城市擴張對洪澇災害風險的脅迫效應及情景模擬

吳明宇，王 忠，張云慧

（中國地質大學（武漢）公共管理學院/自然資源部法治研究重點實驗室，武漢 430073）

洪澇災害已成為威脅中國城市公共安全的突出問題，也是制約中國城市可持續發展的重要因素［1］。據《中國水旱災害公報》統計，2000—2018年中國城市因洪澇災害死亡21 720人，直接經濟損失達31 639.52億元［2］。2020年入汛以來，中國南方地區發生持續強降水造成嚴重的洪澇災害，造成27省（區、市）3 385萬人受災，直接經濟損失695.9億元。基于此，黨中央、國務院定于2020—2022年開展包括洪澇災害在內的全國自然災害風險普查，旨在全面掌握中國災害風險隱患情況，提升全社會防災減災能力［3］。

中國的城鎮化具有大規模、高速度特征。自改革開放以來，中國城鎮化率從17.92%提高到了60.60%，同時在沿海及內陸地區均形成了大規模城市群［4］。在城市發展的過程中，洪澇災害的孕災環境與成災機理均產生了顯著變化，使得城市暴雨洪澇的風險產生新的不確定性。此外，經濟與人口激增、不合理的城市土地利用與空間規劃直接導致了城市防災減災難度加大。在此背景下城市擴張與洪澇災害風險的關系成為了研究熱點與難點［5］。

1 文獻綜述

合理評價洪澇災害風險是研究城市擴張對其脅迫效應的基礎。已有關于洪澇災害風險評估的研究大致可以分為4類，①通過對歷史洪災的頻率分析來確定當下災害發生的概率［6］；②建立涉及自然環境與經濟社會的綜合指標體系進行線性加權計算出風險評價值［7］；③基于水文動力學和情景分析方法對洪澇災害風險進行預警［8］；④通過機器學習分類算法對洪澇風險進行預測［9］。其共同點在于研究往往從地理學、地質學、環境科學的角度入手，將GIS與社會、衛生和基礎設施等數據結合起來進行高度量化的評價。

在城市擴張對洪澇災害風險的影響機理方面，已有研究主要有3種觀點，①城市盲目擴張導致不合理的空間規劃與土地開發，致使城市熱島效應加劇。城市地表溫度升高來源于人類大規模的開發與建設，大量上升氣流與空氣中的暖濕氣流碰撞，致使城市上空形成特大暴雨，從而提高了洪澇災害風險［10］；②城市擴張導致土地利用、人類活動向外圍蔓延，地形和土壤覆蓋發生改變。將天然表面轉化為人工表面，由于滲透率差，導致城市土地水源涵養功能下降，洪水頻率增加［11，12］。陳昆侖等［13］研究發現城市新開發區和在建施工區漬水顯著，而圍湖造地區域與重災區基本重合；③對城市擴張負面效應不突出的大部分國家和地區而言，經濟發展必然導致城市用地擴張，這也直接導致暴露于洪澇災害的人數和資產增多［14，15］。Huong等［12］提出城市化增加了易受洪水影響地區的人口與基礎設施，城市所遭受的損失愈發嚴重。此外，人口的激增也導致基礎設施負荷增加，新的建設用地亦面臨排水設施與計劃上的欠缺［16］。可見，從理論上講，城市擴張對洪澇災害的風險治理產生了一系列的壓力和影響，構成了一種“脅迫效應”。

在實證研究方面，Zhang等［17］通過量化城市化對降雨和洪水的貢獻，發現由于城市擴張，整個研究流域發生極端洪水事件的可能性平均增加了21倍；Prosdocimi等［18］研究得出城市化水平顯著影響著洪水頻率，洪峰流量的變化可以歸因于土地利用變化（鄉村變為城市）。Mustafa等［19］通過情景分析發現，嚴格控制城市空間規劃能夠減輕日益嚴重的洪水破壞，相比之下，僅以填充式發展為導向，沒有開發限制的空間規劃使洪災風險大大提高。Lin等［20］則認為人口增長及城市發展對沿海超大城市的洪澇風險影響甚微，而風暴潮等自然因素才是風險提高的主要原因。

