城市灰色基础设施对城市内涝的影响：一个基于城市规模的排水和地表水建模框架

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：Impact of urban gray infrastructure on urban flooding: a city-scale drainage and surface water modeling framework

城市洪涝建模框架动态整合灰色基础设施与实时排水存储，通过香港案例验证显示14%空间淹没精度，揭示灰色基础设施与排水系统设计对洪流动态的关键作用，特别证实排水隧道可降低管道应力及洪水深度达30%。

　　在当今快速城市化的背景下，城市内涝问题日益受到关注。随着极端降水事件的频发，以及城市排水系统和水动力学的复杂性，如何准确预测和管理城市洪水成为了一个重要课题。本研究提出了一种先进的城市尺度洪水模拟框架，该框架能够动态整合灰色基础设施（如道路、建筑和排水系统）的作用，并实时反映城市排水网络的储水动态。通过将灰色基础设施与地表水动态的相互作用纳入模型，本研究旨在提供更精确的洪水模拟工具，为城市规划和水文学研究提供科学支持。

### 城市洪水的挑战

全球许多城市都面临着严重的内涝风险，这不仅威胁居民的生命安全，还可能造成巨大的经济损失。例如，在2024年4月，巴西的里约格兰德杜塞尔地区经历了长时间的强降雨，引发了严重的洪水和山体滑坡，造成至少75人死亡，103人失踪，155人受伤。此外，该地区的基础设施也遭受了严重破坏，包括超过41万次的停电和影响约一百万居民的供水中断。同样，在2024年5月，美国德克萨斯州也遭遇了强降雨，导致河流水位上涨并引发洪水，迫使数千人撤离，并影响了休斯顿的主要机场。而在2024年10月，西班牙发生了严重的洪水，导致超过150人死亡。这些案例凸显了对城市洪水风险进行系统研究的紧迫性，以提升防洪策略的有效性，并优化城市排水管理系统。

### 模型的创新性

当前，水文学界在构建全球水文模型方面取得了显著进展，特别是在空间分辨率和物理过程描述方面。这些模型具备一定的通用性，能够应用于全球和区域尺度的水文分析。然而，在大规模模型中常常忽略一些关键的物理过程，例如城市排水系统。这些过程在千米或亚千米尺度的水循环中具有重要影响，因此，仅依赖大规模模型可能无法准确模拟城市排水系统的复杂性。城市排水系统模拟通常用于小规模应用，如特定城市或其部分区域，由于其数值模型的复杂性和高数据需求，难以在城市或郊区尺度上广泛应用。

为了弥补这一不足，一些研究尝试将水文学模型与城市排水系统进行整合。例如，在美国，部分研究使用高分辨率洪水模型来分析洪水风险；在巴西里约热内卢地区，研究人员采用0.005度的空间分辨率进行城市洪水风险分析。这些模型的改进包括对河流网络和地形几何参数的精细调整，以及对局部洪水控制系统的优化。然而，尽管取得了一些进展，现有的模型仍然在城市排水系统的参数化方面存在局限，例如对城市排水系统的宽度、长度以及入口面积的描述不够准确。

这些参数化上的不足可能导致模型无法准确反映城市排水系统的实际运行情况，进而影响洪水风险评估的准确性。例如，一些研究将城市河流的参数估计与非城市区域统一，这会低估城市道路在地表水储存和渠道化中的作用。城市区域通常地势较低，坡度变化较小，因此对河流高度和宽度的幂律估计往往较小。此外，这种地形的均匀性也会限制模型对水文响应空间异质性的表达能力。因此，现有的研究在捕捉灰色基础设施（包括道路、建筑和排水系统）与地表水动态之间的复杂关系方面存在不足，这不仅影响了洪水风险评估的准确性，也限制了对大规模城市洪水优化策略的设计和评估。

### 模型的构建与应用

本研究的目标是开发和验证一种基于HyMAP的城市水文模拟框架，该框架能够准确反映灰色基础设施与地表水动态之间的相互作用，从而提升城市尺度洪水模拟的准确性。本研究的三个主要目标包括：首先，设计一种全面的灰色基础设施参数化方案，涵盖道路、建筑和排水系统，以捕捉空间异质性并增强水文模拟的物理现实性；其次，采用一种新颖的地表水进入和动态储水方法，以确保模型的准确性和反映排水系统的实时容量；最后，将该框架应用于香港，分析城市地表水分布与排水系统之间的相互作用，考虑地形、灰色基础设施设计、排水系统容量以及入口等因素。

### 香港案例研究

香港位于南中国海的东岸，地理坐标为北纬22.3度，东经114.2度。由于其特殊的地理位置，香港极易受到季节性东南季风和夏季台风的影响，经常遭遇热带风暴和极端降雨事件。此外，香港是太平洋沿岸地区年平均降雨量最高的城市之一，年降雨量超过两千毫米。2023年9月，香港经历了其最严重的“百年一遇”洪水事件，该事件对城市造成了巨大的影响。研究显示，最严重的洪水发生在2023年9月8日凌晨，持续时间从9月6日到9日。中央地图详细展示了研究区域内的洪水深度，使用颜色梯度直观地反映了2023年9月8日凌晨3点的洪水深度变化。结果表明，香港的洪水深度范围较广，部分区域的洪水深度较高，这凸显了对城市洪水进行系统分析的重要性。

