[英]P.懷特黑德 A.韋德 D.布特菲爾德

氣候變化對英國六條河水質(zhì)的潛在影響

[英]P.懷特黑德 A.韋德 D.布特菲爾德

模擬研究評估氣候變化對全英國水體水質(zhì)的影響,是全球變化對歐洲淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響評價(jià)(Eurolimpacs)和環(huán)境行動計(jì)劃(EA)的一部分。英國氣候影響計(jì)劃(UKCIP)的一系列項(xiàng)目在流域尺度上模擬了全英國未來一段時(shí)間的降雨、蒸發(fā)和氣溫。這些時(shí)間序列數(shù)據(jù)被用于水質(zhì)和生態(tài)模型的輸入,以模擬6條河的流量、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、總磷和溶解活性磷、泥沙、大型植物以及附生植物等。根據(jù)不同的河流特征、流域位置、徑流情勢、模擬條件和未來時(shí)間序列,得出氣候變化對英國主要河流的水質(zhì)影響結(jié)果。

模擬氣候變化;水體水質(zhì);影響評價(jià);泰馬河;英國

各種證據(jù)表明,全球氣候變化確實(shí)在發(fā)生著。但是,還不能準(zhǔn)確確定未來氣溫變化的幅度,以及氣溫變化所導(dǎo)致的降水、蒸發(fā)和水文特性在區(qū)域尺度上的變化。然而,氣候變化模型可評估氣候變化對水質(zhì)以及地表水生態(tài)的影響。

Eurolimpacs是一個(gè)斥資 2 000萬英磅的研究項(xiàng)目,由多個(gè)合作單位共同參與,研究歐洲范圍內(nèi)氣候變化對河流、湖泊和濕地的影響。

在不考慮水文情勢變化因素的條件下進(jìn)行地表水水質(zhì)模擬研究是不可能取得成功的。UKCIP02是英國氣候變化模擬的一種情形,到 2080年,在溫室氣體低排放的情況下,英國冬天的降水會增加 10%～20%,如果是比較高的溫室氣體排放,冬天的降水將會增加 15%～35%。最大的降水量變化將會出現(xiàn)在英國的東部和南部,蘇格蘭西北部的降水變化將會是最小的。而到了夏天,整個(gè)英國都會變得較干旱,溫室氣體低排放時(shí)降水量將會減少 35%,高排放時(shí)降水量將會減少 50%以上。研究表明,英國夏天的降水量已經(jīng)減少了,用氣候模型來模擬這些降水量的改變情況,可以模擬出英國未來的徑流變化狀況。最近羅曼諾威茲(Romanowicz)等人在英國水行業(yè)聯(lián)合會(UKWIR)用不同的氣候模型對英國一系列流域徑流進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上得出如下結(jié)論:到 2020年以前,英國河流的徑流在冬季將會增加 4%～9%,夏季則平均減少 11%,由于受具體的流域位置、土地利用、土壤結(jié)構(gòu)、地質(zhì)和模型的不確定性影響,英國河流的夏季徑流減少量為 1%～32%。

氣候變化的最直接反映是河流與湖泊的水溫變化。如果河水溫度與附近的空氣溫度相一致,那么氣溫上升,河水溫度也會上升。在過去的 100 a,歐洲很多河流的水溫已經(jīng)上升了 1～3℃,例如萊茵河和多瑙河。蘇格蘭一些小河冬季水溫升高最大。據(jù)報(bào)導(dǎo),瑞士位于各緯度的河流水溫都有著較大的上升。在1988年和 2002年,河水水溫因?yàn)闅鉁氐捏E然變化而有大的改變,河水溫度的驟然變化,對一些不能很快適應(yīng)水溫變化節(jié)奏的水生生物造成的影響也很大。

由于大部分河流的化學(xué)和微生物反應(yīng)都與河水水溫密切相關(guān),因此有必要通過使用水化學(xué)模型模擬來確定氣候變化對水質(zhì)的潛在影響。本文考慮英國 6個(gè)不同的河流系統(tǒng),并為每一條河流設(shè)置不同的水質(zhì)模型。

