地下结构对城市绿地水文功能的影响

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Impacts of underground structures on the hydrological functions of urban green spaces

　　姚 王 | 王 维光 | 少 全西 | 丁 孟 | 张 星 | 曹 施杰
河海大学水科学与技术研究所，南京 211106，中国

**摘要**
**研究区域**
中国典型的城市住宅区，配备了广泛的地下停车场。该区域拥有较大的绿地面积，通过减少不透水表面的连接，具有潜在的径流缓解效益。

**研究重点**
本研究重点探讨地下停车场结构对水文过程和绿地功能的影响。利用完全分布式的地表-地下耦合模型，分析了地下结构引起的土壤饱和度、径流和蒸散量的变化。

**对该地区的新水文见解**
研究结果表明，长期来看，地下停车场结构会导致其上方土壤水分积聚，从而增加径流和蒸散量。这些效应的强度取决于绿地的供水情况。当供水量较低时（例如气候较干燥或土壤渗透性较低），土壤水分积聚较少，从而减弱水文效应。相反，当实施不透水表面分离措施时，这些效应会得到放大，因为这会通过集中渗透增加绿地的供水量。此外，在不透水表面分离的情况下，这些效应不仅限于分离点，因为水分积聚区可以通过地下停车板的侧向优先流动扩展到更广泛的区域，可能影响更大范围的径流生成模式。这些发现强调了在雨水管理中考虑城市地下结构的重要性，尤其是在湿润气候地区。

**1. 引言**
城市绿地对于发展和维持可持续城市至关重要（Zhao等人，2024年），并在城市环境中提供多种功能效益，包括缓解城市洪水（Berland等人，2017年；Prudencio和Null，2018年；Wang等人，2018年；Woznicki等人，2018年）、减轻城市热岛效应（Lin等人，2023年；Nastran等人，2019年；Yao等人，2020年）、增强生物多样性（Aronson等人，2017年；Kong等人，2010年）以及改善空气质量（Han等人，2024年；Wu等人，2022年）。城市绿地的功能与其内部水文过程（如渗透、深层排水、蒸散和土壤水分再分配）密不可分。这些过程直接控制着雨水管理的性能（Lim和Welty，2017年；Wang等人，2022年）和微气候调节（Alcazar等人，2016年；von Arx等人，2013年），并对城市绿地中的植物生长和生物多样性至关重要（Gadi等人，2017年；Liu等人，2013年；Lozano-Parra等人，2018年）。为了优化其设计并推动可持续城市发展，提高对城市绿地水文过程的理解至关重要。

近年来，许多研究致力于了解城市绿地的功能及其相关的水文过程。例如，一些研究人员使用水文模型来确定绿地在雨水管理中的关键因素（Shields和Tague，2015年；Wang等人，2022年；Yao等人，2015年；Zhou等人，2024年）；一些将水文过程与生态或微气候模型相结合，探讨绿地的降温效果（Perri等人，2025年；Robineau等人，2022年）；还有一些研究关注水动力学及其对绿地功能的影响（Marchionni等人，2021年；Marx等人，2022年；Zhao等人，2024年）。然而，大多数研究在其建模或分析中忽略了城市地下结构。这种遗漏导致了关于它们对城市水文过程和绿地功能影响的知识空白。实际上，这些地下结构在城市地区越来越普遍，包括地下停车场、地下购物中心、地下地铁站和地下避难所。例如，根据2021年《中国城市地下空间发展蓝皮书》（https://www.csrme.com/），截至2020年底，中国已建成24亿平方米的地下空间。仅在2020年，新建的地下空间面积就占中国新建城市建筑面积的约22%。

现有的关于城市地下结构水文效应的研究主要集中在地下水过程上。例如，分析方法被用来研究地下结构作为屏障对封闭含水层中地下水停留时间分布的影响（Jing等人，2023年）。其他研究使用FEFLOW和TRANSIN-IV等数值代码来评估城市规模地下结构对地下水流动场、地下水位波动和地下水资源的影响（De Caro等人，2020年；Pujades等人，2012年）。进一步的研究探讨了地下结构对地下水流动系统变化的累积效应，以及它们对地下水年龄的活塞效应（Attard等人，2016a；Attard等人，2016b）。实际上，除了对地下水的重要影响外，城市地下结构还可能通过改变地表附近的土壤水分动态，对绿地过程（包括渗透、径流生成和蒸散）产生潜在影响。城市地下结构可能会阻碍局部深层排水，从而在降雨事件期间改变土壤水分分布，并使绿地中的径流生成机制向饱和过剩过程转变。这些变化还可能在雨季间增强绿地的蒸散作用。

此外，根据蒸发潜力和雨季间持续时间的不同，土壤水分分布的变化可能会在后续降雨事件中持续存在，从而对径流过程产生长期影响。因此，在不同的降水-蒸发强迫条件下，城市地下结构对水文过程的影响也有所不同。更重要的是，由于城市绿地通常用于在不透水基础设施（GI）和低影响开发（LID）背景下断开不透水区域（Eckart等人，2017年；Epps和Hathaway，2019年；Jarden等人，2016年；Shuster等人，2005年），地下结构增加了不透水径流与绿地过程之间相互作用的复杂性。这是因为不透水表面分离会导致绿地中的集中渗透（Voter和Loheide，2018年），产生更深的湿润前沿，使渗透更容易受到城市地下结构的影响。因此，有无不透水表面分离情况下的城市水文过程差异可能因地下结构而表现出更复杂的分化。

为了了解存在城市地下结构时的水文过程，需要高分辨率和明确过程的表面和地下水文建模，包括地表径流动态、土壤水分动态、蒸散及其相互作用。然而，大多数操作型城市水文模型（如Storm Water Management Model (SWMM) ）为了计算效率而牺牲了地下过程的分辨率，其中地下动态用经验性的储水-排放函数来概括（Baida等人，2025年）。因此，这些模型难以提供城市地表和地下水文过程之间的清晰和综合表示。

