评估美国能源基础设施对双重水源洪水灾害的脆弱性：基于空间分布和人口暴露程度的分析

《Science of The Total Environment》：Assessing the vulnerability of U.S. energy infrastructure to dual source flood hazards: A spatial and population exposure analysis

能源基础设施洪水暴露评估：整合FEMA与NOAA双数据集研究，揭示14.4%设施受双重风险影响，沿海与内陆区域暴露差异显著，人口暴露超5.2亿，提出多维度风险治理框架。

　　

作者名单：Sohail Ahmed Tufail、Rouzbeh Nazari、Mohammad Reza Nikoo、Maryam Karimi、Mujungu Lawrence Museru、Mohammad Ismaeil Kamali、Seyed Hooman Ghasemi

研究机构：Resilient Smart Cities Innovation Center，孟菲斯大学，田纳西州孟菲斯市，邮编38125，美国

摘要

美国能源基础设施（EI）面临的洪水风险受到内陆和沿海过程的共同影响，然而大多数国家级评估仅依赖于单一的灾害数据集。为了解决这一局限性，我们将FEMA的特别洪水危险区域（SFHA；年发生概率1%）与NOAA的沿海综合风险数据（包括风暴潮、高潮汐洪水、海平面上升等相关因素）结合起来，以形成对风险影响的全面认知。利用全国范围内的能源基础设施清单（共21,988个设施），我们进行了空间叠加分析、县级Getis-Ord Gi*聚类分析以及5英里范围内的居民分布评估。在综合数据集中，有3,174个设施被归类为受洪水影响，而仅使用FEMA的数据时这一比例为9.2%，仅使用NOAA的数据时为9.5%；同时受到影响的设施有925个（占4.2%），而仅使用FEMA的数据时为1,096个，仅使用NOAA的数据时为1,153个。不同行业的受影响程度存在差异，其中石油化工和石油设施的受影响率最高。特定类型的设施，如石油港口、液化天然气终端和水电站，尤其容易受到洪水影响。在NOAA的数据范围内，不同数据源之间的信息一致性较高（87.8%），但仅使用NOAA的数据时，受影响的设施数量远超过仅使用FEMA的数据；热点分析揭示了额外的沿海风险区域：NOAA更关注连续的沿海地带（德克萨斯州至路易斯安那州的墨西哥湾沿岸、佛罗里达州、中大西洋地区、纽约州至新泽西州的港口以及普吉特海湾），而FEMA则更关注密西西比河沿岸和俄亥俄州至田纳西州走廊内的内陆地区。超过5200万人居住在距离FEMA划定的洪水危险区域5英里以内的电力设施附近，或距离石油设施5英里以内的地区，这凸显了基础设施中断对社会的影响。据我们所知，这是首次将FEMA和NOAA的灾害数据集结合起来进行全国范围评估的研究，为韧性规划提供了更全面的基础，并重点关注了风险最高的行业和社区。

