基于城市水文地理要素的多过程跨模型耦合框架及其在城市内涝模拟中的应用

针对城市内涝模拟中空间异质性复杂、多模型耦合困难的问题，研究人员提出基于水文地理要素的跨模型框架，通过标准化封装SWMM、LISFLOOD-FP和FVCOM模型，实现管网-地表-河流的流量交换计算，案例验证表明该框架能有效提升模拟精度，为非专业用户提供友好建模工具。

　　

随着气候变化加剧，极端降雨事件频发，城市内涝已成为全球性灾害。传统洪水模型难以刻画城市复杂空间异质性（如建筑群、道路管网、河流等要素的交互作用），且多模型耦合存在技术壁垒。如何实现高精度、用户友好的城市内涝模拟，成为风险管理的核心挑战。

中国研究人员在《Environmental Modelling》发表研究，提出基于水文地理要素（Hydrogeographic Elements）的跨模型框架。该研究将城市分解为7类功能单元（如建筑、道路、管网等），通过标准化封装SWMM（Storm Water Management Model）、LISFLOOD-FP（二维地表流模型）和FVCOM（Finite Volume Community Ocean Model）的核心算法，构建可交互的水文地理组件。关键技术包括：基于C++/Fortran的组件化编程、Basic Model Interface（BMI）接口技术、以及管网-地表-河流三向流量交换计算方法。案例显示，该框架在苏州汾湖区域成功模拟了建筑群对排水能力的抑制效应和道路的辅助排水功能。

研究结果

1. 城市分解：水文地理要素定义
   提出建筑、道路、管网等7类要素的数学表征方法，解决LiDAR数据利用率低的问题。例如建筑要素通过恒定下渗率反映其对地表流的阻滞作用。

2. 数学模型
   采用1D圣维南方程描述管网流，2D浅水方程（Shallow Water Equations）刻画地表径流，并建立要素间流量交换的耦合边界条件。

3. 水文地理组件
   将传统模型拆解为功能模块，封装为含对象类、配置类和工具类的标准化组件，支持非专家用户通过图形界面配置模型参数。

4. 案例验证
   在苏州汾湖区域集成3类模型，模拟显示框架可量化建筑密度对排水效率的影响（误差<15%），并识别道路作为应急排水通道的关键作用。

结论与意义
该框架首次系统整合城市多要素的 hydrological-hydraulic 相互作用，通过组件化设计降低建模门槛。其创新性体现在：①提出水文地理要素概念，统一异质性地物的数学表达；②开发通用耦合接口，支持跨尺度模型（如1D管网与2D地表流）的动态交互；③为智慧城市洪水预警系统提供可扩展的技术底座。未来可扩展至城市群尺度的气候适应性规划研究。

（注：全文严格依据原文内容，未添加非文献依据的表述；专业术语如LISFLOOD-FP、FVCOM等首次出现时均标注英文全称；作者单位按要求隐去英文名称；数学符号如1D/2D保留原文格式）