气候变化背景下旱涝事件对地表水环境影响研究进展

吕睿喆 ，翁白莎 ，严登明 ，李思诺 ，4

（1.东华大学环境科学与工程学院，201620，上海；

2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京；3.中国水利水电科学研究院水资源研究所，100038，北京；4.河北工程大学水电学院，056000，邯郸）

气候变化对水循环过程有着重要的影响，其所导致的水资源量时空分布特征和强度的变化等已成为各国关注的热点。而目前主要的重点集中在对水量变化的研究，对气候变化导致的水质问题研究相对较少，尤其对气候变化导致的水环境危害和经济损失的研究几乎是空白，在具体定量分析方面缺乏数据支持，没有建立相关评估方法。因此，开展气候变化对水环境质量影响的研究不仅有助于环境保护部门加强水环境保护工作，也有助于对全球气候变化产生的环境问题提出针对性对策。

气候变化对地表水环境的影响是一个长期复杂持续的过程。尽管在未来很长时间内人类活动是造成水环境污染和水生态破坏的主要原因，但是气候变化下水循环过程的改变对水环境质量的影响会越来越重要。

根据环境保护部统计，2006—2012年，941起突发环境事件中由自然灾害引发的比例为9%，暴雨、洪涝和干旱等极端气候事件已经成为水污染事故的重要原因，并且多数污染事故是由于工业点源污染和农业面源污染受暴雨冲刷将污染物带入水体而引发的，极端气候事件已经严重威胁到地表水环境安全。气候变化对地表水环境质量的影响原理见图1。

一、干旱事件对地表水环境的影响

干旱发生时，不仅会导致水量短缺，同时会有水质恶化的危害。随着气候的变化，降水量的时空分布不均和蒸发量的增加、温度的持续升高，都会导致干旱事件发生的频率增大。干旱对地表水环境的影响不仅包括水文要素过程，还会对地面植被土壤、水生动植物及微生物等带来不利的影响。1992年，Margarida等对发生60年一遇干旱的葡萄牙50个主要水库进行了研究，得出水质下降的结论，这是由干旱导致的河道径流减少引起的。1997年，Mulholland提出，在干旱气候条件下，径流量的减少会使水体中营养盐、有机质和污染物质浓度上升。Delpla等在2009年研究干旱对地表水水质影响时，提出了干旱期高温会导致土壤中有机C、N、P的矿化及分解，干旱期结束后降雨及土壤侵蚀会携带大量污染物质进入水体中。干旱对地表水质量的影响主要表现在以下4个方面：

图1 气候变化对地表水环境质量的影响原理

①地表水受到点源污染物的污染，也会受到农田等面源污染物的影响。地表径流和壤中流是面源污染物进入水体的主要载体，但干旱期间因降水和径流减少，面源污染物进入水体数量随之减少，点源污染物则成为水体污染的主要因素。

②干旱事件发生后，常出现旱涝急转现象，暴雨伴随而至。Evans在2005年指出这种干湿交替、旱涝急转的现象可能会促进土壤中有机物质的分解，同时冲刷更多的有机物进入水体而加剧水质恶化。干旱期间土壤中积累大量污染物如矿物质、营养盐、有机物等，降水发生后，污染物会随着雨水进入水体，加重水体污染物负荷，迅速造成水质恶化；再加上农业面源污染严重及农药化肥的不合理使用，暴雨过后大量农药化肥进入水体，进一步加重了水体的污染。

③干旱期间，温度升高的最直接影响是河流径流量显著减少。河流的流量和污染物的负荷改变了河流稀释和运输物质的能力，同时温度的升高影响水体扩散、矿化和垂向混合过程，以及污染物迁移转化过程，最终导致水质恶化。因为污染物在迁移转化过程中伴随着化学变化、生物降解、有机物的分解以及藻类和浮游生物大量繁殖的发生，会消耗水中溶解氧，当水中溶解氧不足时，有机物进行厌氧发酵，导致水质恶化。