一种有前景的方法是在城市地区应用综合地表-地下模型，如ParFlow-CLM、GSSHA和MIKE SHE。这些模型通常求解控制饱和-非饱和土壤水分和地表水动态的耦合物理方程，能够高分辨率地模拟综合地表-地下系统。近年来，一些研究人员已成功将这些模型应用于城市流域，研究城市化对地下储存的响应（Barnes等人，2018年；Bhaskar等人，2015年）。其他研究关注城市喀斯特问题（Bonneau等人，2017年），使用耦合模拟来探讨雨水流入和渗透对地下水补给和蒸散的影响（Poozan等人，2022年；Zhang和Parolari，2022年）。同时，一些学者在明确表示地下动态的同时，研究了城市地表径流如何受绿地分布和不透水表面分离的影响（Lim和Welty，2017年；Smith等人，2015年；Voter和Loheide，2018年）。尽管这些研究为城市环境中的综合地表-地下动态提供了宝贵的见解，但地下结构对地表-地下过程和城市绿地功能的影响仍需进一步探索。

在本研究中，我们采用了完全分布式的综合地表-地下流动模型ParFlow-CLM来模拟配备地下停车场的住宅区的水文过程。基于该住宅区，还设计了不同城市发展模式和土壤条件的模拟情景进行比较分析。考虑了两种典型的降水-蒸发强迫情景，一种代表湿润气候，另一种代表半干旱气候，对模型进行了一年连续模拟。本研究的目的是探讨城市地下结构引起的水文过程变化机制，以及这些地下结构如何影响城市绿地的功能。具体来说，我们关注这些影响在不同降水-蒸发强迫条件下的差异，以及当绿地用于不透水表面分离时这些影响的差异。这项研究应为城市规划者和政策制定者提供基于过程的见解，以推进雨水管理和可持续城市规划。

**2. 研究区域和情景设置**
**2.1. 住宅区**
我们在一个具有代表性土地覆盖组成和分布的住宅区进行了模拟（图1）。该住宅区的设计基于中国青海省西宁市（101.77°E，36.63°N）的一个实际案例的土地覆盖和地形（图S1）。设计的住宅区总面积为12.38公顷，包括2.28公顷的建筑、3.24公顷的不透水铺装（沥青道路、铺设的人行道和休闲广场）、6.86公顷的绿地和7.83公顷的地下停车场。空间上，沥青道路形成了一个道路网络，将住宅区划分为多个地块，其中人行道、休闲广场和建筑与绿地交错分布。沥青道路网络通常比相邻地块的海拔低，因此在降雨期间起到排水网络的作用。在降雨事件期间，每个地块的地表水会流入低洼的沥青道路网络，然后进入地下排水系统并排出住宅区。上述土地覆盖分布和排水配置可以代表中国许多其他住宅区的典型模式（例如，Han等人，2022年；Hou等人，2021年；Yao等人，2016年）。

**2.2. 城市发展情景**
根据住宅区设计了五种城市发展情景。每种情景的土地使用条件、地下结构和流动路径模式如图2所示。其中，“自然”情景指的是城市化前的状态，所有建筑、不透水铺装和地下停车场结构均被排除在研究范围之外。“城市”情景指的是住宅区的传统开发方式，大部分不透水区域直接连接到地下排水系统。在这种情景中，土地覆盖分布和地下停车场面积与图1相同，所有建筑物的屋顶都通过屋顶排水口直接连接到地下排水系统。“LID”情景采用LID概念进行住宅区开发，通过屋顶分离将屋顶径流重新导向并排放到相邻的绿地。除了屋顶分离外，“LID”情景不包含其他措施。在这种情景中，屋顶面积与接收绿地面积的比率（CR，贡献比率）分别为东南角、西南角、西北角和东北角的建筑群1.75、1.69、1.47和2.93。对于其他建筑物，CR较小，范围在0.52到0.81之间。“城市-无地下”和“LID-无地下”情景分别排除了“城市”和“LID”情景中的地下停车场结构。通过比较上述城市发展情景中的模拟过程，我们可以分析绿地的功能，特别是它们对不透水区域分离的响应，以及这种响应如何受到地下停车场结构的影响。

**3. 模拟设置**
在模拟中，地下停车场上方的土壤深度设定为1米。这一深度是根据实际情况下地下管道安装和城市景观的要求确定的。根据中国标准，室外供水管道、生活污水管道和雨水管道的最小覆盖深度为30至70厘米，略低于设计的1米土壤深度（中国国家标准《建筑给排水设计规范》，GB 50015–2019）。此外，1米的土壤深度超过了大多数类型景观植被标准规定的最小土壤深度要求，包括草坪（30厘米）、开花植物（30厘米）、草本覆盖物（30厘米）、棕榈树（90厘米）、竹子（50至80厘米）和灌木（40至90厘米），并且与浅根树木所需的最小深度一致（中国行业标准《景观工程建设与验收规范》，CJJ 82–2012）。实际上，在实际施工中，住宅区的土壤覆盖深度很少显著超过标准规定的最小要求，因为较厚的土壤层会增加回填成本，并需要更强的地下结构强度。总体而言，1米的设计土壤深度可以被认为是住宅区地下停车结构的典型土壤覆盖深度，它充分满足了地下管道安装和景观要求，同时在经济上也是合理的。

2.3. 降水-蒸发强迫情景
为了研究地下公园的水文影响在降水-蒸发对比下的变化，我们为每种城市发展情景考虑了两种不同的降水-蒸发强迫条件。降水-蒸发强迫条件包括典型的“半干旱”情景和典型的“湿润”情景。为了确保真实性，这些情景的设计借鉴了西宁市（101.77°E, 36.63°N）和深圳市（114.04°E, 22.54°N）的条件。具体来说，我们使用这两个选定城市的气象数据来驱动水文模型，以实现不同的降水-蒸发强迫。这些数据包括2020年的每小时降水量、辐射、温度、风速、大气压力和相对湿度，数据来源于ERA5-Land和GPM_3IMERGHH。这种情景设计产生了“半干旱”情景下年降水量为472.1毫米和潜在蒸发量为1431.6毫米，“湿润”情景下年降水量为1807.5毫米和潜在蒸发量为2231.0毫米（图3）。

