优先考虑公共和私人空间中用于城市防洪的基于自然的解决方案：以意大利特伦托为例的研究

《Sustainable Cities and Society》：Prioritising nature-based solutions for urban flood mitigation in public and private spaces: A study in Trento, Italy

　　

摘要

城市内涝是一种受气候变化影响、由快速城市化驱动的涉水水力学现象。基于自然的解决方案（NBS）可以通过提供水资源调节生态系统服务来帮助缓解这一现象。NBS空间优先排序越来越被用于确定应实施哪些干预措施以及在哪里实施。然而，大多数现有方法基于对地表径流的简单水文分析，忽视了排水系统内部的水力压力。此外，NBS实施机会的评估往往未区分公共空间和私人空间，从而遗漏了决策的关键信息。本研究开发并测试了一种在子汇水区尺度的空间显式方法，将三种致灾贡献指标（径流系数、淹没率和倒灌率）与公共空间和私人空间中不同类型NBS的适宜性分析相结合。在意大利特伦托的测试应用表明，绿色屋顶、雨水花园和透水铺装产生了不同的优先格局。三种指标捕捉了子汇水区互补且空间异质的致灾贡献。结果还表明，适合NBS实施的私人区域在多种致灾贡献指标下被归类为高优先级的子汇水区中更为频繁地出现，而适合的公共区域较少，且主要与单一指标相关。通过将水文和水力致灾贡献与NBS实施的公共和私人适宜性相结合，本研究为城市规划提供了一种空间显式的优先排序工具，将致灾贡献转化为空间优先级，以确定不同类型NBS在城市肌理中最适合的目标区域。

引言

城市内涝是一种水文-水力现象，当不透水表面的径流超过排水系统的容量时发生（Yazdanfar & Sharma, 2015）。这一现象受与气候变化相关的降雨模式变化影响，并受到因快速城市化导致的不透水区域扩张的强烈驱动（例如Mahmoud & Gan, 2018; Miller & Hutchins, 2017; Skougaard Kaspersen et al., 2017; Zhou et al., 2019）。随着径流量的增加，传统灰色基础设施在输送水流和管理峰值径流量方面可能效率低下，造成城市内涝风险条件，导致排水系统超载和地表洪水（W. Chen et al., 2021; Mailhot & Duchesne, 2010）。此外，预计降雨强度的增加将进一步加重城市排水系统的负荷，对其长期韧性构成挑战（Ye et al., 2025）。对此，结合传统灰色基础设施和绿色解决方案的综合方法正在被广泛探索以缓解城市内涝（D?browska et al., 2023; John & Bhagyanathan, 2024; Pour et al., 2020; Wang et al., 2025; Zhang et al., 2023）。

在此背景下，基于自然的解决方案（NBS），被定义为保护、恢复和可持续管理生态系统的行动，同时提供多种效益（联合国环境规划署联合国环境大会, 2022），在过去十年中日益受到关注（Castellar et al., 2021; Ferrario et al., 2024; Raymond et al., 2017）。在城市中，NBS通过提供水资源调节生态系统服务来促进城市内涝风险减缓，如峰值流量削减（L?hde et al., 2023）、径流和基流调节（Y. C. Chen & Chen, 2021）以及洪涝和干旱影响减轻（Haines-Young, 2023; Miller et al., 2023; Oral et al., 2020）。

为将NBS纳入规划主流并提高城市内涝韧性，城市需要确定应实施哪种NBS类型以及在哪里实施（Li et al., 2020; Sarabi et al., 2022）。绿色屋顶、雨水花园和透水铺装是最常实施且经实证检验的干预措施之一（Alves et al., 2024; Esraz-Ul-Zannat et al., 2024），证据表明它们可以将径流量和峰值径流量减少30–75%，具体取决于情境和事件量级（Esraz-Ul-Zannat et al., 2024）。这些类型具有不同的物理要求（Castellar et al., 2021），使其适用于不同的城市环境。绿色屋顶可以安装在现有建筑上，为开放空间有限的密集城区提供解决方案（Cortinovis et al., 2022）。雨水花园需要专用绿地，如公园。透水铺装可以替代停车场等不透水表面，无需进行土地用途转换，使其适用于土地资源有限的区域（Nature4Cities, 2017; World Bank, 2021）。确定这些NBS可以实施的位置需要评估当地物理条件是否满足每种类型的要求。在此语境中，适宜性指决定特定NBS能否在给定区域实施的物理条件（Alves et al., 2024; Li et al., 2020）。

确定NBS应优先实施的区域不仅需要了解在哪里实施在物理上是可行的，还需要了解城市不同部分如何对城市内涝风险做出贡献。城市内涝风险评估主要依赖量化径流动力的模型（Azadgar et al., 2024）。例如，基于曲线数（CN）法的InVEST城市内涝风险减缓模型等水文模型，可以根据地表覆盖和土壤特性提供径流生成和滞留容量的估计（Azadgar et al., 2025; Leta & Adugna, 2024; Veisi Nabikandi et al., 2025），但它们无法捕捉径流通过排水系统输送后的水力行为。因此，城市越来越多地采用耦合水文-水力模型来分析极端降雨事件下的管网响应（Kumar et al., 2024）。其中，暴雨排水管理模型（SWMM）是一种广泛用于模拟城市雨水动力学和支持排水系统设计与规划的工具（Nanda et al., 2025; Zhou, 2014）。它包含一个表示子汇水区径流生成的动态水文降雨-径流模型，以及一个模拟水流通过管道、节点和出口路径的水力模型（Ferrans et al., 2022; Rossman, 2015; Rossman & Simon, 2022）。SWMM的输出通常以单条管道或节点级别报告，如管道充满程度、流速阈值、管道倒灌或节点淹没量（例如Koc et al., 2021; Kourtis et al., 2021; L?hde et al., 2023）。这些输出对诊断局部水力行为很有用，但不能用于确定NBS应实施的空间单元的优先级，从而限制了其对规划目的的直接适用性。

