造成沿海大型城市内涝灾害的主要因素识别——以中国广州为例外文翻译资料

 2023-03-16 11:00:48

造成沿海大型城市内涝灾害的主要因素识别——以中国广州为例

关键词：城市内涝，环境与人为因素，尺度效应，景观格局，土地覆盖特征

0 摘要

城市内涝灾害受环境条件和人类活动的影响。以往的研究探讨了土地利用类型对相对小流域内涝的影响。然而，很少有人通过不同尺度的分析来全面揭示环境和人为因素对城市内涝的相对贡献。事实上，鲜为人知的是主导因素和适当的分析规模。为了克服这一局限性，提出了一种将逐步回归模型与层次划分分析相结合的新方法。目的是通过多尺度(1km、2km、3km、4km和5km)分析确定各环境和人为因素对城市内涝影响因素的相对贡献率和内涝对影响因子的稳定性，从而探讨城市内涝的复杂机制。本文以2009年至2015年广州市中心城区的内涝事件为例进行研究。结果表明，中心城区内涝事件的空间分布呈现出较强的集聚格局。内涝热点主要集中在广州历史风景区。在所有分析尺度下，城市绿地覆盖率(44.74%)、居民区覆盖率(41.03%)和坡度(36.85%)对城市内涝的贡献均占主导地位，这说明土地覆盖组成在确定城市内涝中的重要性。但是，不同分析尺度下，内涝的相对贡献率和主导因子各不相同，表现出较强的尺度效应。在较小的分析尺度(1Km)下，地形因子(坡度、相对高程)被确定为主导变量，但随着分析尺度的增大，土地覆盖结构(绿地、居民区、草地)和土地覆盖空间结构(LPI、AI、凝聚力指数)对内涝程度的影响要大于其他因素。结果表明，随着分析尺度的增大，土地覆盖结构(绿地、居民点、草地)和土地覆盖空间结构(LPI、AI、凝聚力指数)对内涝程度的影响较大。这一发现提供了更多的见解，即通过平衡土地覆盖特征的相对组成以及优化其空间配置可以缓解城市内涝。由于城市内涝研究的最优统计尺度只适用于特定的影响因素，因此城市内涝研究的合适分析尺度应根据研究区的特点确定。本研究有助于扩大我们对高度城市化的沿海城市内涝复杂机理的科学认识，为城市内涝的防治提供有益的支持。

1 介绍

城市内涝是发生在城市地区的积水灾害，主要是指短时暴雨或连续降水超过城市排水能力的现象(尹某等人，2011年；哈蒙德等人，2015年；薛等人，2016年)。在快速的城市扩张和人口增长期间，世界城市人口的比例预计将继续增加到60%以上(联合国，2014年)。随着快速的城市化进程，城市内部的不透水表面急剧增加，这改变了原有的土地覆盖组成和水文条件，因此增加了城市内涝事件的风险(Sofia等人，2014、2017、2019年；Du等人，2015；Su等人，2018年)。此外，随着全球气候变化，极端降水事件的频繁发生导致全球内涝事件的严重性增加，特别是低洼沿海城市(IPCC，2011年；Barros和Stocker，2012年；Hregatte等人，2013年；Woodruff等人，2013年)。

中国受到了快速城市化和气候变化带来的环境影响的广泛影响。中国住房和城乡建设部(MOHURD)的记录显示，大约62%的城市遭受内涝问题，特别是在上海、广州和深圳等沿海特大城市(亚行，2011年)。例如，作为中国最年轻的城市，2014年5月11日，深圳遭遇了自2008年以来最强的暴雨(226毫米)，导致150条道路严重内涝，经济损失超过1100万美元。城市内涝事件造成巨大的经济和城市基本功能损失，甚至对人们的生活构成严重威胁(Fahy等人，2019年；Grahn和Nyberg，2017年；Sene，2013年；尹某等人，2011年)。此外，沿海城市通常是高度发达的地区，人口密集，是国家或全球经济的重要组成部分。这些城市的内涝事件可能会造成严重的破坏(Gallien等人，2014；Li等人，2016)。因此，如何有效缓解城市内涝的发生，是我国可持续城市化进程中面临的重大问题。

