《Ecological Solutions and Evidence》：Towards an integrated approach to evaluating biodiversity- and water-sensitive urban design: A review of popular software tools
全球范围内，城市正在认识到需要将蓝绿基础设施（blue-green infrastructure, BGI）和基于生态系统的方法（ecosystem-based approaches）纳入城市设计与开发。伴随这一认识而来的是对生物多样性与水进行协同设计的需求——尽管当前方法通常将这些系统独立考虑。其后果是生物多样性与水之间的关系被忽视，导致系统韧性（resilience）和功能性（functionality）降低。研究人员提出，整合水资源敏感型城市设计（Water Sensitive Urban Design, WSUD）与生物多样性敏感型城市设计（Biodiversity Sensitive Urban Design, BSUD）（WSUD & BSUD）的一项挑战是缺乏兼容的分析工具以促成协作和/或整合。研究人员审查并分析了39个潜在 WSUD 和 BSUD 软件工具在可访问性（accessibility）、互操作性（interoperability）和整合兼容性（compatibility for integration）方面的属性。研究人员发现，BSUD 工具在可访问性方面的财务障碍较低；尽管很少有 BSUD 或 WSUD 工具可供新手操作，但更多 WSUD 工具需要高水平培训。BSUD 工具更适应跨平台使用（例如 Windows/Mac/基于云的数据）以及与基于地理信息系统（Geographic Information System, GIS）的程序配合使用。与 WSUD 工具相比，BSUD 工具还具有更多空间输入和输出（spatial inputs and outputs），这可能解释互操作性与协作的障碍。为提高互操作性和协作，所审查的 BSUD 工具应开发更多表格输入和输出（tabular inputs and outputs），而 WSUD 工具应开发更多空间输入和输出。较少的 WSUD 工具为开源（open-source），限制了既有软件工具与软件架构（software architecture）“桥接”或完全整合为单一新型工具的机会。增加培训教程数量、降低许可成本、开放源代码访问以及软件工具中的多格式互操作性（multi-format interoperability），可能增加 BSUD 生态学家（ecologists）与 WSUD 水文学家（hydrologists）之间整合或协作的机会。更好的做法是开发专门设计用于同时测量 BSUD 和 WSUD 的软件包（software packages）。实践意义：整合 BSUD & WSUD 具有明确的实际应用，包括协同效益（synergistic benefits）的实现与效率，以及改善生物多样性与水相关结果之间权衡（trade-offs）的管理。
1 INTRODUCTION
全球城市正将蓝绿基础设施（blue-green infrastructure, BGI）和基于生态系统的方法纳入城市设计与开发。生物多样性与水是稳定生态系统功能的关键，但 BSUD（Biodiversity Sensitive Urban Design, BSUD）与 WSUD（Water Sensitive Urban Design, WSUD）通常被独立考虑，导致二者关系被忽视并降低系统韧性（resilience）与功能性。城市化与土地利用变化造成生物多样性丧失、湿地快速损失、河道渠道化和土壤硬化，并加剧洪水与侵蚀。BSUD 通过早期生态原则减少开发负面影响并提升场址生物多样性，需测量与监测以避免高估。WSUD 旨在恢复或模拟开发前水平衡或可持续管理当前水平衡，其监测需同时考虑人类用水服务和场址水-生态系统生物多样性关系。二者根本兼容但规划协调不足，协作罕见，部分因评价工具不兼容。BSUD 工具多用于物种分布模型（species distribution models, SDMs）、种群生存力评估（population viability assessments, PVAs）、基于个体模型（individual-based models, IBMs）和连通性模型；WSUD 工具多模拟水力水文、地下水、废水和蓝绿基础设施干预，以减少径流、污染物负荷和洪水。研究目的是按跨平台可访问性、成本、输入输出格式和 GIS（Geographic Information System, GIS）兼容性审查工具兼容性，识别差距并提出整合方向。
2 METHODS
