城市雨洪风险评估与基于自然的解决方案（NBS）缓解：基于SCS-CN与初损Ia的HEC-RAS 2D务实替代排水建模方法

《Frontiers in Environmental Science》：Pluvial flood risk assessment and nature-based mitigation in urban environments: a pragmatic Curve Number and Initial Abstraction approach

　　

城市雨洪（pluvial flooding）正成为当代城市日益严重的威胁，其驱动因素包括气候变化、快速城市化与不充分的雨水基础设施的叠加效应，促使研究人员将基于自然的解决方案（nature-based solutions, NBS）作为缓解城市洪水不利影响的潜在干预措施加以研究。对城市雨洪风险和NBS缓解潜力的二维（two-dimensional, 2D）水动力评估，需要对城市排水系统进行详细描述，而此类描述并非总是可获得。本研究考察了一种适用于数据稀缺环境的务实洪水风险评估方法，该方法通过在土壤保持局曲线数（Soil Conservation Service Curve Number, SCS-CN）方法中适当选择曲线数（Curve Number, CN）和初损（Initial Abstraction, I_a）值，以替代方式表征排水系统和NBS两者的效应。二维集成水文-水动力模型HEC-RAS 6.7版通过网格降雨（Rain-on-Grid, RoG）方法用于模拟地表洪水动力学，并生成城市尺度的雨洪致灾与风险图。模拟针对短重现期的合成和真实降雨事件开展，这些事件与频繁但不可忽略的损害和广泛淹没相兼容。该研究以绿色屋顶为重点，通过考虑结构和建筑约束的NBS现实部署，将该方法应用于意大利那不勒斯市案例。绿色屋顶的有利效应以城市肌理中淹没面积范围和最大水深的减少进行量化。研究结果表明，可持续城市设计实践的结合能够影响——尽管程度适中——城市雨洪风险特征，从而有助于增强城市韧性。该工作推进了对多尺度NBS效益的理解，从建筑尺度到流域尺度，并为复杂且高密度城市化地区开发洪水缓解干预措施提供了筛选策略。

论文解读：城市雨洪风险评估与基于自然的解决方案缓解

研究背景与问题：城市雨洪（pluvial flooding，强降雨引发的地表积水与漫流）是发达国家和发展中国家共同面临的紧迫水文灾害，常由不利水文、气象和土地利用条件叠加，并伴随既有排水设施失效而发生。气候变化加剧极端降水，快速城市化减少自然入渗面积，使城市雨洪风险上升。研究人员近年将传统雨水管理与基于自然的解决方案（nature-based solutions, NBS）、低影响开发、最佳管理实践和可持续城市排水系统等结合，试图恢复或接近城市化前的水文响应，增加入渗、蒸散发和临时蓄存。绿色屋顶和蓝绿屋顶等可减少径流体积和峰值流量，并可能缓解城市热岛。已有研究表明，绿色屋顶的洪水缓解效率依赖位置、规模，并随降雨重现期增大而降低。然而，城市雨洪二维水动力评估通常需要详细排水系统数据，包括管道几何和管网布局，但这类数据在实践中往往缺乏。耦合一维-二维模型虽精度较高，却因数据需求和计算成本难以城市尺度应用。因此，需要务实代理方法。研究缺口包括：如何将SCS-CN方法改造以代理排水系统在成灾前可管理的降雨体积；如何通过修改CN和I_a表征绿色屋顶与下游排水系统的级联作用。为此，研究人员以意大利那不勒斯为案例，开发城市尺度雨洪模拟策略，评估绿色屋顶在减少淹没范围与峰值水深方面的潜力。

关键技术方法（约250字）：研究人员采用二维HEC-RAS 6.7（Hydrologic Engineering Center-River Analysis System）的网格降雨（Rain-on-Grid, RoG）方法，使用扩散波方程（diffusion wave equations, DWE），在平均边长10 m三角网格上模拟，并启用子网格。SCS-CN中，I_a与CN解耦，排水服务水平取T=2年，绿色屋顶取CN=84、I′_a=20 mm，并计算绿色屋顶-排水级联的等效I_a。降雨来自Campania区域民防部门6个雨量站2000—2024年10 min记录，构建深度-历时-频率（DDF）曲线，采用TCEV分布、IDW插值和面积折减，生成30 min、1 h、3 h、T=10年合成雨型，并模拟2023年9月23日真实风暴。来源包括：Naples都市圈门户1 m数字地形模型（DTM）和数字地表模型（DSM）、Geofabrik建筑、Copernicus Urban Atlas 2018土地利用/土地覆盖（LULC）、Campania大区土壤、ISTAT 2021普查单元与人口、SENTINEL-2影像NDVI，以及社交媒体志愿地理信息（VGI）用于定性验证。

