多因素影响下的气候变化与河流水质

２０１１年１１月　水利水电快报ＥＷＲＨＩ　第３２卷第ｌ１期　”～一～一一～～　；水文水资源｛　。，．。　卅ｈ．ｍ　－　．，　ｍ卅ｈ　，．。　√０　文章编号：１００６－００８１（２０１１）１１－０００１－０５　多因素影响下的气候变化与河流水质　［波兰］　Ｚ．Ｗ．昆兹威克斯等　摘要：河流水质受到许多气候因子的影响，诸如气温、降水以及极端事件等。气候变化导致的水质恶　化会产生一系列严重后果。以中欧地区为例，简要阐明了气候和非气候因素在影响河流水质方面的相互　作用。最后，对与气候变化相关的水质变化趋势进行了分析，并指出了气候变化情景下水质模拟的要求和　约束条件。　关键词：气候；气候变化；河流；水质；影响；影响分析　中图法分类号：Ｐ４６１　文献标志码：Ａ　湖泊和沿海等水体中。面源污染与土地利用密切相　１概述　关。半个多世纪以来，现代化的集约农业大量使用　无机和有机肥料，这就使得土壤中过剩的营养物质　水质水量均满足要求的淡水资源是维持生命不　（氮和磷）向地表水体转移。如今，农业面源已成为　可或缺的。水质问题的出现是人类过度利用水土资　向河流系统排放营养物和杀虫剂的主要污染源。　源的必然结果。在世界各地，人们普遍把河流作为　在过去的几十年中，不少工业化国家在污水和　便利的纳污体，由其将废物运输至海洋。因此，河　工业废物处理方面取得了可喜的成绩，使得许多河　流、湖泊、海岸带都受到污染。这些污染物对生物和　流的水质监测结果得到明显改善。然而，农业方面　人体健康具有极大的危害，并造成很多河流和水体　却未能在河流水质改善上作出如此大的成绩。此　生物多样性下降。此外，由于淡水系统与气候关系　外，流域内营养物滞留，导致河流水质改善时间滞后　密切，其水质还受到许多气候因子的影响，如气温、　于面源污染排放削减，因此也是原因之一。据此，克　水温、降水、极端事件等。　雷萨诺娃（２００６年）等指出，欧洲许多河流中硝酸盐　目前，已有许多水体污染物能够被确认，如营养　浓度仍居高不下，水质改善状况不明显。　物、重金属、有毒有机污染物和病原微生物等。水体　与水质相关的欧盟水法起源于１９７５年的《地表　污染物的来源包括点源和面源，其中点源较易辨识，　水指令》，该指令强调了某些特定类型和用途的水　污水集中排入水体，如通过污水管等。工业废水和　质目标要求，如洗浴用水、地下水、渔业及贝类养殖　城镇污水多以这种方式排放，无论处理与否。根据　用水等。随后，《饮用水指令》于１９８０年正式颁布。　世界水资源评估计划（ＷＷＡＰ，２００９年），尽管目前　但是，有关城镇污水处理和控制农业面源硝酸盐污　个别地区形势有所好转，但从全球来看，水污染仍呈　染的立法指令直到１９９１年才获准通过。　上升趋势，且在发展中国家８０％以上的污水未经处　２０００年，欧盟采取了一项新的《水框架指令》，　理而直接排至地表水体或地下。面源污染是由降　用以协调水政策领域的各种行为。它强调水质问题　雨、融雪形成的地表径流或壤中流携带营养物或污　是一个非常复杂的问题，需要在结合水质标准与排　染物造成的，这些营养物或污染物将被输送至河流、　放限值方法的基础上实施流域水资源综合管理。这　收稿日期：２０１Ｉ－０５．１３　２０１１年１１月　水利水电快报　ＥＷＲＨＩ　第３２卷第１１期　项新的立法也将保护水体的范围扩展到了所有水　域，包括地表水和地下水，并确定２０１５年为欧盟所　有水体的水质要达到良好状态的最后期限。该法令　规定了２７个欧盟成员国当局的法律责任。根据学　者哈特曼等的研究，这一法令的实施可能对欧盟欠　发达地区，尤其是中欧和东欧地区的河流水质产生　积极影响。　２影响水质的综合因素　气候系统和淡水资源系统密切相关，这一点已　经得到充分论证。因此，如昆兹威克斯（２００７年和　２００８年）等的研究所示，其中一个系统的变化必将　引起另一系统相应的改变。气候的若干变化对河流　水量和水质都会产生影响。然而，多因素情景，包含　气候因素和非气候因素，对河流水质的影响是客观　存在的。　