۱٫ معرفی
محیط های شهری و منطقه ای به دلیل شهرنشینی سریع دگرگونی های قابل توجهی را تجربه کرده اند که منجر به چالش های بی شماری شده است. این امر به ویژه در مناطق شهری پرجمعیت که در آن گسترش زیرساختهای خاکستری مانند بزرگراهها، پارکینگها و ساختمانهای مرتفع، خطر سیل را افزایش داده است، مشهود است. مطالعات مختلف، از جمله مطالعات انجام شده توسط [
۱,
۲,
۳,
۴] نشان می دهد که تغییرات آب و هوایی و تغییرات در کاربری زمین/پوشش زمین (LULC)، که شامل جایگزینی مناطق پوشش گیاهی با سطوح غیرقابل نفوذ مانند جاده ها، پشت بام ها و پارکینگ ها است، اثرات مخرب سیل را تشدید می کند.
علاوه بر این، سیلها شدیدتر میشوند، طولانیتر میشوند و به دلیل تغییرات آب و هوایی، شهرنشینی سریع و تغییر جمعیتشناسی انسانی در سطح جهانی و در سراسر ایالات متحده (ایالات متحده) بیشتر اتفاق میافتند. [
۵,
۶]. خسارات مستقیم سیل در ایالات متحده در مجموع هزینه داشته است
$۹۹ میلیارد و بیش از ۱۰۰۰ مرگ در ۱۰ سال گذشته با روند صعودی تلفات سیل در طول زمان [
۷]. یافته های یک مطالعه اخیر نشان می دهد که سیل در ایالات متحده تا سال ۲۰۵۰ به میزان ۲۶٫۴ درصد افزایش یافته است که بر اساس سناریوهای تغییر اقلیم متوسط RCP4.5 است. [
۸]. در سال ۲۰۲۱، طوفان آیدا باعث شد
$۱۶ تا ۲۴ میلیارد خسارات ناشی از سیل در شمال شرقی ایالات متحده، که این طوفان را به گرانترین طوفان تحت تأثیر این منطقه از زمان طوفان سندی در سال ۲۰۱۲ تبدیل کرده است.
$۴۴ میلیارد خسارت بیمه شده [
۹]. علاوه بر این، در حال حاضر حدود ۸۳ درصد از جمعیت در مناطق شهری ایالات متحده زندگی می کنند و پیش بینی می شود که ۸۹ درصد (۴۰۰ میلیون) از جمعیت ملی تا سال ۲۰۵۰ در شهرها زندگی کنند. [
۱۰]. یک سیل در هر ۱۰۰ سال یکبار ۴۱ میلیون نفر را تنها در ایالات متحده تهدید می کند (Wing et al., 2018). طبق پیشبینیها، پوشش زمین شهری تا سال ۲۰۵۰ در ایالات متحده بیش از زمینهای زراعی و جنگلها تقریباً دو برابر خواهد شد. [
۱۱,
۱۲]باعث تخریب اکوسیستم محلی و ملی، تشدید تغییرات اقلیمی، سلامت انسان و گرمایش جهانی می شود. [
۳,
۴].
در طول دو دهه گذشته، چندین سیاست سازگاری و کاهش (مانند کانالها، خطوط لوله و مخازن ذخیرهسازی) برای کاهش خطرات ناشی از سیل شهری در مناطق شهری و منطقهای پیشنهاد شده است. [
۱۳]. با این حال، ثابت شده است که استفاده و نگهداری از این رویکردهای سنتی برای پرداختن به مشکلات ناشی از بارندگیهای شدید فزاینده مرتبط با تغییرات آب و هوایی و سیلهای متعاقب آن در مناطق شهری گران و ناکافی است. [
۱۴]. راه حل های مبتنی بر طبیعت (NBS) (به عنوان مثال، پارک های شهری، بام های سبز، دشت های سیلابی، و غیره) نمونه هایی از سازگاری موثر با افزایش خطر سیل هستند که می توانند اثرات منفی تغییرات آب و هوایی و رشد جمعیت در رودخانه یا شهرهای ساحلی را کاهش دهند. این اقدامات به بازیابی هیدرولوژی طبیعی یک منطقه کمک می کند که با شهرنشینی تغییر کرده است. با توجه به نتایج مفیدی که امکان کاهش مؤثرتر تأثیر سیل در مناطق شهری را فراهم می کند، NBS به عنوان یک تکنیک مدیریت ریسک سیل به موضوعی نوظهور تبدیل شده است. [
۱۵].
