标题：从径流管理到韧性提升：探索基于自然的多功能解决方案，以实现可持续的城市雨水管理

《Urban Forestry & Urban Greening》：Title: From Runoff to Resilience: Exploring Multifunctional Nature-Based Solutions for Sustainable Urban Stormwater Management

　　斯韦特兰娜·赫罗莫娃（Svetlana Khromova）| 斯薇娅·布塞（Svea Busse）| 朱莉娅·贝纳蒂（Giulia Benati）| 巴勃罗·埃雷罗斯·坎蒂斯（Pablo Herreros Cantis）| 里卡德·塞古拉-巴雷罗（Ricard Segura-Barrero）| 塞吉·文图拉（Sergi Ventura）| J. 埃克尔曼·马修（J. Eckelman Matthew）| 加拉·维拉尔巴·门德斯（Gara Villalba Méndez）| 约翰内斯·兰格迈耶（Johannes Langemeyer）

巴塞罗那自治大学环境科学与技术研究所社会-生态-数字系统实验室（Social-Ecological-Digital Systems Lab）

摘要：
气候变化和快速城市化加剧了城市中与雨水相关的问题，特别是在紧凑的城市环境中。传统的灰色基础设施往往无法以灵活和适应性的方式应对这些风险。基于自然的解决方案（Nature-Based Solutions, NbS）为传统灰色基础设施提供了多功能和有韧性的补充。本研究提出了一种基于社会-生态-技术系统（Social-Ecological-Technological Systems, SETS）的方法论，用于评估城市层面的风险、可行性以及NbS的多功能性能。利用基于GIS的框架，我们跨社会、生态和技术领域评估NbS的可行性，模拟不同情景下的雨水滞留情况，并量化包括热缓解、水资源储存、水质改善、栖息地提供和休闲活动在内的多重效益。应用于巴塞罗那的案例表明，在情景1（S1）中实施NbS（包括绿色屋顶、雨水花园、城市公园和透水铺装），并与城市的绿化战略相一致，可以减少高达4.6%的城市规模洪水量；在情景2（S2）中，通过最大化NbS的可行性，可以将水资源储存容量提高43%，改善栖息地质量36%，并将缺乏城市自然环境的人口比例减少近50%，相比于当前的土地利用和土地覆盖情况（S0）。尽管对于高强度暴雨事件的径流减少量较为有限，但我们的发现突显了NbS通过提供多重效益和降低脆弱城市社区风险所带来的显著附加价值。尽管本研究中使用的数值模型的假设和简化可能会影响结果，但我们的发现强调了将NbS不仅作为雨水管理的技术解决方案，而且作为增强城市韧性、公平性和气候适应性的战略工具的重要性，同时释放其重新配置城市系统以面向更可持续和包容性未来的潜力。

1. 引言
大多数全球人口居住在城市地区，这些地区正面临由气候变化（Climate Change, CC）和快速城市化（Rapid Urbanization）带来的日益严重的挑战（联合国经济和社会事务部，2022年）。与气候相关的灾害威胁着市民的健康和福祉，并破坏城市基础设施（政府间气候变化专门委员会等，2022年）。长期以来，城市依赖灰色基础设施来解决环境挑战。这类基础设施通常设计为执行单一功能，例如在暴雨期间储存雨水，然后再将其输送到污水处理厂（Kremer等人，2016年；Dhakal和Chevalier，2017年；Raymond等人，2017年）。这些系统传统上是根据已知或预测的条件建造的（Gordon和Roudavski，2021年）。然而，在气候变化的不确定性背景下，这样的方法并不总是能提供可靠的解决方案（Dong等人，2017年）。预计气候变化将改变降水和温度模式，从而扰乱水文循环（Kourtis和Tsihrintzis，2021年）。在许多较老的欧洲和北美城市中，城市排水基础设施是在静态气候假设下建造的，这限制了其适应日益增加的降雨强度和气候不确定性的能力（Zhou等人，2012年）。对多个地区降雨强度增加的预测进一步凸显了在非静态气候背景下传统设计实践的局限性（Bayazit，2015年；Kourtis和Tsihrintzis，2021年）。作为回应，气候变化适应规划越来越多地转向强调在不断变化的气候条件下灵活性、韧性和多功能性的方法。

基于自然的解决方案（Nature-Based Solutions, NbS）作为一种多功能的方法出现，旨在应对紧迫的社会环境挑战，补充现有的灰色城市基础设施（McPhearson等人，2015年）。根据联合国的定义，NbS是指“保护、保护、恢复、可持续利用和管理自然或改造的陆地、淡水、沿海和海洋生态系统，有效和适应性地应对社会、经济和环境挑战，同时提供人类福祉、生态系统服务、韧性和生物多样性效益”（联合国，2022年）。与绿色基础设施的概念相比，NbS因其多功能性而受到赞誉，因为它们涵盖了更广泛的多重效益（Venkataramanan等人，2019年；Meerow，2019年）。推进 NbS的一个关键障碍是缺乏可靠的实证数据来量化其在各种环境下的多重效益（Hanson等人，2020年）。尽管NbS的理论优势得到了广泛认可，但缺乏统一的方法来评估和比较诸如心理健康增强、城市热调节或生物多样性增加等成果。标准化评估技术的缺失限制了人们对NbS干预措施多方面价值的全面理解和传达（政府间气候变化专门委员会，2022年；Dunlop等人，2024年）。此外，评估NbS在城市层面的空间分布及其特定地点的协同效应和权衡仍不够充分（Haase等人，2014年；Kremer等人，2016年；Penning等人，2023年）。

分析NbS提供的多样化效益的一种方法是通过生态系统服务（Ecosystem Services, ES）的概念。ES是生态系统对人类福祉的直接贡献，例如雨水渗透、洪水缓冲或休闲机会（Fisher等人，2009年；Cohen-Shacham等人，2019年）。ES的空间分布至关重要，因为它决定了这些效益在城市景观中的可及性和可用性（Fisher等人，2009年；Wolff等人，2015年）。空间变异性往往导致城市地区在ES供应方面存在不足（Langemeyer等人，2020年），这凸显了战略性地规划NbS以解决特定不足问题并增强城市韧性和公平性的重要性（Basnou等人，2020年；Langemeyer和Connolly，2020年）。

