《Journal of Hydrology》：Complex behavior of an urban green infrastructure imaged using time-lapse electrical resistivity tomography and time-series clustering
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城市雨水管理日益受到气候变化、快速城市化、排水基础设施老化和高不透水地表覆盖率的综合挑战。这些因素产生过量地表径流，给城市水系带来压力，促使市政当局优先考虑源头径流削减策略。在此背景下，合流制污水溢流（combined sewer overflows, CSO
城市雨水管理日益受到气候变化、快速城市化、排水基础设施老化和高不透水地表覆盖率的综合挑战。这些因素产生过量地表径流，给城市水系带来压力，促使市政当局优先考虑源头径流削减策略。在此背景下，合流制污水溢流（combined sewer overflows, CSOs）成为许多大城市日益严峻的挑战，因为强降雨或冬季融雪期间，合流系统水力容量超载时可能被迫排放废水和雨水。这一问题预计将更加严重，因为北美气候模型预测极端降水频率和强度将增加10%至20%。雨水管理不足的后果超出水力性能范畴。道路径流的常规排水直接将悬浮固体、金属、碳氢化合物和除冰盐输入土壤和受纳水体。这种重化学负荷尤其令人担忧，因为氯化物和钠的积累已被证实与严重的湖泊盐碱化和长期地下水退化有关。此外，当过量径流触发CSOs时，这些事件成为地表水生生态系统污染的主要来源，促进未经处理的废水及各种污染物直接进入环境。从公共卫生角度看，溢流期间的微生物污染可超过安全阈值数个数量级。除生态风险外，这些挑战因老化和尺寸不足的基础设施带来沉重的财政负担。
为缓解城市下水系统压力，许多城市越来越多地采用基于自然的解决方案（nature-based solutions, NBS），其中绿色基础设施（green infrastructure, GI）是关键子集。这些工程系统可包括生物滞留沟、生物滞留池、雨水花园及其他渗透或过滤设计。一些系统促进水向原生地下的入渗，而另一些则依赖地下排水管将处理后的水返回雨水管网。这一区别决定了地下水补给和地下溶质输运的程度。流域尺度模拟表明，优化GI实施可大幅减少溢流量。除帮助管理峰值流量外，GI还有助于污染物管理。例如，生物滞留系统可暂时减弱冬季道路盐负荷向下水管网的输送，但很大程度上将Cl-和Na+转移至地下水。其他研究记录了铬、铅和锌等重金属的高截留能力。通过暂时滞留雨水，GI起到缓冲作用，增强城市水管理策略的稳健性。
尽管GI被广泛采用，但其现场性能因施工变异性和地下条件异质性而难以评估。水文地质上，GI系统在现场饱和导水率方面表现出显著变异性，并可局部改变水头。对这些动态的监测仍具挑战性：传统仪器如点尺度传感器和测压管，往往缺乏准确表征复杂空间可变系统中地下过程所需的空间代表性。从地球化学角度看，GI还可能作为地下水污染物的通道，导致地下管网腐蚀和地下水污染。此外，评估这些地球化学动态仍然复杂，因为渗漏计和地下水采样活动耗时、空间有限，并受地下异质性和安装方法影响。总体而言，结合城市地下过程的固有复杂性，这些局限性表明仅靠传统仪器不足以全面表征GI系统内部及其周边的水分入渗、溶质运移、季节性储存和排水过程。
时序电阻率层析成像（time-lapse electrical resistivity tomography, TL-ERT）可通过连续间接成像介质电导率变化来克服传统方法的时空局限性。最近在城市环境中的应用证明了表面ERT在追踪地下盐羽方面的相关性，强调TL-ERT的应用。使用交叉钻孔配置可在深度上实现高空间分辨率，并已被用于精确追踪盐羽。近期，OhmPi项目提供了一个高效方案，促进TL-ERT与水文学监测计划的整合，为地电监测提供了经济实惠的替代方案，并被确定为未来TL-ERT应用和发展的关键方面。
为弥合地球物理观测与水文学解释之间的差距，时间序列聚类（time-series clustering, TSC）提供了一种稳健的方法，可将多维TL-ERT数据压缩为具有相似时空变化的组。通过划分具有相似时间模式的区域，TSC可以更客观地促进水文相和地质结构的识别，并在复杂岩溶环境中显示出有效性。
本研究调查了基于入渗的路边GI及其周围城市地下对单个降雨事件、冬季除冰盐输入和春季融雪的响应。具体目标是利用高分辨率交叉钻孔TL-ERT成像体电导率（bulk EC）的时空分布，利用时间序列聚类识别具有不同季节性动态的地下区域，并从水分动态和与氯离子相关的孔隙水电导率角度解释所观察到的体电导率变化。据研究人员所知，这是首批使用开源仪器以如此高交叉钻孔空间分辨率监测的城市GI之一。本研究为更深入地理解基于入渗的GI系统中地下水文和溶质运移动态及其与地下水系统的相互作用迈出了第一步。
一、研究背景与科学问题
随着气候变化、快速城市化和排水基础设施老化，城市雨水管理面临巨大挑战。合流制污水溢流（combined sewer overflows, CSOs）在大城市中愈发频繁，不仅造成地表水污染，还带来严重的公共健康风险和巨额经济损失。为缓解压力，绿色基础设施（green infrastructure, GI）如生物滞留池、雨水花园等被广泛采用，以期通过入渗和过滤控制径流并截留污染物。然而，GI的现场性能因施工变异性、地下介质非均质性以及传统点状监测手段的空间代表性不足而难以准确评估。特别是冬季除冰盐（主要为NaCl）的入渗、迁移和累积过程，以及其对地下水系统的潜在影响，尚缺乏高分辨率的原位观测数据。因此，亟需一种能够连续、高分辨率成像地下水分与溶质动态的方法。