國內外已有研究存在一定局限性，①研究主要考慮氣候變化、海平面上升等自然因素對城市洪澇災害的影響，缺乏對經濟社會因素的考量；②部分研究討論了城市擴張對洪澇災害的影響機制，但實證的檢驗相對較少；③研究大多將沿海城市作為樣本，對不同類型城市洪澇災害風險的研究不足。基于此，本研究選取了沿江城市、山地城市重慶市為研究對象；在方法上也有所革新，運用系統動力學模型梳理洪澇風險的各種來源以及它們間的相互關系，實現對風險的評價和預測并識別城市擴張對洪澇災害風險的影響。可能的邊際貢獻在于：①建立了系統動力學模型，以模擬城市擴張對區域洪澇災害的脅迫效應，拓展了城市可持續發展研究的深度和廣度；②選擇有典型代表意義的城市進行了實證研究，以檢驗系統動力模型的穩定性和適用性。

2 研究設計

2.1 研究區概況

重慶市是中華人民共和國直轄市、國家中心城市、超大城市，常住人口3 124萬人，GDP達23 605.8億元。之所以選擇該城市為研究區，主要原因在于：其一，重慶作為山地城市、沿江城市，更易受到洪澇災害風險脅迫因素的影響。不僅往年洪澇災害頻發，在2020年夏季南方洪澇災害中，重慶市更是出現了歷史上罕見的特大洪水，以致當地26.32萬人受災，直接經濟損失24.5億元；其二，重慶是快速擴張中的城市。在過去的10年中，重慶市以大規模撤縣設區的形式成為了中國建成區面積擴張速度最快的城市，擴張強度達74%。到2018年更是以1 496 km2的建成區面積躍升至全國首位。重慶市兼具洪澇災害頻發與城市快速擴張的問題，將其作為研究個案具有鮮明代表性。

2.2 指標體系

聯合國提出的災害風險表達式為風險度=危險度×易損度，這是災害風險研究中最為重要的公式。城市災害的易損性亦可分解為人口易損性、社會經濟易損性和生態易損性等因素［21］，本研究分別以城市人口壓力、經濟暴露性與涵水功能的變化來衡量。而后第5次IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）報告認為脆弱性、危險性與暴露性是災害風險評估的三大核心內容，并將脆弱性定義為對洪澇防治不利影響的傾向性，包括易損性與應對或者恢復能力［22］。本研究借鑒胡俊鋒等［23］的做法，將適應性與恢復力歸納為防災減災能力并單獨作為一個子系統，其內容與災害脆弱性的性質相反，代表著對洪澇災害防治有利的影響因素。而承災體的脆弱性則與暴露性合二為一。具體的評價指標均借鑒已有研究［1，7，8，23］，如表1所示。

表1 洪澇災害風險評價的指標體系

2.3 系統動力學模型

基于上述洪澇災害風險評價的指標體系，構建以致災因子的危險性、承載體的脆弱性、防災減災能力為系統邊界的系統動力學模型，系統流程如圖1所示。數據主要來源于2008—2018年《重慶統計年鑒》和《水旱災害公報》。模型以2008年為基準年，以1年為步長，模擬2008—2025年主要變量。

圖1 洪澇災害風險的系統動力學模型

該系統動力學模型由3個水平變量、3個流率變量、34個輔助變量與1個常量組成。對于水平變量初始值的設定均采用重慶市2008年的統計數值；3個子系統下的部分評價值通過其構成指標的標準化數據線性加權得出，數值大小介于0到1之間，權重的確定采用熵權法。其他方程通過多元線性回歸方法、變量間邏輯關系或Vensim軟件中的表函數功能獲得。