先前的研究，如Alves等人（2024年）和Camacho-Caballero等人（2024年）的研究，强调了需要综合框架来进行NbS规划，以解决关键挑战、预见未来结果并评估潜在影响。同时，以韧性为导向的规划因过于简化对社会条件的假设以及未能充分考虑塑造脆弱性的历史和社会政治进程而受到批评（Weichselgartner和Kelman，2014年）。因此，这样的框架有可能无法充分捕捉相互关联的行动、价值观和意义的复杂性。解决这些限制需要打破基础设施规划的部门壁垒，整合各种形式的知识，认识到自然的多重价值，并采用更具包容性的生态系统管理实践。尽管这一需求在理论上得到了广泛认可（Paul等人，2018年；Mu?oz-Erickson等人，2017年），但实际方法对于克服这些限制仍然至关重要（Ramsey等人，2019年）。

为应对这些挑战，跨学科的方法至关重要。社会-生态-技术系统（Social-Ecological-Technological Systems, SETS）框架（McPhearson等人，2016年）为促进这种整合提供了宝贵的基础。通过整合不同学科的见解，SETS促进了对社会、生态和技术因素之间复杂互动的更全面理解，从而增强了NbS在应对环境和社区需求方面的规划和应用（Keeler等人，2019年；McPhearson等人，2022年）。SETS将这些领域概念化为统一城市系统的相互连接的组成部分，而不是独立的子系统（Chester等人，2023年）。理解这些领域内部和之间的相互作用对于促进可持续的城市转型至关重要，因为它加强了协同效应并最小化了权衡（Pickett等人，2021年）。SETS框架的多功能性体现在其多样化的应用中，从韧性评估到指导城市规划策略。例如，Chang等人（2021年）提倡使用SETS来规划洪水管理转变，超越仅依赖技术解决方案的方法。在密集且紧凑的城市中，这种考虑尤为紧迫，因为对文化和生态系统服务的需求往往超过供应（Larondelle & Lauf，2016年）。这种不平衡突显了需要制定平衡城市密度与绿色空间的策略，并谨慎处理生态系统服务之间的权衡。尽管对可持续城市发展的关注日益增加，但仍然缺乏有效整合绿色和紧凑城市概念的具体方法（Artmann等人，2019年）。

为应对这些差距，本研究引入了一个空间明确的跨学科框架，该框架整合了城市风险和可行性，以评估密集城市环境中 NbS的规划。通过共同评估气候适应性和城市发展目标，并系统地捕捉NbS对社区和生态系统的多重效益，该框架提供了一种基于证据的工具来优先考虑干预措施并指导决策。应用于巴塞罗那等紧凑城市环境，它代表了迈向全市范围NbS扩展的战略规划的第一步，分析了如何规划这些干预措施以减少与雨水相关的风险，同时提升城市韧性、公平性和可持续性。

2. 方法论框架
该方法论框架（图1）基于GIS方法开发，并借鉴了Langemeyer等人（2016年）和Langemeyer等人（2020年）的工作，实施了一个四步分析过程（图1）。第一步遵循SETS脆弱性方法（McPhearson等人，2016年；Chang等人，2021年）来评估城市风险。这一步包括识别城市中最容易受到气候变化危害的地区以及NbS有可能缓解气候变化相关风险的地区（Khromova等人，2025年）。第二步基于可行性评估进行情景开发，根据开发的SETS指标系统评估未来NbS整合的潜力，并将地区分类为完全可行到不可行。第三步通过分析径流减少情况来评估NbS的性能，并评估这种整合如何减少第一步中 identified 的风险。最后，第四步通过应用多种模型来分析NbS可以提供的额外效益，包括热缓解、休闲活动、水资源储存和水质净化参数的变化。这项研究通过同时处理局部风险和空间可行性，推进了城市地区多功能NbS的规划。该方法通过巴塞罗那的案例研究进行了演示，并可以通过根据当地规划指南、数据可用性和政策优先事项调整框架来适应其他城市环境。

2.1. 巴塞罗那水文系统的案例研究
巴塞罗那（图2）是西班牙加泰罗尼亚的首府，面积约为101平方公里，居住着约160万人（2023年），以高紧凑度和人口密度（16,339人/平方公里）为特征（IDESCAT，2023年）。该地区每年接收约600毫米的降雨量，伴随典型的地中海气候下的强降雨，导致洪水和合流制污水溢出（CSO）事件（BCASA，2020年）。该地区经历频率超过100年的严重洪水事件，以及每年频繁发生的较小规模洪水事件，主要由于夏末和秋季的对流性和局部降水（Llasat等人，2022年；Cortès等人，2018年）。根据加泰罗尼亚气象局的数据，预计到本世纪中叶，巴塞罗那50毫米降雨事件的频率将增加15%（BCASA，2020年）。欧洲项目RESCCUE框架内进行的一项研究估计，到本世纪中叶，百年一遇的降雨量将增加20%，到本世纪末将增加40%（Russo等人，2020年）。这只是气候变化带来的挑战之一，应对气候危机的努力的必要性变得越来越明显（SUDS委员会，2020年）。

为应对气候变化带来的这些挑战，《巴塞罗那自然计划2030》设定了到2030年为每位居民提供1平方米绿地的目标，相当于在现有的3,659公顷绿地上新增160公顷绿地。除了扩大绿地面积外，该市还设定了增加绿色屋顶覆盖的目标。市Urban Ecology Agency计划到2030年将绿色屋顶面积扩展至22,000平方米，作为在整个城市范围内推广NbS的更广泛战略的一部分（BCNecologia，2014年）。本研究提出的空间框架可以通过指导决策和帮助优先考虑NbS在城市中的实施来为此类努力做出贡献。此外，它还评估了在像巴塞罗那这样的紧凑城市环境中进一步扩大NbS的可能性，以及这种整合如何影响与雨水相关的危害，同时提供额外的效益。