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图3. （a）“半干旱”和（b）“湿润”情景下日降水量的时间分布。

2.4. 土壤条件情景
每种城市发展情景共考虑了八种不同的土壤条件情景。这些情景旨在研究土壤条件对绿地和地下结构水文效应的影响。为了确保土壤条件的代表性，土壤情景的设计也借鉴了西宁和深圳的土壤成分数据。根据中国资源与环境科学数据中心（https://www.resdc.cn）提供的中国土壤成分的空间分布数据，这两个选定城市的主要土壤类型包括粘壤土、壤土、沙壤土和沙质壤土。因此，我们选择了三种土壤类型——粘壤土、壤土和沙壤土——来代表典型的城市土壤条件。此外，我们还考虑了另一种含沙量较高的土壤类型——沙质壤土，以表征用于雨水管理的工程土壤条件（Diab等人，2022年；Lisenbee等人，2020年）。基于上述四种土壤类型，模拟中还添加了四种具有较低孔隙率和饱和水力传导率的压实土壤类型。这些压实土壤可以反映城市地区长期人流量后土壤性质的变化（Yang和Zhang，2015年）。所有这些土壤条件都是通过在模拟中分配特定的水动力参数集来实现的。土壤条件情景的参数值及相关参考文献总结在表1中。上述设计产生了广泛的土壤持水曲线和土壤饱和水力传导率（Ksat，范围从2.6×10^-4到0.044 m/h），其中最高的Ksat与许多其他研究报道的工程城市土壤的Ksat处于同一数量级（Brown和Hunt，2011年；Donald和Laura，2010年；Houng和P.，2008年；Lisenbee等人，2020年）。这种广泛的土壤条件增强了研究结果的代表性和普遍性，同时将参数不确定性纳入了模拟结果中。

表1. 土壤条件情景和参数

参数
土壤条件情景
沙质壤土
a
沙壤土
b
壤土
c
粘壤土
a
压实沙质壤土
b
压实沙质壤土
c
压实粘壤土
b
Ksat（m/h）
0.14
6
0.044
0.01
2.6×10^-3
0.07
3
0.02
2
0.005
2.6×10^-4
孔隙率（-）
0.4
1
0.4
1
0.4
3
0.4
1
0.37
0.37
0.39
0.37
居民区饱和度（-）
0.13
9
0.158
0.18
0.23
0.154
0.175
0.198
0.256
van Genuchten α（m^-1）
12.4
7.5
3.6
1.9
12.4
7.5
3.6
1.9
van Genuchten n（-）
2.28
1.89
1.56
1.3
12.28
1.89
1.56
1.3
a
Carsel和Parrish（1988年），b
Voter和Loheide（2018年）

3. 方法
3.1. ParFlow-CLM模型
模拟使用ParFlow-CLM进行。ParFlow是一个基于物理的水文模型，通过求解三维Richards方程和二维运动波方程来完全耦合地表和地下流动（Kollet和Maxwell，2006年；Liu等人，2025年）。Richards方程描述了三维饱和-非饱和土壤水流，其在ParFlow中的形式如下：
(1)
SpSS
?p?t
??
?Sp
?t
=?·q→
+qs
+qem′
(2)
q→
=?K(p)
?(p?z)
其中S [-]是土壤水分饱和度，p [L]是土壤水压力头，Ss [1/L]是特定储存量，t [T]是时间，? [-]是土壤孔隙率，qs [1/T]是与地表的交换率，m′ [L]是分隔地表和地下域的界面厚度，K [L/T]是土壤水力传导率，z [L]是高程。van Genuchten模型（Van Genuchten，1980年）用于描述土壤饱和度、土壤水压力头和土壤水力传导率之间的关系：
(3)
Sp
= Sres
+ Ssat
? Sres
(1+|αp|n)
m,
p<0
Ssat,
p≥0
(4)
Kp
= KsatSe(p)
l
[1?(1?Se(p)1/m]
2
(5)
Se(p)
= Sp?Sres
Ssat?Sres
其中Sres [-]是残余饱和度，Ssat [-]是土壤完全饱和时的饱和度，α [1/L]，m [-]，n [-]，l [-]是经验参数，Ksat [L/T]是饱和水力传导率。
运动波方程描述了二维地表流动动力学：
(6)
?ψs?t
=?·v→
ψs
+ qr
+qe
(7)
v→
= vx,
vy
= (So,xn
ψs
23,
So,yn
ψs
23)
其中ψs [L]是地表积水深度，v→ [L/T]是深度平均速度向量，qr [L/T]是降雨率，So,x [-]，So,y [-]分别是x和y方向的地床坡度，n是Manning系数。
ParFlow假设地表处的压力和通量连续。在这个假设下，ParFlow将运动波方程（方程6和方程7）转化为Richards方程（方程1和方程2）的依赖于水头边界条件，基于此求解积分的地表和地下系统（Kollet和Maxwell，2006年）。
此外，社区土地模型（CLM）也与ParFlow耦合，形成ParFlow-CLM，以模拟地表和大气之间的水-能量通量，从而能够表示蒸散作用。CLM使用基于物理的方法模拟实际蒸散作用，并根据Monin–Obukhov相似性理论分别估计土壤表面和植被的湍流热传递（Choi等人，2012年）。蒸散模拟的详细控制方程可以在CLM的技术描述中找到（Oleson等人，2010年）。

3.2. 建模实现
3.2.1. 模型域配置
模型域的水平范围与研究区域一致。垂直方向上，模型域的总深度为5米，由下层的1米沙层和上层的4米土壤层组成。域的底部设置为恒定的零压力边界，代表住宅区下方的地下水位。域的侧面设置为零通量边界条件，代表住宅区与相邻街道区块之间的水交换受限。域的顶部设置了ParFlow地表流动边界条件，允许地表和地下流动的耦合。在模拟中，域的空间离散化使用了2米的水平分辨率。垂直方向上，域被离散为11层，层厚分别为0.02米、0.02米、0.02米、0.04米、0.1米、0.1米、0.2米、0.5米、1米、2米和1米（从上到下）。不同的层厚度是为了平衡计算效率和模拟精度而设定的，其中顶部的较细分辨率确保了地表-地下流动模拟的准确性。因此，模拟域总共被离散为340450个六面体单元（图4）。