1 英國的 6條河流

所分析的 6條河為泰馬河(Tamar)、泰姆河(Tame)、勒格河(Lugg)、肯尼特河(Kennet)、特威德河(Tweed)和蘭伯恩河(Lambourn)。這些河流代表不同的地理位置、不同的地質(zhì)情況、不同的高地和低地。降水徑流和氮集成流域模型(INCA)用于模擬泥沙、總氮、氨態(tài)氮、總磷和生態(tài)的變量(大型植物和附生植物)。所使用的數(shù)據(jù)有不同來源,包括英國環(huán)境署(流量和水質(zhì))、英國氣候部、細(xì)胞溶質(zhì)環(huán)氧化物水解酶土地覆蓋圖(CEH)、氮沉積圖、農(nóng)業(yè)調(diào)查、污水處理排放部門、河流圖、數(shù)字高程圖以及河流流速信息等。模型處理了大量的歷史數(shù)據(jù),并且整合了不同流域中的水文、化學(xué)和生態(tài)動態(tài)及演變過程。每個(gè)流域的模型參數(shù)都經(jīng)過了率定和校驗(yàn),能為氣候變化研究提供良好的依據(jù)。

2 方 法

在評估氣候變化對未來水質(zhì)的影響方面使用了兩種方法,即英國水行業(yè)聯(lián)合會的增量更改方法(DCM)和統(tǒng)計(jì)降尺度方法(SDM)。英國水行業(yè)聯(lián)合會使用增量更改方法進(jìn)行持續(xù)的水質(zhì)評估研究,而且他們對氣候變化長歷時(shí)的瞬間效應(yīng)也進(jìn)行了研究,因?yàn)橐?d為單位的短期天氣變化對水質(zhì)有著潛在的影響。

2.1 增量更改方法

英國水行業(yè)聯(lián)合會研究出一種新的方法來轉(zhuǎn)變順尺度的大氣環(huán)流模型(GCM)的關(guān)鍵輸出變量,這些關(guān)鍵性的變量包括降水、氣溫、潛在蒸發(fā)散量(PET),以及從水資源模型 CATCHMOD得到的河流徑流。這樣的過程在英國 70多個(gè)流域展開,為目前的研究提供了寶貴的資源。英國水行業(yè)項(xiàng)目的信息涵蓋了該國水質(zhì)分析所需要的所有情景和時(shí)間序列 。英國UKCIP02氣候模擬將溫室氣候的排放分為低排放、中低排放、中高排放和高排放 4種情形。對 6個(gè)大氣環(huán)流模型的模擬結(jié)果進(jìn)行平均,最后得到包含改變因子在內(nèi)的結(jié)果,這些結(jié)果可以用作水質(zhì)模型的輸入,每種情形分別應(yīng)用在選定的河流上,分別以 2010年、2020年和 2050年為起始年的 10 a進(jìn)行模擬,可以得到水質(zhì)隨時(shí)間變化的結(jié)果。

2.2 統(tǒng)計(jì)降尺度方法

用于模擬英國 6條河流的大氣環(huán)流模型輸出的第 2種表達(dá)方法就是統(tǒng)計(jì)降尺度方法。這種大氣環(huán)流的輸出過程由威爾比(Wilby)等人于 2006年進(jìn)行過詳細(xì)闡述,所附帶的影響分析包括流域的蒸發(fā)、土壤濕度、徑流和地下水等,威爾比將這種方法詳細(xì)地應(yīng)用于對英國肯尼特河流的模擬中。在該研究中,威爾比等人在肯尼特河流域使用了 3個(gè)大氣環(huán)流模型,每個(gè)模型得出的結(jié)果都不同,圖 1為 3個(gè)大氣環(huán)流模型所得出的肯尼特流域的徑流過程,從中可以看出,HadCM3模型明顯干旱,在所模擬的 21世紀(jì)的后半期,流域徑流減少明顯。