2.2. 城市风险识别
为了识别NbS整合的城市风险并评估普查单元级别的城市社区面临与雨水相关危害的风险，应用了Khromova等人（2025年）开发的方法论。这种方法遵循了IPCC等人在2012年提出的风险框架，该框架将风险定义为危害、暴露和脆弱性的函数，其中脆弱性被概念化为社会、生态和技术（SETS）领域之间的相互作用。危害是指对基础设施造成广泛破坏、干扰基本服务、危及公共安全以及给社区带来经济损失的可能性。危害通过InVEST? Urban Flood Risk Mitigation模块版本3.14.2（Natural Capital Project，2023年）进行建模，用于表示径流的产生和储存。暴露则由受影响区域内的人口存在情况定义，个人可能面临被冲走、财产损失、受到碎片或车辆伤害或交通中断等风险，这些风险通过人口密度来衡量。社会脆弱性基于年龄、收入水平和语言障碍等易感因素进行评估，公平性考虑是理解这些因素如何相互作用从而产生不均衡的影响以及形成不平等适应机会的核心。生态脆弱性考虑了影响水分保持和径流缓解的生态系统特征，而技术脆弱性则考虑了不透水表面积、污水管道容量不足和地形坡度等景观特征，这些因素会影响雨水管理解决方案的有效性。

3. 基于可行性的非传统解决方案（NbS）分配
根据文献回顾选择了四种NbS来评估其最佳位置，这些解决方案对雨水管理具有相关性，分别是绿色屋顶、雨水花园、多孔路面和城市公园。

3.1. 各种NbS的定义
1. 绿色屋顶
绿色屋顶是在建筑物屋顶上安装的植被层，可以捕捉和储存降雨，减缓径流速度同时促进蒸散发（Berghage等人，2009年；Bonilla Iglesias，2014年；Raji等人，2015年；Sims等人，2016年；Bosch等人，2023年）。
2. 雨水花园
雨水花园是设计的浅坑，用于捕捉、过滤和渗透来自屋顶、街道和人行道等不透水表面的雨水径流（Feldman等人，2019年；Majidi等人，2019年）。
3. 多孔路面
多孔路面是一种可渗透的表面，允许雨水渗入地下而不是流入排水系统。它代替了传统的沥青或混凝土等不透水表面（Majidi等人，2019年）。
4. 城市公园
城市公园是城市中的多功能绿地，提供生态和社会效益。它们还可以通过整合其他NbS类型（如雨水花园、生物沟和透水路径）来促进雨水管理。此外，公园通过可淹没的设计可以储存、捕捉和引导径流，在增强和补充现有基础设施方面发挥更大的作用（Martín Mu?oz等人，2024年；Matos Silva和Costa，2016年）。

3.1.1. 可行性评估
可行性评估涉及从多学科角度分析城市的景观，包括社会、生态和技术方面。社会指标包括制度能力、现有的监管框架以及对环保政党的支持。生态指标包括渗透能力和地形等因素。技术指标侧重于建成区的特征。指标的选择总结在表1中。关于指标分类和选择的详细信息可以在附录A中找到。
表1. 不同NbS的适用性（? - 适用，x - 不适用）。

指标 描述
绿色屋顶 在建筑物屋顶上安装的植被层，能够捕捉和储存降雨，减缓径流速度并促进蒸散发
雨水花园 用于捕捉、过滤和渗透来自不透水表面的雨水径流的浅坑
多孔路面 可渗透的表面，允许雨水渗入地下而不是流入排水系统
城市公园 城市中的多功能绿地，提供生态和社会效益

3.1.2. 根据土地利用类型分配可行性
可行性评估根据土地利用类型进行分配（Johns，2019年；Everett等人，2018年）：
- 现有分区政策 整个城市的规划分区；计划之外的区域得分较低（Zuniga-Teran等人，2020年） ?
- 当前土地利用 根据土地利用类型分配可行性 ? ? ?
- 对环保政党的支持 2023年巴塞罗那选举的投票数据；绿色政党支持超过38%的社区得分较高 ? ? ?
- 行政适宜性 地籍/屋顶所有权；私人/工业/建设中的区域得分较低 ? xx ?
- 生态因素 地形坡度 <6°的区域可行（Comissió de SUDS，2020年） ? ? ?
- 土壤渗透性 土壤排水性能良好的土壤得分较高 ? xx ?
- 污染水体 与主要道路距离大于60米的区域可行 ? xx ?
- 技术因素 建筑物距离 >3米的缓冲区可行 ? xxx ?
- 地下结构 存在地下基础设施的区域被认为是不可行的 ? xx ?
- 屋顶坡度 测量坡度<15°的区域可行，15–45°的区域为中等可行 ? xxx ?
- 屋顶稳定性 建造年份/承重能力；1965年后建造的建筑可行 ? xxx ?

3.1.3. 场景开发
基于可行性评估，开发了两种情景，分别与当前土地利用情景（S0）一起考虑。在情景1（S1）中，整合了城市规划的目标，即到2030年每个居民提供1平方米的绿地，相当于新增160公顷的绿地（巴塞罗那自然计划2030）。在ArcGIS版本3.32环境中通过自定义Python脚本实现NbS的分配，该脚本计算多边形区域，按适宜性评分排序，并迭代选择空间单元，直到达到累计目标面积。这一过程确保了最可行的位置得到优先考虑，同时保持透明度和可重复性。用于此分配的Python代码在Dataverse项目中被公开（Khromova等人，2025年）。
在情景2（S2）中，四种选定的NbS被应用于之前的分析显示SETS可行性非常高的区域，优先考虑五个可行性组中的第一个。如果在同一位置实施两种或更多NbS非常可行，则优先考虑具有最高雨水缓解能力的NbS类型（即曲线数最高的类型）（Muche等人，2019年）。

3.2. NbS绩效评估
3.2.1. 径流建模
我们使用InVEST? Urban Flood Risk Mitigation模块版本3.14.2（Natural Capital Project，2023年）来估计流域内产生的和储存的径流量。该模型应用了广泛使用的SCS-CN方法（Muche等人，2019年）进行不同空间尺度的洪水估算。通过汇总像素级别的贡献来计算集水区出口处的雨水储存量。所需输入包括降雨量（毫米；表2，附录B）、土地利用/土地覆盖（LULC）类别的栅格、每个LULC类别的曲线数（CN）值以及土壤水文组的栅格。曲线数随后被分配给每个LULC类型，详见表3（附录B）。有关输入参数、来源和参考文献的更多信息见表1（附录B）。所有模型输入数据在Dataverse中公开（Khromova等人，2025年）。