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图4. 模型域的3D视图（a）；模型域的垂直离散视图（b）；模型域的水平离散视图（c）；以及垂直离散子图中的2D视图（d）。子图中的黑色区域表示不透水区（包括不透水铺装、建筑物基础和地下停车结构），灰色区域表示透水区。
使用武汉新光纤有限公司提供的2米分辨率DEM（数字高程模型）来塑造模型域的地形。对于“自然”情景，DEM直接作为ParFlow-CLM的输入。对于其他四种城市发展情景（即“城市”、“城市-无地下”、“LID”和“LID-无地下”），在输入之前对DEM进行了修改，因为DEM不包含建筑物信息。具体来说，根据原始DEM将建筑物像素的高程增加了2米。然后，在建筑物区域内进一步修改了像素高程，以确保屋顶径流能够导向排水口。在其他使用ParFlow-CLM的城市研究中也可以找到类似的建模修改（Lim和Welty，2017年；Voter和Loheide，2018年）。
根据Lim和Welty（2017年）的方法，还优化了低洼沥青道路网络的坡度，以确保在“城市”、“城市-无地下”、“LID”和“LID-无地下”情景中的良好排水。这种优化使沥青道路网络在模拟中能够快速排水，部分利用了地下排水系统的功能，并弥补了ParFlow-CLM中缺乏地下排水模块的不足（图S5）。尽管这种设计可能会扭曲低洼沥青道路的流量，但对总径流和较高绿色区域及其他铺装中的过程影响可以忽略不计，因为所有沥青道路都直接连接到不透水区域。
为了在“城市”和“城市-无地下”情景中实现直接排水的屋顶径流，首先从整个住宅区的模拟中移除了屋顶的水文过程。这代表了一种屋顶径流直接排入地下排水系统的情形，对其他像素类型的过程没有影响。然后通过为屋顶单独进行模拟，将总的屋顶径流和蒸发量添加到结果中。
不透水区（铺装、建筑物基础和地下停车结构）通过在模型域中设置非常低的孔隙率（0.01）和Ksat（3.6×10^-9 m/h）来实现（Bowders等人，2003年）。铺装和地下停车结构的厚度分别设置为0.5米和3米（图4）。根系分布参数a和b分别设置为10.7和6.6，以便大约80.8%的根系分布在20厘米深度内，100%的根系分布在1米深度内（Voter和Loheide，2018年）。不透水区域和绿色区域的表面粗糙度参数分别设置为0.015和0.2（Rossman和Simon，2022年）。我们在模拟中不考虑绿色空间的滞留储存，这表示这些区域是传统城市开发中的典型绿色空间，没有任何特别设计的滞留设施。

3.2.2. 模拟程序
在正式模拟之前，实施了模型启动过程，以开发代表性的初始土壤水分分布。我们收集了西宁市和深圳市十年的气象数据（2010年至2019年），分别用于驱动“半干旱”和“湿润”情景的模型启动模拟。我们对所有土壤条件在1D土壤柱上重复并连续运行了十年的启动模拟，直到达到动态平衡（图S2）。最终的垂直压力头剖面被用作住宅区模拟的初始条件。
我们完全结合了所有城市发展、土壤条件和气候条件情景，共生成了80个模拟情景。所有模拟都使用了一年的气象数据。在每个模拟中，降雨事件和事件间隔期间分别使用了0.05小时和0.1小时的时间步长。模拟在青海大学的高性能计算平台上进行，使用了一个64核CPU和8×8并行过程网格配置。每个模拟可能需要1到3天的时间，具体取决于具体的情景。

3.2.3. 模型验证
我们使用西宁一个实际住宅区内子流域的测量降雨-径流数据来验证模型的性能（图S3）。降雨-径流数据包括三个降雨事件的信息。数据由武汉新光纤有限公司提供。由于本研究基于情景模拟并考虑了各种土壤条件，因此在验证之前没有进行参数校准。相反，我们使用了表1中的粘壤土、壤土和沙壤土的土壤参数进行验证。其他用于验证的建模配置与“LID”情景相同，初始土壤饱和度也设置与正式的一年模拟相同。测量降雨-径流数据和验证的时间分辨率为5分钟。验证结果的详细信息可以在补充材料中的图S4中找到。结果显示，每种土壤条件下的模拟平均Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）均超过0.7（见图S4）。尽管涉及不同土壤条件的情景设计排除了标准模型校准-验证程序的应用，但图S4中的结果仍然支持了本研究中模型配置（模型域、海拔、坡度、模型参数、空间离散化等）的合理性。

4.1. 根区饱和度
本文中的根区指的是绿地下方1米深的土壤层，不包括不透水表面下的土壤。模拟结果显示，在整个模拟年度内，“LID”情景下的根区饱和度通常最高（见图5），较高的饱和度主要位于屋顶排水口周围或地下停车结构正上方（见图6），这表明根区饱和度对屋顶断开和地下停车结构都有积极反应。

4.2. 年总地表径流
模拟的年总地表径流结果如图7所示。结果表明，在“半干旱”（a）和“湿润”（b）降水-蒸发强迫情景下，屋顶断开可使年平均地表径流减少34.0毫米（27.3%）（比较图7a中的“LID-no-underground”和“urban-no-underground”）。如图7c所示，“urban-no-underground”的较高地表径流与Ksat有很强的正相关关系。这种关系通常呈对数形状。