### 模型的验证与评估

本研究提出的模型通过与HyMAP的集成，实现了对城市地表水动态的准确模拟。HyMAP与Noah-MP的结合采用了单向耦合机制，其中HyMAP利用Noah-MP的水文和能量平衡来预测地表水动态，而不将结果反馈给Noah-MP。这种机制保证了数据的精确整合和管理。在本研究中，我们对原始HyMAP算法的输入方法和相关管道功能进行了改进，因为其输入方式较为固定和统一，难以适应城市排水系统的复杂性。

通过将该模型应用于香港，研究发现该模型在空间洪水映射方面的预测误差（MAPE）为14%。这一误差率表明模型在预测洪水深度和范围方面具有较高的准确性。此外，研究还揭示了灰色基础设施和排水系统设计在塑造城市洪水动态中的关键作用。例如，排水隧道被证明可以降低管道应力和洪水深度高达30%，这突显了其在城市防洪策略中的重要性。这些发现为城市规划者和水文学家提供了定量工具和实用指导，以开发更具抗灾能力的城市基础设施。

### 模型的改进与创新

本研究在传统方法的基础上，提出了几种关键的改进措施。首先，模型引入了动态参数化方案，以更准确地描述灰色基础设施的特征，包括道路、建筑和排水系统。这种参数化方案能够捕捉城市排水系统的空间异质性，从而提升水文模拟的物理现实性。其次，模型对入口流动力学进行了精细化调整，以确保洪水模拟的准确性。此外，模型还强调了城市排水系统的实时储水条件，以反映排水系统的实际容量。这些改进使得模型能够更全面地评估城市洪水风险，并为防洪策略提供科学依据。

### 结论

本研究提出了一种新的城市尺度洪水模拟框架，该框架结合了灰色基础设施的动态参数化和城市排水系统的优化，为洪水风险管理提供了新的视角。通过将该模型应用于香港，一个具有密集城市布局和频繁极端降雨事件的城市，研究取得了显著的进展，深入理解了城市洪水的形成机制以及基础设施在降低洪水风险中的作用。研究的关键发现表明，灰色基础设施和排水系统设计在城市洪水管理中具有重要作用，而排水隧道在降低洪水深度和管道应力方面表现出显著效果。这些成果不仅提升了洪水模拟的准确性，也为城市规划者和水文学家提供了实用的工具和指导，以优化城市防洪策略，提升城市应对极端天气事件的能力。

### 模型的未来应用

本研究提出的模型具有广泛的适用性，不仅适用于香港，还可以推广到其他具有类似城市特征和极端降雨事件的城市。随着气候变化的加剧，极端降水事件的频率和强度预计会进一步增加，因此，对城市洪水进行准确模拟和预测的需求也将更加迫切。本研究的成果为城市规划者提供了重要的科学支持，使他们能够在设计和优化城市排水系统时，更好地考虑灰色基础设施的作用。此外，模型的高精度预测能力也为洪水预警系统提供了可靠的数据基础，有助于提高城市应对洪水的能力。

### 研究的意义与影响

本研究的意义在于，通过引入先进的城市洪水模拟框架，为城市规划和防洪管理提供了科学依据。模型的动态参数化方案和精细化的入口流动力学调整，使得洪水模拟更加贴近实际，能够更准确地反映城市排水系统的运行情况。此外，模型的实时储水条件分析，有助于评估城市排水系统的容量，并为洪水预警系统提供可靠的数据支持。这些成果不仅有助于提升城市防洪能力，还为其他城市提供了可借鉴的经验。

### 模型的应用前景

本研究提出的模型具有广阔的应用前景，特别是在城市规划和灾害管理领域。随着城市化进程的加快，越来越多的城市面临严重的内涝问题，因此，对城市洪水进行准确模拟和预测的需求也在不断增加。本研究的成果可以为城市规划者提供重要的参考，使他们能够在设计和优化城市排水系统时，更好地考虑灰色基础设施的作用。此外，模型的高精度预测能力也为洪水预警系统提供了可靠的数据基础，有助于提高城市应对洪水的能力。

### 研究的贡献

本研究的贡献在于，提出了一种新的城市洪水模拟框架，该框架能够动态整合灰色基础设施的作用，并实时反映城市排水系统的储水动态。通过将该模型应用于香港，研究取得了显著的成果，为城市洪水管理提供了科学支持。此外，模型的高精度预测能力也为其他城市提供了可借鉴的经验，有助于提升城市防洪能力。这些成果不仅提升了洪水模拟的准确性，还为城市规划者和水文学家提供了实用的工具和指导，使他们能够在设计和优化城市排水系统时，更好地考虑灰色基础设施的作用。

### 作者贡献

本研究的作者在研究过程中做出了重要贡献。Jacqueline Tsz Yin Lo负责研究的撰写、修改和审阅，同时参与了方法的制定和概念的提出。Haojie Chen则负责研究的撰写、修改和审阅，参与了模型的可视化、验证、软件开发、方法研究、数据分析和数据管理。两位作者共同推动了本研究的完成，为城市洪水管理提供了新的视角和工具。

### 无利益冲突声明

本研究的作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本研究报告的内容。

### 资金支持

本研究得到了香港理工大学启动基金的支持，为研究的顺利进行提供了必要的资源。

### 致谢

本研究的作者衷心感谢评审人员提出的宝贵意见，并感谢香港政府提供了大量数据支持，使研究得以顺利完成。这些数据对于模型的构建和验证起到了关键作用，为研究提供了坚实的基础。