只有少数研究将SWMM的水文和水力输出转化为子汇水区尺度的空间显式指标。La Rosa & Pappalardo（2020）基于水深与流速的最大乘积推导出管道级局部水力压力指标，然后通过为每个多边形分配相邻街道段中最高的危害值，将该值空间转移到用地多边形上。Pelorosso等（2018）将径流和淹没指标汇总为子汇水区尺度的综合韧性指数。然而，这些方法仍然侧重于局部水力压力，未能捕捉水文和水力效应在排水系统中的传播方式。因此，目前仍缺乏一种系统方法，将耦合水文-水力模型的输出简化为空间显式指标，以指导子汇水区NBS实施优先排序，并明确考虑影响下游水力压力的上游水文单元。

在城市NBS实施区域中，公共空间因制度控制、法规可行性以及与市政政策目标一致而被广泛利用（Op de Beeck et al., 2024）。相比之下，尽管私人空间占城市面积的相当大比例（Colding et al., 2006; Dewaelheyns et al., 2014; Gaston et al., 2005; Loram et al., 2007; Mathieu et al., 2007），它们往往被忽视（L?hde et al., 2023; Schmidt & Walz, 2021），主要原因是产权约束和缺乏指导干预措施的政策工具（Dhakal & Chevalier, 2017; Ronchi et al., 2020）。然而，证据表明，在公共空间有限的密集城区，私人空间可以大幅增加透水表面和局部水流调节（Cavan et al., 2021; Pugliese et al., 2022）。因此，近期的方法论方法强调在评估绿化干预措施或NBS潜力时需要区分公共空间和私人空间（Privitera & Jelo, 2025）。然而，尽管有越来越多的证据支持，私人空间在NBS采用的规划策略中仍被边缘化地整合（Carter & Fowler, 2008; L?hde et al., 2023; Teerlinck et al., 2024）。

本研究旨在开发并测试一种空间显式方法，将三种致灾贡献指标（径流系数、淹没率和倒灌率）与不同类型NBS的适宜性分析相结合，识别公共空间和私人空间提供的NBS实施机会。具体而言，本研究解决两个主要研究问题：（1）在考虑水文和水力因素的情况下，城市子汇水区如何为不同类型NBS的实施进行优先排序？（2）在考虑公共空间和私人空间提供的机会时，优先级如何变化？通过这一研究，本研究提供了一种基于证据的空间优先排序方法，将水文-水力压力转化为子汇水区尺度的可操作优先级，从而确定NBS干预措施在城市肌理中应针对的目标区域。

章节节选

材料与方法

方法论结构分为三个主要步骤（图1）：
• 计算致灾贡献指标（2.1小节）。这一步骤涉及建立和运行一个由研究区域极端降雨事件驱动的水文-水力模型。模型输出随后被汇总为三个空间显式的致灾贡献指标，这些指标定义了子汇水区如何对水文过程（径流生成）和水力压力（淹没和倒灌）做出贡

城市子汇水区致灾贡献格局

研究区域内水文单元的划分产生了948个子汇水区，平均面积为1.13公顷（最小值：0.03公顷；最大值：5.11公顷；标准差：1.00公顷；四分位距：0.40–1.59公顷），与划分程序中采用的约5公顷的最大目标面积一致。

模拟降雨事件导致848个节点中有75个（9%）发生淹没。倒灌状况（管道充满程度>80%）在848条管道中有710条（84%）被记录（补充材料

结合致灾贡献与公共及私人适宜性以支持城市规划

本研究开发并测试了一种空间显式方法，将三种致灾贡献指标与不同类型NBS的适宜性分析相结合，对子汇水区进行优先排序，并展示这些优先级如何根据公共空间和私人空间提供的机会而变化。该方法被构想为一种规划导向的工具，将耦合模型输出转化为子汇水区级别的信息，以支持识别NBS的空间机会

结论

本研究开发并测试了一种空间显式方法，将三种致灾贡献指标——径流系数（RC）、淹没率（FR）和倒灌率（SR）——与不同类型NBS的适宜性分析相结合，展示了子汇水区如何进行实施优先排序，以及这些优先级在公共空间和私人空间之间如何不同。该方法通过在一个统一的框架内结合水文和水力信息与NBS适宜性，解决了一个关键空白

资助

作者感谢SELINA项目提供的支持，该项目由欧盟地平线欧洲计划资助（资助协议编号101060415）。然而，所表达的观点和意见仅代表作者本人，不一定反映欧盟或REA的观点。欧盟和资助机构均不对此承担责任。CC感谢通过意大利大学与研究部的青年研究人员资助计划获得的资助。

生成式人工智能使用声明

在本文撰写过程中，作者CP使用Microsoft Copilot支持语言润色、提高清晰度并协助组织部分章节。作者对所有使用该工具协助生成的内容进行了审阅、编辑和验证，并对最终版本承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Chiara Parretta：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Chiara Cortinovis：撰写—审阅与编辑，可视化，指导，方法论，调查，概念化。Giuseppe Formetta：撰写—审阅与编辑，软件，方法论，调查。Davide Geneletti：撰写—审阅与编辑，指导，项目管理，调查，经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢Tihitna Gezahegn Mulugeta在SWMM输入数据准备过程中提供的支持。

Chiara Parretta|Chiara Cortinovis|Giuseppe Formetta|Davide Geneletti
意大利特伦托大学，土木、环境与机械工程系，Via Mesiano 77，38123 特伦托，意大利