利用社区收集的数据和区域海洋模型评估圣莫尼卡湾城市径流导致的浪涌区暴露风险

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Assessing surfzone exposure risk from urban runoff using community-collected data and a regional ocean model in Santa Monica Bay

　　

高分辨率ROMS回溯模拟和社区细菌数据显示，圣莫尼卡湾降雨后污染持续4至8天，超过72小时准则。
停留时间反映两种机制：水动力滞留和源头驱动的持续性。
示踪剂比盐度更可靠地捕捉亚中尺度滞留。
基于降雨的机器学习预测器在预测超标事件方面技能有限，凸显了基于物理的、站点特定的预警系统或更密集观测数据集的必要性。
引言
城市沿海地区面临持续的水质挑战，尤其是在降雨事件之后，当暴雨径流将来自街道和雨水管渠的混合粪便指示细菌、营养物和重金属输送到近岸海洋时（Noble等，2003；Ahn等，2005）。这些输入可能对生态系统和人类健康构成重大风险，特别是在娱乐海滩，接触被污染的水可能导致胃肠疾病和其他健康影响（Dwight等，2004；Tseng和Jiang，2012；Harding等，2015）。暴露的负担并非均匀分担：服务不足和移民社区受到的影响不成比例，因为他们严重依赖自给渔业来应对食物不安全，而且在当地海滩不安全时往往缺乏替代资源和渔业场所（Stevenson等，2012；Pitchon和Norman，2012）。此类问题广泛存在：夏威夷的希洛湾和欧胡岛海滩在降雨后经常经历细菌超标（Economy等，2019），而纽约港（Taillie等，2020）、旧金山湾（Weston等，2015）和悉尼港（Birch，2011）等城市海岸也面临类似的暴雨径流驱动的污染挑战。
在南加州，这一问题在圣莫尼卡湾（SMB）尤为严重，每年有超过5000万人参观洛杉矶县海滩（洛杉矶县海滩与港口局）。为保护公众健康，洛杉矶县公共卫生局（DPH）和加州环保署等区域机构通常建议在降雨后72小时内避免接触海洋。与普遍认知相反，72小时截止值并不反映粪便指示细菌的自然消亡时间——后者随环境条件变化很大（Carlucci和Pramer，1959；Zhang等，2015），而是源于流行病学研究的分类设计，该设计将降雨后72小时内发生的暴露定义为"湿"暴露（如Arnold等，2017）。
实证研究对该预防性规则的支撑不一。例如，Ackerman和Weisberg（2003）分析了1995年至2000年间洛杉矶县20多个海滩的细菌记录，建立了降雨、出水口与海湾细菌超标之间的相关性。但他们发现，如果水质通常在三日内恢复至安全水平，则较大风暴后的超标事件往往持续达五天。随着气候变化导致南加州风暴更加频繁和强烈（Huang和Swain，2022；Dettinger，2011），加上土地利用和径流基础设施的变化，今天污染物的持续性可能显著偏离这些模式。
除暴雨径流输入外，废水排放也是圣莫尼卡湾及全球许多城市沿海地区的另一个重要细菌来源。历史上，海洋出水口被设计用于处置经过处理的污水，假设快速稀释和自然降解会使污染物无害。然而，当分层减弱时（特别是在冬季风暴期间），排放羽流可能上浅或到达海面，偶尔侵入海滩（Uchiyama等，2014；Ho等，2021；Ho等，2023），加剧暴雨径流驱动的污染事件。为简化起见，本研究未明确调查排放污水对冲浪带细菌的贡献。
公民科学在记录沿海暴露风险方面发挥着关键作用。在SMB，冲浪者基金会的志愿者运营的蓝天水任务组（BWTF）在洛杉矶县11个海滩保持了长期的细菌监测，补充了县的记录和其他非政府组织主导的区域水质计划。我们在此聚焦BWTF数据集，因为其历史记录是公开可获得的。这份社区收集的数据识别了持续存在的水质较差热点区域，并通过每周更新的网站提高公众意识。由于BWTF采样无论降雨或警示状态均进行，它提供了原位条件的无偏视图，包括降雨驱动的径流、旱天超标和偶发的污水泄漏。其主要局限是时间性：大多数站点仅每周采样一次，因此记录不足以反映高频变化。
机器学习（ML）已被证明对环境预测有用，包括海滩水质的临近预报（如Searcy等，2018；Park等，2018；Wang等，2021）。此类模型的准确性通常需要长时间、高频记录以及覆盖全部水文条件的样本。在此背景下，BWTF记录最强大的作用是作为独立的地面真值标签来源：它约束了慢性热点和暴露模式，并可用于评估或校准预测模型，而稳健的机器学习训练通常需要以更高频的监测数据和/或基于物理的预测因子来增强这些观测。
