雨水滞留池设计：传统方法与当前挑战的综述

《International Journal of River Basin Management》：Stormwater detention basin design: a review of traditional approaches and current challenges

　　**摘要**
由于极端降雨事件的强度增加和持续的城市化进程，全球的洪水风险及相关损失正在上升，这挑战了传统静态雨水设计方法的适用性。本文对雨水滞留池的设计和运行方法进行了批判性回顾与综合，重点关注气候变化适应措施。首先，我们分析了传统的“设计风暴”方法和基于储存的方法，概述了这些方法的简化假设（例如固定的雨量图形状、恒定的径流系数、恒定的出流等），以及这些假设在非静态情况下可能导致的洪水风险低估问题。接着，我们探讨了克服这些限制的进展，包括基于风险的优化框架、多目标优化方法、水动力建模、能够适应多种运行规则和分析-概率公式，以及实时控制和人工智能驱动的预测等新兴工具。基于近期关于极端降水变化的证据，我们回顾了将未来降雨纳入设计的途径（如增量变化缩放、非静态频率分析以及基于气候模型的预测），并讨论了在水文模型与预测结果结合时进行降尺度和偏差校正的必要性。最后，我们强调了损害评估在连接灾害、暴露风险和脆弱性方面的核心作用，从而能够对滞留池方案进行成本效益评估。本文为实践者提供了方法论指导：使用更新的非静态降雨信息，优先选择集合驱动的水文-水力建模，并将损害评估纳入设计过程中。

**关键词**：雨水滞留池；水文建模；洪水风险；气候变化；损害评估

**1. 引言**
近几十年来，全球洪水事件的数量及其造成的损失不断增加，凸显了有效且稳健的雨水管理工程解决方案的紧迫性。有两个主要因素加剧了这一趋势：（i）与气候变暖相关的短时极端降雨强度的增加；（ii）城市化进程导致渗透能力下降，加速了径流形成（Francipane等人，2021年；Fowler和Ali，2022年）。因此，排水系统更频繁地面临强降雨带来的危险峰值流量和短时间内的大量径流。在这种情况下，滞留池成为减轻水文风险和管理径流的基本工具。然而，基于静态分析和固定假设的传统设计方法往往无法捕捉当代水文事件的复杂动态，例如极端降雨强度的增加和土地利用的变化（Durdu等人，2023年；ISPRA，2023年）。如图1所示，2023年有三分之一的欧洲河流网络超过了“高”或“严重”洪水阈值，这凸显了根据新的气候条件调整设计方案的必要性。图1显示了2023年任何一天河流流量超过“高”（5年一遇）和“严重”（20年一遇）洪水阈值的欧洲及周边地区。上游面积大于1000平方公里的河流以灰色显示，当流量超过“高”洪水阈值时呈现橙色，超过“严重”洪水阈值时呈现紫色。数据来源：EFAS。图片来源：CEMS/C3S/ECMWF（Copernicus气候变化服务，2024年）。

除了传统的防洪作用外，雨水滞留池越来越多地被推广为多功能基础设施，能够同时控制径流并改善水质（Hogan和Walbridge，2007年；McPhillips和Walter，2015年）。当设计合理且运行得当时，滞留池可以作为污染物沉降池，使悬浮沉积物、营养物质和重金属在流出之前沉淀或降解（Ferrara和Witkowski，1983年；Shishegar等人，2018年）。这种双重功能（防洪和减少污染物负荷）在城市环境中尤为重要，因为不透水表面会产生快速径流和高浓度污染物。通过暂时储存雨水并调节其释放，滞留池不仅减少了峰值流量，还增强了沉积物沉积和污染物去除过程，有助于恢复城市流域的水文和生态平衡。

应对所有这些挑战需要一种综合方法，能够考虑领土、基础设施和水文动态之间的复杂相互作用。现有的方法虽然构成了重要基础，但需要与更先进和适应性更强的工具相结合，以应对复杂的未来情景以及社区对韧性和可持续性的日益增长的需求。采用数值模型和模拟技术，并结合对流域特定特征的批判性分析，为改进滞留池设计提供了新的可能性，使其适应快速变化的城市环境。

鉴于这些问题，本研究的主要目的是对传统的雨水滞留池设计方法进行批判性评估，分析最新的进展和创新方法，特别是针对气候变化和城市化带来的挑战，以提供一个全面和综合的框架来有效解决这些问题。具体而言，本研究旨在：
- 批判性地回顾传统的雨水滞留池设计方法，指出其在表示非静态水文过程方面的简化假设和局限性；
- 综合雨水滞留池设计和管理方面的最新进展，包括基于风险的、分析-概率的方法和多目标优化方法，以及最近的人工智能应用；
- 研究将气候变化的影响纳入设计中的降雨和流量估算；
- 评估水动力模型在提高池设计准确性、模拟洪水动态和支持基于情景的分析方面的作用；
- 强调洪水损害评估作为评估成本效益和优先考虑洪水缓解策略的决策支持工具的作用。