表2. 雨水储存和洪水量的绩效评估结果（针对回归期（T）为1年、10年、50年、100年和500年的暴雨计算）。

3.2.2. 对风险的影响
NbS提供了许多社会和社区效益，因此在弱势或脆弱社区中特别值得优先考虑。在本研究中，使用ArcGIS版本3.32在第一步开发的基线情景（S0）中，比较了情景S1和S2的普查区尺度上的雨水相关危害的风险评分。结果通过地图可视化，显示了普查区组的风险评分百分比变化，计算使用的是ArcGIS版本3.32属性表中的字段计算器工具。

3.3. NbS提供的协同效益
相关协同效益的列表是根据巴塞罗那的气候预测和各种气候变化影响的预测选定的（Fundación de Investigación del Clima），以及城市发展和气候适应计划中的目标，如Pla Natura（巴塞罗那市政府，2021年）。

3.3.1. 减热
减热效果通过2015年7月4日至6日期间13:00至16:00的白天气温（°C）来评估。温度数据来自使用Weather Research and Forecasting模型（WRF-Comfort v4.3.3；Skamarock等人，2019年；Martilli等人，2024年）进行的四次气象模拟。模拟涵盖了2015年6月20日00 UTC至7月25日00 UTC的极端高温和干旱条件，前五天用于模型启动（Segura等人，2021年）。模型配置了四个双向嵌套域，最内层域的分辨率为333米，覆盖了巴塞罗那大都会区。物理配置遵循Segura等人（2021年）的方法。输入包括土地利用图、建筑和街道形态以及灌溉图。Corine Land Cover数据（Büttner等人，2017年）根据Pineda等人（2004年）的方法重新映射为16个MODIS IGBP类别。使用Sedum作为绿色屋顶的土地利用类别，灌溉率为每天1.1毫米（Dutoit和Hermy，2015年）。结果在ArcGIS v3.32中以地图形式显示，并通过区域统计数据汇总到普查区。详细输入参数见表3（附录B），所有输入数据在Dataverse中可用（Khromova等人，2025年）。

巴塞罗那预计热浪的频率和强度会增加（Ríos-Cornejo和del Río，2012年），并且该市已将热脆弱性确定为优先问题（AMB，2018年）。本研究中提出的NbS，除了多孔路面外，都包含植被成分，植被在热浪期间通过吸收太阳能、促进蒸发和提供遮荫来调节温度（Shao和Kim，2022年）。

3.3.2. 水储存
使用InVEST v3.14.2（Natural Capital Project，2023年）的Urban Stormwater Retention模块评估水储存。该模型估计了每种土地利用和土地覆盖（LULC）类型的径流系数和渗透率，代表潜在的地下水补给。所需输入包括LULC栅格、土壤水文组栅格、降水栅格以及定义每个LULC类别的径流和渗透系数的生物物理表。详细输入信息见表4（附录B），所有数据在Dataverse中可用（Khromova等人，2025年）。

表4. NbS提供的不同协同效益的建模输出。

协同效益类型 评估指标 S0 S1 S2 S1相对于S0的百分比变化 S2相对于S0的百分比变化
热缓解 热浪事件的平均温度（°C） 34.4 34.3 3.9 -0.3
总渗透量（立方米/年） 299 350 312 393 242 87 55 64.2 43.0
栖息地提供 生态系统质量的平均值 0.0 29 0.0 30 0.0 42 3.6
水质净化 地表负荷（千克/年） 113 94 71 11 69 8.7 105 99 4 -1.9 -7.3
地表出口 表面负荷（千克/年） 31 49 72 68 94 15 4 -2.5 -10.6
P表面负荷 表面负荷（千克/年） 15 69 20 31 4 11 28 9 6 -1.7 -6.9
娱乐 城市自然空间不足 26 26 51 13 14 -4 9.9

巴塞罗那由于水文循环加速，干旱事件显著增加（Russo等人，2020年），导致灌溉限制和相关社会环境影响（Forero-Ortiz等人，2020年）。虽然由于水质限制，地下水并未广泛用于家庭供水，但它是一个可行的灌溉替代方案（巴塞罗那大都会区AMB，2023年）。本研究评估的大多数NbS（绿色屋顶除外）都促进了渗透和含水层补给，使得水储存成为在这种情况下的一个相关协同效益。