研究人员先识别过去15年同行评议文献中有使用记录的工具。WSUD 工具搜索使用可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS）和低影响开发（Low Impact Development, LID）等术语，并辅以 Google Scholar 检索工具名与 stormwater，经专家验证后形成21个工具。BSUD 工具因框架较新，初始未发现专门综述；研究人员搜索城市生态建模、植被和生物多样性相关综述，筛选直接评价生物多样性的工具，并通过专家启发和直接生态分析方法补充，最终纳入18个工具。所有工具均评估其是否提供城市水或生物多样性指标，以及跨平台、成本、开源、输入输出格式、时空尺度、GIS 兼容、培训水平和文档等属性。培训水平按新手操作所需时间分为低（≤1天）、中（≤1周）和高（>1周），由专家验证。数据用 R 进行汇总统计和比例分析。
2.1 Literature search for potential WSUD evaluation tools
通过 Web of Science 和 Scopus 检索过去15年综述，初始获得378篇文献，排除未评价 WSUD 结果的软件工具后保留35篇，并形成初步工具列表。纳入标准为软件工具、用于评价 WSUD 结果且为2010年后。Google Scholar 补充检索工具名与 stormwater，细化至21个工具并经专家验证。工具按是否生成和纳入城市水/生物多样性结果及平台、文档、培训、GIS 兼容、成本、开源、空间和表格输入输出等属性评价。
2.2 Literature search for potential BSUD evaluation tools
因 BSUD 框架较新，未找到专门综述。研究人员搜索城市生态建模、植被和生物多样性相关综述，56篇综述经筛选后仅3篇进入全文筛选，识别11个潜在工具；按直接评价生物多样性而非间接代理的标准，仅剩2个。为补充数量，研究人员结合专家启发和直接生态分析方法，筛选软件化、过去15年用于评价生物多样性且可用于城市情境的工具，最终纳入18个工具。城市情境定义为植被或潜在栖息地破碎化、分散，需小到大尺度分析，包括 peri-urban 区域。
2.3 Selecting and defining attribute criteria
首先判断工具能否通过提供城市水或生物多样性指标评价 WSUD 或 BSUD 结果，重点寻找能探索、模拟或建模水文数据与生物多样性数据之间机制关系的软件；排除仅将输入数据作为相对阻力面或概率面的工具。所审查软件均不能同时模拟城市生物多样性和水文指标。随后分析影响互操作性及整合或协作灵活性的属性，包括跨平台可访问性（Windows/MacOS/云端）、成本（免费/付费）、文档水平（低/中/高）、新手培训水平（低/中/高）、开源、表格或空间输入输出、GIS 兼容性以及时空尺度。专家验证所有属性信息。
2.4 Data analysis
使用 R 对每个工具的属性进行汇总统计和比例表示，比较所有工具、评价标准以及 WSUD 和 BSUD 类别。
3 RESULTS
共审查39个软件工具，其中 WSUD 21个、BSUD 18个，比较其跨平台、GIS 兼容、空间和表格输入输出、免费和开源比例等属性。结果主题包括成本、平台、培训与文档、GIS 兼容及表格/空间输入输出、开源灵活性。
3.1 Cost restriction
89% 的 BSUD 工具免费，而 WSUD 工具仅52% 免费。BSUD 工具在成本有限时更易获取；生态学家若将 WSUD 工具纳入项目，更可能面临较大成本障碍。
3.2 Platform restriction
BSUD 工具跨平台使用比例（78%）显著高于 WSUD 工具（19%）。多数工具基于 Windows（WSUD 86%，BSUD 100%）。WSUD 网页平台工具比例略高（24% vs 17%），但37% 的网页 WSUD 工具仅限网页，无 Windows 或 MacOS 版本；所有网页 BSUD 工具同时兼容 Windows 和 MacOS 组件。
3.3 Training level required and documentation available
57% 的 WSUD 工具需要约数周至数月的高水平专门培训，而 BSUD 工具为33%。低培训（≤1天）工具均少，但 WSUD（14%）多于 BSUD（6%）。高文档比例：WSUD 76%，BSUD 61%；但24% 的 BSUD 和39% 的 WSUD 工具缺乏教程，10% 的 BSUD 和11% 的 WSUD 工具文档较低。
3.4 GIS-compatibility & tabular versus spatial inputs and outputs