**2. 传统设计方法**
尽管雨水滞留池可以具有多种用途，但其设计目标通常仅限于满足规定的水力性能标准。这些标准通常涉及减少特定重现期的峰值流量。在本节中，我们描述了传统的水文设计方法及其所基于的简化假设。

控制雨水滞留池过程的三个主要方程是：
- 平衡方程：\(Q_I(t) - Q_O(t) = dW(t)\)
- 流量方程：\(Q_O = Q_O[H(t)]\)
- 储存函数：\(W = W[H(t)]\)

其中：\(Q_I\)为入流率，\(Q_O\)为出流率，\(H\)为水深，\(W\)为储存体积，\(t\)为时间。

传统上，确定池设计所需的储存量\(W\)需要知道入流雨量图\(Q_I(t)\)，该雨量图通常通过流域的水文建模获得。生成这些雨量图的方法根据设计目标和实践者可用的数据及计算资源的不同，具有不同程度的简化。

一种常见的入流雨量图估算方法是使用“设计风暴”方法。这些方法生成一个人工降雨事件，该事件对应于选定的年超越概率，即某一年发生该强度或更强烈风暴的可能性。然后将合成事件转换为径流，用于确定池的规模（Hong等人，2006年；Lee和Kwak，2008年）。

“设计风暴”程序首先从IDF（强度-持续时间-频率）或DDF（深度-持续时间-频率）曲线中选择降雨统计数据，这些曲线将降雨强度或深度与风暴持续时间和超越概率相关联。这些曲线基于历史观测数据，通常使用广义极值分布（Koutsoyiannis等人，1998年）等静态极值模型进行拟合。一旦获得了选定持续时间和超越概率下的降雨深度或强度，就通过构建合成雨量图将其分布在时间上，该雨量图通常基于标准的时间模式。

最简单的形式是使用恒定强度雨量图，假设降雨强度在事件期间保持不变。这种简化忽略了实际风暴中的强烈时间变化，尤其是对流性风暴（Wright等人，2012年；Cristiano等人，2017年）。为了解决这个问题，引入了其他方法，如三角形分布、芝加哥雨量图（Keifer和Chu，1957年）以及SCS II型模式（USDA-SCS，1975年）。这些方法允许用户指定降雨峰值在事件中的位置。然而，峰值时间的选择并非易事。多项研究表明，将降雨峰值提前或推迟会在结果雨量图中产生显著差异（Alfieri等人，2008年；Balbastre-Soldevila等人，2019年）。当流域的集中时间较短时，其对这种时间变化的敏感性尤为明显，因为峰值流量可能随着降雨最大值与最快径流路径的对齐情况而增加或减少（Emmanuel等人，2015年）。观测分析证实，实际的对流性风暴在时间结构上表现出高度变异性，包括多峰模式、快速增强和晚峰动态（Wright等人，2012年）。因此，使用单一确定性风暴可能会导致入流雨量图的偏差，尤其是对于小型城市流域。

一旦确定了降雨量，就需要将其转换为入流雨量图，这通常需要一个降雨-径流模型。在降雨-径流转换过程中也会引入简化，具体取决于所使用的模型（即集总模型、半分布式模型或基于物理的分布式模型）。这些模型的复杂性差异很大，集总模型（将整个流域视为一个单元）相对容易处理，而基于物理的模型（将流域离散化并更好地模拟水文过程）则更为复杂。最简单且仍然最常用的模型是Rational方法（Kuichling，1889年），它假设：空间均匀的降雨、时间不变的径流产生和线性的流域响应。另一种更具物理依据的方法是SCS曲线数（CN）方法（USDA-SCS，1972年），广泛用于基于事件的设计。

通常，“设计风暴”方法用于初步设计分析，其应用得到的体积需要通过连续模拟进行验证。连续模拟一致表明，使用设计风暴确定的池提供的保护作用远低于预期（Elliott和Trowsdale，2007年）。然而，由于连续模拟需要长期降雨数据记录且计算成本较高（Heaney和Wright，2021年），因此并不总是进行连续模拟。

传统工作流程的最后一步是储存-出流路径确定。方程（1）-（3）只有在储存函数和出流定律简化的情况下才能以封闭形式积分。例如，当考虑恒定出流率或线性储存-出流关系时，以及设计规则几何形状的池时，就可以这样做。实际上，雨水滞留池可能具有复杂的出口结构、变化的出流条件和非均匀的几何形状，这些在解析解中难以考虑。因此，这些方程通常在水文-水力模型中通过数值方法求解，通常采用储存-出流路径确定方法（Tung，2004年）。

