DOI: https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2026.102414
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42306254
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Debayan Mandal وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقييم وإدارة مخاطر الفيضانات
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث المخاطر المتزايدة للفيضانات التي تواجهها المجتمعات بسبب تغير المناخ، والتحضر، وتدهور البيئة. ويؤكد على ضرورة التحليل الفوري للفيضانات، والتنبؤ الدقيق، والتواصل الفعال مع أصحاب المصلحة لتعزيز استراتيجيات التخفيف. تركز الدراسة على مدينة غالفستون، تكساس، حيث تم تطوير توأم رقمي جغرافي (GDT) يسمى FlowsDT-Galveston باستخدام نماذج هيدروديناميكية مرتبطة 1D-2D لتحسين القدرة على الصمود الحضري ضد الفيضانات المطرية والنهرية.
تشمل أهداف الدراسة إنشاء GDT يتضمن بيانات جغرافية متنوعة، والتحقق من صحته مقابل أحداث الفيضانات التاريخية، ونمذجة ظروف الفيضانات تحت فترات عودة هطول الأمطار المتعددة (2، 10، 25، 50، و100 سنة)، وتحديد المناطق المعرضة للخطر. باستخدام PCSWMM، يدمج النموذج بيانات LiDAR، واستخدام الأراضي، وهندسة المجاري العاصفية لمحاكاة ديناميات الفيضانات في بيئة رباعية الأبعاد. تشير النتائج إلى زيادة بنسبة 5.7% في المباني المغمورة بأكثر من قدم وزيادة بنسبة 6.7% في غمر الطرق فوق قدم واحدة عند مقارنة سيناريوهات الفيضانات لمدة سنتين إلى 100 سنة. لا يساعد النموذج المقترح فقط في إدارة الفيضانات بشكل استباقي والتخطيط الحضري في غالفستون، بل لديه أيضًا القدرة على التطبيق في مجتمعات أخرى تواجه مخاطر الفيضانات المماثلة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للفيضانات، التي تمثل أكثر من ثلث الخسائر الاقتصادية العالمية وأثرت على ثلثي الأفراد المتأثرين بالمخاطر الطبيعية في العقود الأخيرة. إن تزايد تكرار الفيضانات وشدتها، لا سيما في المناطق الحضرية وشبه الحضرية، يتطلب استراتيجيات فعالة لتقليل مخاطر الفيضانات وتعزيز القدرة على الصمود. يحدد إطار عمل الأمم المتحدة للحد من مخاطر الكوارث في سينداي أربع أولويات رئيسية: تحسين فهم مخاطر الكوارث، والاستثمار في الحد من مخاطر الكوارث، وتعزيز الاستعداد والاستجابة، وتقوية الحوكمة من خلال مشاركة أصحاب المصلحة. ومع ذلك، فإن التحديات مثل التعقيد الفني لدمج نماذج الفيضانات أحادية البعد (1D) وثنائية البعد (2D)، والحاجة إلى بيانات عالية الدقة، ومحاكاة سيناريوهات التدخل المختلفة تعيق التنفيذ الفعال لهذه الاستراتيجيات.
تقدم التطورات الحديثة في نمذجة الهيدروديناميكية وتقنيات التوأم الرقمي الجغرافي حلولًا واعدة لهذه التحديات. تسهل النماذج الهيدروديناميكية المحسنة دمج ديناميات التدفق 1D و2D، بينما تدمج التوائم الرقمية الجغرافية البيانات في الوقت الفعلي، مما يحسن بشكل كبير من تحليل الفيضانات الحضرية. تركز الدراسة على غالفستون، تكساس، مستفيدة من شبكة المجاري العاصفية تحت الأرض المفصلة لرفع دقة النموذج الوظيفية. لا تساعد هذه الطريقة فقط في تحديد نقل الملوثات من المصادر غير النقطية أثناء الفيضانات، بل تعزز أيضًا التعاون بين المخططين الحضريين، ووكالات إدارة الطوارئ، والسكان، مما يعزز استراتيجيات التركيز على القدرة على الصمود. يتم توضيح هيكل المقال، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة الإطار المفاهيمي، منطقة الدراسة، المنهجية، النتائج، والآثار المستقبلية للبحث.
الطرق
استخدم البحث منهجية شاملة لتحليل البيانات التي تم جمعها. في البداية، تم تجميع مجموعة بيانات قوية، تشمل متغيرات متنوعة تتعلق بأهداف الدراسة. تم إخضاع البيانات لعمليات معالجة دقيقة لضمان الدقة والموثوقية، بما في ذلك التطبيع والتعامل مع القيم المفقودة.
