《Sustainability》：Nature-Based Solutions in Urban Hillside Areas: A Systematic Review of Hydrological Modeling Approaches, Vulnerability, and Climate Resilience
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城市山坡地区集中了由加速城市化和气候变化加剧的水文和岩土风险。尽管基于自然的解决方案（NbS）日益被视为城市韧性的有前景策略，但它们在坡地环境中的应用在科学文献中仍然有限。本研究整合了文献计量学分析和基于Scopus、ScienceDirect及Web of
城市山坡地区集中了由加速城市化和气候变化加剧的水文和岩土风险。尽管基于自然的解决方案（NbS）日益被视为城市韧性的有前景策略，但它们在坡地环境中的应用在科学文献中仍然有限。本研究整合了文献计量学分析和基于Scopus、ScienceDirect及Web of Science数据库（2020–2025年）的系统文献综述（SLR）。在检索到的4435篇出版物中，仅92篇涉及NbS、水文建模与城市山坡环境之间的关联。这一减少表明，在采用的搜索标准内，整合这些主题的研究仍然有限。结果表明，全球南方（Global South）的山坡占据受社会空间不平等制约，增加了滑坡、侵蚀和水文灾害的暴露度。当战略性定位并适应坡度梯度与水文连通性时，NbS可减少径流峰值并促进坡面稳定；然而，其有效性取决于持续的维护和监测。比较评估表明，大多数水文模型仍孤立应用，限制了耦合入渗、土壤饱和及地下不稳定性过程的表征。结果表明，在城市山坡地区有效实施NbS需要集成建模方法、跨学科框架和面向风险的城市规划，尤其是在社会-环境脆弱背景下。
**1. 引言**
全球城市化加速，特别是在发展中国家，加剧了基础设施适应和风险管理的需求。气候变化与城市扩张相互作用，显著增加了城市洪水等极端事件的频率和严重性。城市化相关的土地开发改变了流域水文响应，增加了地表径流的体积和流速。在多个国家的城市化区域，滑坡造成了严重影响。侵蚀和滑坡是全球坡地地区最常见的水文气象灾害（HMHs），由强降雨触发，受气候因素（降水模式变化、温度变化）和人为因素（土地利用、土地覆盖变化、城市扩张）共同驱动。为减轻气候相关灾害的脆弱性，低洼地区侧重于减少地表径流和洪水过程，而山坡地区则优先控制入渗和侵蚀。基于自然的解决方案（NbS）通过利用自然空间，在城市韧性和气候适应中发挥重要作用，同时作为社会-环境正义的工具。NbS需纳入灾害风险管理框架。在拉丁美洲和加勒比等快速城市化地区，NbS尤为重要。与低洼地区不同，山坡环境中的NbS应用侧重于坡面稳定、地表水管理和原生植被恢复。山坡的形态和水文特征使其易受侵蚀、不稳定和滑坡影响，极端气候事件进一步加剧风险。风险缓解高度依赖于干预措施的位置和空间布局。在拉丁美洲国家，山坡地区主要由低收入人群占据，加剧了社会和环境脆弱性。全球南方大国（如巴西）中，山坡占据与社会经济不平等结合显著加剧了风险条件。与传统综述不同，本研究整合了文献计量学分析、系统文献综述（SLR）和定性评估，以调查NbS在山坡环境中的应用，探讨地形变量、水文连通性和地表-地下过程的影响，并讨论模型耦合、经验验证和气候适应方面的局限性。
**2. 材料与方法**
研究方法整合了SLR与文献计量学分析，分为三个连续阶段：（i）数据收集，（ii）文献计量学分析，（iii）系统文献综述。研究问题为：城市山坡地区与NbS相关的主要水文建模方法和研究空白是什么？文献计量学分析使用VOSviewer软件处理共引、合著和关键词共现。SLR按照PRISMA 2020协议进行，确保透明性和可重复性。纳入标准包括：2020–2025年同行评审期刊文章，涉及城市排水或雨水管理，包含水文或水力建模，评估NbS作为径流风险缓解措施。排除标准包括非英语、葡萄牙语或西班牙语，不关注水文过程，或缺乏足够方法细节。搜索策略分为两个阶段：第一阶段采用“Urban Drainage” AND “Hydrological modeling”进行广泛分析；第二阶段加入“Sloped urban area” OR “Steep terrain” OR “Hillslope” AND “Green infrastructure” OR “Sustainable urban drainage” OR “Low impact development”进行细化。数据库包括Web of Science、Scopus和ScienceDirect。敏感性分析验证了搜索策略的稳健性。
