三维林冠结构对城市内涝的影响：阈值、相互作用和局部效应

《Sustainable Cities and Society》：Impacts of three-dimensional canopy structure on urban waterlogging: Thresholds, interactions, and local effects

　　

摘要

城市内涝对城市可持续发展构成重大挑战。虽然绿地已被证明在缓解内涝方面十分有效，但以往研究主要关注其二维特征的影响，忽视了三维冠层结构的变化。此外，这些研究在很大程度上忽略了非线性阈值效应以及各影响因素之间的复杂相互作用。为克服这些局限，本研究构建了一套综合性的三维冠层结构指标体系，并建立了空间显式非线性可解释性（SENI）框架。通过整合XGBoost、SHAP和PDPs，该框架系统探索了冠层结构影响城市内涝的复杂机制。以深圳为案例的研究表明，冠层边缘密度、冠层垂直覆盖率和加权平均冠层高度是关键影响因素，它们对城市内涝表现出显著的阈值效应。此外，这些因素之间存在相互作用。特别是，通过优化其他交互变量，单一变量的缓解效应可以得到增强。最后，冠层结构的影响表现出空间异质性，表明不同区域的内涝关键决定因素各不相同。因此，本研究识别了各个具体区域内缓减内涝的前三大主导因素。基于对阈值效应、交互作用和本地效应的分析，本研究提出了因地制宜且量化的内涝缓减建议。这些发现提高了不同城市区域防灾减灾策略的精准度，从而支持海绵城市和韧性城市环境的发展。

引言

快速城市化使城市内涝成为可持续发展面临的严峻挑战（Tian等，2023）。这一现象不仅严重破坏关键基础设施，还对公共安全和社会经济资产构成巨大威胁（Ke等，2024）。城市内涝是气象条件、地表特征和地形的综合影响所致。从气象角度看，降雨的强度、持续时间和频率直接决定雨水输入的总量和速率，近年来极端降雨事件频率的增加进一步提升了内涝风险（Zhou等，2026）。就地表条件而言，不透水表面的持续扩张阻碍了雨水下渗，增加了地表径流的量和流速。这种扩张被普遍认为是城市内涝的主要驱动因素（Yu等，2019）。此外，低洼和平坦地形容易导致地表径流积聚（Liu等，2023）。随着极端天气事件日益超出排水管网的设计阈值，单纯扩大管道容量的做法已被证明不足以有效缓解洪水。绿地作为气候调节的有效基于自然的解决方案，同时提升了城市美观度和公共健康水平。因此，绿地的优势甚至可能超越传统工程干预措施（Zhang等，2025c）。一个显著的例子是纽约市历时十年的"百万树木"计划，旨在遏制城市热暴露和内涝风险（Jones & Goodkind, 2019）。这些努力凸显了绿地作为缓解城市内涝的关键且可持续范式的日益增长的重要性（Liu等，2025）。

森林是全球生态系统不可或缺的组成部分，覆盖约30%的地球陆地表面，对气候调节具有重大影响（Forzieri等，2022）。从1990年到2010年，中国主要城市的绿地覆盖率以年均1.51%的平均速率稳步增长（Yang等，2014）。值得注意的是，这种扩张主要由树木覆盖率的显著增加所驱动（Leng等，2023）。因此，对城市树木结构，特别是冠层结构的深入调查研究变得势在必行（Zhou等，2025）。

在快速城市化的背景下，这一需求尤为迫切。大量研究已探讨了绿地在缓减内涝中的作用（Le等，2024）。例如，Huang等（2024）指出，在3公里尺度上，绿地率对内涝起着决定性影响。Staccione等（2024）预测，米兰绿地覆盖率增加25%可使内涝造成的建筑损害减少50%。此外，Yin等（2025）强调，优化绿色基础设施的空间布局对于提升城市抗内涝韧性至关重要。Lin等（2022）使用MaxEnt和FLUS模型识别了未来的内涝易发区域，发现绿地率是决定性因素。类似地，Liu等（2023）发现绿色景观格局是内涝的主导因素。总体而言，通过促进径流下渗和滞留来缓减内涝风险，扩大绿地是一种直接途径（Yang等，2023）。然而，在土地受限的城市环境中，大规模扩展绿地的可行性仍然受限。