这些传统方法的一个显著局限性是假设在风暴事件开始时储存容量完全可用，忽略了之前降雨事件可能导致的部分预填充（Raimondi和Becciu，2015年）。这种简化可能导致实际可用储存容量的高估，增加溢出的可能性。

除了水文简化之外，传统方法还忽略了经济、环境和社会因素对洪水缓解基础设施性能和接受度的影响。许多研究表明，洪水缓解基础设施的设计仍然主要基于水力标准，而生命周期成本、环境负担和社会效益则很少被考虑（Zhou，2014年；Yang和Zhang，2021年；Ferdowsi等人，2024年；Sun等人，2024年）。尽管生命周期评估研究表明，建设和维护成本、能源使用和内在影响可以显著影响洪水控制解决方案的总体可持续性，但这些方面仍很少被纳入标准的滞留池设计程序中（Brudler等人，2016年）。同样，诸如污染物去除效率、生态影响和娱乐或美学价值等更广泛的指标也往往仅进行定性评估或在设计之后进行评估，尽管在雨水规划中越来越支持综合社会-经济-环境评估框架（Khalaji等人，2025年）。因此，滞留池的设计仍然主要基于水力性能，对更广泛的可持续性目标或其建设、运营和维护的长期成本关注有限（Duan等人，2016年）。

