《Landscape and Urban Planning》：Can urban green space equitably regulate flood risk? a risk-adjusted spatial availability and multi-objective optimization framework for high-density cities
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本研究从城市功能、城市形态和主要道路出发，构建了可复现的功能-气候-水文单元（Functional–Climatic Hydrological Units，FHU），量化了不同降雨情景下FHU的雨水供给与需求平衡，开发了风险调整两步浮动 catchment 面
本研究从城市功能、城市形态和主要道路出发，构建了可复现的功能-气候-水文单元（Functional–Climatic Hydrological Units，FHU），量化了不同降雨情景下FHU的雨水供给与需求平衡，开发了风险调整两步浮动 catchment 面积模型（risk-adjusted two-step floating catchment area model，Risk-2SFCA），用于风险调整后的人口与能力匹配，并在分布评估中纳入了替代人口表征。最后，通过城市绿地（Urban Green Space，UGS）配置优化以提高空间可用性并减少不平等。
**一、研究背景与问题提出**
快速城市化与气候变化扩大了城市不透水表面、干扰了自然水文过程，导致地表径流增加以及城市内涝的频率与严重程度上升。全球洪水暴露预计至2030年可达约7.58亿人，而中国因频发城市洪涝和重大洪灾造成的经济损失尤为突出。在降雨条件日益多变的背景下，仅依赖传统灰色基础设施的局限性日益显现。城市绿地（UGS）作为绿色基础设施和基于自然的解决方案的重要组成部分，通过降雨截留、入渗、调蓄和临时存储发挥雨水调节服务，同时兼具缓解城市热岛和维持生物多样性等功能。然而，UGS的水文有效性受绿地面积、空间配置、植被结构、土壤渗透性及周边水文条件等多重因素影响。空间格局与破碎化会显著影响径流调节性能。自2015年中国推行海绵城市计划以来，高密度城市区因土地供给有限、人口暴露集中及大规模绿地扩展受限，UGS雨水调节能力与径流控制需求之间的错配依然普遍。因此，提升城市雨水韧性不仅需要增加UGS数量，还需优化其空间分布与水文有效性。过程水文模型和径流模拟虽改进了城市降雨-径流过程的表征，但将水文信息转化为空间明确的规划指导仍然困难，特别是如何识别调节赤字并确定干预优先序。已有研究常将水文性能、人口暴露、可达性与绿色基础设施配置分开考察，缺乏将多维度整合于统一框架的研究。此外，绿色基础设施供给可能与社会经济状况相互作用，影响不同社区实际获得的有效雨水调节能力的分布；仅基于地理邻近性或静态居住人口的评估可能无法充分反映与日常城市活动模式相关的人口暴露变化。因此，高密度城市规划需要连接水文供需诊断与面向人口的分配和分布评估的方法。本研究即针对上述空白，以成都这一高密度中国城市为代表性案例，构建了一套整合评估与优化框架。
**二、主要技术方法**
研究人员首先基于城市功能区（Urban Functional Zones，UFZ）、局地气候区（Local Climate Zone，LCZ）和主要道路边界，按照道路约束初始划分、UFZ-LCZ联合分类、最小图斑确定性合并及最终分类四条可复现规则，将研究区划分为7664个FHU。在栅格尺度，依据叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）估算最大冠层蓄水容量，依据土壤孔隙度计算土壤蓄水潜力，二者加权得到潜在雨水存储能力；采用增强型Mishra-Singh径流估算方法（基于SCS-CN框架）计算不同设计降雨情景下的直接径流，并扣除假定排水能力后定义径流存储需求；进而在六个重现期（3至100年）情景下计算FHU尺度的供需平衡B值。其次，研究人员构建Risk-2SFCA模型：供给侧采用有界的雨水调节有效性指数（Stormwater Regulation Effectiveness Index，SREI）对UGS面积供给进行修正，需求侧依据由高程、坡度和历史内涝密度经熵权法合成的归一化洪水易损性指数（Flood Susceptibility Index，FS）对人口进行再分配，结合高斯距离衰减函数在网络阻抗阈值内计算潜在空间可用性。