با این حال، موفقیت این استراتژیهای سازگاری به ساختار آنها، از جمله ترکیب (کمیت و تنوع انواع NBS) و پیکربندی (کیفیت و جنبه فضایی انواع NBS) برای کاهش خطر سیل در مناطق مختلف بستگی دارد. [
۱۶]. درک اینکه تا چه حد اندازه NBS در منطقه مورد مطالعه و ویژگی های فضایی آن مانند شکل، اتصال یا مجاورت می تواند خطر سیل را کاهش دهد، به تسهیل در دسترس بودن و افزایش کارایی NBS در خطرات سیل و تأثیر آن کمک می کند. [
۱۷]. تجزیه و تحلیل در سطح شهرستان بسیار مهم است، زیرا آنها یک چشم انداز ظریف ارائه می دهند که ویژگی های منحصر به فرد و به هم پیوستگی مناطق شهری و روستایی را در یک منطقه جغرافیایی خاص در نظر می گیرد. برنامه ریزی دشت سیلابی که معمولاً در سطوح مختلف اجرا می شود، اغلب در ارائه بینش دقیق در مقیاس شهرستان کوتاهی می کند. پویایی پیچیده استفاده از زمین، توپوگرافی و زیرساختهای موجود در یک شهرستان نقش اساسی در تأثیرگذاری بر اثربخشی NBS در کاهش خسارات ناشی از سیل دارد. با این حال، علیرغم تلاشهای مستمر برای تأکید بر تأثیر مثبت NBS در کاهش خسارت سیل، ارزیابیهایی در مقیاس شهرستانی از تأثیر ساختار NBS برای کاهش خسارات تجمعی ناشی از سیل وجود ندارد. یک تجزیه و تحلیل جامع در سطح شهرستان، درک دقیق تری از تأثیر بالقوه سازه های NBS بر تلفات مربوط به سیل ارائه می دهد. در قلمرو عملی برنامه ریزی NBS، در نظر گرفتن اندازه و شکل منطقه مورد نظر ضروری است [
۱۸]. این امر به ویژه در مناطقی که به سرعت در حال شهرنشینی هستند، که بخش قابل توجهی از چشم انداز شهری در حال حاضر توسط محیط های ساخته شده و زیرساخت های خاکستری اشغال شده است قابل توجه است. [
۱۹]. با این حال، نتایج مطالعات قبلی در مقیاسهای مختلف، بهویژه در مورد پیکربندی NBS متناقض است و درک جامع از نقش این عوامل در کاهش سیل را محدود میکند. [
۱۷]. از این رو، ارزیابی دقیق و بهینه سازی شکل و پیکربندی NBS برای استفاده کامل از مزایای بالقوه آن و افزایش اثربخشی آن در رسیدگی به سیل بسیار مهم است.
برای حمایت از نگرانی های فوق در مورد خطر فزاینده سیل و اثربخشی ساختار NBS برای کاهش این خطر، این مقاله به بررسی پتانسیل NBS به عنوان یک ابزار کاهش تلفات سیل در یکی از شهرستان های پنسیلوانیا با سریع ترین رشد می پردازد. با تمرکز بر شهرستان مونتگومری، این تحقیق تلاش میکند تا درک ما را از مشارکت NBS در کاهش سیل در مقیاسی که اغلب نادیده گرفته میشود، غنی کند، اما برای برنامهریزی و تصمیمگیری مناسب و مؤثر اهمیت زیادی دارد. این تحقیق به سؤال زیر میپردازد: ساختار NBS در دشتهای سیلابی تا چه اندازه تلفات سیل را در شهرستان مونتگومری در منطقه شهری فیلادلفیا کاهش داده است؟ شهرستان مونتگومری دارای سابقه طولانی سیل در دهه های گذشته است، از جمله ۱۳۴ رویداد هزینه بر $۱۰ میلیون دلار خسارت از سال ۱۹۹۶ تا ۲۰۱۹٫ این مطالعه از دادههای امتیاز ضرر سالانه مورد انتظار (EALS) مرتبط با سیل از شاخص ملی خطر (NRI) ارائهشده توسط آژانس مدیریت اضطراری فدرال (FEMA) استفاده میکند، که دادههایی درباره کل سالانه دارد. از دست دادن ساختمانها، کشاورزی و جمعیت در اثر سیل از سال ۱۹۹۶ تا ۲۰۱۹٫ نقشه پوشش زمین ۲۰۱۹ از پایگاه ملی پوشش زمین (NLCD) سازمان زمینشناسی ایالات متحده برای تحقق NBS پوشش گیاهی (به عنوان مثال، حرا، فضاهای سبز) استفاده شد. این مطالعه از سه روش آمار فضایی مختلف، از جمله خود همبستگی فضایی (Global Moran's I)، مدل خطی تعمیم یافته (GLR)، یک رگرسیون شهرستانی، و یک تکنیک رگرسیون محلی، رگرسیون وزندار جغرافیایی (GWR)، برای ارزیابی عدم ایستایی در رابطه استفاده میکند. بین ترکیب و پیکربندی NBS و EALS در سراسر شهرستان مونتگومری.
