《Journal of Hydrology》：How to overcome hydrologic data scarcity in assessing potential groundwater risk to subterranean infrastructure: a finite-difference modelling approach
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在气候变化与人为压力背景下，污水管网中的地下水入渗（GWI）日益成为挑战，威胁排水基础设施的可持续性。然而，数据稀缺与复杂水文地质条件使风险评估困难。研究人员开发了一种有限差分地下水流动模型（MODFLOW），以识别英国西南部Dawlish非承压污水管网中GW
在气候变化与人为压力背景下，污水管网中的地下水入渗（GWI）日益成为挑战，威胁排水基础设施的可持续性。然而，数据稀缺与复杂水文地质条件使风险评估困难。研究人员开发了一种有限差分地下水流动模型（MODFLOW），以识别英国西南部Dawlish非承压污水管网中GWI易发性热点。为应对有限水文数据与硬岩水文地质条件，多种可迁移方法被整合进建模框架：采用多孔介质近似表征裂隙流；通过钻孔日志解译界定基岩面并估算水力属性；基于土地覆盖（LC）数据推导地下水补给；由流量—水位关系估算缺失河流水位；依据河网连通性与上下游位置赋予初始节点水头。上述输入与水力属性及补给量经校准细化。模型校准期为2007年10月至2020年9月，随后四年以月时间步验证，平均误差?0.05 m、平均绝对误差0.94 m、均方根误差1.62 m。进而将管段划分为高（地下水位高于管顶）、中（地下水位在管底以下2 m内）、低（地下水位低于管底超2 m）GWI易发性。85%以上暴雨溢流排放发生于高易发管段。所得热点图为主动巡检、维护与修复排序提供实用决策支持，促进可持续管网管理。
研究背景方面，地下水入渗（GWI）指地下水通过管道裂缝、接头失效等结构缺陷进入重力流污水管网的现象，在气候变化与城市扩张背景下其长期贡献可达污水总流量的50%以上，会引发处理能力下降、合流制溢流（CSO）增加及设施劣化。传统闭路电视（CCTV）检测成本高且难规模化，既往层次分析法（AHP）—地理信息系统（GIS）评价依赖专家权重而未显式刻画地下水动力过程。英国西南部Dawlish地区分布二叠系砂岩—角砾岩硬岩含水层，裂隙流主导、钻孔稀少、河流水位缺测，属典型数据稀缺且非均质强的水文地质场景。研究人员由此提出以物理基准有限差分模型耦合管网高程，构建可迁移的GWI易发性筛查框架，论文发表于《Journal of Hydrology》。
关键技术方法上，研究人员以Dawlish约138 km2流域为对象，整合599个钻孔地层日志、7口观测井2007—2024年水头序列、DEFRA河流流量与水位站数据及Climate Engine网格降水蒸发数据；基岩面由钻孔顶底插值生成，补给率按土地覆盖分5%—20%预设后经稳态校准固定；河流缺失水位由流量—水位回归及站间相关填补，初始水头取地形高程；采用单图层100 m×100 m有限差分网格、MODFLOW-NWT求解三维水流方程，以等效多孔介质近似裂隙流，边界用通用水头边界（GHB）与河流包；经稳态—非稳态试错校准（2007.10—2020.9）与独立48个月验证（2020.10—2024.9），并以ROC曲线与Youden指数检验阈值，叠加20%降水增幅气候情景应力测试。
研究结果部分，3. Results小节显示：稳态校准ME=?0.06 m、MAE=0.47 m、RMSE=0.54 m，非稳态校准ME=0 m、MAE=0.92 m、RMSE=1.60 m，独立验证ME=?0.05 m、MAE=0.94 m、RMSE=1.62 m，七口井水头趋势复现良好。敏感性分析中基岩面与渗透系数（K）为主导因子，给水度（Sy）、贮水率（Ss）及边界导水率影响微弱。选取2024年2月最浅地下水位作最不利情形，管网按地下水位埋深（GWD）与管底高差分级：高易发占23%、中易发13%、低易发64%；记录暴雨溢流（SO）点85.7%落于高易发段。ROC的AUC=0.839，最优切点GWD?管深=0 m（Youden J=0.553），证实水位触及管顶为临界阈值。20%降水增加情景下最浅GWD由92.3 m升至88.6 m，高易发段比例微增至25%，表明补给增强在低洼浅水区非线性放大风险。
讨论部分指出，框架以垂直分离量替代耦合SWMM—MODFLOW交互，牺牲局部精度换取区域可迁移性；基岩几何约束源于密集钻孔解译，是硬岩区GWI控制的第一序参数；等效多孔介质与月步长平滑了Branscombe Lane井短期波动，未显式刻划离散裂隙与单次暴雨响应，存在异终性（equifinality）但经204步校准与敏感分析缓释。结论部分翻译如下：本研究证明即便在数据稀缺与硬岩复杂条件下，区域地下水动态仍可有效支撑管网管理；模型验证ME=?0.05 m、MAE=0.94 m、RMSE=1.62 m，高易发段占23%却囊括85.7%溢流点，AUC=0.839确认GWD作为代理指标之效度；敏感分析指基岩面与K为主控，Sy等次之；20%降水增幅使高易发段升至25%，凸显浅水系统下微小水文变动对老化管网的放大效应；该框架将GWI评估由事件驱动转为主动空间筛查，未来可融入GLUE不确定分析、双层介质或离散裂隙网络及SWMM耦合以增进韧性。
