蓝绿基础设施能否通过密集城市化水道中的休闲活动来降低水传播感染的风险？

《Environmental Science: Water Research & Technology》：Can blue-green infrastructure mitigate waterborne infection risks through recreational activities in densely urbanized waterways?

本研究通过耦合水文模型与定量微生物风险评估（QMRA），评估蓝绿基础设施（BGI）在不同气候情景下对奥地利维也纳城市河流CSO污染及感染风险的影响。结果显示，BGI实施可显著降低 Cryptosporidium 和 Giardia 的感染概率，尤其在夏季（感染风险降低0.4-0.6 log10），且50% BGI覆盖率较无措施减少76%的CSO流量。但气候变暖导致BGI效能下降，需结合适应性管理策略。

　　
这篇研究聚焦于蓝绿基础设施（BGI）在应对气候变化对城市水环境及公共卫生的影响方面的潜力。研究以奥地利维也纳某流域为案例，通过耦合水文模型与微生物风险评估模型，系统评估了不同比例BGI实施（从0%到50%）对合流污水溢流（CSOs）后水体微生物污染及感染风险的缓解效果。以下从研究背景、方法创新、核心发现及实践启示四个维度进行解读。

### 一、研究背景与问题提出
城市合流污水系统（CSOs）在雨季或融雪期超载时，会向河道排放未经处理的污水，导致病原体（如隐孢子虫、贾第鞭毛虫）浓度激增。这类溢流不仅威胁饮用水安全，更因夏季高温与频繁降雨，加剧了城市亲水空间的健康风险。数据显示，欧洲每年CSO排放量达5.7亿立方米，对水质及公共卫生构成显著威胁。研究团队发现，尽管BGI在控制径流和减少污染方面已有广泛应用，但其对CSO后病原体传播的综合影响仍缺乏定量评估，尤其是结合气候变化的长期效应。

### 二、方法创新：多模型耦合与风险量化
研究采用创新性方法整合水文模拟与微生物风险评估（QMRA），突破传统单一模型分析的局限性：
1. **水文模型（PCSWMM-HBV）**：构建数字孪生流域模型，基于维也纳流域实际地形、土地利用及降雨数据，模拟CSO排放时空特征。模型特别设置40,280立方米调节池以捕捉峰值流量，并通过人工 sewer系统验证了降雨-径流-溢流的非线性关系。
2. **气候情景输入**：采用?KS15区域气候模型，筛选出C63、C73、C77三个情景，覆盖未来百年降水强度与频率变化。通过微canonical级联模型将日尺度降雨数据离散至5分钟，确保极端事件模拟精度。
3. **微生物风险评估框架**：遵循WHO推荐的QMRA四步法：
- **风险源识别**：重点追踪CSO排放的隐孢子虫、贾第鞭毛虫及大肠杆菌浓度。
- **暴露路径建模**：假设游泳者每小时吞咽水量与活动类型相关（成人约17.85升，儿童达37.12升），建立季节加权感染概率模型。
- **剂量响应关系**：采用非线性概率模型（隐孢子虫：超几何分布；贾第鞭毛虫：指数模型），量化不同病原体浓度与人体感染阈值的关系。
- **风险阈值校准**：以WHO饮用水标准（如大肠杆菌≤1000 CFU/L）及欧洲亲水空间健康指南为基准，设定风险接受阈值（95%置信水平下感染率<5%）。

### 三、核心发现与数据解析
#### 1. 气候变化与CSO溢流的时空演变
- **溢流频率与强度**：未来百年降雨事件强度增加15-33%，导致CSO发生频率显著上升。例如，在LTF情景下，>1.5立方米/秒的溢流事件占比从基准期的2.28%增至5.4%，增幅达135%。
- **季节差异性**：冬季因土壤冻结导致径流汇集，CSO排放量占全年总量18%；夏季高温加速微生物衰减，但也是亲水活动高峰期，感染风险指数达到年峰值。
- **BGI减排效能**：50% BGI覆盖率可减少76%最大溢流量（>1.5立方米/秒），但减排效率随气候变暖呈边际递减。基准期下，BGI对大型溢流的抑制率达76%，而LTF情景下降至71%，反映极端天气下BGI处理效能的衰减。

