气候变化模式对大凌河流域水质影响的定量分析

于保慧

（辽宁省水文局，辽宁 沈阳110003）

0 引 言

气候变化对流域水循环各个要素都将产生一定的影响，而水作为污染物运输的主要载体，将直接影响水环境中各污染物来源以及迁移[1]。当前，气候变化对流域水循环的影响是国内外研究的热点，但气候变化对流域水质影响的研究相对较少，而河道水质好坏是衡量流域水生态健康的重要标准，因此，气候变化对水污染物的影响分析也逐渐引起国内外学者的重视，并取得一定的研究成果[2-6]。这些成果的研究方法可以归为两类，第一类主要是运用数学方法结合长系列实测资料定量分析气候变化对水质的影响，但这种方法需要较长系列的数据，而对于我国大多数河流而言，水质数据系列较短，且这种方法无法实现气候变化对流域水质的定量分析，而只能进行定性描述。随着计算机和地理信息技术的快速发展，以气候变化情景模式为输入的分布式水文模型成为实现气候变化对流域水质影响分析的有效工具，是分析气候变化对水质影响的第二类方法，而在这些研究成果中，美国学者研制的SWAT 模型，由于参数较少和操作较为简单，在国内运用较为广泛。但SWAT 模型在大凌河流域水质模拟研究相对较少，特别是在分析气候变化对大凌河水质的影响研究，本文以分布式水文模型为模拟平台，定量分析4 种气候变化情景模式对大凌河水质的影响，研究成果对于大凌河流域生态保护规划提供一定的参考价值。

1 研究方法及资料准备

1.1 研究区域概况

大凌河全长397 km，是辽宁省西部最大的河流，流域面积2.35×104km2，流域内年降水量450～600 mm，流域降水量主要集中7，8 两个月份。流域年均径流量16.67×108m3，本文选取大凌河上游大城子水文站作为研究区域，研究区集水面积为5 029 km2，研究流域内共有16 个降雨站点。

1.2 研究方法

SWAT 模型[7]可模拟不同形式总氮、总磷的迁移和转化过程，本文以SWAT 模型为模拟平台，通过设定4 种气候变化情景模式，对比代表年份气候变化前后流域总氮和总磷改变量和改变率，从而定量分析不同气候变化情景模式对大凌河水质的影响。

1.3 模型输入资料准备

模型所需要的资料为以下几项：1）数字高程数据，下载与中科院地理所提供的分辨率为90 m 的DEM 数据，运用流域边界截得研究流域数字高程数据；2）土地利用数据，下载与中科院地理所提供的1 km×1 km 全国土地利用矢量数据，运用流域边界截得研究流域的土地利用类型数据；3）土壤类型数据，下载与美国FAO 提供全球分比率为60 s的土壤类型分布数据，运用流域边界截得研究流域的土壤类型数据；4）土壤属性数据，SWAT模型总氮和总磷模拟需要输入土壤物理和化学属性数据，结合《辽宁省土壤志》收集模型所需土壤物理和化学属性数据；5）水文数据，收集了大凌河流域大城子水文站2001—2010年日流量及蒸发数据，大城子以上2000—2010年降雨数据；6）气象数据，收集了流域附近朝阳气象站2001—2010年气象数据，包括最高最低气温、相对湿度、风速、太阳辐射；7）点源排放数据，模型需要输入沿河点源排放数据，收集大凌河大城子水文站以上区域2000—2010年点源排放数据。

表1 总氮 总磷模拟率定参数表

2 不同气候模式情景对大凌河水质影响分析

2.1 SWAT模型率定和检验

基于大城子水文站2000-2010年水文、水质数据，对SWAT 模型进行了总氮和总磷模拟参数的率定和验证，结果如表1，2，图1，2 所示。

从表2中可以看出，SWAT 模型在大洋河流域总氮和总磷模拟具有一定的精度，模型在参数率定期（2000—2007年）以及模型参数验证期（2008—2010年）模拟的总氮和总磷相对误差均小于20%，确定性系数达到0.5 以上，满足非点源污染模拟模型精度规范要求。从图1和图2中可以看出，SWAT 在大洋河流域模拟总氮和总磷的过程上具有一定的相似性，各代表年份实测总氮和总磷在过程上符合流域农业耕种时间和流域水量分配的规律，而SWAT 模型模拟的总氮和总磷也呈现这个规律，且和实测的总氮和总磷在过程呈现一个较表示为相似的过程，吻合度较好。总体上看，考虑到流域非点源污染模拟的复杂性，SWAT 模型在大洋河流域总氮和总磷总量上的模拟符合非点源污染模拟的规范要求（相对误差小于20%），且在过程上具有一定的吻合度（确定性系数大于0.5）。

