文章信息：Balaian, S.K., Sanders, B.F. & Abdolhosseini Qomi, M.J. (2024). How urban form impacts flooding. Nature Communications, 15, 6911. https://doi.org/10.1038/s41467-024-50347-4

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2024年12月6日

Abstract: Urbanization and climate change are contributing to severe flooding globally, damaging infrastructure, disrupting economies, and undermining human wellbeing. Approaches to make cities more resilient to floods are emerging, notably with the design of flood-resilient structures, but relatively little is known about the role of urban form and its complexity in the concentration of flooding. We leverage statistical mechanics to reduce the complexity of urban flooding and develop a mean-flow theory that relates flood hazards to urban form characterized by the ground slope, urban porosity, and the Mermin order parameter which measures symmetry in building arrangements. The meanflow theory presents a dimensionless flood depth that scales linearly with the urban porosity and the order parameter, with different scaling for disordered square- and hexagon-like forms. A universal scaling is obtained by introducing an effective mean chord length representative of the unobstructed downslope travel distance for flood water, yielding an analytical model for neighborhoodscale flood hazards globally. The proposed mean-flow theory is applied to probe city-to-city variations in flood hazards, and shows promising results linking recorded flood losses to urban form and observed rainfall extremes.

摘要：城市化和气候变化正在导致全球严重洪水，破坏基础设施，扰乱经济并损害人类福祉。使城市更具抗洪能力的方法不断涌现，特别是抗洪结构的设计，但人们对城市形态的作用及其在洪水集中时的复杂性知之甚少。我们利用统计力学来降低城市洪水的复杂性，并开发了一种平均流量理论，将洪水灾害与城市形态联系起来，城市形态以地面坡度、城市孔隙度和衡量建筑布置对称性的 Mermin 阶参数为特征。平均流理论提出了一个无量纲的洪水深度，它与城市孔隙度和阶次参数成线性比例，对于无序的正方形和六边形形状具有不同的比例。通过引入代表洪水无障碍下坡行进距离的有效平均弦长来获得通用标度，从而产生全球邻里规模洪水灾害的分析模型。所提出的平均流量理论用于探讨洪水灾害的城市间变化，并显示出将记录的洪水损失与城市形态和观测到的极端降雨量联系起来的有希望的结果。

1.研究背景

• 全球城市化和气候变化：导致全球洪水灾害加剧，损害基础设施，扰乱经济，破坏人类福祉。

• 城市洪水韧性设计：虽然出现了一些方法，但对于城市形态及其复杂性在洪水集中中的作用知之甚少。

2.研究意义

• 城市形态与洪水关系：研究城市形态如何影响洪水的深度和速度，这对于理解和预测城市洪水灾害具有重要意义。

• 理论模型开发：通过统计力学简化城市洪水的复杂性，并开发一个平均流理论，将洪水灾害与城市形态特征（如地面坡度、城市孔隙度和Mermin序参数）联系起来。

3.研究方法

• 统计力学：利用统计力学来降低城市洪水的复杂性。

• 平均流理论：开发一个理论模型，将洪水灾害与城市形态特征联系起来。

• 计算模拟：使用浅水水动力学模型进行高分辨率、建筑级模拟，以收集城市洪水动态的统计显著数据。

• 城市形态参数化：使用混合逆蒙特卡洛（HRMC）算法生成具有特定孔隙度和序参数的城市形态。

• 洪水模拟：使用ParBreZo软件解决浅水方程，模拟不同城市形态下的洪水流动。

4.主要结论

1. 洪水深度与城市形态的关系：提出了一个无量纲洪水深度模型，该模型与城市孔隙度和序参数线性相关，对于无序的正方形和六边形形态有不同的比例关系。

2. 全球城市洪水灾害分布：通过应用平均流理论，分析了20个城市的城市孔隙度和最大坡度方向上的有效平均弦长，揭示了城市形态对洪水深度和强度的影响。

3. 洪水灾害指标：定义了两个无量纲洪水灾害指标：洪水深度和强度，用于评估城市洪水风险。

5.研究展望

• 城市规划：平均流理论可以支持新发展的规划，以预测洪水暴露，并制定洪水韧性计划和项目。

• 洪水风险评估：该理论提供了一个基础方法，用于检查城市形态如何影响城市对洪水的物理脆弱性。

• 进一步研究：需要进一步的研究来理解方法论因素对于城市洪水平均流理论发展的重要性，并考虑更广泛的城市形态范围。

6.研究主要图表：

01 北美、南美、欧洲、非洲和亚洲城市的城市形态千差万别

02 综合城市形态中水流路径的定性研究显示了城市孔隙度、阶数和弦长对洪水速度分布的影响

03 考虑质量和动量守恒定律，建立洪水高度、驱动力和城市形态属性之间的无量纲关系

04 量纲分析将不同城市形态的模拟数据压缩为无量纲洪水深度

05 应用平均流量理论探讨全球洪水灾害

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50347-4                

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/QNnel0w1WayXdY4h2Pqy8A