3 水質(zhì)模擬結(jié)果

INCA模型模擬了以 2010年、2020年和 2050年為起始年的 10 a 4種排放情景,此過程需要產(chǎn)生 12個(gè)輸入文件。在給定的研究范圍,只有應(yīng)用效果良好的模型才被采用,包括蘭伯恩河、勒格河和泰馬河均應(yīng)用 INCA-P模型,泰馬河和特威德河應(yīng)用 INCAN模型,蘭伯恩河河應(yīng)用 INCA-SED模型。雖然 INCA-P模型并不能模擬泥沙,然而在可能的情況下對泥沙問題都進(jìn)行了考慮。另外,由于土地利用方式的改變和排污輸入影響水質(zhì),造成河流系統(tǒng)下游的水質(zhì)和徑流明顯改變。通過從上游到下游的模擬,產(chǎn)生了144組數(shù)據(jù),本文只介紹其中的一小部分。

圖1 使用 3種大氣環(huán)流模型模擬的肯尼特流域的徑流過程

3.1 蘭伯恩河

圖2顯示的是蘭伯恩河 2050年活性磷(SRP)在 4種溫室氣體排放情況下的月變化比值,在每種溫室氣體排放情形下,其變化趨勢都是一樣的。由圖 2可以看出,在高流量的冬季月份,徑流逐漸增加,徑流中活性磷呈減少趨勢;在夏季和秋季的幾個(gè)月份,當(dāng)徑流逐漸減少的時(shí)候,徑流中活性磷則呈增加的趨勢。

圖2 蘭伯恩河 2050年活性磷含量的月變化比值

3.2 泰姆河

泰姆河的模擬結(jié)果與蘭伯恩河有著很大的不同,原因是泰姆河流域經(jīng)過城市化的伯明翰(Birmingham)地區(qū),并且夏季徑流常?？课鬯幚韽S排放支撐,例如,泰姆河上游一個(gè)主要的污水處理廠能形成一個(gè) 4 m3/s的入流,與之相應(yīng)的是,該處河段以上夏季的平均徑流流量僅為 10m3/s。同時(shí),泰姆河的地形也有著很大的不同,分布著沙石、泥石和細(xì)沙土;而蘭伯恩河則是石灰?guī)r質(zhì)的河床,所以對于泰姆河來說,不管是其上游的城市地區(qū),還是其下游的農(nóng)業(yè)地區(qū),其受直接徑流的影響更加明顯。所有的這些特點(diǎn)都反映在泰姆河不同的徑流特征和對污染物的稀釋反應(yīng)方面。圖 3是對 2050年泰姆河活性磷含量的模擬過程。由圖3可以看出,隨著夏季徑流的減少,該河流中的活性磷(SAP)含量呈增加的趨勢,而其更大的增加趨勢則是發(fā)生于冬季。這似乎與直覺有些矛盾,同時(shí)也反映了一個(gè)事實(shí),即增加的冬季徑流會從城市地區(qū)攜帶來更多的營養(yǎng)物質(zhì),例如城市暴雨徑流等,或者是更多的來自農(nóng)業(yè)地區(qū)的地表徑流。

圖3 泰姆河 2050年活性磷含量的月變化比值

3.3 勒格河

圖4表明勒格河上游磷含量的模擬結(jié)果與蘭伯恩河很相似,即冬季呈現(xiàn)出含量減少的趨勢,而夏季卻呈現(xiàn)出增加的趨勢。該結(jié)果反映了變化的徑流條件,即夏季減少的徑流降低了流水的稀釋能力。

