城市扩张后，绿色、灰色和蓝色基础设施比例变化对水文状况的影响

《Ecological Modelling》：Hydrological responses to changes in the proportion of green-grey-blue infrastructures following urban expansion

本研究量化了毛泽东水系流域1990-2019年城市扩张中绿色-灰色-蓝色基础设施比例变化对水文过程的影响。结果表明，绿色基础设施面积减少导致径流量和径流系数增加，蒸散发减少；2012年后城市扩张转向可持续发展，灰色基础设施扩张成为主导因素，显著影响水文响应，验证了非线性关系与空间扩展的强相关性。

　　随着全球城市化进程的不断加快，城市扩张对区域水文过程的影响愈发显著。2018年，联合国数据显示全球人口已达到76亿，其中55.26%的人口居住在城市地区。预计到2050年，全球人口将达到97亿，其中68%（约66亿人）将生活在城市中。在中国，城市化也取得了显著进展，超过56.1%的人口居住在城市区域。这一趋势不仅改变了城市的空间结构，也对区域水文系统产生了深远的影响。城市扩张过程中，绿色、灰色和蓝色基础设施的变化成为影响水文过程的关键因素，这些变化可能引发洪水、干旱以及水质恶化等严重后果，对城市的发展和居民的生活质量构成威胁。

为了更全面地理解这些变化，研究者们提出了将区域基础设施划分为绿色、灰色和蓝色三类的方法。这种方法相较于传统的土地利用和覆盖分类更具优势，因为它能够更精确地反映不同基础设施在水文循环中的作用。绿色基础设施主要包括植被覆盖区域，如森林、草地和大型自然公园，这些区域在水文过程中起到重要的蓄水和蒸发作用。蓝色基础设施则涉及水体，如水库、人工湖和湿地，它们在水资源储存和调节中扮演着关键角色。灰色基础设施则指的是传统的排水系统，如管道、泵站和水储罐，主要用于局部范围的雨水排放管理。在宏观尺度上，灰色基础设施还包括城市排水设施和某些不透水地表，如住宅和交通设施。这些基础设施的变化直接影响区域的水文响应，因此成为城市规划和设计中需要重点关注的要素。

在城市扩张的不同阶段，绿色、灰色和蓝色基础设施表现出不同的空间特征。例如，在城市扩张初期，灰色基础设施的扩展往往成为主导因素，而随着可持续发展理念的普及，绿色基础设施的比重逐渐增加。这种变化不仅影响城市的水文过程，还对生态系统的稳定性产生重要影响。因此，研究者们通过分析基础设施变化与水文过程之间的关系，为城市规划提供了科学依据和实践指导。

本研究选取了中国毛州河流域作为案例区域，该区域位于深圳和东莞之间。毛州河流域在1990年至2019年间经历了显著的城市扩张，这一过程中绿色、灰色和蓝色基础设施的分布发生了明显变化。这些变化为研究城市扩张对水文过程的影响提供了良好的背景。研究者们通过分析1990年至2011年以及2012年至2019年两个不同阶段的基础设施变化和城市扩张情况，结合气象条件和城市发展模式的时间序列数据，量化了绿色、灰色和蓝色基础设施对水文过程的具体影响。研究采用了三种合成水文情景，包括重复湿润年、典型年和干旱年，以模拟不同气候条件下的水文响应。通过对这些情景的分析，研究者们能够更深入地理解基础设施变化如何影响水文过程，并为未来的城市规划和设计提供有价值的参考。

在水文模型的选择上，本研究采用了一种基于“水平衡”原理的分布式水文模型——Water and Ecosystem Simulator（WAYS）。该模型能够模拟流域内水的运动和储存过程，适用于宏观尺度的水文分析。通过将研究区域划分为适合的空间网格，WAYS模型能够提供高分辨率的水文要素分布，从而更准确地反映水文过程的变化。此外，模型的参数调整和校准过程也确保了其在实际应用中的可靠性。研究者们利用毛州河流域的Loucun站的观测数据对WAYS模型进行了验证，该站记录了2016年至2019年的每日径流数据。尽管WAYS模型在未进行校准的情况下表现良好，但为了提高模型的精度，研究者们进行了必要的参数调整和模型优化。

