極端強降水洪澇事件對地表水環境質量的影響

全球氣候變化對水文循環有著重要的影響，由氣候變化所引起水資源量的時空分布和水質變化等問題已成為各國科學家和政府關注的熱點。目前，氣候變化對水資源的影響研究多集中於水量，而關於水質水生態方面的影響研究相對較少。

氣候變化會對地表水環境質量產生一定的影響。為了研究洪澇災害對地表水環境的影響程度，我們選取海河流域典型地區———北京城市湖泊和密雲水庫流域非城市水庫、河流作為研究對象，分析了2011 年和2012 年夏季北京兩次特大暴雨事件所形成的洪澇災害對地表水環境質量(包括總磷、總氮、COD、BOD 和溶解氧) 的影響，以及這種影響在城市與非城市兩種不同下墊面之間的差異。

北京市2011 年和2012 年洪澇災害

如圖1所示，研究區域包括北京城區(西城區、東城區、崇文區、宣武區、丰台區、朝陽區和石景山區) 和密雲水庫非城市地區。城市地區的主要土地利用類型為居民和商業用地及娛樂公園等。密雲水庫流域主要土地利用類型以農田和林地為主。研究選取了北京的10個城市湖泊和３ 個非城市地區水庫及相連接的河流，具體信息見表1。

圖1 城市與非城市湖庫研究樣點

表1 研究河流域琥珀的基本信息

北京的城市湖泊大部分都是人工湖泊，不像自然湖泊，城市水環境中的水質和水生植物更容易受到水文條件如水力停留時間和流入流出徑流的影響。如上所述，北京夏季降雨較多，６ ~９ 月的降雨量佔全年的７０％以上(圖2)。 ２０１１ 年６ 月２３ 日的暴雨與２０１２ 年７ 月２２ 日的暴雨分別導致了兩場洪水事件。第一場暴雨事件期間，全市平均降水量為３５ｍｍ，城區降水量為５７ｍｍ，降水主要集中在城區，部分地區降水量甚至超過１００ｍｍ，達大暴雨級別。第二場暴雨是過去６１ａ 北京最大的洪澇災害，持續了１９ｈ；累計平均降水量達到５３２ｍｍ，佔全年總降雨量的７５％，較２０１１ 年同期高11％ (圖2)。

圖2 北京2006-2012年雨季降雨量變化

洪澇災害對水質的影響

利用如下綜合指數評價分析法研究了參照年份(２００６ ~ ２０１０ 年)、第一次洪澇期間、第二次洪澇期間的水環境質量狀況。結果如圖3 所示，可以發現非城市地區的水環境質量較城市地區的水環境質量好。第一次暴雨事件(２０１１) 期間，非城市和城市湖庫水質最明顯的變化即為升高的ＣＯＤ，如第一次洪澇期間，Ｓ３ 沙場水庫的ＣＯＤ 為多年平均值的２ 倍。這一現象主要是由於暴雨沖刷地表形成的非點源污染將大量耗氧性有機污染物帶入水體所導致。同時，在大部分樣點可以發現降低的ＤＯ，一方面是由於洪澇發生在夏季；另一方面則是由於地表徑流帶入水體的污染物發生生化作用消耗水體中的ＤＯ。在非城市水庫中，ＴＮ 濃度較多年平均值高出１.５ 倍，這可能與降水沖刷地表，將地表中的氮帶入水體中有關。而ＴＮ 在非城市河流中呈現相反的現象，這可能與各自的流域特徵有關。另外，在非城市的水體中，ＴＰ 並無顯著變化特徵。而對於城市湖泊來說，第一次洪澇期間，與多年平均值相比，ＴＮ 顯著降低，ＴＰ 則顯著升高。城市與非城市地區營養鹽對暴雨事件的不同響應可能主要與這兩個地區土壤中營養鹽含量的差異有關。已有研究報道，城市土壤中氮的含量低而非城市地區土壤中氮含量高?城市土壤中磷的含量高而非城市土壤中磷的含量低(Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ.，２０１３)。因此，進一步說明了第一次極端暴雨事件對水體的影響主要來自於非點源污染。對於整體水環境而言，第一次暴雨期間，大部分採樣點的綜合污染指數較多年平均值均呈顯著升高(圖3)。

圖3 北京城市水體與肥城市水體的綜合污染指數

第二次暴雨事件(２０１２ 年) 期間，與多年平均值相比，在大部分研究點位ＣＯＤ 呈升高趨勢，ＢＯＤ 和ＤＯ 值降低。與第一次洪澇期間相比，第二次暴雨事件期間綜合污染指數、ＣＯＤ 和ＢＯＤ 等指標均有所降低。以Ｓ４ 古北口為例，第一次洪澇期間ＣＯＤ的值為１３ ｍｇ/ Ｌ，比第二次洪澇高５ ｍｇ/ Ｌ；第一次洪澇期間的ＢＯＤ 值為第二次洪澇期間的２.５ 倍。同時，第一次洪澇期間非城區與城市水體的綜合污染指數分別比第二次洪澇期間高出５３.８％和６５.３％。因此，第一次洪澇事件對水環境的影響大於第二次洪澇事件。這可能與第一次洪澇之前北京長期乾旱、地表蓄積大量污染物有關。暴雨事件主要通過影響非點源進入水體的負荷，改變水文特徵影響污染物的分配及稀釋水體污染物這三個主要途徑對地表水環境質量產生影響，且在城市和非城市地區的影響存在差異。

