《Journal of Environmental Management》：Application of XGBoost using data from the oxygen reduction reaction of carbonaceous materials for H
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本文构建多阶段框架，整合社会经济不平等分析与绿色-灰色基础设施能力缺口，揭示中国城市洪水风险的HD与LD两种模式及其驱动机制。基于2000-2018年卫星数据与统计资料，分析发现：1）城市内呈现高发展偏向（HD）与低发展偏向（LD）双模式，风险比达1.4；2）LD模式灰色基础设施缺口显著（6%）；3）综合物理风险与分布负担的HEV指数及公平性调节因子，识别四大风险走廊。研究为资源高效、公平的洪水缓解策略提供科学依据。
何振|黑京豪|吴志强|奥特海因·赫尔佐格|李兰|杨婷|李翔
同济大学建筑与城市规划学院，上海，200093，中国
摘要
降水极值的增加和快速的城市化正在全球范围内重塑城市洪水风险。然而，很少有研究同时评估城市内部的暴露不平等现象以及国家层面的绿色-灰色基础设施能力。本研究采用了一个多阶段框架，结合统计建模和机器学习方法，分析了2000年至2018年间中国303个城市中超过30,000个城镇的洪水暴露情况。洪水风险数据来自基于卫星的淹没范围图，而人口、发展水平、绿化程度和灰色基础设施的数据则来源于遥感和统计资料。首先，我们识别出两种城市内部的洪水暴露模式：高发展偏向型（HD）和低发展偏向型（LD），这两种模式的风险比率约为1.4。这些模式在空间上具有聚集性，并且在社会经济和绿色-灰色基础设施指标方面存在差异。其次，通过比较绿色-灰色基础设施的缺口发现，绿色基础设施的不足具有普遍性，表明这是各城市的基本需求。第三，我们将风险、暴露程度和脆弱性整合成一个综合的城市级风险指数，并通过一个不平等因素进行调节，从而同时考虑了物理风险和分布负担。在中国，风险热点主要分布在四个区域：四川-重庆-云南走廊、东南沿海地区、长江中下游走廊以及中国东北部部分地区。这一结果反映了湿润的南部和西南部地区的风险聚集现象，沿海和内陆走廊地区的暴露程度较高，以及东部地区的脆弱性逐渐增加。这一综合框架提供了一种关注公平性的风险分解方法，有助于在中国及其他地区制定可转移、资源高效的洪水缓解策略。
引言
气候变化正在加剧全球范围内的极端降雨和洪水事件（IPCC，2023）。温暖的大气层能够容纳更多的水分，导致更强烈的暴雨，从而增加城市洪水的频率和严重程度（IPCC，2023）。最近的研究进一步证明了气候变化下极端降水的加剧（Donnelly等人，2022；Riazi等人，2025）。与此同时，快速的城市化增加了不透水表面的面积，减少了水分渗透并加速了径流，从而加剧了城市洪水的峰值。这些因素共同作用，导致过去几十年里生活在洪水易发地区的全球人口急剧增加（Rogers等人，2025；Soebroto等人，2025）。中国作为一个大型且快速城市化的国家，面临着极高的洪水风险（L. Wang等人，2025），属于受洪水影响最严重的国家之一（Long等人，2025；X. Zhou等人，2025）。中国的许多大城市位于河流三角洲和沿海洪泛区，这些地区的快速发展使得城市土地面积在1992年至2015年间增加了500%以上（Du等人，2018）。因此，中国快速发展的沿海和河畔城市在气候变化和城市扩张的双重影响下面临着日益严重的洪水风险（Elliot等人，2025；Jiang等人，2023）。
关于洪水暴露中的社会经济差异的先前研究表明，社会经济边缘化社区往往承受着不成比例的洪水暴露和影响（Kephart等人，2025；Ronco等人，2023）。例如，在276个拉丁美洲城市中，受教育程度最低的社区居民居住在洪水影响区域的可能性是受教育程度最高的社区的4.3倍（Kephart等人，2025）。然而，在中国的城市背景下，情况较为复杂。经济发达且人口密集的城市反而具有更高的洪水暴露率（S. Liu等人，2025；Xu等人，2025；Islam和Wang，2024），这与通常的预期相反。像珠江三角洲这样的沿海繁荣地区（例如广东省）经常遭受严重的洪水，导致高度发达的城市中心遭受巨大的经济损失（X. Zhou等人，2025）。与此同时，一些不发达的山区（例如四川省和云南省的部分地区）会遭受突发性洪水，造成大量人员伤亡（Lan和Yan，2024；Wu等人，2024），尽管这些地区对总经济暴露的贡献较小。因此，中国的洪水暴露情况可能具有双重特性，这与拉丁美洲和其他国家的证据不同。在某些地区，较贫困的内陆社区面临更高的暴露风险和有限的适应能力，而在其他地区，富裕的沿海城市则将人口和资产集中在危险区域，导致洪水发生时损失巨大（Jiang等人，2023）。虽然中国的现有洪水风险政策已经开始认识到空间差异，但往往缺乏关于这种不平等的规模和根本原因的系统性、定量证据（X. Liu等人，2025）。因此，当前的框架难以有针对性地解决风险模式的根本原因（L. Cheng等人，2025）。根据IPCC AR6风险框架（IPCC，2023），风险源于灾害、暴露和脆弱性之间的相互作用。在中国，不均衡的发展通过在不同地区重新分配暴露程度和适应能力，加剧了气候放大的洪水影响，使得洪水暴露的社会经济梯度变得明显。
