氣候變化和人類活動對流域水環(huán)境的影響研究進展

呂振豫，穆建新，劉姍姍

(1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

工業(yè)時代至今，以溫度升高為主要特征的全球性氣候變化已成為不爭的事實。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告指出，自19世紀后期以來，全球平均表面溫度(GMST)已經(jīng)升高，在存在多套獨立制作資料集的1880-2012年，全球平均溫度升高了0.85 ℃；特別是北半球，1983-2012年很可能是過去800 a來最暖的30 a[1]。除了以變暖為主要特征的顯著變化外，降水量級和時空分布的變化、熱輻射強迫加劇、極值事件頻發(fā)、冰川融化以及海平面上升等一系列事件都是氣候變化的表征。

全球氣候變化大背景下，結合人類活動的影響，誘發(fā)產(chǎn)生的大范圍水資源危機及水環(huán)境污染問題已成為當今世界各國急需解決的難題。目前，全球氣候變化主要表現(xiàn)在降水、氣溫、輻射和風速等氣象因子的變化上，這些氣象因子的改變直接或間接地對水環(huán)境產(chǎn)生影響。人類活動加劇了氣候變化對水環(huán)境的影響大小，通過改變流域下墊面情況、改變物質(zhì)能量的流動、影響流域產(chǎn)流機制，使得水環(huán)境進一步惡化。兩者獨立及綜合影響下，水環(huán)境物理、化學和生物特性發(fā)生改變。

在前人研究成果的基礎上，本文從水環(huán)境對氣候變化及人類活動的響應機制，現(xiàn)階段研究氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的模型方法，以及目前研究的不足和未來發(fā)展方向等幾個方面就氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究展開討論，旨在回答以下幾個問題：①氣候變化和人類活動以怎樣的途徑對水環(huán)境構成威脅？②目前關于氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響方面的研究存在哪些不足？③針對目前研究成果的現(xiàn)狀，未來有哪些改進措施及發(fā)展方向。

1 氣候變化大背景下水文要素的變化情況

水環(huán)境的變化與流域水文過程的改變息息相關，而水文過程的改變主要表現(xiàn)在水文及水循環(huán)要素的變化上。氣候變化通過氣溫、降水等因素的改變影響陸地水文循環(huán)系統(tǒng)，驅動了徑流量等水文要素的變化，改變區(qū)域的水量平衡，嚴重影響流域水資源量及其時空分布。

進入21世紀以來，伴隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，全球性氣候波動更加劇烈，溫室氣體(主要是CO2)排放導致氣溫上升、降水量級及時空分布不均、極端性強降水事件頻繁發(fā)生、旱澇交替災害性事件發(fā)生概率大幅度增加。IPCC先后于1991、1996和2001年對全球氣候變化狀況進行的評估顯示，全球表面平均溫度在20世紀已升高0.6 ℃，第5次評估報告將這一數(shù)據(jù)更新為0.8 ℃。中國在1951-1990年的40 a里，平均最低氣溫每10 a增加0.2 ℃，尤其是冬季，平均最低溫度每10 a增加約0.4 ℃。溫度上升造成的直接后果是流域潛在蒸發(fā)量增大，同時導致流域水文過程從一個綜合的降雨/降雪體系轉變?yōu)榻涤暾贾鲗У捏w系結構，影響流域水資源量時空分布，冬季洪水風險劇增、夏季干旱頻發(fā)。韓蘭英等[2]對中國西南地區(qū)干旱災害成因的研究表明，溫度升高導致的區(qū)域水資源量減少是形成干旱災害的主要因素。降水變化通過改變區(qū)域的水量輸入，影響流域產(chǎn)匯流大小，繼而改變流域水資源量，但上述變化存在一定的地域性，受區(qū)域自身氣候條件限制。IPCC第4次評估報告指出，受區(qū)域降水量時空分布變化特征影響，根據(jù)高信度的預估，較高緯度地區(qū)和一些潮濕的熱帶地區(qū)，包括人口密集的東亞和東南亞地區(qū)，到21世紀中葉，徑流量將增加10%～40%；而中緯度和干燥的熱帶地區(qū)，由于降水減少、蒸騰率上升，徑流將減少10%～30%。Yun和Wang等[3]采用模型模擬的方法量化了黃河流域降水與徑流的關系，發(fā)現(xiàn)流域降水減少10%的情況下，徑流將減少15%～25%。Voudouris等[4]在墨薩拉流域的研究表明，該流域不超過20%的降水減少量，導致流域徑流量減少了29%～32%。