另一个局限性是假设滞留池以固定出口结构被动运行。在实践中，大多数系统仍然被设计为静态设施，尽管许多研究表明，主动或实时控制可以显著提高洪水缓解和水质性能（Brasil等人，引用2021年；Altobelli等人，引用2024年）。传统设计中缺乏管理和运营考虑，因此限制了这些系统对变化的水文条件、系统内部相互作用以及未来气候情景的动态响应能力。3. 雨水滞留池设计和管理方面的进展由于技术、环境特性等因素，以及其对流域水文响应的影响，正确设计雨水滞留池极具挑战性。由于传统方法忽略了与雨水滞留池设计相关的经济、环境和社会因素，近年来提出了先进的雨水滞留池设计和管理方法。这些创新方法试图克服与水文假设、经济和环境考虑以及连续模拟相关的计算负担。基于风险的方法作为“设计风暴”方法的替代方案出现，为单个和多个雨水滞留池提供了更全面的解决方案。Travis和Mays（引用2008年）提出了一种离散动态规划技术来确定每个池的理想位置和几何形状。Yazdi和Salehi Neyshabouri（引用2012年）将MIKE-11模拟模型与NSGA-II多目标优化模型相结合，以在最小化洪水缓解措施的投资成本和洪泛区潜在损害这两个相互冲突的目标之间提供最优帕累托解。在此基础上，Moridi和Yazdi（引用2017年）开发了一个多目标优化框架，用于多水库系统的协调运行，该框架被构建为一个通过?约束方法和混合整数线性规划（MILP）解决的非线性非凸问题。他们的方法最小化了下游洪水损害和水电损失，证明了协调水库运行可以显著减少甚至消除洪水影响。类似地，Karamouz等人（引用2009年）提出了一个耦合优化和水文模型，以确定永久性和紧急性洪水控制措施的成本效益组合，整合了洪水损害估计和最优作物分配。后来，Ahmadi等人（引用2010年）引入了针对确定性和随机性水库运行的鲁棒优化方案，利用进化算法考虑了流量不确定性以及多部门水资源分配。这些研究强调了基于优化的方法在洪水和水资源管理中的发展，逐步整合了水力、经济和运营视角。然而，大多数这些方法依赖于稳定的水文条件，并未明确处理非稳定降雨模式或气候变化的影响，而这些正是本研究的关键方面。Bellu等人（引用2016年）开发了一个灵活的框架模型，用于优化雨水滞留池的尺寸和选址。该方法基于三个相互关联的模块：水文、地貌和环境。Albertini等人（引用2022年）也提出了类似的方法，他们提出了一个集成框架，用于在线雨水滞留坝的尺寸设计，将地貌、概率和经济建模结合在一个优化问题中。他们结合了（i）评估雨水滞留坝洪水流出的概率方法；（ii）对洪水风险区域的地貌方法；以及（iii）经济分析（建设和损害成本），以寻找雨水滞留坝的最佳设计。另一个重要进展是将水力建模整合到雨水滞留池设计中。流体动力学模型允许更详细地模拟洪水动态，帮助工程师改进雨水滞留池的几何形状，并理解滞留池与下游河流网络之间的相互作用，从而在不同情景下进行损害评估。为了优化洪水风险降低以及对环境和社区的影响，雨水滞留设施不仅需要正确设计，还需要进行管理，评估其对下游流域的影响和损害评估（De Paola和De Martino引用2013年）。雨水滞留池管理的一个新趋势是多用途，以应对气候变化带来的不同挑战，如减少洪水风险、在干旱时期储存和供应水资源以及沉积物清除（Park等人，引用2014年）。具有多目标目标的雨水滞留池的设计和管理，即考虑有时相互矛盾的不同需求，需要定义一个多目标函数。这样可以使雨水滞留池在不同条件下具有多种用途，例如气候变化导致的长期干旱期和极端降雨事件的交替。基于人工智能的新方法也正在出现，用于雨水滞留池的最佳设计和管理（Park等人，引用2012年）。Yang等人（引用2019年）优化了洪水控制系统的有效性，减少了水位变化和值班泵的数量。同样，实时控制可以提高雨水滞留池的性能（Gaborit等人，引用2013年；Sharior等人，引用2019年）。Shishegar等人（引用2019年）提出了一种集成优化和基于规则的方法，用于城市雨水管理系统的预测性实时控制。他们为雨水管理池设计了一个动态实时控制框架，将质量控制规则整合到数量控制优化算法中，以在减少峰值流量和改善水质方面提供最佳性能。文献中提出的一种有前景的替代方案是所谓的分析-概率方法，适用于不同的气候情景和管理规则。该方法最初由Adams和Papa（引用2001年）开发，随后被多位作者应用于雨水滞留池设计，包括定量目标（Guo等人，引用2001年；Guo等人，引用2004年；Manfreda等人，引用2021年；Aldrees和Dan’azumi等人，引用2023年）和定性目标（Chen和Adams等人，引用2007年；Raimondi和Becciu等人，引用2017年；Wang等人，引用2023年）。一旦确定了感兴趣的变量，分析-概率方法可以从输入变量的概率分布函数中推导出其概率分布函数。与传统方法相比，分析-概率方法的主要优势在于它们可以包含多个管理规则（Tang等人，2018年），考虑从前几次降雨中预填充存储容量的可能性，模拟连续降雨事件链（Raimondi等人，2023a；Maglia和Raimondi，引用2025年），并且可以在不同的时间和空间尺度上使用。这些特性使它们特别适合适应各种气候情景，并整合长期气候预测（Balistrocchi等人，引用2013年；Raimondi等人，2023b；2023c）。此外，将基于AI的预测模型与分析-概率方法相结合增强了预测能力。