《Applied Geography》：Intensive population exposure in urban waterlogging-prone areas: From the perspective of spatial continuum of the urban environmental system
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本研究以深圳为例，构建三层空间框架分析城市内涝风险，揭示生物物理变量（如土壤保持、绿地比例）与内涝的空间关联性，发现高风险区域67处且人口密度增幅达65.9%。
田虎|吴建生|孙英翔
中国北京，首都经济贸易大学城市经济与公共管理学院，大城市区域可持续发展建模重点实验室，邮编100070
摘要
城市内涝日益被视为一种系统风险，其根源在于城市环境系统的退化。尽管现有研究主要集中在淹没概率和深度上，但内涝背后的系统脆弱性和空间模式仍不甚明了。以深圳为例，本研究构建了一个三层空间框架，将历史淹没点与缓慢变化的生物物理过程联系起来。进一步划分了易发生内涝的区域和空间连续体，以探讨空间-人口暴露模式。研究结果表明，城市环境系统的某些部分正在经历不可持续的过程，这从关键生物物理变量的显著下降中可见一斑。这些变量表现出阈值控制行为：在淹没点周围约1.4公里范围内急剧下降，然后在更远的地方逐渐稳定。在划分出的易内涝区域内，共绘制出了67个高风险空间连续体。尽管这些连续体仅包含总人口的20-21%，但在2006年至2016年间，这些区域的人口密度却增长了65.9%。研究结果表明，城市环境系统在某些区域已进入易内涝的脆弱状态。鉴于高风险内涝区域与人口密集区的空间重叠，迫切需要制定有针对性的适应策略和监管干预措施。
引言
城市内涝已成为城市安全面临的关键挑战，体现了人类世时期的典型风险（Keeler等人，2019年）。在建筑密集的城市中，这种系统风险更加严重，因为大量不透水表面的聚集和排水能力不足导致了快速径流和反复淹没的必然结果。为了应对降雨强度增加的预测，人们正在采取一系列适应策略，以减少人口暴露并增强城市区域的韧性（Barbour等人，2022年；Rentschler等人，2023年）。
现有研究通过模拟极端降雨、地形和排水基础设施之间的相互作用，有效地绘制了内涝灾害的地图，特别是其概率和深度。然而，这种范式主要将内涝视为离散事件的水动力结果，而非城市环境变化的系统症状（Tellman等人，2021年）。因此，一个关键的理论前提经常被忽视：反复出现的内涝可能预示着城市环境系统内部的更深层次转变（Li等人，2023年；Robinson & Uehlinger，2008年）。根据韧性理论，当长期压力使缓慢变化的变量超过临界阈值时，系统吸收降雨干扰的能力会从根本上减弱（Walker & Salt，2006年）。虽然实证研究表明内涝与生物物理因素（如绿地覆盖率、土壤保持能力和碳封存）的退化之间存在强相关性（Li等人，2020年），但这种功能不稳定的空间范围和表现仍缺乏量化（Hauer等人，2021年；Smith，2011年）。
这一理论空白导致了在划定易内涝区域时的两个主要障碍。首先，现有方法往往过分强调静态和结构性因素，而忽视了动态生物物理过程的关键作用（Balaian等人，2024年；Karim等人，2023年）。其次，淹没点通常被分析为孤立事件，从而未能捕捉到更广泛和空间连续的脆弱性场。这些限制阻碍了对潜在风险的机制理解以及对干预优先区域的精准识别。
在评估人口暴露的时空动态方面仍存在很大不确定性。当前的暴露评估通常依赖于粗略的行政分区或静态流域边界。这种方法倾向于在大空间单元内过度概括风险，忽略了动态的城市景观。在人口密集且快速增长的城市中，这种差异尤为明显，因为人口越来越多地聚集在高价值的城市核心区域（Stevens等人，2015年）。此外，这些经济活跃区域在空间上往往与面临严重内涝压力和累积人为影响的区域重合（Chen & Sun，2021年）。因此，依赖聚合或静态空间单元可能会低估这些关键位置的暴露情况，导致风险准备不足和适应资源分配效率低下。由此产生了一个关键的反馈循环：人口暴露不仅是内涝风险的核心决定因素，还会加剧社会生态脆弱性（Song等人，2019年；Stolte等人，2024年）。因此，准确分析内涝影响的非均匀时空分布对于有效的风险治理和干预优先级排序至关重要（Murray，2012年；UNDRR，2020年）。
为了解决这些不足，本研究将历史淹没点重新概念化为系统脆弱性的症状指标，并为深圳市的城市内涝问题提出了一个三层分析框架。首先，我们通过分析五个缓慢变化的生物物理变量（包括土壤保持能力、水分产出、总初级生产力以及城市和农村地区的绿地比例）的时间趋势，诊断出城市环境系统中的不可持续过程。其次，我们通过量化这些生物物理变量与不同流域和距离尺度上的内涝之间的关系，划定易内涝区域。在此基础上，我们整合了道路密度、建筑密度和排水基础设施数据，计算出一个综合风险指数。该指数使我们能够识别出内涝的空间连续体，在这些连续体内，内在的生物物理脆弱性因建成环境而加剧。最后，我们量化了这些空间明确连续体内的人口暴露情况，从而弥合了生物物理变化及其社会生态后果之间的理解差距。通过阐明城市环境系统对内涝的响应，本研究旨在推进关于城市系统脆弱性的理论知识，并为基于韧性的城市规划策略提供依据。
概念框架
本研究的核心假设是，城市环境系统处于一种脆弱状态，其特征是关键生物物理过程的显著退化。这种加剧的系统脆弱性在空间上表现为反复发生的淹没。我们开发了一个理论模型来解读城市环境系统对外部干扰的响应（图1a）。该模型假设，在长期压力下，关键缓慢变化的变量（如土壤保持能力）
方法
本研究分为五个步骤进行。首先，评估了内涝的严重程度。其次，评估了关键生物物理变量。第三，分析了这些生物物理变量与内涝之间的关系。第四，识别了易内涝区域及其空间连续体。最后，量化了人口面临内涝风险的情况。
内涝严重程度评估。使用583个数据点评估了内涝的空间模式和严重程度
城市生物物理变量的时间变化
从2006年到2016年，几个城市生物物理变量呈现出下降趋势，表明城市环境系统内部存在不可持续的过程（图4a）。这些变量的变化轨迹分为两种不同的模式。包括土壤保持能力（SR）、城市绿地（UG）和农村绿地（RG）在内的变量总体上持续下降。SR总体下降了4.03%，年均下降率为?4.03%，导致总量减少了40.29%
城市环境系统中的脆弱状态
本研究确定，城市内涝与城市环境系统中缓慢变化的生物物理过程的动态密切相关。对这些过程的分析揭示了两个系统模式。首先，易内涝区域和非易内涝区域在结构和功能变量上存在显著差异。其次，这些变量表现出明显的距离衰减关系，在距离记录的淹没点约1.4公里以外保持稳定
结论
本研究通过分析城市内涝与缓慢变化的生物物理过程之间的关系，阐明了城市环境系统的脆弱状态。
证据表明，城市环境系统的某些部分正在经历不可持续的变化，其特征是土壤保持能力和绿地的同时下降，以及径流潜力的增加。绿地的快速丧失反映了调节淹没能力的结构性下降
田虎：撰写原始稿件、方法论设计、数据整理、概念构建。吴建生：验证、监督、资源协调、概念构建。孙英翔：软件开发、方法论设计。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号42130505）的支持。