暴露风险的一个关键物理量度是污染物停留时间，即降雨淡水（及其相关污染物）在近岸停留的持续时间。停留时间受当地环流、风和波浪强迫以及冲浪带滞留的强烈影响，这些可以延缓稀释并延长暴露窗口。南加州海岸的野外和模型研究表明，冲浪带环流和波浪驱动的交换可以强烈调节冲刷时间，停留时间从数小时到数天不等，取决于当地强迫和水深（如Grant等，2005；Feddersen和Guza，2007；Kumar和Feddersen，2017）。这些努力强调停留时间并非固定属性，而是随站点特定的动力学而变化。最近的工作进一步表明，简化的维度模型可以捕捉波浪驱动系统中沿岸示踪剂的输运和衰减（Brasseale等，2023），但将此类方法应用于具有多个径流输入的复杂海岸几何形态需要更精细的工具。
为弥补这一空白，我们使用区域海洋模型系统（ROMS）来估算SMB径流羽流的停留时间。该模型以100米分辨率解析近岸动力学，并包含波浪效应以代表包括内架亚中尺度流在内的海岸过程，这些过程控制污染物的滞留和冲刷（McWilliams，2016；Romero等，2016）。在本研究中，我们分析了风暴季的模拟回溯并结合冲浪者基金会BWTF的历史社区收集记录，以评估72小时准则的充分性。当前的环流模型及相关扩散研究是新颖的，因为它结合了真实河流出水口与表面重力波对水流的作用（McWilliams等，2004；Uchiyama等，2010），同时解析亚中尺度及更小尺度的海洋特征并分析近岸停留时间。通过整合基于物理的建模与社区监测，我们的分析建立了SMB污染物滞留和停留时间作为解释和细化公共卫生警示的指标的基线理解。
本文的结构如下：第2节介绍研究地点，描述BWTF、降雨和径流数据集，使用BWTF和降雨数据集配置机器学习模型以预测SMB细菌水平，以及ROMS回溯模拟的配置。第3节展示结果，包括BWTF观测值与降雨关系的统计分析。它揭示了BWTF-降雨机器学习模型的技能有限，并说明了设计基于物理的海洋模型及其停留时间分析的动机。第4节概述了我们方法的主要局限。第5节通过总结关键发现、强调与72小时准则的偏差及其对沿海水质管理的更广泛影响来结束全文。区域波浪气候在附录A中。ROMS回溯模拟示踪剂守恒闭合在附录B中。附录C列出了研究区域内引用的所有位置。
第2节
数据与方法概述
我们在分析中使用三个主要数据来源：(i)冲浪者基金会BWTF在圣莫尼卡湾10个站点的海滩细菌计数，(ii)区域雨量站的每日降雨记录，以及(iii)南加州沿海水研究项目（SCCWRP）和洛杉矶县雨水排水系统的每日径流记录。这些数据共同为评估暴雨事件后细菌超标与模拟羽流停留时间的比较提供了基础。
全湾超标作为降雨和降雨后时间的函数（LAX）
我们使用2009–2024年的BWTF记录来评估与降雨相关的超标事件。在1433个样本中，157个超过加州高细菌阈值（>104 MPN/100 mL）。交叉参照LAX、Malibu和Big Rock雨量站，99个（63%）高超标事件发生在降雨后72小时内，23个（15%）发生在72小时至14天之间，35个（22%）发生在最后一次降雨后14天以上（总共37%在72小时之后）。因此，超过三分之一落在72小时警示窗口之外，五分之一……
第4节
讨论
我们对社区收集的BWTF水质记录和高分辨率数值建模的整合分析为SMB中控制污染物持续性的物理机制提供了新见解。通过显式解析100米分辨率的近岸环流，包括表面重力波（WEC）的影响，本研究旨在实现真实感并将径流羽流的停留时间与观测到的细菌超标模式联系起来。下面我们概述当前方法的关键局限……
第5节
总结与结论
本研究整合了冲浪者基金会BWTF十五年的社区收集细菌观测与SMB高分辨率（100米）ROMS回溯模拟，以检验暴雨后污染物理控制因素。2009–2024年BWTF记录分析表明，肠球菌超标事件经常在72小时后持续（占超标事件的37%），特别是在Ballona、Malibu和Topanga Creek等主要径流源附近，恢复通常需要四到八天……
CRediT作者贡献声明
Delphine Hypolite：原创草稿撰写、可视化、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式化分析、数据整理、概念化。Athena Ansyah：审阅与编辑、可视化、调查、形式化分析、数据整理。Aisha Mardini：审阅与编辑、可视化、形式化分析。Daniel Dauhajre：审阅与编辑、监督、方法论、调查、概念化。James C. McWilliams……
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的与本文报告工作相竞争的财务利益或个人关系。
致谢
我们深深感谢冲浪者基金会洛杉矶分会在社区海洋监测方面的合作伙伴关系和持续努力。我们特别感谢Eugenia Ermacora（冲浪者基金会洛杉矶分会经理）、Mara Dias（冲浪者基金会水质计划高级经理）、Michaela Coats（冲浪者基金会南加州区域经理）、Jaime LeDuc（冲浪者基金会蓝天水任务组经理）、Edith Leung（SFLA BWTF联合负责人）以及……
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