除了绿地总量之外，其空间配置也显著影响内涝缓解的有效性。例如，Zhang等（2025b）发现，绿地斑块的大小、形状和空间排列的变化对内涝有着不同的影响。因此，近期研究日益聚焦于优化景观格局，以最大化绿地在减少内涝方面的潜力。例如，Wang等（2023a）发现，大面积且紧凑的绿地在缓解内涝方面更为有效。Su等（2018）指出，绿地破碎化会加剧内涝风险，而高连通性有助于缓解内涝。在此基础上，Zhang等（2020）证明，战略性地发展绿色走廊可进一步改善城市内涝情况。

以往关于绿地空间格局的研究主要集中于二维（2D）分析（Li等，2023），对其三维（3D）结构的关注有限。值得注意的是，冠层的垂直分布常被忽视（Lachapelle等，2023）。与此同时，城市规划实践传统上优先考虑绿地的水平扩展，往往忽视了冠层结构的优化。相比之下，3D指标能够比2D指标更精确地评估冠层在调节径流方面的作用。例如，Yu等（2020）证明，反映3D冠层结构的冠层截留指数在预测降雨截留方面比叶面积指数等传统2D指标更为准确（R2 = 0.79）。同样，Russell等（2021）发现，3D指标在估算冠层截留方面优于叶面积指数等2D指标。因此，在绿地规划中优先优化3D冠层结构可能是缓解城市内涝的更有效途径。

从水量平衡的角度来看，降水到达地表后，会经历冠层截留、下渗、蒸散发和径流生成等机制的重新分配。这种重新分配随后决定了区域雨洪响应（Rahman等，2023）。3D冠层结构通过影响这一过程在内涝调节中发挥着关键作用。例如，Kermavnar和Vilhar（2017）证明，在城市森林环境中，从上层冠层滴落的雨水被下层植被进一步截留，从而形成多层截留系统。Baptista等（2018）观察到，树木冠层通过截留降雨和削减径流，对地表水文过程产生直接影响。通过情景模拟，Alivio等（2025）进一步证实，树木冠层可有效减少地表径流的总量和峰值。Zhang等（2022）发现，植被的降雨截留能力受冠层特征的影响，表明冠层的调节效率与其结构属性密切相关。然而，现有研究大多将冠层视为同质实体，未深入探讨具体的结构指标。因此，每个指标对内涝的影响方向和幅度，以及其阈值效应和交互作用，尚有待系统阐明。

以往研究主要关注内涝与各影响因素之间的相关性或评估它们的相对重要性，往往忽视了潜在的阈值效应。例如，Li等（2024）观察到内涝热点数量与绿地和水域面积之间存在负相关。类似地，Lin等（2023）将城市绿地的核心、边缘和枝状类型识别为影响内涝的最关键因素。然而，仅基于相关性或重要性的分析无法回答一个更具实践意义的问题：每个因素需要达到什么具体水平才能有效发挥其调节功能。因此，越来越多近期的研究转向探讨这些影响因素的阈值效应。例如，Wang等（2023b）证明，将平均建筑体量维持在1.25至2.5 km3之间，且标准差低于2.814 km3，可显著有助于防治内涝。同样，Yang和Lee（2021）指出，当绿地面积比例超过10%时，其缓减地表径流的功效得到显著提升。此外，Zhang等（2021）报告，当流域内绿地面积比例达到24.4%时，内涝密度趋于饱和，比例继续增加也不会再进一步减少。识别此类阈值对于制定精准的绿地规划策略至关重要。

然而，仅孤立地识别单一因素的阈值仍然不够，因为内涝通常是多个因素共同作用的结果，这些因素之间的交互作用可能放大或抵消彼此的影响。例如，Zhou等（2022）发现，建筑拥挤度与建筑体量标准差之间的协同效应可有效减少径流峰值。此外，利用地理探测器，Gao等（2024）揭示，这些因素两两交互的影响经常超过它们单独效应之和。这些发现共同强调，在分析内涝时需要考虑影响因素之间的交互作用。然而，3D冠层结构指标之间的交互作用如何影响内涝的具体机制尚未得到充分阐明。