2 氣候變化對水環(huán)境的影響

基于氣溫、降水等氣象要素的變化造成流域水循環(huán)過程的改變，氣候變化通過影響地表水體物理、化學和生物特性等各個方面對流域水環(huán)境構成威脅。

2.1 物理特性的影響

氣候變化對流域水環(huán)境物理特性的影響主要表現(xiàn)在水體溫度的上升、河道形態(tài)的改變以及河川徑流流速、流量的變化等幾個方面。

水溫的變化是水體對氣候變化響應最為敏感的要素之一。溫室氣體排放引起的全球溫度升高，對水環(huán)境造成的直接后果是水體溫度的上升。Vliet等[5]基于對未來氣候條件的預測，模擬全球尺度水體溫度變化情況的結果表明，截止到2100年，包括美國、歐洲、中國東部、非洲南部以及澳洲南部等地區(qū)的大部分河流，水體溫度將呈上升趨勢。氣溫上升加上太陽輻射增強，使得歐洲、南美及亞洲地區(qū)19世紀60年代至今，地表水體溫度平均上升0.2～2.0 ℃。歐盟環(huán)境局(EEA)的研究表明，歐洲主要河流的水溫在過去的100 a里上升了1～3 ℃[6]。模型預測未來氣候變化情境下，截止到2070年，歐洲部分湖泊水體溫度將上升2 ℃左右，這一變化的直接影響是水密度減小、表面張力減弱。作為影響水體物理-化學平衡以及生物活性的主要因素，水環(huán)境中所有物理-化學“常數(shù)”都隨水溫的變化而改變，氣溫導致河流水體溫度上升的同時勢必會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。

氣候變化大背景下，降水時空分布不均勻性的加劇，使得旱澇事件頻繁發(fā)生，伴隨著降水、徑流大幅度的時空變異，由土壤侵蝕產(chǎn)生的土壤流失事件急劇增加。尤其是連續(xù)干旱后的暴雨事件，沖刷河道坡岸攜帶大量泥沙入河，造成河道淤積，改變河流物理形態(tài)。俞方圓[7]對1958-2008年東北地區(qū)氣候變化對河川徑流和泥沙的影響研究表明，該地區(qū)研究時段內(nèi)降水量顯著減少導致徑流量呈下降趨勢，輸沙能力下降；加上極端事件造成的旱澇災害頻繁發(fā)生和水土流失加劇，使得區(qū)域河流形態(tài)發(fā)生大幅變化。除此之外，氣溫升高導致流域潛在蒸發(fā)量增加，預估未來氣候條件下，降水量級的減少、土壤水虧損的加重以及流域潛在蒸發(fā)量的增加，將導致入河流量發(fā)生變化，部分河道水流速度降低、輸沙能力下降。

2.2 化學特性的影響

目前，針對氣候變化對水環(huán)境化學特性影響的研究主要集中在水體營養(yǎng)鹽及溶解性有機質(zhì)濃度變化、重金屬污染程度以及持久性有機物(POPs)含量的變化等幾個方面。

(1)營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)。水體中營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)含量的變化主要受氣溫的升高以及降水、徑流的時空變異性影響。全球變暖導致水體溫度分層周期擴大，溫躍層加深，這一現(xiàn)象將導致下層沉積物向上傳送磷通量增加，導致均溫層P濃度升高，加上溶解氧含量的減少，缺氧環(huán)境下，磷酸鹽從底層沉積物通過溫躍層的垂直擴散引起變溫層P濃度隨之升高，導致水環(huán)境惡化。溫度升高加速水體中化學反應和生物降解速率，同樣影響水體中營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)的濃度。氣溫升高導致流域潛在蒸發(fā)量增大，入河水量減少，使得營養(yǎng)鹽等的稀釋率下降，導致受水水體N、P營養(yǎng)物及溶解有機質(zhì)含量發(fā)生變化。Rankinen等[8]利用2個線性回歸模型分析了氣候變化對波羅的海流域水體N、P含量的影響，結果顯示，由于溫度的升高加上流域春夏季徑流減少、冬季徑流量增加，使得水體N濃度增加，P濃度下降。另外，Sardans等[9]研究指出氣溫上升造成的土壤溫度升高會導致土壤中N元素礦化作用的增強；同時，土壤溫度的上升使得土壤中部分酶活性增強，使得土壤中N元素可用性增強，增加水環(huán)境的N攝入源。

