城市绿色基础设施对洪涝韧性的调控机制：径流汇-源动态转换与植被结构影响研究

推荐：本研究针对城市绿色基础设施(UGI)在暴雨事件中从径流汇(吸收)向源(排放)的动态转换机制及其植被结构依赖性这一科学难题，通过耦合MIKE SHE/11模型与统计分析，揭示了UGI系统在13-18小时出现汇-源状态转换的临界阈值，发现叶面积指数(LAI)和植被高度标准差(VHSTD)主导小雨事件汇功能，而绿量(GV)与冠层高度(CH)对暴雨调控更为关键，为三维植被配置优化提供了量化依据。

　　

随着城市化进程加速和气候变化加剧，高强度降雨引发的城市内涝已成为全球性挑战。传统灰色基础设施的局限性促使学界将目光转向城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure, UGI)——这些包含城市森林、湿地、公园等自然半自然元素的系统，被寄予调控水文循环、缓解内涝风险的厚望。然而鲜为人知的是，UGI在持续降雨中会经历从"海绵"到"水龙头"的角色逆转：当蓄渗能力达到极限时，原本吸收径流的汇(sink)会转变为排放径流的源(source)。这种动态转换的临界点究竟何时出现？植被的三维结构如何影响这一过程？这些问题直接关系到UGI的洪涝韧性设计，却长期缺乏系统解答。

针对这一科学盲区，昆山市的研究团队在《Geography and Sustainability》发表了一项开创性研究。通过耦合分布式水文模型MIKE SHE/11与激光雷达(LiDAR)三维植被解析技术，团队在典型圩区流域(DSL-T)开展了多情景模拟，首次量化了UGI系统汇-源状态转换的时空规律及其结构驱动机制。研究发现，在20年一遇暴雨情景下，UGI系统约在降雨开始后15小时出现"韧性拐点"，此时系统从性能持续下降的干扰状态转入逐步恢复阶段。更值得注意的是，叶面积指数(LAI>3.0)和植被高度异质性(VH_STD>3.5m)是维持小雨事件汇功能的关键，而冠层高度(CH>10.6m)与绿量(GV>266m³)则在极端降雨中发挥主导作用。这些发现为破解"绿色海绵"失效难题提供了理论钥匙。

研究团队创新性地采用多技术融合的研究路径：首先利用1.83点/m²的机载LiDAR数据提取叶面积指数(LAI)、冠层覆盖度(CC)等5项植被结构指标；继而构建5m精度的MIKE SHE/11耦合模型，通过分段阈值回归识别汇-源状态转换时间(t_rs)；最后采用随机森林模型解析植被结构阈值效应。研究区域涵盖昆山典型城市圩区，选取2022-2023年实测降雨与20年、50年一遇设计暴雨共4种情景进行模拟验证。

研究结果部分呈现三大发现：

1. 植被结构与径流淹没特征：LiDAR三维解析显示UGI覆盖率达30%，校园与主干道周边区域具有更高LAI(2.5-4.5m²/m²)和CH(8-12m)，而北部森林区呈现突出植被高度异质性(VH_STD>4m)。50年一遇暴雨时，平均径流深度达0.5m，内涝范围较常遇雨情扩大3倍。

2. 汇-源动态转换机制：所有情景均呈现"下降-回升"的非线性演变，20年一遇暴雨的t_rs出现在18小时，此时汇面积占比降至29%后开始回升。伴随状态转换，流域平均径流量在干扰阶段激增178%，而恢复阶段仅增长19%。

3. 植被结构阈值效应：随机森林模型显示，小雨情景下LAI和VH_STD对汇功能的贡献率超30%，但现有UGI仅15-19%达到LAI阈值(3.0)；极端降雨中，82%可恢复区域满足CH阈值(10.6m)，85%满足GV阈值(266m³)，凸显高大乔木与复层植被的关键作用。

讨论部分深入阐释了这些发现的科学价值：在理论层面，首次将生态学"状态转换"概念引入UGI水文研究，提出的t_rs量化方法为评估系统韧性提供了动态指标；实践方面，研究颠覆了传统以面积为主的UGI建设标准，证明10m以上高大乔木与266m³/ha绿量的立体配置可使系统抵御50年一遇暴雨。这些结论为住建部《海绵城市建设技术指南》的修订提供了实证依据，建议将"居住区绿地透水率≥60%"的平面标准升级为"LAI≥3且CH≥10m"的立体要求。

研究同时指出，在浅层地下水(0.8-1m)影响的圩区，单一植被措施可能存在局限，需结合地下排水设施形成"绿色-灰色"混合系统。未来研究可融合地基激光扫描(TLS)与土壤墒情监测，进一步提高模型精度。这项成果不仅为长三角城市洪涝防控提供了技术路线，其提出的"可恢复型UGI"识别框架更可为全球城市应对气候变化提供范式参考。