۲٫ NBS و از دست دادن سیل
زیرساختهای ساختاری متعارف کاهش سیل، مانند سدها و سیستمهای زهکشی، در مناطق شهری مؤثر هستند، اما به طور فزایندهای در برابر حوادث شدید بارندگی و توسعه شهری ناکافی هستند. [
۲۰]. به عنوان مثال، در سال ۲۰۱۸، شکستن ناگهانی یک سد زینتی جدید در مخزن برق آبی Xe Nammoy در حوضه مکونگ، در جنوب لائوس، منجر به سیل فاجعهبار شد که منجر به تلفات جانی و جابجایی هزاران نفر شد. [
۲۱]. زیرساخت خاکستری گران، انرژی بر است و فاقد مزایای متنوع راه حل های مبتنی بر زیرساخت های طبیعی است. [
۲۰]. با درک این محدودیتها، ذینفعان، سیاستگذاران و برنامهریزان به دلیل پایداری زیستمحیطی و اقتصادی، به راهحلهای تکمیلی مانند زیرساختهای طبیعی و NBS روی میآورند. [
۱۷,
۲۲]. اتحادیه بینالمللی حفاظت از طبیعت (IUCN) NBS را به عنوان «اقداماتی که از اکوسیستمها محافظت، مدیریت پایدار و احیا میکنند برای مقابله با چالشهای اجتماعی، ارائه منافع همزمان برای رفاه انسان و تنوع زیستی» تعریف میکند. [
۲۳]. ادبیات اخیر کارایی انواع مختلف NBS از جمله پارک های شهری، زیرساخت های سبز و شیوه های مدیریت آب را در افزایش انعطاف پذیری در برابر اثرات تغییرات آب و هوایی برجسته می کند. [
۲۴]. این راه حل ها نفوذ آب را تسهیل می کند، رواناب سطحی را در طول بارندگی کاهش می دهد، در حالی که مزایای دیگری مانند بهبود کیفیت هوا، تنظیم دما، و زیبایی شهری را افزایش می دهد. [
۲۵,
۲۶,
۲۷].
تحقیقات در مورد پتانسیل کاهش سیل NBS در حال گسترش است، و تجزیه و تحلیل می کند که چگونه زیرساخت سبز پوشش گیاهی باعث کاهش آسیب سیل و بهبود انعطاف پذیری می شود. [
۲۸]. مطالعات اغلب تلفات اموال ناشی از سیل را بر اساس مطالبات بیمه شده در نظر می گیرند و تأثیر قابل توجه سناریوهای زیرساخت سبز آبی شهری را بر کاهش خسارت اموال نشان می دهند. [
۲۵,
۲۹,
۳۰]. با این حال، مطالعات اندکی تأثیر پوشش NBS را بر تلفات اموال و جمعیت ناشی از سیل در ایالت های هند بررسی کرده اند. [
۳۱]. در حالی که برخی از تحقیقات بر حفظ اندازه NBS متمرکز هستند، مطالعات فاقد یک بررسی جامع از آسیب کلی ناشی از سیل و تأثیر پیکربندی NBS بر تلفات سیل هستند.
