氣候變化背景下洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境影響研究

關(guān)鍵詞：氣候變化；洪澇災(zāi)害；流域生態(tài)；SPEI指數(shù)；水文環(huán)境

前言

在全球變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，氣候變化對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境的影響成為科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。流域降雨徑流關(guān)系復(fù)雜，受自然條件影響甚大，動(dòng)態(tài)變化與下墊面特性、降雨時(shí)空分布緊密相關(guān)。氣候變化不僅重塑了水文循環(huán)模式，還顯著影響流域水資源總量及流量分配，加劇了極端水文事件的強(qiáng)度和頻度。因此，深入探究流域生態(tài)水文環(huán)境的演變規(guī)律，對(duì)于維護(hù)良性循環(huán)、提升系統(tǒng)韌性至關(guān)重要。

趙宇寒等指出，壤中流作為水循環(huán)關(guān)鍵要素，對(duì)流域產(chǎn)流、水源保持及營(yíng)養(yǎng)循環(huán)至關(guān)重要。其研究趨勢(shì)反映了流域生態(tài)水文環(huán)境受土壤、地形、植被及降水等因素的綜合影響。李宗杰等針對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)的研究揭示，降水源自西風(fēng)與季風(fēng)環(huán)流，冰雪融水特性受消融條件調(diào)控，且不同形態(tài)融水間存在物質(zhì)交換。凍土區(qū)水文復(fù)雜，受多重水源影響，土壤水化學(xué)特性波動(dòng)顯著。隨海拔遞增，河流化學(xué)元素受雨水稀釋，冰雪融水補(bǔ)充增強(qiáng)，共同塑造流域獨(dú)特的水文生態(tài)效應(yīng)。

然而，現(xiàn)有研究多側(cè)重于氣候因素的單一考量，忽略了人類活動(dòng)，尤其是工業(yè)與農(nóng)業(yè)排放物在洪澇過(guò)程中的擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境影響的評(píng)估存在局限。因此，提出了氣候變化背景下洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境影響研究。

1研究區(qū)域概況

此研究聚焦于一特定流域，其地形東南高峻、西北平緩，西部相對(duì)開(kāi)闊。地貌上，上游至水庫(kù)段為中山、低山區(qū)，中游則轉(zhuǎn)變?yōu)榍燮骄彽牡蜕角鹆辏掠挝鞅眰?cè)延伸為廣闊低地平原，植被茂密，是農(nóng)業(yè)、工業(yè)及防洪要地。氣候?qū)贉貛駶?rùn)亞濕潤(rùn)型，受西風(fēng)及季風(fēng)影響，冬干冷、夏暖濕，年均溫4.5℃，降水集中于夏季，時(shí)空分布不均，年總量689mm。水系依地形分為河源、上游、丘陵區(qū)及下游四段，各段特征鮮明：河源段長(zhǎng)235公里，集水廣，植被覆蓋好；上游段電站密集；丘陵區(qū)段農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)；下游段水流平穩(wěn)，利于工業(yè)生產(chǎn)。流域內(nèi)春、夏汛明顯，冰封期較長(zhǎng)。

2材料和數(shù)據(jù)分析方法

2.1采樣

氣象數(shù)據(jù)由氣象中心提供，采用NOAA官網(wǎng)公布的Nin03.4海區(qū)的海溫距平，獲得并統(tǒng)計(jì)該某市的月平均溫度、月降水量的SPEI指數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)）。

洪水消退后，在受到洪澇災(zāi)害的6個(gè)區(qū)域進(jìn)行取樣，用0.45um濾膜對(duì)樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾，以去除其中的不溶性顆粒物。將金屬元素測(cè)定試樣濾出，放人500mL的聚乙烯瓶中，用HN03使pH值小于2；將陰離子過(guò)濾，并貯存于500mL的聚乙烯瓶中；收集的樣本在4℃冰箱內(nèi)冷藏。

采用便攜式多參數(shù)儀器原位測(cè)定pH值，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定鈉，鋁，鋅，鉛，鎘，鎳，錳，鐵，鉻，磷，鉀，COD；用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定氨氮。

2.2研究方法

為更好分析氣候變化溫度對(duì)用水需求的影響，采用SPEI指數(shù)對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行研究。利用SPEI指數(shù)綜合考慮降雨P(guān)與潛在蒸散發(fā)PEI對(duì)洪澇的影響，利用彭曼公式估算潛在蒸散發(fā)。SPEI指數(shù)算法的基本思想就是以降雨和蒸散量之差偏離平均情況為指標(biāo)，描述區(qū)域內(nèi)的洪澇狀況。求出潛在蒸散量，利用式（1）獲得月降雨量與蒸散之差：

在原數(shù)據(jù)序列D中含有負(fù)值的情況下，SPEI指數(shù)取3個(gè)參數(shù)的對(duì)數(shù)邏輯概率分布。對(duì)數(shù)邏輯概率分布的累積函數(shù)表達(dá)式為式（2）-式（3）：

對(duì)這些序列歸一化正態(tài)處理，獲得對(duì)應(yīng)的SPET指數(shù)：

式（4）-式（5）中，C、d描述的是不同的參數(shù)值；W描述的是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的降水量值；W描述的是降水量子集；假設(shè)P≤0.5，則P=F（x）；若是Pgt;0.5，則P=1-F（x）。SPEI按表1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪澇災(zāi)害等級(jí)劃分。

