基于韧性要素的蓝绿色-灰色排水系统在城市防洪中的评估

《Journal of Environmental Management》：Evaluation of blue-green-grey drainage systems for urban flooding based on resilience components

城市排水系统防洪能力评估框架研究。提出基于四R（快速性、冗余性、资源丰富性、鲁棒性）的评估方法，结合Flood Defense Index量化预防洪能力。通过EPA SWMM模拟首尔Gunja和Banpocheon汇水区三种情景（污水管、污水管+调蓄池、污水管+调蓄池+泵站），验证BGG基础设施在极端降雨下稳定性优势，为动态决策提供支持。

　　本研究旨在提出一种实用的评估框架，用于评估城市排水系统在洪水发生前的防御性能。该框架结合了韧性（包括快速响应、冗余性、资源适应性和稳健性）的四个组成部分，并引入了洪水防御指数（FDI）这一指标，用于量化系统在降雨期间的水力容量利用情况。通过在韩国首尔的两个城市流域（Gunja流域和Banpocheon流域）中应用这一框架，研究者评估了三种不同类型的排水系统配置：仅依靠排水管道（SP）、排水管道与蓄水池结合（SP–DB）以及排水管道、蓄水池与泵站结合（SP–DB–PS）。研究结果表明，集成的SP–DB–PS系统在极端条件下的洪水防御性能明显优于其他配置，并且能够提供更稳定的响应。此外，研究还发现，短时高强度降雨显著降低了SP系统的FDI，而配备蓄水池和泵站的系统则表现出更高的稳定性。设计降雨与实际降雨事件的对比分析也显示出高度一致性，进一步验证了该框架的实用性。通过结合结构能力和适应性操作，该框架在评估城市排水系统的韧性方面展现出良好的效果。其可解释性强的结果能够支持战略规划和主动决策，使排水系统在不同降雨条件下进行系统化的策略比较。同时，该框架还能够用于准实时性能分析，以评估系统对即将来临的降雨模式的潜在响应。

城市排水系统在应对城市洪涝问题中发挥着至关重要的作用。然而，随着城市化进程的加快和气候变化的影响，极端降雨事件的频率和强度不断增加，导致城市洪涝风险显著上升。这种趋势不仅对社会和经济造成了重大损失，也对现有排水系统的适应能力提出了更高的要求。传统的排水系统往往在面对日益不可预测的降雨时表现出不足，尤其是在城市扩张过程中，不透水地表面积的增加使得地表径流更加严重，从而经常超出排水系统的承载能力，特别是在低洼地区。此外，老化基础设施和加剧的气候极端事件进一步放大了系统脆弱性，凸显了提升城市排水系统韧性的必要性。为了实现全面的城市洪水管理，需要开发一种评估方法，并采用基于韧性的策略来改善洪水缓解和适应性恢复能力。这些方法的目标是减少极端事件后的功能中断，并缩短恢复时间，从而提升系统的灵活性、恢复能力和长期适应性。

近年来，关于城市排水系统韧性评估的研究已经取得了诸多进展。例如，一些研究提出了评估系统在极端洪水事件下的性能退化和恢复能力的指标，包括洪水的严重程度（如洪水深度）和系统失效的持续时间。此外，工程韧性利用诸如洪水体积、峰值流量和洪水持续时间等性能指标，来衡量系统在面对极端情况时的稳健性和恢复速率。这些方法结合了多种技术，如水力建模、基于熵的权重分配、耦合的一维-二维模拟以及城市移动性分析，以量化系统韧性的多个维度。尽管这些研究在评估系统韧性方面提供了有价值的见解，但它们大多关注的是系统在洪水发生后的恢复能力，而非洪水发生前的防御性能。因此，有必要开发一种能够全面评估系统防御能力的框架，从而为城市排水系统的优化和管理提供更有力的支持。

为了填补这一空白，本研究提出了一种定量框架，用于评估城市排水系统在降雨事件中的洪水防御性能，强调系统的动态响应而非洪水后的恢复结果。该框架的核心在于引入了洪水防御指数（FDI），这一指标能够量化排水系统在洪水发生前的水力容量利用情况。与传统的评估方法不同，FDI不仅关注洪水后的系统恢复能力，还通过分析系统在降雨期间的水力状态，评估其在洪水发生前的防御能力。这种前瞻性的评估方法有助于更好地理解系统在不同降雨条件下的表现，并为管理者提供更全面的决策依据。

