《Journal of Environmental Management》：Numerical simulation-based study on the response of urban drainage networks to flooding and road risk in typical plain city
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本研究通过耦合二维GAST模型与一维SWMM模型，模拟了18种降雨情景（重现期1-100年）下滹沱区排水系统的防洪效果，发现排水系统可减少地表和道路淹没峰值达50.92%和69.81%，显著降低高风险区域比例，为城市内涝防治提供依据。
王彦宏|侯敬明|李东来|李国东|潘新新|吕家豪|范晨晨|孙建涛|魏毅|杨永平
中国西安工业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，西安，710048
摘要
近年来，强降雨事件的频率增加，加剧了城市暴雨洪水的风险，尤其是在基础设施不足的低洼中小城市。然而，排水系统（尤其是在道路网络等关键城市功能区）的时空缓解效应仍不够明确。本研究开发了一个综合水动力框架，结合了二维GAST模型和一维SWMM模型，模拟了中国衡水市陶城区18种降雨情景（重现期为1年至100年）。评估了两种水力条件：有排水系统（WN）和无排水系统（NN），从而对比分析了地表淹没控制、道路淹没减少以及洪水风险重新分布的情况。结果表明，在有排水系统的情景下，排水系统将地表和道路的最大淹没量分别减少了50.92%和69.81%，同时将道路最大淹没时间推迟了24-36分钟。这种与最大降雨强度的时间解耦降低了流量同步的可能性。在道路洪水风险方面，4级（高风险）网格的风险在100年一遇的降雨事件中减少了65%以上，1-3级网格的风险也有所降低——尤其是在交叉口、低洼地区和入口密集区域。这些发现强调了城市排水系统在中等和极端降雨条件下的关键缓解作用。它们强调了将排水基础设施纳入城市洪水模型和风险评估的必要性，有助于为脆弱城市制定适应气候的排水策略和有韧性的雨水管理措施。
引言
由于气候变化的加速和城市化的快速推进，全球极端水文气象事件的频率显著增加（Zhang等人，2018年）。因此，城市既成为灾害暴露的前线，也成为气候适应的核心战场（Tellman等人，2021年）。在它们的共同影响下，自然水循环和水文气象变量发生了显著变化（Xu和Cheng，2019年），快速城市化和全球变暖的协同作用加剧了极端降雨事件的频率和强度，从而增加了城市暴雨洪水的风险（Li等人，2023d；Qi等人，2024年）。这一趋势与全球“更频繁、更强烈”的水文极端事件的总体趋势一致（Zhang等人，2016年）。从气候变化的角度来看，IPCC第六次评估报告指出，21世纪的全球平均气温比20世纪上升了约0.99°C，而2000年至2019年间记录的洪水事件数量增加了一倍多（Margareta Wahlstrom，2015年；UNDRR，2022年）。气候变化显著加剧了城市洪水的频率和严重程度（Bagheri和Liu，2024年）。实证归因研究表明，全球约21.1%的洪水暴露可归因于气候变化，另有2.1%归因于气候变化和人口增长的综合效应，这突显了极端降水模式对洪水灾害日益增长的影响（Halecki和M?yński，2025年）。从城市化的角度来看，《2022年世界城市报告：展望城市未来》预测，到2050年全球城市化率将从2021年的56%上升到68%，主要发生在亚洲和非洲（UN-HABITAT，2022年；Xingchao等人，2024年）。城市扩张改变了地表渗透性，重塑了径流模式，增加了洪水风险（Liu和Shi，2017年）。不透水铺装、道路网络和建筑区的增加加剧了径流产生并减少了渗透能力（Zhang等人，2014年）。快速的城市化——通过地表和植被变化、土地转换以及不透水铺装和屋顶结构的增加——及其与气候变化的相互作用正在重塑城市水文系统和水文过程（Ghalehteimouri等人，2024b；Talkhabi等人，2022年），不透水表面的增加显著提高了区域洪水的发生概率和频率（Ghalehteimouri等人，2024a；Liu和Shi，2017年）。因此，洪水已成为一个全球性的问题，威胁着生命、基础设施和社会经济稳定（Chang等人，2021年；Qi等人，2021年；Zheng等人，2016年），相关损失持续上升（Rogers等人，2025年），2017年的全球经济损失超过1400亿美元（Bevere等人，2018年），2018年至2023年每年损失超过1000亿美元（Swiss，2024年），并且由洪水引起的死亡人数占全球自然灾害死亡人数的半数以上（EM-DAT，2018年；Liu等人，2025年；Moon等人，2024年）。仅在中国，自2006年以来就有超过100个城市经历了严重的城市洪水，这对可持续的城市发展构成了重大挑战（Xing等人，2021年）。