通过利用机器学习和深度学习技术，可以更准确地模拟流量和流出动态，促进稳健的短期到长期雨水管理策略（Tang等人，引用2018年；Puoti等人，引用2023年）。本节概述的进展展示了创新方法如何解决传统设计方法的固有局限性。通过结合基于风险的决策、水力建模、实时优化和概率方法，现代雨水滞留池设计可以实现更高的准确性、韧性和可持续性。虽然许多创新方法正在重塑雨水滞留池设计，但本文主要关注气候变化对滞留池性能的影响、水力模型在提高设计精度中的作用，以及损害评估作为评估有效性的工具。后续部分的讨论将更深入地探讨这些方面，展示如何通过适应气候变化的水力和损害模型实现更高效的雨水管理策略。4. 在变化的气候下的滞留池设计在雨水滞留池设计过程中，必须仔细评估的一个输入变量是设计流量，即具有特定重现期的流量通过给定横截面的流量。这个值取决于设计降雨量，即上游流域在特定持续时间和重现期内降下的降水量。目前估计设计流量的一些挑战与观察到的（和预期的）降雨模式变化有关。本节概述了如何将气候变化的影响纳入设计降雨量（第4.1节）和流量（第4.2节）中，以制定适应策略。4.1. 未来降雨情景可以使用几种不同的降雨频率分析方法在稳定条件下（即不考虑气候变化的影响）评估设计降雨量，这取决于该地区可用的测量数据的丰富程度。当有长时间序列数据时，设计值通常仅使用现场雨量计测量数据计算。在记录短且分散的情况下，或者需要更大样本来可靠地估计非常高的重现期时，可以通过区域化技术来补偿现场数据的缺乏或不足，即从靠近或类似研究地点的数据中汇总数据，从而依赖于用空间交换时间的概念（Svensson和Jones引用2010年；Claps等人，引用2022年）。从运营角度来看，在某些情况下（Svensson和Jones引用2010年），这些估计可以从官方的全国性方法中获得，而在其他情况下，则必须使用截至现在的时间序列数据进行现场频率分析。尽管第二种方法要求更高且依赖于设计者的决策，但它可以允许评估所有可用记录，而第一种方法有时无法做到这一点。事实上，官方方法通常每10年（或更长时间）更新一次，因此会错过最近几年记录的极端值。近年来，破纪录降雨事件的频繁发生突显了提供更新估计的必要性。已经进行了多项研究，以在区域尺度（例如Caporali等人，引用2008年；Forestieri等人，引用2018年；Libertino等人，引用2018年；Deidda等人，引用2021年，针对意大利）或国家尺度（Shehu等人，引用2023年；Iliopoulou等人，引用2024年，针对希腊）更新这些估计。其中一些研究已经转化为操作工具，而其他研究仍处于研究阶段，尚未正式采用。尽管如此，许多地区和国家仍在积极努力更新设计方法。如前所述，这些技术将降雨极端值视为稳定的，即时间序列中没有观察到变化。近几十年来，世界各地都观察到了极端降水的变化，特别是在亚小时和亚日内的时间尺度上（Madsen等人，引用2014年；Libertino等人，引用2019年；Dallan等人，引用2022年；Gründemann等人，引用2022年；Mazzoglio等人，引用2022年；Jayaweera等人，引用2023年；Avino等人，引用2024年；Mazzoglio等人，引用2025b）。这表明需要考虑非稳定频率分析以更好地估计设计降雨量（例如Pesce等人，引用2025年）。通常使用两种不同类型的测量来评估降雨极端值的变化。为了获得关于过去降雨极端值变化的精确现场信息，通常会考虑现场数据。过去、现在和未来的极端降水量及其频率的变化通常通过全球气候模型（GCM）的预测来评估，然后使用区域气候模型（RCM）进行降尺度处理，以在不同情景下进行影响评估。近年来，在各种类型的气候模型中，允许对流模型（CPM）被证明能够比低分辨率的区域气候模型提供更真实的短期和强降水表示（Prein等人，引用2015年；Kendon等人，引用2017年；Berthou等人，引用2020年；Fosser等人，引用2020年）。科学界越来越关注使用这些气候模型来估计极端降水的变化（例如Chan等人，引用2023年；Dallan等人，引用2024a；引用2024b；Lompi等人，引用2025年），但这仍处于起步阶段，需要多模型集合方法来适当评估估计不确定性（Fosser等人，引用2024年；Correa-Sánchez等人，引用2025年），并结合历史时期的现场测量数据进行详细准确性评估（Correa-Sanchez等人，引用2025年；Mazzoglio等人）。Citation2025a) 评估气候变化对设计降雨影响的所有程序可以分为三类：一种是delta变化方法，通过一个缩放因子乘以当前情景下的设计降雨量；二是应用非平稳频率分布；三是基于气候预测进行评估。在少数国家，设计降雨的适应性调整被纳入国家指南（Martel等人，Citation2021），通常采用delta变化方法。在大多数情况下，建议使用一个恒定的缩放因子。有时，缩放因子取决于降水的持续时间或重现期；在其他情况下，变化则基于降水-温度缩放关系进行预测（Wasko等人，Citation2024；Treppiedi等人，Citation2025）。关于将非平稳性和气候变化纳入强度-持续时间-频率（IDF）曲线估计的综述很多（Willems等人，Citation2012；Yan等人，Citation2021；Martel等人，Citation2021），最近的一篇综述还涵盖了区域化主题（Schlef等人，Citation2023）。