本研究的主要贡献包括以下几个方面：首先，提出了一套用于评估城市排水系统在设计降雨条件下的洪水防御性能的定量指标。这些指标能够有效衡量系统在不同降雨情景下的表现，并为系统的优化提供科学依据。其次，基于四个韧性维度（快速响应、冗余性、资源适应性和稳健性）构建了一个洪水防御性能评估框架。这一框架不仅考虑了系统的结构性能，还结合了功能和适应性方面的评估，从而实现了对系统韧性的全面分析。此外，该框架被应用于三种具有不同结构复杂度的排水系统配置：仅依靠排水管道（SP）、排水管道与蓄水池结合（SP–DB）以及排水管道、蓄水池和泵站的集成（SP–DB–PS）。通过这种系统化的比较，研究者能够更清晰地了解不同配置对系统防御能力的影响，并为城市排水系统的改进提供参考。

在具体实施过程中，本研究采用了EPA SWMM 5.2这一水力建模工具，结合Huff第三四分位设计降雨数据，对两种城市流域进行了模拟分析。SWMM（Storm Water Management Model）是一种广泛应用于城市排水系统模拟的工具，能够有效评估不同配置在面对降雨事件时的表现。通过模型校准和验证，研究者确保了模拟结果的准确性，并进一步分析了不同配置在降雨期间的水力行为。模型的校准结果表明，它能够准确再现峰值水位的时间和强度，并且能够有效地模拟降雨期间水位的整体变化趋势。这种高精度的模拟为后续的分析提供了可靠的数据支持。

在评估不同配置的洪水防御性能时，研究者采用了基于四个韧性维度的分析方法。这一方法不仅考虑了系统的结构性能，还关注了其在面对极端降雨时的适应能力和恢复能力。通过这一框架，研究者能够更全面地评估不同配置对系统韧性的贡献，并为管理者提供更具针对性的建议。例如，在SP–DB–PS配置中，系统不仅能够有效管理洪水，还能够在极端降雨条件下保持稳定的性能，从而减少对城市基础设施的损害。相比之下，仅依靠排水管道的系统在面对短时高强度降雨时表现出明显的不足，其FDI值显著降低，表明其在洪水发生前的防御能力有限。因此，研究结果表明，集成多种基础设施配置的系统在提升城市排水系统的韧性方面具有更大的潜力。

此外，本研究还强调了动态响应在评估系统韧性中的重要性。传统的评估方法往往关注洪水后的恢复能力，而本研究则通过分析系统在降雨期间的水力状态，评估其在洪水发生前的防御能力。这种动态响应的评估方法能够更真实地反映系统在实际运行中的表现，并为管理者提供更具前瞻性的决策依据。例如，在面对极端降雨事件时，系统能够通过动态调整运行策略，如合理调度泵站和蓄水池，来优化水力容量利用，从而提高其防御能力。这种基于动态响应的评估方法不仅能够提升系统的适应性，还能够为未来的洪水管理策略提供科学支持。

在实际应用中，该框架能够帮助城市管理者在不同降雨条件下进行系统化的策略比较。通过量化不同配置对系统韧性的影响，研究者能够为管理者提供明确的决策依据，从而优化排水系统的配置和运行。此外，该框架的可解释性使其能够用于准实时性能分析，以评估系统对即将来临的降雨模式的潜在响应。这种实时分析能力对于提高城市排水系统的应对效率具有重要意义，尤其是在面对突发性强的降雨事件时，能够为管理者提供及时的决策支持。

本研究的成果不仅为城市排水系统的评估提供了新的方法，还为未来的洪水管理策略奠定了基础。通过结合结构能力和适应性操作，该框架能够更全面地评估系统的韧性，并为管理者提供更有效的工具。此外，该框架的广泛应用潜力也得到了验证，其在韩国首尔的两个流域中的成功应用表明，它能够有效支持城市排水系统的优化和管理。随着气候变化的加剧和城市化的持续推进，这种基于韧性的评估框架将成为未来城市洪涝管理的重要工具，为提升城市的防洪能力提供科学依据和技术支持。