3.3.3. 水净化
使用InVEST Nutrient Delivery Ratio（NDR）模型（Natural Capital Project，2023年）评估水净化效果，该模型基于Benez-Secanho和Dwivedi（2019年）的方法，根据与LULC和沿流动路径的景观滞留特征相关的扩散营养源计算长期营养物质平衡，来估计不同土地利用情景下的相对营养物输出和保留量。集水区出口处的营养物输出是像素级别贡献的总和（InVEST 3.14.2用户指南）。所需输入包括数字高程模型、LULC栅格、营养物径流代理栅格、流域边界、生物物理表和Borselli K参数。输入详细信息在表5（附录B）中提供，所有数据均可在Dataverse中获取（Khromova等人，2025年）。雨水污染仍然是巴塞罗那面临的一个主要问题，这限制了径流的再利用以增加水资源供应，因为城市径流通常受到污染（Bj?rklund等人，2018年）。评估养分滞留能力突显了自然解决方案（NbS）在减少城市环境中氮和磷排放方面的潜力。3.3.4. 生境质量 生境质量的评估采用了InVEST Habitat Quality and Rarity模块（自然资本项目，2023年），遵循Terrado等人（2016年）的方法。该模型基于土地覆盖和空间明确的威胁因素估计生境范围和退化程度，并考虑了生境对道路、铁路、工业区和建成区等压力的敏感性。所需输入包括当前和未来的土地覆盖栅格、威胁和敏感性表格以及半饱和常数。详细输入信息在表6（附录B）中提供，所有数据均可在Dataverse中获取（Khromova等人，2025年）。巴塞罗那新建区域提供的生物多样性服务有限（Zhang和Ramírez，2019年），这凸显了扩大多功能绿地和评估NbS生态协同效益的必要性。3.3.5. 休闲娱乐 休闲娱乐效益的评估使用了InVEST Urban Nature Access模块v3.14.2（自然资本项目，2023年），遵循Hamel等人（2021年）的方法。该模型根据土地利用类型（LULC）、人口密度、人均对绿地的需求以及代表城市自然的LULC类别来估计人们对城市自然的接触程度。输入详细信息在表7（附录B）中提供，所有数据均可在Dataverse中获取（Khromova等人，2025年）。巴塞罗那密集的城市结构和有限的绿地导致对可访问休闲区域的需求很高，这些区域对身心健康至关重要（Baró等人，2016年；Triguero-Mas等人，2015年）。4. 结果 4.1. 城市风险识别 对现有城市发展的风险评估（图3）确定市中心以及城市的西部和北部区域为风险得分最高的区域。需要注意的是，这项分析反映了特定地块的径流生成情况，而不是捕捉收集系统和排水系统内部径流分布的更复杂动态。下载：下载高分辨率图片（323KB）下载：下载全尺寸图片 图3. 雨水风险分数的空间分布。4.2. 基于可行性的NbS分配 本研究的这一部分整合了对各种类型NbS的空间明确可行性评估与情景开发。首先，本研究确定了能够减缓径流的NbS，重点关注城市空间中最常用的用于雨水管理的NbS。这些NbS被用来展示所提出的方法。其次，它涉及为每种NbS类型开发了一套指标体系，采用了一种系统效益技术（SETS）视角。利用这些指标，为每种NbS类型生成了可行性地图，共得到四张可行性地图（图4）。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片 图4. 各种NbS类型的综合可行性地图。绿色屋顶：市中心、西南部和东北部的区域展示了最高的绿色屋顶实施可行性。雨水花园：在本研究中，雨水花园仅考虑与城市发展策略一致的现有或计划中的绿地内设置。可行性得分最高的区域包括西南部、市中心以及城市东北部和东部的多个地点。透水铺装：透水铺装仅适用于现有的道路和停车场。在城市的西南部、西部和东北部地区观察到最高的可行性得分。城市公园：城市公园被排除在现有城市绿地和公园内设置之外。可行性得分最高的区域包括西南部以及东部和东北部的地区。在完成可行性评估后，制定了两个NbS方案，方案1（S1，当前政策目标）的总实施面积为160公顷，方案2（S2，最大化可行性）的总实施面积为2,498公顷（图4）。4.3. NbS绩效评估 雨水管理的绩效评估基于InVEST模型的输出，该模型使用了以下指标。雨水滞留体积定义为在特定风暴事件中被保留、储存或渗透到景观中的降水量，因此不会增加洪水流量。相比之下，洪水体积代表未被保留的雨水部分，从而成为地表径流。雨水滞留体积和洪水体积都在当前土地利用类型（S0）配置下以及两个替代方案（S1和S2）下进行了计算，并针对1年、10年、50年、100年和500年的重现期（T）的设计风暴进行了评估（表2）。除了这些流域规模的指标外，模型还计算了像素级别的径流。这种空间明确的径流输出展示了在100年重现期的设计风暴下，NbS方案S1和S2与当前土地利用类型配置（S0）相比的径流变化情况，见图6。通过计算减少百分比（表3），将方案S1和S2的滞留体积和洪水体积与当前土地利用类型（S0）进行了比较。对于S1和S2，随着重现期的增加，洪水体积的减少百分比逐渐下降，分别为-2.4%至-0.9%和-4.6%至-2.2%。相反，S1和S2的滞留体积相对于S0都有所增加，分别为0.9%至2.1%和1.8%至5.2%。这相当于径流体积减少了15,134立方米至221,043立方米。与基线（S0）相比，方案2（S2）的径流减少更为显著，这突显了NbS干预措施的空间异质性影响（图5）。在巴塞罗那的几个区域，特别是在东北部、南部、东南部、西部和西南部，径流生成减少了约35%，反映了高容量干预措施（如雨水花园、透水铺装和大型城市公园）的集中作用。下载：下载高分辨率图片（369KB）下载：下载全尺寸图片 图5. 方案1和方案2的NbS分布地图。下载：下载高分辨率图片（446KB）下载：下载全尺寸图片 图6. 径流变化的空间明确绩效评估结果。为了考虑关键模型输入的不确定性，通过改变降雨深度（±10%）和曲率数值（±5个单位）进行了确定性不确定性传播分析。尽管绝对洪水和滞留体积在不同重现期有所变化，但各方案的相对性能保持一致，其中S2显示出最大的径流减少量，而S0在所有设计风暴中的径流量最高。这表明与NbS相关的径流减少和滞留体积增加对模型输入的合理不确定性具有鲁棒性（附录D）。4.4. 对风险的影响 在S1和S2方案中，与基线（S0）相比，普查区级别的雨水相关危害的风险分数减少了高达55%，特别是在实施了NbS干预措施（如雨水花园和大型城市公园）的区域（图7）。这一趋势在巴塞罗那的东北部、南部、东南部、西部和西部地区尤为明显。需要注意的是，这种减少反映了NbS对特定地块径流生成的影响，而不是捕捉收集系统和排水系统内部径流分布的更复杂动态。下载：下载高分辨率图片（449KB）下载：下载全尺寸图片 图7. 与S0相比，方案S1和S2在风险空间分布上的变化。下载：下载高分辨率图片（466KB）下载：下载全尺寸图片 图8. 与S0相比，方案S1和S2在白天温度空间分布上的变化。4.5. NbS提供的协同效益 4.5.1. 减温 在S1和S2方案中，通过热浪期间的平均白天温度进行了降温评估，与基线相比温度显著降低。具体来说，2015年热浪期间的平均中午温度（13:00–16:00）降低了0.3%（S1）和1.5%（S2）（表4）。在普查区级别（图7），市中心以及东北部、东南部和沿海地区的温度降低了多达2.5°C。4.5.2. 水资源储存 在S1和S2方案中，水资源储存量（以每年潜在的含水层补给量表示）有所增加。具体来说，总渗透量分别增加了4.25%（S1）和43.09%（S2）（表4）。4.5.3. 生境提供 在S1和S2方案中，通过行政单元级别的生态系统质量进行了生境提供评估，分别增加了3.6%和36.2%（表4）。4.5.4. 水质净化 水质建模结果显示，所有指标下的氮（N）和磷（P）表面负荷和排放量都有所减少。与基线（S0）相比，S1的减少幅度为1.9%至2.5%，S2的减少幅度为6.9%至10.6%（表4）。4.5.5. 休闲娱乐 城市自然接触模型显示，与基线（S0）相比，行政单元级别的绿地服务不足的人口减少了13.7%（S1）和49.9%（S2）（表4）。5. 讨论 以巴塞罗那为例，本研究评估了NbS在可持续雨水管理中的作用，重点关注雨水风险减少和城市绿化扩展。结果表明，与当前土地覆盖情况相比，NbS的实施降低了局部雨水风险，社区级别的径流减少了高达35%，风险降低了47%。然而，在城市尺度上，径流减少幅度较为温和，平均仅为1-5%，表明在更大尺度上的水文效果有限。尽管NbS在城市尺度上实现的径流减少幅度较小，但结果显示了实质性和政策相关的协同效益，特别是在雄心勃勃的S2方案下，该方案假设在所有具有极高系统效益技术（SETS）可行性的区域都实施了NbS。与基线（S0）相比，S2在热浪事件期间将平均气温降低了34.4°C至33.9°C（-1.5%），而年总渗透量增加了3.0至4.3百万立方米（+43.1%），表明城市水资源储存能力得到了显著提升。这一增加与市政水资源管理直接相关，因为巴塞罗那升级的地下水网络旨在每年减少约115,000立方米的饮用水用于浇灌公园和花园，表明NbS支持的渗透可以显著缓解对饮用水供应的压力（巴塞罗那市政府，2021年）。生境质量也显著改善，平均生态系统质量指数提高了36.2%，反映了与市政生物多样性和绿化目标一致的空间升级。在水质方面，S2将氮和磷的表面排放量分别减少了10.6%和10.1%，表明扩散性营养压力的明显减少，并符合欧盟水框架指令的目标，即实现或维持城市和下游水体的良好生态状态。社会协同效益同样显著：受益于城市自然的人口从262,600人减少到131,400人（-49.9%），表明公平获取绿地的机会显著改善。最后，空间可行性分析表明，与当前开发模式相比，NbS兼容的绿地面积可以扩大15倍，表明即使像巴塞罗那这样紧凑、密集建造的城市也保留了大量的未开发潜力，适合实施雄心勃勃的多功能NbS。5.1. NbS的雨水缓解能力 InVEST城市洪水风险缓解模型的结果显示，与S0相比，S1和S2的最大洪水体积减少了4.6%。虽然相对于S2中的干预措施规模而言，这一减少幅度较小，但它反映了巴塞罗那排水系统的限制，该系统经常超负荷运行，并且联合污水溢出（CSO）事件频繁发生（BCASA，2020年）。该系统的运行接近容量，且翻新率极低，平均每年仅为0.5%，这意味着传统的扩张主要将问题转移到下游而非解决它们。本研究中模拟的NbS干预措施保留了0.9%至5.2%的径流，对应的体积为15,134至221,043立方米。当与现有的地下储水设施（容量为470,000立方米）和下水道网络的存储量（2,209,400立方米）结合使用时，NbS可能对减少CSO事件和雨洪具有显著贡献，特别是在强度较低的风暴期间。然而，根据PDISBA框架（BCASA，2020年）的水力建模显示，仅靠SUDS不足以满足洪水和环境标准。这些发现加强了将NbS与传统的排水基础设施升级相结合的必要性，以及需要集成NbS与灰色-绿色-蓝色解决方案和智能技术，以优化系统性能（Ortiz等人，2021年）。5.2.NbS规划工具
本研究的核心贡献在于方法论层面，而非预测能力。该框架将空间可行性、雨水风险和多重协同效益整合在一次基于系统的综合评估（SETS-informed assessment）中，从而支持城市层面的NbS战略规划。现有方法通常分别考察脆弱性、生态系统服务提供或可行性。相比之下，此处开发的框架将需求侧和供应侧的考虑因素连接在一个空间工作流程中，这使得不仅可以识别NbS可能有益的领域，还可以判断在当前社会、生态和技术条件下这些方案更有可能实施的地点。巴塞罗那案例研究表明，NbS方案产生了不同的风险降低和协同效益空间模式，凸显了其绩效的情境依赖性。该框架基于本地规划和技术条件，而非通用指标，并明确纳入了反映当前治理和实施现实的可行性约束。同时，这些可行性条件不应被视为固定不变的，它们受到制度优先级、规划规则和政治选择的影响，这些因素都可能随时间变化。因此，该框架应被视为战略规划的第一阶段筛选和优先级工具，而非替代场地级设计、水力建模或实施顺序的工具。