4.2. 流域水文建模
量化未来的设计流量对于在变化的气候中建立可靠的滞留池至关重要。过去几十年里，许多研究探讨了气候变化对洪水的影响。例如，Madsen等人（Citation2014）提供了关于欧洲极端降水和洪水变化的全面综述。最近的研究通过趋势分析观测数据（Bloeschl等人，Citation2019）或气候预测和水文模型（Alfieri等人，Citation2015）分析了气候变化对欧洲尺度洪水的影响。尽管趋势分析可以衡量洪水随时间变化的统计显著性，但水文模型能够体现气候预测与未来设计流量评估之间的相互作用。Karamouz等人（Citation2011）提出了一个概率框架，考虑了河流形态和气候变化的影响，以评估洪泛区的变异性。他们的方法结合了水力模拟、基于copula的联合概率分析以及降水预测，来量化未来气候情景下的洪水范围和深度的不确定性。研究表明，降水强度和河道几何形状的变化显著影响了洪水的规模和空间分布，强调了适应性洪泛区管理和非平稳设计实践的必要性。这些发现强调了将水动力不确定性和气候变异性整合到流域设计中的重要性。因此，本节旨在介绍在气候预测下使用水文建模确定未来设计流量时需要考虑的一些实际方法论方面。

降尺度的气候预测对于影响评估研究至关重要，因为用于驱动水文模型的降雨预测必须具有适当的空间和时间尺度，特别是对于中小型流域（Tofiq等人，Citation2014）。与单一气候模型相比，使用气候预测集合可以消除区域气候模型（RCMs）或全球气候模型（GCMs）输出的潜在偏差（Pechlivanidis等人，Citation2017）。

气候变化对洪水的影响可以在不同的时间尺度上确定，即使用基于事件的或连续的水文模型。在后一种情况下，气候模型的预测直接作为水文模型的输入，无需进行降雨频率分析，因此偏差校正尤为重要（Hall等人，Citation2014）。在这种情况下，频率分析应用于水文模型的输出。在应用偏差校正方法时，通常假设过去气候的模型偏差在未来保持不变（Teutschbein和Seibert，Citation2013）。有多种偏差校正方法（Teutschbein和Seibert，Citation2012；Citation2013），识别最适合控制期内洪水频率曲线与观测数据拟合的方法非常重要（Soriano等人，Citation2019；Michalek等人，Citation2024）。Chen等人（Citation2013）指出，偏差校正方法的选择会显著影响洪水模拟结果。因此，在偏差较小的情况下推荐使用连续水文模型，因为校正较大的偏差可能会引入分析中的伪影（Teutschbein和Seibert，Citation2013）。

基于事件的水文模型更为常见，因为它们采用了“delta变化”方法。在这种情况下，预测结果不是水文模型的输入；相反，通过比较未来情景和控制期提取模型的气候变化信号，并将其叠加在观测数据上（如前一节所述）。这种简单的方法允许在流域尺度上评估洪水分位数的变化（Lompi等人，Citation2021），有助于评估不同重现期未来洪水损失的变化（Soriano等人，Citation2023）。

气候预测的不确定性和建模技术的局限性给预测未来洪水情景带来了挑战，无法做到绝对准确。此外，由于分析可以使用不同的气候模型、降尺度技术或偏差校正方法，结果可能会因所选方法的不同而大相径庭（Kundzewicz等人，Citation2017）。将气候情景整合到雨水基础设施设计中对于确保抵御未来极端降雨的韧性至关重要。这一点在最近评估预测气候条件下水文基础设施的研究中尤为明显。Nunes Carvalho等人（Citation2020）分析了巴西六个全球气候模型（GCMs）和两个代表性浓度路径（RCP 4.5和RCP 8.5）下的雨水收集系统性能，发现未来极端降雨情况下峰值径流可能增加多达61%。他们的结果表明，虽然蓄水池可以缓解部分径流，但需要大规模实施，这表明如果不完全考虑气候变化，分散式解决方案存在局限性。同样，Abduljaleel等人（Citation2023）使用区域气候模型预测未来降雨，并通过结合这些预测，比较了不同滞留池设计在减轻气候引起的径流和污染物负荷方面的有效性。这些例子强调了将多种气候预测纳入雨水基础设施规划的重要性，否则可能导致系统设计不足，在未来极端降雨下失效。然而，针对非平稳降雨条件调整滞留池设计的标准化方法仍然有限，需要进一步研究。

5. 水力模型
理解和建模洪水事件对于设计雨水滞留池至关重要（Mishra等人，Citation2024），这些池是减轻水文风险和管理径流的关键工具。主要的洪水模型分为三类：经验方法、水动力模型和简化的概念模型。经验方法基于历史数据和观测（Amadio等人，Citation2016），为校准更高级的模型提供了有用的支持。尽管它们不能直接用于设计，但可以整合基本信息以验证模拟并理解过去的水文行为。水动力模型是流域设计的基本工具（F?rster等人，Citation2005），可以模拟洪水动态并评估峰值流量和响应时间。一维模型分析河流主干道上的水文行为，而二维模型则更详细地表示水的扩散和洪水持续时间，使其特别适合复杂环境下的流域设计。一个结合了一维和准二维模型的例子是对泰晤士河的研究，该研究使用TINFLOOD模型模拟洪泛区淹没（Kuiry等人，Citation2011）。三维模型虽然提供了非常详细的表示，但由于计算成本高和实施复杂，很少用于流域设计。它们更多用于科学研究或特殊情况下（Chabokpour，Citation2025）。关于简化的概念模型，它们是初步设计阶段的宝贵工具，可以快速估算所需的滞留体积和淹没范围（Malla和Arya，Citation2024）。尽管它们在处理复杂情景方面存在局限性，但对于初步设计评估非常有用。