氣候變化大背景下降水、徑流時空變異性引起的旱澇災害事件，造成嚴重的土壤侵蝕及土壤沖刷入河，則進一步加重了水體營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)含量的變化。降水模式的改變，使得水體營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)含量呈季節(jié)性變化；極端降水事件發(fā)生概率的增大同樣對水體營養(yǎng)鹽及溶解有機質(zhì)含量產(chǎn)生較大影響。Bates等[10]的調(diào)查顯示，位于溫帶地區(qū)的國家近年來氣候變化導致全年降水日數(shù)降低，而平均每次降水事件總降水量增加。這一現(xiàn)象的直接后果是極端性旱澇事件頻發(fā)，導致分解有機質(zhì)，沖刷入水體作用增強。Puustinen等[11]研究表明，冬季徑流量的增加，使得沖刷沉積物入河量升高，導致水體懸浮固體物和P濃度上升。Andersen等[12]發(fā)現(xiàn)，極端降水事件的頻繁發(fā)生，導致流域徑流量增加，伴隨產(chǎn)生的是水體更高的N負荷。Borken等[13]研究表明，氣候變化作用下流域干、濕循環(huán)加重，特別是夏季干旱使得N元素礦化作用及N元素通量發(fā)生變化。

(2)重金屬。重金屬元素，一般指標準狀況下單質(zhì)密度大于4 500 kg/m3的金屬元素，是生物體的重要組成部分，以空氣、土壤、化學藥劑等為載體，隨降水、徑流等沖刷入水體，將會造成水環(huán)境嚴重的重金屬污染。基于其持久性和生物放大作用，重金屬污染對水生生態(tài)系統(tǒng)及水環(huán)境構成嚴重威脅。目前，水體中重金屬主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)2種形式存在，隨水體各種物理、化學和生物反應發(fā)生遷移轉化，同時受吸附和釋放2個過程劇烈程度的影響。氣候變化通過改變重金屬元素在自然相中的分布，加速其在各相間的運移，影響其在水體中的遷移轉化過程和劇烈程度，對水體中重金屬元素含量及分布情況產(chǎn)生影響。重金屬元素通常在表土層聚集，其向水體中的轉化速率受淋溶作用影響。氣溫升高使得流域潛在蒸發(fā)量上升、地下水位下降、排泄水量減少，導致重金屬元素淋溶作用減弱，水體重金屬元素含量下降。Visser A等[14]在Keersop小流域進行的研究表明，未來氣候變化條件下，該流域氣候向暖干化發(fā)展，重金屬淋溶作用減弱，水體中鎘、鋅2種重金屬元素含量從過去的29 μg/L、2.3 mg/L減少到11 μg/L和1.5 mg/L，地表水質(zhì)有所改善。降水時空變異和降水量變化引起的旱澇事件頻發(fā)，沖刷表層土壤入水體，加速重金屬元素向水體的轉移；同時降水引起的河川徑流量變化使得吸附著重金屬元素的懸浮固體物二次懸浮，進一步影響水體重金屬含量。Vliet等[15]的研究表明，氣候變化引起的旱澇事件，使得墨茲河水體中包括鋇、硒和鎳等重金屬元素的含量顯著增加。Schiedek等[16]通過定性分析氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)中重金屬元素濃度的影響，指出未來氣候條件下，降水時空變異引起的洪水風險增加，使得水體中泥沙等懸浮固體物二次懸浮，導致水體重金屬含量呈指數(shù)增加。

(3)持久性有機污染物(POPs)。氣候變化大背景下環(huán)境溫度、降水模式、積雪融化及海水鹽度等諸多方面的變化，均導致POPs在環(huán)境介質(zhì)中分布的改變。通過改變大氣、水體、土壤等環(huán)境基質(zhì)的物理、化學及生物條件，氣候變化對POPs的環(huán)境行為和其在不同環(huán)境相的擴散速率產(chǎn)生顯著影響。溫度升高導致大氣中POPs含量顯著增加。Field等[17]研究表明，溫度的升高使得POPs在大氣-土壤和大氣-水源之間的分配速率增強，導致POPs向大氣的二次排放增加。氣溫升高1 ℃，POPs向環(huán)境中的排放量可能增加10%～15%；氣溫升高10 ℃，排放量可能增加3倍。降水時空分布的不均勻性及降水強度的增大導致大氣中POPs沉降速率發(fā)生變化，繼而引起土壤中POPs含量的增加。極端事件導致的旱澇災害頻繁發(fā)生再加上部分地區(qū)降水變化引起的河川徑流量增大，導致土壤侵蝕攜帶大量污染物入水體，加快了土壤與水體間POPs的交換速率，造成水體POPs含量升高。Milner[18]的研究顯示，河川徑流的增大，使得土壤侵蝕加快，POPs在土壤中的遷移及向河流中的轉移速率上升，導致河流POPs含量增大。另外，氣溫升高導致冰川融化增強了POPs在大氣與海洋間的交換能力，加上海水鹽度影響下海洋POPs溶解度的改變，將對海洋中POPs含量產(chǎn)生較大影響。

