城市施工期间雨水水质动态：来自芬兰南部反事实配对流域分析的见解

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Stormwater quality dynamics during urban construction: Insights from a counterfactual paired-catchment analysis in southern Finland

　　

研究区域：芬兰南部埃斯波的Saunalahdenranta (SR)流域。研究焦点：城市施工阶段对雨水系统引入突然且非平稳的扰动，但其水文和水质影响仍未得到充分量化。本研究使用配对流域反事实建模框架调查施工阶段事件尺度径流-污染动态的变化。一个附近的稳定城市流域Vallikallio (VK)被用来定义无主动施工扰动的参考信息累积-冲刷行为，而SR模型被用来在观测的气象强迫下模拟稳定基准。研究人员使用非参数效应量和负荷分解评估观测与反事实之间的差异。理解这种动态变化改进了非平稳条件下的雨水建模和适应性管理。区域新水文见解：结果显示水质出现急剧的、有时限的退化，事件平均总悬浮固体(TSS)浓度的年单位数从2001年到2004年施工峰值增加了6.6倍。等级双列效应量分析表明，在施工高峰期，观察SR中较高TSS浓度的概率增加到约70-75%。反事实比较进一步显示，2004年观测的事件平均浓度(EMC, event mean concentration)中位数是相应参考信息反事实中位数的3.3倍，这区分了相对于稳定城市条件的更广泛观测时间变化与峰值年份偏差。负荷分解表明，早期阶段的偏差部分与水文相关，而施工高峰期偏差主要由浓度相关的低估主导，与沉积物可用性增加一致。这些发现表明，施工阶段可能与短暂的但高影响的雨水水质状态相关，这些状态未被静态的累积-冲刷参数化所捕捉。

城市施工期间雨水水质动态：基于反事实理论的新见解

城市化进程不可避免地改变地表覆盖和水文过程，导致雨水径流中污染物输移特征发生显著变化。在城市发展诸阶段中，施工建设期虽短暂，却能产生不成比例的高沉积物和污染物负荷。然而，现有研究多聚焦于完全开发的城市流域，对施工期间水文与水质动态变化的量化仍十分有限。传统雨水模型（如美国环保署的暴雨管理模型SWMM，Storm Water Management Model）通常假设静态土地利用和固定的污染物累积-冲刷（buildup-washoff）参数，无法反映施工活动导致的快速扰动和非平稳过程。因此，如何区分施工相关的水质偏差与背景水文气象变异，成为该领域亟待解决的关键问题。为填补这一研究空白，研究人员开展了本次研究，论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

研究人员利用芬兰南部两个配对流域——施工中的Saunalahdenranta (SR)流域和稳定城市Vallikallio (VK)流域——构建了反事实（counterfactual）分析框架。该框架的核心思想是：通过稳定参考流域VK定义成熟城市条件下的累积-冲刷行为，并将其参数通过土地覆盖类型转移至SR，从而模拟SR在无施工扰动情况下的稳定基准（基准年配置为2006年近完工状态）；然后，对比观测数据与反事实模拟结果，量化施工引起的水质偏差。

主要关键技术方法包括：首先，使用SWMM进行水文和水质模拟，其中污染物累积采用指数函数（B(t)=B_max(1-e^-k_bt)），冲刷采用指数函数（W=C₁q^C₂B）。其次，利用遗传算法（GA, Genetic Algorithm）对VK流域的水质参数进行校准，以最大化纳什-萨特克里夫效率系数（NSE, Nash-Sutcliffe Efficiency）。第三，采用体积加权中点浓度法（VWMC, Volume-Weighted Midpoint Concentration）从离散水样估算事件平均浓度（EMC）和负荷。第四，运用非参数统计检验（Kruskal-Wallis检验、Mann-Whitney U检验）和等级双列效应量（rank-biserial effect size, r_rb）分析不同施工阶段间的差异。最后，通过Shapley式负荷分解将总负荷偏差分解为浓度驱动和径流体积驱动两部分。样本队列来源于芬兰南部埃斯波的两个流域：SR（面积8.5-13.2 ha，施工期2001-2006年）和VK（面积0.13 km²，不透水率约50%，为稳定城市参考）。