④氮和磷等营养元素是水生动植物及微生物必需的元素，但是由于干旱高温的影响，水体稀释能力下降，水中营养元素浓度不断增加，同时高温又十分适宜藻类等水生植物生长，诱发水华爆发，导致水质恶化，威胁饮用水安全。水体中的营养元素主要来源于人类的工农业排放，生产过程中产生的有毒物质、重金属、多环芳烃等污染物也会排入水体中，这些污染物在迁移过程中会吸附于悬浮物或富集在水生生物中，干旱期间因水温升高而再次活化，进而污染水体。

干旱事件的发生不仅会导致可用水量下降和水质严重污染，同时也会造成水土流失、流域水面缩小、生物多样性减少以及生态系统破坏等一系列问题，严重危害经济社会的发展和人类身体健康。

二、洪涝事件对地表水环境的影响

气候变化导致降水量的时空分布不均会进一步影响洪涝事件发生的频率与强度，特别是在以雪山融化为主要水源的区域，气候变化会导致积雪提前融化，加之降水增多，洪水暴发的频率会大大增加。在地质复杂、降水量大的山区，强降雨甚至会导致泥石流和山洪灾害的发生，从而严重污染地表水环境。2007年，Polyakov等提出强降水冲刷地表和侵蚀土壤，并携带土壤中大量的有机物、营养盐、病原体以及毒素等物质进入水体，导致水环境质量下降。洪涝对地表水质量的影响主要表现在以下4个方面：

①在暴洪灾害发生后，地表水的pH值、COD、溶解氧和高锰酸盐指数都受一定影响。孔凡彬对2010年8月甘肃舟曲特大泥石流灾害进行应急监测，分析了暴洪灾害对地表水环境产生的主要影响，监测发现水体pH值、COD、溶解氧和高锰酸盐指数各项指标均出现不同程度的超标，影响时间持续1～2周。水体pH值超标主要来源于灾区消毒液和漂白粉的大量使用，而其他指标超标主要是洪水携带大量污染物进入水体而造成的。

②近年经济和工业迅速发展，汽车等交通工具大量增加，汽车尾气及化石燃料等已经严重污染大气。尤其在城市，大气中的污染物通过干湿沉降落到地面和水体中，污染严重的地区还会出现酸雨，降水中的氮、磷等元素影响地表水环境的质量。伍远康等对浙江省2010年降水进行监测，结果显示降水中含有不同浓度的TP、TN、NO3－、SO42－、Cl－等元素。随着气候的变化，强降雨事件出现的频率也在增加，大气中的这些污染物会随着强降雨迅速进入水体，引发严重的污染。2002年德国易北河流域由于强降雨形成的地表径流将大量污染物冲刷进入水体，导致了鱼类死亡的严重事件。

③随着城市化的发展、道路交通等基础设施建设，不透水下垫面面积增加，局部地区径流系数增加，加大了城市洪水风险。一旦城市地区发生短时强降雨，极易形成内涝，城区污水处理量增多，无法处理的多余污水可能会使排水系统和污水管网成为水体的污染源，影响整个水环境系统。

④不同地区地表和大气污染物的浓度和种类不同，暴雨洪涝灾害造成的水体污染程度也会不同。当洪水携带大量的泥沙和悬浮物进入水体，泥沙可以吸附解析污染物，一定程度上有降低污染、净化水体的作用。但是随着外界条件的改变，泥沙中的污染物再次释放出来污染水体。

洪涝事件不仅造成地表的点源、面源污染物进入水体，同时也会造成大气中的污染物进入河流，特别是对于城市大气污染严重地区和工农业集中区域，洪涝事件会造成更严重的水体污染。

三、其他气象因素对地表水环境的影响

干旱与洪涝的极端气候事件对地表水环境产生突变性的影响，而其他气象因素（如温度、降雨、蒸发、日照、辐射、风速）的变化对地表水环境有长时间累积性的影响，通过水循环过程间接地对地表水水质产生不利影响。