圖4 勒格河 2050年活性磷含量的月變化比值

3.4 特威德河

特威德河上游的硝態(tài)氮含量的模擬結(jié)果如圖 5所示。由圖5可以看出,在冬季月份的硝態(tài)氮含量稍微有點(diǎn)偏高,這可能是由于冬季較大的徑流對上游泥碳地的沖涮,從而造成徑流中硝態(tài)氮負(fù)荷的增加。然而,在夏季各月份,硝態(tài)氮含量卻明顯減少,這很可能是由于溫度上升引起的,即減小了流速和延長了水流滯留的時(shí)間,從而導(dǎo)致水流的反硝化作用增強(qiáng)。反硝化作用對溫度和水的滯留時(shí)間依賴較強(qiáng),在較溫暖的環(huán)境和較緩慢水流的條件下,通過反硝化作用會造成氮較多流失,這會使徑流中的硝態(tài)氮含量減少。當(dāng)然,反硝化作用在造成徑流中硝化氮含量減少的同時(shí),也會釋放出氧化氮?dú)怏w,這是一種具有明顯溫室效應(yīng)的氣體。利用 INCA模型,能夠計(jì)算出在這種情形下所生成的氧化氮?dú)怏w的數(shù)量。當(dāng)然,其前提條件是需要了解由于反硝化作用及其他影響硝態(tài)氮含量變化所造成的硝態(tài)氮流失的比例。

有趣的是,特威德河下游的硝態(tài)氮含量情況正好與上游相反。在夏季月份,這里徑流中的氮含量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢,這很有可能是由于下游的農(nóng)業(yè)耕地以及某些污水處理廠造成的。因此,夏季由于下游徑流減少而降低了對點(diǎn)源和面源氮污染的稀釋能力,從而導(dǎo)致氮含量的增加。另外,模擬還表明,到 2050年前,反硝化作用的影響力將會超過氮的稀釋能力。已經(jīng)被人們接受的一個(gè)事實(shí)是,大型的低地勢河流,例如泰晤士河等,在夏季徑流量較小時(shí)可能會由于反硝化作用而失去 70%的硝態(tài)氮,預(yù)計(jì)這種情形將會于 2050年以后在特威德河發(fā)生。

圖5 特威德河上游 2050年硝態(tài)氮含量的月變化比值

3.5 泰馬河

泰馬河的模擬結(jié)果與特威德河的模擬結(jié)果相似。該河上游表現(xiàn)為天然徑流,而下游由于受污水處理廠和農(nóng)業(yè)面源污染的較大影響,使其有明顯的季節(jié)性變化,在冬季各月份,徑流中的硝態(tài)氮含量略微增加,與特威德河的上游類似。但是,在夏季各月份,其含量明顯降低,這可能與上游的反硝化氮作用有關(guān)。下游的情況正好相反,在夏季各月份,硝態(tài)氮含量有明顯的增加,反映出其稀釋能力的降低。

3.6 蘭伯恩河細(xì)沙模擬

蘭伯恩河泥沙情況的模擬結(jié)果表明,在春季和秋季,泥沙輸送量會增加,如圖 6所示。這種狀況說明河流的徑流發(fā)生了改變以及暴雨條件發(fā)生了變化,即早春和夏末發(fā)生的暴雨事件增多。造成泥沙輸移的先決條件是泥沙的堆積和徑流狀況的改變。在夏末,蘭伯恩河泥沙已經(jīng)沉積在地表,秋季增加的徑流就會攜帶這些泥沙進(jìn)入河流。

3.7 蘭伯恩河和肯尼特河長系列模擬結(jié)果

在早期對肯尼特河研究中曾經(jīng)使用過 INCA-P模型,使用瞬時(shí)降尺度模型模擬在中高溫室氣體排放情況下的結(jié)果。輸入的數(shù)據(jù)為 1961～2100年的每日數(shù)據(jù),結(jié)果顯示出有些時(shí)段的土壤含水量嚴(yán)重不足,這表明未來夏季干旱狀況將會更加嚴(yán)重。土壤含水量條件的改變是十分重要的,因?yàn)樗鼘⒂绊懸恍┩寥赖难葑冞^程,例如磷的吸附和釋放、氮的礦化、硝化和反硝化作用等。模型模擬結(jié)果都是以日為單位的序列來表示 1961～2100年徑流、磷含量、泥沙、大型植物、附生植物的狀況等。干旱的條件使河流的徑流明顯減少,并且造成磷的含量增加,因?yàn)楹恿鲝搅鳒p少就會降低蘭伯恩河流的稀釋能力。由于徑流條件和河流營養(yǎng)物質(zhì)含量的改變,使河流地區(qū)的大型植被和附生植被呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。

