氣候變化對高原寒區(qū)水質(zhì)影響機(jī)理研究進(jìn)展及展望

何霄嘉 許偉寧 翁白莎 秦天玲 嚴(yán)登明

摘要：氣候變化可通過多種途徑影響水環(huán)境質(zhì)量，而識別氣候變化對水質(zhì)的影響機(jī)理是氣候變化影響領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)問題。針對氣候變化敏感的高原寒區(qū)，通過研究相關(guān)參考文獻(xiàn)，系統(tǒng)綜述了氣候變化對水質(zhì)的總體影響、高寒流域水量水質(zhì)演變機(jī)理與數(shù)值模擬、納木錯流域水量水質(zhì)演變規(guī)律等方面的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了氣候變化對高原寒區(qū)水質(zhì)影響機(jī)理研究方面亟待加強(qiáng)的科研項(xiàng)目和主要研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：氣候變化; 水質(zhì)影響; 影響機(jī)理; 高原寒區(qū)

中圖法分類號：P333文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.013

氣候變化對水循環(huán)與水動力過程、下墊面條件及物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程具有顯著影響，進(jìn)而影響到流域水質(zhì)及水環(huán)境演變特征，關(guān)系到水安全保障。IPCC第五次氣候變化評估報(bào)告指出，氣候變化會降低原水水質(zhì)，并對飲用水安全等帶來風(fēng)險(xiǎn)[1]。我國《第三次氣候變化國家評估報(bào)告》指出，氣候變化會影響水環(huán)境、水生態(tài)環(huán)境等多方面（第三次氣候變化國家評估報(bào)告，2015）。氣候變化對水質(zhì)與水生態(tài)的潛在影響已經(jīng)成為當(dāng)前必須面對的新問題和新挑戰(zhàn)，這也引起了世界各國科學(xué)家和政府的高度關(guān)注[2]。識別水質(zhì)對氣候變化的響應(yīng)機(jī)理，并提出應(yīng)對策略，已成為氣候變化與水資源、水環(huán)境領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)問題。在我國全球變化及應(yīng)對、適應(yīng)氣候變化等科技發(fā)展規(guī)劃中，也將對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行專門部署。需要指出的是，天然水循環(huán)過程是污染物進(jìn)入水體的載體和動力，污染物隨著坡面產(chǎn)流過程從地表溶出，并隨著坡面匯流和河道匯流等過程進(jìn)入水體并發(fā)生轉(zhuǎn)化。因此，識別坡面產(chǎn)流過程對污染物產(chǎn)生量的影響機(jī)理，是整體識別氣候變化對水質(zhì)影響機(jī)理的關(guān)鍵任務(wù)。與此同時(shí)，坡面產(chǎn)流過程不僅受地形地貌與土壤植被等自然地理?xiàng)l件的影響，還因雨、雪、冰等水源相態(tài)的不同而發(fā)生變化。當(dāng)前水質(zhì)對氣候變化響應(yīng)的相關(guān)研究主要集中在氣候變化對極端事件（如干旱、洪澇）、水體富營養(yǎng)化等方面的影響[3-5]，亟待從水循環(huán)要素過程的角度系統(tǒng)開展氣候變化對水質(zhì)影響的研究。

青藏高原對全球氣候變化非常敏感[6-10]，湖泊作為青藏高原的重要地理單元，其演變會影響區(qū)域氣候系統(tǒng)，區(qū)域氣候環(huán)境變遷對湖泊也有顯著的影響[11-12]。因此，開展高寒流域水質(zhì)對氣候變化的響應(yīng)機(jī)理研究具有重要意義。

