气候变化对英国流域水质的影响研究

[摘要]英国的气候变化研究研制一种模型，用以模拟气候变化对英国水体水质的影响，模拟使用了各种场景，以模拟气候变化对降雨、蒸发和流域气温的变化，这些以时间为单位的变量序列被用于水质和生态模型的输入，以模拟流量、硝酸盐、氨含量、溶解磷、泥沙、大型植被和附生植被等，包括他玛河、勒格河、肯尼特河、特威德河和兰伯恩河。根据不同的河流特征、流域位置、径流情势、模拟条件和未来时间序列，得出气候变化对英国主要河流的水质影响结果。

[关键词]　模拟气候变化　英国六大流域　水质　影响

1．介绍

各种证据表明，全球气候变化确实在发生着。但是，还不能准确确定未来气温变化的幅度，以及气温变化所导致的降水、蒸发和水文特性在某个具体地点的变化。然而，气候变化模型提供了评估未来气候变化对水质，以及水体表层生态的影响。

欧洲的气候变化影响评估项目是一个斥资2000万英磅研究项目，由多部门参与，研究欧洲范围内气候变化对河流、湖泊和湿地的影响。

进行地表水水质研究，如果不考虑当地的水文变化，则难以得出正确结果。UKCIP02是英国气候变化模拟的一种情形，它表明，到2080年前，在温室气体低排放的情形下，英国冬天的降水会增加10～20%，如果是比较高的温室气体排放，冬天的降水将会增加15～35%。最大的降水变化将会出现在英国的东部和南部，苏格兰北部的降水变化将会是最小的。而到了夏天，整个英国都会变得更加干旱，温室气体低排放时降水将会减少35%，高排放时降水减少50%以上。研究表明，英国夏天的降水已经减少了，这些降水的改变用于气候模型的模拟，以模拟出英国未来的径流变化。最近水文学家Romanowicz等在英国水行业联合会（UKWIR）用不同的气候模型模拟了一系统的英国流域径流，他们得出结论：到2020年以前，英国的冬季径流将会增加4%～9%，夏季平均径流减少11%，由于受具体的流域位置、土地使用、土壤结构、地理和模型的不确定性影响，英国的夏季径流减少量在1%～32%之。

气候变化的最直接反映是河流与湖泊的水温变化。河水温度与附近的空气温度相一致，气温上升，河水温度也会上升，在过去的一百年，欧洲的很多河流的水温已经上升了1～3C，例如莱茵河和多瑙河，苏格兰小型河流的水温升高的最大。据报导，瑞士在各纬度的河流水温都有着较大的上升，在1988年和2002年，河水水温因为气温的骤然变化而有大的改变，河水温度的骤然变化对一些水生有机生物的影响很大，因为这些物种不能适应水温变化的节奏。

由于河流大部分化学和微生物反应都与河水水温密切相关，有必要使用水化学模型来决定气候变化对水质的潜在影响。本文考虑英国六个不同的河流系统，并为每一个河流设置不同的水质模型。

2．英国的六大河系

所分析的六个河系包括他玛河（Tamar）、泰姆河(Tame)、勒格河(Lugg)、肯尼特河(Kennet)、特威德河(Tweed)和兰伯恩河(Lambourn)。这些河流代表英国不同的地理位置、不同的地质情况，代表不同的高地和低地。在每一个流域上实施统一流域（INCA）模型，模拟泥沙、硝酸盐、溶解氨、活性磷和生态变量（大型植被和附属植被）。所使用的数据有不同来源，包括英国环境署（流量和水质）、英国气候办公室、用地覆盖图、氮沉积图、农业调查、污水处理排放部门、河流图、数字高程图，以及流域流速信息等。模型处理大量的历史数据，并且在不同的流域模型中封装了水文、化学和生态动力因子。每个流域的模型的参数都经过了率定和效验，能为气候变化研究提供良好的依据。

3．方法

在评估气候变化对未来水质的影响方面使用了两种方法，即英国水行业联合会（UKWIR）的增量更改方法(Delta Change Method)和顺序尺度统计方法(Statistical Downscaling Scheme)。英国水行业联合会使用增量更改方法进行水质研究，然而，他们对长历时气候变化的瞬间效应也进行了研究，因为以日为单位的天气信息的变化对水质有着潜在的影响。

增量更改方法（DCM）

英国水行业联合会研究出一种新的方法来转变顺尺度的大气环流模型的关键输出变量，这些关键性的变量包括降水、气温、蒸发能力（PET），以及从水资源模型CATCHMOD得到的河流径流。这样的过程在英国的70多个流域展开，为目前的研究提供了宝贵的资源。英国水行业项目的信息涵盖了该国水质分析所需要的所有情景和时间序列。根据世界气象变量委员会（IPCC），英国的UKCIP02气候模拟将温室气候的排放分为低排（Low）、中低排(Med low)、中高排(Med high)和高排(High)四种情形。从六个大气环流模型的平均结果得到包含改变因子的结果，这些结果可以用作水质模型的输入，每种情形分别应用在选定的河流上，以2010、2020和2050为开始的十年进行模拟，得到水质随时间变化的结果。

