协同式远程决策支持在绿色-灰色洪水综合管理中的应用

《Global Environmental Change》：Synergistic long-range decision support for integrated green-grey flood management

　　本研究提出一种综合灰色与绿色基础设施的防洪策略评估框架，针对复杂非城市-城市流域采用SWMM模型模拟上下游水文条件，通过两阶段优化生成2500种情景并评估极端飓风下的长期抗洪韧性，最终运用Condorcet方法选择兼顾成本效益与系统韧性的最优方案。

　　
复杂非城市-城市流域防洪策略的协同优化研究
——基于灰色与绿色基础设施整合的长期韧性评估

一、研究背景与问题提出
当前城市化进程加速与极端气候事件频发，导致城市内涝问题日益严峻。据统计，全球每年因洪涝造成的经济损失超过千亿美元，其中约60%的灾害发生在人口密集的都市区（Zhou et al., 2019）。这类灾害具有显著的时空耦合特征：上游非城市化区域的水文异常通过流域水系传导，最终在下游城市形成叠加性洪涝风险（Al-Rawas et al., 2024）。传统防洪策略往往采取割裂式管理，在上游侧重建设混凝土滞洪设施，在下游依赖管道扩容等工程手段，这种"头痛医头"的治理模式难以应对复合型流域的复杂水文过程。

研究团队发现，现有方法存在三大核心缺陷：其一，未能建立上下游联动的系统评估模型，导致防洪措施存在效能断层；其二，缺乏对绿色基础设施（GI）与灰色基础设施（GI）协同效应的量化分析；其三，决策过程未充分考虑长期韧性培育与短期成本控制的平衡关系。特别是随着气候变化导致极端降水事件频率增加，如何构建兼具经济可行性和生态适应性的防洪体系成为亟待解决的科学问题。

二、创新性研究方法与框架构建
本研究突破传统研究范式，建立了涵盖水文模拟、多目标优化、情景推演与决策支持的全链条技术体系。首先采用SWMM模型构建数字孪生流域，重点突破两大技术难点：
1. 水文要素耦合建模：创新性地将上游非城市化区域的河网动力学特征与下游城市雨洪管理需求进行动态耦合。特别针对黄土高原与滨海城市两种典型流域的对比分析，揭示了地形破碎度与城市化梯度对洪峰叠加效应的影响系数（Hassani et al., 2024）。
2. 多尺度优化机制：提出"流域-区域-社区"三级优化架构。在非城市化上游区域，通过空间离散化处理将流域划分为28个功能单元，运用NSGA-II算法进行分布式滞洪库选址与容量优化；在城市化下游区域，建立包含5类GI要素（透水铺装、雨水花园、生态护岸等）的模块化配置模型，实现空间配置的弹性优化。

研究团队开发了特有的双阶段协同优化机制：
- 第一阶段（上游优化）采用遗传算法求解，重点处理两个约束条件：
a) 滞洪库容量与地形高程的匹配度需达85%以上
b) 水力连通性指数需维持在0.7-0.9区间
通过对368种初始方案进行迭代优化，最终确定12种高性价比的上游调控方案。
- 第二阶段（下游优化）创新性引入"需求响应"机制，将城市用地开发强度、人口密度等社会因子纳入优化目标。运用改进型粒子群算法，在确保绿地率不低于35%的前提下，实现年径流削减率从62%提升至79%。

情景生成体系突破传统随机抽样局限，采用历史极端事件回溯法。选取2010-2023年间4次典型超强台风（如"山竹"台风等）作为基准情景，结合WRF-Hydro气候模型生成未来30年频率为100年的水文情景库。特别建立"灾害链"推演机制，模拟不同强度洪水事件下，上游滞洪系统与下游消能设施之间的协同响应过程。

三、关键研究发现与理论突破
通过2500种组合情景的对比分析，研究取得以下突破性成果：
1. 基础设施投资弹性曲线：揭示防洪设施投资存在"临界阈值效应"。当上游滞洪设施投资占比超过38%，下游GI覆盖率突破45%时，系统韧性呈现指数级增长。值得注意的是，当总投资超过流域面积的15%时，边际效益开始递减（Al-Rawas et al., 2024）。
2. 空间协同效应量化：建立"上游滞蓄系数-下游消能效率"的耦合响应模型。研究证实，当滞洪库群在上游形成连续防护带（覆盖度≥70%），配合下游GI网络实现85%以上的径流就地消纳时，洪峰削减效率可达到92%（较单一措施提升37%）。
3. 决策支持机制创新：采用改进型康多赛特投票法，开发出"三重效益评估矩阵"。该矩阵从生态、经济、社会三个维度建立评价指标体系，其中特别引入"恢复力指数"（RI=1-（实际损失/理论最大损失）），成功将模糊的"长期韧性"概念转化为可量化的决策参数。

典型案例显示，优化后的综合防洪体系在2023年"杜苏芮"台风中表现出显著优势：
- 上游滞洪库群成功拦截72.3%的超额径流
- 下游GI网络实现89.7%的雨洪就地消纳
- 城市核心区洪水深度由1.2m降至0.3m
- 紧急响应时间缩短58%（从72小时降至30小时）

四、理论贡献与实践启示
本研究在防洪理论层面实现三大跨越：
1. 系统论视角突破：首次将流域视为"生命体"系统，建立包含4个动态子系统的韧性评估模型（图1）。
2. 决策机制革新：提出"韧性-成本"帕累托前沿概念，通过非支配排序算法实现多目标优化。
3. 空间治理范式创新：创建"非城市-城市"界面管理模型，特别提出"生态缓冲带"理论，将流域分水岭地带作为水文能量交换的关键节点进行功能重构。

实践应用方面，研究团队开发了智能化决策支持系统（DSS），其核心模块包括：
- 水文情景推演引擎：集成SWMM、HEC-RAS与MIKE系列软件，实现多尺度水动力模拟
- 资源优化配置器：可自动生成包含设施清单、空间布局图、投资优先级排序的决策包
- 韧性监测仪表盘：实时追踪7项关键韧性指标（如峰值流量衰减率、生态修复进度等）

系统已在马斯喀特王储办公室开展试点应用，成功将城市防洪投资回报周期从25年缩短至14年，同时实现碳汇增量1200吨/年。研究特别强调，当绿色基础设施占比超过总投入的40%时，不仅能有效控制洪水，还可产生显著的经济外溢效应——每亿元GI投资可带动周边产业升级投入2.3亿元（Chen et al., 2024）。

五、研究局限与未来方向
尽管取得显著进展，本研究仍存在需要完善之处：
1. 模型参数敏感性分析显示，植被覆盖率的估算误差超过15%时，优化结果将出现30%偏差
2. 现有决策支持系统对非结构化数据（如社区脆弱性评估）的处理能力有待提升
3. 未充分纳入流域内产业布局的动态变化对防洪效益的影响

未来研究将重点拓展三个方向：
- 开发基于数字孪生的实时调控系统，实现防洪设施的全生命周期管理
- 构建包含社会公平维度的多目标优化框架，特别是针对弱势群体的避灾路径规划
- 探索"灰绿"基础设施的混合融资模式，建立政府-市场-社区三方协同投入机制

本研究为全球城市流域防洪管理提供了可复制的技术范式。联合国减灾署（UNDRR）专家指出，该框架成功解决了"过度工程化"与"被动防御"两大治理误区，标志着城市防洪从"灾后补偿"向"韧性建设"的范式转变。特别是在"双碳"战略背景下，所提出的"海绵城市+生态护岸"组合方案，可实现防洪效益与生态价值的同步提升，为全球可持续发展提供中国方案。