面向可持续洪水缓解的自然分流渠道尺寸优化：以澳大利亚区域洪泛区城镇为例

《Sustainability》：Optimising Size of Natural Diversion Channels for Sustainable Flood Mitigation in Floodplain Townships of Regional Australia

　　

专业术语翻译（论文摘要） 自然分流渠道（Natural Diversion Channels）在自然洪水管理（Natural Flood Management）框架内为洪水缓解提供了一种有前景的解决方案；然而，其设计必须在水力性能与干预规模之间取得平衡。本研究提出了一种集成框架，通过耦合二维水动力模拟（2D Hydrodynamic Modelling）、代理模型（Surrogate Modelling）与多目标优化（Multi-Objective Optimisation），实现改造型自然分流渠道的优化设计。研究人员基于二维洪水风险图推导出洪水风险评估指数（Hazard Estimation Index, HEI），该指数通过聚合城镇及农业洪泛区范围内洪水风险的空间分布，提供了一种定量度量，其数值越高表示洪水风险越大。研究人员开发了多元线性回归（Multiple Linear Regression, MLR）模型，以近似HEI作为洪峰流量与渠道断面面积的函数。为反映城镇与洪泛区不同的缓解优先级，分别定义了各自的HEI表达式。代理模型被集成于多目标粒子群优化（Multi-Objective Particle Swarm Optimisation, MOPSO）框架中，以最小化两个区域的洪水风险及渠道尺寸，其中渠道断面面积作为开挖成本（Excavation Cost）的几何代理指标，而非施工成本的直接估算。基于洪水频率分析（Flood-Frequency Analysis），研究人员建立了三个独立的优化系统，分别对应小至中等洪水、大洪水及特大洪水情景。在澳大利亚莫里平原（Moree Plains）的应用表明：小至中等洪水可通过约425 m2的最优渠道尺寸加以应对，城镇及洪泛区的HEI值分别约为0.18和0.07；对于大洪水，约1016 m2的较大渠道可使HEI值分别达到约0.35和0.26；对于特大洪水，则需要约1620 m2的显著更大渠道，而城镇HEI仍相对较高（>0.5），表明存在显著的残余风险。研究结果表明，对于较大洪水，增大渠道尺寸所带来的风险削减效益呈递减趋势，同时凸显了针对不同洪水情景的分级优化方法在支持基于风险决策的自然洪水管理规划中的价值。

论文解读

一、研究背景与问题提出

气候变化正在改变降雨格局，预计将增加包括洪水在内的部分极端事件的频率和强度，从而对社区、基础设施和生态系统构成更大风险。传统洪水管理主要依赖水坝、堤防和工程分流渠道等结构性措施，虽然能提供实质性保护，但往往伴随高昂成本和环境影响，包括对自然水流状态和生态过程的改变。在此背景下，基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）作为补充性洪水风险管理途径日益受到关注。自然分流渠道通过现有或修复的洪泛区路径重新分配洪水，是NbS的一种重要形式。

然而，现有研究存在若干关键局限。其一，以往对分流渠道的研究主要聚焦于其水力分流功能，未能充分纳入环境后果和更广泛的洪泛区过程。其二，关于自然或半自然路径（如废弃河道、次级河道和古河道）的研究多集中于生态和地貌学意义上的连通价值，缺乏系统确定现有自然路径应改造到何种程度以实现特定洪水风险削减目标的框架。其三，分流路径的水力效能高度依赖于洪水规模、渠道几何形态、洪泛区地形及与主河道的水力连通程度，因此针对特定洪水规模或渠道配置得出的结论难以直接推广至其他洪水情景。其四，尽管二维水动力模型能够有效表征水深、流速、淹没范围、侧向流路和洪泛区蓄滞等空间变化，但以往应用多集中于评估预定干预方案的水力响应，而非在多种洪水情景下系统优化改造规模。

综上，在自然分流通道的改造规模如何跨不同洪水情景系统选择方面，现有指导极为有限。本研究正是针对这一空白，构建了集成洪水频率分析、二维水动力模拟、洪水风险评估、代理建模和多目标优化的综合框架。

二、研究内容与主要结论

本研究以澳大利亚新南威尔士州北部格威迪尔河流域（Gwydir River basin）下游莫里（Moree）镇周边洪泛区为研究区。该区域地势平坦，河道网络复杂，包含众多天然河道、古河道和漫流路径，但在高洪水条件下连通性不足，导致大面积淹没和长时间积水。研究将洪泛区既有古河道路径作为改造分流渠道的基础，以渠道断面面积作为开挖和干预规模的几何代理指标，分别针对城镇和农业洪泛区评估洪水风险削减效果，并建立了小至中等洪水、大洪水、特大洪水三个独立优化系统。

