气候变化对高原寒区水质影响机理研究进展及展望

何霄嘉 许伟宁 翁白莎 秦天玲 严登明

摘要：气候变化可通过多种途径影响水环境质量，而识别气候变化对水质的影响机理是气候变化影响领域的研究前沿和热点问题。针对气候变化敏感的高原寒区，通过研究相关参考文献，系统综述了气候变化对水质的总体影响、高寒流域水量水质演变机理与数值模拟、纳木错流域水量水质演变规律等方面的研究进展。在此基础上，进一步讨论了气候变化对高原寒区水质影响机理研究方面亟待加强的科研项目和主要研究内容。

关键词：气候变化; 水质影响; 影响机理; 高原寒区

中图法分类号：P333文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.013

气候变化对水循环与水动力过程、下垫面条件及物质的迁移转化过程具有显著影响，进而影响到流域水质及水环境演变特征，关系到水安全保障。IPCC第五次气候变化评估报告指出，气候变化会降低原水水质，并对饮用水安全等带来风险[1]。我国《第三次气候变化国家评估报告》指出，气候变化会影响水环境、水生态环境等多方面（第三次气候变化国家评估报告，2015）。气候变化对水质与水生态的潜在影响已经成为当前必须面对的新问题和新挑战，这也引起了世界各国科学家和政府的高度关注[2]。识别水质对气候变化的响应机理，并提出应对策略，已成为气候变化与水资源、水环境领域研究的前沿和热点问题。在我国全球变化及应对、适应气候变化等科技发展规划中，也将对相关内容进行专门部署。需要指出的是，天然水循环过程是污染物进入水体的载体和动力，污染物随着坡面产流过程从地表溶出，并随着坡面汇流和河道汇流等过程进入水体并发生转化。因此，识别坡面产流过程对污染物产生量的影响机理，是整体识别气候变化对水质影响机理的关键任务。与此同时，坡面产流过程不仅受地形地貌与土壤植被等自然地理条件的影响，还因雨、雪、冰等水源相态的不同而发生变化。当前水质对气候变化响应的相关研究主要集中在气候变化对极端事件（如干旱、洪涝）、水体富营养化等方面的影响[3-5]，亟待从水循环要素过程的角度系统开展气候变化对水质影响的研究。

青藏高原对全球气候变化非常敏感[6-10]，湖泊作为青藏高原的重要地理单元，其演变会影响区域气候系统，区域气候环境变迁对湖泊也有显著的影响[11-12]。因此，开展高寒流域水质对气候变化的响应机理研究具有重要意义。

1气候变化对水质影响的总体研究进展

气候变化能通过多种途径影响水环境质量，是复杂综合的水环境系统问题，在科学认识上已有共识[13-15]。气候变化通过改变水文水资源要素（如降雨、蒸发、径流）的特征值，影响水体的物理、化学和生物特性，进而对水环境质量产生重要影响。此外，气候变化通过改变生态环境基本要素（如温度、降水、光照辐射、风速、风型等）综合地影响水体中污染物的来源、分布和迁移转化，影响水生生物的生长、发育、生殖和分布以及影响水资源分布格局，进而引起水环境质量变化[2]。已有观测研究主要集中于气候变化对湖泊水库富营养化的影响以及极端气候水文事件对水质的影响[16-18]。对湖泊和水库而言，主要研究包括：高温、风速降低和暴雨携带的大量营养物质导致湖库中富营养化加剧和水华爆发;强降水径流导致的盐分、大肠杆菌、病原微生物和重金属污染负荷增加，并带来饮用水污染风险[19-20]。对河流而言，所有气候变化对水质影响都是负效应，陈耀斌研究了淮河流域气候变化对河流水质水量的影响，得出强降水径流给河流带来更多的面源污染负荷掩盖了水量增加的稀释作用[21]。

