氣候變化背景下旱澇事件對地表水環境影響研究進展

呂睿喆 ，翁白莎 ，嚴登明 ，李思諾 ，4

（1.東華大學環境科學與工程學院，201620，上海；

2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京；3.中國水利水電科學研究院水資源研究所，100038，北京；4.河北工程大學水電學院，056000，邯鄲）

氣候變化對水循環過程有著重要的影響，其所導致的水資源量時空分布特征和強度的變化等已成為各國關注的熱點。而目前主要的重點集中在對水量變化的研究，對氣候變化導致的水質問題研究相對較少，尤其對氣候變化導致的水環境危害和經濟損失的研究幾乎是空白，在具體定量分析方面缺乏數據支持，沒有建立相關評估方法。因此，開展氣候變化對水環境質量影響的研究不僅有助于環境保護部門加強水環境保護工作，也有助于對全球氣候變化產生的環境問題提出針對性對策。

氣候變化對地表水環境的影響是一個長期復雜持續的過程。盡管在未來很長時間內人類活動是造成水環境污染和水生態破壞的主要原因，但是氣候變化下水循環過程的改變對水環境質量的影響會越來越重要。

根據環境保護部統計，2006—2012年，941起突發環境事件中由自然災害引發的比例為9%，暴雨、洪澇和干旱等極端氣候事件已經成為水污染事故的重要原因，并且多數污染事故是由于工業點源污染和農業面源污染受暴雨沖刷將污染物帶入水體而引發的，極端氣候事件已經嚴重威脅到地表水環境安全。氣候變化對地表水環境質量的影響原理見圖1。

一、干旱事件對地表水環境的影響

干旱發生時，不僅會導致水量短缺，同時會有水質惡化的危害。隨著氣候的變化，降水量的時空分布不均和蒸發量的增加、溫度的持續升高，都會導致干旱事件發生的頻率增大。干旱對地表水環境的影響不僅包括水文要素過程，還會對地面植被土壤、水生動植物及微生物等帶來不利的影響。1992年，Margarida等對發生60年一遇干旱的葡萄牙50個主要水庫進行了研究，得出水質下降的結論，這是由干旱導致的河道徑流減少引起的。1997年，Mulholland提出，在干旱氣候條件下，徑流量的減少會使水體中營養鹽、有機質和污染物質濃度上升。Delpla等在2009年研究干旱對地表水水質影響時，提出了干旱期高溫會導致土壤中有機C、N、P的礦化及分解，干旱期結束后降雨及土壤侵蝕會攜帶大量污染物質進入水體中。干旱對地表水質量的影響主要表現在以下4個方面：

圖1 氣候變化對地表水環境質量的影響原理

①地表水受到點源污染物的污染，也會受到農田等面源污染物的影響。地表徑流和壤中流是面源污染物進入水體的主要載體，但干旱期間因降水和徑流減少，面源污染物進入水體數量隨之減少，點源污染物則成為水體污染的主要因素。

②干旱事件發生后，常出現旱澇急轉現象，暴雨伴隨而至。Evans在2005年指出這種干濕交替、旱澇急轉的現象可能會促進土壤中有機物質的分解，同時沖刷更多的有機物進入水體而加劇水質惡化。干旱期間土壤中積累大量污染物如礦物質、營養鹽、有機物等，降水發生后，污染物會隨著雨水進入水體，加重水體污染物負荷，迅速造成水質惡化；再加上農業面源污染嚴重及農藥化肥的不合理使用，暴雨過后大量農藥化肥進入水體，進一步加重了水體的污染。

③干旱期間，溫度升高的最直接影響是河流徑流量顯著減少。河流的流量和污染物的負荷改變了河流稀釋和運輸物質的能力，同時溫度的升高影響水體擴散、礦化和垂向混合過程，以及污染物遷移轉化過程，最終導致水質惡化。因為污染物在遷移轉化過程中伴隨著化學變化、生物降解、有機物的分解以及藻類和浮游生物大量繁殖的發生，會消耗水中溶解氧，當水中溶解氧不足時，有機物進行厭氧發酵，導致水質惡化。

