Geosciences: Опасность и риск наводнений в городских районах
Введение
Поймы и долины всегда были предпочтительными местами для человеческого присутствия. Первые крупные города в истории человечества, независимо от континента, связаны с долинами крупных рек. Преимущества таких поселений были очевидны, как и гидрологические риски, отражённые в катастрофах различной величины, которые стали сезонной — более или менее ожидаемой — частью жизни населения, проживающего на берегах рек.
К первой четверти XXI века физический процесс наводнения, его инициирующие и обуславливающие факторы достаточно изучены — несмотря на постоянные открытия и новые перспективы знаний, которые принимались как должное десятилетия назад, которые продолжают существовать, подкреплённые глобальными данными и модельными оценками, например, [1], но они приобретают дополнительную сложность в городских районах. Эта сложность возникает не только из-за моделирования восприимчивости к наводнениям и опасностей, но и из-за наличия различных элементов риска, каждый из которых имеет свои собственные характеристики уязвимости и адаптивную способность [2].
Что касается опасности, то в дополнение к неопределённостям в использовании рядов данных об осадках из-за меняющихся структур интенсивности и частоты необходимо учитывать сложность моделирования гидродинамического поведения в такой изменённой среде: подземное направление стока, роль удерживающих бассейнов, эффект восстановления или ренатурализации русла реки и взаимодействие с комплексными или каскадными опасностями (повышение уровня моря, таяние льда вверх по течению, более интенсивные и частые океанские штормы, прибрежная эрозия…).
С социальной стороны выравнивания риска наводнений продолжающийся рост городов по-прежнему недостаточно учитывается правилами пространственного планирования, или, если учитывается, часто наблюдается чрезмерная зависимость от серой инфраструктуры, что даёт ложное чувство безопасности. Это привлекает внимание к таким концепциям, как социогидрология, занимающаяся поведенческими структурами сообществ перед лицом заданных вероятностных и предполагаемых сценариев риска наводнений [3,4]. Занятие земель также неравномерно, часто резервируются самые опасные районы для наиболее уязвимого населения.
Почти все материалы для этого специального выпуска ссылались на исторические записи о наводнениях и потерях, либо для простого предоставления контекста, либо в поддержку более тщательного анализа и моделирования, что подкрепляет необходимость инвестировать в стандартизированную, целостную и подробную отчетность о событиях [5], с признанием того, что невозможно знать, что нужно для устранения риска и сокращения потерь, когда не полностью известно, что именно потеряно [6].
Участие граждан имеет решающее значение для сокращения потерь от наводнений в городских районах, будь то путём улучшения моделей оценки опасности посредством предоставления местных данных, участия в чрезвычайных и восстановительных операциях или, что наиболее важно, путём участия в процессах принятия решений в идеале до того, как произойдут бедствия.
Научное сообщество твёрдо привержено решению этих проблем [7] в процессе, требующем участия как государственного, так и делового секторов, а также организованного гражданского общества (как заинтересованных сторон) или посредством моделей стигмергии (форм самоорганизации), следуя принципам и передовой практике гражданской науки. В изначально сложном и взаимосвязанном мире желательны неформальные и формальные процессы управления чрезвычайными ситуациями и рисками, с обучением и внедрением передовой практики с обеих сторон [8]. Модели управления рисками предполагают такой подход, при котором участие и взаимодействие всех заинтересованных сторон ставятся в основу процессов предварительного мониторинга, оценки, суждения, принятия решений и управления.
Этот специальный выпуск Geosciences объединяет семь научных статей, в которых рассматриваются критические аспекты риска наводнений, влияние изменения климата, урбанизация и растущая важность устойчивого землепользования и устойчивости инфраструктуры. Авторы освещают инновационные методологии, тематические исследования из разных регионов и междисциплинарные подходы к пониманию и смягчению сложных проблем, связанных с опасностями и рисками наводнений в городских районах. Ниже представлено резюме основных вкладов каждой статьи.
