季节性驱动与基础设施对复杂环境系统中溶解氧动态的影响：城市流域的多尺度归因分析

《Journal of Environmental Management》：Seasonal drivers and infrastructure impacts on dissolved oxygen dynamics in complex environmental systems

　　

城市河流既是生命线，也是人为与气候压力的指示器，反映了开发、基础设施老化和环境变化的累积影响。在全球范围内，淡水系统正因城市化、气候变化和人类活动加剧而承受日益增长的压力，对生态系统完整性和人类福祉产生重大影响。淡水健康最关键的指标之一是溶解氧（dissolved oxygen，DO），它是水生代谢、养分循环和生物多样性的基本调节因子。溶解氧下降尤其令人担忧，因为低氧条件可引发鱼类死亡事件、生物多样性丧失和底栖群落退化。在气候变化下，这些风险预计将进一步加剧，因为河流温度升高降低了氧溶解度，同时增加了代谢需氧量，从而放大了城市水体低氧条件的可能性。 溶解氧被广泛用作水生生态系统状况的综合指标，因为它反映了物理、化学和生物过程的综合影响。低于生态阈值的溶解氧水平会损害水生生物生存并可能重组群落结构，而营养盐富集和有机物负荷可通过增强微生物呼吸和藻华动态进一步降低氧可用性。在城市流域中，溶解氧动态受季节性温度变化、水文变化和间歇性基础设施输入的相互作用所塑造。然而，这些驱动因素的相对贡献仍难以分离，因为它们在重叠但不同的时间尺度上运作，范围从瞬时暴雨驱动的脉冲到季节性气候循环。 在城市环境中，季节性压力与遗留基础设施系统相互作用，后者可成为间歇性但强烈的水质扰动源。其中，合流制溢流（combined sewer overflows，CSOs）是受纳水体的主要基础设施驱动压力源。当合流制排水系统（combined sewer systems，CSSs）在降雨事件期间超过容量时，CSO即发生，将雨水和未经处理的污水的混合物直接排放到地表水体。这些间歇性排放引入了有机物、营养盐和微生物负荷的脉冲，增加了生物需氧量，刺激微生物呼吸，并可迅速降低受纳河流中的溶解氧浓度。由于这些影响发生在事件驱动的时间尺度上，其对河流溶解氧动态的影响本质上是瞬态的，且与暴雨频率、强度和前期的水文条件密切相关。 许多较老的大都市地区继续依赖19世纪和20世纪初设计的合流制排水系统，这些系统早于现代环境法规、雨水管理标准和当代气候条件。随着气候变化下降水强度增加，这些遗留系统越来越无法容纳径流量，导致更频繁的溢流事件和更大的间歇性污染物负荷进入受纳水体。气候预测进一步表明，在降水强度预计增加的地区，未来极端降雨条件下CSO排放的频率和规模都可能增加，这对法规合规和水生生态系统恢复力具有影响。在全球许多较老城市中，老化基础设施与加剧的水文极端事件的耦合，凸显了理解事件尺度扰动如何在城市河流生态系统中传播的日益重要性。 尽管有广泛的监测工作，CSO活动在多年期内塑造溶解氧动态的作用仍未得到充分解析，因为CSO效应发生在短时间尺度上，因此难以在长期监测数据集中从更广泛的季节性和水文控制中分离出来。这一挑战因时间分辨率的溢流数据有限以及将间歇性基础设施事件与连续水质记录对齐的困难而进一步加剧。因此，CSO输入在多大程度上导致短期溶解氧消耗，以及这些效应是发生在溢流当天还是在滞后之后出现，仍不清楚。解决这一差距需要既能保留短期变异性又能保持与长期监测数据集兼容性的分析框架。在此背景下，在日时间尺度上对齐水文、季节性和水质变量，为评估环境和基础设施驱动强迫下溶解氧的即时和滞后响应提供了实用基础。 本研究利用费城（Philadelphia，宾夕法尼亚州）多个城市流域的十二年连续河内监测数据，结合地理空间衍生的CSO活动记录和气象观测，研究溶解氧动态。研究人员假设，在温度的主导季节性影响之外，CSO活动对城市河流中的溶解氧施加了额外的短期压力，且与CSO相关的溶解氧降低可能发生在溢流事件的同时或在随后数天内，响应的时间和幅度因流域而异。为验证这些假设，研究人员将所有变量统一到日时间分辨率，并应用多变量框架辅以滞后响应建模，以量化温度、水文条件和CSO活动对溶解氧动态的同时和延迟效应。研究人员进一步比较了干燥日、湿润非CSO日和CSO日之间的每日最低溶解氧，以区分渐进的環境控制与离散的CSO驱动扰动。通过纳入日变异性和捕获事件后响应的滞后结构，本研究提供了一个识别与城市污水基础设施和季节性变率相关的短期溶解氧压力的框架。尽管聚焦于单一都市区域，研究结果为老化污水系统、降水变率和河流温度升高的相互作用如何影响城市河流中的溶解氧条件提供了更广泛的见解，对识别脆弱河段和优先实施CSO缓解措施以保护水生栖息地具有重要意义。