5.3. NbS作为雨水缓解的混合解决方案
绿色-蓝色基础设施（green-blue infrastructure）提供了针对多种干扰的广泛缓解功能，但仍易受环境压力的影响。NbS可以被视为补充传统灰色基础设施的混合型、半自主且相互强化的保护层。在这种情况下，整合NbS应被视为对现有和计划中的灰色基础设施适应气候变化的（CC adaptation）干预措施的宝贵补充。我们的研究结果强调了将NbS作为灵活多用途方法的重要性，它为人类和生态系统提供了广泛的协同效益。然而，必须认识到其局限性，并确保其在更广泛适应策略中的角色得到明确定义。需要进一步研究以深入理解NbS的混合特性及其融入传统基础设施网络的能力，从而增强适应性和韧性。虽然NbS仍是工程解决方案，但其强大的协同效益提供组件为动态基础设施规划提供了独特机会。例如，关于排水系统的研究表明，分散式或半分散式解决方案的优势在于既保持功能连通性，又优于集中式和点源解决方案（Flynn和Davidson, 2016）。然而，绿色-蓝色基础设施与灰色基础设施之间的潜在协同效应，特别是在混合NbS解决方案中，仍有待探索（Whelche等人, 2018）。尽管绿色-蓝色基础设施与灰色基础设施之间的差异带来了整合挑战，但这些差异也带来了多样性，可以利用这种多样性构建多层次的韧性（Andersson等人, 2022）。