Обзор материалов для специального выпуска
Shen et al. [9] рассматривают растущую угрозу, которую представляет собой вызванное изменением климата прибрежное наводнение в городских условиях. Их исследование с помощью динамического моделирования сосредоточено на Норфолке, Вирджиния, США, городе, который сталкивается с растущими рисками как внутренних наводнений, так и штормовых нагонов. Моделируя текущие (2020 г.) и будущие (2070 г.) климатические сценарии, авторы оценивают, как транспортная инфраструктура, особенно критически важные дороги, может быть затронута. Исследование подчёркивает совокупное воздействие повышения уровня моря и увеличения интенсивности штормов, призывая городских планировщиков интегрировать эти прогнозы в проектирование и поддержание устойчивой инфраструктуры. Обсуждаются результаты более упрощённого подхода «ванны» и более сложной динамической модели. Результаты исследования предоставляют ценную основу для политиков в прибрежных городах для подготовки к будущим наводнениям, подчёркивая необходимость надёжных стратегий адаптации, учитывающих меняющиеся климатические структуры.
Nouaceur et al. [10] провели статистический анализ, охватывающий почти 50 лет метеорологических данных и 33 года наводнений из Французского Средиземноморского бассейна, региона, известного своей подверженностью сильным ливням и внезапным наводнениям, затрагивающим городские районы. Авторы тщательно документируют частоту, интенсивность и распределение экстремальных осадков за 24 часа и 48 часов, сопоставляя их с наблюдаемыми наводнениями. Климатические индексы, такие как NOA, WMOI и SSTMED, были рассчитаны с использованием диаграммы когерентности (WCO). Их анализ выявляет различимые тенденции, отражающие более широкие сдвиги в региональной климатической динамике. Это исследование предлагает важные сведения о том, как изменчивость климата усиливает риски наводнений в Средиземноморье, предоставляя научную основу для будущих усилий по прогнозированию наводнений и смягчению их последствий. Авторы призывают к целенаправленным политическим вмешательствам, учитывающим эскалацию экологических и социальных последствий этих событий.
Khouz et al. [11] проводят оценку восприимчивости к наводнениям в провинции Эс-Сувейра, Марокко, используя обе статистические модели — модель соотношения частот иерархического процесса и веса доказательств — и инструмент гидрологического моделирования HEC-RAS. Их исследование оценивает различные факторы, способствующие риску наводнений, включая топографию, землепользование и режимы выпадения осадков. Авторы выявляют области высокой восприимчивости и выполняют гидродинамическое моделирование выше по течению, охватывая одну из наиболее критических выявленных городских территорий. Наконец, они предлагают меры по смягчению последствий, которые могли бы повысить устойчивое управление наводнениями в регионе. Объединяя статистический анализ с подробным гидрологическим моделированием, это исследование предоставляет комплексную структуру оценки опасностей, которая может направлять политиков и управляющих земельными ресурсами на снижение последствий будущих наводнений. Исследование подчёркивает важность интеграции статистических методов, применяемых на уровне бассейна, с подробным 2D-моделированием с использованием наземных данных в наиболее уязвимых районах для улучшения управления рисками наводнений в уязвимых районах.
Hossaki et al. [12] исследуют новый метод обнаружения наводнений, объединяя как физические дождемеры, так и методы сбора данных на основе социальных сетей. Используя пример из Бразилии, авторы демонстрируют, как объединение технологических инструментов с отчётами, предоставляемыми сообществом, может улучшить обнаружение наводнений в режиме реального времени в городских районах. Были оценены статистические корреляции между датчиками на месте, данными радаров, сообщениями в Twitter и наводнениями. Исследование подчёркивает ограничения традиционных систем мониторинга наводнений, которые часто не фиксируют локализованные наводнения. Вовлекая граждан в процесс мониторинга, авторы предлагают более инклюзивный и точный подход к обнаружению наводнений, способный повысить оперативность систем раннего оповещения. Это исследование подчёркивает важность участия науки в решении проблем городских наводнений и повышении готовности к стихийным бедствиям.