在影响水质的气候变量中，全球变暖形势持续　未减，并在各空间尺度范围均有显现，且在未来若干　年仍会持续。河流水质受气温升高影响显著。气温　升高造成水体升温，进而加快水体中关键化学反应　过程的反应速率（反应动力学）。温度升高会使活　化分子的比率增加，从而加快了化学反应速率。升　温也会加快营养物质循环。另外，水温升高还会降　低携氧量，由此降低溶解氧浓度，对河流自净能力产　生不利影响，生物降解作用的可用氧量会减少。　与直观的气温变化相比，所观测的降水变化还　很不明确，同时，由模型预测的未来降水变化趋势也　存在很大的不确定性。例如，所罗门（２００７年）等研　究表明，针对大范围研究区域，气候模型会生成一个　较大的不确定范围，它的预测结果甚至可能与未来　降水变化趋势相违背。对某一地点或区域，所观测　的降水变化的时间、强度、历时和阶段在统计上很可　能呈现弱相关或不相关。但是，即便检测到了显著　的变化，仍有可能在时空分布上是不一致的。　事实上，任何降水季节特征的变化，如冬夏季节　降水比率升高，都会影响水体污染物的迁移和稀释　作用。同样，如果冬季降雨与降雪两种形式的降水　量的比率升高，也会影响河流水质。　在气候变暖的情况下，与水相关的极端事件　（如洪水、干旱）似乎也越来越频繁和严重，这也会　给水质带来一定的影响。如今在不少地区出现了强　降水增加的情况，且在全球变暖形势下这一现象还　会持续，这将影响通过径流进入河流的污染物（如　．２・　营养物、重金属、致病微生物和有毒物质等）的比　率。２００２年，德国易北河流域洪水期发生了一次严　重的鱼死亡事件，原因就是强降水形成的地表径流　将大量农业化学物质带入河流。洪水期间，超负荷　的暴雨排水系统和污水管网也可能成为水体污染　源。　所罗门（２００７年）等的研究表明，自１９７０年以　来，不少地区受旱灾影响的面积不断增加，且在２１　世纪还将继续增加。干旱造成的水质问题虽然与洪　水产生的问题不同，但同样也是非常严峻的，因为水　量减少对水体中营养物的稀释和污染物负荷十分不　利。虽然稀释难以解决污染问题，然而事实上，稀释　作用是十分重要的。如果径流变小，污水排入量不　变，河流水质就会受到影响。　除了气候变化的影响之外，还有大量的非气候　因素也会影响河流水质。实际上，在一些地区，非气　候因素对水质的影响可能远远超过气候因素，即便　这些地区的气候变化也很显著。在非气候因素中，　对河流水质具有重要影响的是污染物排放量的变　化。污染物排放量变化反映了以下几个方面的变　化：①工业，如工厂的创建与关闭、包括污水处理在　内的工业技术革新等；②城镇污水处理，如污水处理　厂的建设及扩建、水处理工艺的改进等；③土地利　用，如农业用地面积与施肥、灌溉等耕作方式的变　化，城市化的影响等；④环境法规与环保意识的变化　等。　以中欧地区为例，主要是通过对比该地区由社　会经济和环境（这里指气候）变化引起的河流水质　改变，简要阐明了气候和非气候因素在影响河流水　质方面的相互作用。　３中欧地区的水质变化情况　在过去的２０　ａ中，中欧地区是一个独特的、大　范围的体制改革实验地。中欧地区的社会经济状况　发生了较大变化：由集中计划经济和单一政党执政　转向市场经济、私有制为主和民主政治体制。于是，　大多数中欧国家现已成为欧盟成员国，并受欧盟先　进的环境立法的制约。这种组织形式的变化极大地　影响了该地区河流的水质。　在１９８９年体制改革之前，中欧地区地表水污染　非常严重，主要原因是大量未经充分处理的生活污　水和工业废水的排放，以及集约农业过程中化肥和　农药的大量使用。２０世纪８０年代，在中欧某些地　区的河流中，由于高浓度有机污染和低水流条件的　［波兰］　ｚ．ｗ．昆兹威克斯等多因素影响下的气候变化与河流水质　影响，河水中夏季溶解氧浓度曾一度降至１　ｍｇ／Ｌ以　下。即使较大的城镇，也大都将其未处理的污水直　接排人河流。另外，根据克雷萨诺娃（２００６年）等的　研究，抽排湿地使汇入河网途中底质沉积及吸附的　污染物的拦截（沉积作用）与营养物的滞留（营养吸　收、反硝化作用）等过程受阻，从而也会影响河流水　质，　自１９８９年以来，中欧地区向地表水输入的营养　物质大大减少。