Il complesso meccanismo del ristagno idrico urbano e l'effetto di mitigazione fornito dalle infrastrutture verdi urbane nelle città costiere metropolitane

This thesis aimed to reach a thorough understanding of the complex mechanism of urban waterlogging and the mitigation effect provided by urban green infrastructure in metropolitan coastal cities. Through four articles, this thesis respectively reveals the scale effects of urban waterlogging influencing factors, identifies the spatial heterogeneous driving forces of waterlogging, assesses urban waterlogging susceptibility under different development scenarios, and clarifies the mitigation effect of urban green infrastructure on urban waterlogging. It is well known that urban waterlogging is affected by environmental conditions and human activities. Few, however, have comprehensively revealed the relative contributions of the influencing factors to urban waterlogging concerning different scales of analysis. This thesis first offers the identification of dominant factors of urban waterlogging at different scales of analysis and the interpretation of scale effect. The result provides additional insights that the relative contributions of the influencing factors vary with the scales, underlining a strong scale effect. Since the dominant factors vary across different scales of analysis, the optimal scale for urban waterlogging studies only worked for specific influencing factors, and thus the appropriate scale for urban waterlogging study should be determined by the characteristics of study areas. In highly urbanized areas, the distribution of urban landscape elements and their attributes are characterized by spatial heterogeneous. However, less effort focus on the spatial heterogeneity driving forces at the local scale, which hinders the implementation of target-specific urban waterlogging mitigation strategies. To shed some light on this topic, this research proposes an innovative method that integrated the cubist regression tree and geographical detector model to spatially clarify the local driving forces and dominant factors with different local conditions. The results denote that the waterlogging’s dominant driving factors and their contribution vary with the local site conditions, facilitating the implementation of more targeted and effective mitigation strategies, rather than a “one-size-fits-all” policy. Due to the spatial heterogeneity in urban areas and the non-stationary complex mechanism of urban waterlogging, a novel approach is proposed that combined the stepwise cluster analysis model (SCAM) and hierarchical partitioning analysis (HPA) to characterize the waterlogging variation and assess waterlogging susceptibility. The result indicates that the SCAM-HPA provides an effective and feasible solution for waterlogging variation simulation. Under different urbanization and rainfall change scenarios, the urban waterlogging susceptibility has a considerable variation. The watershed spatial location and watershed characteristics are relevant aspects to be considered in identifying and assessing waterlogging susceptibility. Urban green infrastructures (UGI) can effectively reduce surface runoff, thereby alleviating the pressure of urban waterlogging. Given the shortage of urban land resources, it is unrealistic to reduce urban waterlogging by considerably increasing the UGI area. Less attention has been paid to investigating the threshold level of waterlogging mitigation capacity. The results indicate that the mitigation capacity of green infrastructure on waterlogging presents a threshold phenomenon. The excessive area proportions of UGI within the watershed or an oversized UGI area may lead to a waste of its mitigation effect. Therefore, the area proportion of UGI and its mitigation effect should be considered comprehensively when planning UGI. Given the growing concerns of global warming and rapid urbanization, this thesis contributes to extend our understanding of the complex mechanism of waterlogging in metropolitan coastal cities and provides a theoretical and practical reference for waterlogging prevention.

Scopo di questa tesi è fornire una comprensione approfondita del complesso meccanismo del ristagno idrico e dell'effetto di mitigazione dovuto alle infrastrutture verdi nelle città costiere metropolitane. Attraverso quattro articoli, vengono mostrati rispettivamente gli effetti di scala dei fattori che influenzano il ristagno urbano, identificate le forze motrici eterogenee spaziali, valutate le aree suscettibili per diversi scenari di sviluppo e chiarito l'effetto della mitigazione dovuto alle infrastrutture verdi. È ben noto che il ristagno idrico urbano è influenzato dalle condizioni ambientali e dalle attività umane. Pochi, tuttavia, hanno rivelato in modo esaustivo i contributi relativi dei fattori ambientali e antropogenici al ristagno urbano riguardanti diverse scale di analisi. I risultati indicano che tali fattori possono variare con il cambiamento della scala, evidenziando un significativo effetto di scala nelle analisi di questi processi. La scala più appropriata per gli studi di ristagno urbano può funzionare solo per specifici fattori, e quindi la migliore scala di analisi dovrebbe essere determinata dalle caratteristiche delle aree di studio. Nelle aree altamente urbanizzate, la distribuzione spaziale degli elementi del paesaggio urbano e i loro attributi sono caratterizzati da eterogeneità. Tuttavia, in letteratura poca attenzione è stata data sull’eterogeneità spaziale delle forzanti a scala locale. I risultati ottenuti in questa tesi dimostrano che i fattori dominanti del ristagno idrico e il loro contributo variano con le condizioni locali, informazione che dovrebbe facilitare l'attuazione di strategie di mitigazione più mirate ed efficaci. A causa dell'elevata eterogeneità spaziale e del complesso meccanismo non stazionario del ristagno urbano, viene proposto un nuovo approccio che combina il modello di analisi cluster “SCAM ” e l'analisi di partizione gerarchica (HPA) al fine di comprendere al meglio i processi di ristagno e analizzarne la suscettibilità. I risulti mostrano come il modello SCAM-HPA proposto possa fornire una soluzione efficace per la simulazione delle variazioni di ristagno urbano. È interessante notare che sotto diversi scenari di urbanizzazione e di precipitazioni, la suscettibilità al ristagno ha una notevole variazione. Le caratteristiche spaziali del bacino idrografico sono pertanto aspetti rilevanti da considerare nell'identificazione e nella valutazione della suscettibilità dei processi di ristagno. Le infrastrutture verdi urbane (Urban Green Infrastructures - UGI) possono ridurre efficacemente il deflusso superficiale, alleviando i processi di ristagno idrico. A causa del consumo di suolo nelle aree metropolitane, è necessario capire come utilizzare la limitata area delle UGI per massimizzare la mitigazione del waterlogging. Meno attenzione, tuttavia, è stata dedicata allo studio del livello di soglia della capacità di mitigazione del waterlogging. I risultati indicano che l'effetto dell'infrastruttura verde sul ristagno presenta un fenomeno di soglia. Un’eccessiva proporzione delle UGI all'interno di un bacino idrografico o un'area UGI sovradimensionata possono portare anche ad una riduzione del suo effetto di mitigazione. Pertanto, quando si pianifica la progettazione del verde urbano bisognerebbe considerare al meglio la sua distribuzione spaziale. Alla luce delle problematiche legate al riscaldamento globale e la continua e rapida urbanizzazione, questa tesi contribuisce ad estendere la nostra comprensione del complesso meccanismo del ristagno idrico nelle città costiere altamente urbanizzate e fornisce un riferimento teorico e pratico per la prevenzione e il controllo del ristagno idrico urbano e la progettazione di infrastrutture verdi urbane.