论文解读

一、研究背景与问题

城市河流既是生命线，也是反映人为与气候压力的指示器。在全球范围内，淡水系统正因城市化、气候变化和人类活动加剧而承受日益增长的压力。溶解氧（dissolved oxygen，DO）作为淡水健康最关键的指标之一，是水生代谢、养分循环和生物多样性的基本调节因子。溶解氧下降可引发鱼类死亡、生物多样性丧失和底栖群落退化。在气候变化背景下，河流温度升高降低了氧溶解度，同时增加了代谢需氧量，进一步放大了城市水体低氧风险。

在城市环境中，季节性压力与遗留基础设施系统相互作用。其中，合流制溢流（combined sewer overflow，CSO）是受纳水体的主要基础设施驱动压力源。当合流制排水系统（combined sewer system，CSS）在降雨事件期间超过容量时，CSO即发生，将雨水和未经处理的污水混合物直接排放到地表水体，引入有机物、营养盐和微生物负荷的脉冲，迅速降低受纳河流中的溶解氧浓度。费城（Philadelphia）约60%的区域由合流制排水系统服务，大部分管网建于19世纪中叶至20世纪中叶，早于现代环境法规和设计标准。随着气候变化下降水强度增加，这些遗留系统越来越无法容纳径流量，导致更频繁的溢流事件。

尽管有大量监测工作，CSO活动在多年期内塑造溶解氧动态的作用仍未充分解析，因为CSO效应发生在短时间尺度上，难以从长期监测数据中的季节性和水文控制中分离。CSO输入在多大程度上导致短期溶解氧消耗，以及效应发生在溢流当天还是滞后之后，仍不清楚。本研究旨在通过日时间尺度的多变量分析框架，结合滞后响应建模，量化CSO活动和环境驱动因素对城市河流溶解氧动态的同时和延迟效应。

二、研究内容与意义

本研究利用费城四个流域（Cobbs、DD、PPK、TTF）的十二年（2013-2024年）连续河内监测数据，整合地理空间衍生的CSO活动记录和气象观测，在日时间分辨率上统一所有变量，应用多变量框架辅以滞后响应建模，量化温度、水文条件和CSO活动对溶解氧动态的同时和延迟效应。研究进一步比较干燥日、湿润非CSO日和CSO日之间的每日最低溶解氧，以区分渐进的環境控制与离散的CSO驱动扰动。

研究发现，溶解氧在所有流域均呈现一致的季节性模式，温度是主导解释变量，确立了基线溶解氧条件；CSO和湿润天气事件驱动短期溶解氧损害，且滞后效应因流域连通性和冲刷能力而异；多尺度监测可解析事件驱动和季节性的溶解氧变异性。研究意义在于识别脆弱河段、优先实施CSO缓解措施以保护水生栖息地，并为理解老化污水系统、降水变率和河流温度升高的相互作用提供更广泛见解。

三、关键技术与方法

研究人员使用了以下主要技术方法：从美国地质调查局国家水信息系统（USGS NWIS）获取八个连续监测站点的15分钟高频溶解氧、水温、pH、浊度和流量数据，经QA/QC筛选后聚合为日分辨率；从NOAA NCEI获取NEXRAD Stage IV雷达降水产品，匹配至各监测站；CSO事件记录来自费城水务局（PWD）校准的水文水力学（H&H）模型输出，该模型基于EPA-SWMM框架，经十年流量监测数据校准验证；使用ArcGIS Pro进行流域边界和CSO排放口空间分析；统计方法包括Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney U检验进行事件分层比较、分布式滞后模型（DLM）评估0-3天滞后结构、多元线性回归（MLR）量化多变量控制，以R2和RMSE评估模型性能，VIF检验多重共线性。

四、研究结果

3.1 各流域溶解氧动态

所有四个流域的溶解氧均呈现一致的季节性模式，浓度从春季下降至初夏，仲夏达到年度最低值，秋季和初冬恢复。上游站点通常维持高于下游站点的溶解氧浓度，与城市土地利用和基础设施沿流动路径的累积影响一致。Cobbs、DD和TTF的下游溶解氧持续低于上游，尤其在夏季。PPK流域则呈现下游高于上游的异常模式，可能与其监测河段上游缺乏CSO排放口有关。基于15分钟观测的非达标分析显示，TTF下游非达标频率最高，7月超过40%的观测低于5.0 mg/L，9月仍高于25%；Cobbs下游7月达16.4%。上游站点在所有流域均显示极少的超标。