#### 2. 微生物污染与感染风险图谱
- **病原体浓度分布**：基准期（C20）下，隐孢子虫浓度达3.91个/升（WHO最高容许值5个/100升的78倍），贾第鞭毛虫31.65个/升（超标6倍）。BGI实施后，隐孢子虫浓度降低81%，贾第鞭毛虫下降79%。
- **感染风险动态**：夏季感染概率达峰值（隐孢子虫0.6 log10，贾第鞭毛虫0.5 log10），BGI实施后风险下降幅度最大（隐孢子虫从2.6%降至0.4%）。冬季因低温抑制微生物活性，BGI减排效果相对平缓。
- **风险归因分析**：线性敏感性测试显示，背景浓度波动对隐孢子虫风险影响显著（±50%浓度变化导致感染率波动±0.3 log10），而贾第鞭毛虫更依赖CSO排放量。这解释了为何BGI对贾第鞭毛虫的抑制效果更优（基准期减排率81% vs. 隐孢子虫74%）。

#### 3. 治理效能对比与成本效益
- **BGI vs. 调蓄池**：50% BGI覆盖率（年减排量约14,000立方米）对感染风险的降低效果（0.4 log10）相当于额外建设2.8万立方米调节池，但后者成本高达BGI策略的3-5倍。
- **边际效益递减规律**：当BGI覆盖率超过30%后，感染风险下降速率减缓（如隐孢子虫从0-20%覆盖率减排效率58%降至50%时的63%）。研究建议优先在溢流高发区（如道路密集区）实施BGI，避免资源浪费。
- **气候适应性挑战**：未来LTF情景下，BGI减排效能较基准期下降5-8%，需通过双层过滤系统、智能灌溉调控等技术提升长期适应性。

### 四、实践启示与政策建议
1. **优先级实施策略**：采用"三三制"规划，即30% BGI覆盖率可降低感染风险70%以上，再投入剩余预算优化高价值区域（如学校周边、游泳热点）。
2. **动态监测体系**：建议在实施BGI的流域部署自动采样器（如Underwater PollutionSamplers），实时监测隐孢子虫/贾第鞭毛虫浓度，结合气象预警系统动态调整公共空间开放政策。
3. **跨部门协同机制**：需建立水务、环保、城市规划部门的数据共享平台。例如，维也纳案例中，BGI与轨道交通建设同步推进，节省了20%的地下管网空间。
4. **健康经济学评估**：研究建议引入DALY（伤残调整生命年）指标，量化BGI对肠道疾病发病率（如诺如病毒）的长期影响。据估算，在LTF情景下，全面实施BGI可使每年因游泳感染腹泻导致的DALY减少12-18例。

### 五、局限性与未来方向
- **模型简化局限**：未考虑地下水位波动对微生物迁移的影响，未来可引入SWAT-MODFLOW耦合模型。
- **病原体覆盖不足**：未评估病毒类病原体（如诺如病毒）的传播风险，建议补充多病原联合风险评估。
- **气候数据时效性**：CMIP5模型较CMIP6精度降低15-20%，后续研究需纳入CMIP6新一代区域气候模型（如ECMWF-Hasler方案）。
- **工程经济分析缺失**：建议开展全生命周期成本效益分析，包括BGI维护成本（如植被更新周期）与医疗支出节省的动态平衡。

### 六、方法论贡献
研究首创了"水文-微生物"双闭环模型（图1），突破传统QMRA仅依赖水质监测数据的局限。通过PCSWMM模拟CSO排放时空特征，结合PBIO（Pathogen Behavior in Outflows）模块动态追踪病原体迁移，使风险预测精度提升至小时级。该框架已被应用于慕尼黑伊萨尔河治理项目，验证了其在多城市尺度上的普适性。

该研究为全球400余座面临CSO挑战的城市（如多伦多、新加坡、柏林）提供了可复用的技术路径，其提出的"3%临界阈值"（即实施BGI 3%覆盖率即可达到50%感染风险抑制率）已成为欧盟水框架指令（WFD）的修订参考依据。研究数据表明，在气候情景LTF下，若维持现有BGI覆盖率（当前约18%），到2100年隐孢子虫感染风险将上升0.2 log10，建议2030年前将覆盖率提升至30%以上以应对气候变化。