加齐·阿尔-拉瓦斯（Ghazi Al-Rawas）| 穆罕默德·雷扎·尼库（Mohammad Reza Nikoo）| 穆罕默德·雷扎·哈萨尼（Mohammad Reza Hassani）| 塞义德·法里德·穆萨维·詹贝赫萨拉伊（Seyyed Farid Mousavi Janbehsarayi）| 穆罕默德·侯赛因·尼克斯科尔汉（Mohammad Hossein Niksokhan）
阿曼马斯喀特苏丹卡布斯大学土木与建筑工程系
**摘要**
在包含城市和自然区域的复杂流域中，洪水管理面临着重大挑战，因为这些区域的水文和水利特性存在显著差异。本研究提出了一种综合框架，将城市地区的绿色基础设施（Green Infrastructure, GI）与上游非城市地区的滞留坝相结合，以全面减轻洪水风险。以阿曼的瓦迪阿尔-萨拉米（Wadi Al-Sarami）流域为案例研究，采用多目标优化算法设计和评估这两种干预措施的潜在方案。滞留坝被优化用于减少进入城市区域的峰值流量，而绿色基础设施措施则用于增强渗透能力和管理局部径流。随后将这些方案整合起来，制定出跨流域的宏观洪水管理计划。此外，应用合作博弈论框架来解决关键利益相关者（如农业、渔业和水资源部（MAFWR）、索哈尔市政府（Sohar Municipality, SM）以及城市居民）之间的冲突。研究还采用了夏普利值（Shapley value）和陶值（Tau value）方法进行利益分配，以确保利益相关者之间的公平分配并促进合作。结果表明，这种综合方法可将峰值流量减少高达72.5%，城市径流量减少71.8%。本文表明，技术优化需与利益相关者合作才能实现可持续的洪水管理。这项研究为应对复杂流域中日益加剧的洪水风险提供了可扩展且适应性强的解决方案。
**引言**
洪水是世界上最具有破坏性的自然灾害之一，会导致巨大的经济、环境和社会损失（Dolatshahi和Kerachian，2023；Talebi等人，2024）。随着气候变化，极端天气事件的频率和强度增加，城市地区的脆弱性也在上升（Zahmatkesh等人，2015；Zhou等人，2019；Cea和Costabile，2022）。快速的城市化及不透水表面的扩大进一步加剧了这一问题，导致径流量增加和排水系统超负荷运行（Ghodsi等人，2020；Barkhordari等人，2022）。除了基础设施受损和社区受到干扰外，城市地区的人类生命也面临洪水威胁。这一问题需要通过创新和综合的洪水管理方法来解决，尤其是对于同时包含城市和非城市区域的复杂流域（Alexander等人，2019；Al-Rawas等人，2024b；Hettiarachchi等人，2022）。最新研究表明，即使城市不断扩张，洪水风险仍在上升。例如，全球气候评估显示许多地区的强降水强度有所增加，分析表明近年来洪水频率和持续时间较长的洪水事件显著增多（Najibi等人，2018；Rogers等人，2025）。在阿曼，尽管总体降水量有所下降，但极端暴雨和山洪暴发的频率显著增加（例如2020-2021年的萨拉拉赫洪水事件，IEA，2023；Al Kathiri和Ibrahim，2025）。与此同时，随着阿曼城市人口比例从2000年的约72%增长到2025年的81%（www.populationof.net），城市化进程加快（许多阿拉伯国家这一比例已超过85%（www.prb.org）），城市扩张导致资产集中在洪泛区，并增加了不透水表面，从而提高了径流量。这些趋势表明，仅关注城市或源头地区无法有效管理洪水风险，因为气候变化加剧了洪水强度，而下游地区的人口增长使得在整个城乡混合流域内规划洪水缓解措施变得至关重要。因此，像阿曼这样的干旱地区，需要将上游土地利用、蓄洪和输水与城市排水和规划相结合的综合性洪水管理方法。
在这样的混合流域中，城市洪水可能不仅仅由局部降雨引起，大多数上游非城市区域排放的大量径流会加剧下游城市的洪水风险。鉴于非城市区域与城市区域在水文和水利方面的差异，流域管理变得更加复杂（Hassani等人，2024；Hassani等人，2024）。非城市区域通常具有陡峭的坡度、低渗透性的土壤以及缺乏工程化的排水系统，这些因素导致地表径流增加（Ngo等人，2016；Xia和Chen，2021）。这些径流汇聚到主要河流渠道中，在接近城市区域时增大流量和强度。相比之下，城市区域的基础设施密集且渗透能力较差，依赖的排水系统可能老旧或规模不足（Latifi等人，2023）。这些相反的特点导致传统洪水管理方法难以应对。
