在耦合的人类-水系统中模拟动态洪水人口暴露：水库调度与人口迁移的作用

《Water Resources Research》：Modeling Dynamic Flood Population Exposure in Coupled Human-Water Systems: The Role of Reservoir Regulation and Population Movement

动态洪水人口暴露评估框架及城市群应用研究

　　洪水作为人类社会最严重的自然灾害之一，对人类生活和经济活动造成巨大威胁。随着全球气候变化和城市化进程的加速，极端气候事件的频率和强度不断增加，对洪水灾害的评估与管理变得愈发重要。传统的洪水暴露评估方法主要依赖于静态的人口分布数据和洪水灾害数据的叠加分析，忽略了城市群之间的人口流动以及水库对洪水风险的调控作用。这种静态方法虽然在一定程度上提供了洪水影响的地理信息，但在面对复杂的动态环境时显得不足。因此，有必要建立一种新的框架，将水库运行与人口流动相结合，以实现对洪水暴露的动态评估，从而支持更有效的城市防洪管理策略。

本研究聚焦于珠江三角洲城市群，这是一个人口密集、经济活跃且受洪水影响严重的区域。根据2023年广东省统计年鉴，珠江三角洲覆盖了全国仅0.6%的土地面积，却容纳了5.6%的人口，共计约7800万人。这一地区的人口流动性极高，形成了全球范围内极具代表性的跨城市移动网络。由于人口活动不仅限于居住区域，还包括工作场所、学校、商业区等，因此，传统基于静态人口分布的洪水暴露评估方法无法准确反映真实的洪水风险。本研究通过引入高时空分辨率的人口分布数据，并结合洪水模拟模型，构建了一个全新的动态洪水暴露评估框架。

本研究采用全球河流水动力模型CaMa-Flood v4.20，结合ERA5-Land和Today's Earth数据集作为输入，用于模拟不同条件下的洪水情况。其中，ERA5-Land是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的再分析数据集，具有较高的时空分辨率，适用于陆地表面水文和能量循环的精确模拟。Today's Earth数据集则由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）与东京大学工业科学研究所联合开发，经过校准和验证，具有良好的可靠性。通过将这两个数据集进行对比分析，并采用乘法校正方法调整 ERA5-Land 的流量数据，以减少模型偏差，从而提高洪水模拟的准确性。

在模型中，水库运行被划分为四个不同的区域：正常蓄水区、调节蓄水区、应急蓄水区以及无水位控制区。水库的运行规则根据实际需求进行调整，包括正常出流、调节出流和应急出流。研究发现，水库运行在一定程度上能够有效降低洪水深度，特别是在极端洪水事件中，如50年和100年一遇的洪水，水库的调控作用尤为显著。具体而言，水库运行可以减少8%至11.8%的洪水暴露人口的灾害风险，而夜间的人口暴露量比白天高出681万至777万人，这表明夜间人口在洪水中的风险显著高于白天。

为了更全面地评估洪水对人口的影响，研究团队利用移动定位数据构建了高时空分辨率的人口分布图。通过空间时间重组和核密度估计（KDE）插值方法，他们能够准确反映人口在不同时间段的分布情况。这种动态人口分布数据与洪水淹没地图的叠加分析，使得研究能够识别出洪水暴露的具体区域，并量化不同时间段和洪水重现期下的人口暴露程度。例如，在100年一遇的洪水情景下，夜间暴露的人口比白天多出约777万人，这可能与人们在夜间返回居住地、聚集在洪水易发区域有关。

研究结果表明，珠江三角洲的城市群在洪水暴露评估中需要考虑跨城市的人口流动和水库运行的双重因素。夜间人口的集中趋势使得洪水风险在夜间更加显著，因此，对于夜间洪水的预警和应对措施需要特别加强。同时，水库的运行在一定程度上能够缓解洪水带来的灾害影响，尤其是在极端洪水事件中，其作用更为突出。这些发现不仅有助于提高珠江三角洲地区的洪水管理能力，也为其他类似城市群提供了重要的参考价值。

本研究的意义在于提出了一个全新的洪水暴露评估框架，将水库运行与人口流动相结合，以更准确地模拟洪水对人类社会的影响。这一框架在珠江三角洲的案例中得到了验证，表明其在评估动态洪水暴露方面具有较高的科学价值和实际应用潜力。此外，研究还强调了夜间人口暴露的特殊性，以及跨城市人口流动对洪水风险的系统性影响。这些发现对全球范围内的洪水风险评估和灾害管理具有重要意义，尤其是在面对日益频繁的极端气候事件时。

未来的研究方向将包括探索其他类型的洪水暴露，如堤坝和泵站等防洪设施对洪水风险的影响，以及气候变化和城市扩张对人口流动的长期影响。此外，研究还将进一步完善模型的时空分辨率，以更精确地模拟洪水对人口的动态暴露。这些改进不仅有助于提升洪水风险评估的科学性，也将为城市规划和灾害应对提供更加有力的支持。