研究结果表明，最优渠道尺寸随洪水等级增大而增大：小至中等洪水约需425 m2，城镇HEI约0.18、洪泛区约0.07；大洪水约需1016 m2，对应HEI约0.35和0.26；特大洪水约需1620 m2，但城镇HEI仍高于0.5，表明残余风险显著。研究揭示了增大渠道尺寸对较大洪水的风险削减效益呈递减趋势，证明了分级优化方法对支持基于风险决策的自然洪水管理规划的价值。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：第一，基于Log-Pearson Type III（LP3）分布的洪水频率分析，该分布是澳大利亚降雨径流（ARR）指南推荐的方法，用于估算设计洪峰流量并划分洪水等级区间；第二，基于HEC-RAS 5.6的二维水动力模拟，模型以2012年莫里洪泛区实际洪水事件进行率定，模拟峰值水深9.89 m与实测10.21 m相差约0.32 m，误差小于5%；第三，基于澳大利亚灾害恢复研究所（Australian Institute for Disaster Resilience, AIDR）洪水风险分级框架构建洪水风险评估指数（HEI），通过加权面积法将H1至H6六个风险等级的空间范围整合为0至1的归一化指标，权重系数经专家小组讨论确定并随风险等级单调递增；第四，基于多元线性回归（MLR）的代理模型，分别针对城镇和洪泛区建立HEI关于洪峰流量和渠道断面面积的回归方程，模型性能以均方根误差（RMSE）和纳什-萨特克利夫效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency, NSE）评估，城镇NSE为0.944、洪泛区NSE为0.913；第五，基于多目标粒子群优化（MOPSO）算法的优化框架，以最小化城镇HEI、洪泛区HEI和渠道断面面积三个竞争目标，每个洪水等级内随机采样100个洪峰流量值以表征情景变异性。

四、研究结果

洪水风险模拟结果。 基于二维水动力模型模拟，在实施改造分流渠道后，高洪水风险区域（H5–H6等级）明显减少，低风险区域（H1–H3等级）在洪泛区和城镇均有所扩展。在洪泛区尺度上，主河道邻近区域由高风险向中低风险转移，表明洪峰能量部分通过改造渠道分流；在城镇尺度上，高密度建成区附近的高风险区域显著缩减，残余高风险区主要集中在河道弯道和水力束窄处。

代理模型结果。 MLR代理模型显示，在所有渠道断面面积条件下，HEI随洪峰流量增大而增大；在城镇区域，小洪水（817–1614 m3/s）对应HEI为0.003–0.088，最大洪水（10340 m3/s）对应HEI为0.687–0.918。同时，增大渠道断面面积一致性地降低HEI，例如在1958 m3/s的中等洪峰下，城镇HEI从零断面时的0.177降至3400 m2时的0.013，降幅超过90%。代理模型与水力模拟输出高度吻合，NSE分别为0.944（城镇）和0.913（洪泛区），RMSE分别为0.0715和0.0776。

优化系统结果。 MOPSO生成的帕累托前沿（Pareto front）清晰展示了城镇HEI与开挖指数之间的权衡关系。小至中等洪水情景下，城镇HEI范围为0.072–0.197，洪泛区HEI范围为0–0.061，开挖指数跨度0–1；大洪水情景下，城镇HEI范围为0.260–0.386，洪泛区HEI范围为0.146–0.314；特大洪水情景下，城镇HEI范围为0.443–0.565，洪泛区HEI范围为0.359–0.521。所有洪水等级均呈现开挖指数增大时HEI降低但边际效益递减的规律，且城镇HEI对开挖干预的敏感性高于洪泛区HEI。选定代表解分别为：小至中等洪水425 m2（城镇HEI≈0.18，洪泛区HEI≈0.07），大洪水1016 m2（城镇HEI≈0.35，洪泛区HEI≈0.26），特大洪水1620 m2（城镇HEI>0.5）。

五、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的核心贡献不在于单个技术方法的创新，而在于将洪水频率分析、二维水动力模拟、HEI构建和MOPSO优化集成于一个结构化框架中，为不同洪水等级下自然分流渠道改造规模的系统选择提供了决策支持工具。研究强调，渠道断面面积仅作为开挖成本的相对代理指标而非货币成本的直接估算，实际施工成本还受渠道长度、开挖深度、土质条件、土地征用等多因素影响。HEI权重系数的选择属于研究特定假设，不同权重方案可能改变帕累托最优解的位置。MLR代理模型的适用性以系统响应近似线性为前提，若纳入生态、社会经济等更复杂因素则需考虑非线性或机器学习代理模型。MOPSO作为进化算法不保证收敛至全局最优解。改造古河道虽比混凝土分流渠道的环境干扰小，但仍可能改变局部地貌、土壤、植被和沉积物输移过程，潜在生态扰动通过渠道尺寸优化得到间接约束。

研究结论可归纳为：第一，本研究开发了集成二维水动力模拟、MLR代理建模和MOPSO多目标优化的综合框架，用于改造型自然分流渠道的优化设计；第二，该框架能有效识别平衡城镇与洪泛区洪水风险削减和开挖需求的帕累托最优解，并通过洪水等级分级子优化增强决策灵活性；第三，莫里平原的应用表明，最优渠道尺寸随洪水等级增大而增大，尽管实现了显著的风险削减，极端洪水条件下仍存在残余风险；第四，未来研究应纳入生态协同效益和开挖量之外的经济成本组成，并可探索其他类型的代理模型以进一步提升框架性能。