洪水是塑造地表过程的一种自然营力，而近年来洪泛区内城市建成区的扩张以及人口增长导致了洪水暴露度增加，致使洪水致灾问题愈发严峻。地球与空间科学学院林佩蓉研究员课题组近期在探究洪泛区内城市建成区的扩张模式时，注意到堤防保护的洪泛区内城市建成区分布更为密集（图1），而这一现象与堤防效应（levee effect）直接关联。

图1 堤防保护的洪泛区及其周边遥感影像（黄色线条为堤防，淡蓝色阴影为堤防保护的洪泛区，从左至右区域分别为Larksville, PA; Louisville, KY; Chico, CA; Albuquerque, NM）

堤防效应主要是指堤防等工程设施的建设在减少洪水灾害发生（hazard）的同时，往往会伴随对灾害风险防范意识的下降，从而导致洪泛区内的社会经济活动加剧（图2），增加洪灾暴露度（exposure）。与此同时，堤防建设会带来虚假的安全感并模糊人们对洪泛区物理边界的认知，因此当小概率、高影响的极端洪水事件发生时会由于灾害风险意识不足和高脆弱性（vulnerability）导致更严重的洪灾经济损失和人员伤亡。

然而，洪泛区城市建成区的扩张模式与堤防建设之间的相互关系缺乏客观的定量分析，而它构成了评价人水关系的重要基础。这项研究试图通过定义一个堤防效应指数，量化堤防效应下洪泛区城市建成区扩张的时空分布格局，为应对气象水文灾害新常态与实现城市可持续发展提供科学决策依据。

图2 堤防效应下洪泛区内的城市建成区扩张示意图

堤防效应下洪泛区城市建成区扩张模式的定量分析是一个较有挑战性的问题：一方面，由于空间覆盖范围广且属性要素齐全的堤防地理信息数据库较为匮乏，可用于支撑宏观尺度时空定量分析的数据较少；另一方面，影响洪泛区城市建成区扩张的因素间关系错综复杂，缺乏一种定量判别方法来研究堤防效应下的洪泛区城市建成区扩张模式。

本研究基于合成分析（Composite Analysis）和时间/空间控制变量方法，结合美国堤防数据集（National Levee Database, NLD）提供的千余个堤防要素数据集（NLD）和美国国家地质调查局（USGS）提供的近70年尺度土地覆盖变化数据，分别提取了千余组堤防保护洪泛区内及相应行政单元内的城市建成区增长曲线。研究结果表明，在堤防建设10年内，堤防保护的洪泛区内建成区扩张速率平均上升了62%，而相应郡级行政单元内建成区扩张速率仅上升了29%，这揭示了人们由于堤防的保护作用而对洪泛区内的灾害风险认知下降，更倾向于在洪泛区内发展（图3）。

图3 堤防保护的洪泛区内和对应行政单元内城市建成区扩张时间序列的合成分析结果

基于上述结果，课题组进一步通过时间/空间控制变量方法定义了堤防效应指数，以此来量化堤防建设与城市建成区扩张模式之间的关联。通过对行政单元和自然流域单元进行合成分析，发现在历史上缺乏强大人口增长动力且受到洪水灾害影响显著的地区（如密西西比河、密苏里河、弗罗里达等地区）呈现正效应，即堤防建设后保护区内建成区扩张速率的加速快于相应行政单元扩张速率的增加。人们需要增强对这些正效应区域洪灾剩余风险（residual risk）的认知。

研究人员进一步针对堤防建造年份进行合成分析，发现正效应主要集中在20世纪70年代前，而在70年代之后开始逐渐减弱并反转，这个变化与美国洪水保险计划项目（NFIP）相关。1968年开始的NFIP项目和之后实施的强制性保险措施，使得人们对灾害风险的认知加强并远离洪泛区进行土地开发，这表明非结构性防洪措施与结构性防洪措施相互作用，共同影响了洪泛区的城市建成区发展模式（图4）。

图4 堤防效应指数的时间动态变化。三角形表示主要洪泛区管理政策的年份

该研究通过对堤防效应下洪泛区城市建成区扩张模式进行定量分析，发现了伴随堤防建设以及风险意识下降的洪泛区城市建成区加快扩张的现象，并揭示了非结构性防洪措施在洪泛区可持续发展管理中的重要作用。研究呼吁各个地区开展客观的定量分析，并根据自身气候水文和社会经济条件，因地制宜地制订和完善洪泛区管理策略，以实现更可持续的洪泛区管理。

以上成果以“Reversal of the levee effect towards sustainable floodplain management”为题，于8月21日在线发表在综合性期刊Nature Sustainability上。林佩蓉为论文的通讯作者；北京大学地球与空间科学学院访问学生、堪萨斯州立大学地理与地理空间科学系博士生Meng Ding（丁萌）为论文第一作者。这项研究得到可持续发展大数据国际研究中心CBAS青年科学家项目（CBAS2002ORP05）和北京大学科研启动经费（7100604136）的资助。

论文信息：

Ding, M.^#, P. Lin^#,*, S. Gao, J. Wang, Z. Zeng, K. Zheng, X. Zhou, D. Yamazaki, Y. Gao, Y. Liu: Reversal of the levee effect towards sustainable floodplain management. Nat Sustain (2023), https://doi.org/10.1038/s41893-023-01202-9.