氣候變化模式對大凌河流域水質(zhì)影響的定量分析

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（遼寧省水文局，遼寧 沈陽110003）

0 引 言

氣候變化對流域水循環(huán)各個要素都將產(chǎn)生一定的影響，而水作為污染物運輸?shù)闹饕d體，將直接影響水環(huán)境中各污染物來源以及遷移[1]。當前，氣候變化對流域水循環(huán)的影響是國內(nèi)外研究的熱點，但氣候變化對流域水質(zhì)影響的研究相對較少，而河道水質(zhì)好壞是衡量流域水生態(tài)健康的重要標準，因此，氣候變化對水污染物的影響分析也逐漸引起國內(nèi)外學者的重視，并取得一定的研究成果[2-6]。這些成果的研究方法可以歸為兩類，第一類主要是運用數(shù)學方法結合長系列實測資料定量分析氣候變化對水質(zhì)的影響，但這種方法需要較長系列的數(shù)據(jù)，而對于我國大多數(shù)河流而言，水質(zhì)數(shù)據(jù)系列較短，且這種方法無法實現(xiàn)氣候變化對流域水質(zhì)的定量分析，而只能進行定性描述。隨著計算機和地理信息技術的快速發(fā)展，以氣候變化情景模式為輸入的分布式水文模型成為實現(xiàn)氣候變化對流域水質(zhì)影響分析的有效工具，是分析氣候變化對水質(zhì)影響的第二類方法，而在這些研究成果中，美國學者研制的SWAT 模型，由于參數(shù)較少和操作較為簡單，在國內(nèi)運用較為廣泛。但SWAT 模型在大凌河流域水質(zhì)模擬研究相對較少，特別是在分析氣候變化對大凌河水質(zhì)的影響研究，本文以分布式水文模型為模擬平臺，定量分析4 種氣候變化情景模式對大凌河水質(zhì)的影響，研究成果對于大凌河流域生態(tài)保護規(guī)劃提供一定的參考價值。

1 研究方法及資料準備

1.1 研究區(qū)域概況

大凌河全長397 km，是遼寧省西部最大的河流，流域面積2.35×104km2，流域內(nèi)年降水量450～600 mm，流域降水量主要集中7，8 兩個月份。流域年均徑流量16.67×108m3，本文選取大凌河上游大城子水文站作為研究區(qū)域，研究區(qū)集水面積為5 029 km2，研究流域內(nèi)共有16 個降雨站點。

1.2 研究方法

SWAT 模型[7]可模擬不同形式總氮、總磷的遷移和轉(zhuǎn)化過程，本文以SWAT 模型為模擬平臺，通過設定4 種氣候變化情景模式，對比代表年份氣候變化前后流域總氮和總磷改變量和改變率，從而定量分析不同氣候變化情景模式對大凌河水質(zhì)的影響。

1.3 模型輸入資料準備

模型所需要的資料為以下幾項：1）數(shù)字高程數(shù)據(jù)，下載與中科院地理所提供的分辨率為90 m 的DEM 數(shù)據(jù)，運用流域邊界截得研究流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)；2）土地利用數(shù)據(jù)，下載與中科院地理所提供的1 km×1 km 全國土地利用矢量數(shù)據(jù)，運用流域邊界截得研究流域的土地利用類型數(shù)據(jù)；3）土壤類型數(shù)據(jù)，下載與美國FAO 提供全球分比率為60 s的土壤類型分布數(shù)據(jù)，運用流域邊界截得研究流域的土壤類型數(shù)據(jù)；4）土壤屬性數(shù)據(jù)，SWAT模型總氮和總磷模擬需要輸入土壤物理和化學屬性數(shù)據(jù)，結合《遼寧省土壤志》收集模型所需土壤物理和化學屬性數(shù)據(jù)；5）水文數(shù)據(jù)，收集了大凌河流域大城子水文站2001—2010年日流量及蒸發(fā)數(shù)據(jù)，大城子以上2000—2010年降雨數(shù)據(jù)；6）氣象數(shù)據(jù)，收集了流域附近朝陽氣象站2001—2010年氣象數(shù)據(jù)，包括最高最低氣溫、相對濕度、風速、太陽輻射；7）點源排放數(shù)據(jù)，模型需要輸入沿河點源排放數(shù)據(jù)，收集大凌河大城子水文站以上區(qū)域2000—2010年點源排放數(shù)據(jù)。

表1 總氮 總磷模擬率定參數(shù)表

2 不同氣候模式情景對大凌河水質(zhì)影響分析

2.1 SWAT模型率定和檢驗

基于大城子水文站2000-2010年水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)，對SWAT 模型進行了總氮和總磷模擬參數(shù)的率定和驗證，結果如表1，2，圖1，2 所示。

從表2中可以看出，SWAT 模型在大洋河流域總氮和總磷模擬具有一定的精度，模型在參數(shù)率定期（2000—2007年）以及模型參數(shù)驗證期（2008—2010年）模擬的總氮和總磷相對誤差均小于20%，確定性系數(shù)達到0.5 以上，滿足非點源污染模擬模型精度規(guī)范要求。從圖1和圖2中可以看出，SWAT 在大洋河流域模擬總氮和總磷的過程上具有一定的相似性，各代表年份實測總氮和總磷在過程上符合流域農(nóng)業(yè)耕種時間和流域水量分配的規(guī)律，而SWAT 模型模擬的總氮和總磷也呈現(xiàn)這個規(guī)律，且和實測的總氮和總磷在過程呈現(xiàn)一個較表示為相似的過程，吻合度較好。總體上看，考慮到流域非點源污染模擬的復雜性，SWAT 模型在大洋河流域總氮和總磷總量上的模擬符合非點源污染模擬的規(guī)范要求（相對誤差小于20%），且在過程上具有一定的吻合度（確定性系數(shù)大于0.5）。

