文章信息：Balaiant, S. K., Sanders, B. F., & Abdolhosseini Qomi, M. J. (2024). How urban form impacts flooding. Nature Communications, 15(1), 6910. https://doi.org/10.1038/s41467-024-50347-4

整理人：徐嘉苗，2025级硕士研究生

整理时间：2026年7月25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：城市化与气候变化正在加剧全球范围内的严重洪涝灾害，造成基础设施损毁、经济活动中断，并损害人类福祉。当前，提升城市洪涝韧性的方法不断涌现，其中尤以抗洪结构设计较为突出；然而，对于城市形态及其复杂性在洪水汇聚过程中所发挥的作用，人们仍知之甚少。本研究借助统计力学方法降低城市洪水问题的复杂性，并构建了一种平均流理论，将洪水危险性与城市形态联系起来。城市形态由地面坡度、城市孔隙率以及用于度量建筑排列对称性的默明序参量表征。该平均流理论提出了一种无量纲洪水深度，其与城市孔隙率和有序参数呈线性尺度关系，但对于无序的方形和类六边形形态，其尺度关系有所不同。通过引入有效平均弦长——用于表征洪水沿下坡方向无障碍流动的距离——获得了统一的尺度关系，并由此建立了适用于全球邻里尺度洪水危险性分析的解析模型。研究进一步应用所提出的平均流理论探讨不同城市之间洪水危险性的差异，结果显示，该理论能够较好地将已记录的洪灾损失与城市形态及观测到的极端降雨联系起来。

1. 研究背景

• 全球范围内，城市化和气候变化正加剧洪水灾害，对基础设施、经济和人类福祉构成严重威胁。尽管建设抗洪建筑等韧性策略不断涌现，但学界对城市形态的复杂性——特别是建筑布局的对称性与无序性——在洪水形成和集中过程中的作用认知尚不充分。既有研究多聚焦于特定案例或极端简化场景，缺乏能够解释全球城市形态多样性如何影响洪水动力学的普适性理论框架。
  

2. 研究意义

• 本研究的意义在于开创性地将统计力学方法引入城市水文学，建立了一种名为“平均流理论”的解析模型。该理论将洪水风险与可量化的城市形态参数（如地面坡度、城市孔隙率和梅尔明序参量）相关联，为理解城市物理空间结构如何决定洪水淹没特征提供了基础性认知工具。它不仅能够解释不同城市间洪水风险的差异，还能为未来的城市规划、土地利用管理和防洪韧性设计提供科学依据和决策支持。

3. 研究方法

• 研究采用了一种结合高保真数值模拟与理论分析的综合性方法。首先，利用浅水 hydrodynamic 模型对数千种由混合反向蒙特卡洛算法生成的不同城市形态     ,涵盖不同孔隙率、有序度和对称性等，进行了高分辨率建筑解析模拟。其次，基于模拟大数据，运用量纲分析和动量守恒定律，推导出无量纲洪水深度的主曲线，并引入“有效平均弦长”概念以统一不同对称性下的尺度律，最终构建了平均流理论的解析表达式。
  

4. 主要结论

• 平均流理论揭示了洪水深度的无量纲数与城市孔隙率和序参量呈线性关系，且方形与六边形对称布局具有不同的影响尺度。研究发现，城市无序度的增加对方形布局的洪水深度起加剧作用，但对六边形布局却起到缓解作用。通过引入有效平均弦长，研究得到了一个独立于布局对称性的普适线性关系。将该理论应用于全球20个城市的结果表明，城市间洪水风险的差异可由形态参数解释，且理论预测的洪水强度与实际观测的极端降水和经济损失记录具有良好相关性。
  

5. 研究展望

• 研究存在一定局限性，包括将建筑简化为方形障碍物、忽略湍流边界层的精细结构以及未考虑城市地下管网系统等。未来研究可在此基础上，进一步探索更有机的建筑形态、三维地形效应以及城市基础设施与地表漫流的耦合机制。此外，将该理论与气候模型及社会经济情景相结合，有望为长期气候变化下的城市适应性规划提供更强大的动态评估工具。

6. 研究主要图表

01 八个城市的局部形态对比：建筑、道路、绿地和河流共同构成不同的通水空间

02 不同规则性与排列对洪水速度通道的影响（空隙率均为0.6）

03 平均重力与建筑形阻的平衡，以及流量、坡度对平均积水深度的控制关系

04 将不同合成形态的模拟结果归并为无量纲平均积水深度关系

05 平均流理论的城市尺度应用：形态指标、无量纲深度与强度、历史事件及归一化损失的对照

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

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/wzTP4r18oaOrUld0iuPZXQ