氣候變化和人類活動(dòng)對水庫面源污染負(fù)荷影響

楊金尉

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

當(dāng)前，氣候變化和人類活動(dòng)對水循環(huán)的影響逐年增強(qiáng)。極端天氣頻發(fā)、多發(fā)，水體作為面源污染運(yùn)移的主體，水循環(huán)的變化勢必然造成水體污染指標(biāo)的變化。科學(xué)評估氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下的水庫面源污染對于水庫水環(huán)境保護(hù)十分重要。當(dāng)前，單一研究氣候變化或者人類活動(dòng)對水庫面源污染影響已取得一定的研究成果，但是結(jié)合氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下的水庫面源污染影響的研究還較少，而一般來說，氣候變化和人類活動(dòng)是伴隨式發(fā)生的，因此單一考慮氣候變化或者人類活動(dòng)，很難全面評估變化環(huán)境下的水庫面源污染負(fù)荷影響，因此需要結(jié)合人類活動(dòng)和氣候變化兩種影響要素一起，分析其變化對水庫面源污染的影響。為此，本文以當(dāng)前分析氣候變化和人類活動(dòng)較為成熟的模擬平臺SWAT模型為依托，通過設(shè)定人類活動(dòng)和氣候變化情景，分析其共同影響下的水庫面源污染響應(yīng)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

本文在SWAT模型適用性分析基礎(chǔ)上，采用SWAT模型分析氣候變化和人類活動(dòng)對水庫庫區(qū)面源污染負(fù)荷的影響。結(jié)合人類活動(dòng)及氣候變化貢獻(xiàn)率定量分離方法分析其對水庫面源污染負(fù)荷影響的具體貢獻(xiàn)率。

1.2 采用數(shù)據(jù)

本文主要以遼寧北部某水庫為研究實(shí)例。模型所需要輸入的為庫區(qū)所在流域的下墊面數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程、土地利用以及土壤類型數(shù)據(jù)，如圖1所示。從圖1中可看出區(qū)域主要利用方式為耕地和林地。此外，由于需要分析水庫面源污染負(fù)荷，對庫區(qū)主要土壤類型進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表1。

2 模型適用性分析

首選需要分析SWAT模型在區(qū)域的適用性。基于區(qū)域2000—2010年實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，對SWAT模型非點(diǎn)源污染模擬進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，參數(shù)率定結(jié)果見表2，模型驗(yàn)證結(jié)果見表3—4及圖2—3。

從表3—4中可看出，SWAT模型在區(qū)域面源污染負(fù)荷方面具有較好的適用性，總氮和總磷預(yù)測誤差均較好。模型在污染負(fù)荷量上具有較好的精度外，對其污染負(fù)荷過程也具有較好的吻合度，從確定性系數(shù)指標(biāo)中可看出，面源污染負(fù)荷模擬的確定性系數(shù)值在0.5以上，達(dá)到乙級面源污染負(fù)荷預(yù)測的要求。從選取的典型年面源污染負(fù)荷模擬結(jié)果也可看出，在各月份面源污染負(fù)荷中，模型模擬的面源污染負(fù)荷年內(nèi)分配過程和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)也具有較好的吻合度。水庫面源污染負(fù)荷的高峰期主要出現(xiàn)在7—9月份，主要因?yàn)檫@三個(gè)月份屬于豐水期，豐水期水量的增多，使得進(jìn)入庫區(qū)的面源污染負(fù)荷也增多，而SWAT模型對面源污染負(fù)模擬主要依托于水量為載體，因此在豐水期模型的吻合度明顯高于枯水期的吻合度。

圖1 模型輸入下墊面數(shù)據(jù)

單位：mg/kg

表2 模型參數(shù)率定結(jié)果

表3 SWAT模型總氮驗(yàn)證結(jié)果

表4 SWAT模型總磷驗(yàn)證結(jié)果

圖2 代表年份總氮模擬成果圖

圖3 代表年份總磷模擬成果圖

3 空間反演結(jié)果

結(jié)合SWAT模型模擬結(jié)果，對庫區(qū)面源污染負(fù)荷進(jìn)行空間分析，空間分析成果如圖4所示。

圖4 面源污染負(fù)荷空間模擬成果

從圖4中可看出，面源污染負(fù)荷大的區(qū)域主要集中在區(qū)域北部和南部，北部區(qū)域面源污染負(fù)荷大的原因在于區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)耕地，耕地措施下農(nóng)業(yè)化肥所產(chǎn)生面源污染負(fù)荷在降水較多的月份會進(jìn)入庫區(qū)，影響庫區(qū)的面源污染。而南部面源污染主要增多的原因在于其主要為居民用地，人類活動(dòng)下的點(diǎn)源排放量是這一區(qū)域面源污染負(fù)荷較為集中的原因。此外，區(qū)域面源污染負(fù)荷也主要受到區(qū)域降水量分布的影響，降水量較多的區(qū)域，其面源污染負(fù)荷一般較多，而降水量較少的區(qū)域，其面源污染負(fù)荷一般較少。

