是 34.8%、45.7%、13.8%、5.68%；经济发展情景下则分别是34.9%、45.6%、13.8、5.68%。三种情景下的洪灾风险分布概率具有相似性，即洪灾风险四种状态下，High状态下的洪灾风险概率始终最大。同时也具有差异性，即可持续发展情景中Serious状态的洪灾风险概率相对较小，其次是自然发展情景和经济发展情景，表明可持续发展情景下的土地利用方式更有利于降低洪灾风险。
研究结论
提出了一种耦合BN与PLUS的模拟预测模型，用于城市洪灾风险预测。该模型提高了情景分析和模拟预测的可靠性，以中国特大城市郑州作为案例研究来说明该模型的适用性。所提出的模型和方法并非为洪灾风险预测设置一刀切的方案，而是为洪灾风险提供新的视角，来探讨土地利用变化和未来洪灾风险间的关系。本研究丰富了风险模拟预测的工具箱，并为城市灾害管理和土地利用规划提供可靠依据。我们在这里所展示的方法也可应用于其他城市风险系统的研究，它与传统的洪灾风险模型不同，而是将情景分析与风险预测相结合以概率差异来反映模拟结果。未来我们将重点解决研究中所存在的局限性并开发具有替代视角的新工具，以进一步发展这一重要主题。
原文请见:
Zhao, H., Gu, T., Tang, J., Gong, Z., Zhao, P., 2023. Urban flood risk differentiation under land use scenario simulation. iScience 26, 106479. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.106479
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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