2.3洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境影響

洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一系列的影響，具體如下：

洪澇災(zāi)害作為極端氣候事件的典型代表，對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境構(gòu)成多維度的復(fù)雜影響。首先，在災(zāi)害過(guò)程中，泥沙、垃圾及動(dòng)物尸體等污染物被大量沖刷人流域，顯著提升水體中懸浮物、有機(jī)物及重金屬濃度，加劇水質(zhì)惡化，并促使污染物在上下游間快速擴(kuò)散，擴(kuò)大污染范圍。其次，洪水?dāng)y帶的低溫水體降低了流域整體水溫，干擾了水溫的季節(jié)性變化模式，尤其在頻發(fā)或持續(xù)性洪澇區(qū)域尤為顯著。

溶解氧水平在洪澇期間因有機(jī)物降解而急劇下降，危及水生生物生存，引發(fā)窒息或死亡事件，深刻影響流域生態(tài)平衡。同時(shí)，洪澇災(zāi)害破壞生物棲息地，導(dǎo)致植被覆蓋減少，動(dòng)物種群遷移或消失，食物鏈斷裂，養(yǎng)分循環(huán)受阻，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能遭受重創(chuàng)。濕地、河流與湖泊等關(guān)鍵生態(tài)單元受損，系統(tǒng)穩(wěn)定性與恢復(fù)力削弱，長(zhǎng)期生態(tài)后果難以預(yù)測(cè)。

此外，洪澇還顯著改變水文特征．如河流流向臨時(shí)改變，流量激增，峰值流量攀升，加劇河道沖刷與淤積，水位急劇上升甚至泛濫，對(duì)流域防洪安全構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些水文變化不僅影響流域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)，也威脅到人類社會(huì)的生產(chǎn)生活安全，凸顯了氣候變化背景下洪澇災(zāi)害管理的緊迫性與復(fù)雜性。綜上所述，洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境的綜合影響深遠(yuǎn)且廣泛，需采取科學(xué)有效的措施加以應(yīng)對(duì)。

3流域生態(tài)水文環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境的影響，在正常天氣條件下與洪水過(guò)后的流域水樣中，檢測(cè)了多種元素（鈉、鋁、鋅、鉛、鎘、鎳、錳、鐵、鉻、磷、鉀）以及氨氮和化學(xué)需氧量（COD）的濃度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可以觀察到，洪水過(guò)后流域中的鈉、鋁、鋅、鉛、鎘、鎳、錳、鐵、鉻、氨氮和化學(xué)需氧量指標(biāo)均發(fā)生了顯著變化。在正常天氣下，流域水樣中各種元素的濃度維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。鈉、鋁、鋅、鉛、鎘、鎳、錳、鐵、鉻、磷和鉀濃度相對(duì)較低。同時(shí)，氨氮和COD的濃度也保持在較低水平，表明流域水質(zhì)相對(duì)較好。

洪水前后流域水文變化情況，具體見(jiàn)表3。

通過(guò)表3能夠觀察到，洪水對(duì)流域的水文環(huán)境產(chǎn)生了顯著的影響。在正常情況下，流域的水溫維持在25°，而在洪水期間，水溫下降到21°，這可能是由于洪水帶來(lái)的大量低溫水體所致。洪水期間溶解氧含量也有所下降，從正常的50g/L減少到46g/L，這可能是由于洪水帶來(lái)的泥沙和有機(jī)物質(zhì)增加，導(dǎo)致溶解氧的消耗增加。盡管洪水期間生物種類數(shù)量有所增加，從162種增加到171種，但生物的總數(shù)量卻有所減少，從15×107個(gè)下降到13×107個(gè)。這可能是由于洪水帶來(lái)的環(huán)境壓力，如水流速度增加、水位上升等，導(dǎo)致部分生物無(wú)法適應(yīng)新環(huán)境而死亡或遷移。洪水期間流域流量明顯增加，從183000m3/S增加到201000m3/S，這是因?yàn)榻涤炅康脑黾右约昂樗畮?lái)的大量水體所致。流域水位也從19.63m上升到21.89m，會(huì)對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。

4結(jié)束語(yǔ)

氣候條件的不同，導(dǎo)致水資源總量與流量等發(fā)生改變，進(jìn)而影響到區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在全球氣候變化及變暖背景下，世界范圍內(nèi)的水資源配置已呈現(xiàn)不平衡狀態(tài)，旱災(zāi)、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境造成破壞。因此，提出氣候變化背景下洪澇災(zāi)害對(duì)流域生態(tài)水文環(huán)境影響研究。以某流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過(guò)彭曼公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)，獲得月降水量和蒸散量的差值，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)分級(jí)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，洪水后流域水體中重金屬及有機(jī)污染物的濃度顯著提升，水溫下降、溶解氧減少及生物數(shù)量銳減，凸顯了生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。同時(shí)，洪水引發(fā)的流量與水位激增，進(jìn)一步加劇了水質(zhì)惡化與生態(tài)平衡的失衡。