بوم شناسی منظر به عنوان یک چارچوب ارزشمند برای درک دینامیک فضایی در رابط NBS-سیل در مناظر متنوع عمل می کند. [
۳۲,
۳۳]. تحقیقات به ساختار NBS می پردازد و تأثیر آنها بر خطر سیل را با تمرکز ویژه بر کاهش رواناب بررسی می کند. [
۱۸,
۳۴,
۳۵,
۳۶]. به عنوان مثال، بای و همکاران. (۲۰۱۸) و کیم و پارک (۲۰۱۶) دریافتند که فضاهای سبز شهری بزرگتر (UGS) با اشکال متنوع و نامنظم می توانند به طور موثر رواناب آب طوفان را کاهش دهند. سایر مطالعات انجام شده در مغولستان داخلی (چین) و شهر گنت (بلژیک) نشان داد که شکل UGS به تنهایی ممکن است تأثیر قابل توجهی بر شدت سیل یا کاهش رواناب نداشته باشد. [
۳۷,
۳۸]. با این حال، شواهد بیشتری در مورد تأثیر پیچیدگی، اتصال و ترکیب NBS بر سیل در مقیاس منطقه ای مورد نیاز است.
علیرغم تلاشها برای برجسته کردن مزایای NBS، تحقیقات بیشتری برای درک نقش آنها در کاهش تلفات کلی اموال، کشاورزی و جمعیت ناشی از سیل ضروری است. مطالعات قبلی بر ادعاهای بیمه در مناطق ساحلی متمرکز بود و پیامدهای گسترده تری مانند خسارت کشاورزی و جمعیت را نادیده گرفت. هدف این تحقیق بررسی تأثیر بالقوه اندازه NBS و دو معیار پیکربندی شکل و اتصال بر کل دارایی، کشاورزی و از دست دادن جمعیت، با استفاده از مجموعه دادههای شاخص ریسک ملی است. این مطالعه که در شهرستان مونتگومری انجام شد، درک جامعی از اثرات NBS بر خسارات ناشی از سیل ارائه میدهد که برای متخصصان سیل، سیاستگذاران و برنامهریزان شهری که به دنبال افزایش درک خود از مشارکت NBS در کاهش خسارات سیل هستند، ارزشمند است.
۵٫ بحث
نتایج این مطالعه نشان می دهد که در تمامی مناطق سرشماری (۱۰۰٫۰۰%) بین هر یک از دو متغیر سطح نفوذناپذیر و اندازه NBS در دشت های سیلابی با تلفات سالانه مورد انتظار سیل در منطقه مورد مطالعه، در حالی که تراکم جمعیت وجود دارد، ارتباط مثبت قوی وجود دارد. به طور قابل توجهی و منفی بر EALS تأثیر می گذارد. در مقابل، یافتههای مطالعه نشان میدهد که تکههای نامنظم NBS اثربخشی محدودی در کاهش تلفات کل ناشی از سیل نشان میدهند. علیرغم وجود آنها، آنها کاهش قابل توجهی در خسارات سیل به همراه ندارند. با این حال، این مطالعه روند نگران کننده ای را با تکه های NBS متصل در نزدیک به یک پنجم مناطق سرشماری (۲۱٫۹۰٪)، به ویژه در مناطق شهری پرجمعیت واقع در مناطق جنوب شرقی و جنوب غربی شهرستان نشان می دهد. با کمال تعجب، وجود تکه های NBS متصل در این مناطق به طور قابل توجهی میزان تلفات سیل را تقویت می کند و خسارت ناشی از حوادث سیل را تشدید می کند.
یکی از یافته های قابل توجه رابطه مثبت و معنی دار آماری بین درصد سطح نفوذناپذیر و EALS است. تلفات سیل بیشتر ناشی از غلبه سطوح غیر قابل نفوذ در مناطق شهری است که منجر به افزایش رواناب سطحی و ایجاد فشار بر سیستم زهکشی می شود و در نتیجه خطر سیل را تشدید می کند. بنابراین، در نظر گرفتن ترکیب عناصر “سبز” در زیرساخت های خاکستری در مناطق شهری در سراسر شهرستان بسیار مهم است. هدف این ادغام کاهش تأثیر سطوح غیرقابل نفوذ مانند جاده ها، ساختمان ها و تأسیسات مصنوعی بر خطر سیل است. این یافته با تحقیقات قبلی که اغلب افزایش خطر سیل و خسارات مرتبط با سطوح بالاتر نفوذ ناپذیری را مشاهده کردهاند، مطابقت دارد. [
۵۹].