顺序尺度统计方法（SDSM）

用于英国六大河流的大气环流模型输出的第二种表达方法就是顺序尺度统计方法。这种大气环流的输出过程由水文学家Wilby等于2006年详细阐述，所附带的影响分析包括流域的蒸发、土壤含水量、径流和地下水等，Wilby将这种方法详细地应用于英国的肯尼特河流（Kennet River）的模拟中，在那个研究中，Wilby等在肯尼特河流域使用了三个大气环流模型，每个模型都得出不同的结果。

4．水质模拟结果

根据世界气候变化委员会（IPCC）定义的四种排放情景，水质模型分别对21世纪的10年代、20年代和50年代进行了统一流域模拟（INCA），此过种程需要产生12个输入文件。在给定的研究范围，只有应用良好的模型才被采用，包括兰伯恩河、勒格河和他玛河应用INCA-P模型，他玛河和特威德河应用INCA-N模型，兰伯恩河(Lambourn)河应用INCA-SED模型。虽然INCA-P模型并不能模拟泥沙，然而泥沙问题在可能的情况下都进行了考虑。另外，由于用地形式的改变造成的河流的改变，以及径流输入的变化都会影响水质。因此，模型是从上游到下游进行模拟的，产生了144组结果，本文只表述其中的一小部分。

4.1 兰伯恩河流活性磷的模拟结果

兰伯恩河2050年活性磷（SRP）在在每种温室气体排放情形下，气候变化的方式是一样的。可以看出，在冬季月份的高流量过程中，或者在径流在逐渐增加的过程中，径流中活性磷（SRP）是呈减少的趋势的，在夏节和秋季的几个月份，当径流逐渐减少的时候，径流中活性磷（SRP）是呈增加的趋势的。

4.2 泰姆河结果

泰姆河的模拟结果与兰伯恩有着很大的不同，原因是泰姆河包括有很大部门来自伯明翰地区的城市径流，并且夏天的城市径流常常受到污水处理厂等设施的拦截，例如，泰姆河上游的一个主要的污水处理厂能形成一个4m3/s的入流，与之相对，该处河段以上夏季的平均径流流量仅为10m3/s。同时，泰姆河的地形也有着很大的不同，分布着沙石、泥石和细沙土，而兰伯恩则是石灰岩河床，所以泰姆河受直接径流的影响更加明显，不管是上游的城市入流，还是下游的农业入流。所有的这些特点都反映在泰姆河不同的径流特征和对污染物的稀释反应方面。泰姆河活性磷含量过程是，随着夏季径流的减少，该河的活性磷（SAP）呈增加的趋势，但是更大的增加趋势将发生于冬季，这似乎与直觉有些矛盾，但这却反映了一个事实，即增加的冬季径流会从城市地区携带来更多的富含营养物质，例如城市暴雨径流等，或者是更多的来自农业地区的地表径流。

4.3 勒格河（Lugg）模拟结果

图4表明勒格河上游磷含量的模拟结果与兰伯恩河很相似，即冬季呈现出含量减少的趋势，而夏季却呈现出增加的趋势，反映了变化的水流条件，即夏季减少的径流降低了流水的稀释能力。

4.4 特威德河(Tweed)结果

冬季月份的氮含量稍微有点偏高，可能是由于冬季较大的径流对上游泥碳地的冲涮，造成径流中含氮量的增加。然而，夏季月份的含氮量却明显地减少，这很可能是温度上升引起的活动，即减小的流速增加了水流停滞的时间，这样会增强水流的脱氮作用，水流的脱氮作用对温度和水的滞留时间依赖较强，在较温暖的环境和较缓慢水流的条件下，通过脱氮作用会造成很多氮的流失，这会使径流中的含氮量减少。当然，脱氮作用造成的径流中氮含量的减少的同时，会释放出氧化氮气体，是一些具有明显温室效应的气体。INCA模型能够计算在这种情形下所生成的氧化氮气体的数量，当然，这首先需要知道由于脱氮作用造成氮流失占总的氮流失的比例。

有趣的是，特威德河下游的氮含量情况却与上游相反，这里夏季月份，径流中氮含量呈现出明显的上升趋势，这很有可能是由于下游的农业径流造成的，上游的泽地和草地被下游的农业耕地所取代，而且还有些污水处理厂带来的明显径流。这样，下游的夏季径流减少了对点源性污染和非点源性污染的稀释能力，所以氮的含量就会增加。另外，模拟还表明，到2050前，脱氮作用的影响将会超过氮稀释能力下降。已经被人们接受的一个事实是，大型的低地势的河流，例如泰晤士河等，在夏季可能会由于脱氮作用而失去70%的氮，这种情形在特威德河将会于2050年以后发生。