Lazzarin et al. [13] представляют всесторонний анализ эволюции риска наводнений за четыре десятилетия в микромасштабе, сосредоточившись на примере Италии. В своём исследовании они используют инновационную гидродинамическую модель в сочетании с моделью ущерба для оценки воздействия урбанизации и изменений в землепользовании на опасность наводнений. Исследование показало, что незапланированное расширение городов значительно увеличило подверженность наводнениям и уязвимость, особенно в районах, где были изменены или затруднены естественные дренажные системы. Оценивая исторические решения по планированию землепользования и их долгосрочные последствия, авторы предоставляют действенные рекомендации для будущего городского развития. Их работа подчёркивает необходимость хорошо информированной, устойчивой политики землепользования, которая отдаёт приоритет снижению риска наводнений в контексте растущего городского населения.
García-Botella and Ramón-Morte [14] анализируют влияние роста городов, обусловленного туризмом, на эфемерные средиземноморские водотоки, уделяя особое внимание популярному туристическому направлению Бенидорм, Испания. Авторы изучают, как быстрое расширение инфраструктуры и дренажных сетей усугубило риски наводнений в этом регионе. Они утверждают, что гидрологические и экологические последствия расширения городов, связанного с туризмом, особенно на водные системы, часто упускаются из виду при городском планировании. Применяемая методология подчеркнула важность официальных, стандартизированных и открытых баз данных для поддержки пиковой оценки и гидродинамического моделирования. Это исследование призывает к более строгим правилам и лучшему управлению водными ресурсами, чтобы гарантировать, что экономический рост не будет достигаться за счёт усиления экологической и городской деградации и уязвимости к наводнениям.
Schismenos et al. [15] проводят углублённое исследование взаимосвязи управления рисками наводнений, возобновляемой энергии и гуманитарной инженерии. Их исследование сосредоточено на двух географически различных регионах: Аггитис в Греции и Дхускун в Непале. В этих тематических исследованиях авторы подчёркивают роль технологий возобновляемой энергии, таких как микрогидроэлектростанции, в районах, подверженных наводнениям, где сосуществование критически важных объектов для выработки электроэнергии в районах, подверженных наводнениям, является проблемой. Они утверждают, что путём интеграции устойчивой энергетической инфраструктуры с местными методами снижения риска бедствий уязвимые сообщества могут значительно повысить свою устойчивость. Уроки, извлечённые из этих разнообразных контекстов, подчёркивают необходимость межсекторального сотрудничества и вовлечения общественности в реализацию эффективных стратегий смягчения последствий наводнений, которые служат как экологическим, так и энергетическим и гуманитарным целям.
Выводы
В совокупности эти статьи представляют многомерную перспективу рисков наводнений и острую необходимость в устойчивых решениях в условиях изменения климата и быстрой урбанизации. Вклады иллюстрируют важность принятия междисциплинарных подходов, сочетающих научные исследования, технологические инновации и участие сообщества. Поскольку города и регионы по всему миру продолжают бороться с растущей частотой и интенсивностью факторов, вызывающих наводнения, наряду с усугублением природных и антропогенных факторов, идеи и методологии, представленные в этом специальном выпуске, послужат ценными ресурсами как для исследователей, так и для практиков, стремящихся содействовать устойчивым и стабильным средствам к существованию в городских районах.
References
1 Liu, Y.; Wortmann, M.; Hawker, L.; Slater, L. Global Estimation of River Bankfull Discharge Reveals Distinct Flood Recurrences Across Different Climate Zones, 22 October 2024, PREPRINT (Version 1) available at Research Square. Available online: https://www.researchsquare.com/article/rs-5185659/v1 (accessed on 27 October 2024).