人口表征方面，采用百度慧眼位置大数据（LBS）构建受普查人口总量约束的动态人口代理，并与普查人口、WorldPop栅格人口、老年人口及社会经济易损性加权人口进行多情景比较。最后，采用两阶段优化：第一阶段以水文优先级、可用性赤字和区内基尼系数为权重，通过CRITIC法赋权后结合最大覆盖选址模型（Maximal Covering Location Problem，MCLP）从候选池中固定选取141个干预位点；第二阶段采用差分进化增强的非支配排序遗传算法II（DE-NSGA-II）进行多目标连续面积分配，以最大化人口加权平均可用性、最小化人口加权分布不平等和最小化优先级加权剩余可用性赤字为三个目标，在6,844 ha面积上限约束下生成Pareto解集，并按熵权法选出妥协方案。
**三、研究结果**
（一）FHU空间框架评估。研究区共划分7664个FHU，面积呈强右偏分布，平均0.48 km2；农业区（AGZ）占研究区40.72%，保护区和绿地区次之。与161个街道单元和41个DEM派生流域单元相比，FHU在空间划分上最精细，其不透水率和LAI的单元间变异系数更大，表明其具有更强的单元间分异能力。在50年降雨情景下，基于存在-背景ROC-AUC分析，FHU赤字面与历史内涝位置的空间对应性最高（AUC=0.850），优于街道单元（AUC=0.811）和DEM流域（AUC=0.742），配对差异均显著（p<0.001）。
（二）雨水调节供需平衡。随降雨深度增加，栅格单元剩余供给能力递减且趋于破碎化：平均剩余供给由56.39 mm情景的14.40 mm降至110.14 mm情景的0.99 mm；平均径流存储需求由0.16 mm增至24.99 mm。FHU尺度平均B值由14.24 mm降至-24.00 mm，在74.84 mm与85.47 mm情景间由正转负。高强度开发单元普遍赤字较大，而农业区、保护区、绿地区及部分低密居住单元保持较高平衡。基于50年情景B面与325处历史内涝点的比较显示，多数内涝点落在负B值FHU内；在有可靠深度记录的65处观测点中，严重内涝比例随B值分位下降而上升（Q2为0%，Q3为25.0%，Q4为52.9%）；B值与观测内涝深度呈显著负相关（Pearson r=-0.52，Spearman ρ=-0.52，p<0.001），表明模型赤字越大，实际内涝越深。
（三）风险调整空间可用性与修正效应分解。网络阻抗阈值对空间排序的影响大于阻抗速度：阈值由15 min缩至45 min时，平均可用性与中位数变化明显，Spearman相关系数由0.671升至0.813，而速度在4.0至5.5 km/h间变化时排序高度稳定（ρ=0.957-0.973）。四种Risk-2SFCA配置的空间格局均呈破碎化，供给侧修正主要降低西部和南部大范围区域可用性，需求侧修正降低中心建成区可用性但增加外围FHU可用性，综合修正则在中心产生显著削减。综合修正的归一化绝对幅度最大（CR=0.130），且超过单独供给侧（CS=0.052）与需求侧（CD=0.088）之和，非加性交互效应显著（CI=0.110），反映了重叠规划邻域内UGS供给共享所产生的作用。
（四）亚区内部不平等。各街道单元人口加权基尼系数介于约0.07至0.95之间，均值0.51、中位数0.49；空间上相邻街道差异明显，未呈现一致的中心-外围梯度，说明不平等分布呈局部化、异质化特征。
（五）人口表征与分布稳健性。动态人口代理与WorldPop在街道尺度相关性最高（ρ=0.92），与普查人口相关性较低（ρ=0.65）。潜在空间可用性的总体排序在三种一般人口表征间高度稳定（Pearson相关约0.960，Spearman相关0.977和0.991），但局部可用性类别和亚区内部基尼系数存在一定偏移。群体加权结果显示：老年人口加权下的全市加权平均可用性为32.53，是动态人口代理基准（32.53？此处原文中动态人口基准为32.53？核对原文：原文说"Group-weighted mean potential spatial availability was 32.53 under dynamic-proxy weighting, 51.10 under elderly-population weighting, and 22.97 under socioeconomic-vulnerability weighting"，即动态代理加权32.53，老年人口加权51.10，社会经济易损性加权22.97；RE=51.10/32.53=1.57，RV=22.97/32.53=0.71）的1.57倍（RE=1.57），而社会经济易损性加权仅为0.71（RV=0.71），且其贡献空间格局与动态代理差异最大（最高贡献五分位重叠仅32.58%）。