为了增强城市的韧性，建立高效和综合的雨水管理系统已成为一个关键的规划和政策目标（Allaire，2018年）。从生态系统服务的角度来看，雨水管理作为一种调节服务，通过渗透、滞留和净化来维持水文平衡（Gowdy等人，2010年；Reid等人，2005年）。在这个框架内，绿色基础设施（GI）——包括公园、植被和湿地等自然和设计的景观组成部分——因其拦截降雨、促进渗透和减少径流的能力而得到广泛推广（Ribbe等人，2024年）。许多研究探讨了低影响开发（LID）措施和GI-灰色基础设施整合的洪水缓解潜力（Chen等人，2021年；Gao等人，2022年；Omori等人，2024年）。
然而，尽管GI在低强度和中等强度降雨期间能有效缓解洪水，但在短时间、高强度的暴雨中，由于其迅速产生径流的能力有限（Hu等人，2019年；McPhillips等人，2021a；Webber等人，2020年），其效果会受到限制。因此，许多城市现在正在追求绿色-灰色基础设施的整合策略，将GI视为灰色基础设施的补充而不是替代品（Green等人，2021年；McPhillips等人，2021b；Ribbe等人，2024年）。
相比之下，包括地下排水系统在内的灰色基础设施由于其巨大的流量能力和快速排水能力而发挥着关键作用（Li等人，2023a）。然而，排水管道网络在缓解城市暴雨洪水方面的独立水动力功能尚未得到足够的学术关注。大多数先前的研究同时整合了绿色和灰色基础设施，这使得分离和量化灰色排水系统的具体贡献变得复杂。现有的研究空白主要体现在两个方面。首先，传统的城市洪水模型（例如SWMM）主要在次流域尺度上运行，经常简化地表-地下交换，从而无法捕捉地表径流和地下排水之间的复杂动态相互作用（Liu等人，2022年）。其次，缺乏对不同降雨强度下排水网络如何调节洪水行为和重新分配道路洪水风险的时空评估。这些限制限制了我们对排水系统作为自主洪水缓解机制的理解，特别是在快速城市化的平原城市中。
为了解决这些空白，本研究提出了一个综合水动力建模框架，将二维GAST地表模型与一维SWMM排水模型相结合，模拟地表径流和地下流之间的双向相互作用。以衡水市陶城区为例，开发了两种水力情景：有（WN）和无（NN）排水基础设施，以定量评估（1）排水系统在洪水储存和减少道路淹没方面的调节效率，以及（2）不同降雨重现期下的洪水风险重新分布。
预期这些结果将为排水网络的自主功能提供新的见解，并为低洼平原城市的韧性雨水管理、道路安全规划和适应气候的洪水缓解策略提供科学支持。
研究区域
衡水市位于中国河北省东南部平原，纬度范围为37°41′57″至37°46′18″N，经度范围为115°35′23″至115°44′13″E。它北邻沧州和保定，西接石家庄，南靠邢台，东与山东省接壤，渭云河作为天然边界。总面积约为8815平方公里，城市建成区面积约为35.04平方公里（Sun等人，2020年；Wang，2023年）。
方法论
开发了一个耦合的GAST-SWMM建模框架，以评估城市排水网络对衡水市洪水动态和相关风险的影响。GAST的二维水动力模块与SWMM的一维管道流模拟模块相结合，实现了研究区域内地表-地下相互作用的综合模拟。
耦合洪水建模框架的整个工作流程，包括数据准备和模型耦合，如图所示
模型校准和验证
选择2023年8月5日衡水市中心城区（陶城区）的一次降雨事件来验证水文-水力模型。作为模型输入的降水数据来自三园店雨量站，其时间分布如图5(b)所示。模型验证基于衡水市城市管理和执法局提供的现场数据，包括12个观测点的淹没记录和照片
结论与展望
本研究开发了一个耦合的城市洪水模拟框架，将二维GAST水动力模型与一维SWMM排水模型相结合，评估了衡水市在多种降雨重现期内的暴雨洪水响应和排水调节性能。基于高分辨率地形、土地利用和排水网络数据得出的结果，为城市排水系统的水动力行为和调节机制提供了宝贵的见解。
作者贡献声明
王彦宏：撰写——原始草稿，正式分析。侯敬明：监督，方法论，概念化。李东来：软件，方法论，资金获取，概念化。李国东：监督。潘新新：可视化。吕家豪：验证，软件。范晨晨：验证，正式分析。孙建涛：资源，调查。魏毅：可视化，数据管理。杨永平：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFC3012402）、国家自然科学基金（52409104）和中国博士后科学基金（项目编号2024M762625）的支持。
作者感谢衡水市城市管理和执法局的合作，他们提供了重要的帮助，促进了本研究的完成。他们的支持包括提供城市基础设施信息等