4 氣候變化及人類活動(dòng)共同影響下的面源污染負(fù)荷分析

4.1 情景分析

情景模式設(shè)定見表5。結(jié)合該模型模擬不同變化情景模式下的面源污染負(fù)荷，并對比變化前的面源污染負(fù)荷，對比結(jié)果見表6—7。

本文將氣候變化和人類活動(dòng)影響統(tǒng)稱為變化情景模式，在設(shè)定變化情景模式時(shí)，主要依據(jù)全球氣候變化模式以及區(qū)域土地利用遠(yuǎn)景規(guī)劃數(shù)據(jù)。變化情景模式I、II，氣溫升高、土地利用變化主要為耕地和林地之間的轉(zhuǎn)變，從兩個(gè)情景模式分析可以看出，情景I氣溫升高且區(qū)域退耕還林，庫區(qū)總體面源污染負(fù)荷下降趨勢明顯，削減率5.2%～9.1%；情景II氣溫降低但退耕還林措施力度加大，庫區(qū)總體面源污染進(jìn)一步削減，削減率明顯高于情景I，削減率為18.9%～27.6%之間。而在情景III下，降雨增加，勢必造成入庫面源污染負(fù)荷的增加，而城鎮(zhèn)用地增加，使得點(diǎn)源污染排放量增加，進(jìn)一步加劇水庫面源污染的負(fù)荷。在情景IV下，降雨量的減少對水庫面源污染負(fù)荷影響超過城鎮(zhèn)用地面積的變化。

表5 變化情景模式設(shè)定

注：氣候模式設(shè)定依據(jù)為全球氣候變化模式，土地利用設(shè)定依據(jù)為區(qū)域土地利用遠(yuǎn)景規(guī)劃數(shù)據(jù)。

表6 變化情景方案下的總氮響應(yīng) 單位：104t

表7 氣溫變化情景方案下的總磷響應(yīng)單位：104t

變化情景模式變化前模擬總磷變化后模擬總磷總磷失變化總磷變化率/%I55.149.9-5.2-8.5II55.139.9-15.2-27.6III55.164.49.315.1IV55.147.8-7.3-11.9

4.2 貢獻(xiàn)率分析

結(jié)合貢獻(xiàn)率分析方法對氣候變化及人類活動(dòng)對水庫面源污染進(jìn)行定量分離，結(jié)果見表8—9。

從貢獻(xiàn)率分離結(jié)果可看出，氣候變化和人類活動(dòng)對總氮和總磷影響比例較為相似。從各個(gè)年份分離結(jié)果可看出，氣候變化對總氮影響的貢獻(xiàn)率均值為36%，這主要是因?yàn)闅夂蜃兓饕w現(xiàn)在對水循環(huán)的影響，通過影響水量的變化來影響進(jìn)入庫區(qū)的面源污染負(fù)荷，而人類活動(dòng)除表現(xiàn)為對水量的影響外，還影響產(chǎn)生面源污染負(fù)荷的途徑，退耕還林措施后，區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷得到控制，因此進(jìn)入庫區(qū)的面源污染負(fù)荷得到減少。此外，城鎮(zhèn)用地面積增加，勢必造成進(jìn)入庫區(qū)的點(diǎn)源排放量增加，也勢必增加其污染負(fù)荷，因此人類活動(dòng)對面源污染影響的途徑較多，使得其對面源污染負(fù)荷影響的貢獻(xiàn)率均值達(dá)到64%。

表8 水庫庫區(qū)總氮影響因素分解 單位：104t

表9 水庫庫區(qū)總磷影響因素分解 單位：104t

5 結(jié)論

(1)降水及城鎮(zhèn)用地變化是水庫庫區(qū)面源污染負(fù)荷增多的主因，氣溫變化對面源污染負(fù)荷影響程度偏低。

(2)退耕還林措施是有效降低庫區(qū)面源污染負(fù)荷的一種有效措施，但是也會減少進(jìn)入庫區(qū)的水量，水庫面源污染負(fù)荷控制還應(yīng)重點(diǎn)注重點(diǎn)源排放量。

(3)本文沒有分析工業(yè)點(diǎn)源排放量變化對庫區(qū)面源污染負(fù)荷影響，在以后的研究中還應(yīng)重點(diǎn)加入工業(yè)點(diǎn)源排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。