气候变化条件下大伙房水库水质响应研究

方世燚

[摘要]结合大伙房水库集水区清源气象站的实测降水量数据，利用全球气候模式输出结果，对该地区2021～2060 年的气候变化趋势进行预测，采用NCC/GU天气發生器降尺度方法对清源气象站的日最高气温、日最低气温、日降雨量进行分析，生成未来气候变化情景。进而将未来气候变化模拟结果作为SWAT模型的气象输入数据，从而预测未来年大伙房水库集水区的非点源污染负荷的变化情况。

[关键词]全球气候模式;非点源污染负荷

[中图分类号]X824[文献标识码]A

1    引言

水环境不仅是自然环境中重要的组成部分，同时也是人类生存的基本环境。近年来，气候变暖引发的一系列自然灾害严重危害了人类的生存，同时抑制了水质的提升。2013年8月16日，大伙房水库集水区发生了百年一遇的暴雨洪涝灾害。据统计全市平均降雨量127.3mm，最大雨量出现在清源雨量站高达405.5mm。极端降雨导致164 人死亡失踪，5000多人无家可归。本次降雨过程特点是雨势大、降雨总量大，有8个雨量站降雨量高于300mm。极端天气导致大伙房水库的水质明显降低，TP最大超标倍数为 7.54倍。除此之外，大伙房水库集水区在20年内共发生了三次暴雨洪涝灾害。由于气候变化影响导致自然灾害增加，导致大量的营养盐流入水库让藻类滋生引发水质恶化。大伙房水库集水区水体经历复杂的物理、化学及生物作用。因此，如何有效挖掘气候变化与水质的响应关系已成为日益关注的焦点。气候变化条件下大伙房水库集水区水质响应具有重要的理论意义与现实意义。目前，国内外非点源污染模型模拟研究已较为深入和广泛，但气候变化条件下的水质模拟研究案例较少。本研究通过模拟大伙房水库集水区在气候变化条件下的水质响应，能够进一步完善水质模拟的应用体系，确定气候变化条件下水质模拟参数，丰富气候变化水质模拟经验，拓展模型对水质模拟的适用条件和范围，为其他地区气候变化水质模拟提供参考和借鉴。气候变化引发的一系列自然灾害不仅对财产、公共基础设施、农业和旅游业带来无可估量的损失，同时，对流域水质的进一步提升起到了严重的阻碍作用。因此探索气候变化和水质的响应关系，确定水源污染降雨临界值，有助于提升大伙房水库集水区水质，构建大伙房水库集水区水质预警体系，制定水体污染防范对策。

2    资料与方法

2.1    模型构建

SWAT 模型由美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）主导开发，用于提取天气、土地利用、土壤类型、农业活动等输入数据，是可模拟连续动态过程的流域分布式水文模型。SWAT 模型对空间数据进行离散化和参数化的处理，能模拟和预测不同情景对流域的影响，在非点源管理与控制过程中应用较广泛。提取和整理SWAT模型水质模拟所需的空间数据和属性数据，构建水质模拟数据库。属性数据包括气象、水文、水库、灌区、去用水、农业管理措施、制度等。空间数据包括高程模型DEM图、土壤类型图、土地利用类型图、流域地形数据等。

2.2    模型率定

为了提高模型模拟效率，需对SWAT模型进行敏感性分析，从中选取对模拟结果有较大影响的参数。SWAT模型具有敏感性分析模块，采用LH-OAT方法。该方法保证了模型输出结果的变化与输入的变化有较高的对应性，具备了稳定性和精确性。

2.3    未来气候情景设定

气候变化预估采用HadCM3全球气候模式，选取A2作为未来中高温室气体排放情景，选取B2作为未来中低温室气体排放情景。采用NCC/GU 天气发生器对清源气象站日降水和日最高最低气温进行降尺度分析，从而生成未来气候情景并作为SWAT模型气象参数输入。NCC/GU天气发生器主要原则是马尔科夫链的无后效性，即认为一种状态能否出现，仅取决于前一天的状态，而与更前时刻的状态无关。当资料缺乏或时间长度较短，转移概率难以确定时，可以通过经验公式进行计算，利用转移概率可以进行数据模拟。日降水的发生概率是通过两状态一阶马尔科夫链方法模拟得到干、湿日序列得以确定。日降水量则采用两参数的GAMMA分布进行模拟。天气发生器对气温等非降水变量的模拟，是基于降水的发生概率，同样分序列方法进行模拟，确定干、湿日序列后，分别采用相应的模拟参数进行气温等变量的模拟。一阶马尔科夫链模拟降水的发生，是基于马尔科夫链的无后效性的思想，认为当日降水的出现仅取决于前一天有无降水发生，通过历史观测资料或经验公式计算求得干日湿日间的转移概率，从而确定降水是否发生。降水量的变化采用两参数GAMMA分布来描述。GAMMA分布主要由形态参数ALPHA和尺度参数BETA决定。ALPHA参数决定了GAMMA分布的形状，其值越小，分布的形状偏度越大，平均日降水量也就越小;BETA参数决定了GAMMA分布分散度，其值越大，分布的离散程度越大。

3    结语

本研究基于大伙房水库集水区SWAT模型的构建、参数率定和模型验证，模拟评价了流域非点源污染分布特征。模型校准验证结果表明SWAT模型在大伙房水库集水区的适用性较好。NCC/GU天气发生器对降水量和气温的模拟均取得了比较理想的结果且在降水量数值模拟方面具有一定的优势。在气候变化的影响下，大伙房水库集水区未来30年的径流量、TP负荷、TN负荷变化也均表现出增加的趋势，其中径流量较基准期的平均增幅最大，TP/TN负荷的平均增幅相对较小，但年际波动幅度较大。

[参考文献]

[1] 佟敬军，李茹.2013年洪水灾害后大伙房水库的水质变化情况分析[J].环境保护与循环经济，2014，34（06）：60-61+72.

[2] 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].北京：首都师范大学，2014.