4.3. 基于事件的年总地表径流
在本研究中，降雨事件的定义如下：当降雨强度大于零时开始，当零降雨强度持续超过一小时时结束。此外，事件期间的总降雨深度必须超过2.5毫米。对于每个降雨事件，地表径流系数（总地表径流与总降雨量的比率）（C）与总降雨量（P）之间的关系呈对数形状，其中C随P增加而增加，然后基本保持不变（见图8）。这种基本恒定的C值被称为“代表性径流系数”（Cr）（Nirajan等人，2012年）。对于“LID-no-underground”和“urban”而言，当Ksat高于0.01米/小时时，Cr总体上始终比“urban”低0.1，即使在降雨量超过200毫米的极端降雨事件中也是如此，这表明在不同降雨和气候条件下，屋顶断开的径流控制性能相对一致。然而，当土壤渗透性较低时，不同气候下的径流控制行为会有所不同。特别是在“湿润”气候下，“urban”的根区饱和度几乎与“urban-no-underground”全年都重叠（见图5a）。

4.4. 蒸发蒸腾作用
屋顶断开和地下停车结构的存在都会增加住宅区的年总蒸发蒸腾量，其影响的时间尺度不同。在图5b中，“LID-no-underground”的饱和度峰值在降雨期间可以显著高于“urban-no-underground”和“natural”。然而，当降雨结束时，这种土壤饱和度的差异会迅速减小，显示出单次降雨事件的时间尺度特征。相比之下，地下停车结构的影响具有更长的时间尺度，在几乎整个模拟年度内，“urban”的根区饱和度都显著高于“natural”（见图5b）。在“半干旱”气候下，“urban”的根区饱和度与“urban-no-underground”全年几乎重叠（见图5a）。

4.5. 深层排水
深层排水是指水从根区移动到更深土壤层的过程。总深层排水是潜在地下水补给的重要指标，因为深层排出的水通常可以避开根区蒸发蒸腾的影响，并最终有助于地下水补给。在没有地下停车结构的情况下，“半干旱”降水-蒸发强迫情景下的屋顶断开可以大大增加年总深层排水量，甚至超过自然条件（见图11a）。在图11a中，“LID-no-underground”的平均深层排水量比“urban-no-underground”高15.8毫米（12.8%），比“natural”高13.7毫米（64.0%）。在“湿润”气候下，屋顶断开也可以显著增加深层排水量（见图11b）。总体而言，对于所有土壤条件，“LID”的年平均地表径流比“LID-no-underground”高55.8毫米（12.9%）（见图7b）。比较图8d和图8c，地下停车结构对地表径流的影响与屋顶断开在“湿润”住宅区的影响相当。同样，地下停车结构的效果也与土壤Ksat有很强的正相关关系（见图7d）。

4.6. 基于事件的年总地表径流
在本研究中，降雨事件的定义如下：当降雨强度大于零时开始，当零降雨强度持续超过一小时时结束。此外，事件期间的总降雨深度必须超过2.5毫米。对于每个降雨事件，地表径流系数（总地表径流与总降雨量的比率）（C）与总降雨量（P）之间的关系呈对数形状，其中C随P增加而增加，然后基本保持不变（见图8）。这种基本恒定的C值被称为“代表性径流系数”（Cr）（Nirajan等人，2012年）。对于“LID-no-underground”和“urban”，当Ksat高于0.01米/小时时，即使在降雨量超过200毫米的极端降雨事件中，“LID-no-underground”的Cr也始终比“urban”低0.1，表明在不同降雨和气候条件下，屋顶断开的径流控制性能总体一致。然而，当土壤渗透性较低时，不同气候下的径流控制行为会有所不同。特别是对于粘壤土和压实的粘壤土，在“湿润”气候下，“urban”和“LID-no-underground”之间的C-P关系平均差距不超过0.05，而在“半干旱”气候下，这一差距仍可达到约0.1。

4.7. 蒸发蒸腾作用
屋顶断开和地下停车结构的存在都会增加住宅区的年总蒸发蒸腾量，其影响程度在不同降水-蒸发强迫情景下有所不同。在“LID”和“LID-no-underground”下，所有土壤条件的年总蒸发蒸腾量分布通常都高于“urban”和“urban-no-underground”（见图10a和图10b）。这种差异在“半干旱”降水-蒸发强迫情景下更为明显。对于所有土壤条件，“LID-no-underground”的年平均总蒸发蒸腾量比“urban-no-underground”高17.3毫米（5.4%）（见图10a），而在“湿润”气候下仅为14.7毫米（1.5%）。结果表明，在更干旱的气候条件下，屋顶断开对蒸发蒸腾的影响更大。

4.8. 深层排水
深层排水是指水从根区移动到更深土壤层的过程。总深层排水是潜在地下水补给的重要指标，因为深层排出的水通常可以避开根区蒸发蒸腾的影响，并最终有助于地下水补给。在没有地下停车结构的情况下，“半干旱”降水-蒸发强迫情景下的屋顶断开可以大大增加年总深层排水量，甚至超过自然条件（见图11a）。在图11a中，“LID-no-underground”的平均深层排水量比“urban-no-underground”高15.8毫米（12.8%），比“natural”高13.7毫米（64.0%）。在“湿润”气候下，即使没有地下停车结构，屋顶断开也可以显著增加深层排水量（见图11b）。然而，屋顶断开对深层排水的影响在很大程度上受到地下停车结构的限制（见图11a和图11b）。对于“湿润”气候，“LID”的平均深层排水量仅比“urban”高2.0毫米（117.7%）。此外，屋顶断开和地下停车结构对地表径流的影响也与初始根区饱和度有关（见图9）。在图9中，我们使用“LID-no-underground”的初始根区饱和度来表示每个降雨事件的初始湿度。这是合理的，因为“LID”和“LID-no-underground”的初始饱和度高度相关（见图5和图S6）。我们没有直接使用“LID”和“LID-no-underground”之间的绝对饱和度差作为图9的x轴，因为相同的绝对饱和度差可能导致显著不同的径流响应（例如，想象饱和度从0.2增加到0.3的情况与饱和度从0.8增加到0.9的情况）。图9的结果表明，地下停车结构可以通过增加基于事件的初始土壤湿度间接影响地表径流，显示出地下停车结构对地表径流的时间累积效应。由于屋顶断开或地下停车场结构的不同，导致的深层排水量差异随着Ksat的增加而增加，通常呈现出对数关系，这适用于“半干旱”和“湿润”两种气候类型（图11c和图11d）。下载：下载高分辨率图像（318KB）下载：下载全尺寸图像