1氣候變化對水質(zhì)影響的總體研究進(jìn)展

氣候變化能通過多種途徑影響水環(huán)境質(zhì)量，是復(fù)雜綜合的水環(huán)境系統(tǒng)問題，在科學(xué)認(rèn)識上已有共識[13-15]。氣候變化通過改變水文水資源要素（如降雨、蒸發(fā)、徑流）的特征值，影響水體的物理、化學(xué)和生物特性，進(jìn)而對水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。此外，氣候變化通過改變生態(tài)環(huán)境基本要素（如溫度、降水、光照輻射、風(fēng)速、風(fēng)型等）綜合地影響水體中污染物的來源、分布和遷移轉(zhuǎn)化，影響水生生物的生長、發(fā)育、生殖和分布以及影響水資源分布格局，進(jìn)而引起水環(huán)境質(zhì)量變化[2]。已有觀測研究主要集中于氣候變化對湖泊水庫富營養(yǎng)化的影響以及極端氣候水文事件對水質(zhì)的影響[16-18]。對湖泊和水庫而言，主要研究包括：高溫、風(fēng)速降低和暴雨攜帶的大量營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致湖庫中富營養(yǎng)化加劇和水華爆發(fā);強(qiáng)降水徑流導(dǎo)致的鹽分、大腸桿菌、病原微生物和重金屬污染負(fù)荷增加，并帶來飲用水污染風(fēng)險(xiǎn)[19-20]。對河流而言，所有氣候變化對水質(zhì)影響都是負(fù)效應(yīng)，陳耀斌研究了淮河流域氣候變化對河流水質(zhì)水量的影響，得出強(qiáng)降水徑流給河流帶來更多的面源污染負(fù)荷掩蓋了水量增加的稀釋作用[21]。

Z.W昆茲威克斯等（波蘭）對與氣候變化相關(guān)的水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行了分析，并提出了氣候變化情景下水質(zhì)模擬的要求和約束條件[22]。已有預(yù)估研究表明，未來氣候變化情景將對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響[23]。但研究難度較大，現(xiàn)有研究較少。氣候變化是通過對復(fù)雜的自然和人為因素的耦合作用影響水質(zhì)，因此氣候變化對水質(zhì)影響的預(yù)估研究難度較大，不僅需要把氣候模型與污染物在不同介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化模型結(jié)合起來，而且需要建立較好的基準(zhǔn)對照情景，模型需要不同的空間尺度，還應(yīng)該根據(jù)區(qū)域特征校準(zhǔn)，所以相關(guān)研究較少而且不確定性較高。水質(zhì)預(yù)測結(jié)果特別依賴于區(qū)域特征、氣候和環(huán)境條件和當(dāng)前污染狀況。大多數(shù)研究結(jié)果是預(yù)估氣溫升高、降水量變化和強(qiáng)降水等氣候變化特征將對水質(zhì)造成不利影響，與過去觀測到的氣候變化對水質(zhì)影響特征相類似。IPCC AR5第二工作組報(bào)告決策者摘要指出：由于若干相互作用的因素，預(yù)估氣候變化會降低原水水質(zhì)，并對飲用水安全帶來風(fēng)險(xiǎn)，這些因素包括溫度升高、強(qiáng)降水造成的沉積物、養(yǎng)分以及污染物負(fù)荷增加[24]。

2高寒流域水量水質(zhì)演變機(jī)理與數(shù)值模擬

陳仁升等以黑河干流山區(qū)流域?yàn)槔?，?gòu)建了一個(gè)內(nèi)陸河高寒山區(qū)流域分布式水熱耦合模型，結(jié)果表明：寒區(qū)流域產(chǎn)流、匯流過程中，土壤水熱交換與凍融作用貫穿其中，是寒區(qū)流域水循環(huán)過程的中心環(huán)節(jié)[25]。土壤凍融包括水分的運(yùn)動、水分的相變、溶質(zhì)的遷移和熱量的傳輸。張殿發(fā)以中國北方凍融區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了凍融條件下，水鹽運(yùn)移是水分對流、溫度梯度、土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)地等因素綜合作用的結(jié)果[26]。徐英等以河套灌區(qū)上55個(gè)采樣點(diǎn)的水分和鹽分作為對象進(jìn)行了研究，結(jié)果表明凍融期土壤鹽分運(yùn)移機(jī)制比水分運(yùn)移機(jī)制復(fù)雜的多[27-29]。