近年来，城市内涝事件频发引起了学术界的广泛关注(黄某等人，2018年；唐某等人，2018年；于某等人，2018年)。大量研究表明，除了环境因素(降水和地形)外，大多数城市内涝事件是由人类活动造成的人为因素造成的(特赫拉尼等人，2019年；王等人，2017年；李等人，2015年；张等人，2017年)。它可以概括为以下三个方面：(1)城市微地形；(2)不透水表面的无序扩张；(3)城市排水设施。(1)城市低洼地带，如地下停车场、隧道等，有利于雨水的蓄积。因此，这些地区经常遭受城市内涝问题的困扰。(2)城市化引起的土地利用/土地覆盖变化极大地促进了城市内涝事件的形成(Huong和Patherana，2013；Shuster等人，2005；Wu和Zhang，2017)。在城市内的各种土地覆盖类型中，能够有效减少地表径流的森林、草地、湿地等城市绿地被人工防渗面(水泥、沥青)所取代，极大地改变了水文条件。(3)在快速城市化过程中，大部分河道或沟渠被人工填埋，导致河网排水功能退化，增加了排水系统的脆弱性。此外，发展中国家的雨水排水管网大多设计标准较低，维护不足，难以在暴雨面前发挥积极作用。因此，面对日益严重的城市内涝问题，学者们提出了诸如“海绵城市”或“低影响发展方式”等措施来缓解城市内涝和淹没(Ahammed，2017；董建华等人，2018年；黄等人，2017；苗等人，2019年；邵某等人，2016；吴等人，2018年；Zimmer等人，2007年)。这些措施的主要目的是增加城市内可渗透地表(城市绿地)的比例，从而有效地减少地表径流。

以前的研究发现，海拔和坡度等地形因素对城市内涝有很大影响(特赫拉尼等人，2019年；王等人，2012年；赵等人，2018年)。然而，在某些情况下，结果是相互矛盾的。例如，在中国惠州(Wang等人，2015年)和中国深圳(Wu and Zhang，2017)进行的研究中，平坦和低洼的地面会增加城市内涝的风险，但与降低荷兰阿姆斯特丹的城市内涝风险有关(Gaitan等人，2015年)。这种不一致阻碍了城市内涝研究的发展。除城市地形因素外，大量研究揭示了土地利用变化对城市内涝的影响(Boudou等人，2016；Pijl等人，2018；Schuch等人，2017；姚等人，2017；Zope和Eldho，2016)。张等人。(2018b)模拟了城市化对北京城市暴雨径流系数的影响。陈(2014)以东莞市为例，利用DPSIR水文模型分析了快速城市化对城市内涝的影响。这些结果都证实了防渗面对城市内涝有一定的影响。然而，这些研究只关注一种土地覆盖类型--不透水表面，而不是整体的土地覆盖特征(组成和空间形态)。总体土地复盖特征(即土地复盖组成和空间格局)与城市内涝之间的定量关系可能还不完全清楚。

城市内涝是一种复杂的现象，是自然条件和人类活动共同作用的结果，但目前尚不清楚各环境因素和人为因素对城市内涝的相对贡献。由于没有综合考虑地形因素、土地覆盖组成、土地覆盖空间形态、排水设施、城市形态等影响因素，存在一定的偏差。此外，以往研究中广泛使用的单因素回归模型不能完全揭示城市内涝的复杂机制，同时，大多数研究没有进行多尺度分析，从而忽略了各种影响因素的规模效应(Yu等人，2018年；Wang等人，2015年)。由于高度城市化地区的异质性很大，单一尺度的分析可能是不够的。城市内涝的影响因素在不同的分析尺度下是否有不同的影响？同一影响因素的解释力是否随着分析尺度的变化而变化？决定内涝的主导因素是否在不同的分析尺度上有所不同。回答这些问题对于扩大我们对城市内涝与其环境和人为影响因素之间联系的科学认识是至关重要的。

