氣候變化對高原寒區水質影響機理研究進展及展望

何霄嘉 許偉寧 翁白莎 秦天玲 嚴登明

摘要：氣候變化可通過多種途徑影響水環境質量，而識別氣候變化對水質的影響機理是氣候變化影響領域的研究前沿和熱點問題。針對氣候變化敏感的高原寒區，通過研究相關參考文獻，系統綜述了氣候變化對水質的總體影響、高寒流域水量水質演變機理與數值模擬、納木錯流域水量水質演變規律等方面的研究進展。在此基礎上，進一步討論了氣候變化對高原寒區水質影響機理研究方面亟待加強的科研項目和主要研究內容。

關鍵詞：氣候變化; 水質影響; 影響機理; 高原寒區

中圖法分類號：P333文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.013

氣候變化對水循環與水動力過程、下墊面條件及物質的遷移轉化過程具有顯著影響，進而影響到流域水質及水環境演變特征，關系到水安全保障。IPCC第五次氣候變化評估報告指出，氣候變化會降低原水水質，并對飲用水安全等帶來風險[1]。我國《第三次氣候變化國家評估報告》指出，氣候變化會影響水環境、水生態環境等多方面（第三次氣候變化國家評估報告，2015）。氣候變化對水質與水生態的潛在影響已經成為當前必須面對的新問題和新挑戰，這也引起了世界各國科學家和政府的高度關注[2]。識別水質對氣候變化的響應機理，并提出應對策略，已成為氣候變化與水資源、水環境領域研究的前沿和熱點問題。在我國全球變化及應對、適應氣候變化等科技發展規劃中，也將對相關內容進行專門部署。需要指出的是，天然水循環過程是污染物進入水體的載體和動力，污染物隨著坡面產流過程從地表溶出，并隨著坡面匯流和河道匯流等過程進入水體并發生轉化。因此，識別坡面產流過程對污染物產生量的影響機理，是整體識別氣候變化對水質影響機理的關鍵任務。與此同時，坡面產流過程不僅受地形地貌與土壤植被等自然地理條件的影響，還因雨、雪、冰等水源相態的不同而發生變化。當前水質對氣候變化響應的相關研究主要集中在氣候變化對極端事件（如干旱、洪澇）、水體富營養化等方面的影響[3-5]，亟待從水循環要素過程的角度系統開展氣候變化對水質影響的研究。

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，其演變會影響區域氣候系統，區域氣候環境變遷對湖泊也有顯著的影響[11-12]。因此，開展高寒流域水質對氣候變化的響應機理研究具有重要意義。

1氣候變化對水質影響的總體研究進展

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

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

2高寒流域水量水質演變機理與數值模擬

陳仁升等以黑河干流山區流域為例，構建了一個內陸河高寒山區流域分布式水熱耦合模型，結果表明：寒區流域產流、匯流過程中，土壤水熱交換與凍融作用貫穿其中，是寒區流域水循環過程的中心環節[25]。土壤凍融包括水分的運動、水分的相變、溶質的遷移和熱量的傳輸。張殿發以中國北方凍融區域為研究區，通過模擬實驗結果充分證明了凍融條件下，水鹽運移是水分對流、溫度梯度、土壤結構及質地等因素綜合作用的結果[26]。徐英等以河套灌區上55個采樣點的水分和鹽分作為對象進行了研究，結果表明凍融期土壤鹽分運移機制比水分運移機制復雜的多[27-29]。

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

對于高寒流域水量水質的演變過程，凍融作用定向地改變土壤水鹽的分布，蒸發作用和溫度變化是影響水鹽運移的主要因素。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行了研究，結果表明，溫度的變化導致土壤水分和鹽分自下而上運移，最后水分蒸發而鹽分留在土壤上部，土壤上部含鹽量增加，土壤向鹽堿化發展[33]。

隨著計算機和3S技術的發展，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進行了模擬[38];尚松浩基于凍土水熱基本方程對水熱遷移進行了模擬[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，初步預測了水、鹽、溫度的動態變化規律[40]。

在高寒流域產匯流模擬中，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的產流模型[41];關志成構建了寒區流域水文模型，分別模擬了寒區產匯流的主要環節[42];陳仁升等以黑河干流山區流域為研究區，構建了高寒山區分布式水熱耦合模型（DWHC），分析了土壤凍融作用對流域產匯流的影響[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給徑流的情況[44];周振民等基于非寒區流域模型結構，建立了具有物理機制的寒區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，分析了高寒地區凍土條件下水分動態運移規律[46];趙求東等在VIC模型的基礎上耦合能量-物質平衡方案，改善了其在寒區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模塊進行了改進[48];周劍等基于模塊化的寒區水文建模環境CRHM，構建寒區水文模型，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演變研究進展

位于青藏高原腹地的納木錯是我國第三大、西藏地區第二大咸水湖，湖面海拔達到4 700多米。流域內人類活動稀少，雨、雪、冰共存，水源類型復雜，平均溫升速率是全國平均的兩倍，降雨雨強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70年代以來，納木錯水域面積呈持續增加態勢;自20世紀90年代以來，納木錯鹽度顯著增加，整體呈現出“水鹽雙增”趨勢，并對周邊草場產生了顯著影響[51]。有關學者已從溫升背景下冰雪消融等角度就納木錯水域面積擴展開展了大量研究，從水質監測、湖區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理方面的相關研究較少。

3.1湖泊擴張及成因分析研究進展

目前研究其湖泊面積變化的手段主要以衛星遙感解譯為主，同時結合面積、水深等數據計算水量;成因分析主要圍繞降水、氣溫、冰川融雪以及蒸發等因素進行研究，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。衛星遙感能夠大面積定期地對地面進行觀測，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，國內外學者多采用NASA提供的Landsat衛星遙感影像，對不同時期的遙感影像進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世紀以來最為顯著[55]。陳鋒等對其擴張的階段進行了劃分：1970～1991年湖面擴張較為緩慢，1991～2000年擴張速率稍快，2000～2007年湖面擴張較為顯著;3個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行模擬，發現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。這與湖泊的擴張表現出很強的一致性[58-59]。

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

對于成因分析的研究，由于缺乏實際觀測數據的證明，國內外學者還沒有確切的定論，各影響因素具體貢獻如何還有待更加深入的研究。

3.2納木錯流域水化學研究進展

水體化學離子是水化學研究的重點內容，對不同流域水化學特性的調查研究是青藏高原湖泊學的重要內容，有助于深入揭示湖泊演化及其對氣候變化的響應機理。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，說明納木錯流域對全球氣候變暖具有敏感性[12]。Zhang等研究表明，納木錯流域主要化學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離子組成特征及來源作了初步探討，結果表明，納木錯湖水化學離子主要受蒸發-結晶作用控制，而河水化學離子則主要受巖石風化作用的影響[64-65]。高壇光等對納木錯入湖河流水化學離子特征及來源進行了初步探討，結果表明，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化的影響[66]。Li等對納木錯大氣降水中化學離子進行了分析，結果表明：納木錯降水化學離子組成以陸源Ca2+和HCO?-3為主，且主要受陸源物質的影響[67]。

郭軍明為揭示青藏高原納木錯湖水化學離子的時空變化特征、來源以及主要控制因子，通過連續定點采樣，對其主要化學離子進行了分析，結果表明，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、降水、pH值等是影響離子時空變化的因素，其中，蒸發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中不同點位的湖水和周邊不同位置的入湖河流進行了取樣，水化學分析結果表明：與季風期前比較，季風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 語

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

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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