模型主要方程式如下：

洪澇災害風險=致災因子的危險性×承災體的脆弱性/防災減災能力

①致災因子的危險性=0.0 009×年降水深度+1.1×人口受災率+37.47×災害損失率-0.97

人口受災率=受災人口/人口總量

災害損失率=直接經濟損失/經濟總量

②承災體的脆弱性=（人口脆弱性+土地脆弱性+經濟脆弱性）/3

經濟暴露=0.002 24×經濟總量+0.064×經濟密度+6.28×（農林牧漁產值/經濟總量）-1.24

人口壓力=10.36×人口密度+5.88×人口城鎮化率-3.9

涵水功能=0.000 38×耕地面積+0.004 5×道路面積-0.396×綠化覆蓋率+0.282×森林覆蓋率-1.03

建設用地面積=INTEG（新增建設用地面積，708）

耕地面積=IF THEN ELSE（建設用地面積＜1 200，0.049×建設用地面積+2 400，-0.495×建設用地面積+3 069）

道路面積=0.154×建設用地面積-36.58

經濟總量=INTEG（年經濟增長，5 793）

經濟密度=經濟總量/建設用地面積

農林牧漁產值=1.81×（經濟總量^0.71）

人口總量=INTEG（年人口增長，2 839）

人口密度=人口總量/土地總面積

人口城鎮化率=非農業人口數/人口總量

③防災減災能力=（堤防能力+應急能力+排水能力）/3

水利、環境與公共設施投資=0.000 4×經濟總量^1.61+30

應急能力=0.000 11×救災物資儲備+0.003 46×居民儲蓄-0.174

堤防能力=2.48×（堤防保護人口/人口總量）+8.56×（堤防保護耕地/耕地面積）+0.54×堤防達標率-0.88

堤防保護人口=0.235×堤防總長度+285.9

堤防保護耕地=0.061 3×堤防總長度+28.4

排水能力=6.73×（除澇面積/耕地面積）+0.128×（排水管道長度/建設用地面積）-2.44

排水管道長度=3.84×水利、環境與公共設施投資+4 951.6

除澇面積=0.001 6×（農林水支出^2）-0.243×農林水支出+552

2.3 一致性檢驗

為檢驗上述系統動力模型的模擬結果與實際數據的誤差，本研究使用重慶市2008—2017年的歷史數據，通過Vensim軟件對模型進行了一致性檢驗。檢驗仍以2008年為基準年，以1年為步長，以2008—2013年的數據作為模型訓練數據，根據訓練結果得出2014—2017年主要指標的模擬數值，將模擬數值與實際數值進行對比并計算誤差率。若平均誤差率小于10%，則認為該模型的精度較高，可用于預測未來重慶市洪澇災害風險情況。

承載體脆弱性子系統下的主要變量見表2。由表2可以看出，主要數據的仿真值與真實值之間的誤差基本都小于10%，平均誤差率為2.94%，說明模型的一致性程度較高，與實際情況非常接近。以上的檢驗說明本研究的系統動力模型適用性和穩定性比較高，能夠用于預測重慶市未來幾年的洪澇災害風險。

表2 主要仿真數據檢驗結果

3 研究結果

基于上述系統動力模型來進行重慶市洪澇災害風險的模擬預測。為識別城市擴張對洪澇風險的脅迫作用，本研究設定了3種情景，①快速擴張型（重慶市持續以土地擴張的形式發展，到2025年，年新增建設用地面積達300 km2）；②慢速擴張型（重慶市不再以擴張新用地為發展模式，到2025年，年新增建設用地面積逐漸降為0）；③穩步擴張型（重慶市土地擴張速度無明顯變化，到2025年，年新增建設用地面積為2008—2018年的均值）。

由圖2可以看出，重慶市洪澇災害風險的模擬結果呈現出非線性的特征，整體上表現為以5年為一周期的不穩定波動。2008—2013年為1個周期，在該周期內重慶市洪澇災害風險先快速升高，于2009年達到峰值，而后逐年降低。2014—2018年為1個周期，該周期內的變化趨勢雖與之前趨同，但不同點在于不論是峰值還是谷值都較之前有所降低。這種周期性與氣候變化緊密相關，亦代表著重慶市特大洪水的重現期。在圖2中3種城市擴張情景所代表的曲線近乎重合，說明在該系統動力模型下，城市擴張對洪澇災害風險不存在明顯影響，即從整體風險來看，城市擴張并未出現理論研究中的脅迫效應。究其原因，不論是洪澇災害風險存在非線性的特征，還是城市擴張脅迫效應的缺失，都可歸結于致災因子的危險性這一子系統的不穩定性，該指標更多依賴于自然環境狀況，不同年份的降水量決定了危險性的高低。因此，應進一步考察3個子系統各自的變化情況。