Z.W昆兹威克斯等（波兰）对与气候变化相关的水质变化趋势进行了分析，并提出了气候变化情景下水质模拟的要求和约束条件[22]。已有预估研究表明，未来气候变化情景将对水质产生不利影响[23]。但研究难度较大，现有研究较少。气候变化是通过对复杂的自然和人为因素的耦合作用影响水质，因此气候变化对水质影响的预估研究难度较大，不仅需要把气候模型与污染物在不同介质中迁移转化模型结合起来，而且需要建立较好的基准对照情景，模型需要不同的空间尺度，还应该根据区域特征校准，所以相关研究较少而且不确定性较高。水质预测结果特别依赖于区域特征、气候和环境条件和当前污染状况。大多数研究结果是预估气温升高、降水量变化和强降水等气候变化特征将对水质造成不利影响，与过去观测到的气候变化对水质影响特征相类似。IPCC AR5第二工作组报告决策者摘要指出：由于若干相互作用的因素，预估气候变化会降低原水水质，并对饮用水安全带来风险，这些因素包括温度升高、强降水造成的沉积物、养分以及污染物负荷增加[24]。

2高寒流域水量水质演变机理与数值模拟

陈仁升等以黑河干流山区流域为例，构建了一个内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型，结果表明：寒区流域产流、汇流过程中，土壤水热交换与冻融作用贯穿其中，是寒区流域水循环过程的中心环节[25]。土壤冻融包括水分的运动、水分的相变、溶质的迁移和热量的传输。张殿发以中国北方冻融区域为研究区，通过模拟实验结果充分证明了冻融条件下，水盐运移是水分对流、温度梯度、土壤结构及质地等因素综合作用的结果[26]。徐英等以河套灌区上55个采樣点的水分和盐分作为对象进行了研究，结果表明冻融期土壤盐分运移机制比水分运移机制复杂的多[27-29]。

温度既可以直接影响土壤冻融过程中水盐的运移，又可以通过影响土壤水分运移进而影响盐分运移。靳志锋以新疆北部常年膜下滴灌棉田为研究对象，探讨了整个冻融过程中温度对土壤水盐运移规律的影响，结果表明：冻结期，土壤水分从非冻结层向冻结层运移，受土壤水分变化影响变化较小;消融期，蒸发作用使得下层土壤水分不断向上运移，受土壤水分变化影响较大[30]。与此同时，赵永成针对北疆冻融及雪水入渗作用下土壤水盐运移特征进行了监测，结果表明，由于季节影响冻融会导致土壤水盐再分配[31]。刘蔚等根据405个土壤样品和101个水样，分析了黑河下游土壤盐分分布规律以及与地形地貌部位、地下水水化学的关系，结果表明： 土壤中盐分随地形变化较为复杂， 但与地下水盐分变化一致[32]。

对于高寒流域水量水质的演变过程，冻融作用定向地改变土壤水盐的分布，蒸发作用和温度变化是影响水盐运移的主要因素。陈乃嘉针对吉林西部土壤盐渍化问题，以大安市苏打盐渍土为对象进行了研究，结果表明，温度的变化导致土壤水分和盐分自下而上运移，最后水分蒸发而盐分留在土壤上部，土壤上部含盐量增加，土壤向盐碱化发展[33]。

随着计算机和3S技术的发展，分布式水文模型（DHSVM、TOPMOD-EL、MIKE SHE、WATFLOOD、VIC、WEP等）已成为研究流域水循环过程的重要工具与手段[34-36]。在冻土“水-热-盐”耦合迁移方面，胡和平等引入克拉珀龙方程研究冻土中的水热迁移段[37];雷志栋等对垂直与水平土柱的冻结进行了模拟[38];尚松浩基于冻土水热基本方程对水热迁移进行了模拟[39];原国红建立了Harlan偏微分方程，混合了冻土中的水、热、盐三方面，初步预测了水、盐、温度的动态变化规律[40]。

在高寒流域产汇流模拟中，杨针娘等基于水量平衡原理、线性水库模式等最先建立了高山冻土区的产流模型[41];关志成构建了寒区流域水文模型，分别模拟了寒区产汇流的主要环节[42];陈仁升等以黑河干流山区流域为研究区，构建了高寒山区分布式水热耦合模型（DWHC），分析了土壤冻融作用对流域产汇流的影响[43];王建等基于修正SCS径流方程和积雪能量平衡，分析了高寒草地的积雪融水和雨水混合补给径流的情况[44];周振民等基于非寒区流域模型结构，建立了具有物理机制的寒区流域概念性水文模型[45];王晓巍建立了冻土水文特性模拟模型，分析了高寒地区冻土条件下水分动态运移规律[46];赵求东等在VIC模型的基础上耦合能量-物质平衡方案，改善了其在寒区冰川流域水文过程模拟效果[47];孙万光等对SWAT模型中冻土条件下地表径流模块和土壤蒸发模块进行了改进[48];周剑等基于模块化的寒区水文建模环境CRHM，构建寒区水文模型，模拟冻土下渗过程、土壤冻融等对径流的影响[49]。