溫度既可以直接影響土壤凍融過程中水鹽的運(yùn)移，又可以通過影響土壤水分運(yùn)移進(jìn)而影響鹽分運(yùn)移。靳志鋒以新疆北部常年膜下滴灌棉田為研究對象，探討了整個(gè)凍融過程中溫度對土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的影響，結(jié)果表明：凍結(jié)期，土壤水分從非凍結(jié)層向凍結(jié)層運(yùn)移，受土壤水分變化影響變化較小;消融期，蒸發(fā)作用使得下層土壤水分不斷向上運(yùn)移，受土壤水分變化影響較大[30]。與此同時(shí)，趙永成針對北疆凍融及雪水入滲作用下土壤水鹽運(yùn)移特征進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明，由于季節(jié)影響凍融會導(dǎo)致土壤水鹽再分配[31]。劉蔚等根據(jù)405個(gè)土壤樣品和101個(gè)水樣，分析了黑河下游土壤鹽分分布規(guī)律以及與地形地貌部位、地下水水化學(xué)的關(guān)系，結(jié)果表明： 土壤中鹽分隨地形變化較為復(fù)雜， 但與地下水鹽分變化一致[32]。

對于高寒流域水量水質(zhì)的演變過程，凍融作用定向地改變土壤水鹽的分布，蒸發(fā)作用和溫度變化是影響水鹽運(yùn)移的主要因素。陳乃嘉針對吉林西部土壤鹽漬化問題，以大安市蘇打鹽漬土為對象進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，溫度的變化導(dǎo)致土壤水分和鹽分自下而上運(yùn)移，最后水分蒸發(fā)而鹽分留在土壤上部，土壤上部含鹽量增加，土壤向鹽堿化發(fā)展[33]。

隨著計(jì)算機(jī)和3S技術(shù)的發(fā)展，分布式水文模型（DHSVM、TOPMOD-EL、MIKE SHE、WATFLOOD、VIC、WEP等）已成為研究流域水循環(huán)過程的重要工具與手段[34-36]。在凍土“水-熱-鹽”耦合遷移方面，胡和平等引入克拉珀龍方程研究凍土中的水熱遷移段[37];雷志棟等對垂直與水平土柱的凍結(jié)進(jìn)行了模擬[38];尚松浩基于凍土水熱基本方程對水熱遷移進(jìn)行了模擬[39];原國紅建立了Harlan偏微分方程，混合了凍土中的水、熱、鹽三方面，初步預(yù)測了水、鹽、溫度的動態(tài)變化規(guī)律[40]。

在高寒流域產(chǎn)匯流模擬中，楊針娘等基于水量平衡原理、線性水庫模式等最先建立了高山凍土區(qū)的產(chǎn)流模型[41];關(guān)志成構(gòu)建了寒區(qū)流域水文模型，分別模擬了寒區(qū)產(chǎn)匯流的主要環(huán)節(jié)[42];陳仁升等以黑河干流山區(qū)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，構(gòu)建了高寒山區(qū)分布式水熱耦合模型（DWHC），分析了土壤凍融作用對流域產(chǎn)匯流的影響[43];王建等基于修正SCS徑流方程和積雪能量平衡，分析了高寒草地的積雪融水和雨水混合補(bǔ)給徑流的情況[44];周振民等基于非寒區(qū)流域模型結(jié)構(gòu)，建立了具有物理機(jī)制的寒區(qū)流域概念性水文模型[45];王曉巍建立了凍土水文特性模擬模型，分析了高寒地區(qū)凍土條件下水分動態(tài)運(yùn)移規(guī)律[46];趙求東等在VIC模型的基礎(chǔ)上耦合能量-物質(zhì)平衡方案，改善了其在寒區(qū)冰川流域水文過程模擬效果[47];孫萬光等對SWAT模型中凍土條件下地表徑流模塊和土壤蒸發(fā)模塊進(jìn)行了改進(jìn)[48];周劍等基于模塊化的寒區(qū)水文建模環(huán)境CRHM，構(gòu)建寒區(qū)水文模型，模擬凍土下滲過程、土壤凍融等對徑流的影響[49]。

3納木錯流域水量水質(zhì)演變研究進(jìn)展

位于青藏高原腹地的納木錯是我國第三大、西藏地區(qū)第二大咸水湖，湖面海拔達(dá)到4 700多米。流域內(nèi)人類活動稀少，雨、雪、冰共存，水源類型復(fù)雜，平均溫升速率是全國平均的兩倍，降雨雨強(qiáng)及過程等降水特性變化大，受氣候變化的影響十分顯著[50]。在氣候變化影響下，自20世紀(jì)70年代以來，納木錯水域面積呈持續(xù)增加態(tài)勢;自20世紀(jì)90年代以來，納木錯鹽度顯著增加，整體呈現(xiàn)出“水鹽雙增”趨勢，并對周邊草場產(chǎn)生了顯著影響[51]。有關(guān)學(xué)者已從溫升背景下冰雪消融等角度就納木錯水域面積擴(kuò)展開展了大量研究，從水質(zhì)監(jiān)測、湖區(qū)水動力特征變化等角度分析了鹽度的變化特征[52-54];但針對其鹽度增加機(jī)理方面的相關(guān)研究較少。