4.5 他玛河（Tamar）模拟结果

他玛河上游的模拟结果与特威德河的模拟结果相似，而下游由于受污水处理厂和来自农业用地面源性污水的影响，使水质呈现出不同的性状，使其有明显的季节性变化，冬季月份径流中的氮含量有稍微的增加，与特威德河的上游类似。但是夏季的氮含量明显降低，这可能与上游的脱氮作用有关。下游的情况正好相反，夏季含氮量有明显的增加，反映出氮稀释能力的降低。

4.6 兰伯恩河细沙模拟

对兰伯恩河泥沙情况的模拟表现出春季和秋季两个时期细泥沙输送的增加。这些增加反映了河流径流的改变和暴雨条件变化，即早春和夏末发生的暴雨事件增多。泥沙的释放是需要有先决条件的，即需要泥沙的堆积和径流流速的改变，在夏末，兰伯恩河泥沙已经充分堆积在地表，秋季增加的径流携带这些泥沙进入河流。

4.7 兰伯恩河和肯尼特河长系列模拟结果

在早期对于肯尼特河研究中曾经使用过INCA-P模型，使用顺序统计模型模拟在中高温室气体排放情况下模拟该河的长历时过程。输入以日为单位的1961～2100年的数据，结果表现出有些时段土壤含水量严重不足，这表明，未来夏季干旱条件将增加。土壤含水量的条件改变是十分重要的，因为它将影响一些土壤过程，例如磷的吸附和释放、氮的矿化、硝化和脱氮作用等。这些模拟结果都是以日为单位的序列来表示的，例如流量、含磷量、泥沙、大型植物、附生植物等，时间跨度为1961～2100年。干旱的条件使河流的径流明显减少，并且造成磷的含量的增加，因为减少的河流径流降低了兰伯恩河流的稀释能力。由于径流条件和河流营养含量的改变，使河流地区的大型植被和附生植被呈现出明显的季节性。

5．结论

本研究用顺序过程产生当地的天气形式，并且使用这些结果驱动流域统一模型（INCA）中的水质模型，这一系列的模型被用来评估气候变化对英国六大河流水质的潜在影响，包括他玛河（Tamar）、泰姆河(Tame)、勒格河(Lugg)、肯尼特河(Kennet)、特威德河(Tweed)和兰伯恩河(Lambourn)。这些河流代表着英国不同地区的地理位置和地形，但是这些河流在受农业活动影响，以及点源性污染影响方面有着明显的不同，这些模型产生的结果包括径流系列、溶解磷（活性磷）、溶解氮、溶解氨、泥沙以及生态要素（大型植物和附生植物），这些模型在四种温室气体排放条件下模拟2010年代、2020年代和2050年代的情形。

另外，从目前到2100年的情形也进行了预测性模拟，以探讨些未来的气候变化趋势。其结果虽然是复杂的，但是仍然得到了一致性的结论，可以在一定程度上确定未来气候变化对水质的影响。在地势低洼的南方兰伯恩河，冬季月份径流中的活性磷的含量呈现出减少的趋势，而在夏秋月份却呈现出增加的趋势，主要由于低流量和由此造成稀释能力的减小。兰伯恩河流的含沙量全年呈现出增加的趋势，但在干旱的夏季之后的秋季含沙量会尤其地高。其主要的作用机理是由于干旱夏季有足够的时间进行泥沙的堆积，而秋节增加的径流会携带堆积的泥沙进入河流。英国中部已经城市化的河流泰姆河在夏季季径流活性磷的含量呈现出类似的增加趋势，但在冬季这种增加的趋势会更高，主要由于城市径流的扩散影响。在西部和农村地区的勒格河，径流中活性磷预测为冬季减少，而夏季却会增加。特威德北部河流的氮含量在冬季会增加，主要由于上游有机氮的溶解，夏季径流中的含氮量会减少，原因是干旱和河流中脱氮作用的增加。然而，特威德河的下游却显示出冬季径流含氮量增加，而夏季径流中含氮量增加的更多。这个改变主要是由于农业用地改变和点源性污染的影响。西南部的他玛河径流含氮量与特威德河类似，上游冬季含量高而夏季含量少，在河流的下游，冬季和夏季氮的含量都会增加，在所有的河流中，水质改变的速率会随着时间增长和温室气体排放量增加而增加。

大型植物和附生植物在河流中呈现出动态变化，根据模拟，增加的干旱会造成一系列的问题，会增加径流中营养物质的含量，由此促成附生植物的生成，但却是以妨碍大型植被生长为代价的。水质变化的影响是多方面的，取决于具体的地理位置和地形，以及水体在流域中的位置。