بعد ذلك، تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام تقنيات متقدمة، مثل نماذج الانحدار واختبار الفرضيات، لتحديد العلاقات المهمة بين المتغيرات. تم اختيار الطرق بعناية لتتوافق مع أسئلة البحث، مما يضمن أن تكون النتائج صحيحة وقابلة للتعميم. ثم تم تفسير النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مما يوفر فهمًا دقيقًا لآثار النتائج.
النتائج
تشير النتائج إلى أن FlowsDT-Galveston يخدم أغراضًا متعددة عبر مجالات مختلفة، مما يعزز وتيرة الاكتشاف. تطبيقاته الرئيسية ثلاثة: أولاً، يسمح بإدخال سيناريوهات هطول الأمطار التصميمية، مما يساعد في اتخاذ القرار أثناء أحداث الفيضانات من خلال الاستفادة من مبادئ الحفاظ على التربة. يوضح هذا القسم وظائف منصة التوأم الرقمي المطورة، ويعرض قدراتها في نمذجة أحداث الفيضانات والتحقق منها، ومحاكاة سيناريوهات هطول الأمطار المصممة، والتنبؤ في الوقت الفعلي.
إن دمج هذه الميزات لا يدعم فقط إدارة الفيضانات بشكل فعال، بل يعزز أيضًا التعاون بين التخصصات، مما يساهم في تقدم البحث والتطبيقات العملية في علم الهيدرولوجيا والعلوم البيئية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة من ورقة البحث الضوء على تطور وتطبيق تقنيات نمذجة الهيدروديناميكية لتوقع الفيضانات الحضرية والقدرة على الصمود. يقارن بين منهجيتين رئيسيتين: نماذج علم البيانات، التي تستخدم خوارزميات التعلم الآلي لتوقع أنماط الفيضانات بناءً على البيانات التاريخية، ونماذج قائمة على الفيزياء تعتمد على المبادئ الهيدروديناميكية الأساسية. بينما يمكن أن توفر أساليب علم البيانات تقييمات سريعة، فإن فعاليتها غالبًا ما تكون محدودة بجودة البيانات المتاحة. في المقابل، تقدم النماذج القائمة على الفيزياء، بما في ذلك الأنواع الهيدرولوجية والهيدروليكية، فهمًا أكثر شمولاً لديناميات الفيضانات ولكنها تقليديًا واجهت صعوبات في البيئات الحضرية المعقدة بسبب اعتمادها على تمثيلات مبسطة أحادية البعد. أدت التطورات الحديثة إلى تطوير نماذج مرتبطة 1D/2D تعزز دقة محاكاة الفيضانات من خلال دمج ديناميات مجرى النهر وسهول الفيضانات.
كما يقدم القسم مفهوم التوائم الرقمية الجغرافية، وهي نسخ رقمية متقدمة من البيئات الفيزيائية تستفيد من البيانات في الوقت الفعلي لدعم اتخاذ القرار في التخطيط الحضري وإدارة الفيضانات. تسهل هذه التوائم الرقمية إنشاء خرائط الغمر وتمكن من محاكاة ديناميكية لسيناريوهات الفيضانات، مما يعزز مشاركة أصحاب المصلحة من خلال التصورات التفاعلية. يؤكد البحث على إمكانية التوائم الرقمية الجغرافية في تحسين تقييمات مخاطر الفيضانات في البيئات الحضرية، لا سيما في مناطق مثل غالفستون، تكساس، التي تواجه مخاطر فيضانات كبيرة من مصادر متعددة. من خلال دمج مصادر بيانات متنوعة واستخدام تقنيات نمذجة متطورة، يهدف نموذج التوأم الرقمي الجغرافي المقترح، FlowsDT-Galveston، إلى تقديم محاكاة دقيقة لمخاطر الفيضانات تأخذ في الاعتبار الظروف المناخية المتغيرة والتحضر، مما يساهم في إبلاغ استراتيجيات إدارة حضرية أفضل.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2026.102414
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42306254
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Debayan Mandal et al.
Primary Topic: Flood Risk Assessment and Management
Overview
This research paper section addresses the growing flood hazards faced by communities due to climate change, urbanization, and environmental degradation. It emphasizes the necessity for real-time flood analysis, accurate forecasting, and effective communication with stakeholders to enhance mitigation strategies. The study focuses on Galveston City, Texas, where a geospatial digital twin (GDT) named FlowsDT-Galveston was developed using 1D-2D coupled hydrodynamic models to improve urban resilience against pluvial and fluvial flooding.
