《Ecological Engineering》：A quantitative microbial risk assessment (QMRA) framework for optimizing harvestable volume in stormwater reuse systems
编辑推荐：
本研究提出整合量化微生物风险评估（QMRA）与随机水文模型的新型方法，优化城市雨水回用系统设计。通过逻辑回归模型简化风险评估，确定最佳水量为4500立方米/次，在风险低于WHO标准（10^-6 DALYs）的同时，减少60%未处理径流排放，促进水生态系统可持续恢复。
B. Szel?g | V. Barros | A. Kiczko | J. González-Camejo | K. Barbusiński | E.R. Rene | P. Kowal | F. Fatone
基尔采工业大学岩土工程与水工程系，波兰基尔采，Al. Tysi?clecia Państwa Polskiego 7，25-314
摘要
城市雨水回收系统是一种关键的生态技术，有助于恢复水文循环，并为人类群体和自然生态系统带来互惠利益。这些系统的设计需要平衡生态系统服务的提供（最大化可收集的雨水量）与人类健康保护（最小化病原体风险）。本研究提出了一个新颖的框架，将定量微生物风险评估（QMRA）与随机水文建模相结合，以优化雨水回收系统的设计。建立了一种定量的、基于过程的关系，将可收集的雨水量与人类健康风险（以伤残调整生命年（DALYs）衡量）联系起来。通过对长期降雨数据的合成时间序列应用逻辑回归，创建了一个计算效率高的风险评估模型。在一个城市流域的案例研究中，结果表明，将可收集的雨水量从3000立方米增加到6000立方米，年水量增加了40%，但平均年风险从10^-7增加到不可接受的10^-5 DALYs。逻辑回归模型（AUC > 0.90）确定了最佳设计水量为4500立方米，这可以在确保风险低于世界卫生组织（WHO）设定的10^-6 DALYs基准的同时，最大化水资源的再利用。这种最佳方案还可以防止超过60%的未经处理的径流排放到接收水体中，从而直接有助于河流的恢复。
这种方法通过提供一种可转移的、定量的工具来推进生态工程，用于设计能够恢复自然水文过程的城市水生态系统，同时确保人类安全。该方法使从业者能够在不进行计算密集型模拟的情况下优化收集基础设施，支持可持续的城市生态系统修复。
引言
气候变化和快速城市化的双重压力正在创造一个全球性的水资源悖论。降雨事件的加剧增加了城市径流量（Lim等人，2015年），导致污水管道溢流（Ke等人，2022年）并降低了接收水体的水质（Al Aukidy和Verlicchi，2017年），而平均气温的上升和天气模式的改变通过增加蒸发蒸腾作用和降低地下水位加剧了水资源短缺（Jalliffier-Verne等人，2016年）。目前，这个问题正在扩大规模，研究人员正在寻找易受水资源短缺影响的地区（Mondal等人，2023年）以及无法将饮用水用于非饮用目的（如灌溉绿地、冲厕等）的地区的替代水源。文献数据（Ghodsi等人，2023年）表明，雨水和污水的回收可以减少这些水源对接收水体的负面影响。处理后的废水也可以用于绿化空间的灌溉、花园冲洗等。在城市流域内规划水资源再利用时，必须确保维持接收水体生态功能所需的最低环境流量。
尽管雨水回收系统具有潜力，但其广泛实施受到重大技术和制度障碍的阻碍（Xu等人，2023年）。一个关键技术障碍是对降雨量、地表径流、雨水排水系统中的污染物存在及其对环境和公共健康相关风险之间关系的理解不足（Lim等人，2015年；欧盟，2024年）。至关重要的是，这种理解必须与对用于再利用的雨水量进行明确考虑相结合，以建立一个连贯的风险管理框架，支持气候变化适应并符合法律要求（Grant等人，2013年）。
在设计用于收集屋顶雨水的蓄水池容量、管理雨水以及优化污水网络运行方面，多次提出了关于雨水回收的担忧（Dobbie和Brown，2012年；Yang等人，2023年，表S1）。雨水回收通常基于水质标准，包括大量营养物质（Dandy等人，2019年）、某些微量污染物（Ramovha等人，2024年）以及污水系统的技术条件（流域滞留量 - Ghodsi等人，2023年；水力超载 - Andersen等人，2013年）。这些标准忽略了人们直接接触收集到的雨水及其所含病原体可能导致疾病感染的事实（Kozak等人，2020年）。考虑到这些因素，已经制定了用于评估微生物风险的指南（称为定量微生物风险分析 - QMRA），以管理与水资源再利用相关的公共卫生和环境成本（NRMMC-EPHC-NHMRC，2009年）。QMRA提供了一套有价值的建议和指导，说明如何在数据有限的情况下评估含病原体污水对公共健康的影响（例如在湖泊、河流中游泳的可能性），并给出了参考技术和相应的污水处理效率（Lim等人，2015年）。QMRA提供了：（i）风险分析的参考病原体，（ii）选定污水处理技术去除病原体的效率，以及（iii）预测感染概率的关系（Whelan等人，2017年）。然而，目前还缺乏将QMRA整合到单独的雨水回收系统设计中的方法论，特别是关于：（i）在满足用水需求背景下评估所采用的解决方案，（ii）雨水收集和滞留设施的规模，以及（iii）气候变化对可收集雨水资源的影响。