④氮和磷等營養元素是水生動植物及微生物必需的元素，但是由于干旱高溫的影響，水體稀釋能力下降，水中營養元素濃度不斷增加，同時高溫又十分適宜藻類等水生植物生長，誘發水華爆發，導致水質惡化，威脅飲用水安全。水體中的營養元素主要來源于人類的工農業排放，生產過程中產生的有毒物質、重金屬、多環芳烴等污染物也會排入水體中，這些污染物在遷移過程中會吸附于懸浮物或富集在水生生物中，干旱期間因水溫升高而再次活化，進而污染水體。

干旱事件的發生不僅會導致可用水量下降和水質嚴重污染，同時也會造成水土流失、流域水面縮小、生物多樣性減少以及生態系統破壞等一系列問題，嚴重危害經濟社會的發展和人類身體健康。

二、洪澇事件對地表水環境的影響

氣候變化導致降水量的時空分布不均會進一步影響洪澇事件發生的頻率與強度，特別是在以雪山融化為主要水源的區域，氣候變化會導致積雪提前融化，加之降水增多，洪水暴發的頻率會大大增加。在地質復雜、降水量大的山區，強降雨甚至會導致泥石流和山洪災害的發生，從而嚴重污染地表水環境。2007年，Polyakov等提出強降水沖刷地表和侵蝕土壤，并攜帶土壤中大量的有機物、營養鹽、病原體以及毒素等物質進入水體，導致水環境質量下降。洪澇對地表水質量的影響主要表現在以下4個方面：

①在暴洪災害發生后，地表水的pH值、COD、溶解氧和高錳酸鹽指數都受一定影響。孔凡彬對2010年8月甘肅舟曲特大泥石流災害進行應急監測，分析了暴洪災害對地表水環境產生的主要影響，監測發現水體pH值、COD、溶解氧和高錳酸鹽指數各項指標均出現不同程度的超標，影響時間持續1～2周。水體pH值超標主要來源于災區消毒液和漂白粉的大量使用，而其他指標超標主要是洪水攜帶大量污染物進入水體而造成的。

②近年經濟和工業迅速發展，汽車等交通工具大量增加，汽車尾氣及化石燃料等已經嚴重污染大氣。尤其在城市，大氣中的污染物通過干濕沉降落到地面和水體中，污染嚴重的地區還會出現酸雨，降水中的氮、磷等元素影響地表水環境的質量。伍遠康等對浙江省2010年降水進行監測，結果顯示降水中含有不同濃度的TP、TN、NO3－、SO42－、Cl－等元素。隨著氣候的變化，強降雨事件出現的頻率也在增加，大氣中的這些污染物會隨著強降雨迅速進入水體，引發嚴重的污染。2002年德國易北河流域由于強降雨形成的地表徑流將大量污染物沖刷進入水體，導致了魚類死亡的嚴重事件。

③隨著城市化的發展、道路交通等基礎設施建設，不透水下墊面面積增加，局部地區徑流系數增加，加大了城市洪水風險。一旦城市地區發生短時強降雨，極易形成內澇，城區污水處理量增多，無法處理的多余污水可能會使排水系統和污水管網成為水體的污染源，影響整個水環境系統。

④不同地區地表和大氣污染物的濃度和種類不同，暴雨洪澇災害造成的水體污染程度也會不同。當洪水攜帶大量的泥沙和懸浮物進入水體，泥沙可以吸附解析污染物，一定程度上有降低污染、凈化水體的作用。但是隨著外界條件的改變，泥沙中的污染物再次釋放出來污染水體。

洪澇事件不僅造成地表的點源、面源污染物進入水體，同時也會造成大氣中的污染物進入河流，特別是對于城市大氣污染嚴重地區和工農業集中區域，洪澇事件會造成更嚴重的水體污染。

三、其他氣象因素對地表水環境的影響

干旱與洪澇的極端氣候事件對地表水環境產生突變性的影響，而其他氣象因素（如溫度、降雨、蒸發、日照、輻射、風速）的變化對地表水環境有長時間累積性的影響，通過水循環過程間接地對地表水水質產生不利影響。