表2 SWAT 模型總氮 總磷模擬結果

圖1 代表年份總氮模擬成果圖

圖2 代表年份總磷模擬成果圖

2.2 不同氣候模式情景對水質(zhì)影響分析

表示為定量分析不同氣候變化情景模式對流域總氮和總磷的影響，基于已率定和驗證的分布式水文模型SWAT 模型，設定4 種氣候變化情景模式：I—氣溫+2 ℃，降水不變化；Ⅱ—氣溫-2 ℃，降水不變化；Ⅲ—降水量變化+5%，氣溫不變化；Ⅳ—降水量變化-5%，氣溫不變化。以SWAT 模型表示為模擬平臺，選定2006年表示為代表年份，定量分析不同氣候變化情景模式下該年份總氮和總磷該變量和改變率，分析結果見表3。

從表3中可以看出，氣候變化情景模式I (氣溫+2℃,降水不變化),流域2006年總氮和總磷相比于氣候變化前減少5.1×104t 和4.7×104t，變化率分別為-7.54%和-7.68%，這是因表示為流域氣溫增加，使得流域的蒸散發(fā)相應增加，而降水量未發(fā)生相應變化，從水量平衡方程角度出發(fā)，流域徑流量相應減少，以徑流作表示為運用載體的水土流失也相應減少，而流域總氮和總磷是以徑流和水土流失作表示為運輸?shù)妮d體，徑流量和水土流失的減少，使得流域總氮和總磷隨之減少，因此在氣候變化情景模式I 下，流域總氮和總磷減少。而在氣候變化情景模式II 下(氣溫-2℃,降水不變化)，流域2006年的總氮和總磷相比于氣候變化前增加6.7×104t 和5.6×104t，變化率為+9.91%和+9.15%，這是因表示為氣溫下降-2 ℃,使得流域蒸散發(fā)相應減少，而降水量不發(fā)生變化，同樣從水量平衡方程角度出發(fā)，其徑流量相應增加，以徑流表示為運輸載體的水土流失量也相應增加，而以徑流和水土流失作表示為運輸?shù)妮d體的總氮和總磷也隨之增加。在氣候變化情景模式III（降水量變化+5%，氣溫不變化）,流域2006年總氮和總磷相比于氣候變化前增加5.2×104t 和4.1×104t，變化率分別為+7.69%和+6.70%，這是因表示為降水量增加，氣溫不變化，直接導致流域徑流增加，而以徑流作表示為運移載體的水土流失隨著增加，徑流和水土流失的增加，使得以徑流和水土流失作表示為運移載體的總氮和總磷相應增加。在氣候變化情景模式IV 下（降水量變化-5%，氣溫不變化），流域2006年總氮和總磷相比于氣候變化前減少4.7×104t 和3.4×104t，變化率表示為-6.95%和-5.56%，這是因為降水量減少，氣溫不變化，直接導致流域徑流減少，而以徑流作表示為運移載體的水土流失隨著增加，徑流和水土流失的減少，使得以徑流和水土流失作表示為運移載體的總氮相應減少。

表3 氣溫變化情景方案下的總氮、總磷響應

3 結 論

以上運用分布式水文模型SWAT 模型定量分析不同氣候變化情景模式對大凌河流域水質(zhì)的影響，研究取得以下結論：

1）SWAT 模型在大洋河流域總氮和總磷模擬具有一定的精度，模型在參數(shù)率定期和驗證期，其模擬的相對誤差均小于20%，確定性系數(shù)達到0.5以上，滿足流域面源污染模擬的精度要求，SWAT模型可以用來模擬大凌河流域的面源污染，可作表示為定量分析不同氣候變化情景模式大凌河流域總氮和總磷影響的模擬平臺。

2）在降水量不變的前提下，氣溫升高2 ℃和降低2 ℃，研究流域2006年總氮變化率分別表示為和-7.54%和+9.91%，總磷變化率分別表示為-7.68%和+9.15%。

3）在氣溫不變的前提下，降水量增加5%和減少5%，研究流域2006年總氮變化率分別表示為+7.69%和-6.95%，總磷變化率分別表示為+6.70%和-5.56%。

［1］ 李明濤. 密云水庫流域土地利用與氣候變化對非點源氮、磷污染的影響研究［D］.首都師范大學，2014.

［2］ 王盛萍. 典型小流域土地利用與氣候變異的生態(tài)水文響應研究［D］.北京林業(yè)大學，2007.

［3］ 黎萬鳳. 嘉陵江流域非點源污染負荷的預測分析［D］.重慶大學，2009.

［4］ 羅倩. 遼寧太子河流域非點源污染模擬研究［D］.中國農(nóng)業(yè)大學，2013.

［5］ 石慶玲. 烏梁素海流域非點源污染負荷對LUCC 的響應研究［D］.濟南大學，2013.

［6］ 韓成偉. 寒冷地區(qū)非點源氮磷環(huán)境行表示為與模擬預測研究［D］.大連理工大學，2012.

［7］ 劉薇.基于SWAT 模型的非點源污染模擬研究［D］. 河海大學，2008.