图11. “半干旱”（a）和“湿润”（b）气候条件下的年总深层排水量。“LID无地下设施”与“城市无地下设施”相比，Ksat与更大总深层排水量之间的关系（c）。“LID无地下设施”与“LID”相比，Ksat与更大总深层排水量之间的关系（d）。箱形图的含义与图7.5相同。

5.1. 屋顶断开时绿地的水文功能
绿地的水文功能包括减少径流、促进蒸散作用和地下水补给。总体而言，我们的模拟结果显示，通过绿地实现屋顶断开显著增强了水文功能。核心机制是屋顶断开将屋顶径流重新导向相邻的绿地，从而实现集中渗透。这一过程增加了绿地的渗透量，并在屋顶排水口附近形成了渗透热点，导致根区饱和度提高，地表径流量减少（图6和图7）。然而，集中渗透的前提是绿地的渗透能力必须足够大，以覆盖降雨强度，以便额外的渗透能力能够捕获不透水表面的径流。因此，如果土壤具有较高的渗透性，住宅区的土壤饱和度对屋顶断开的响应更为强烈（图6）。
集中渗透导致的更大渗透量在降雨期间会产生更深的湿润前沿，这解释了住宅区由于屋顶断开而引起的深层排水量显著增加的现象（图11）。原因是更深的湿润前沿使得更多的渗透水能够避开浅层根区的蒸散作用，从而在长期内产生更多的深层排水量。这一解释也得到了图10c结果的支持。图10c显示，基于“城市无地下设施”的屋顶断开增加了总蒸散量，但其幅度通常随Ksat的增加而减小，这意味着当土壤渗透性更高时，渗透水更快地转化为深层排水。在之前的研究中，包括模拟和监测工作（Bhaskar等人，2016年；Loperfido等人，2014年；Newcomer等人，2014年；Wang等人，2022年）也发现了类似的深层排水或地下水补给结果。
除了集中渗透的作用外，我们的模拟还表明，在气候较干燥的情况下，绿地功能对屋顶断开的响应通常更为显著，包括径流、蒸散作用和深层排水等方面。我们的结果显示，在“半干旱”气候条件下，屋顶断开可以管理更多的原始径流量（图7），这与普遍认可的现象一致，即当降雨事件不那么极端时，LID的径流控制效果更好（Fiori和Volpi，2020年；Mai等人，2018年；Palla和Gnecco，2015年；Sezar和Melek，2017年；Wang等人，2021年）。在我们的研究中，“半干旱”降水-蒸发强迫情景的年降水量远低于“湿润”情景，这意味着降雨事件的降雨深度通常较小，从而解释了屋顶断开在减少径流量方面的更高效率。另一方面，“半干旱”降水-蒸发强迫情景下的年降水量较低，也导致模拟年度每次降雨事件的初始土壤湿度较低（图5），这进一步促进了“半干旱”住宅区长期内的更高径流量减少率（Pappas等人，2008年）。在“半干旱”气候条件下更高的径流量减少率还表明了渗透量与降雨量的比例更高，这为深层排水量的更大响应提供了解释。
“半干旱”气候条件下蒸散作用对屋顶断开的更大响应可能是由于大气需求与水分可用性的比例较高。根据Budyko理论，大气需求与水分可用性的比例较高会导致实际蒸发的水分比例增加（Wang等人，2016年）。根据模拟的气象输入，“半干旱”气候下的年潜在蒸散量与降水量之比（PET/P）为3.03，而“湿润”气候下的PET/P为1.23。也就是说，在“半干旱”气候条件下，更多的年降水量倾向于转化为蒸散作用（例如，图10中的“自然”情况）。在本研究中，当实施屋顶断开时，由于集中渗透，根区的可用水分增加。与“湿润”气候相比，“半干旱”气候下增加的可用水分中有更大比例会蒸发，从而导致总蒸散量的更大响应。

5.2. 地下停车场结构对绿地功能的作用
地下停车场结构可以限制局部湿润前沿的最大深度，并为表面径流过量饱和提供条件。我们的模拟结果显示，在“湿润”气候条件下，住宅区内存在1米深的地下停车场结构通常会使屋顶断开的年径流控制效率减半（图7）。在降雨事件的时间尺度上，如果降雨深度足够大，地下停车场结构几乎可以抵消屋顶断开的径流减少效应（图8）。
此外，我们的模拟还发现了一个显著现象：在地下停车场结构存在的情况下，对于某些极端事件（如降雨深度大、降雨强度大或前期降雨量大），屋顶断开可能导致表面径流量增加（图8）。这一看似反常的结果可以通过屋顶断开和地下停车场结构的时间累积效应来解释。例如，假设有两个根据“城市”情景开发的住宅区，一个初始土壤湿度较低（“城市干燥”），另一个初始土壤湿度非常高（“城市湿润”）。如果径流生成主要是渗透过量，并且发生高强度降雨，“城市湿润”的总表面径流量应该高于“城市干燥”。再假设另一个根据“LID”情景开发的住宅区（“LID湿润”），其初始土壤湿度与“城市湿润”相同。那么对于“LID湿润”来说，具有非常高初始土壤湿度的透水区域可能完全无法减少屋顶径流，因为透水区域甚至无法渗透局部降雨（Wang等人，2024年），因此“LID湿润”的总表面径流量应该接近“城市湿润”，即高于“城市干燥”。同样，如果径流生成主要是饱和过量，并且在“城市干燥”和“城市湿润”都发生大降雨深度的降雨事件，“城市湿润”的总表面径流量应该大于“城市干燥”，因为其可用的土壤储存量较小。然而，“LID湿润”的总表面径流量应该接近“城市湿润”，因为它们的总径流量都等于降雨量减去可用土壤储存量，无论屋顶是否断开。总体而言，如果“LID”的初始土壤湿度足够高，其基于事件的表面径流量可能高于“城市”情景（图5b），这可能是由于屋顶断开和地下停车场结构的共同作用。
然而，如果气候为“半干旱”或屋顶未断开，地下停车场结构通常对径流没有影响（图7a）。其背后的机制是，地下停车场结构导致的潜在表面径流过量饱和需要足够的土壤水分供应来激活，例如足够的初始土壤饱和度和降雨深度（图9）。同样，屋顶断开在排水口周围形成了渗透热点（图6），这也增加了局部土壤水分供应，使得局部表面径流生成从渗透过量转变为饱和过量变得更加容易。
尽管地下停车场结构对地下水补给和径流控制有负面影响，但它有助于在浅层土壤中储存水分，并增加土壤湿度和蒸散作用（图6）。这种效应可能有助于缓解城市热岛效应，尽管这一假设需要通过耦合热模型进一步验证。众所周知，低土壤湿度可能导致大规模的极端温度或热浪（Lorenz等人，2010年；Mueller和Seneviratne，2012年；Perkins，2015年；Seneviratne等人，2006年）。同样，在城市尺度上，Ramamurthy和Bou-Zeid（2017年）指出，城市地区缺乏土壤湿度会导致入射辐射不成比例地转化为显热，从而加剧城市热岛效应。此外，许多研究强调了保持土壤湿度以改善蒸散作用和更好地激活城市绿地冷却效果的重要性（Li等人，2014年；Sun等人，2013年；Zepp等人，2023年），并采用了诸如绿地灌溉等方法（Cheung等人，2022年；Cheung等人，2021年；Heusinger等人，2018年）。随着中国住宅区地下停车场结构的普遍存在，它们可能会影响城市热岛现象。然而，由于本研究主要关注地表和地下水文过程，上述潜在效应仍不确定，需要进一步定量研究。