表2 SWAT 模型总氮 总磷模拟结果

图1 代表年份总氮模拟成果图

图2 代表年份总磷模拟成果图

2.2 不同气候模式情景对水质影响分析

表示为定量分析不同气候变化情景模式对流域总氮和总磷的影响，基于已率定和验证的分布式水文模型SWAT 模型，设定4 种气候变化情景模式：I—气温+2 ℃，降水不变化；Ⅱ—气温-2 ℃，降水不变化；Ⅲ—降水量变化+5%，气温不变化；Ⅳ—降水量变化-5%，气温不变化。以SWAT 模型表示为模拟平台，选定2006年表示为代表年份，定量分析不同气候变化情景模式下该年份总氮和总磷该变量和改变率，分析结果见表3。

从表3中可以看出，气候变化情景模式I (气温+2℃,降水不变化),流域2006年总氮和总磷相比于气候变化前减少5.1×104t 和4.7×104t，变化率分别为-7.54%和-7.68%，这是因表示为流域气温增加，使得流域的蒸散发相应增加，而降水量未发生相应变化，从水量平衡方程角度出发，流域径流量相应减少，以径流作表示为运用载体的水土流失也相应减少，而流域总氮和总磷是以径流和水土流失作表示为运输的载体，径流量和水土流失的减少，使得流域总氮和总磷随之减少，因此在气候变化情景模式I 下，流域总氮和总磷减少。而在气候变化情景模式II 下(气温-2℃,降水不变化)，流域2006年的总氮和总磷相比于气候变化前增加6.7×104t 和5.6×104t，变化率为+9.91%和+9.15%，这是因表示为气温下降-2 ℃,使得流域蒸散发相应减少，而降水量不发生变化，同样从水量平衡方程角度出发，其径流量相应增加，以径流表示为运输载体的水土流失量也相应增加，而以径流和水土流失作表示为运输的载体的总氮和总磷也随之增加。在气候变化情景模式III（降水量变化+5%，气温不变化）,流域2006年总氮和总磷相比于气候变化前增加5.2×104t 和4.1×104t，变化率分别为+7.69%和+6.70%，这是因表示为降水量增加，气温不变化，直接导致流域径流增加，而以径流作表示为运移载体的水土流失随着增加，径流和水土流失的增加，使得以径流和水土流失作表示为运移载体的总氮和总磷相应增加。在气候变化情景模式IV 下（降水量变化-5%，气温不变化），流域2006年总氮和总磷相比于气候变化前减少4.7×104t 和3.4×104t，变化率表示为-6.95%和-5.56%，这是因为降水量减少，气温不变化，直接导致流域径流减少，而以径流作表示为运移载体的水土流失随着增加，径流和水土流失的减少，使得以径流和水土流失作表示为运移载体的总氮相应减少。

表3 气温变化情景方案下的总氮、总磷响应

3 结 论

以上运用分布式水文模型SWAT 模型定量分析不同气候变化情景模式对大凌河流域水质的影响，研究取得以下结论：

1）SWAT 模型在大洋河流域总氮和总磷模拟具有一定的精度，模型在参数率定期和验证期，其模拟的相对误差均小于20%，确定性系数达到0.5以上，满足流域面源污染模拟的精度要求，SWAT模型可以用来模拟大凌河流域的面源污染，可作表示为定量分析不同气候变化情景模式大凌河流域总氮和总磷影响的模拟平台。

2）在降水量不变的前提下，气温升高2 ℃和降低2 ℃，研究流域2006年总氮变化率分别表示为和-7.54%和+9.91%，总磷变化率分别表示为-7.68%和+9.15%。

3）在气温不变的前提下，降水量增加5%和减少5%，研究流域2006年总氮变化率分别表示为+7.69%和-6.95%，总磷变化率分别表示为+6.70%和-5.56%。

［1］ 李明涛. 密云水库流域土地利用与气候变化对非点源氮、磷污染的影响研究［D］.首都师范大学，2014.

［2］ 王盛萍. 典型小流域土地利用与气候变异的生态水文响应研究［D］.北京林业大学，2007.

［3］ 黎万凤. 嘉陵江流域非点源污染负荷的预测分析［D］.重庆大学，2009.

［4］ 罗倩. 辽宁太子河流域非点源污染模拟研究［D］.中国农业大学，2013.

［5］ 石庆玲. 乌梁素海流域非点源污染负荷对LUCC 的响应研究［D］.济南大学，2013.

［6］ 韩成伟. 寒冷地区非点源氮磷环境行表示为与模拟预测研究［D］.大连理工大学，2012.

［7］ 刘薇.基于SWAT 模型的非点源污染模拟研究［D］. 河海大学，2008.