（六）多目标优化。两算法均呈早期快速收敛、后期趋缓；DE-NSGA-II在单次运行中较标准NSGA-II提前约35%代数达到最大超体积，且最大值高4.88%。四个代表性Pareto解呈现明显权衡：可用性优先方案平均可用性最高（69.93）但基尼系数也最高（0.8926）；分布平等优先方案基尼系数降至0.8717但平均可用性最低（57.59）；优先级加权赤字削减方案残差赤字最低（0.4509）。熵权法为三个目标赋权0.44、0.45和0.11，选定妥协方案：平均可用性61.94，基尼系数0.8758，残差赤字0.4511。该方案将4,202.26 ha新增UGS分配至141个位点，30-45 ha和45-55 ha的中大尺度分配占73.62%；优化后UGS分布更趋分散、椭圆面积扩大约30.3%，中位斑块面积由3.77 ha增至8.21 ha。两个预定义服务缺失区集中了71.63%的受分配位点与74.2%的新增面积，区内平均可用性由25.37升至32.32（+27.39%），人口加权基尼系数由0.86降至0.81（约-5.8%）。
**四、讨论部分总结**
讨论指出，本研究通过FHU诊断、风险调整空间分配和优化干预规划，将水文赤字识别与面向人口的分配和分布结果加以整合，弥补了以往研究维度分离的不足。B指标保留了降雨情景下的方向与幅度信息，SREI将相对赤字转化为可比的供给侧修正因子，但二者均为规划尺度筛选指标，不能替代事件尺度水动力模拟。Risk-2SFCA通过供给侧水文有效性与需求侧洪水易损性调整扩展了空间分配评估，其网络阻抗定义了规划邻域内的供需匹配关系，而非洪涝期实际可达性或水力服务范围；阈值假设较速度假设更能改变空间分类，提示规划应用中需检验空间交互假设。优化部分将诊断信息转化为UGS分配策略，Pareto解揭示了总体可用性、人口加权不平等与优先级加权赤字之间的权衡；熵权妥协方案在服务缺失区提升了可用性并降低了分布集中度，但显著不平等仍然存在。此外，FHU作为中间尺度的社会-水文单元，在精细化表征城市形态与局地水文异质性方面优于行政单元或DEM流域，但其划分规则具有尺度依赖性。人口表征分析强调，普查人口、动态人口代理和WorldPop代表不同维度而非可互换的等价估计；老年人口加权更集中于高可用区域，社会经济易损性加权则更集中于低可用区域，二者均不宜解读为个体层面暴露。最后，不同FHU类型需匹配差异化干预策略：高密度建成区宜采用分布式多功能措施，低密度居住区可整合破碎斑块，工仓储和开发地块可容纳较大尺度调蓄设施，绿地区与农业/保护/水体相关区域可融入绿色-蓝色网络；但具体形式仍需结合场地条件进一步设计。
**五、研究结论**
本研究开发了整合FHU雨水供需诊断、Risk-2SFCA潜在空间可用性、人口加权分布评估和两阶段UGS优化的框架。FHU提供了保留不透水率、LAI和径流存储条件局域变异的精细规划单元，与街道单元和DEM流域形成互补。FHU尺度平均B值由56.39 mm降雨情景的14.24 mm降至110.14 mm情景的-24.00 mm，且模型赤字越大，观测内涝深度越大。Risk-2SFCA显示潜在空间可用性对网络邻域假设和人口表征敏感，尤其在局部尺度；阈值假设对空间分类的影响强于阻抗速度，替代人口表征保留了全市总体排序但改变了局部和群体层面的分布格局。相对于动态人口基准，老年人口加权和社会经济易损性加权分别产生RE=1.57和RV=0.71，后者对街道贡献的空间分布改变显著。熵加权Pareto妥协方案在141个MCLP选定位点间分配4,202.26 ha新增UGS，其中71.63%的受分配位点和74.2%的新增面积集中于两个预定义服务缺失区；这些区域内平均潜在空间可用性由25.37升至32.32，人口加权基尼系数由0.86降至0.81。这些结果表明，雨水规划绩效不仅取决于UGS总供给量，还取决于其与水文赤字、人口分布、不平等和土地约束的空间匹配。