5.3. 对城市规划和雨水管理的水文影响
总体而言，地下停车场结构主要通过其顶部积累土壤水分来影响水文过程。这种积累增加了根区饱和度，进一步促进了绿地的蒸散作用，并使径流生成模式向饱和过量方向转变。我们发现，这些影响的程度很大程度上取决于绿地土壤的水分供应。一般来说，较高的水分供应会导致更明显的土壤水分积累，从而对停车场结构产生更大的水文响应。
具体来说，在我们的研究中，较高的水分供应对应于气候较湿润、土壤渗透性较高或实施了屋顶断开的条件。湿润的气候通过更多的降水量增加了总体水分供应，从而增加了渗透量。同样，渗透性较高的土壤通过增强渗透作用增加了水分供应。屋顶断开在特定位置产生了局部渗透热点，显著增加了该地点的水分供应。
停车场结构的水文影响随不同的水分供应水平而变化，因此其效果具有双重性。在水分供应较低的情况下（例如，当气候干燥或土壤渗透性较低时），渗透的水分大部分用于蒸散作用，很少在停车场结构顶部积累。因此，停车场结构的影响有限。随着水分供应的增加，土壤水分积累变得更加明显，从而增强了蒸散作用。这可能有助于缓解城市热岛效应，具有积极意义。随着水分供应的进一步增加（例如，当实施屋顶断开时），更多的土壤水分积累开始影响径流生成模式，从而导致径流量增加。这反过来又对径流减少产生了额外的负面影响。
此外，由于停车场结构的存在，屋顶断开的土壤水分积累效应不仅限于断开点。由此产生的积累区可以通过地下停车场板层的侧向优先流动扩散到更广泛的区域，可能影响更大范围内的蒸散作用和径流生成模式。这一现象在图12中有所体现。比较图12b和图12a，我们可以看到，在地下停车场结构正上方的土壤层（深度为0.5米至1米）中，屋顶断开引起的较高饱和区并不局限于集中渗透区，而是扩散到绿地地块，并延伸到不透水铺装下的区域。这种侧向流动过程在不同气候情景下也有显著差异（图12）。在“半干旱”情景下，受侧向流影响的区域远小于“湿润”情景下的区域，这加剧了两种气候条件下径流生成模式的差异。下载：下载高分辨率图片（383KB）下载：下载全尺寸图片图12. 地下停车场上方（0.5–1.0米深度的土层）土壤水压头的空间分布：在“湿润”（a和b）和“半干旱”（c和d）气候条件下，“城市”（a和c）与“LID”（b和d）情景的比较，使用的是最后一次降雨事件后的壤土。我们的结果还表明，这些效应受到屋顶断开连接点和地下停车场相对位置的影响。当断开连接点不位于地下板上方时，来自屋顶断开连接的集中渗透可以很容易地转化为深层排水，而不是在板顶积累或产生显著的侧向流（图6和图12）。这些过程强调了在应用不透水性断开连接时考虑城市地下结构的重要性，尤其是在日益普遍的城市地下空间开发的背景下。一个潜在的地下城市结构可能会降低城市绿地的径流缓解效率，受影响的区域包括集中渗透区和地下侧向优先流到达的区域。然而，如前所述，这些影响受到土壤和气候条件的显著影响。因此，在实际评估城市地下结构的影响时，必须考虑特定地点的气候条件并校准土壤参数。避免城市地下结构负面影响的策略之一是优化不透水性断开连接的位置，使其与地下结构错开。这可以确保来自断开连接点的集中渗透有效地转化为深层排水，从而可能增强地下水补给，而不是在地下结构顶部积累并降低绿地的径流缓解效率。对于其他正常渗透发生的绿地，地下结构可以帮助储存土壤水分并促进蒸散作用，其对径流生成的负面影响相对于集中渗透区来说较小。另一方面，未来的城市设计也可以考虑优化地下结构的空间布局。这将涉及在保留其功能的同时为不透水性断开连接留出空间，以防止不透水性断开连接的好处受到损害（图13）。下载：下载高分辨率图片（837KB）下载：下载全尺寸图片图13. 错开集中渗透区和地下停车场区域的蓝图设计（a）；蓝图设计中的渗透过程（b）。5.4. 局限性和未来方向本研究考虑了多种土壤条件和降水-蒸发强迫情景，所有这些都基于同一个住宅区。该设计遵循控制变量的原则，特别关注这两个直接因素（即土壤条件和气候强迫）如何影响地下停车场的作用，而未考虑现实世界住宅区之间的差异。实际上，住宅区并不完全相同。它们在地形、土地覆盖分布、建筑密度以及地下停车场结构的覆盖土壤深度方面存在显著差异。此外，土壤质地和根系分布可能因气候区域而异，所有这些因素都可能对模拟结果产生重大影响。例如，地下停车场上较薄的土壤覆盖层可能导致绿地在下雨时更容易饱和，从而改变径流生成模式。相反，较厚的土壤覆盖层可能会延迟水文效应的出现，因为土壤水分需要在停车场结构和根区之间积累更长的时间。这一过程还取决于植物根系和地下结构的相对垂直分布。此外，不透水表面（包括屋顶和路面）相对于绿地的密度会影响集中渗透的强度，从而调节土壤水分在地下结构上方的积累情况。由于我们的研究提供了关于土壤条件和气候强迫如何影响地下停车场水文效应的初步理解，未来的研究应考虑其他因素以获得更全面的认识。初始土壤湿度对地下结构长期水文效应的影响也值得进一步关注。