引言

美国的能源基础设施（EI）被广泛认为是至关重要的生命线系统，其中断可能迅速引发其他行业的连锁故障。早期的防护措施主要集中在战时破坏、燃料供应中断和恐怖袭击等方面（Lohmann等人，2022年）。随后，总统政策指令21将防护范围扩展到所有类型的灾害，包括物理威胁、极端天气、网络攻击、流行病和供应链中断（DHS，2013年）。最近的飓风、洪水和野火事件凸显了全国能源资产的物理脆弱性（Eskandarinejad等人，2025年；Pappalardo和La Rosa，2023年；Supratman等人，2025年）。新兴研究表明，能源系统的故障可能会波及交通运输、医疗保健和应急响应领域，随着气候变化加剧灾害风险并加深各行业之间的相互依赖性，这种影响将进一步放大（Fahad等人，2022a，2022b；Lu等人，2025年；Nazari等人，2025年；Pant等人，2018年）。 自然灾害会对能源基础设施造成直接物理损害，扰乱关键服务，并在相互关联的系统中引发连锁故障（Asaridis和Molinari，2023年；Kusmajaya等人，2025年；Sun等人，2021年）。2012年的桑迪飓风就是一个典型的例子：停电影响了超过800万用户，并导致通信和公共服务的广泛中断（Henry和Ramirez-Marquez，2016年）。后续的洪水事件，包括哈维飓风和玛丽亚飓风，也暴露了美国能源系统的关键弱点，停电影响波及交通运输、医疗保健和应急响应网络（Hoff等人，2025年；Kaushal等人，2024年；NERC，2018年；NOAA，2018年；Tang等人，2025年）。这些连锁反应表明，能源基础设施的洪水风险不仅是一个资产保护的技术问题，也是一个具有广泛社会后果的公共安全问题（Museru等人，2024年）。 鉴于这些趋势，能源基础设施的暴露情况已成为当代脆弱性和韧性评估的核心。联邦紧急事务管理局（FEMA）的Hazus多灾害模型能够模拟变电站和输电线路的故障，并在人口普查区级别绘制停电影响范围（FEMA，2024年）。美国人口普查局的社区韧性评估纳入了洪水事件下的停电情景（美国人口普查局，2022年），而国家标准与技术研究院（NIST）将能源系统的脆弱性指标纳入跨行业韧性框架中（Gerst等人，2024年）。FEMA的2023年社区韧性挑战指数同样结合了变电站故障概率和社会经济指标，以指导减灾资金分配（FEMA，2023年）。进一步的研究表明，高度依赖可靠电力供应的设施（如应急避难所和透析中心）往往面临更高的洪水风险（Porter等人，2021年），这促使人们呼吁各州对能源基础设施的脆弱性进行审计（FAS，2025年）。 在各种自然灾害中，洪水是美国最频繁且经济损失最大的灾害类型，近期研究显示内陆和沿海洪水造成的损失都在增加（Bradbury等人，2015年；Kordani等人，2024年；Museru等人，2025年；Fahad等人，2022a，2022b；Nazari等人，2022a，2022b）。然而，全国范围内的能源基础设施洪水风险评估通常将内陆河流和沿海过程分开处理，或者仅依赖单一的灾害数据集，而这些数据集无法完全反映复合型或沿海洪水的影响。大多数研究使用FEMA的国家洪水危险层（NFHL）来绘制特别洪水危险区域（SFHAs；年发生概率≥1%的洪水）及相关区域，用于监管和保险目的。尽管NFHL具有权威性且被广泛使用，但它未能完全捕捉到动态的沿海过程或多因素驱动的沿海洪水。来自国家海洋和大气管理局（NOAA）的补充灾害数据（用于沿海洪水暴露地图）虽然整合了风暴潮、高潮汐洪水、海平面上升等相关因素，但在能源基础设施评估中很少与FEMA的数据结合使用。因此，在河流SFHAs与沿海危险区域重叠或相邻的双重灾害区域，能源基础设施的暴露情况仍缺乏详细研究。图1展示了这种内陆-沿海的重叠情况，这也是我们在后续分析中使用两个互补洪水危险数据集的原因。 为了保持概念的清晰性，我们采用了政府间气候变化专门委员会（IPCC）的定义框架，该框架将风险定义为灾害（H）、暴露（E）和脆弱性（V）的函数。将这一框架应用于能源基础设施，能源基础设施的洪水风险（R_EI）可以表示为洪水危险（H_EI）、能源基础设施暴露（E_EI）和能源基础设施脆弱性（V_EI）的函数。从规划和风险管理的角度来看，暴露（E_EI）和脆弱性（V_EI）都是可采取的风险降低措施。通过避免在已知洪泛区选址，可以减轻暴露风险（E_EI）；而通过结构加固、提高建筑物高度、增加冗余以及采取操作系统加固或确保备用电源等操作措施，可以降低脆弱性（V_EI）。 本研究重点关注洪水风险的暴露方面。具体而言，我们（i）使用FEMA的SFHAs和NOAA的沿海综合洪水危险区域来量化设施的暴露程度，（ii）绘制暴露的空间模式及内陆-沿海双重灾害区域，（iii）利用暴露设施周围的5英里缓冲区来估算社区层面的居民暴露情况。 联邦和地方的洪泛区政策对能源基础设施的选址决策具有重要影响。1968年建立的全国洪水保险计划（NFIP）将社区获得洪水保险的资格与遵守最低洪泛区管理标准挂钩（NFIA，1968年）。FEMA发布了具体指导，建议不要在高风险洪泛区设立关键设施（FEMA，2007年），并最近建议包括发电厂和应急响应中心在内的关键设施至少要达到500年一遇的洪水标准（FEMA，2020a）。然而，这些指南的实施是分散的，因为土地使用决策和基础设施选址通常由州和地方层面决定，导致全国范围内的执行情况不均衡。因此，能源基础设施实际面临的洪水风险在空间上存在差异，有些州执行严格的标准，而有些州则允许更高的风险水平。 同时，在全国范围内的洪水风险评估中，洪水灾害的表示方法仍存在不足。大多数研究仅依赖FEMA的NFHL数据。尽管NFHL具有权威性，但它未能完全捕捉到动态的沿海过程或复合型洪水。虽然NOAA的沿海综合灾害数据适用于沿海韧性评估，但在能源基础设施评估中很少与FEMA的数据结合使用。因此，依赖单一数据集可能会导致低估或错误描述暴露情况，特别是在沿海能源走廊和内陆-沿海过渡区。 这种不均衡的监管实践和不完整的灾害表示方法凸显了需要一个统一的、全国范围的评估方法，以更准确地评估能源基础设施的洪水暴露情况。为了解决这一差距，本研究做出了三项贡献：首先，我们开发了一个双数据集框架，结合FEMA的NFHL和NOAA的沿海综合数据，以量化能源基础设施对内陆和沿海洪水风险的暴露情况；其次，我们使用分级地图和局部Getis-Ord Gi*聚类方法（Fahad等人，2022a；Fahad等人，2022b）分析了多个地理尺度（国家、州和县）和基础设施类别的暴露模式，以识别统计上显著的热点和冷点；最后，我们通过将暴露设施周围的5英里缓冲区与WorldPop的人口网格数据相结合，估算了居民暴露情况，从而将能源基础设施的暴露情况与社区风险联系起来。 这些贡献共同构成了首次在全国范围内、设施层面应用FEMA和NOAA洪水危险数据集来评估能源基础设施暴露情况的研究。研究结果为优先考虑韧性投资、完善选址和改造政策提供了实证依据，并为减少美国能源系统的洪水风险提供了政策指导。