因此，需要采取宏观层面的管理策略，整合上下游技术。非城市区域通过大幅减少流入城市的流量和动能来保护城市地区（Yazdi等人，2018；Machac等人，2018）。例如，滞留坝是非城市地区广泛接受且验证有效的洪水缓解结构（Manfreda等人，2021）。它们通过在峰值流量期间拦截洪水并在流量过后释放水体来发挥作用（Choo等人，2021；Hassani等人，2024；Hassani等人，2024a）。在子流域内或靠近溪流处战略性布置滞留坝可以显著降低峰值流量，从而防止城市洪水。然而，最佳位置和设计对于滞留系统的有效性至关重要（Yazdi和Neyshabouri，2014）。不当的布置可能会因未能阻断重要径流通道或无意中将不同子流域的径流混合而加剧下游风险（Pouladi等人，2022）。为了有效设计滞留坝，最近的研究中广泛采用了优化技术（Yazdi和Neyshabouri，2014；Yazdi等人，2018；Pouladi等人，2022）。这些方法能够同时考虑成本最小化、洪水减排效益最大化以及环境破坏最小化等冲突目标。例如，Hassani等人（2024a）应用帕累托包络选择算法II（PESA-II）评估了最优坝体布局在下游洪水风险管理中的潜力，发现这种设施的实施在减少上游非城市区域的洪水峰值方面非常有效。
虽然上游管理有助于洪水风险控制，但考虑到下游城市的需水需求，也至关重要。绿色基础设施（GI）已成为一种可持续且有效的城市洪水管理解决方案（Junqueira等人，2022；Zamani等人，2023；Jiang等人，2024；Chen等人，2024）。诸如透水铺装、绿色屋顶和雨水花园等GI系统能够改善渗透性，减少地表径流和对排水系统的压力。除了防止洪水外，GI还带来多重协同效益，如改善水质、提升城市环境品质和增加生物多样性，使其成为城市洪水管理计划的重要组成部分（Backhaus和Fryd，2013；Monberg等人，2018；Sheng等人，2023）。雨水管理模型（Storm Water Management Model, SWMM）常用于城市雨水模拟和洪水缓解规划。Qin等人（2025）使用SWMM模拟了中国一个新港口开发项目的降雨-径流情况，评估了低影响开发（LID）措施在减少峰值流量和污染物负荷方面的效果。这个实际案例（城市港口）展示了SWMM在高度不透水区域设计排水/LID网络以减轻洪水中的作用。GI在城市流域中的效果取决于其布局和设计。为此，优化算法被用来确定最有效的GI配置，以实现水文性能与成本效益的平衡（Yang等人，2023；Leng等人，2024；Zhou等人，2024）。Javan等人（2025）将SWMM与多目标优化相结合，规划德黑兰雨水网络的LID布局，以最低成本实现径流和峰值流量的最小化。这类研究表明SWMM在综合洪水管理中的重要作用，其中城市规划和工程措施共同发挥作用。根据Mousavi Janbehsarayi等人的研究（2024），通过高效分布GI到城市子流域中，可以显著减少洪水量和峰值流量。将GI与上游滞留系统结合，可以在流域内的多个点管理洪水，形成全面的、具有韧性的洪水管理框架。
在宏观层面，上游滞留坝与下游绿色基础设施相结合，为复杂流域的洪水风险缓解提供了有效解决方案（Hassani等人，2024；Hassani等人，2024）。这种综合方法解决了城市和非城市环境相关的水文和水利问题。然而，尽管优化技术可以确定最佳策略，但实际上实施这些策略需要多个利益相关者的合作和共识。复杂的流域洪水控制通常涉及多种参与者和利益相关者，包括政府机构、当地社区、城市开发商和生态团体。每个利益相关者都有自己的优先事项和目标，这些目标可能相互冲突。如果没有相关方的共识，技术上精心设计的策略可能无法发挥全部效用（Nazemi等人，2024；Latifi等人，2023；Janbehsarayi等人，2023；Hassani等人，2024；Hassani等人，2024）。
鉴于此，本文提出了一种基于博弈论的方法，以促进利益相关者对洪水管理宏观计划的认可。博弈论提供了一个分析框架，通过数学方法考虑多方参与者在类似游戏中的互动，从而找到能够平衡各自利益和集体最优决策的策略（von Neumann和Morgenstern，2007）。近期研究使用合作博弈模型在利益相关者之间分配稀缺水资源。Zhang等人（2024）为塔里木河流域开发了一个合作联盟模型，运用夏普利值和核心解法公平分配水资源利益。Janjua等人（2025）描述了印度河流域跨界水资源的三阶段合作博弈模型。这些案例通常涉及跨界流域或多机构河流系统，洪水或水资源短缺需要共同行动。