研究结果：

3.1 淹没范围与最大水深。以1 cm最小水深阈值识别淹没区。

3.1.1 基线情景。基线模拟显示，淹没面积约12.1 km²，占那不勒斯非建筑城市表面12.4%。多数淹没水深低于0.2 m，但局部较高。0.01—0.05 m、0.05—0.10 m和0.10—0.20 m分别占46.37%、22.07%和16.11%；0.20—0.50 m、0.50—1.00 m和>1.00 m分别占10.94%、3.23%和1.28%。外围区洪水沿道路、铺装面和线性地形汇集；历史中心淹没格局破碎复杂，与密集街网、狭窄街道和不规则建筑布局有关。

3.1.2 假设情景（what-if）。在东部实施绿色屋顶后，最大水深减少在空间上较广但幅度多较小，主要沿街道、巷道和建筑间开放空间分布，并从绿色屋顶建筑向下游传播。多数受影响单元水深减少小于5 cm，局部可达5—60 cm。淹没面积由4.09降至4.04 km²，减少49,288 m²（4.93 ha），相对基线减少1.20%；总洪水体积减少7,721 m³，减少2.04%。体积减少比例大于面积减少，说明绿色屋顶还降低了仍淹没区域的水深。

3.1.3 筛选敏感性分析。对1 h、T=10年合成风暴，Manning粗糙系数n_M±10%、CN±5的扰动改变了绝对淹没量：基线淹没面积约3.04—4.02 km²，洪水体积约216,863.88—305,336.19 m³；但绿色屋顶带来的绝对减少保持稳定，体积减少5,704.10—5,708.53 m³，面积减少0.05—0.06 km²。对2023年9月23日真实事件，I_a对应排水服务水平T=1年时绿色屋顶效果明显，淹没面积由962,832降至932,816 m²，减少30,016 m²（3.12%），洪水体积由66,344.28降至63,981.46 m³，减少2,362.82 m³（3.56%）；T=2年时效果变为边际，面积减少48 m²（0.012%），体积减少1.34 m³（0.005%）。

3.2 流量与最大流速。基线最大流速沿路网和地形流廊分布，多数淹没单元流速低于0.5 m/s，局部超过1 m/s，部分超过1.5 m/s，主要集中在连续坡道路段。历史中心因街道狭窄、建筑密集，形成破碎但局部强烈的流路。绿色屋顶对最大流速影响有限，大部分区域变化接近0 m/s。两个控制断面中，靠近绿色屋顶的Section 1峰值流量有可辨减少，峰现仅轻微延迟；下游627 m的Section 2无明显峰值延迟或峰值流量减少。

3.3 洪水危险分类。采用Kaspersen and Halsn?s提出的水深阈值：H₁（<5 cm）通常安全，H₂（≥5且<20 cm）对健康、地下室、道路和铁路不安全，H₃（≥20 cm）对健康、地下室、道路、铁路、建筑和历史/文化资产不安全。对东部11,852栋建筑做2 m缓冲的GIS分析，99栋（0.84%）在绿色屋顶后降级：53栋由H₃至H₂，42栋由H₂至H₁，4栋由H₃至H₁；其中46栋（0.39%）降至H₁。仅5栋（0.04%）升级，可能源于时间离散导致峰现错位和NBS引起的水流延迟叠加。99栋降级建筑中仅43栋实际有绿色屋顶，另有56栋因邻近和下游效益而受益。350栋干预建筑占东部全部建筑2.95%。

3.4 雨洪风险指标。将危险分类图与普查单元和2021年人口叠加，受影响人口定义为位于H₂和H₃的人口，按栅格面积分数分配，每个普查单元取最高危险类。基线情景给出各普查单元受影响人口。绿色屋顶情景下，受影响人口出现小但可感知的减少，且减少不限于含绿色屋顶的普查单元，也扩展至邻近和下游单元。