BSUD 工具的 GIS 兼容比例（83%）高于 WSUD（55%）。BSUD 工具更多使用空间输入（83% vs 43%）和空间输出（89% vs 48%）。所有 WSUD 工具和78% 的 BSUD 工具有表格输入，多数工具有表格输出。部分空间工具可纳入表格数据，但若干表格工具不能纳入空间数据。Maxent、Circuitscape、UrbanConnect 和 LinkageMapper 等 BSUD 空间工具仅纳入空间数据，难以与 MUSICX、RECARGA、ModFlow、HYDRUS-1D、WinSLAMM、L-THIA-LID、StormTac、UVQ、PURRS 或 GIF-MOD 等表格型 WSUD 工具直接互操作。
3.5 Open-source flexibility
BSUD 工具开源比例（78%）高于 WSUD 工具（33%），更利于灵活使用、开发以及与其他工具兼容和整合。
4 DISCUSSION
4.1 Accessibility
BSUD 与 WSUD 工具可双向整合，但新手跨学科使用障碍明显，因低培训（≤1天）工具少。WSUD 高培训工具略多，知识障碍可能略高；但 WSUD 入门级工具也略多。WSUD 许可成本和教程障碍更高。单一整合工具理想上可同时培训水与生物多样性分析，但难以达到既有工具的专业化程度；改进独立工具兼容性可使专家协作而无需交叉培训。详细教程和低许可成本可提高采用。
4.2 Flexibility
多数工具含 Windows 组件，平台本身障碍较小；但 BSUD 跨平台灵活性利于非 Windows 用户和整合网络数据。网页工具因计算能力发展而流行，并可连接 Atlas of Living Australia（ALA）和 Global Biodiversity Information Facility（GBIF）等数据库。WSUD 跨平台少见。BSUD 工具不能生成水文指标，但可托管 WSUD 输入作为水文层；例如 SWMM 空间栅格可用于 Circuitscape、Maxent 或 RangeShifter 作为水文层，但仅作相对阻力面或概率面。LANDIS-II 可结合水文层与生态层，但无水文汇流或雨水建模；spaDES 和 NetLogo 的模块化理论上可生成机制性水文和生物多样性输出，但未发现实例。
4.3 Spatial GIS development as a mechanism to integrate
为整合 BSUD 和 WSUD 数据，WSUD 工具应加入 GIS 兼容空间组件，或 BSUD 工具应加入可与非空间 WSUD 工具接口的表格输入输出。R-based 工具可同时输出空间和表格数据，在 BSUD 工具中较常见，但 WSUD 工具无 R-based。空间兼容 WSUD 可连接生态、水文和城市设计数据库。SCALGO Live 是视觉导向、低培训、可处理空间数据并连接 GIS 或云端数据的 WSUD 工具，但非免费开源，且不能评价许多小尺度 WSUD 措施；其 NatureInsight 可估算碳固存和栖息地独特性，未来整合生物多样性数据库无明显障碍。
4.4 The importance of open-source development in interoperability and integration
开源软件对 BSUD 和 WSUD 整合关键，可让用户定制源码。BSUD 工具更多开源，常用 R、Python 和 Julia。有研究示例用 Python 架构耦合 NetLogo 与 MODFLOW/SEAWAT 评价地下水对城市冷热影响；虽非生物多样性导向，但未来可扩展。BSUD 工具如 Circuitscape、NetLogo 或 UrbanConnect 可绘制水资源，但不评价径流、水文流或入渗。未发现 BSUD 工具生成水文指标，但开源允许通过调整源码纳入。
4.5 Biodiversity-water trends in the literature
未发现 WSUD 工具能直接生成生物多样性结果或模拟生物多样性指标。但文献显示 WSUD 工具日益考虑生物多样性-水关系。有研究讨论 PCSWMM、MIKE Urban、WinSLAMM 和 HEC-HMS 需更好纳入树冠或植物吸水相关水文过程，如截留、茎流、吸水和蒸腾。SWAT、HYDRUS、MUSIC、RECARGA、SWMM 和 GIF-MOD 可纳入植物吸水，但 HYDRUS 是唯一在蒸散计算中考虑植物生长的工具。多数 WSUD 工具无法考虑植被或土壤随时间变化；植被根和蚯蚓形成的大孔隙影响入渗，但所调查工具无法评价。少数工具可测量溶解氧、沉积物或营养负荷和/或雨水收集影响。MUSIC 进展可监测智能水箱收集与释放对鸭嘴兽所需流量的影响；虽未形成一体化工具，但显示趋向。
4.6 The importance of scale and resolution in integration tools