研究片段

洪水地图

本研究使用了两个互补的全国性数据集来描述美国能源基础设施的洪水暴露情况。第一个数据集是FEMA的NFHL，它提供了基于洪水保险费率地图（FIRMs）的详细洪水区域信息。2025年6月，我们从FEMA洪水地图服务中心获取了所有50个州、华盛顿特区和美国领土的NFHL文件地理数据库（.gdb）版本（FEMA，2025年）。FEMA的洪水危险区域是根据水文和水利分析划定的。

全国范围内能源基础设施的洪水暴露情况

在分析的21,988个设施中，有3,174个被归类为受洪水影响，这是基于FEMA的1% SFHA和NOAA沿海综合危险区域的联合判断。这占所有设施的14.4%，表明双数据集方法比单独使用任一数据集都能识别出更多处于风险中的设施。在受影响的设施中，有2,021个同时位于FEMA的SFHAs范围内，2,078个至少位于一个NOAA的沿海危险区域内；另有925个设施同时位于这两个范围内，而只有1,096个仅受FEMA的影响，1,153个仅受NOAA的影响（见图4）。

讨论

研究表明，FEMA的NFHL和NOAA的沿海综合数据分别捕捉到了美国能源基础设施洪水暴露情况的显著但不同的方面。FEMA的SFHAs主要覆盖了主要河流沿岸和一些内陆流域的河流和沿海洪泛区。相比之下，NOAA的综合数据强调了多因素驱动的沿海灾害，包括风暴潮、高潮汐洪水和海平面上升，这些灾害集中在低洼的沿海地区。

结论

本研究开发了一个全国范围的、设施层面的框架，通过结合FEMA的国家洪水危险层和NOAA的沿海综合危险数据，量化了美国能源基础设施的洪水暴露情况。通过整合这两个数据集，我们在21,988个设施中识别出3,174个受影响的设施（占14.4%），这一比例远高于单独使用任一数据集的结果。分析表明...

作者贡献声明

Sohail Ahmed Tufail：负责撰写初稿、方法论制定和正式分析。 Rouzbeh Nazari：负责撰写、审稿和编辑、监督工作、资源协调、项目管理和方法论制定、资金筹措以及概念构思。 Mohammad Reza Nikoo：负责撰写、审稿和编辑、监督工作、项目管理和方法论制定、资金筹措。 Maryam Karimi：负责撰写、审稿和编辑、监督工作、项目管理和方法论制定、资金筹措。 Mujungu Lawrence Museru：负责数据可视化及验证工作。 Mohammad Ismaeil Kamali：

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。