新建和改扩建了许多污水处理厂，　采取了先进的处理工艺，包括物理处理、生物处理，　最终进行化学处理。另外，缩减（甚至关闭）一些工　矿企业，削减了污染负荷；大面积可耕地的暂时或永　久撂荒，环境友好型耕作方式（按照先进的农耕方　式减少化肥使用量，并提高化肥使用效率）开始实　施。通过关闭一些大型国有单位减小畜牧业生产规　模，从而降低当地禽畜粪便超载带来的环境威胁。　将粪便从畜牧场直接转移至地表水体或其附近地区　的直接处理方式已经禁止。市场上普遍销售无磷洗　涤剂，因此，通过生活污水进入水体的磷酸盐也大大　降低。　在波兰，需要处理而未经处理便直接排入地表　或地下的污水量近二十多年来呈持续下降趋势，　１９９８年降至５００　ｈｍ　／ａ以下（１９８０—１９８５年水平的　１／４），２００６—２００８年平均排放量减为１５９．２　ｈｍ　／ａ。　然而，虽然点源污染的排放量已经大大减少，但是面　源污染（主要是农业面源污染）仍未得到有效控制，　营养负荷过高依旧是中欧地区面临的严峻问题之　一。减少面源污染的措施主要包括：减少化肥的过　量使用（少量使用，并根据作物不同生长期需求合　理施肥），增强河流流域营养物持留能力（景观和河　流回归自然化、湿地修复等）。　克雷萨诺娃（２００６年）等指出，中欧地区河流的　水质因此得到了明显改善。江河水体的含氧量增　加，渔业条件显著提高。水质改善使得鲑鱼重返易　北河。　正如克雷萨诺娃（２００６年）等的研究所示，自　１９８９年以来社会经济体制的变化，尤其是与水相关　的和其他规范人类活动的立法方面的完善，在区域　水资源保护中发挥了至关重要的作用，这种作用比　相同时期内明显的、逐渐的气候变化的影响更显著。　如今观测到的气候变化趋势，如季节性显著增温与　不明显的降水变化，还难以与河道流量变化建立直　接联系。然而，这并不意味着将来气候对可利用的　水资源量与水质的影响也不显著。　４水质分析与水质模拟　４．１　与气候变化相关的水质变化趋势分析　水质趋势评价是一个富有挑战性的难题。地表　水污染问题使得水质监测工作越来越重要，因此已　收集到许多河流的长序列监测资料。基于长序列监　测资料的统计分析与变化检测研究对建立统计学显　著性趋势、查找变化趋势原因及制定适应性对策都　是很有帮助的。然而，由于众多影响因素之间相互　作用，加之影响的时空尺度差异，水质变化趋势及其　成因的辨识通常具有很大的不确定性。辨识水质资　料中的气候变化过程是十分不易的。　水质变化趋势分析中需要重点考虑如下几个问　题：　（１）数据资料的可靠性问题；　（２）考虑水量一水质相互关系的重要性问题；　（３）在某一标准下，考虑影响水质特征的整个　上游集水区的必要性问题；　（４）多因素情景问题；　（５）需要考虑的主要气候特征问题；　（６）单独考虑极端事件的必要性问题；　（７）某些与结果分析相关的需求。　通常，水质监测的采样周期短则两周，长则一个　月或者一个季度。然而，即便是定期的两周一次的　监测也可能是不充分的。因为根据克雷萨诺娃　（１９８９年）的研究，这种定期取样方式可能会错失河　道流量峰值，以及相应的径流冲刷产生的面源污染　峰值。简单的资料插值算法具有难以避免的不确定　性，这将是不充分的。　一般情况下，趋势分析要求拥有长期记录资料。　英特蓝迪等研究指出，对许多河流来说，３０—４０　ｆｌ的　水质资料是可以获得的。但是对于涉及水质自然变　化和由气候因素与非气候因素带来的复杂变化，这　些资料仍不能满足需要。正如昆兹威克斯和罗伯森　（２００４年）所说，受气候显著变化的影响，３０　ａ或少　于３０　ａ的水文资料通常显然是太短了。要检测气　候变化过程，至少要有５０　ａ原始环境（如没有其他　重大的、非气候因素影响的环境）的资料。气候变　化似乎对许多水文系列数据具有显著的双重效应，　即导致短期的数据资料反映出显而易见但却错误的　趋势，或者掩盖其他的变化。　