綜上，溫度升高引起水體自身化學反應強度的變化，加上水體自身礦化作用及底層沉積物排放化學物質(zhì)的改變，是導致水環(huán)境化學特性改變的內(nèi)在動力；氣溫引起的流域潛在蒸發(fā)量增大，加上土壤溫度升高造成土壤可提取C、N、P等物質(zhì)數(shù)量的變化，改變了水體化學物質(zhì)的來源量；降水時空變異導致旱澇事件頻發(fā)，尤其是連續(xù)干旱后的強降水事件造成大量泥沙沖刷入水體，則是連接土壤及水體，運輸化學物質(zhì)的途徑和動力。幾者結合，共同作用，最終導致水環(huán)境化學特性改變。

2.3 生物特性的影響

目前，受氣候變化影響最嚴重的是浮游植物和浮游動物。

(1)浮游植物。溫度升高、降水時空變異造成的旱澇交替對土壤的沖刷作用使得受水水體營養(yǎng)物含量尤其是以N、P為主的營養(yǎng)鹽含量的增加，是造成浮游植物尤其是藻類生長狀況變化的主要原因。溫度的升高可能會造成水體藻類植物的生長速率加快。一方面，浮游植物自身生長有其適宜的溫度閥值，溫度升高將直接影響浮游植物自身的生長平衡條件，對浮游植物的生長狀況產(chǎn)生影響；另一方面，溫度升高導致水體溫度分層周期增長，溫躍層加深，由此誘發(fā)的營養(yǎng)物質(zhì)垂直運動，使得變溫層P含量升高，促使水體透光層浮游植物的快速增長，導致原來大型植物占主導的水體向浮游植物占主導轉變，致使水體污濁。降水強度及時空分布的變化主要通過影響水體營養(yǎng)物的輸入量而對浮游植物生長狀況產(chǎn)生影響。Willey[19]在北卡羅來納海域進行的研究表明，降水變化導致海水營養(yǎng)鹽濃度升高、鹽度下降，其直接后果是海域浮游植物生長限制減小，浮游植物數(shù)量升高。部分地區(qū)夏季降水減少，導致入河徑流量減小，河道流速降低，滯留時間增長，使得懸浮固體物及輸沙量減少，營養(yǎng)物富集，這就是一些水庫、湖泊等較易產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化的原因。除上述影響外，光輻射和光照時間的變化通過影響浮游植物光合作用的光化學過程和酶催化過程也將對浮游植物的生長狀況產(chǎn)生影響。

(2)浮游動物。浮游動物生命周期短、分布廣泛，并且隨水體流動而移動，其對氣候變化的響應更為敏感，受氣候變化影響程度更加嚴重。以溫度升高為主要特征的全球性氣候變化對浮游動物生理過程、豐度、生物量、多樣性和群落結構以及浮游動物棲息地等都會產(chǎn)生不同程度的影響。一方面，溫度升高使得浮游動物生物蛋白質(zhì)的組成及膜流動性遭到破壞，同時對不同物種不同生長周期浮游動物的呼吸作用、代謝速率、生長速率及發(fā)育速度產(chǎn)生影響，最終導致浮游動物生長狀況的改變。Rebstock[20]在加利福尼亞州進行的研究表明，海洋溫度的上升導致個別浮游動物生長迅速，性成熟期時間縮短，使得浮游動物較正常溫度生長狀況體積變小；另一方面，溫度升高造成耐熱性浮游動物大量繁殖，溫度容差較小的浮游動物，特別是冷水性浮游動物大量減少，導致浮游動物豐度及生物多樣性遭到破壞。Purcell[21]對海洋中15種水母生長狀況的研究表明，溫度升高使得其中11種水母的豐度增加，這11種水母大多屬于溫帶物種。Beaugrand等[22]在大西洋東北部進行的關于氣候變化對橈足類浮游動物的影響研究表明，溫度升高是造成該物種多樣性破壞的主要原因。降水強度及極端降水事件引起的入河流量變化造成的土壤侵蝕、水體流速變化等也將對浮游動物的生長狀況產(chǎn)生影響。Pednekar等[23]研究證明，徑流量增加，導致城市區(qū)排水能力不足，引起的混合下水道污水入河是浮游動物成分變化的一個重要原因。Delpla等[24]對魁北克流域不同空間尺度氣候變化對大腸桿菌含量的模擬預測結果顯示，降水時空變異使得該流域水體中大腸桿菌含量呈增加趨勢。