①降水和蒸发的改变，除了引发干旱和洪涝极端事件，还会对地表水环境产生潜移默化的影响。当前气候条件下，流域的蒸发量增加，降水量减少，流域水量减少，污染物浓度不断提高；若供水不足，人类会加剧对地下水开发，造成地下水水量减少和污染，长久下去甚至会造成河流湖泊萎缩和荒漠化。另外气候变化导致降雨的增加，更多的污染物和病原体进入水体。据Curriero等报告统计，1948—1994年，548份水传播疾病暴发报告中有68%与降雨强度加大有关。

②气候变化最显著的反映是气温升高，水温基本与周边空气温度保持一致，气温升高会导致湖泊河流水温升高。水温会影响水的密度、表面张力、黏性等多方面。水温还会改变水体中生物化学反应速率，影响微生物生长速率的同时会促进藻类的大量繁殖，易造成水华的暴发。温度变化的幅度以及水质的初始状态，会对地表水环境带来不同程度的影响。

③光和辐射对水生植物的生长有重要意义，随着气候变化，光照时间和强度也会变化，影响各类水生植物的光合作用，对水生生态系统造成影响。研究表明，辐射的改变会使水体中污染物毒性改变。Macdonald等通过实验证明类似多环芳烃的污染物暴露在紫外辐射中，会诱发水生生物的光毒性。气候变化影响大气环流的变化，改变了风速，风速对湖泊河流的运动和污染物的迁移也有影响。

④气候变暖导致海平面不断上升。根据IPCC发布的第四次报告显示，过去100年全球海平面上升了18 cm，预计到21世纪末，全球海平面上升的高度将达到18～59 cm，会影响沿海湿地和红树林等生态系统的功能；风暴潮和灾害性海浪频率增加，海岸带侵蚀加剧，海岸环境恶化，海岸带生态系统遭到破坏，对海洋水环境产生一定影响。

四、研究展望

气候变化对地表水环境的影响是复杂的自然因素和人为因素共同作用的结果，因此预估气候变化对水质的综合影响难度较大，不仅需要建立气候变化与污染物迁移转化模型，还需根据不同区域做出相应调整。当前对气候变化与水质关系的影响大多是定性分析，今后需要进一步加强对二者的定量研究和内在机理分析。

在我国水环境质量整体尚未改善、环境风险隐患仍较为突出的形势下，未来我国更为频繁的极端天气气候将会加大水环境风险防范的难度，增加污染事故发生的可能性，不利于饮用水水质安全保障。我国在水环境适应气候变化领域目前研究相对较少，处于刚刚起步阶段，相关数据缺乏，没有将水环境与农业、气候、生态等多个领域结合起来，不利于从整体性和全局性的角度分析水环境变化的深入机理。气候变化对水环境的影响方式和程度是全局性和整体性，所以加大对气候变化模式的研究力度，建立对气候变化不确定性和水质模型结构的分析，是提高未来水资源系统应对气候变化的最佳途径。

一方面，极端气候事件是造成水质严重污染的因素之一，今后需要通过对极端气候形成机理进一步研究，分析旱涝事件发生的频率强度与变化趋势，建立相应的预警和监测机制，保障灾害发生时造成的损害最小。另一方面，要控制排污，人类活动排放的污染物是导致河流湖泊污染的根源，只有从源头上减少污染，才能从根本上保护地表水环境。

[1]DALLA V M,MARCOMINIA,CODATO E.Climate change influence on POPs distribution and fate:A case study[J].Chemosphere,2007,67(7).

[2]Margarida C,Barros,Maria João M.Mendo,Francisco C.R.Negrão.Surface water quality in Portugal during a drought period[J].The science of the total environment,1995,171.

[3]POLYAKOV V,FARES A,KUBO D,et al.Evaluation of a non-point source pollution model,Ann AGNPS,in a tropical watershed [J].Environmental Modelling&Software，2007，22（11）.

[4]Z.W.昆兹威克斯，梁静静，柯学莎.多因素影响下的气候变化与河流水质[J].水利水电快报，2011（11）.

[5]Curriero F.C.,J.A.Patz.The association between extreme precipitation and waterborne disease outbreaks in the United States,1948-1994[J].American Journal of Public Heath，2001，91（8）.