5.4. 单一灾害与多重灾害的优先级
本研究探讨了NbS在解决特定灾害（径流减少）方面的有效性，并作为构建评估其他协同效益场景的参考。尽管结果表明NbS具有多重功能，但仅关注单一灾害无法构成管理复杂城市挑战的综合性策略。“多危机”（polycrisis）概念（Lawrence等人, 2024）强调了全球系统的紧密关联性，这些系统成为传播危机因果关系的渠道。在城市气候变化相关灾害的背景下，野火、干旱与未来洪水发生之间的联系（Alamanos等人, 2023; Brunner, 2023）表明，传统上被视为孤立的风险实际上彼此紧密相关。为了有效缓解灾害，关键是要强调灾害的连锁效应，并突出综合适应策略的重要性。未来的研究应通过多危机视角探索多重灾害之间的相互联系，同时深入理解影响NbS实施和效果的治理和社会维度。

5.5. NbS在系统变革中的作用
在分析了不同NbS在推动增强生态韧性和生物多样性所需系统变革中的作用后，发现各种解决方案之间存在显著差异。虽然多孔铺装（porous pavement）以及许多灰色和“绿灰色”（green-grey）解决方案提供了实用且成本效益高的方法，但其变革潜力仍然有限。这里的变革潜力指的是NbS超越即时功能和渐进改进的能力，积极重塑城市生态系统，促进新的社会-生态关系，并实现再生和自我维持的过程（Palomo等人, 2021）。这些设施在缓解地表径流方面有效，为城市雨水管理提供了直接且切实的好处，与现有以人类为中心的基础设施相契合。多孔铺装旨在保持城市土地利用和可达性的现状，对于希望解决 flooding 和排水问题的市政当局来说是一个有吸引力的选择，而不会对城市空间造成重大干扰。然而，从超越人类的视角（Gordon和Roudavski, 2021）以及生态系统服务提供的角度来看，透水性铺装未能解决环境退化的根本系统原因，也无法促进额外生态功能的扩展。它们可能缓解症状，但无法从根本上改变生态失衡和生物多样性丧失的广泛模式。相比之下，如人工湿地、城市森林、雨水花园、绿色屋顶等NbS不仅管理雨水，还能恢复栖息地连通性，改善土壤和水质，支持传粉者和其他野生动物，并促进社区参与生态管理。通过整合多种生态、社会和水文功能，这些解决方案有助于重新构建城市景观，促进长期的再生过程和韧性，而不仅仅是缓解症状。

5.6. 建模局限
估算的径流减少提供了一个初步指标，表明替代土地利用和土地覆盖（LULC）配置如何影响城市规模的水文响应。与InVEST模型的预期应用一致，这些模型用于战略规划和情景比较，而非详细的水力预测，结果突显了NbS对雨水滞留和总洪水量减少的相对贡献（表2、表3）。因此，这些结果应被视为趋势指示，而非洪水风险缓解的精确估计。模型性能严重依赖于输入数据的质量和分辨率，包括LULC、降水、数字高程模型和土壤属性，这些输入的不确定性会直接体现在模型输出中，尤其是在密集和异质的城市环境中。此外，模型依赖于有限的生物物理参数集，使得结果对参数选择敏感。在本研究中，由于巴塞罗那本地校准参数的有限可用性，生物物理值主要来自文献，这给绝对估计带来了额外的不确定性。多个过程层面的简化进一步限制了对局部结果的信心。模型没有明确表示局部超载、排水能力瓶颈或回水效应，从而降低了街道规模洪水模式的可靠性。多日或复合风暴事件期间的土壤饱和动态也被简化，这在极端降雨条件下增加了不确定性。此外，缺乏明确的城市排水网络可能会影响洪水的空间分布，尽管预计流域规模的径流量在方向上仍具有可靠性。因此，该框架并不旨在取代水力或设计级建模，后者需要详细的下水道网络数据、连续的降雨序列、校准数据集和特定地点的NbS设计。相反，该分析作为筛选工具，用于探索空间模式，在一致假设下比较方案，并识别NbS部署潜力较高的区域。尽管存在这些限制，结果为评估城市规模的替代NbS路径提供了比较基础，并通过指导战略投资和优先级制定来支持早期决策。未来的工作应整合本地校准参数、明确的不确定性分析，并与动态水文模型结合，以支持从战略规划到详细设计的进展。

5.7. 数据限制
数据可用性和质量的限制显著影响了该方法的应用，这反映了先前NbS和城市水资源研究中广泛报告的挑战。结果的准确性取决于基础数据集的不确定性。因此，必须透明地沟通数据限制和不确定性，以及阈值选择的理由（附录A）。全面集成系统综合评估（SETS-assessment）的一个关键制约因素是关于城市排水系统的技术数据有限。缺乏关于下水道网络特性和运行规则的公开信息，阻碍了从基于径流的估计转向基于系统性能的洪水和水质评估。没有此类数据，就无法可靠地模拟水流路径、储存动态、超载条件或合流下水道溢流。这一限制不仅限于巴塞罗那，而是全球性的普遍挑战，因为详细的排水和洪水建模数据通常需要大量的机构合作和资源。开放技术数据集的缺乏限制了方法论的严谨性、透明度和城市水资源治理的责任性。解决这一差距需要扩大开放数据政策和方法论创新，包括使用替代数据或简化复杂性模型、从开放数据衍生的代理排水网络，以及结合城市规模筛选和有针对性子流域级建模的混合方法。最后，通过与利益相关者的合作（通过研讨会或参与式GIS方法），可以提高指标权重和可行性评估的不确定性。研究表明，让实践者、规划者和社区共同开发指标和权重可以增强NbS评估的合法性和情境相关性（Camacho-Caballero等人, 2024）。虽然这超出了本研究的范围，但整合参与式过程是加强框架和使NbS规划与地方优先事项和治理背景对齐的重要步骤。