The objectives of the study include the creation of the GDT incorporating various geospatial data, validation against historical flood events, modeling flood conditions under multiple rainfall return periods (2-, 10-, 25-, 50-, and 100-year), and identifying at-risk zones. Utilizing PCSWMM, the model integrates LiDAR data, land cover, and storm sewer geometries to simulate flood dynamics in a four-dimensional environment. Findings indicate a 5.7% increase in buildings inundated over one foot and a 6.7% increase in road inundations above one foot when comparing 2-year to 100-year flood scenarios. The proposed model not only aids in proactive flood management and urban planning in Galveston but also has the potential for application in other communities facing similar flood risks.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of floods, which have accounted for over one-third of global economic losses and affected two-thirds of individuals impacted by natural hazards in recent decades. The increasing frequency and intensity of floods, particularly in urban and peri-urban areas, necessitate effective strategies for flood risk reduction and resilience enhancement. The United Nations’ Sendai Framework for Disaster Risk Reduction outlines four key priorities: improving disaster risk understanding, investing in disaster risk reduction, enhancing preparedness and response, and strengthening governance through stakeholder engagement. However, challenges such as the technical complexity of integrating one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) flood models, the need for high-resolution data, and the simulation of various intervention scenarios hinder the effective implementation of these strategies.
Recent advancements in hydrodynamic modeling and geospatial digital twin techniques offer promising solutions to these challenges. Enhanced hydrodynamic models facilitate the integration of 1D and 2D flow dynamics, while geospatial digital twins dynamically incorporate real-time data, significantly improving urban flood analysis. The study focuses on Galveston, Texas, utilizing its detailed underground storm sewer network to elevate the model’s functional resolution. This approach not only aids in identifying non-point source pollutant transmission during floods but also fosters collaboration among urban planners, emergency management agencies, and residents, promoting resilience-oriented strategies. The article’s structure is outlined, with subsequent sections detailing the conceptual framework, study area, methodology, outcomes, and future implications of the research.
Methods
The research employed a comprehensive methodology to analyze the data collected. Initially, a robust dataset was compiled, encompassing various variables pertinent to the study’s objectives. The data was subjected to rigorous preprocessing to ensure accuracy and reliability, including normalization and handling of missing values.
Subsequently, statistical analyses were performed using advanced techniques, such as regression models and hypothesis testing, to identify significant relationships among the variables. The methods were carefully selected to align with the research questions, ensuring that the findings would be both valid and generalizable. The results were then interpreted in the context of existing literature, providing a nuanced understanding of the implications of the findings.
Results
The results indicate that FlowsDT-Galveston serves multiple purposes across various fields, enhancing the pace of discovery. Its primary applications are threefold: first, it allows for the input of design rainfall scenarios, which aids in decision-making during flooding events by leveraging Soil Conservation principles. This section elaborates on the functionalities of the developed digital twin platform, showcasing its capabilities in flood event modeling and validation, simulation of designed rainfall scenarios, and real-time forecasting.
The integration of these features not only supports effective flood management but also promotes interdisciplinary collaboration, thereby advancing research and practical applications in hydrology and environmental science.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the evolution and application of hydrodynamic modeling techniques for urban flood prediction and resilience. It contrasts two primary methodologies: data-science models, which utilize machine learning algorithms to predict flood patterns based on historical data, and physics-based models that rely on fundamental hydrodynamic principles. While data-science approaches can provide quick assessments, their effectiveness is often limited by the quality of available data. In contrast, physics-based models, including both hydrological and hydraulic types, offer a more comprehensive understanding of flood dynamics but have traditionally struggled with complex urban environments due to their reliance on simplified, one-dimensional representations. Recent advancements have led to the development of coupled 1D/2D models that enhance the accuracy of flood simulations by integrating both river channel and floodplain dynamics.
The section also introduces the concept of geospatial digital twins, which are advanced digital replicas of physical environments that leverage real-time data to support decision-making in urban planning and flood management. These digital twins facilitate the creation of inundation maps and enable dynamic simulations of flood scenarios, enhancing stakeholder engagement through interactive visualizations. The paper emphasizes the potential of geospatial digital twins to improve flood risk assessments in urban settings, particularly in areas like Galveston, Texas, which faces significant flood risks from various sources. By integrating diverse data sources and employing sophisticated modeling techniques, the proposed geospatial digital twin model, FlowsDT-Galveston, aims to provide accurate flood risk simulations that account for changing climatic conditions and urbanization, ultimately informing better urban management strategies.