2 Díez-Herrero, A.; Garrote, J. Flood Risk Assessments: Applications and Uncertainties. Water 2020, 12, 2096
3 Mendoza Leal, C.; Coloma, R.; Ponce, D.; Alarcón, B.; Guerra, M.; Stehr, A.; Carrasco, J.A.; Alcayaga, H.; Rojas, O.; Link, F.; et al. The status quo effect in the sociohydrology of floods. Hydrol. Sci. J. 2024, 1–13.
4 Di Baldassarre, G.; Viglione, A.; Carr, G.; Kuil, L.; Salinas, J.L.; Blöschl, G. Socio-hydrology: Conceptualising human-flood interactions. Hydrol. Earth Syst. Sci. 2013, 17, 3295–3303.
5 Paprotny, D.; Terefenko, P.; Śledziowski, J. HANZE v2.1: An improved database of flood impacts in Europe from 1870 to 2020, Earth Syst. Sci. Data 2024, 16, 5145–5170.
6 UNDRR. Beyond Economic Losses: Towards a Holistic Approach on Tracking Losses and Damages. United Nations Office for Disaster Risk Reduction. 2024 Available online: https://www.undrr.org/media/100180/download? startDownload=20241118 (accessed on 2 October 2024).
7 Arheimer, B.; Cudennec, C.; Castellarin, A.; Grimaldi, S.; Heal, K.V.; Lupton, C.; Sarkar, A.; Tian, F.; Onema, J.-M.K.; Archfield, S.; et al. The IAHS Science for Solutions decade, with Hydrology Engaging Local People IN one Global world (HELPING). Hydrol. Sci. J. 2024, 69, 1417–1435.
8 Birkmann, J.; Buckle, P.; Jaeger, J.; Pelling, M.; Setiadi, N.; Garschagen, M.; Fernando, N.; Kropp, J. Extreme events and disasters: A window of opportunity for change? Analysis of organizational, institutional and political changes, formal and informal responses after mega-disasters. Nat. Hazards 2010, 55, 637–655.
9 Shen, Y.; Tahvildari, N.; Morsy, M.; Huxley, C.; Chen, T.; Goodall, J. Dynamic Modeling of Inland Flooding and Storm Surge on Coastal Cities under Climate Change Scenarios: Transportation Infrastructure Impacts in Norfolk, Virginia USA as a Case Study. Geosciences 2022, 12, 224
10 Nouaceur, Z.; Murarescu, O.; Muratoreanu, G. Statistical Analysis of Heavy Rains and Floods around the French Mediterranean Basin over One Half a Century of Observations. Geosciences 2022, 12, 447
11 Khouz, A.; Trindade, J.; Santos, P.; Oliveira, S.; El Bchari, F.; Bougadir, B.; Garcia, R.; Reis, E.; Jadoud, M.; Saouabe, T.; et al. Flood Susceptibility Assessment through Statistical Models and HEC-RAS Analysis for Sustainable Management in Essaouira Province, Morocco. Geosciences 2023, 13, 382
12 Hossaki, V.; Seron, W.; Negri, R.; Londe, L.; Tomás, L.; Bacelar, R.; Andrade, S.; Santos, L. Physical- and Social-Based Rain Gauges—A Case Study on Urban Flood Detection. Geosciences 2023, 13, 111
13 Lazzarin, T.; Defina, A.; Viero, D. Assessing 40 Years of Flood Risk Evolution at the Micro-Scale Using an Innovative Modeling Approach: The Effects of Urbanization and Land Planning. Geosciences 2023, 13, 112
14 García-Botella, E.; Ramón-Morte, A. Ephemeral Mediterranean Watercourses Strongly Altered by Growth in Tourism: The Case of Benidorm (Spain). Geosciences 2023, 13, 247
15 Schismenos, S.; Stevens, G.; Georgeou, N.; Emmanouloudis, D.; Shrestha, S.; Thapa, B.; Gurung, S. Flood and Renewable Energy Humanitarian Engineering Research: Lessons from Aggitis, Greece and Dhuskun, Nepal. Geosciences 2022, 12, 71