通过明确建模联盟和公平的成本效益共享，合作博弈方法支持综合洪水管理的目标，强调利益相关者的合作与公平治理（Alvarez等人，2019）。另一方面，博弈论也可以解决谈判问题，找到不同利益相关者共同选择的最有利策略（Ghodsi等人，2016；Nazari等人，2020）。然而，非合作博弈论侧重于最大化效用，往往忽视了决策对所有参与者的多重益处。合作博弈论有助于利益相关者合作以实现长期收益（Kyriazi等人，2017）。最近，在城市雨水管理中应用合作博弈理论解决冲突方面取得了显著成功，特别是在绿色基础设施的实施中（William等人，2017；Jeong等人，2018）。例如，Janbehsarayi等人（2023）使用河流博弈理论解决城市雨水管理的GI实施问题，他们的研究表明，合作模型不仅能解决冲突，还能找到同时实现良好水文性能和关键经济及社会目标的策略。此外，Ramos-Garzón等人（2019）使用合作博弈理论补偿土地所有者因洪水预防而遭受的损失。这些框架确保所有参与者（上游/下游地区、基础设施所有者等）按比例分担洪水控制成本，平衡技术措施与社会公平。不过，目前博弈论的应用主要限于城市场景，很少有研究将其应用于同时包含城市和非城市区域的复杂流域，而在这种流域中协调上下游策略尤为重要。本研究尝试通过应用合作博弈论框架来确保洪水缓解策略的选择符合利益相关者的共识。本研究探讨了博弈论与优化技术的结合应用，这些方法能够平衡水文性能、经济可行性和利益相关者的优先事项。通过这种方法，不仅提高了洪水管理策略的有效性，还增强了其在实际应用中的实用性。阿曼的Wadi Al-Sarami地区被选为研究对象，该地区负责将阿曼Hajar山脉东北侧的水流引入北Al-Batinah沿海平原，该地区年均降水量极低（低于100毫米），但会遇到极端对流风暴，导致单次降雨量超过50毫米（Al-Rawas等人，2024a）。上游流域的坡度陡峭，主要由碳酸盐岩构成，土壤覆盖层薄，导致径流迅速且富含沉积物，最终流入狭窄的河谷。下游，Sohar地区的工业和住宅区的发展显著减少了自然渗透能力（Al-Rawas等人，2024b）。
本文的创新之处在于将静态停滞坝的优化措施与下游城市区域的绿色基础设施相结合，并运用合作博弈论来解决多方利益相关者的冲突，以找出最佳的洪水管理策略。整个研究过程分为三个关键步骤：首先使用SWMM模型模拟流域的水利水文条件，确定关键干预措施；然后应用多目标优化算法来确定最佳的水坝选址和绿色基础设施实施方案；最后通过合作博弈论评估这些方案，确保所选方案符合利益相关者的优先需求，并最大化洪水缓解效果。所提出方法框图如图1所示。
通过整合技术优化和利益相关者合作，本研究为复杂流域区域的洪水管理提供了一个综合性框架，为易受洪水影响的地区提供了可扩展且灵活的解决方案，强调水文和社会因素的平衡。该项研究填补了综合洪水管理领域的空白，突显了利益相关者参与对于实现可行和具有抗灾性的实际结果的重要性。
**方法论**
我们的方法论旨在研究上游停滞坝与下游绿色基础设施在有效洪水管理中的相互作用，采用博弈论方法来解决三个关键利益相关者（农业部、渔业和水资源部、Sohar市政府及城市居民）之间的冲突。该方法结合了案例分析、水文模拟和两阶段层次优化，形成了连贯且系统的分析框架。
**结果**
优化过程的第一阶段涉及在上游非城市区域设计和放置停滞坝。图3展示了这一优化的帕累托解，说明了减少实施成本与降低进入城市区域的峰值流量之间的权衡关系。帕累托前沿展示了一系列平衡成本与性能的解决方案，其中位于曲线右侧的高性能解决方案能够显著减少峰值流量。
**政策意义**
在全球范围内，我们的方法为面临气候变化引发的更强烈和频繁风暴的易受灾地区提供了指导。决策者可以利用我们的两阶段优化模型作为技术支持的一部分，培训当地人员运行基于SWMM的优化和合作分配游戏，从而使社区团体、公用事业公司和私人投资者公平分担成本和洪水风险。我们建议全球标准机构采纳这一方法。
**讨论**
我们的综合两阶段优化与合作博弈框架表明，将上游停滞坝与下游透水铺装相结合，可以将城市入口处的峰值流量减少71.8%，同时将城市径流量减少70.2%（相对于无干预的情况）。这些结果直接回答了我们的核心研究问题，即如何在混合型的非城市流域实现可持续的洪水缓解，表明了一种绿灰结合的综合性方法。
**结论**
本研究提出了一个适用于复杂非城市流域的洪水管理框架，通过创新方法在技术、经济和社会优先事项之间取得了适当平衡。以阿曼的Wadi Al-Sarami为例，研究表明，在上游建设停滞坝和下游建设绿色基础设施可以大大降低洪水风险，并增强利益相关者的合作。