3 人類活動對水環(huán)境的影響

人類活動影響下土地利用和植被覆蓋的變化、點源及非點源污染的大量排放以及水利工程的建設導致流域下墊面情況改變、流域水循環(huán)過程發(fā)生變化、水體污染物來源及數(shù)量改變，最終影響流域水環(huán)境狀況。

3.1 土地利用/植被覆蓋變化(LUCC)對水環(huán)境的影響

LUCC作為水環(huán)境眾多影響因素中的一個，土壤與巖石理化性質(zhì)的不同，導致自然界物質(zhì)溶解、合成及沉降等物理化學及生物過程的差異，繼而造成水體物質(zhì)含量的變化；地層的性質(zhì)與地質(zhì)特征的不同影響地下水與地表水的交換，影響水體中溶質(zhì)的交換轉移。LUCC影響流域下滲速率、蒸發(fā)量及潛在蒸發(fā)量的大小、地下水補給量的多少以及受水水體的水質(zhì)情況。另外，LUCC改變流域的下墊面特征，對水循環(huán)及物質(zhì)輸移過程產(chǎn)生巨大影響，LUCC影響水分及營養(yǎng)物質(zhì)的再分配規(guī)律，改變其運行過程，最終影響N、P等元素的遷移轉化。Lin等[25]在美國紅河流域的研究發(fā)現(xiàn)，該流域土地利用類型的變化導致下游徑流量發(fā)生大幅度改變，流域內(nèi)泥沙及營養(yǎng)物負荷呈上升趨勢，其中泥沙含量上升2.6%、硝酸鹽含量上升5.9%、TP上升14.1%、TN上升9.1%。

目前，全球尺度的LUCC主要表現(xiàn)在城市化的迅速蔓延、農(nóng)田建設用地面積及空間分布的改變以及荒漠化的加重。Seto等[26]通過模型預測的結果顯示，2000-2030年的30 a里，全球城市土地利用面積將增長3倍左右。劉紀遠等[27]對中國1980-2010年土地利用變化數(shù)據(jù)進行的定期更新分析表明，中國土地利用變化呈明顯時空差異。耕地變化南增北減，新增耕地的重心由東北向西北轉移；城鄉(xiāng)建設擴展提速，東部為重心，向中西部蔓延；林草地前增后減，荒漠化加重。城市化程度的加重導致的直接后果是流域下墊面情況的轉變，流域水循環(huán)特征發(fā)生變化，繼而對水環(huán)境各方面產(chǎn)生影響。夏星輝等[28]研究表明，城市地區(qū)，極端降水事件尤其是短時間高強度降水頻發(fā)，導致排水系統(tǒng)輸水能力不足，污染物隨未處理的下水道污水進入水體，造成水環(huán)境惡化，水生生態(tài)系統(tǒng)破壞。張殷俊[29]等通過模型模擬發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)用地的大肆擴張雖然對不同水質(zhì)指標會產(chǎn)生不同的影響，但對水環(huán)境質(zhì)量的綜合影響使得區(qū)域水環(huán)境退化。農(nóng)田建設用地包括耕地、牧草地以及種植園等的大肆擴張，隨之產(chǎn)生的是林木、草地等種植面積的驟減，使得流域下墊面情況發(fā)生變化，最終導致流域水環(huán)境的變化。Nielsen等[30]研究證明，區(qū)域農(nóng)田用地的面積與毗鄰湖泊水體TN和TP含量存在較強的相關關系。林草地退化形成區(qū)域荒漠化，導致的直接后果是水土流失加重，大量泥沙隨徑流入河造成水體泥沙沉積，營養(yǎng)物質(zhì)含量超標。王根緒[31]等研究表明，黃河源區(qū)20世紀70～90年代林草地退化明顯，荒漠化發(fā)展迅速，導致流域內(nèi)水土流失嚴重，水環(huán)境加速退化。

3.2 點源及非點源污染物排放對水環(huán)境的影響

人類活動包括城市排污、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污水等造成的點源及非點源污染是水環(huán)境惡化的主要和直接影響因素。通過影響水體的物質(zhì)組成，改變水體中污染物質(zhì)含量，點源及非點源污染將直接影響水環(huán)境生物化學特性，導致水環(huán)境惡化。