研究结果主要分为以下四个部分：

**4.1 模型校准与性能评估**：通过校准VK水质参数，得到稳定城市条件下各土地覆盖类型的累积-冲刷参数（如B_max、k_b、C₁、C₂），模型在校准期和验证期均表现良好（NSE分别为0.97和0.95以上），表明VK可提供可靠的稳定城市参考。SR水文模型基于2006年近完工状态校准，NSE和KGE均高于0.90，验证事件也呈现高精度，为后续反事实模拟提供了可靠的水文引擎。

**4.2 施工期间降雨和径流特征的变化**：通过对SR三个施工阶段（P1: 2001-2003早期开发/低不透水率；P2: 2004转变与施工高峰期；P3: 2005-2006后期施工/近完工）的统计检验，发现虽然在降雨深度和强度上无显著差异，但观测径流体积和EMC均呈现显著变化（Kruskal-Wallis检验，体积p=0.001，EMC原始p=0.023但经Holm校正后边际显著）。配对Mann-Whitney U检验显示，P2期间EMC中位数从P1的约40 mg/L升至135 mg/L，径流体积从115 m³升至293 m³，而在P3阶段两者均部分恢复。相比之下，参考流域VK各阶段无显著差异，证实了SR的施工干扰效应。

**4.3 各开发阶段模型性能**：将固定参数SWMM应用于SR各阶段，发现模型在P2期间严重低估EMC：EMC偏差（Model - Observed）中位数从P1的-3.81 mg/L骤降至-95.10 mg/L（相对变化+2400%），而VK的偏差保持稳定。密度图显示P2期间SR偏差分布明显左移且更分散，表明固定参数模型无法捕捉施工高峰期升高且变异性大的TSS浓度。P3阶段偏差部分恢复，接近VK水平。

**4.4 年度效应量分析**：观测EMC的效应量（SR vs VK，r_rb）从2001年的负值（-0.40）转为2004年的强正值（+0.48），表明施工高峰期SR中TSS浓度超过VK的概率达到约75%。反事实模型EMC效应量始终为负（-0.9至-0.4），与观测趋势完全相反，揭示了静态参数化在快速土地利用变化中的结构性缺陷。偏差效应量分析进一步显示，浓度偏差（B_C）和浓度驱动负荷偏差（ΔL_C^Sh）在2002-2004年呈强负值，而径流体积驱动负荷偏差（ΔL_Q<sup>Sh）在早期为正，说明早期偏差部分由水文不匹配补偿，但高峰期浓度低估主导。负荷分解的年际贡献表明，SR在2004年浓度分享（S_CSh）达到约0.74，成为负荷偏差的主要来源，而VK始终稳定在0.60-0.70。

**讨论部分**：本研究揭示施工阶段是一种瞬态污染状态，其沉积物可用性不仅受径流影响，更受重复扰动、快速变化连通性和不完整稳定化的控制。反事实框架提供的偏差信号，而非简单参数不可转移性，可作为扰动强度的诊断指标。传统静态累积-冲刷公式在动态演变系统中存在结构局限性，施工阶段可能需要自适应参数化或时变源系数。

**结论部分**：本研究考察了施工期间的雨水水质动态，并表明施工阶段可能代表一种独特且瞬态的污染状态，其中雨水水质受偶发性沉积物可用性支配，而非城市径流模型中通常假设的稳态过程。通过将配对流域设计与反事实建模相结合，该分析为评估施工相关偏离稳定城市雨水水质行为提供了参考依据。尽管在稳定条件下进行了校准，但模型在施工期间系统性低估了水质影响，表明传统累积-冲刷公式在表征瞬态沉积物动态方面存在结构局限性。重要的是，观测与反事实响应之间的差异为扰动强度和过程变化提供了诊断指标，强调了基于差异的方法在城市水文系统状态转变识别中的潜力。从实践角度看，这些发现强调施工阶段可能是高沉积物负荷的主要贡献者。因此，在施工期间的雨水管理应结合分阶段平整、快速稳定化、沉积物拦截设施以及施工关键阶段的流量和TSS监测。未来工作应聚焦于将施工特定动态整合到雨水模型中，并开发明确考虑瞬态污染物生成过程的基于活动的框架。</sup>