除交互作用外，单一因素对内涝的影响表现出显著的空间异质性，这在整体统计分析中常被忽视。值得注意的是，Ke等（2025）通过绘制Shapley值的空间分布图解决了这一问题，他们发现内涝的主要驱动因素在不同地点差异很大。这些本地化解读对于将广泛的城市指导方针转化为可操作的、因地制宜的解决方案至关重要。事实上，绿地规划中过度依赖全局经验往往导致基础设施布局次优，且无法满足当地社区的社会生态需求（Li等，2020）。因此，绿色基础设施规划必须充分考虑空间变异性，以制定因地制宜的策略。

综上所述，尽管已有大量文献探讨绿地与内涝的关系，但仍存在三个关键局限。第一，以往研究主要关注绿地的二维特征，很大程度上忽视了三维冠层结构对内涝的潜在影响。在高度城市化的区域，优化土地利用的三维格局已成为城市规划的主流趋势（Huang等，2025）。第二，对阈值效应和变量间交互作用的忽视阻碍了我们为规划者提供可操作的洞察。由于内涝是由多个相互作用的因素引起的，仅依赖相关性或重要性排序无法为精准的调控干预提供充分指导。最后，以往研究对本地属性的遗漏掩盖了内涝固有的空间异质性。整体统计模型不足以捕捉有效管理所需的本地化过程与机制。

为解决这些局限，本研究建立了空间显式非线性可解释性（SENI）框架。该框架整合了XGBoost、SHAP和部分依赖图（PDPs），旨在探索三维冠层结构如何影响内涝。通过分析阈值效应和变量间交互作用，并绘制内涝因素的空间异质性，本研究为城市水文过程提供了更细致的理解。由此产生的主导因素分布图提供了一个量化工具，用于制定可操作的、因地制宜的城市规划干预措施。

节选段落

研究区域

深圳被选为研究区域（图1）。作为中国第一个完全城市化的大都市，深圳的城镇化率和人口增长率均位居全国前列。然而，这种快速城镇化也带来了重大挑战，特别是在内涝控制和排水能力方面。

深圳被评为中国面临内涝问题最严峻的前五大城市之一（Hu & Wu, 2024），深受频繁...带来的风险叠加困扰。

**深圳内涝的空间集聚**
深圳内涝风险的空间异质性极为显著，呈现出中西部地区风险较高、东部地区风险较低的明显模式（图 3）。高风险区域主要集中在三个地带：光明 - 宝安 - 南山带、龙岗与龙华交界处，以及福田区、罗湖区和龙岗区的交汇地带。而东部地区，包括坪山、盐田和大鹏新区，通常...

**三维冠层结构对内涝的非线性阈值效应**
作为生态修复的关键基于自然的解决方案（Sahay, 2025），城市森林在增强生态系统应对气候极端事件的韧性及提升城市宜居性方面发挥着关键作用。本研究提出了一种量化三维冠层结构的新框架，并对该结构如何影响内涝进行了全面的机制分析。具体而言，这些效应通过降水截留、蒸发和入渗等过程实现。例如...

**结论**
本研究建立了一套综合的三维冠层结构指标体系。通过整合 XGBoost、PDPs（偏依赖图）和 SHAP（Shapley 加法解释）方法，我们提出了空间显式非线性可解释性（SENI）框架，以系统研究三维冠层结构对内涝的非线性阈值效应和交互机制。此外，该框架揭示了显著的空间异质性，成功识别了特定的首要、次要和第三决定因素...

**作者贡献声明 (CRediT)**
黄雨琴：原创草稿撰写、方法论、形式分析。
刘赋一飞：可视化、验证。
陈一青：可视化、验证。
林金耀：审阅与编辑、资源、概念化。
李少英：审阅与编辑、监督、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

黄雨琴 | 刘赋一飞 | 陈一青 | 林金耀 | 李少英
广州大学地理科学与遥感学院，中国广州 510006