时空尺度对整合重要。若评价地下水对传粉者资源影响，需较大空间尺度；若评价植物群落对土壤-水蒸散和温度影响，需街道或微栖息地尺度。BSUD 工具多用于中-宏观空间尺度（>100 m），最低时间尺度为月或年；WSUD 工具多用于微观-宏观尺度（<100 m 街景至 >10 km），可能因综合水管理需微尺度嵌套于大尺度。WSUD 工具常模拟分钟或亚小时时间步，用于强降雨下雨水处理与洪水风险；BSUD 工具少用亚小时，常用月或年。WSUD 可考虑多年，但高分辨率和长运行时间可能限制数十年模拟；WinSLAMM、HEC-HMS 和 RECARGA 长期建模受限，难以与多年 BSUD 工具整合。BSUD 工具模拟数十年时可能限制更细时间步；有些工具尺度可由用户定义。计算能力提升可能改善。评价 >20 年尤其重要，因为水-生物多样性关系影响生态演替或土壤-水补给动态，这些过程通常发生在较长时间，而城市中考虑不足。
4.7 Validation
随着工具互操作性增加，需将不确定性信息（如置信区间或标准差误差）作为元数据纳入模型；未来整合应验证输入和输出的不确定性。
4.8 Evaluating biodiversity directly versus indirectly
许多数字工具仅间接关联生物多样性结果。Treeplotter、TreeCanopy、Healthy Trees, Healthy Cities 和 Treetect 等可制图冠层覆盖、树木清单和健康，但不量化物种类型、物种多样性或物种特定栖息地适宜性，故被排除。一些工具模拟人类生态系统服务（ecosystem services, ES）如冷却，而非直接生物多样性。Global Forest Watch、i-Tree Eco 和 Greenscenario 可分析覆盖和结构变化，但不直接评价生物多样性。ENVI-met 不直接模拟物种、种群或生物多样性；ECOPLAN 纳入传粉等生态系统服务，但非直接指标。Urban InVEST Urban 可模拟城市栖息地质量间接代理和水文效应，但未满足物种特定多样性、响应或栖息地适宜性标准而被排除。DHSVM（Distributed Hydrology Soil Vegetation Model, DHSVM）可间接模拟土壤湿度、融雪和蒸腾等栖息地适宜性因素，但不模拟物种特定响应。
4.9 Limitations
数据来自文献搜索、工具文档和教程，软件更新频繁，信息可能过时。多数属性分类客观，但培训水平评估主观；研究人员定义类别并经专家验证，仍需更多用户验证。审查全面但不穷尽，可能遗漏整合工具。LPJ-GUESS（Lund-Potsdam-Jena General Ecosystem Simulator, LPJ-GUESS）是免费、开源、GIS 兼容工具，未在检索或专家咨询中出现但高度相关；不能评价物种丰富度或物种特定结果，但可评价植物功能多样性及蒸散、土壤湿度、渗透径流、碳固存和氮循环等。Namares 是开源免费高分辨率 GIS 工具，可映射、分析和量化干预对土地利用、水、生态系统服务等影响，并可计算蒸发、冷却和生物多样性增益/损失，但未公开可用而被排除。eWater 插件 Eco-Modeller 和 MIKE ECO Lab 可研究流量和水质对生态因素影响，但未列入最常引用工具，且需复杂参数化和专家自定义；MIKE ECO Lab 仅能通过自定义修改评价分类群或物种特定响应或生物多样性指标，Eco-Modeller 需专家输入生态响应曲线。若干生态水文模型可评价水、能量、碳、营养、光合和植物动态，但似乎少有模拟符合 BSUD 标准的生物多样性指标。
4.10 Pathways to integration
全球蓝绿基础设施、海绵城市和基于自然解决方案趋势推动 WSUD 与 BSUD 整合。设计自然、水与人共同受益可提升协同效益。洼地、滞留池和路缘可设计关键本地栖息地和人类福祉；公园和街道种植可减少雨水径流、增强蒸散和滞留、促进深层入渗；水储存与土壤湿度、植被和地表水恢复对齐可降温并为物种提供干旱或热浪踏脚石，提高韧性和人类适应能力。要理解协同与权衡，必须测量、监测、分析和评价生物多样性与水结果。审查工具对此必要，但实现互操作和兼容需跨学科合作。行业和研究人员受成本和培训限制。目标不是让专家模型更简单，而是通过互操作和整合促进非专家与专家协作。无论桥接既有工具还是完全整合为单一新工具，低进入障碍均有利，可通过详细教程、低许可成本、开源和培训生态学家与水文学家合作实现。城市规划者和设计师可用性及网络数据库兼容也重要。空间 GIS 和 R 兼容工具模拟多尺度生物多样性-水关系可提供灵活性。跨行业应用对主流化新规范重要，需更多案例证明可行性、实用性和益处。Nature-Water Design 框架整合 BSUD 和 WSUD，可指导开发实施整合工具，评价水、生物多样性和人类福祉的协同与权衡；工具需考虑合适时空尺度监测和评价重要生物多样性-水关系。