进行水质时间序列分析很重要的一步是对比相　应的水量（如河川径流量）数据，可以从同一个或邻　・３・　２０１１年１１月　水利水电快报ＥＷＲＨＩ　第３２卷第１１期　近的观测站获得。通过排水量和营养物或污染物浓　度之间的相关性分析，可以增补视觉对比分析，这有　助于评估观测站上游与某特定水质指标有关的点源　和面源污染的重要性。克雷萨诺娃和贝克尔（１９９９　年）指出，面源污染物（如硝态氮）通常认为由丰水　期径流冲刷引起，多表现为正相关；点源污染物（如　总磷、氨氮、ＢＯＤ）则大多表现出负相关（稀释效　应）。然而，如果点源与面源污染物以相当的量排　放的话，上述规则将是不适用的。该规则失效的情　况还包括污水处理深度不够、养殖场处理不善或者　贮存的禽畜粪便发生泄漏等。如果这些情况均可能　发生的话，要清晰辨识点源还是面源污染将是困难　的。　观测站所监测的水质特征取决于上游流域。应　该考虑到，流域中某一观测站的水质特征是由其上　游许多自然的和人为的过程共同作用的结果，如随　高程渐变的气候、点源污染、农田施肥、水库和湿地　拦截泥沙、营养物和污染物等。贝尼特斯（２０１０年）　等通过研究表明，仅选择最近的气象站，忽略主观划　定邻里半径范围之外的点源污染或居民点，或忽略　小片但施肥强度高的可耕地，均会导致得出错误的　结论。这对在考虑非气候因素的情况下研究气候引　发的水质趋势是极其重要的。　由于影响营养物和污染物循环的因素众多，它　们在流域内的迁移和转化使得与某些因素的趋势　（如衰减）分析带有不确定性。如果采用了简单的　统计分析，方法本身是简单明了的，即根据气候参数　或点源污染排放等自变量的时间序列来分析营养物　或污染物等因变量的时间序列。但是，要排除其他　影响因素的干扰通常是很困难甚至是不可能的。因　此，在气候变化影响研究中，建议采用原始江河水质　资料。但是英特蓝迪和克罗克特（２００３年）指出，这　类资料通常难以获取，因为监测大都是在受人类利　用影响的流域范围内组织实施的。　在气候变化对水质影响的研究中，温度和降水　的变化需要同时加以考虑。单纯考虑升温的影响是　不够的，因为降水变化可能比温度变化更显著。另　外，当前的温度变化可能还不足以检测到其对水质　特征的影响。降水变化的形式是多种多样的，包括　年均降水量及年际变化、降水的季节性变化、降水强　度变化和极值变化等。水质首先通过以下途径受到　影响：产流变化，由土壤进入地表水的污染物通量变　化，水流变化（稀释作用的强弱）等。此外，还存在　一些其他的间接影响因素，比如对土壤矿化作用和　．４．　反硝化作用过程的影响。因此，温度和降水变化都　需要考虑，并要考虑这些变化如何影响水文情势，进　而促使河川径流、点源和面源污染变化，最终如何影　响河流水质指标的变化。　极端事件可能会对河流水质造成特殊的影响。　因此，应对极端事件及其影响进行单独分析，而不能　将其放入研究的时间序列中。洪涝会极大地增加污　染负荷，原因主要是洪涝会造成土壤含水层渗透率　升高，向河网汇流的地表径流量较大，产沙量较大，　同时还包括洪泛区淹没与合流污水管溢流的影响　等。另一方面，长期干旱和低水流条件会降低水体　稀释能力，在点源排放的废水量不变的情况下，水体　污染物浓度会增加。　对于结果分析也有一些相应的要求。例如，如　果在统计分析中考虑时间的滞后性，却仅有一部分　表现出统计学上的显著性变化趋势，则需要对结果　进行说明；如果研究涉及多个站点，而统计学上的显　著性趋势仅在部分站点有体现，也需要对结果的空　间差异性进行分析和解释。　公开发表的有关水质变化趋势的研究成果已经　很多，其中不乏分析土地利用变化、点源和面源污染　与水质变化趋势关系的研究。然而，正如前文所述，　考虑气候变化的多因素情景下的水质变化趋势是一　个非常复杂的问题，因此，目前将气候变化作为水质　变化趋势驱动因素的研究并不多，仅限于英特蓝迪　和克罗克特（２００３年）、埃文斯等（２００５年）、布扎　（２００８年）、贝尼特斯（２０１０年）等。　４．２水质模型的约束与要求　毫无疑问，水质模型比单纯的水通量模拟更复　杂、更有挑战性，这主要是受多因素情景影响的结　果。