气候变化和人类活动对水库面源污染负荷影响

杨金尉

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

当前，气候变化和人类活动对水循环的影响逐年增强。极端天气频发、多发，水体作为面源污染运移的主体，水循环的变化势必然造成水体污染指标的变化。科学评估气候变化和人类活动共同影响下的水库面源污染对于水库水环境保护十分重要。当前，单一研究气候变化或者人类活动对水库面源污染影响已取得一定的研究成果，但是结合气候变化和人类活动共同影响下的水库面源污染影响的研究还较少，而一般来说，气候变化和人类活动是伴随式发生的，因此单一考虑气候变化或者人类活动，很难全面评估变化环境下的水库面源污染负荷影响，因此需要结合人类活动和气候变化两种影响要素一起，分析其变化对水库面源污染的影响。为此，本文以当前分析气候变化和人类活动较为成熟的模拟平台SWAT模型为依托，通过设定人类活动和气候变化情景，分析其共同影响下的水库面源污染响应。

1 研究方法和数据

1.1 研究方法

本文在SWAT模型适用性分析基础上，采用SWAT模型分析气候变化和人类活动对水库库区面源污染负荷的影响。结合人类活动及气候变化贡献率定量分离方法分析其对水库面源污染负荷影响的具体贡献率。

1.2 采用数据

本文主要以辽宁北部某水库为研究实例。模型所需要输入的为库区所在流域的下垫面数据，包括数字高程、土地利用以及土壤类型数据，如图1所示。从图1中可看出区域主要利用方式为耕地和林地。此外，由于需要分析水库面源污染负荷，对库区主要土壤类型进行化学试验分析，分析结果见表1。

2 模型适用性分析

首选需要分析SWAT模型在区域的适用性。基于区域2000—2010年实测水质数据，对SWAT模型非点源污染模拟进行参数率定和验证，参数率定结果见表2，模型验证结果见表3—4及图2—3。

从表3—4中可看出，SWAT模型在区域面源污染负荷方面具有较好的适用性，总氮和总磷预测误差均较好。模型在污染负荷量上具有较好的精度外，对其污染负荷过程也具有较好的吻合度，从确定性系数指标中可看出，面源污染负荷模拟的确定性系数值在0.5以上，达到乙级面源污染负荷预测的要求。从选取的典型年面源污染负荷模拟结果也可看出，在各月份面源污染负荷中，模型模拟的面源污染负荷年内分配过程和水质监测数据也具有较好的吻合度。水库面源污染负荷的高峰期主要出现在7—9月份，主要因为这三个月份属于丰水期，丰水期水量的增多，使得进入库区的面源污染负荷也增多，而SWAT模型对面源污染负模拟主要依托于水量为载体，因此在丰水期模型的吻合度明显高于枯水期的吻合度。

图1 模型输入下垫面数据

单位：mg/kg

表2 模型参数率定结果

表3 SWAT模型总氮验证结果

表4 SWAT模型总磷验证结果

图2 代表年份总氮模拟成果图

图3 代表年份总磷模拟成果图

3 空间反演结果

结合SWAT模型模拟结果，对库区面源污染负荷进行空间分析，空间分析成果如图4所示。

图4 面源污染负荷空间模拟成果

从图4中可看出，面源污染负荷大的区域主要集中在区域北部和南部，北部区域面源污染负荷大的原因在于区域主要为农业耕地，耕地措施下农业化肥所产生面源污染负荷在降水较多的月份会进入库区，影响库区的面源污染。而南部面源污染主要增多的原因在于其主要为居民用地，人类活动下的点源排放量是这一区域面源污染负荷较为集中的原因。此外，区域面源污染负荷也主要受到区域降水量分布的影响，降水量较多的区域，其面源污染负荷一般较多，而降水量较少的区域，其面源污染负荷一般较少。

4 气候变化及人类活动共同影响下的面源污染负荷分析

4.1 情景分析

情景模式设定见表5。结合该模型模拟不同变化情景模式下的面源污染负荷，并对比变化前的面源污染负荷，对比结果见表6—7。

本文将气候变化和人类活动影响统称为变化情景模式，在设定变化情景模式时，主要依据全球气候变化模式以及区域土地利用远景规划数据。变化情景模式I、II，气温升高、土地利用变化主要为耕地和林地之间的转变，从两个情景模式分析可以看出，情景I气温升高且区域退耕还林，库区总体面源污染负荷下降趋势明显，削减率5.2%～9.1%；情景II气温降低但退耕还林措施力度加大，库区总体面源污染进一步削减，削减率明显高于情景I，削减率为18.9%～27.6%之间。而在情景III下，降雨增加，势必造成入库面源污染负荷的增加，而城镇用地增加，使得点源污染排放量增加，进一步加剧水库面源污染的负荷。在情景IV下，降雨量的减少对水库面源污染负荷影响超过城镇用地面积的变化。

表5 变化情景模式设定

注：气候模式设定依据为全球气候变化模式，土地利用设定依据为区域土地利用远景规划数据。

表6 变化情景方案下的总氮响应 单位：104t

表7 气温变化情景方案下的总磷响应单位：104t

变化情景模式变化前模拟总磷变化后模拟总磷总磷失变化总磷变化率/%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 贡献率分析

结合贡献率分析方法对气候变化及人类活动对水库面源污染进行定量分离，结果见表8—9。

从贡献率分离结果可看出，气候变化和人类活动对总氮和总磷影响比例较为相似。从各个年份分离结果可看出，气候变化对总氮影响的贡献率均值为36%，这主要是因为气候变化主要体现在对水循环的影响，通过影响水量的变化来影响进入库区的面源污染负荷，而人类活动除表现为对水量的影响外，还影响产生面源污染负荷的途径，退耕还林措施后，区域农业面源污染负荷得到控制，因此进入库区的面源污染负荷得到减少。此外，城镇用地面积增加，势必造成进入库区的点源排放量增加，也势必增加其污染负荷，因此人类活动对面源污染影响的途径较多，使得其对面源污染负荷影响的贡献率均值达到64%。

表8 水库库区总氮影响因素分解 单位：104t

表9 水库库区总磷影响因素分解 单位：104t

5 结论

(1)降水及城镇用地变化是水库库区面源污染负荷增多的主因，气温变化对面源污染负荷影响程度偏低。

(2)退耕还林措施是有效降低库区面源污染负荷的一种有效措施，但是也会减少进入库区的水量，水库面源污染负荷控制还应重点注重点源排放量。

(3)本文没有分析工业点源排放量变化对库区面源污染负荷影响，在以后的研究中还应重点加入工业点源排放数据进行分析。