3.1湖泊擴(kuò)張及成因分析研究進(jìn)展

目前研究其湖泊面積變化的手段主要以衛(wèi)星遙感解譯為主，同時(shí)結(jié)合面積、水深等數(shù)據(jù)計(jì)算水量;成因分析主要圍繞降水、氣溫、冰川融雪以及蒸發(fā)等因素進(jìn)行研究，研究方法主要為地面觀測輔以模型模擬。

（1） 湖泊面積變化方面。衛(wèi)星遙感能夠大面積定期地對地面進(jìn)行觀測，為研究陸面許多水文要素提供了很大的方便。目前對于納木錯湖面面積變化的研究，國內(nèi)外學(xué)者多采用NASA提供的Landsat衛(wèi)星遙感影像，對不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行解譯比對研究湖面面積的變化趨勢。已有研究表明：近40 a來納木錯湖泊面積不斷增大，21世紀(jì)以來最為顯著[55]。陳鋒等對其擴(kuò)張的階段進(jìn)行了劃分：1970～1991年湖面擴(kuò)張較為緩慢，1991～2000年擴(kuò)張速率稍快，2000～2007年湖面擴(kuò)張較為顯著;3個(gè)階段湖面面積的增加速率不斷增大，分別為1.1，2.8，3.4 km?2/a[56]。除了面積呈增大趨勢外，納木錯的水量以及水位均有不斷上升的趨勢[57]。Song C等通過水量平衡模型對納木錯的入湖水量進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)近幾十年入湖水量在不斷增加，其中90年代中期之后增加速率變快。這與湖泊的擴(kuò)張表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性[58-59]。

（2） 湖泊擴(kuò)張成因方面。與湖泊面積變化方面的研究相比，對湖泊擴(kuò)張成因分析的探討，不同研究者所持有的觀點(diǎn)并非完全一致。但是總體上，國內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)為其擴(kuò)張的原因包括氣候變化導(dǎo)致的氣溫上升、冰川融化退縮、降水增多等因素，只是在各因素的貢獻(xiàn)程度上存在一些不同的觀點(diǎn)。吳艷紅等通過對湖泊變化的主要影響因素（暖季降水量、暖季氣溫和暖季蒸發(fā)量）進(jìn)行分析，湖面擴(kuò)張主要受冰川融水增加的影響，而降水增加和蒸發(fā)減小也有一定影響[60]。Yanbin Lei等分析了納木錯湖模擬水量平衡，發(fā)現(xiàn)只有增加冰川融雪才能使得模擬的湖內(nèi)水量與實(shí)際水量的增長趨勢相符，而相同地區(qū)其他湖泊（如色林錯）并未出現(xiàn)這種現(xiàn)象，認(rèn)為冰川融水對納木錯的擴(kuò)張具有重大影響[61]。而馬穎釗等通過對非冰川入流和冰川入流的估算，發(fā)現(xiàn)1970～2009年納木錯湖區(qū)湖面降水以及非冰川徑流在總水量平衡收入中占比達(dá)到91%，認(rèn)為流域降水增加是湖泊面積擴(kuò)張的直接原因[55]。Zhu Liping等利用水量平衡方程對納木錯各水量補(bǔ)給來源進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明，降水及其產(chǎn)生的地表徑流是湖泊的主要補(bǔ)給源，冰川融水只占較小的比例，但在兩者產(chǎn)生的徑流增量中，冰川融水增量大于降水增量，說明冰川融水的貢獻(xiàn)在近些年上升明顯[62]。

對于成因分析的研究，由于缺乏實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的證明，國內(nèi)外學(xué)者還沒有確切的定論，各影響因素具體貢獻(xiàn)如何還有待更加深入的研究。