工業(yè)廢水、城市及生活污水的點狀排放是造成點源污染，導致水環(huán)境惡化的主要來源。工業(yè)廢水包含大量重金屬及有毒物質(zhì)，排放入水體導致水環(huán)境重金屬含量超標，水質(zhì)惡化。李玉等[32]對膠州灣水環(huán)境狀況進行的分析與評價結果表明，大量未處理工業(yè)廢水直接排放入海導致的點源污染，使得水體包括懸浮顆粒物、柱狀沉積物及底棲生物中重金屬富集。城市及生活污水攜帶大量人體及動物排泄物入河，造成水體中病原體及溶解有機質(zhì)含量上升。

非點源污染鑒于其隨機性大、潛伏性強、來源復雜以及影響廣泛等特點，已成為水環(huán)境的首要污染源。美國的水體污染物60%來源于非點源污染。目前，農(nóng)業(yè)非點源污染是造成水環(huán)境惡化的主要影響因素。農(nóng)業(yè)用地范圍內(nèi)，作物種植、牲畜養(yǎng)殖、牧草及牧場等農(nóng)業(yè)活動使得化肥和飼料等過度使用，加上農(nóng)業(yè)灌溉攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)入河，導致水體營養(yǎng)物含量驟升，水環(huán)境退化。農(nóng)田用地過度的化肥使用影響生物、非生物的固化和礦化作用，導致水體N、P等物質(zhì)含量增加，對水環(huán)境造成的最明顯的后果是水體污染、生物多樣性缺失和水生生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化。Green等[33]在愛德華州所做的實驗表明，由于玉米種植區(qū)大量肥料輸入造成的N元素長期運輸，該地區(qū)水體硝酸鹽及亞硝酸鹽含量發(fā)生大幅度變化。非點源污染夾帶大量泥沙、營養(yǎng)物、有毒有害物質(zhì)進入江河、湖庫，引起水體懸浮固體物濃度升高、有毒有害物質(zhì)含量增加、溶解氧含量減少、水體酸化、加重水體富營養(yǎng)化程度，最終破壞水生生態(tài)系統(tǒng)。就中國而言，調(diào)查顯示，湖泊、水塘及部分河流中發(fā)生富營養(yǎng)化的主要原因是農(nóng)業(yè)非點源污染。5大淡水湖之一的巢湖，由于沿湖四周均是農(nóng)田，近年來因肥料結構和施肥不當造成化肥大量流失，構成非點源污染，成為巢湖水環(huán)境TN、TP超標的重要原因。呂耀[34]關于蘇南太湖流域農(nóng)業(yè)非點源污染的研究表明，該地區(qū)農(nóng)業(yè)集約化導致的N、P、K肥過量使用，造成太湖水體富營養(yǎng)化程度加重，水生生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞。

3.3 水利工程建設對水環(huán)境的影響

水利工程建設作為人類改造自然的一項實踐活動，通過改變天然河流的流動狀態(tài)，對系統(tǒng)進行物質(zhì)和能量的輸入及重新分配，勢必打破系統(tǒng)原有的水量、能量及生態(tài)平衡。這種舊平衡的破壞和新平衡的產(chǎn)生將引發(fā)水環(huán)境物理、化學及生物特性的改變。目前，水利工程建設對水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在泥沙輸移的變化、水體富營養(yǎng)化、水環(huán)境容量變化以及水生生物生存及生長狀況等幾個方面。

首先，水利工程建設，攔河蓄水，從根本上改變了河流的水動力條件，運行期庫區(qū)水位抬高，水流速度減緩，挾沙能力減弱，泥沙不斷淤積抬高上游河床，加上下泄水流含沙量減少，引起下游河道沖刷，改變河流物理形態(tài)。Kondolf等[35]研究證明，大壩的存在，打斷了河流泥沙傳輸?shù)倪B續(xù)性，造成過庫水體處于泥沙不飽和狀態(tài)，對下游河道造成嚴重沖刷。張曙光等[36]對小浪底水庫的水環(huán)境影響進行的評估分析顯示，工程運行后，很大程度上改變了黃河孟花段的水沙形式。

其次，水庫蓄水造成庫區(qū)內(nèi)水深和集水面積大幅度增加，水流變緩，庫內(nèi)水體滯留時間增加，為水體富營養(yǎng)化的形成提供了有利條件；庫區(qū)集水面積增加，淹沒部分農(nóng)田，加上水庫建設帶動區(qū)域工、農(nóng)業(yè)發(fā)展，提升工、農(nóng)業(yè)及生活廢水入庫量，加速水體富營養(yǎng)化的形成。孟紅明等[37]對中國135座水庫的富營養(yǎng)化情況進行的調(diào)查結果表明，調(diào)查范圍內(nèi)的水庫中有近43%處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。