讨论部分总结：以2023年9月23日风暴进行定性一致性检查，利用社交媒体公民视频作为志愿地理信息，结果显示两个点命中、一个部分命中、一个未命中，支持该框架用于城市尺度比较筛选。基线情景表明那不勒斯雨洪空间广泛但多为浅水，热点位于道路交叉口、地形洼地和街网定义的优先流路；历史中心流路更密集、流速更高。绿色屋顶在东部可降低最大水深，幅度多小于5 cm，局部5—60 cm，且效果集中于处理建筑附近并向下游衰减。与已有研究一致，绿色屋顶的绝对水深减少有限；敏感性分析表明该缓解效应不是特定CN和n_M取值的假象。政策上，绿色屋顶效益常外溢至邻近和下游区域，存在正外部性，需补贴、税收减免和规划管制等促进部署；空间靶向部署应优先考虑位于已知淹没热点上游或邻近的建筑。局限包括：代理排水系统需更多详细水力数据校准；未显式模拟地表与地下双向交换及绿色屋顶内部蓄放延迟；缺乏城市水文站，无法定量校准；一致性检查仅基于单场事件和稀疏公民视频；绿色屋顶适宜性评估仅限住宅建筑。未来应扩展到商业、工业和公共建筑，并考虑渗透铺装、雨水花园等更多NBS。

研究结论（翻译）：雨水管理是在全球加速城市化、人为土地利用变化和气候变化影响加剧背景下城市面临的首要挑战之一。极端降水引发的雨洪影响上升，凸显了将基于物理的建模与基于自然的解决方案（NBS）结合、以补充并增强既有雨水基础设施的综合方法需求。本研究通过意大利那不勒斯市的城市尺度雨洪致灾与风险评估应对这一挑战，该城市是具有复杂地形和有限排水基础设施数据的历史性城市环境；研究评估了绿色屋顶作为代表性小尺度NBS的洪水缓解潜力。主要方法贡献在于改造SCS-CN方法，通过修改初损I_a系数，以代理方式同时表征城市排水系统能力和绿色屋顶与下游排水网络的级联作用。该方法使二维水动力框架内的空间分布式水文损失建模成为可能，并在HEC-RAS 6.7中通过网格降雨方法实施，无需详细地下排水基础设施知识。以公民生成视频内容作为志愿地理信息、针对2023年9月23日风暴的定性一致性检查，支持该建模框架再现真实降雨条件下主要城市洪水热点的能力。基线情景（T=10年、历时30分钟、1和3小时的设计降雨事件）显示，那不勒斯雨洪空间广泛但以浅水为主，局部较深淹没出现在道路交叉口、地形洼地和街网定义的优先径流路径。水力响应强烈受局部地形和城市几何控制，历史中心相较外围区具有更密集的加速流路网络。基于普查单元、结合模拟最大水深和居民暴露数据的洪水风险评估，识别了最脆弱城市子单元的空间分布。假设情景表明，在东部技术适宜住宅建筑上靶向部署NBS，可在最大水深和受影响人口方面产生可测量、空间分布式的减少，尤其在处理建筑附近和下游径流路径。尽管多数受影响单元的水深减少绝对幅度有限，与更广泛文献中可比重现期和更高NBS覆盖率的结果一致，但在靠近处理建筑的低洼积水区观察到更大的局部减少。关键是，绿色屋顶实施的效益超出直接处理位置，传播至邻近和下游普查单元。干预位置与效益分布之间的空间不对称对政策设计具有直接意义：由于相当部分缓解效益由安装成本承担者以外区域获得，仅靠市场化部署不太可能达到社会最优的NBS采用水平。因此，靶向激励方案和监管框架对于最大化城市尺度NBS集体洪水风险减少潜力至关重要。所提框架具有跨不同城市情境转移的潜力，并为将NBS纳入城市洪水风险管理策略提供决策支持工具，尤其适用于复杂大城市。必须承认，尽管通过NBS扩大城市透水表面可有助于减轻洪水事件不利影响，其效力仍固有有限，并随降雨强度增加而降低。因此，结构工程措施仍具根本重要性，NBS应仅视为补充性干预。