氣候變化對地表水環境質量影響研究展望

氣候變化通過溫度、降水、光照輻射、風速風型等因素對水環境質量產生影響，是一個複雜的過程。由於污染物的環境行為受環境條件的作用，任何環境條件的變化都可能影響它們在水環境中的來源和分布、遷移轉化過程和產生的生態效應。闡明氣候變化對水環境質量的影響，對於制定水環境管理措施及更好地管理流域水環境具有重要的意義。在現有研究基礎上，進行氣候變化對地表水環境質量的影響研究可以從微觀、中觀和宏觀三個角度展開。

要開展氣候變化背景下的水環境質量研究，首先需要闡明的是氣候變化對水環境質量的影響機理。闡明降水、氣溫、風速和輻射等氣象因子如何影響水體中污染物的來源、遷移轉化過程以及所產生的生態環境效應；而且由於氣候變化對水環境質量的影響是多種氣象因子綜合作用的結果，所以還應該進一步研究各氣象因子的綜合影響。這些不僅可通過室內模擬實驗研究水體污染物對氣象因子變化的響應機理，也可以通過野外觀測試驗和歷史數據分析氣候變化對水環境的影響。水環境質量的變化受自然和人為兩方面的因素影響，通過機理性的研究分析人類活動和氣候變化的權重係數，定量研究氣候變化對水環境的影響程度，確定各個水質指標對氣候變化的敏感性及對氣候變化敏感的水環境質量指標因子，這些對於定性或定量研究氣候變化對水環境質量的影響意義重大。

在上述機理研究的基礎上，可以建立對氣候變化響應的水質模型，採用模型模擬的方法從不同流域尺度研究氣候變化背景下水環境質量的變化趨勢。大氣環流模型和區域環流模型可以給出不同情景下未來氣候的變化情況，得出氣候變化趨勢(如降水、溫度等變化範圍) 作為水質模型輸入的數據進行預測分析。目前應用於氣候變化的地表水環境質量模型通常分為兩類，一類是分析水體污染物的源對降水、溫度變化的響應。另一類則是分析氣候變化對水環境中污染物遷移轉化的影響。而對於既考慮氣候變化對污染源的影響又考慮對污染物遷移轉化影響的研究較少，同時模型模擬研究還面臨著氣候變化與基礎資料的不確定性、水質模型參數的不確定性等不足。今後的研究重點應考慮建立水體污染物來源與遷移轉化對氣候變化共同響應的模型結構，同時加強氣候變化模型與水質模型的耦合，提高氣候變化條件下水質模型的精度和準確度。

我國水資源在時空分布上極端不均勻，氣候變化背景下的用水安全是影響國家社會經濟發展的重要因素。從宏觀角度研究氣候變化對水環境質量的影響主要可開展暴雨，乾旱等極端天氣事件的發生對水環境產生的影響研究，氣候變化背景下的水資源安全評估研究，以及相應的流域水環境適應性管理政策研究等。總結以往乾旱洪澇現象對水環境質量的影響及所帶來的水質污染事件，分析極端天氣事件引發的水環境質量、水生態的變化並建立相應的預測、預警響應機制，為適應對策的提出提供基礎。例如，對於建有水利工程的河流，由於極端天氣事件將改變水庫或閘壩的調度，可能進一步引起河流湖泊的水質和生態環境情勢發生改變，在這種情況下，綜合分析極端天氣事件對水利工程的上游和下游水環境的影響具有重要的意義。另外，科學分析氣候變化背景下我國水環境質量的變化趨勢，從水質水量相結合的角度客觀評估氣候變化對我國區域水資源的影響，構建氣候變化背景下考慮水環境質量的水資源脆弱性評價指標體系，提出區域水資源脆弱性的等級區劃對指導我國水資源規劃和可持續開發利用及保護具有重要意義。

本文由王芳摘編自楊曉華、夏星輝著《氣候變化背景下流域水資源系統脆弱性評價與調控管理》（科學出版社.2016.7）一書第6章，內容有刪節。

ISBN 978-7-03-048432-1

水資源脆弱性是氣候變化和經濟社會發展共同影響的結果，而未來氣候變化將進一步改變水資源的空間分布，加劇水資源的供給壓力及脆弱性。本書從不同角度對氣候變化背景下水資源系統脆弱性評價進行了系統梳理、理論與實踐研究，並提出了降低氣候變化背景下水資源系統脆弱性的調控對策。在理論方面，針對氣候變化背景下流域水資源脆弱性評價的不確定性，從水質水量水生態綜合管理角度，引進集對分析理論，提出了氣候變化下流域水資源脆弱性多屬性評價理論和系統動力學理論，建立了氣候變化下流域水資源脆弱性評價指標體系、評價標準、評價模型和四維流域水資源供需系統動力學模型。耦合VIC模型，模擬HadGEM2-ES模型下未來RCPs情景下流域降雨、蒸發、徑流量的變化。全面分析了黃淮海各流域水資源脆弱性時空分布特徵，揭示了氣候變化下流域水資源脆弱性變化規律。在應用方面，將所建立的模型應用於黃淮海三大流域，給出了氣候變化下黃淮海各流域水資源系統脆弱性評價的結果和調控措施。本書不僅豐富和發展了氣候變化下水資源系統脆弱性評價理論方法，而且可為水資源複雜系統規劃管理提供重要的理論依據，同時對於科學合理制定氣候變化大背景下區域各項決策具有重大的理論與現實意義。

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