二、研究方法概述
研究人员在加拿大魁北克拉瓦尔市的一处路边GI布设了高密度交叉钻孔电阻率层析成像（electrical resistivity tomography, ERT）阵列，共8个钻孔、103个电极（实际使用64个），覆盖约6米宽、2.4米深的剖面。同时安装了TEROS 12传感器（测量体积含水量、体电导率和温度）、陶瓷渗漏计和测压管（配备水位、温度和电导率传感器）。ERT数据分别由Terrameter SAS4000（2024年10月至12月）和开源OhmPi系统（2025年4月起，每6小时一次测量）采集，共获得1209次有效测量。数据经互易误差筛选后，采用pyGIMLi库进行独立二维反演，并通过热传导模型（Brunet等，2010）校正温度对体电导率（bulk EC）的影响。最后，采用层次凝聚聚类（hierarchical agglomerative clustering, HAC）对1562个网格单元的时间序列进行聚类分析，识别具有相似动态特征的地下分区。
三、研究结果
3.1 原始时序视电导率
原始视电导率数据显示出明显的季节性正弦波动，反映温度变化。路面和步道下方的浅层在冬季视电导率显著下降，而GI底部则未呈现类似模式，表明雪堆的保温效应。夏季以来，GI下方对降雨事件的响应尤为剧烈，表现为降雨后视电导率的快速上升。
3.2 温度校正后的静态体电导率分布
两张相隔一年的校正图像显示相似的体电导率分布：浅层（0–0.5米）电导率较低（0.1–0.4 mS/cm），尤其在步道和沥青路面下；深层（0.5–1.25米）呈异质性，左侧（道路下方）出现高导电区（1.0–1.6 mS/cm），与地下水位梯度和地下水氯离子浓度升高一致，反映了多年除冰盐的累积效应。
3.3 时序季节成像
选取6个时间点的相对变化图像显示，冬季初期GI体电导率急剧上升（60%–100%），而步道和道路下方下降（60%–80%），后者被解释为部分冻结土壤。晚冬（2月底）首次降雨和融雪引发全剖面电导率尖峰。春季（4–5月）GI电导率下降10%–40%，而深层左侧持续上升。夏秋季节GI和步道区电导率缓慢下降20%–50%，直至秋季稳定。
3.4 降雨事件成像
对5次降雨事件的分析揭示两种典型响应模式：秋季模式表现为降雨后GI和步道下方体电导率快速上升6%–20%，随后数天恢复基线，变化主要发生在地下水位以上；春季/初夏模式则显示水位以上电导率下降4%–16%，同时饱和带深处上升约10%，且雨后不恢复至初始状态，表明溶质向下迁移。
3.5 聚类的季节性体电导率变化
五簇分类结果与已知地层结构吻合良好：簇1对应GI材料，簇2和簇3对应深层饱和带左右两侧，簇4对应道路下方碎石层，簇5对应步道下方区域。各簇展现出独特的季节性动态：GI在冬季初骤增90%，晚冬降雨后全剖面电导率尖峰20%–80%，春季下降10%–40%，夏秋再降20%–50%；深层左侧（簇2）全年呈缓慢上升趋势；道路下方（簇4）除冬季和高水位期外变化较小。
四、讨论与结论
讨论部分总结如下：
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体电导率分布与已知地层一致，背景电导率反映了多年除冰盐输入的累积效应，与地下水氯离子浓度升高相符。
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提出了GI全年行为的概化模型：早冬盐分入渗使GI表层电导率上升；晚冬降雨和融雪激活累积盐分，导致全剖面电导率尖峰；春季持续降雨驱动溶质沿水力梯度向下迁移，GI起到缓冲延迟作用；夏秋降雨主要引起浅层含水量驱动的电导率变化。
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交叉钻孔TL-ERT结合开源硬件（OhmPi）实现了低成本、高分辨率长期监测，TSC方法有效区分了不同水文地质单元的动态特征。
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局限包括：温度校正对部分冻结土壤的适用性、未就地监测降水量、开源硬件在粗粒碎石层中性能下降。未来应改进ERT采集策略，并结合多物理场数值模拟约束。
研究结论部分翻译如下：
在本研究中，研究人员将交叉钻孔时序电阻率层析成像（TL-ERT）与时间序列聚类（TSC）相结合，以调查城市环境中的地下过程。研究人员对一个路边绿色基础设施（GI）及其周边区域布设了高密度交叉钻孔ERT阵列和补充的水文地质传感器。自主地电监测进行了超过一年，捕获了传统方法难以观测的季节性和事件尺度动态。结果揭示了显著的季节性模式，特别是春季融雪期间的快速电导率变化，被解释为与除冰盐输入相关的氯离子迁移。监测证明TL-ERT能够在几何复杂且异质的城市环境中高效地以高时空分辨率解析小尺度地下电导率变化。电阻率数据的时间序列聚类有效地区分了地下不同的水文地质行为，突出了入渗和溶质运移的对比，这些很难仅通过点状测量识别。这些发现对城市水资源管理和基础设施设计具有重要意义。所提出的方法提供了经验性的、空间分布的数据，可支持在真实运行条件下对GI性能进行评估、验证和优化。此外，所得数据集为校准和约束城市环境中的水文、水文地质和溶质运移模型提供了宝贵基础。