3.2 跨尺度溶解氧动态的控制因素

3.2.1 水文条件下溶解氧的事件尺度变化

事件分层分析显示，所有站点的每日最低溶解氧（DO_min）在CSO日最低，但强度因站点而异。Cobbs下游分离最明显，中位DO_min从干燥日的7.4 mg/L降至湿润非CSO日的6.9 mg/L和CSO日的6.5 mg/L，所有配对对比均显著。TTF下游从干燥日的6.4 mg/L降至CSO日的5.4 mg/L。DD下游分离最弱，仅干燥日与CSO日对比显著。Kruskal-Wallis检验显示四个站点的事件类别间均存在显著差异，干燥日与CSO日的中位降低范围为DD下游的0.3 mg/L至TTF下游的1.0 mg/L。

3.2.2 CSO活动对溶解氧动态的滞后效应

分布式滞后模型揭示了流域依赖的响应时间结构。Cobbs的CSO效应较小但集中于滞后0和滞后1天，滞后2天减弱，滞后3天可忽略，表明响应持续数小时至约一天。DD系统在任何滞后期间均无可检测的显著滞后关系，系数接近零。TTF流域表现出最持续的响应，负效应从滞后0持续至滞后2天，最强响应出现在滞后1-2天，表明多天的溶解氧抑制持续。所有模型的解释力均较低（R2<0.02），RMSE约为2.21-2.49 mg/L，表明滞后CSO效应仅占每日溶解氧变异的一小部分，但其时间和方向在流域间系统性不同。

3.2.3 每日溶解氧变异性的多变量控制

多元线性回归模型在所有站点表现良好（R2=0.80-0.95；RMSE=0.16-0.51 mg/L），所有预测因子的VIF<2，表明多重共线性最小。水温是主导解释变量，在所有监测位置表现出强烈且一致的负效应（β≈?0.67至?0.86，p<0.001）。pH在所有站点呈正系数（β≈0.24-0.70，p<0.001），其余水文和基础设施相关变量的效应量较小且方向一致性较低。预测因子结构在流域间一致，变量重要性排序相似。

五、讨论总结

讨论部分指出，季节性温度控制是溶解氧动态的基线调节因子，温度定义了溶解氧基线容量包络，所有其他水文和生物地球化学扰动均在此范围内运作。事件驱动的溶解氧动态与基础设施相关的扰动特征表明，CSO排放作为需氧物质的间歇性脉冲，其影响程度因流域的传输效率、稀释容量和受纳河流敏感性而异。滞后分析显示CSO影响不限于溢流事件本身，在某些流域可持续数天，反映了水文和生物地球化学系统记忆的概念。研究局限性包括：空间监测覆盖限制了直接上下游归因；CSO输入依赖模型而非现场测量；事件级CSO数据聚合至日时间步长可能部分削弱单个溢流事件的短期溶解氧响应。未来工作将受益于直接CSO监测和纳入额外生物地球化学指标。

六、研究结论

本研究将长期高频溶解氧监测与水文和基础设施数据集相结合，以厘清控制城市河流网络溶解氧动态的相互作用因素。在所有流域中，溶解氧呈现由热强迫驱动的连贯季节性结构，通过温度依赖性溶解度和代谢需求建立了溶解氧可用性的基线物理约束。然而，这一季节性信号主要反映背景条件，主要发现在更细的时间尺度上出现，事件驱动的CSO影响和流域依赖的滞后响应驱动短期溶解氧抑制和多天持续性，这些在不同系统间系统性变化。

除这一主导季节性信号外，结果表明城市溶解氧动态进一步受流域形态、基础设施连通性和流动条件所塑造。日尺度分析显示溶解氧条件在干燥天气、湿润非CSO和CSO影响时期之间存在差异，将暴雨驱动的流量增加和CSO活动与溶解氧的短期变化联系起来。干燥日与CSO日之间的中位每日溶解氧降低范围为DD下游的0.3 mg/L至TTF下游的1.0 mg/L，最显著的降低发生在暖季低流量时期。

分布式滞后分析进一步揭示，CSO相关溶解氧压力的持续性在流域间差异显著。一些系统主要在滞后0或滞后1天表现出响应，而TTF表现出持续至滞后2天的负溶解氧响应，表明效应在CSO活动后延伸至约2天。这些结果表明，水力滞留、连通性和冲刷效率影响暴雨驱动CSO事件后溶解氧响应的持续时间。城市溶解氧损害因此不仅是渐进的季节性过程，还包括短期扰动，其生态意义可能与其时间范围不成比例。

总体而言，研究结果表明城市溶解氧动态源于热控制季节性基线与基础设施介导扰动之间的相互作用，后者的幅度和持续性在空间和时间上变化。这种基于相互作用的行为表明，有效管理不仅需要考虑长期季节性约束，还需要考虑城市水力系统的时序、连通性和恢复特征。更广泛地说，这项工作强调了持续高频监测和多尺度分析方法在识别脆弱河流河段、优先实施CSO缓解措施以及解析日益受季节性和基础设施压力的城市流域水质损害机制方面的价值。