传统的滞留池设计方法，如理性方法和NRCS曲线数方法，提供了简化的水文评估，适用于初步设计。这些经验方法基于静态方程估算峰值流量，并需要存储体积，适用于土地利用均匀的小到中等规模的流域。然而，它们没有考虑动态的雨水过程，包括降雨强度的时间变化、流域的空间异质性或实时洪水波的传播。因此，这些方法可能过于简化了水文响应，特别是在复杂的城市或大规模流域中，其中流量路径、渗透变化和储水-排放关系在洪水缓解中起着关键作用。水动力建模作为一种更有效的方法出现，提供了更精确的洪水危险评估和滞留池性能优化。这些模型使工程师能够通过基于情景的分析和成本效益评估来改进滞留池设计。与传统方法不同，这些模型可以模拟非稳态流动条件，生成详细的洪水危险地图，并评估流域修改的影响。它们能够考虑土壤渗透性、结构相互作用和变化的洪泛区条件，因此在现代洪水管理中不可或缺。通过生成洪水危险地图，这些模型提供了关于洪水深度、速度和范围的关键数据，可用于估算对基础设施、财产和社区的潜在经济损失。基于情景的分析使工程师能够评估不同风暴事件、土地利用变化和气候条件对洪水风险的影响，帮助优化设计以实现最低成本的最大保护。

多项研究强调了水动力建模的优势。Ferreira和Cabral（Citation2025）开发了一个用于滞留池布局的优化模型，使用PCSWMM和HEC-RAS 2D识别易受洪水影响的区域。他们的发现表明，优化后的滞留池可以显著减少洪水范围，同时最小化建设成本。Liu等人（Citation2015）将一维-二维耦合模型应用于中国的Jiakouwa洪水滞留池，展示了高精度洪水预测和危险地图如何改善洪水风险评估。Gomes等人（Citation2023）探讨了巴西巴西利亚现有滞留池的优化，发现水动力模型可以在不增加新基础设施的情况下增强洪水控制。此外，Shen等人（Citation2020）展示了将高分辨率LiDAR衍生的DEM数据与二维水力建模结合如何显著改善洪泛区流量模拟。他们对中国Gongshuangcha滞留池的研究强调了细尺度地形数据在捕捉局部洪水动态、细化洪水危险地图和减少建模输出中的虚假淹没区域方面的重要性。

通过利用洪水危险地图，水动力建模能够为更稳健的决策过程提供损害估算，确保滞留池不仅在水文上有效，而且在经济上也合理。

6. 损害评估
洪水损害评估是设计雨水滞留池综合框架的最后一步。洪水损害评估是洪水风险管理的关键组成部分，因为它在评估缓解和适应措施的有效性方面起着关键作用。通过量化预期损害，它使决策者能够评估其行动在减少对人类健康、环境、经济和文化遗产影响方面的效益（Ruangpan等人，Citation2024）。特别是，在极端事件期间比较有无雨水滞留池时的预期损害，并考虑下游的洪水排放，对于做出基于风险的决策以保护脆弱的城市区域至关重要（Arrighi等人，Citation2018）。这种方法允许比较多种滞留池配置，并评估它们在减少洪水损害方面的有效性，相对于建设和维护成本而言。损害模型是估算特定洪水事件对社区影响的标准化工具，描述了危险、暴露、脆弱性参数与损害之间的关系。除了定量损害模型外，还成功应用了DPSIR（驱动因素-压力-状态-影响-响应）等概念框架来分析可持续发展背景下的洪水原因和响应（Hashemi等人，Citation2014）。该框架连接了洪水的物理、环境和社会经济维度，使决策者能够识别关键驱动因素，评估政策响应，并支持综合洪水管理策略。将此类系统方法与水动力和损害模型相结合，可以更好地理解人类活动、土地利用和洪水脆弱性之间的反馈机制，从而支持可持续的洪水风险缓解。近期已经做出了显著的努力，将损伤建模纳入雨水滞留池的设计中（Sahoo & Pekkat 2018年引用，Yang等人2018年引用，Hosseinzadeh等人2023年引用，Masi等人2024年引用）。例如，Hosseinzadeh等人（2023年引用）提出了一个优化滞留池位置和设计的框架，以减轻城市洪水，通过将水力模拟与多目标优化相结合来支持决策制定，同时考虑减少对住宅建筑的直接损害；Sahoo和Pekkat（2018年引用）采用系统方法评估洪水风险，并通过绘制洪水风险地图和估算实施措施前后的影响来评估滞留池的有效性；Yang等人（2018年引用）通过使用不同土地利用类型的损伤曲线和与行业相关的模型来评估间接损失，研究了滞留池开发对周边地区洪水风险转移的影响。