圖2 洪澇災害風險性仿真結果

3種城市擴張情景下各子系統的變化情況見圖3、圖4、圖5。首先，致災因子危險性的變化趨勢與洪澇災害風險的變化趨勢非常相近。在該系統的建模過程中，由于各變量存在非線性關系，因此采用了Vensim軟件特有的表函數來描繪，并假定到2025年該系統內各項指標為2008—2018年的均值。由此得出致災因子的危險性在未來仍然是先增后降的趨勢，且3種情景下曲線無明顯差別，說明城市擴張幾乎不對該系統構成影響；其次，不論城市擴張速度如何，承災體的脆弱性和防災減災能力都逐年增長。這說明快速擴張中的城市往往具有更高的洪澇災害脆弱性，但其防災減災能力也更高，反之則較低；再次，雖然重慶市災害脆弱性與防災減災能力都逐年提高，但后者的增速明顯更快，這意味著在不考慮自然環境因素（致災因子的危險性）的前提下，可以認為洪澇災害風險在逐年降低。此外，從兩個子系統在面臨3種情景時的變化差異來看，防災減災能力對城市擴張的響應程度比承載體的脆弱性更加明顯，體現為3條曲線的間距更大，可以認為防災減災能力對城市擴張的響應更為敏感。

圖3 致災因子危險性仿真結果

圖4 防災減災能力仿真結果

圖5 承災體脆弱性仿真結果

不少研究認為城市擴張或者高速城市化大大增加了洪澇災害風險，或許是由于并未著重考慮擴張因素對防災減災能力的影響。一方面，城市空間上的擴張必然來源于城市個體人口經濟等規模的增長［24］，但這僅僅代表暴露于洪澇災害的人口與財產隨之增多，城市的水源涵養功能有所下降。然而，在城市擴張的過程中，人口經濟等規模的增長同樣會帶來更快的城市建設，更加完善的防洪、排水設施，更充足的防災、救災資金投入，最終使得城市擁有了更強的“災害韌性”。至少對于重慶市而言，其防災減災基礎設施建設在城市擴張中持續進步。因此，城市擴張對洪澇災害風險的脅迫作用僅體現在城市脆弱性方面，而其對防災減災能力的促進作用亦可中和脆弱性所帶來的風險。

4 小結與討論

本研究參考已有研究成果建立了包括洪澇災害致災因子的危險性、承災體的脆弱性以及防災減災能力3個系統在內的綜合評價指標體系，基于重慶市2008—2018年的相關統計數據，運用系統動力學模型模擬了該時期重慶市洪澇災害風險，并預測至2025年，設定3種城市擴張情景識別其對洪澇災害風險的影響作用。主要研究結論如下。

第一，重慶市洪澇災害風險在2008—2018年表現出5年1周期的非線性波動趨勢，在周期內風險先快速升至峰值，而后逐年降低。

第二，城市擴張對重慶市洪澇災害風險不存在顯著影響，但對承災體的脆弱性和防災減災能力均有正向作用。即對城市的災害脆弱性存在脅迫效應，但同時又能夠促進防災減災能力的提升。

第三，洪澇災害風險的非線性波動來源于降水因素的不確定性。若不考慮致災因子自身的變化，洪澇災害風險則呈降低趨勢。即防災減災能力的提高能夠中和城市擴張對洪澇災害風險的脅迫效應。

由于城市擴張是未來災害脆弱性的主要驅動力，盡管氣候預測存在廣泛的不確定性，但城市實施適應性措施的形勢依然十分緊迫［25］。步入21世紀以來，中國大中城市快速發展，空間上的擴展成為了必不可少的手段。雖然不少國外學者提出城市擴張大大增加了洪澇災害風險［17-19，25］，但本研究卻發現重慶市洪澇災害風險受城市擴張影響甚微。在擴張的進程中，城市防災減災能力的提升反而更為明顯，因此建議，一方面，不應以洪澇災害風險為由遏制城市的空間擴張，但城市應找到擴大規模與確保安全的平衡點，實現基于空間管制的精明擴張。注重提高城市防災減災能力來中和災害脆弱性帶來的風險，從而助推城市形成更強的災害韌性。另一方面，應加強城市外圍基礎設施以提高防災減災能力。重慶市的擴張并非一味的填充與蔓延，而是具有明顯的“飛地”特征和城鄉融合發展態勢。因此，諸如加強新增用地的堤防、管網、綠地等基礎設施建設，完善城市外圍區域的排水計劃與應急管理規劃等均是弱化脅迫效應、降低洪澇風險的可行之策。