Evaluation of Urbanization Impacts on Flood Generation in the Adigrat Watershed, Northern Ethiopia

那座学会了跑得太快的城市

想象一下，一个流域就像一块巨大的天然海绵。下雨时，这块海绵会吸收水分，让水缓慢渗入地下，随着时间的推移温和地补给河流。这就是大自然处理风暴的通常方式。但城市不同。当我们建造道路、房屋和停车场时，我们用坚硬、不透水的混凝土和沥青覆盖了那片柔软、具有海绵特性的土地。在水文学（研究水如何在陆地上流动的科学）的世界里，这是一个大问题。这些坚硬的表面被称为“不透水面”，意味着水无法穿透它们。雨水不再是渗入地下，而是无处可去，只能顺着表面流下，像赛车在赛道上疾驰一样向下奔涌。

科学家使用特殊的计算机程序来预测当这些天然海绵被混凝土覆盖时会发生什么。其中最流行的工具之一叫做 HEC-HMS。把它想象成一个数字时光机，让研究人员可以回溯或快进多年的天气变化，通过改变城市的地图来观察水会对环境做出何种反应。他们会观察诸如“曲线数”（Curve Number）之类的指标，这基本上是一个分数，告诉我们特定的一块土地会允许多少水渗入，以及会有多少水产生径流。分数越高，径流就越多。随着城市的扩张，这些分数也会上升，河流也会更快地变得“愤怒”。这很重要，因为如果一个城市在没有规划水利的情况下过度扩张，结果不仅仅是一个水洼，而是一场可能冲毁房屋和道路的洪水。

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阿迪格拉特实验：当海绵变成石头

在埃塞俄比亚北部，有一个名叫阿迪格拉特（Adigrat）的城镇。像世界上的许多地方一样，它正在快速增长，每年的建筑和道路都在不断增加。来自阿克苏姆大学（Aksum University）的一个研究小组想要知道：究竟是这种增长改变了当地流域内洪水的行为方式？他们不仅仅是在猜测；他们利用 30 米分辨率的地形网格和两份不同年份的土地利用图，为阿迪格拉特流域构建了一个“数字孪生体”：分别是 2000 年和 2018 年。

由于阿迪格拉特流域内部没有直接测量流量的水文站，科学家们必须运用智慧。他们借用了附近一个名为 Sluh 的观测站的数据，并使用了一种叫做“面积比法”（area-ratio method）的数学技巧，来估算阿迪格拉特的水流情况。他们将这些数据连同土壤图和降雨记录一起输入到 HEC-HMS 计算机模型中。他们利用 1998 年至 2012 年的数据对模型进行了“校准”（像调收音机一样进行微调），并使用 2013 年至 2017 年的数据对其进行了“验证”，以确保模型的预测是真实的。模型运行良好，显示出其预测值与现实世界数据之间存在高度吻合。

接下来是重头戏：对比。研究人员运行了两次模型。首先，他们模拟了如果流域仍保持 2000 年那种大规模城市化爆发前的样子，会发生什么。然后，他们使用 2018 年的地图再次运行，此时更多的土地已被转化为建筑和道路。结果清晰地表明，城市的变化改变了水的行为。

速度与激增
最引人注目的发现是洪水变得有多快、多大。在 2000 年，离开流域的峰值流量为 6.1 m³ s⁻¹。到 2018 年，经过多年的城市化进程，该峰值跃升至 8.8 m³ s⁻¹。这意味着水流撞击出口时的速度和力量增加了 30.68%。这不仅仅是稍微变快了一点；水流正以显著增强的力量奔涌而出。

不仅是速度，洪水的总水量也增加了。洪水量从 2000 年的 166.49 × 10⁶ m³ 增加到了 2018 年的 215.09 × 10⁶ m³。这是 29.19% 的增幅。简单来说，流域持水能力下降了，同时一次性倾倒出的水量更多了。

为什么会发生这种情况？
论文解释说，这是因为“曲线数”（径流得分）上升了。随着城镇的扩张，不透水表面（混凝土和岩石）的比例增加，而“初始抽象量”（即地面在开始产生径流前能吸收雨水的量）减少了。水无处躲藏。

模型还显示，“滞后时间”（lag time）和“汇流时间”（time of concentration）缩短了。想象一场接力赛，以前的跑者在每个站点都会停下来系鞋带；而现在，他们直接全速冲刺。水到达流域底部的时间变短了。例如，在一个名为 W600 的子流域中，水流传输的时间从 14.87 分钟 降至 13.48 分钟。在另一个子流域 W710 中，时间从 7.46 分钟 降至 5.53 分钟。水的移动速度比以往任何时候都快。

并非每个角落都一样
有趣的是，洪水并非在所有地方都以完全相同的方式恶化。研究人员发现，洪水峰值的最大跳跃发生在流域的中心区域，即不同河流在 J99 和 R330 等交汇处汇合的地方。在这些中心点，峰值流量增加了约 2.0 至 2.6 m³ s⁻¹。然而，在一个名为 W710 的微型子流域中，峰值流量完全没有变化（保持在 0.2 m³ s⁻¹），这可能是因为它太小，无法感受到城市增长带来的全面影响。但即便如此，水流到达的速度也变快了。

隐藏的代价：后期水量减少
这种速度是有代价的。由于水在地面上流失得太快，它无法渗入地下以补充地下水。模型显示，“低流速”（即风暴过后河流中留下的水量）大幅下降。在流域出口处，残余流量从约 6.0 m³ s⁻¹ 降至 3.4 m³ s⁻¹，降幅达 43.3%。这座城市得到了更大的洪水，但河流在之后却干涸得更快了。

这对未来意味着什么
作者总结道，阿迪格拉特的快速城市化已经从根本上改变了该地区的物理水文特征。这座城市正变得不像海绵，而更像是一个滑梯。他们建议，如果该镇继续在缺乏规划的情况下扩张，洪水将会变得更加严重。论文建议，未来的城市规划必须包含“水文学考量”，例如保持天然排水路径畅通、建造滞洪池（作为暂时蓄水的巨大海绵），以及使用透水铺装。

该研究承认其存在局限性。由于必须借用附近观测站的数据，存在一定的确定性偏差。此外，他们仅观察了两个年份（2000 年和 2018 年），并假设降雨保持不变，并未考虑气候变化的影响。但模拟结果是明确的：混凝土城市正让水流得更快、更猛、水量更大。其传递的信息是：如果你想让一座城市保持安全，你必须在浇筑混凝土之前，先为水做好规划。