7. 讨论与结论
本综述强调了在日益非平稳的气候和城市动态背景下，重新思考雨水滞留池的设计、运行和评估的紧迫性。降雨模式的变化、全球许多地区极端降水事件的强度增加（预计在未来几十年内会进一步加剧），加上由于城市化导致的自然渗透面积的逐渐丧失，正在改变流域的水文平衡，使得许多传统的设计假设变得过时。在这种情况下，滞留池仍然是洪水风险缓解策略的基石；然而，其有效性在很大程度上取决于其设计方法和运行框架能否适应新的边界条件。事实上，鉴于气候变化和城市发展带来的日益复杂的挑战，雨水池的设计需要从传统的简化方法转向更加综合和适应性的方法。虽然传统的设计策略（如“设计风暴”方法）对于初步可行性研究和快速评估仍然有价值，但它们已不足以确保雨水基础设施在不断变化的水文和气候条件下的稳健性和韧性。传统方法通常基于平稳性的假设（即认为极端降雨及其引发的洪水的统计特性随时间保持不变）、恒定的径流系数，并忽略了前期土壤湿度或部分预填充条件。因此，使用历史降雨统计数据或过时的土地覆盖信息设计的雨水滞留池可能严重低估了未来条件下的需求，导致在极端事件中系统失效，从而增加城市洪水的脆弱性。为了弥补这一差距，整合最新的降雨频率分析（特别是那些包含非平稳行为的分析）是必不可少的。这不仅需要利用最近的观测数据，还需要结合气候模型预测，包括来自高分辨率对流允许模型的预测。这些方法可以帮助从业者更准确地估算未来的设计降雨量，并使滞留池的容量与未来的水文极端情况相匹配。

水文建模，特别是在气候变化情景中，能够将降雨预测转化为未来的洪水估计，提供更准确的设计流量。采用连续或基于事件的建模方法，尤其是在有降尺度处理和偏差校正的气候数据支持的情况下，可以提高我们理解未来条件下降雨、土地利用和径流生成之间相互作用的能力。然而，气候模型和方法论假设的不确定性突显了需要集合方法和标准化程序的实际应用。通过结合来自多个气候模型的信息，雨水池设计可以考虑多种可能的未来情景，从而提高对极端湿润和干燥条件的韧性。通过考虑气候预测的不确定性，可以根据不同的模型输出和参数不确定性来评估特定结果的可能性，提供对这些未来条件的概率理解，并使设计在典型和极端情景下都能保持有效。

尽管如此，水文模型本身无法完全捕捉洪水风险的全谱。水力建模在准确捕捉洪水动态和指导滞留池设计方面起着关键作用。通过水动力模拟，工程师可以可视化洪水范围，评估所提出池子的实际效果，并根据真实的洪水情景改进其几何形状和运行方式。这些模型支持基于情景的评估和损伤评估，从而能够进行稳健的成本效益分析，并为基于情境的洪水缓解策略提供信息。传统的设计程序很少使用综合的水动力和损伤建模来量化滞留池到位后实际减少的洪水风险。因此，很少估计实施前后的预期年度损害等关键指标，这阻碍了对剩余风险的严格评估，并使得进行合理的成本效益或基于风险的滞留池方案优化变得困难（Zhou等人2013年引用，Molinari等人2021年引用）。

总的来说，这些局限性突显了需要设计框架超越纯粹的水力标准，整合经济、环境、社会、建模和运行方面的考虑，以更准确地表示滞留池的性能。尽管水动力模型已被证明具有优势，但在实践中仍然使用不足，往往被简化的经验方法所取代。同样重要的是，但同样被忽视或过度简化的，是将损伤评估整合到设计过程中。估算预期的洪水损害可以提供对雨水滞留池效益的更全面理解，使决策者能够在投资成本与潜在的洪水相关损失减少之间取得平衡。尽管在开发能够量化多个部门损害的模型方面取得了显著进展，但准确捕捉直接和间接影响仍然是一个挑战。尽管如此，将损伤模型与水文和水动力模拟相结合，可以创建一个完全集成的、基于风险的设计框架，支持开发具有成本效益的解决方案。

一个新兴的前沿是人工智能的应用。机器学习技术可以优化池子运行策略，并识别传统模型可能忽略的降雨-径流响应模式。尽管取得了这些进展，研究创新与实际应用之间仍存在脱节。虽然基于概率和人工智能的模型在模拟研究中显示出明显优势，但其在实际设计中的应用仍受到数据可用性、计算需求和缺乏标准化程序的限制。

总之，虽然传统方法仍然为初步评估提供了一个有用的框架，但在建模和设计优化方面的新兴方法，结合实时数据、概率方法和人工智能，为提高雨水滞留池的性能、可靠性和韧性提供了重大机会。朝着这些综合策略迈进对于应对变化和不确定的未来中的洪水风险管理挑战至关重要。结合灰色和绿色基础设施的混合方法，例如将滞留池与湿地或透水景观相结合，可以提供实现多功能系统的有希望的途径，同时提供洪水保护、水质改善和生态增强。