علاوه بر این، نتایج مطالعه همبستگی مثبت و معناداری را بین اندازه NBS در دشتهای سیلابی و EALS نشان میدهد که با یافتههای قبلی مغایرت دارد. [
۱۸]. در حالی که شواهد علمی برای حمایت از مبنای فیزیکی این رابطه علی وجود ندارد، یک منطق نظری قابل تصور است. با توجه به نظریه گیلبرت وایت (۱۹۴۵) که از آن به عنوان “اثر خاکریز” یاد می شود، وجود تأسیسات ساختاری بیشتر مانند سیلاب ها می تواند منجر به افزایش فعالیت های انسانی و توسعه در مناطق مستعد سیل شود. به طور مشابه، افزایش مناطق پوشش گیاهی در دشت های سیلابی، در حالی که ممکن است تراکم جمعیت و ساخت و ساز ساختمان را کاهش دهد، می تواند منجر به فعالیت های کشاورزی و اقتصادی بیشتر شود که در تحلیل EALS در نظر گرفته شده است. به عبارت دیگر، با داشتن NBS در دسترس تر در دشت های سیلابی، با اثرات جزر و مدی رودخانه ها به عنوان منبع اصلی آبیاری، قابل قبول است که کشاورزان ممکن است مقدار بیشتری از محصولات زراعی تولید کنند که به نوبه خود ممکن است در معرض خطر سیل قرار گیرند. همچنین، این نتیجه را می توان با کیفیت نامناسب اجرای NBS و عدم سازگاری آنها با اکوسیستم محلی مرتبط دانست که منجر به آسیب پذیری بیشتر محیط طبیعی در برابر خطرات سیل می شود. [
۶۰]. تحقیقات بیشتر برای بررسی انواع مختلف NBS اجرا شده در دشت های سیلابی و درک روابط پیچیده انسان و طبیعت که در این مناطق آشکار می شود، همانطور که در مورد رودخانه چناب در پاکستان مشاهده شد، ضروری است. [
۶۱].
این مطالعه یک همبستگی مثبت معنیدار بین CONTIG و EALS پیدا کرد، که نشان میدهد الگوهای NBS که دارای تکههای پیوسته و متوالی بزرگ هستند به افزایش تلفات کلی ناشی از سیل در برخی از مکانهای جغرافیایی خاص کمک میکنند، که توسط توسعه متراکمتر اشغال شده است. تأثیر تشدید سیل بر تلفات فوری ساختمانهای مجاور را میتوان به وجود تکههای راهحل مبتنی بر طبیعت (NBS) بزرگتر به هم پیوسته در مناطق شهری متراکم نسبت داد که جهت جریان آب سطحی را تحت تأثیر قرار میدهند. متناوبا، این یافته ممکن است با نوع خاصی از هدایت هیدرولیکی بین زمین های کشاورزی مرتبط باشد. قابل قبول است که زمین های کشاورزی به هم پیوسته انتقال آب سیلاب و جریان زباله به زمین های مجاور را تقویت می کند و در نتیجه منجر به افزایش خسارت می شود (نگاه کنید به O'Connell et al., 2007). در نهایت، SI یک متریک چشمانداز است که اطلاعاتی در مورد شکل پیچیدگی و بینظمی NBS ارائه میکند و مقدار بالای SI نشاندهنده شکل پیچیدهتری است. بر این اساس، شواهدی مبنی بر ارتباط معنادار بین شاخص شکل و EALS در منطقه مورد مطالعه وجود ندارد که با نتایج مطالعات اخیر همخوانی ندارد. [
۴۶,
۶۲]، نشان دهنده رابطه بین پیچیدگی شکل NBS با آسیب سیل و آسیب پذیری است.