4 結(jié) 語

圖6 蘭伯恩河上游 2050年泥沙含量的月變化比值

該研究用順序過程產(chǎn)生當(dāng)?shù)氐奶鞖庑问?并用這些結(jié)果來驅(qū)動流域統(tǒng)一(INCA)系列水質(zhì)模型,這一系列的模型被用來評估氣候變化對英國 6條河流水質(zhì)的潛在影響,包括泰馬河、泰姆河、勒格河、肯尼特河、特威德河和蘭伯恩河。這些河流代表著英國不同的地質(zhì)情況和地理位置,而且在受農(nóng)業(yè)活動影響以及點(diǎn)源污染影響方面有著明顯的不同。利用這些模型對徑流狀況、總磷和溶解性磷酸鹽(活性磷)含量、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮含量、泥沙淤積狀況以及生態(tài)變量(大型植物和附生植物)等進(jìn)行了模擬。而且采用這些模型還對 4種溫室氣體排放條件下以 2010年、2020年和 2050年為起始年的10 a的情形進(jìn)行了模擬。

此外,從目前到 2100年的情形也進(jìn)行了預(yù)測性模擬,以探討氣候變化加劇將產(chǎn)生的影響結(jié)果。其結(jié)果雖然是復(fù)雜的,但是仍然得到了一致性的結(jié)論,這樣就可以在一定程度上來確定未來氣候變化對水質(zhì)的影響。對于南部地勢低洼的蘭伯恩河來說,在冬季各月份,河流中的活性磷的含量呈現(xiàn)出減少的趨勢,而在夏秋各月份卻呈現(xiàn)出增加的趨勢,這主要是由于低流量所造成的稀釋能力減小而導(dǎo)致的。蘭伯恩河流的含沙量全年均呈現(xiàn)出增加的趨勢,尤其是在秋季,其含沙量會更大。這主要是由于在干旱的夏季泥沙有足夠的時(shí)間淤積,而在隨后到來的秋季,隨著徑流量的增加,會攜帶這些淤積的泥沙進(jìn)入河道。在英國中部泰姆河流域的城市化地區(qū),在夏季河流活性磷的含量會呈現(xiàn)出類似的增加趨勢,而且在冬季這種增加的趨勢會更快,這主要是受城市徑流面源污染的影響而造成的。在西部勒格河流域農(nóng)村地區(qū),其徑流中活性磷含量的預(yù)測結(jié)果為冬季減少,而夏季卻會增加。北部特威德河上游源頭的硝態(tài)氮含量在冬季會增加,而在夏季由于干旱和河流中反硝化作用的增加則會導(dǎo)致有機(jī)氮的釋放和含量減少。然而,特威德河的下游卻顯示其在冬季徑流中的含量增大,而且在夏季徑流中的含量會增大得更多。這種改變主要是由于特威德河下游地區(qū)農(nóng)業(yè)用地發(fā)生改變以及受點(diǎn)源污染排放的影響。在西南部的泰馬河,其徑流中硝態(tài)氮的含量與特威德河的類似,在上游地區(qū),冬季的含量高,而夏季的含量小,在該河流的下游,冬季和夏季的含量都會增大。在所有的河流中,水質(zhì)改變的速率會隨著時(shí)間和溫室氣體排放量的增加而加速。

根據(jù)模型模擬結(jié)果,大型植物和附生植物在河流中呈現(xiàn)出動態(tài)變化,加重的干旱會導(dǎo)致一系列問題的產(chǎn)生,比如會增加徑流中營養(yǎng)物質(zhì)的含量,并由此促進(jìn)附生植物的生長,但這種狀況卻是以妨礙大型植被的生長為代價(jià)?？傊?水質(zhì)受到的負(fù)面影響程度主要取決于其地理位置以及水體在流域內(nèi)的位置。

童國慶 李紅梅譯

柯學(xué)莎 校

(編輯:趙秋云)

(選譯文獻(xiàn):英國第 10屆水文研討會論文)

P461.8;X 824

A

1006-0081(2010)10-0004-04

2010-07-20