①降水和蒸發的改變，除了引發干旱和洪澇極端事件，還會對地表水環境產生潛移默化的影響。當前氣候條件下，流域的蒸發量增加，降水量減少，流域水量減少，污染物濃度不斷提高；若供水不足，人類會加劇對地下水開發，造成地下水水量減少和污染，長久下去甚至會造成河流湖泊萎縮和荒漠化。另外氣候變化導致降雨的增加，更多的污染物和病原體進入水體。據Curriero等報告統計，1948—1994年，548份水傳播疾病暴發報告中有68%與降雨強度加大有關。

②氣候變化最顯著的反映是氣溫升高，水溫基本與周邊空氣溫度保持一致，氣溫升高會導致湖泊河流水溫升高。水溫會影響水的密度、表面張力、黏性等多方面。水溫還會改變水體中生物化學反應速率，影響微生物生長速率的同時會促進藻類的大量繁殖，易造成水華的暴發。溫度變化的幅度以及水質的初始狀態，會對地表水環境帶來不同程度的影響。

③光和輻射對水生植物的生長有重要意義，隨著氣候變化，光照時間和強度也會變化，影響各類水生植物的光合作用，對水生生態系統造成影響。研究表明，輻射的改變會使水體中污染物毒性改變。Macdonald等通過實驗證明類似多環芳烴的污染物暴露在紫外輻射中，會誘發水生生物的光毒性。氣候變化影響大氣環流的變化，改變了風速，風速對湖泊河流的運動和污染物的遷移也有影響。

④氣候變暖導致海平面不斷上升。根據IPCC發布的第四次報告顯示，過去100年全球海平面上升了18 cm，預計到21世紀末，全球海平面上升的高度將達到18～59 cm，會影響沿海濕地和紅樹林等生態系統的功能；風暴潮和災害性海浪頻率增加，海岸帶侵蝕加劇，海岸環境惡化，海岸帶生態系統遭到破壞，對海洋水環境產生一定影響。

四、研究展望

氣候變化對地表水環境的影響是復雜的自然因素和人為因素共同作用的結果，因此預估氣候變化對水質的綜合影響難度較大，不僅需要建立氣候變化與污染物遷移轉化模型，還需根據不同區域做出相應調整。當前對氣候變化與水質關系的影響大多是定性分析，今后需要進一步加強對二者的定量研究和內在機理分析。

在我國水環境質量整體尚未改善、環境風險隱患仍較為突出的形勢下，未來我國更為頻繁的極端天氣氣候將會加大水環境風險防范的難度，增加污染事故發生的可能性，不利于飲用水水質安全保障。我國在水環境適應氣候變化領域目前研究相對較少，處于剛剛起步階段，相關數據缺乏，沒有將水環境與農業、氣候、生態等多個領域結合起來，不利于從整體性和全局性的角度分析水環境變化的深入機理。氣候變化對水環境的影響方式和程度是全局性和整體性，所以加大對氣候變化模式的研究力度，建立對氣候變化不確定性和水質模型結構的分析，是提高未來水資源系統應對氣候變化的最佳途徑。

一方面，極端氣候事件是造成水質嚴重污染的因素之一，今后需要通過對極端氣候形成機理進一步研究，分析旱澇事件發生的頻率強度與變化趨勢，建立相應的預警和監測機制，保障災害發生時造成的損害最小。另一方面，要控制排污，人類活動排放的污染物是導致河流湖泊污染的根源，只有從源頭上減少污染，才能從根本上保護地表水環境。

[1]DALLA V M,MARCOMINIA,CODATO E.Climate change influence on POPs distribution and fate:A case study[J].Chemosphere,2007,67(7).

[2]Margarida C,Barros,Maria Jo?o M.Mendo,Francisco C.R.Negr?o.Surface water quality in Portugal during a drought period[J].The science of the total environment,1995,171.

[3]POLYAKOV V,FARES A,KUBO D,et al.Evaluation of a non-point source pollution model,Ann AGNPS,in a tropical watershed [J].Environmental Modelling&Software，2007，22（11）.

[4]Z.W.昆茲威克斯，梁靜靜，柯學莎.多因素影響下的氣候變化與河流水質[J].水利水電快報，2011（11）.

[5]Curriero F.C.,J.A.Patz.The association between extreme precipitation and waterborne disease outbreaks in the United States,1948-1994[J].American Journal of Public Heath，2001，91（8）.