再次，庫區(qū)水流緩慢趨于靜態(tài)，導致上游來水攜帶固體顆粒物下沉；水介質(zhì)條件改變使得溶解態(tài)物質(zhì)從水中析出，使得庫區(qū)污染物質(zhì)含量上升；加上流域梯級開發(fā)導致的污染物負荷加重，同時庫區(qū)水體稀釋污染物自凈能力下降，最終導致水環(huán)境容量減小。竇貽儉等[38]關于曹娥江流域水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響評估結果顯示，全流域COD水環(huán)境容量，建庫前為122.46 t/d，建庫后減為114 t/d，各功能區(qū)全年單點COD水環(huán)境容量減少3%～12%。

最后，水利工程建設，庫區(qū)蓄水，導致陸、水兩域相互轉化，造成河流生境劇烈變動，勢必會對水生生物系統(tǒng)產(chǎn)生影響。河流梯級開發(fā)尤其是大壩等的建立，截斷了天然河流的流通狀態(tài)，水生生物的適生環(huán)境被破壞，水生生物失去產(chǎn)卵繁殖的適宜環(huán)境，面臨生存危機。陳龍[39]等對白洋淀地區(qū)近50 a來水利工程建設對魚類的影響研究表明，水利工程的直接阻隔作用使得盛產(chǎn)魚類的白洋淀地區(qū)魚類數(shù)量和種類迅速下降。

綜上，無論是氣候變化還是人類活動都將對水環(huán)境構成嚴重威脅。氣候變化通過溫度、降水等的變化及對徑流等水文過程的影響，改變水體中污染物的來源、遷移轉化方式、生化反應速率和生態(tài)效應過程而直接或間接的對水環(huán)境特征產(chǎn)生影響；人類活動通過土地利用方式的轉變、污染物的大量排放以及水利工程的廣泛實施，影響流域的下墊面特征、改變水環(huán)境污染物來源的分布及數(shù)量、改變自然河流的天然流動狀態(tài)繼而影響流域水環(huán)境狀況，見圖1。基于氣候變化及其對水文過程的潛在威脅，污染物的遷移轉化方式及強度將隨之變化，結合包括林木占地向農(nóng)業(yè)及城市用地的轉變以及農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營等土地利用狀況的持續(xù)變化，再加上河流梯級開發(fā)，水利工程大量建設，幾種因素疊加，勢必對流域水環(huán)境產(chǎn)生前所未有的影響。

4 研究方法及不確定性探討

氣候變化和人類活動引發(fā)的水資源量時空分布及水質(zhì)問題已成為各國政府及相關學者關注的熱點。近年來，隨著水環(huán)境問題的加重，相關方面的研究得到廣泛開展，各種研究方法層出不窮。

4.1 研究方法

綜合國內(nèi)外已有的研究成果，目前關于氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響方面的研究主要包括2大類方法：一種是傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法；另一種則是基于具有物理機制的模型模擬預測方法。

(1)傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法。傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法是通過分析氣候變化主要代表因子與水環(huán)境代表性指標之間的相關關系闡述氣候變化對水環(huán)境的影響，通過對歷史資料趨勢性的研究，分析未來氣候條件下水環(huán)境的變化情況。由于方法簡單、容易實施和結果清晰等特點，在分析氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響研究中得到廣泛使用。趙慧穎等[40]以呼倫湖濕地作為研究對象，采用相關分析方法計算了氣候要素與水環(huán)境要素的相關性大小，得出區(qū)域氣候暖干化嚴重影響水環(huán)境的結論。周洪華[41]等采用M-K檢驗分析了博斯騰湖氣候要素與水環(huán)境要素的變化趨勢及突變性，結合相關分析，論述了該區(qū)域水環(huán)境的變化過程，并預測了其未來變化趨勢。Veríssimo等[42]通過趨勢分析、主成分分析評估了河口典型區(qū)氣候變化和人類活動影響下水質(zhì)及底棲生物的變化情況。統(tǒng)計分析方法雖然可以通過計算氣候變化和人類活動與水環(huán)境要素的相關性評估其對水環(huán)境的影響，但該方法沒有明確的物理過程、需要大量實測的歷史數(shù)據(jù)作為支撐，受資料精度的影響；同時，這種方法只能粗略給出水環(huán)境的未來變化趨勢，并且主觀性較強，不能定量化氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響大小，具有較大的局限性。