3.2納木錯流域水化學(xué)研究進(jìn)展

水體化學(xué)離子是水化學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，對不同流域水化學(xué)特性的調(diào)查研究是青藏高原湖泊學(xué)的重要內(nèi)容，有助于深入揭示湖泊演化及其對氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。近30 a來，隨著納木錯流域氣溫的升高，冰川融水和降水的增加使得湖面面積增大，說明納木錯流域?qū)θ驓夂蜃兣哂忻舾行訹12]。Zhang等研究表明，納木錯流域主要化學(xué)離子濃度按照冰川積雪、降水、河水、濕地積水、湖水的順序依次遞增[63]。有研究者對納木錯湖東部湖水和入湖河流水化學(xué)離子組成特征及來源作了初步探討，結(jié)果表明，納木錯湖水化學(xué)離子主要受蒸發(fā)-結(jié)晶作用控制，而河水化學(xué)離子則主要受巖石風(fēng)化作用的影響[64-65]。高壇光等對納木錯入湖河流水化學(xué)離子特征及來源進(jìn)行了初步探討，結(jié)果表明，入湖河流離子總量顯著低于青藏高原以及我國其他河流，并且不同河流受不同巖石風(fēng)化的影響[66]。Li等對納木錯大氣降水中化學(xué)離子進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：納木錯降水化學(xué)離子組成以陸源Ca2+和HCO?-3為主，且主要受陸源物質(zhì)的影響[67]。

郭軍明為揭示青藏高原納木錯湖水化學(xué)離子的時(shí)空變化特征、來源以及主要控制因子，通過連續(xù)定點(diǎn)采樣，對其主要化學(xué)離子進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，納木錯湖水中主要陰離子為HCO?-3，主要陽離子為Na?+，湖水中主要離子來源于入湖河水;蒸發(fā)、降水、pH值等是影響離子時(shí)空變化的因素，其中，蒸發(fā)是最主要的影響因素，它使得湖水Ca2+濃度降低而Na?+濃度不斷升高[52]。王君波等對西藏納木錯東部湖區(qū)中不同點(diǎn)位的湖水和周邊不同位置的入湖河流進(jìn)行了取樣，水化學(xué)分析結(jié)果表明：與季風(fēng)期前比較，季風(fēng)期后湖水中和河水中大部分離子含量均有顯著增加，而F?-、Cl?-和NO?-3則有減少趨勢[53]。

4結(jié) 語

氣候變化對水質(zhì)的影響已受到政府部門和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，并已成為氣候變化、水資源與水環(huán)境領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。從研究的空間單元來看，由水體水質(zhì)演化向流域尺度的水質(zhì)演變過渡;從機(jī)理識別模式來看，由基于河流水文水動力學(xué)驅(qū)動機(jī)理向流域水循環(huán)多過程驅(qū)動機(jī)理研究過渡;從氣候變化影響因子方面來看，由單因子影響向多因子復(fù)合影響過渡;從研究手段來看，由單一技術(shù)手段向多技術(shù)手段綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)變，并更加關(guān)注基于原型觀測和控制實(shí)驗(yàn)獲取關(guān)鍵參數(shù)。未來研究的關(guān)鍵課題主要包括：氣候變化背景下流域水循環(huán)各要素過程演變對污染物和營養(yǎng)鹽類的影響機(jī)理觀測與實(shí)驗(yàn)，氣候變化對水環(huán)境的影響機(jī)理模擬，多氣候變化因子對水體復(fù)合污染的影響等。

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Progress and prospective of climate change impact on water quality in plateau cold region

HE Xiaojia?，XU Weining?2，WENG Baisha?3，QIN Tianling?3，YAN Dengming?3

（1.The Administrative Center for Chinas Agenda 21， Beijing 100038， China;2.Department of Urban Water Environmental Research， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， State Key Laboratory of Water Cycle Simulation and Regulation in River Basin， Beijing 100038， China）

Abstract： Climate change can impact water environment quality in many ways， and the recognition of its impact mechanism is a research hot-point and frontier. By studying the related scientific and technical literatures， this paper systematically summarized the research progress in the total impact of climate change on water quality in plateau cold region， evolution mechanism and numerical simulation of water quantity and water quality in plateau cold region， water quantity and water quality evolution law of Nam Co Lake in Tibet etc. On this basis， the urgent scientific research issues and the main research contents for impact mechanism of climate change on water quality in plateau cold region were further discussed.

Key words：climate change; water quality impact; impact mechanism; plateau cold region