QMRA能够根据病原体浓度的变化评估年度健康影响（NRMMC-EPHC-AHMC，2009年）。根据目标和数据的可用性，研究要么依赖于基于监测的评估（Sokolova等人，2015年；Kozak等人，2020年），要么将QMRA与机械化的流域和网络模型（MCMs）相结合，以表示降雨-径流过程和系统响应（Addison-Atkinson等人，2022年）。这些整合包括使用MIKE URBAN和FLOOD进行洪水建模，以评估污水管道溢流事件期间的暴露途径（Mark等人，2018年），以及广泛使用美国环保署的雨水管理模型（SWMM）结合QMRA来预测病原体动态（Jalliffier-Verne等人，2016年）。虽然这些方法很强大，但它们通常依赖于复杂的概率分布（Addison-Atkinson等人，2022年），并且关键的是，它们仍然无法量化安全可收集的雨水量或供应可靠性，从而限制了它们在再利用系统设计和规划中的实用性（J?rgensen等人，2023年）。此外，QMRA是一个灵活的框架，能够适应各种情景，但在雨水工程中的应用传统上与水力设计阶段是分开的。通常，QMRA用于在系统规模确定后评估合规性，而不是作为设计变量来优化可收集的雨水量本身。到目前为止，将病原体感染风险直接与雨水排水系统中的可用存储量计算联系起来的方法论仍然有限。
QMRA本身并不是为了确定可用于再利用的雨水量而设计的。在设计任务中，这是一个重大限制，特别是在评估替代水源以满足水资源需求（例如，灌溉绿地、冲厕）的缺水地区时。到目前为止，还没有开发出将病原体感染风险 - QMRA与可以从雨水排水系统中再利用的水量联系起来的方法论。此外，还没有开发出简化方法来进行病原体感染风险分析，以减少输入数据的数量，作为QMRA的替代方案。此外，也缺乏实用工具来快速评估满足病原体要求的再利用水量，考虑到处理类型。
本研究的目的是开发并验证一种创新的方法论，以确定病原体污染风险与可再利用水量之间的关系。采用QMRA来评估雨水回收的公共卫生影响，考虑到收集到的雨水中病原体暴露在（i）干燥天气时期和（ii）降雨事件期间有所不同。这项工作的新颖之处在于应用逻辑回归来分析病原体感染风险，提供了一种简化且强大的替代传统程序（如澳大利亚指南）的方法。这种简化方法所需的输入参数比传统模型（如SWMM）少，使得评估更快且更稳健。该方法可以针对任何城市流域进行定制和应用，前提是选择用于模型校准的降雨事件要针对当地条件进行优化。
在这项研究中，在现场采样之前进行了有针对性的降雨模拟，以确保收集的数据能够捕捉到相关的水文和微生物变化。通过将校准后的模拟与简化输入的风险评估程序相结合，该方法提供了一种实用且可转移的工具，用于高效评估和管理雨水回收潜力——在城市水资源规划中结合了科学严谨性和运营效率。这项工作是在Horizon Europe WATERUN项目的范围内进行的，有助于制定普遍的城市水资源回收指南，增强城市水资源系统应对气候变化的韧性。
研究区域
研究区域
该研究在波兰基尔采市中心的一个63公顷的流域进行（50.8661° N；20.6286° E）。选择该流域作为开发 and 测试广泛适用的雨水回收风险评估方法的代表性案例研究。土地利用包括住宅区、公共建筑和密集的道路网络（108 m·ha^-1），其中不透水表面占总面积的40%。该流域的平均坡度为
开发并校准用于预测雨水数量和质量的机械模型（步骤2）
按照2.2.1节描述的数据收集程序，对八次降雨事件进行了测量，为模型校准和验证提供了基础（表1）。Campylobacter预测的模型校准和验证结果如图3所示。Campylobacter预测与测量结果之间的拟合度很高，校准集的R^2 = 0.92，PBIAS = 4.2–11.1%；验证集的R^2 = 0.95，PBIAS = 7.8–12.1%。SWMM
病原体感染 - 可再利用的雨水量及其影响
文献数据（Grant等人，2013年）证实，水资源回收系统的设计通常基于水质标准，这取决于当地场所的法律要求，包括：大量污染物，即COD、TN、NH4-N、TP、TSS，以减少有机污染和富营养化问题（Dandy等人，2019年）；以及微量污染物，如Zn、Cr、Pb、Ni、St、Fe、Mn（Ramovha等人，2024年）、药品、微塑料（Chen等人，2025年）等
结论
本研究开发了一个新颖的框架，弥合了公共卫生风险评估与城市雨水回收系统工程之间的差距。通过直接将定量微生物风险评估（QMRA）与安全可再利用雨水量的预测相结合，该框架将QMRA从一个通常用于设计后合规性验证的工具转变为水资源规划和基础设施规模确定的积极驱动因素。
分析表明，未经处理的雨水
CRediT作者贡献声明
B. Szel?g：撰写 - 原始草稿，可视化，监督，软件，项目管理，调查，形式分析，数据管理，概念化。V. Barros：撰写 - 审稿与编辑，项目管理，形式分析。A. Kiczko：撰写 - 审稿与编辑，监督，数据管理。J. González-Camejo：撰写 - 原始草稿，资源获取，形式分析。K. Barbusiński：撰写 - 审稿与编辑，监督，项目管理。E.R. Rene：撰写 - 原始草稿
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
F. Fatone报告称得到了Horizon Europe的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了Horizon Europe WATERUN项目的支持，该项目名为“创新方法预防和减轻城市雨水径流的扩散污染”，已获得欧盟通过Horizon Europe计划下的资助协议编号101060922的资助。