在这项工作中，我们克服了这种调查的不足，以高度城市化的沿海城市-广州中心城区为例，这里是内涝事件频繁发生的地方。目的是通过多尺度分析探讨城市内涝的复杂机制，明确环境和人为因素的相对贡献。其中，将逐步回归模型与层次划分分析相结合，提出了一种新的方法来量化不同分析尺度下城市内涝与影响因素之间的复杂关系。通过对2009-2015年城市内涝记录的分析，探讨了城市内涝的空间格局，评价了城市内涝事件的集聚效应；(2)揭示了一个高度城市化的低洼沿海城市城市内涝与环境和人为因素之间的复杂关系，明确了影响因素的相对贡献，从而确定了主导因素；(3)检验了主导因素是否在不同分析尺度上存在差异，并确定了规模效应。本研究为政府和城市规划者提供了城市内涝防治的理论和实践参考。

2 研究区

广州市位于广东省东南部，东经112°57lsquo;-114°30rsquo;，北纬22°26lsquo;-23°56rsquo;，是珠江三大支流的交汇处，陆地总面积约7434.40平方公里。广州是中国南方的政治、经济、文化和科学中心，被称为中国的“南大门”。广州地处亚热带沿海，属海洋亚热带季风气候，年平均降水量1623-1899毫米，年平均降雨量189天(广州市气象局)。低山丘陵位于广州市东北部，南部为相对平坦的冲积平原，平均海拔6.6m。自20世纪改革开放以来，广州经历了快速城市化和城市扩张。高密度建筑区堵塞地表水渗漏，扰乱水文循环，导致城市内涝事件频发。根据世界银行的评估报告，广州在全球138个主要沿海城市中洪水风险排名第一(Hregatte等人，2013年)。此外，广州市水务局提供的官方统计数据显示，城市内涝事件已成为广州中心城区日益严重的问题。因此，我们选择广州市中心城区(荔湾、越秀、天河、海珠、白云、黄埔区)作为研究地点。鉴于该地区城市内涝风险严重，研究城市内涝的基本制约因素具有一定的代表性和现实意义。

图 1广州中心城区的地理位置

3 数据和方法

3.1数据源

在本研究中，我们获得了广州市中心城区水旱灾害的城市内涝记录。广州市水务局防灾中心(表1)。然而，当地水务部门的数据只记录了内涝事件的地址，没有准确的坐标。因此，我们使用Google Earth来绘制这些内涝事件的空间位置，如道路交叉口、隧道出入口、高速公路收费站等。如果内涝事件发生的地点在道路的某个地方(具体的空间位置很难确定)，我们参考Yu等人推荐的方法。(2018)和张等人。(2018a、2018b)将道路几何中心作为城市内涝事件发生的空间位置。利用ArcGIS Pro中的地理配准工具对内涝事件的空间位置进行标定，标定误差应小于50m。因此，数据收集有足够的准确性来评估对这项工作的适当分析。最后，我们为广州市中心城区收集了423个深度超过15厘米的城市内涝测点(图2A)。此外，利用数字高程模型(DEM)、高分辨率无人机图像、城市排水管网和建筑地理空间数据集作为基础数据，探讨地形、土地覆盖特征、排水设施和城市形态因素对城市内涝的影响(表1)。

表 1本研究中所使用的数据概况

3.2分析尺度的确定

图 2城市内涝事件的空间分布(A)和1km、2km、3km、4km、5km(b~f)五种不同的网格尺度

理解空间异质性背景下的景观结构需要多尺度信息(Wu，2004)。尺度效应的概念来源于景观生态学，即景观要素在不同的时空尺度上有不同的表现。尺度效应是导致景观现象复杂化的重要因素之一(Li等人，2004；郭等人，2012)。单尺度分析只能提供景观特征的部分信息。因此，考虑尺度效应有助于我们全面了解环境和人为调节因素对城市内涝的影响，从而通过适当的空间尺度揭示内涝与调节因子之间的复杂关系。

在本研究中，我们首先计算了研究区各内涝点位的平均最近欧氏距离(626m)。最小分析尺度应大于城市内涝测点的平均最近距离(626m)。因此，在本研究中，我们选择1km网格作为最小分析尺度。当分析比例尺增加到5km时，只有37个网格单元有内涝测点，这意味着只有37个数据集可以用来探索城市内涝机理。如果分析尺度进一步增大，可用的数据集可能不足。基于这

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