在干预层面，增强城市洪水韧性需要利用互补的绿色和灰色基础设施（Yao等人，2022）。绿色基础设施指的是自然或基于自然的系统（例如公园、湿地、植被覆盖区、透水表面，通常通过高NDVI指标表示），这些系统可以增强雨水的渗透、储存和排放，延缓径流并减少洪水峰值（Khodadad等人，2025；Supratman等人，2025；K. Zhou等人，2024）。相比之下，灰色基础设施指的是人工建造的结构和系统（例如雨水管道、排水系统、堤坝、滞留池和泵站），用于输送或控制洪水（W. Chen等人，2021；Mananoma等人，2025）。它们的有效性具有高度非线性：当降雨量超过设计阈值时，灰色系统可能会达到饱和或失效，而绿色措施可以缓冲频繁发生的洪水事件并提供分布式储存，但在极端情况下可能受到空间、维护和饱和度的限制（Ahmadi等人，2024；Torabbeigi等人，2024；Tsegaye等人，2019）。因此，设计稳健的城市洪水防御系统需要将灰色基础设施与绿色自然解决方案相结合。理解这两种基础设施如何协同工作对于制定适应性强、成本效益高的洪水缓解措施至关重要。
尽管人们越来越认识到城市洪水风险管理中暴露不平等和基础设施协同作用的重要性（Jia等人，2024），但在全面连接这两个维度方面仍存在显著差距。大多数研究要么关注洪水暴露中的社会脆弱性和社会经济不平等（Chang等人，2021），要么评估物理基础设施（如绿色和灰色基础设施）在减轻城市洪水风险方面的有效性（Ali等人，2025；J. Li等人，2024），但这些分析通常是孤立的。目前缺乏明确研究城市洪水风险如何同时与社会经济不平等和物理适应策略相互作用的研究，特别是在中国快速城市化的背景下（K. Cheng等人，2025）。解决这一关键知识空白对于制定公平、有效和可持续的洪水韧性策略至关重要，这些策略需要充分考虑洪水风险的空间分布以及社会和物理措施所提供的适应能力。
为了解决这一空白，我们提出了一个针对中国城市洪水风险和适应的新颖多阶段机器学习框架。该框架将社会经济暴露不平等分析与绿色和灰色基础设施评估相结合，以深入理解极端环境下的城市洪水韧性。利用基于卫星的淹没范围图（2000–2018年）以及城镇级别的遥感和统计数据，我们对全国303个地级城市和超过30,000个城镇进行了分析。在三个阶段、多尺度的框架指导下，我们实现了三个目标：首先，我们量化并模拟了洪水暴露中的社会经济不平等，识别出两种相反的城市内部发展偏向模式：高发展偏向型（HD）和低发展偏向型（LD），并推导出一个城市级别的暴露不平等指数（|logRR|）。然后，我们根据模式分别估计了多层次的贝叶斯逻辑模型，揭示了城镇和城市层面驱动因素在社会经济和绿色-灰色基础设施指标方面的差异。其次，我们使用极端梯度提升（XGBoost）回归方法构建了城镇级别的绿色（NDVI）和灰色（基础设施密度）能力的基准数据，绘制了能力缺口的空间分布图，并比较了HD和LD之间的结构差异（HD下的灰色基础设施缺口更为普遍）。第三，根据IPCC AR6风险框架，我们整合了一个综合的城市级风险指数（HEV），并使用一个关注公平性的调整项来生成风险地图，从而定位风险热点并排名前30个城市。这种基于公平性的HEV整合方法将暴露不平等与保护能力缺口联系起来，将城市风险归因于灾害聚集、洪水城镇的暴露集中以及绿色-灰色保护的不足，从而实现跨城市的诊断和优先排序。该框架支持以公平性为导向、资源高效的风险优先排序，以弥补保护缺口并增强中国及其他地区在气候变化下的城市洪水韧性。
方法
我们开发了一个三阶段的国家框架，用于评估中国洪水暴露中的社会经济不平等和综合城市洪水风险（图1），整合了全球洪水数据库（2000–2018年）、社会经济指标、地形/气候协变量以及绿色-灰色基础设施指标。洪水暴露被定义为2000–2018年期间长期存在的倾向指标（≥1次记录的洪水）。然后，我们使用了与2020年人口普查对齐的统一后期协变量（NDVI、VIIRS夜间灯光等）。
受洪水事件影响的人口的空间差异
图2显示，2000–2018年间至少经历过一次洪水的城镇中居住的人口比例的分布显示，中国的暴露程度存在明显的空间异质性。沿海省份尤为突出，这与先前的研究结果一致，即中国人口最多的南部省份广东省的暴露人口显著增加（Tang等人，2025）。同时，在湿润且地形复杂的西南内陆地区也出现了高暴露集群。
讨论
通过分析中国300多个城市中的30,000多个城镇的数据，我们识别出两种城市内部的社会经济梯度模式，这些模式在空间上具有明显的聚集性和区域特征，这与拉丁美洲的情况不同，在拉丁美洲，洪水暴露通常倾向于较低社会经济地位的社区（Kephart等人，2025）。在繁荣的走廊和集聚区，高价值的发展和密集的人口扩展到了洪泛区和沿海地区。
结论
本研究开发了一个全国性的、多尺度的框架，将洪水风险、暴露程度和绿色-灰色基础设施缺口联系起来，并增加了一个关注公平性的指数。我们识别出两种相反的城市内部暴露模式（HD vs. LD），并表明它们的驱动因素在城镇和城市层面存在差异。全国范围内的统计结果显示，两种模式在绿色基础设施能力方面没有结构性差异，而灰色基础设施的缺口在LD模式下更为普遍。将不平等因素纳入分析中...
作者贡献声明
何振：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、资源整理、方法论设计、调查、数据分析、概念化。黑京豪：撰写——初稿撰写、可视化、调查、数据整理。吴志强：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源整理、方法论设计、概念化。奥特海因·赫尔佐格：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源整理、方法论设计、概念化。李兰：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