6. 结论
NbS作为利用生态系统服务（ES）解决社会生态和社会技术挑战的方法，已成为增强城市韧性的变革性途径。然而，在理解NbS的更广泛效益、其空间分布及其在城市层面的整合方面仍存在重大差距。解决这些差距对于在紧凑城市环境中推进气候变化适应至关重要。本研究介绍了一种四步的基于系统综合评估（SETS-framed integrated assessment）方法，为巴塞罗那案例中NbS实施的空间明确和跨学科分析提供了方法论和概念基础。该框架可通过适应本地规划指南、数据可用性和政策优先事项转移到其他城市环境中。结果表明，在高可行性区域，NbS可以显著降低与雨水相关的风险，径流量减少高达35%，风险降低高达47%。但在城市层面，径流量减少仍然有限（约1-6%）。尽管存在这些水文限制，NbS仍提供了重要的政策相关协同效益。在雄心勃勃的实施情景（S2）下，NbS显著增加了城市水资源储存量（+43%），提高了栖息地质量（+36%），减少了营养物质排放（约10%），缓解了热浪期间的热应激，并几乎将未得到城市绿地覆盖的人口减少一半。空间可行性分析进一步表明，兼容NbS的绿地面积可以比当前发展模式扩展十五倍，显示出多功能城市绿化的巨大未开发潜力。这些场景不应被视为可直接实施的计划或替代场地级设计、预算或实施顺序；相反，它们旨在为城市规模筛选和战略优先级制定提供信息。

方法论上，所提出的框架通过将空间可行性、风险和多重效益整合到一个统一的基于系统的综合方法中，推进了NbS规划。虽然它旨在支持城市规模的战略优先级和情景比较，而非确定单个NbS干预的工程选址或精确的铺装改造，但它支持早期决策，并强调了将NbS整合到混合灰色-绿色-蓝色基础设施系统和多灾害适应策略中的重要性。除了特定案例的应用外，这项工作还强调了支持多标准空间规划过程模型的关键需求，增强了对NbS提供的多重效益的理解，并促进了其在城市层面的整合。认识到NbS中的变革性方法——那些超越即时功能、积极重塑城市生态系统并促进再生过程的方法——是实验雄心勃勃的实施情景和测试其潜在系统影响的关键驱动力（Frantzeskaki等人, 2025）。有效的气候变化适应策略必须超越解决单一灾害的范畴，考虑风险的相互关联性，例如一个灾害（如野火或干旱）的发生可能会增加另一个灾害（如未来洪水）的发生概率和严重性（Alamanos等人, 2023; Brunner, 2023）。这种多危机视角强调了灾害的连锁效应，并突出了综合适应策略的重要性。**政策与城市规划建议**

1. **将自然基础设施（NbS）视为多功能规划工具，而不仅仅是单一用途的洪水控制措施**
我们的研究结果显示，虽然单独使用自然基础设施在减少城市径流方面效果有限，但它们能在减缓热浪、储存水资源、提升栖息地质量以及增加绿地可达性等方面带来显著的协同效益。因此，城市政策应优先考虑自然基础设施的综合社会生态价值，而不仅仅是通过洪水流量减少指标来评估其有效性。

2. **将自然基础设施融入灰-绿-蓝（grey-green-blue）基础设施的综合策略中**
鉴于在极端降雨条件下自然基础设施的洪水缓解效果有限，应将其纳入更广泛的基础设施体系中，包括升级的排水系统、储水设施和智能控制系统。这种综合方案可以提高系统的灵活性，减轻过度负荷的下水道压力，并在低至中等强度的灾害事件中提升系统的应对能力。

3. **运用空间明确的可行性评估来挖掘自然基础设施的潜在价值**
研究发现，兼容自然基础设施的绿地面积最多可扩大15倍，这凸显了在密集城市环境中进行空间可行性分析的重要性。规划部门应采用基于SETs的多约束决策分析（MCDA）等方法，来确定自然基础设施在物理和制度层面是否可行。

4. **在空间条件允许的情况下，优先选择具有更高转型潜力的自然基础设施**
研究结果表明不同类型的自然基础设施之间存在明显差异：如城市森林、湿地、雨水花园和绿色屋顶等干预措施，相较于主要关注水文功能的绿色-灰色措施（例如透水铺装），能够提供更广泛且持久的生态和社会效益。因此，规划框架应区分那些维持现状的自然基础设施与那些能够推动系统性生态变革的自然基础设施。

5. **将自然基础设施规划纳入多灾害和多重危机适应策略中**
仅关注单一灾害可能会低估其连锁和累积影响。自然基础设施策略应被纳入多灾害适应计划中，充分考虑洪水、热浪、干旱和生态系统退化之间的相互作用，从而增强城市的长期韧性。

6. **改进数据可获取性和参与式流程，以加强自然基础设施的治理**
研究发现，排水系统数据的不易获取性限制了模型精度和问责机制。政策制定者应投资于开放的城市水系统数据基础设施，并支持规划者、从业者和社区共同参与自然基础设施的优先事项、指标及实施路径的制定过程。

**数据与代码获取**
分析过程中使用的所有输入数据均可在Zenodo数据平台（https://doi.org/10.5281/zenodo.17659096）上公开获取。InVEST软件的源代码则可在以下链接获取：https://github.com/natcap/invest。

**作者贡献声明**
Svetlana Khromova：撰写初稿、方法论制定、调查、数据分析、数据整理、概念构建。
Svea Busse：方法论制定、数据分析、数据整理。
Giulia Benati：方法论制定、数据分析、数据整理。
Pablo Herreros Cantis：撰写、审稿与编辑、方法论制定、概念构建。
Ricard Segura-Barrero：数据分析。
Ventura Caballé Sergi：数据分析。
Eckelman Matthew：撰写、审稿与编辑、监督、方法论制定、概念构建。
Gara Villalba Méndez：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建。
Johannes Langemeyer：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论制定、调查开展、资金筹措、概念构建。