**2.1 数据获取**
数据获取通过系统调查同行评审科学文献，关注NbS在山坡地区作为灾害缓解策略的含义和挑战。搜索策略结合布尔运算符控制敏感性和特异性。第一阶段获得4435篇出版物，第二阶段仅92篇，表明主题交叉点研究有限。敏感性分析显示，替换术语（如“Stormwater Management”）会减少检索结果，但未改变基本发现。
**2.2 数据选择与分析**
数据选择基于文献计量学分析和SLR，使用VOSviewer软件。SLR限于2020–2025年，但文献计量学分析涵盖1950年至2026年5月。SLR遵循PRISMA 2020协议，包括识别、筛选、资格评估和纳入阶段。纳入研究的方法学质量使用适应自Lopes, Rezende, and Miguez (2025)的检查表评估，包括六个标准：目标清晰性、方法适切性、数据质量、验证/校准、结果分析与讨论、对山坡城市排水的相关性。每个标准评分0–2。92项研究中，78项（85%）为高质量，14项（15%）为中等质量，无低质量。验证和校准标准平均得分最低（1.36），12%的研究得分为零。
**3. 结果**
结果来自Scopus、ScienceDirect和WoS数据库的文献计量学分析，分两个阶段：广泛领域调查和分层分析。广泛领域显示“Urban Drainage”和“Hydrological modeling”相关出版物持续增长，2010年后加速。分层分析聚焦于NbS、低影响开发（LID）和绿色基础设施（GI）在陡坡环境中的应用，仅检索到92篇出版物。
**3.1 文献计量学综述**
广泛领域：中国、美国和英国是主要贡献国。关键词共现显示“hydrological modeling”、“rainfall”、“runoff”等术语高度集中。SWMM（Storm Water Management Model）和LID是常见工具。期刊包括Journal of Hydrology、Journal of Environmental Management等。分层分析：关键词更集中于LID、GI、SWMM和多目标优化。全球南方国家（如巴西）的研究强调社会脆弱性，但总体代表性不足。
**3.1.1 广泛研究领域**
地理分布显示中国、美国和英国领先。关键词共现网络（图6）中，“hydrological modeling”具有最高共现频率和总链接强度（TLS）。研究集中于水文过程、极端事件和城市化影响。新兴方法包括机器学习、多目标优化。术语“水质量”、“污染”等表明向生态维度扩展。外围术语如“人工降雨实验”表明新兴领域。
**3.1.2 分层研究领域**
分层搜索后，Scopus有66篇，ScienceDirect有26篇，WoS无结果。关键词共现网络（图8）显示“hydrological modeling”为核心，与“rainfall”、“runoff”、“low impact development”等紧密关联。网络包含26个关键词，形成三个主题集群。TLS显示“runoff”、“catchment”、“hydrological modeling”等具有最高连通性。外围术语如“baseflow recession”表明方法学小生境。
**3.2 定性分析与系统文献综述（SLR）**
92项研究根据方法学方法分类，使用雷达图展示平均质量特征。目标清晰性和方法适切性得分较高，而验证和校准得分较低，表明在复杂地形中数据获取和模型验证的挑战。SLR结果表明，半分布式和过程模型（如SWMM、Hydrus、HEC-HMS）主导，模拟地表径流、入渗和临时储存。NbS的水文性能受地形变量（坡度、位置）强烈影响。全球南方研究多应用于暴露于滑坡和闪洪的脆弱环境，而北方研究更注重方法学稳健性但地形复杂性较低。
**3.3 地形变量与NbS水文性能的关系**
SLR表明，地形坡度是NbS水文性能的主要制约因素。坡度增加会降低入渗效率，增加地表径流。SWMM、Hydrus、HEC-HMS模型研究表明，坡度微小变化显著影响滞留和入渗能力。NbS的空间配置（上游与下游位置）影响径流减少和峰值衰减。坡度与水文响应呈非线性关系，受土地覆盖和水力连通性影响。在巴西山坡，需结合水文、岩土和社会变量进行综合分析。
**3.4 方法学空白与模型整合潜力**
约71%的研究采用孤立模型（如SWMM、Hydrus-1D、MIKE URBAN），未实现地表-地下双向耦合。约24%的研究采用部分整合（如SWMM与HEC-RAS耦合），但入渗和土壤过程仍经验参数化。仅约5%的研究采用完全耦合的地表-地下模型（如Hydrus-1D与SWMM耦合）。这种分布表明，耦合框架应用有限，限制了山坡环境关键过程（入渗、土壤饱和、浅层不稳定）的模拟。研究建议整合基于土壤物理-水力特性的入渗模块，并通过现场测量和数值模拟校准耦合模型。