这种影响在很大程度上取决于地下结构上方的覆盖土壤厚度。在本研究中考察的情况下，停车场上方的土壤覆盖层厚度为1米。在这种土壤层厚度下，土壤湿度对降水和蒸发强迫的反应非常迅速。理论上，初始湿度条件的影响会在连续的湿润和干燥循环中迅速消失（Wang等人，2022年）。因此，初始土壤湿度对1米厚土壤层中的水文过程的影响应该有限。然而，对于更深的结构，较厚覆盖土壤层的湿度对降水-蒸发强迫的反应较慢。在这种条件下，初始饱和状态可能在长期内发挥更持久的作用。因此，未来研究在探讨深层城市结构的水文影响时应更加重视初始土壤湿度的影响。我们的结果还表明，将排水修改纳入ParFlow-CLM可以有效表示城市住宅区中的流动路径。这些修改有助于解决模型在表示城市微地形、建筑物和管道网络方面的局限性。通过这些修改，模型通常能够产生与观测数据一致的水文图，并取得令人满意的性能。本研究开发的建模框架为未来的研究提供了基础。通过调整模型参数和配置，可以探索更广泛的水文情景。例如，调整根系分布参数以表示不同的植被类型；修改土壤参数的空间分布以考虑各种地下结构布局。该模拟框架也可以应用于具有类似流动路径模式的其他类型的城市街块，以进行综合的城市表面-地下流动模拟。本研究考虑了来自两个不同气候区域的降水-蒸发强迫条件。这两种强迫条件之间的巨大差异使我们能够相对广泛地了解气候条件如何影响所研究的水文过程。然而，我们的模拟仅基于每个气候区域的一年的气象数据，因此没有考虑年际气候变异性的影响。尽管年际差异可能比这里考虑的两个气候区域之间的差异小得多，但它们的潜在影响仍是一个重要的研究问题。充分考虑年际变异性将对当地雨水管理具有直接的实际意义，特别是在气候变化和极端事件频率增加的背景下。未来的工作还可以在此研究的建模框架基础上，通过纳入更全面的气象输入来进一步完善我们的理解。6. 结论本研究采用了一个综合的表面-地下流动模型来模拟典型城市住宅区的水文过程，考虑了八种不同的土壤条件和两种典型的降水-蒸发强迫情景（“半干旱”和“湿润”）。基于模拟结果，我们研究了地下停车场结构对水文过程和绿地功能的影响。模拟结果表明，地下停车场结构阻止了土壤水的深层排水，导致土壤水在其顶部积累。积累的水分进一步影响绿地中的水文过程，包括渗透、径流生成和蒸散作用。土壤水的积累是一个长期过程，因此，停车场结构的影响表现出明显的时间累积特征。这种影响的程度取决于对绿地的供水情况，并表现出双重自然特性。当供水量较低时（例如，气候干燥或土壤渗透性较低），渗透的水分很少能够到达停车场结构的深度或在顶部积累，从而限制了其对径流生成和蒸散作用的影响。随着供水量的增加（例如，气候变湿润或土壤渗透性提高），停车场结构对土壤水的积累效应变得更加明显，从而增强了绿地的蒸散作用。这可能有助于缓解城市热岛效应，具有积极的好处。随着供水量的进一步增加（例如，实施屋顶断开连接），积累效应变得更加显著，并且在降雨事件期间可以显著改变径流生成模式，使其趋向于饱和过剩。这反过来又对径流缓解产生了额外的负面影响。此外，由于地下停车场的存在，屋顶结构对土壤水积累的影响不仅限于断开连接点。水分积累区可以通过地下停车板的地下侧向优先流发展，可能影响更大范围的径流生成模式。这种侧向优先流的强度也与断开连接点的供水量呈正相关。在本研究中，供水量具体由气象条件和土壤渗透性决定。这些发现强调了在雨水管理中考虑城市地下结构的重要性，特别是在日益普遍的城市地下空间开发的背景下。城市规划者和雨水管理者应特别注意不透水性断开连接点与地下结构之间的相对位置，因为这些结构位于断开连接点下方可能会降低径流控制的效率。然而，鉴于气象和土壤条件在控制这些影响中的重要作用，实际评估必须结合当地气候条件和适当的土壤参数校准进行。本研究重点关注土壤性质和气候条件对城市地下结构水文效应的影响。为了隔离这些因素，我们使用了与研究地点相同的住宅区，遵循控制变量的原则。因此，没有考虑不同住宅区之间的差异。这些差异包括建筑密度、地形、植被根系分布以及停车场上方土壤覆盖深度的差异。然而，这些因素也可能显著影响地下停车场的水文行为。未来的研究可以在本研究的模拟框架基础上进行修改，以纳入更广泛的情景，从而进一步推进对表面-地下过程的理解。CRediT作者贡献声明王瑶：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。张翔：写作 – 审阅与编辑，资源。曹世杰：资源，资金获取。邵全喜：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，正式分析。丁萌：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，正式分析。王伟光：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。