通过分析1990年至2019年间毛州河流域的水文过程变化，研究发现，随着绿色面积的减少，流域内的径流量和径流系数呈现出上升趋势，而蒸散发则表现出下降趋势。这些变化并非线性，而是与绿色、灰色和蓝色基础设施的面积变化密切相关。在1990年至2011年期间，绿色基础设施面积的减少是导致径流量增加、径流系数上升以及蒸散发下降的主要原因。然而，在2012年之后，随着城市扩张方向向可持续发展和生态保护转变，灰色基础设施的面积扩展成为影响水文过程的主要因素，其作用远大于绿色基础设施。这表明，随着城市规划理念的演变，灰色基础设施在水文过程中的影响逐渐增强，成为城市扩张过程中不可忽视的一部分。

研究还指出，绿色、灰色和蓝色基础设施的变化对水文过程的影响具有显著性，尽管其作用速率较慢。这一发现强调了在城市规划中，需要综合考虑各类基础设施的布局和功能，以实现对水文过程的有效调控。通过优化基础设施的配置，可以缓解城市扩张带来的水文压力，提高城市对气候变化的适应能力，同时保障水资源的可持续利用。

在研究方法上，本研究采用了多阶段分析和情景模拟相结合的方式。首先，研究者们对毛州河流域的基础设施变化进行了详细的时空分析，识别出不同阶段的扩张特征。其次，通过使用WAYS模型，研究者们模拟了不同基础设施配置下的水文响应，从而揭示了其对径流、蒸散发等关键水文指标的影响。此外，研究还结合了历史水文和气象观测数据，构建了流域的水文演变历史，为模型的校准和验证提供了依据。这种多维度的分析方法不仅提高了研究的科学性和准确性，也为城市规划提供了更加全面的视角。

研究结果表明，基础设施的变化对水文过程的影响是复杂且非线性的。这种复杂性源于多种因素的相互作用，包括气候输入的变化、土地利用的演变以及基础设施布局的调整。例如，降雨量、温度和风速等气候因素的变化会影响水文过程的动态，而土地覆盖的异质性（如流域面积、土壤类型、地形坡度等）则进一步加剧了这种复杂性。因此，在进行水文过程分析时，需要充分考虑这些因素的综合作用，以提高模型的预测能力和规划的科学性。

本研究的结论对于未来的城市规划具有重要的指导意义。首先，研究强调了基础设施变化对水文过程的主导作用，特别是在城市扩张的不同阶段，灰色基础设施和绿色基础设施的影响各有侧重。这提示规划者在制定城市发展战略时，应综合考虑各类基础设施的布局和功能，以实现水资源的可持续管理。其次，研究揭示了水文过程的非线性特征，表明在某些情况下，基础设施的变化可能产生意想不到的水文效应。因此，在城市规划中，需要采取更加灵活和动态的策略，以应对不断变化的水文条件。最后，研究还指出，随着可持续发展理念的深入，绿色基础设施在城市扩张中的作用逐渐增强，这为未来城市规划提供了新的方向和思路。

综上所述，本研究通过分析毛州河流域在1990年至2019年间绿色、灰色和蓝色基础设施的变化，揭示了这些变化对水文过程的深远影响。研究结果不仅有助于理解城市扩张对区域水文系统的具体作用，也为城市规划和设计提供了科学依据和实践指导。在未来的城市发展中，如何在满足经济增长需求的同时，兼顾生态系统的保护和水资源的可持续利用，将成为城市规划者面临的重要课题。通过科学的基础设施配置和合理的城市扩张策略，可以有效缓解水文过程的变化，提高城市对气候变化的适应能力，同时保障居民的生活质量和生态环境的稳定性。