3纳木错流域水量水质演变研究进展

位于青藏高原腹地的纳木错是我国第三大、西藏地区第二大咸水湖，湖面海拔达到4 700多米。流域内人类活动稀少，雨、雪、冰共存，水源类型复杂，平均温升速率是全国平均的两倍，降雨雨强及过程等降水特性变化大，受气候变化的影响十分显著[50]。在气候变化影响下，自20世纪70年代以来，纳木错水域面积呈持续增加态势;自20世纪90年代以来，纳木错盐度显著增加，整体呈现出“水盐双增”趋势，并对周边草场产生了显著影响[51]。有关学者已从温升背景下冰雪消融等角度就纳木错水域面积扩展开展了大量研究，从水质监测、湖区水动力特征变化等角度分析了盐度的变化特征[52-54];但针对其盐度增加机理方面的相关研究较少。

3.1湖泊扩张及成因分析研究进展

目前研究其湖泊面积变化的手段主要以卫星遥感解译为主，同时结合面积、水深等数据计算水量;成因分析主要围绕降水、气温、冰川融雪以及蒸发等因素进行研究，研究方法主要为地面观测辅以模型模拟。

（1） 湖泊面积变化方面。卫星遥感能够大面积定期地对地面进行观测，为研究陆面许多水文要素提供了很大的方便。目前对于纳木错湖面面积变化的研究，国内外学者多采用NASA提供的Landsat卫星遥感影像，对不同时期的遥感影像进行解译比对研究湖面面积的变化趋势。已有研究表明：近40 a来纳木错湖泊面积不断增大，21世纪以来最为显著[55]。陈锋等对其扩张的阶段进行了划分：1970～1991年湖面扩张较为缓慢，1991～2000年扩张速率稍快，2000～2007年湖面扩张较为显著;3个阶段湖面面积的增加速率不断增大，分别为1.1，2.8，3.4 km 2/a[56]。除了面积呈增大趋势外，纳木错的水量以及水位均有不断上升的趋势[57]。Song C等通过水量平衡模型对纳木错的入湖水量进行模拟，发现近几十年入湖水量在不断增加，其中90年代中期之后增加速率变快。这与湖泊的扩张表现出很强的一致性[58-59]。

（2） 湖泊扩张成因方面。与湖泊面积变化方面的研究相比，对湖泊扩张成因分析的探讨，不同研究者所持有的观点并非完全一致。但是总体上，国内外学者均认为其扩张的原因包括气候变化导致的气温上升、冰川融化退缩、降水增多等因素，只是在各因素的贡献程度上存在一些不同的观点。吴艳红等通过对湖泊变化的主要影响因素（暖季降水量、暖季气温和暖季蒸发量）进行分析，湖面扩张主要受冰川融水增加的影响，而降水增加和蒸发减小也有一定影响[60]。Yanbin Lei等分析了纳木错湖模拟水量平衡，发现只有增加冰川融雪才能使得模拟的湖内水量与实际水量的增长趋势相符，而相同地区其他湖泊（如色林错）并未出现这种现象，认为冰川融水对纳木错的扩张具有重大影响[61]。而马颖钊等通过对非冰川入流和冰川入流的估算，发现1970～2009年纳木错湖区湖面降水以及非冰川径流在总水量平衡收入中占比达到91%，认为流域降水增加是湖泊面积扩张的直接原因[55]。Zhu Liping等利用水量平衡方程对纳木错各水量补给来源进行了定量分析，结果表明，降水及其产生的地表径流是湖泊的主要补给源，冰川融水只占较小的比例，但在两者产生的径流增量中，冰川融水增量大于降水增量，说明冰川融水的贡献在近些年上升明显[62]。