水质模型的变量要能够反映流域各种真实的过　程，如各组分在土壤、地表汇流及水体中相互转化过　程中的联系。另外，水质模型还要反映水质组分依　赖于水文过程的特点。水质模型通常具有众多严格　的要求和约束，它们与下列因素有关：数据输入的充　分性，模型复杂性程度，模型应用者的经验，以及对　结果的分析等。　模型的复杂程度对模型开发者与应用者都是一　个至关重要的问题。水质模型的参数化过程到底应　细化到何种程度，以便最好地获得对着手研究任务　模拟过程的基本特性。并非越复杂的模型对实际过　程的模拟精度就越高。根据对基于过程的复杂模型　应用经验可知，复杂性不应是模型自身的目的，通常　［波兰］　ｚ．ｗ．昆兹威克斯等多因素影响下的气候变化与河流水质　是折衷的结果。如果对于一种复杂的自然现象或过　模拟，要实现土地管理措施、土地利用变化与气候变　化对水质影响的评价将是不可能的。动态流域模型　是建立流域管理规划的有用工具。该模型包含了若　干受气候条件驱动的水资源和营养物质变化过程，　程，可以通过一种简单的形式进行数学描述，并采用　现有资料进行参数化，这将比使用含有更多未知参　数的复杂方法要好得多。对于后者，模型的参数化　可能是不确定的，模型行为的支配也可能是困难甚　至不可能的。另外，必须平衡模型各部分在表述上　的复杂程度。将一个根据实验区情况建立的具体的　小尺度子模型整合到一个中级复杂的河流流域模型　中，也并不是那么直截了当的。　这些过程通过考虑植被、土地利用、人类活动影响等　因素建立的函数来表征。但是，在进行未来趋势预　测之前，首先要对模型进行验证。这样，模型才能够　反映流域可能面临的气候与土地利用变化趋势。　在考虑气候条件对水质影响的模拟研究方面，　在基于过程的水质模型中，全局最优的唯一参　数集可能并不存在，而是由若干参数集得到了相似　的结果。这就是所谓的“等效”问题，即在模拟研究　过程方面存在几种表述几乎同等适用的现象。　水质模型与模拟总是具有不确定性，因此，模拟　结果并不能作为准确值，但能作为反映参数和数据　希腊、英国、芬兰、意大利、法国、德国、瑞典、美国不　乏可以借鉴的经验实例。　５　结论　对气候变化和水质之间关系的现有理解还不深　入。通过开展气候变化对欧洲淡水生态系统的影响　不确定性范围内的变化趋势、本质差异等指标。水　质模型的模拟结果还需要严格论证，对此，征求当地　专家的意见很重要。综合考虑这些要求和约束之　后，水质模型就能够用于预测水质过程，从而为水资　源管理提供支持，并促进专家与利益相关者之间的　交流。　评价（Ｅｕｒｏｌｉｍｐａｃｓ）研究项目，已识别到大量有关气　候变化和淡水的知识及信息空白。　气候变化导致水质下降而产生的严重后果包　括：取自劣质水源地的水量增加，由强降水造成的面　源污染负荷增加（通过径流与渗透率的增加），洪水　期水利设施发生故障，极端降水时期水厂和污水处　理厂超负荷运行。　然而，正如吉蒙内兹（２０ｏ３年）研究指出，在发展　中国家，气候变化对水质的潜在影响研究还很欠缺。　总的来说，水质研究要比单纯的水量研究更复　杂、更具有挑战性，因为影响水质的因素众多，如气　变化的气候使得水质模型与模拟更加复杂化。　通过模型模拟，阿海默尔（２００５年）和克雷萨诺娃　（２００５年）等研究了具有较强沉积作用的农业集水　区的硝酸盐浓度与负荷，怀特黑德（２００８年）等则模　拟了枯水期与旱季稀释作用较弱情况下的点源负　荷，这些都是可以做到的。另外，对河流沉积物再悬　浮、水华发生等过程的变化进行相当精确的模拟也　可以通过模型实现。但是，在变化驱动力下（如气　候、水文、土地利用等。多因素情景包含了自然过程　和人为影响过程之间的相互作用，这两种过程作用　候），某些机理与控制参数将变得非常重要，而基于　过程的水质模型却对此考虑不足。　尽管水质模型输入的数据有限，具有各种不确　定性，但水质模型对水资源管理者和决策者实施水　资源综合管理仍是一个非常重要的工具。离开模型　的时空尺度是不同的。因此，根据气候变化过程探　索水质变化趋势是一项十分艰巨的任务。　梁静静柯学莎编译　・５・