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导读

Global perspectives on groundwater infiltration to sewer networks: A threat to urban sustainability 由 Nejat Zeydalinejad、Akbar A. Javadi 和 James L. Webber 于2024年发表在Water Research期刊。文章通过对 83 项相关研究的系统综述，深入探讨了地下水渗入污水管网（GWI）的研究现状、影响因素、面临的挑战及未来研究方向等，旨在引起对城市地下水与污水管网可持续性的关注。

1 | 研究背景

地下水与污水管网的重要性及面临的压力：地下水系统对人类文明、生态系统至关重要，但目前面临着土地利用变化、污染、人口增长等多种压力。污水管网作为城市关键基础设施，负责收集和输送废水，但GWI会影响其正常功能，如导致污水未经处理直接排放、系统容量下降、结构恶化等，进而对环境和人类健康构成威胁。

GWI研究的不足：尽管污水管网相关研究众多，但对GWI的关注相对较少，尤其是在量化分析方面存在明显不足。现有研究多集中于污水输送、管网故障等方面，而对GWI的研究缺乏全面性和系统性，在数据、建模、研究范围等方面存在诸多局限。

图1 地下水与管道污水间的交换方式

2 | 研究方法

系统检索与筛选：运用系统方法，在Google Scholar和Web of Science中检索2001-2024年期间相关关键词的同行评审文章，关键词涵盖“sewer systems”“groundwater infiltration”等，通过组合搜索字符串构建综合查询，确保全面涵盖相关研究。

严格的纳入标准：纳入标准包括同行评审状态、英文发表以及与污水管网中GWI相关。筛选过程先审查摘要，符合主题后扫描全文，最终确定相关性，共筛选出83篇研究论文，其中45篇关于潜水层的GWI，38篇关于包气带的GWI。

3 | 研究结果

(1)定量分析分类与研究趋势：将GWI定量分析分为潜水层和包气带两类。研究趋势显示，对GWI的定量分析日益频繁，且潜水层相关研究增长显著，近年来研究更全面，纳入了气候变化、海平面上升、地表水与地下水相互作用等因素。

(2)研究目标与关键发现

目标多样化：涵盖GWI比例、与降雨和污水流量模式的相关性、对地表水和污水处理的影响、修复受损管网、城市水循环和预算、气候变化影响、季节性波动、风险区域定位等多个方面。
关键发现：GWI比例在不同地区差异大；其在夜间、冬季和夏季有不同变化；与污水管网和城市河流存在相互作用；受多种因素影响，如土壤类型、城市化、气候变化等；气候变化加剧了沿海地区GWI风险；污水管网老化和缺陷影响GWI；监测对解决GWI问题至关重要。

(3)研究区域与方法

研究区域：主要集中在沿海地区，美国和欧洲国家是主要研究贡献者，原因包括海岸线邻近、气候变化和海平面上升影响以及浅层地下水位等，但研究仍显不足。
研究方法：数据包括水文、地质、污水管网等多方面；模型涵盖数值模型（如MODFLOW）、实地调查、水均衡分析、水文图分离等多种方法；不同区域研究方法有所差异，潜水层以数值方法为主，包气带以实地调查和水均衡分析等为主，GIS和AI在两区域应用均有限。

图2 关于污水管道地下水入渗研究区域的全球分布

4 | 研究局限性

案例研究短缺与跨学科性：地下水相关研究较少，涉及GWI的研究存在数据不可靠、缺乏代表性、时空风险地图绘制不足等问题，跨学科研究虽必要但实施困难，且在国家和城市尺度研究有限，对地下水弹性研究不足。
数据稀缺：污水管网数据获取困难，准确性和完整性差，影响对GWI和管网状况的评估，城市水文系统模型面临数据挑战，包括管道泄漏位置和范围记录不足、局部气候和水文观测缺乏等。
建模复杂性：简单模型无法准确描述复杂的GWI过程，经验方法存在不确定性，商业模型功能有限，数值模型需要精确地质输入且不同方法有各自的假设和不确定性，城市地下水模型还面临空间异质性和数据不确定性等问题。
尺度约束：研究尺度影响方法选择，不同过程的时空尺度差异大，耦合不同时间步长的模型存在困难，研究时间周期多样，且模拟城市区域的GWI面临诸多挑战，如“城市喀斯特”现象的复杂性。
GWI过程的复杂性：GWI过程复杂，受多种因素影响，其来源多样，同时发生的事件可能导致复合洪水，对渗入水的去向了解有限，“城市喀斯特”现象使模拟城市区域GWI极具挑战。
城市异质性：城市发展改变了浅层地下水和地下环境，下垫面的变化给地质建模带来挑战，其水力特性和地下结构影响地下水流动，城市地区水文复杂性高，且地下水补给情况受多种因素影响，需综合考虑。

5 | 未来研究方向

数据方面：加强实地调查，提高监测技术，推进数字化和计算能力，优化数据收集，利用现有数据，以获取更准确的地下水水位等数据，支持GWI研究和建模。
研究方面：解析GWI比例，优先研究高风险区域，绘制风险地图，考虑多种情景，采用多学科方法，运用相关指数评估系统，考虑社会经济因素，加强部门间对话，调整发展和管理策略，推动城市地下水可持续性研究。
建模方法：评估模型有效性，进行敏感性分析，整合地表水和地下水模型，采用先进建模框架，结合GIS、机器学习和数字孪生技术，提高建模精度，更好地模拟GWI过程。
污水管网方面：考虑GWI对管网容量的影响，规范管网连接，更换化粪池，采取措施平衡管网与地下水关系，提高管网设计和管理水平，适应环境变化。
适应方面：对GWI超标的情况采取应对措施，推动管网适应性改造，采用基于自然的策略，优先研究易受影响区域，确定和优先实施干预措施，提高城市应对GWI的能力。

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