前 言

全球气候变化导致极端降雨增多、洪水事件频繁。不断加快的全球化进程，使得所有国家和地区及其内部的关键基础设施系统组合到一起，构成了一个关联性不断增大的全球网络。结合位于河流流域和三角洲上的人口及其需要的关键基础设施不断增加的趋势，当一个洪水事件发生并传播到多个区域时，该全球网络内部的各个地区基础设施间的关联性可能会增大未来灾难性洪水对关键基础设施的影响，从而提升洪水风险。因此，从更大的空间尺度研究全球气候变化背景下洪水对关键基础设施的影响意义重大。

在这一背景下，本书将在大尺度下研究洪水对关键基础设施的影响，特别是通过分析河流流域及其基础设施系统（以交通运输系统为例）的脆弱性来揭示气候变化下未来洪水灾害可能带来的风险。尽管已有研究揭示了气候变化对降水模式的影响，但对于如何全面评估洪水对复杂基础设施系统的综合性影响，仍然缺乏有效的方法。本书填补了这一空白，提出了基于灾害系统分析框架的影响评估方法，为政策制定、基础设施规划和风险管理提供了支持。

本书设计了灾害系统分析框架和相应的影响评估方法。该灾害系统分析框架由三部分组成：致灾因子、承灾体和脆弱性。在致灾因子方面，本书模拟理论致灾因子（随机破坏、局部破坏、洪水破坏）和未来洪水事件，研究其对关键基础设施系统的影响。在承灾体方面，本书对中国公路网络进行研究。在脆弱性方面，本书从个体和系统两个视角出发，开发了失效模型和综合影响模型。

本书共分为 8章。第 1章概述了本书的主题、研究问题及其背景和重要性，系统回顾

了洪水对关键基础设施系统的影响研究，提出了当前的关键问题和研究

目标，并简要介绍了本书的研究内容和大纲。

第 2章阐述了本书的理论框架和方法论，设计了自然灾害对关键基

础设施系统影响的理论框架。方法论中列出了 3种理论致灾因子（随机

破坏、局部破坏和洪水破坏）的定义和实现方法，并给出了自然灾害对

关键基础设施系统影响的评估模型。

第 3章介绍了研究区域（中国和美国）的相关情况。首先解释了研

究区域的选择依据；其次介绍了研究区域的地理位置、行政区划、自然

灾害特性、经济状况和交通概况；最后提供了研究所用数据的详细来源

和说明。

第 4章介绍了未来洪水情景的模拟。基于 3种 RCP情景（ RCP2.6， 

RCP4.5和 RCP8.5）驱动的 5个全球气候模式的地表径流情况，模拟了 

2030年、2050年和 2100年的未来洪水情景。将这些洪水情景叠加在中

国公路网中来研究洪水引起的淹没公路网节点的时空分布特征；并将典

型洪水事件集的尺度降到 0.005°的网格上，分析洪水时空分布特征。

第 5章介绍了失效模型，评估了洪水对单一关键基础设施系统（公路网）的影响。利用 2017年飓风“哈维”的相关数据，有效地验证了该失效模型。并使用此失效模型，评估了洪水对中国和美国的三维公路网（包括数百万个公路路段）的影响。将洪水叠加到公路网上，基于统计物理学的渗流理论，通过数值和解析方法分别分析了由洪水引起的直接失效、间接失效和全部失效的特性，并将洪水引起的失效与随机失效和

局部破坏引起的失效进行了比较。

第 6章开发了一个评估未来大尺度洪水对公路运输系统影响的综

合模型。本章首先开发了多主体交通流仿真系统来仿真公路网络中的交

通流；其次将第 4章模拟的未来洪水事件加入仿真系统；最后根据公路

系统性能指标值的变化来量化评估洪水对公路系统的影响。

第 7章分析了气候变化下中国北方地区的洪水风险特征，并揭示了交通运输系统如何扩大洪水影响，将局部风险演变为系统性风险。

第 8章展望了未来可能的研究方向。

本书不仅在理论层面深化了对极端气候下基础设施系统风险演化机制的理解，而且在方法层面提出了实用的风险评估工具，为交通系统和其他基础设施的洪水风险管理提供了科学支持。研究成果可以应用于政策制定、基础设施设计和灾害应对策略的制定，并能为洪水高发区域的交通韧性评估方法提供参考。本书提出的模型和方法不仅适用于公路网，还可以扩展到其他关键基础设施系统的风险评估，例如电力系统和供水系统等。

本书汇聚了众多领域专家的智慧，并得益于广泛的气候模式数据支持及先进的洪水情景模拟技术。在与国内外研究机构的密切合作中，作者团队通过不断验证与完善模型，获取了丰富的数据和研究结论。本书不仅是应对气候变化挑战的理论成果，更旨在为实际应用提供有价值的参考。本书的出版得到了国家自然科学基金项目（ 72288101、72471031 和 72001018）和广东省自然科学基金面上项目（ 2023A1515010604）的支持。全书的整体构思、写作思路与内容规划由汪伟平、杨赛霓、吴建军、覃栎和高自友主导。参与撰写工作的其他成员包括崔静（第 1 章）和张可妍（第 8 章）。特别感谢美国伦斯勒理工学院的高建喜教授和波士顿大学的 H.Eugene Stanley教授对本研究工作的悉心指导，以及清华大学出版社的戚亚编辑在本书出版过程中的宝贵建议与审阅。在本书的写作过程中，我们参考了大量国内外的研究成果，在此对所有提供启发和参考的作者表示诚挚的谢意！

希望本书能够为从事基础设施风险管理和交通系统规划的读者带来新的启示，同时也期望本书的研究成果能为未来基础设施的防洪韧性提供理论基础和实践指导。总体而言，本书深入探讨了气候变化对关键基础设施系统的影响，尤其是未来洪水事件对公路网的具体影响，可供高校师生、科研机构研究人员及从事气候变化、风险管理、应急响应、洪水灾害、基础设施安全和韧性等领域的专业人士阅读和参考。希望书中设计的灾害系统分析框架及相关的影响评估方法能够为从事相关领域的人员提供有价值的思路和借鉴，助力体系化的科学研究。

尽管作者已竭力做到内容详尽且准确，但由于水平所限，书中难免有不足之处。我们恳请广大读者提供宝贵的批评和建议，以便在后续修订中不断改进完善。

作者 

2025年孟冬于北京