۶٫ نتیجه گیری
این مطالعه با بررسی روابط فضایی پیچیده بین NBS و امتیاز ضرر سالانه مورد انتظار (EALS) سیل در شهرستان مونتگومری در پنسیلوانیا به دانش موجود کمک میکند. اولاً، تمرکز اولیه بر پرداختن به کل دارایی، کشاورزی و تلفات جمعیت ناشی از سیل است نه صرفاً در نظر گرفتن خسارتهای بیمه شده که شامل خسارت مالی میشود. علاوه بر این، هدف این تحقیق بررسی ناهمگونی فضایی NBS در دشت های سیلابی، شکل NBS و مجاورت NBS از طریق تحلیل رگرسیون فضایی محلی با استفاده از مدل GWR است که تحلیل جامع تری را در مقایسه با مدل GLR برای کشف تغییرات فضایی در NBS ارائه می دهد. پیکربندی و ترکیب با انجام این کار، مناطقی با تأثیر بالای NBS در کاهش تلفات سیل شناسایی شدند.
یافتهها بر اهمیت چهار متغیر کلیدی تأکید میکنند: تراکم جمعیت، سطح غیرقابل نفوذ، اندازه NBS در دشتهای سیلابی، و متریک CONTIG، که مجموعاً تقریباً ۴۵٪ از واریانس را در امتیاز ضرر سالانه مورد انتظار ناشی از سیل تشکیل میدهند. اگرچه این ممکن است متوسط به نظر برسد، اما به خوبی با مدلهای رگرسیون مشابهی که تلفات سیل را در سطح حوزه قضایی توضیح میدهند همسو است (همانطور که در برودی و همکاران، ۲۰۰۷ مشاهده شد). نتایج عمده از این مطالعه عبارتند از: (۱) مقدار NBS بیشتر در دشت های سیلابی ممکن است تاثیر منفی بر کاهش کل خسارت ناشی از سیل داشته باشد. (۲) تکه های NBS قطع شده بیشتر به طور موثری از دست دادن سیل سالانه در مناطق متراکم تر را کاهش می دهد. (۳) درصد کمتر از سطح غیر قابل نفوذ به طور موثر کاهش از دست دادن سالانه سیل. و (۴) پیچیدگی شکل تکههای NBS بر تلفات سیل تأثیر نمیگذارد. نتایج حاصل از مدلهای رگرسیون خطی تعمیمیافته (GLR) و رگرسیون وزندار جغرافیایی (GWR) نیز عدم ایستایی را در رابطه بین این متغیرها نشان میدهند، با مدل GWR که در مقایسه با مدل GLR برازش مدل برتری را نشان میدهد.
در حالی که این مطالعه اولین گام مهم را برای در نظر گرفتن تأثیر بالقوه NBS بر تلفات کل سیل در یکی از شهرستانهای با رشد سریع در ایالات متحده برمیدارد، مطالعات بیشتری در مورد این موضوع مورد نیاز است. ابتدا، توجه به این نکته مهم است که در حالی که تلاش هایی برای در نظر گرفتن پارامترهای بهینه انجام شده است، هنوز این احتمال وجود دارد که پارامترهای خاصی در مدل ها لحاظ نشده باشند. شامل متغیرهای اجتماعی-اقتصادی و محیطی اضافی و همچنین معیارهای چشم انداز بیشتر و مقایسه عملکرد آنها در طول زمان می تواند مطالعه را بیشتر تقویت کند. دوم، تحقیقات آتی باید شامل متغیرهایی باشد که ویژگیهای خاص ساختمانها و زمینهای کشاورزی، مانند اندازه، نوع، مصالح ساختمانی، درجه توسعه و غیره را تعیین میکنند. مرحله. کار اضافی باید به دنبال غلبه بر این محدودیت با بررسی معیارهای مختلف در مقیاس های دقیق تر، به ویژه در مقیاس بلوک سرشماری با استفاده از رویکردهای مبتنی بر چگالی برای کاهش مقیاس داده ها مانند نقشه برداری داسیمتری باشد. چهارم، تحقیقات آینده باید در نواحی شهری خاص و نواحی داخلی روستایی بررسی شود تا نتایج این مطالعه منطقهایتر را بهتر ارائه دهد. در نهایت، این مطالعه بر تجزیه و تحلیل شهرستان مونتگومری در ایالات متحده متمرکز شده است، با این حال، برای به دست آوردن درک جامع تر، تحقیقات بیشتر باید نمونه های بزرگ تری از شهرستان ها را در نظر بگیرد یا بر مناطق جغرافیایی خاص تر برای تحقیقات عمیق متمرکز شود.