对于成因分析的研究，由于缺乏实际观测数据的证明，国内外学者还没有确切的定论，各影响因素具体贡献如何还有待更加深入的研究。

3.2纳木错流域水化学研究进展

水体化学离子是水化学研究的重點内容，对不同流域水化学特性的调查研究是青藏高原湖泊学的重要内容，有助于深入揭示湖泊演化及其对气候变化的响应机理。近30 a来，随着纳木错流域气温的升高，冰川融水和降水的增加使得湖面面积增大，说明纳木错流域对全球气候变暖具有敏感性[12]。Zhang等研究表明，纳木错流域主要化学离子浓度按照冰川积雪、降水、河水、湿地积水、湖水的顺序依次递增[63]。有研究者对纳木错湖东部湖水和入湖河流水化学离子组成特征及来源作了初步探讨，结果表明，纳木错湖水化学离子主要受蒸发-结晶作用控制，而河水化学离子则主要受岩石风化作用的影响[64-65]。高坛光等对纳木错入湖河流水化学离子特征及来源进行了初步探讨，结果表明，入湖河流离子总量显著低于青藏高原以及我国其他河流，并且不同河流受不同岩石风化的影响[66]。Li等对纳木错大气降水中化学离子进行了分析，结果表明：纳木错降水化学离子组成以陆源Ca2+和HCO -3为主，且主要受陆源物质的影响[67]。

郭軍明为揭示青藏高原纳木错湖水化学离子的时空变化特征、来源以及主要控制因子，通过连续定点采样，对其主要化学离子进行了分析，结果表明，纳木错湖水中主要阴离子为HCO -3，主要阳离子为Na +，湖水中主要离子来源于入湖河水;蒸发、降水、pH值等是影响离子时空变化的因素，其中，蒸发是最主要的影响因素，它使得湖水Ca2+浓度降低而Na +浓度不断升高[52]。王君波等对西藏纳木错东部湖区中不同点位的湖水和周边不同位置的入湖河流进行了取样，水化学分析结果表明：与季风期前比较，季风期后湖水中和河水中大部分离子含量均有显著增加，而F -、Cl -和NO -3则有减少趋势[53]。

4结 语

气候变化对水质的影响已受到政府部门和学术界的高度关注，并已成为气候变化、水资源与水环境领域研究的前沿和热点。从研究的空间单元来看，由水体水质演化向流域尺度的水质演变过渡;从机理识别模式来看，由基于河流水文水动力学驱动机理向流域水循环多过程驱动机理研究过渡;从气候变化影响因子方面来看，由单因子影响向多因子复合影响过渡;从研究手段来看，由单一技术手段向多技术手段综合应用转变，并更加关注基于原型观测和控制实验获取关键参数。未来研究的关键课题主要包括：气候变化背景下流域水循环各要素过程演变对污染物和营养盐类的影响机理观测与实验，气候变化对水环境的影响机理模拟，多气候变化因子对水体复合污染的影响等。

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引用本文：何霄嘉，许伟宁，翁白莎，秦天玲，严登明.气候变化对高原寒区水质影响机理研究进展及展望[J].人民长江，2019，50（2）：70-74.

Progress and prospective of climate change impact on water quality in plateau cold region

HE Xiaojia ，XU Weining 2，WENG Baisha 3，QIN Tianling 3，YAN Dengming 3

（1.The Administrative Center for Chinas Agenda 21， Beijing 100038， China;2.Department of Urban Water Environmental Research， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， State Key Laboratory of Water Cycle Simulation and Regulation in River Basin， Beijing 100038， China）

Abstract： Climate change can impact water environment quality in many ways， and the recognition of its impact mechanism is a research hot-point and frontier. By studying the related scientific and technical literatures， this paper systematically summarized the research progress in the total impact of climate change on water quality in plateau cold region， evolution mechanism and numerical simulation of water quantity and water quality in plateau cold region， water quantity and water quality evolution law of Nam Co Lake in Tibet etc. On this basis， the urgent scientific research issues and the main research contents for impact mechanism of climate change on water quality in plateau cold region were further discussed.

Key words：climate change; water quality impact; impact mechanism; plateau cold region