文章信息：Fan, J., Liu, B., Lei, T., Sun, Y., Ma, Y., Guo, R., Chen, D., Zhou, K., Li, S., & Gao, X. (2025). Exploring how economic level drives urban flood risk. Nature Communications, 16, 4857. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60267-6

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年5月27日

Abstract: In recent years, measures proposed to address urban flooding caused by extreme rainfall often demand substantial investment, restricting their broad implementation. This study quantitatively assessed the inundation situations of 138 capital cities under both normal and extreme rainfall conditions. Using machine learning techniques, we found that grey infrastructure—closely commensurate with a city’s economic development—dominates flood reduction during normal rainfall events. However, during extreme precipitation, as rainfall intensity rises, the marginal effectiveness of grey infrastructure declines markedly. In contrast, green infrastructure and topography—less commensurate with economic development—play increasingly critical roles in mitigating urban flooding. These findings suggest that economic development has a limited impact on urban flooding during extreme rainfall events. Rationally utilizing topography and enhancing green spaces provides a costeffective nature-based solution, which is particularly important for urban planning in low- and middle-income countries undergoing rapid urbanization.

摘要：近年来，为解决极端降雨引起的城市洪涝而提出的措施通常需要大量投资，限制了其广泛实施。本研究定量评估了 138 个省会城市在正常和极端降雨条件下的洪水情况。使用机器学习技术，我们发现，在正常降雨事件期间，灰色基础设施（与城市的经济发展密切相关）在减洪方面占主导地位。然而，在极端降水期间，随着降雨强度的增加，灰色基础设施的边际有效性显着下降。相比之下，绿色基础设施和地形（与经济发展不相称）在缓解城市洪涝方面发挥着越来越关键的作用。这些发现表明，在极端降雨事件期间，经济发展对城市洪水的影响有限。合理利用地形和改善绿色空间提供了一种具有成本效益的基于自然的解决方案，这对于正在快速城市化的中低收入国家的城市规划尤为重要。

1. 研究背景

• 近年来，极端降雨引发的城市内涝问题日益严重，给全球带来了巨大的经济损失和人员伤亡。城市作为人类活动最集中的区域，受到的损害最为严重。气候变化使得城市内涝的频率和强度显著增加，影响范围也在不断扩大，从区域问题逐渐演变为全球性问题。
• 目前，应对极端降雨引发的城市内涝的措施往往需要大量投资，限制了其广泛实施。研究表明，灰色基础设施（如城市雨水管网、排水泵站等）、绿色基础设施（如绿地、湿地等）和地形是影响城市应对内涝能力的主要因素。然而，以往研究在提出城市内涝解决方案时，往往忽视了城市经济能力和发展水平的差异，导致这些方案在全球范围内的推广面临挑战。

2. 研究意义

• 本研究旨在分析不同经济发展水平的城市在应对城市内涝时，灰色基础设施、绿色基础设施和地形对内涝的影响机制，并提出与经济发展水平相适应的城市内涝缓解策略，以推动联合国可持续发展目标的实现，尤其是在不发达地区和中低收入国家。
• 通过研究，可以为不同经济发展水平的城市提供针对性的、经济可行的城市内涝管理策略，帮助城市更有效地应对极端降雨引发的内涝问题，减少内涝带来的损失，促进城市的可持续发展。

3. 研究方法

• 数据收集与处理：研究选取了138个首都城市，收集了降水数据（来自Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation, MSWEP）、排水管网数据（基于GRIP4 Global Road Data并根据城市经济水平调整）、绿地分布数据（来自ESA CCI Land Cover土地利用数据）和地形起伏数据（来自Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010）。
• 降水强度计算：利用Gumbel分布拟合1979-2022年138个首都城市的年最大日降雨数据，计算了10年和100年重现期的降雨强度。
• 内涝情景模拟：通过结合DEM数据和水文分析提取汇水单元，计算各汇水单元的平均径流系数，并结合降水数据分析各汇水单元的径流量，进而计算每个汇水单元的积水体积，通过比较汇水单元的网格面积得到内涝高度，从而模拟内涝情景。
• 影响因子贡献分析：采用XGBoost机器学习算法，分析排水管网密度、绿地比例和地形起伏对内涝率的影响，通过特征重要性值来量化各因素对内涝率的贡献。

4. 主要结论

• 经济发展水平与内涝的关系：在10年重现期降雨事件下，中低收入国家首都的内涝比例明显高于高收入国家首都，且内涝比例与经济发展水平呈显著负相关。但在100年重现期降雨事件下，不同经济发展水平国家首都的内涝比例差异不再显著，表明经济发展水平对极端降雨事件下的城市内涝影响有限。
• 灰色基础设施的作用：灰色基础设施的建设水平与经济发展水平密切相关，高收入国家首都的排水管网密度远高于中低收入国家首都。在10年重现期降雨下，排水管网是高收入国家首都内涝比例的主要影响因素，但随着降雨强度增加至100年重现期，其对内涝比例的影响显著下降。而中低收入国家首都由于排水管网建设不足，灰色基础设施对内涝的影响较小。
• 绿色基础设施的作用：绿色基础设施的存在与经济发展水平关系不大，其对内涝的缓解作用随着降雨强度的增加而愈发重要。在100年重现期降雨下，绿地比例成为影响内涝比例的最重要因素，且随着降雨强度的增加，增加绿地比例对减少内涝的边际效益愈发显著。
• 地形的贡献：地形起伏对内涝的影响与经济发展水平无关，但在高降雨强度下，其对内涝的缓解作用逐渐显现。在100-200 mm/d和大于200 mm/d的降雨强度下，地形起伏与内涝比例呈显著负相关，且降雨强度越大，地形起伏对减少内涝的作用越重要。

5. 研究展望

• 本研究从宏观尺度分析了经济发展水平对城市内涝的影响，但未来研究可以进一步细化研究指标，结合数值模拟和实地观测等方法，深入分析地形、绿地和内涝在城市微观尺度上的相互作用，以提出更符合不同经济发展水平城市内部结构特征的最优内涝缓解策略。
• 对于中低收入国家，应重视基于自然的解决方案，如合理利用地形和增加绿地面积，以增强城市抵御内涝的能力。此外，对于小城镇和社区，绿色基础设施的应用可能是提高其排水效率和韧性的有效途径，值得进一步研究和推广。

6. 研究主要图表

01 不同降雨强度下 138 个国家首都的洪水泛滥比率

02 灰色基础设施对不同降水水平下洪水泛滥率的影响

03 不同经济发展水平域网密度、绿地比和地形起降对淹没率的影响

04 不同降水水平下绿地对淹没比例的影响

05 地形地势对不同降水水位洪水泛滥率的影响

06 不同降水强度下不同经济水平城市灰色和绿色基础设施的排水能力示意图

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60267-6                            

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/c_mIrNuQz3CUimbtPGdlIg