**4. 讨论**
文献计量学结果显示城市排水和水文建模领域已高度成熟，但与NbS和山坡环境的交叉点严重不足（仅92篇）。关键词网络缺乏“坡面不稳定”、“地下侵蚀”等术语，证实了结构性空白。SLR确认了孤立模型主导、地表-地下过程表示有限、以及社会脆弱山坡环境代表性不足。
**4.1 山坡地区：背景与城市化过程**
到2050年，全球约68%人口将居住在城市。全球南方山坡地区城市化主要通过非正规住区扩张。非正规住区影响约10亿人，集中在非洲和亚洲。巴西等国的山坡占据与结构不平等相关，导致环境脆弱性和滑坡风险。风险被视为危险与脆弱性的组合，包括环境脆弱性（侵蚀、地貌不稳定）和社会脆弱性（基础设施不足、低收入）。城市化通过改变自然景观加剧风险。低收入人群倾向于占据环境脆弱空间，增加滑坡和洪水易感性。脆弱性是多维的，包括物理暴露、社会经济劣势和制度缺陷。NbS实施面临技术、成本、土地权属等挑战，需与风险导向的土地利用规划和预警系统结合。
**4.2 研究趋势与空白**
分层分析表明，高坡度城市区域的研究在国际文献中仍处于初期。WoS数据库无结果，其他平台数量有限，凸显了研究空白。敏感性分析证实了搜索策略的稳健性。全球北方与南方之间存在对比，巴西研究关注社会维度，但总体学者产出不足，与复杂挑战不匹配。
**4.3 山坡地区的水文建模与基于自然的解决方案**
SWMM和Hydrus-1D在模拟LID实践（如雨水花园、入渗盆地）方面有效，可量化不同土壤和降雨条件下的NbS性能。坡度是滑坡易感性建模的关键因素。地形参数纳入模型可实现径流减少。在巴西等拉丁美洲国家，需将水文建模与参与式城市规划结合。耦合建模框架（地表-地下-水动力）是优先研究方向。混合模型和深度学习模型（如深度神经网络DNN）具有潜力。山坡地区的水文建模需要更高的空间分辨率和场地特定校准。绿色基础设施的纳入需调整设计和建模方法，考虑降雨空间变异和土壤异质性。NbS的性能受透水表面与自然排水通道之间的连通性制约。在热带背景下，NbS可作为综合雨水管理策略，与土地利用规划和住区升级结合。公众接受度低于传统工程方案，需长期监测和经济评估。
**4.4 多尺度整合与NbS的协同效益**
多尺度视角对于理解NbS与城市和生态系统的互动至关重要。微尺度NbS（如雨水花园）与植被廊道结合可改善土壤稳定、微气候调节和生物多样性。在密集占据的山坡地区，NbS可促进社会包容，创造公共空间，减少脆弱社区暴露于水文和岩土风险。通过整合绿色基础设施与公共空间，NbS产生集体效益并加强社会-环境正义。社会经济估值（成本效益分析）是未来研究的关键空白。
**4.5 推进研究与实践应用的要素**
推进NbS应用需要跨学科研究，整合工程师、地理学家、城市规划者和政策制定者。需标准化热带背景下的监测和校准方法，将社会经济变量纳入效率评估。NbS应从实验尺度转向实施导向，由环境、经济和社会绩效指标支持。需制定技术指南和公共政策，考虑山坡地形和社会特征。在拉丁美洲，NbS需要公共政策整合科学、治理和社区参与。数值模型与观测数据的整合对于现场校准和验证至关重要。
**4.6 NbS的时变性能评估及维护与监测意义**
NbS性能随时间变化，尤其在暴露于气候变化和集约土地利用的环境中。长期性能取决于持续监测和定期维护。山坡环境中，沉积物积累、大孔隙堵塞直接影响入渗性能。水文模型应纳入长期时间序列和土壤退化变量，以预测未来性能。整合水文模拟与现场监测可估算NbS功能寿命，支持自适应维护策略。长期可持续性依赖于动态水文建模和专门针对山坡环境的监测与维护框架。尽管方法学稳健，但存在局限性，包括数据库限制、语言过滤、时间范围（2020–2025）和定性综合限制。这些限制通过PRISMA协议和多数据库搜索策略部分缓解。
**5. 结论与未来方向**
本研究提供了三个主要原创贡献：首次整合文献计量学和系统评估，聚焦于NbS、水文建模和城市山坡环境的交叉点，显示该领域出版物不足2%；证明地形变量（坡度、山坡位置、水文连通性）系统性地制约NbS性能，而当前孤立模型方法未能充分表示；确立全球南方山坡环境——最易受滑坡和水文灾害影响——在高影响力科学文献中代表性最差。确认大多数水文模型仍孤立应用，SWMM占主导但缺乏表征浅层滑坡动态的能力。未来研究方向围绕四个优先轴：（i）模型整合：优先发展完全耦合的地表-地下模型，同时表示入渗、土壤饱和、侧向地下流和坡面不稳定；（ii）全球南方焦点：系统地解决拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和南亚/东南亚的山坡特定NbS研究空白，纳入现场监测和社区监测；（iii）长期性能评估：制定标准化长期监测协议，在变化土地利用和气候条件下动态校准水文模型；（iv）社会经济整合：开发针对山坡环境的成本效益分析框架，考虑避免的灾害损失、协同效益（水质、城市降温、生物多样性）和社会公平结果。