(2)模型模擬預測方法。在分析水環(huán)境物理、化學及生物過程變化的基礎上，模型模擬預測是一種基于物質(zhì)、能量及動量守恒原則，通過各種數(shù)學計算公式建立計算模型，利用代表參數(shù)反應各個過程的劇烈程度，計算模擬水環(huán)境指標的時空變化特征，進而評估氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響，預測未來水環(huán)境變化情況的綜合性方法。基于地理信息系統(tǒng)的SWAT模型，由于其自身獨特的優(yōu)勢，在國內(nèi)外評價氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究中應用最為廣泛。翟曉燕等[43]以沙澧河流域為研究對象，利用SWAT模型，通過假定氣溫及降水的改變量分析了35種不同情境下水環(huán)境的變化情況。李慶航等[44]采用SWAT模型，以蘇南丘陵區(qū)為例分析了人類活動影響下土地利用方式的改變對該區(qū)域水質(zhì)、水量的影響。Wilson等[45]利用SWAT模型模擬評估了德斯普蘭斯河流域氣候變化及城市土地利用變化對水體懸浮固體物和總P濃度的影響。SWAT模型用于模擬氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響雖然得到了大量實踐證明，但并不完善。Luo等[46]認為傳統(tǒng)的SWAT模型在考慮CO2濃度對植物生長及其伴隨的蒸發(fā)量影響評估以及考慮氣溫與水溫關系方面表現(xiàn)出了很大的不足，通過更新模型中植物氣孔導度及葉面積指數(shù)對CO2濃度響應的數(shù)學模擬方法，并在模型中耦合水溫預測的水文化學模型，可以有效改進SWAT模型。WU等[47]通過分析研究證明了改進SWAT模型的優(yōu)越性。除SWAT模型外，其他如集成化水文模型與水質(zhì)模型用于評估氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究也占較大部分。IPCC氣候變化評估會議的召開，以其預測的幾種未來溫室氣體排放模式為輸入，采用GCM模型模擬預測未來的氣候變化情況，進而量化評估未來氣候變化模式下水環(huán)境的變化情況則成為近期相關方面的研究熱點[47，48]。

圖1 氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響Fig.1 Impacts of climate change and human activities on water environment

4.2 不確定性分析

模型模擬方法由于其自身的優(yōu)越性，在評估氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究中逐步取代了統(tǒng)計分析方法。但面對目前模型結構的不完善，采用模型模擬方法評估氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響依然存在較大的不確定性。主要表現(xiàn)在：①IPCC預測未來排放情景本身具有一定的主觀不確定性，將其帶入全球氣候模式(GCMs)模擬未來氣候變化情況，采用不同的GCMs模型，模擬結果將會發(fā)生較大偏差。Wilby等[48]采用3種GCMs模型對2種未來排放模式下流域氣候變化的研究結果表明，不同的GCMs模型在相同排放情境下模擬結果存在較大偏差；②不同的降尺度方法包括統(tǒng)計降尺度、動力降尺度等將GCMs模型模擬獲得的大尺度數(shù)據(jù)轉化為流域尺度數(shù)據(jù)時存在較大差異；③水文化學模型和生態(tài)模擬模型參數(shù)及結構上的不確定性；④未來經(jīng)濟發(fā)展情況的不確定性，加上土地利用變化預測模型的不完善，使得基于土地利用現(xiàn)狀預估未來土地利用情況比較困難。就模型模擬方法不確定性方面，Murphy等[49]以及Wilby等[50]先后提出，給評估氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的各個環(huán)節(jié)加上權重，可能會合并并減小上述不確定性，然而這種方法需要情境模擬模式向概率模擬模式的轉變，至今依然沒有得到推廣應用。

綜上，不論是傳統(tǒng)的經(jīng)驗統(tǒng)計方法還是模型模擬，都有其各自的特點及局限性。經(jīng)驗統(tǒng)計方法分析氣候變化和人類活動對水水環(huán)境的影響，簡單將氣候因子與水質(zhì)要素作為2組隨機變量，通過分析隨機變量相關性闡述水質(zhì)要素對氣候變化的敏感性，可用于大尺度多變量的研究分析中。但這種方法沒有詳細的物理機制作為支撐，并且需要有實測的大量數(shù)據(jù)，而且只能做趨勢分析不能量化各要素的變化。模型模擬方法可以定量化氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響，物理過程明確，有助于我們更好地了解水環(huán)境要素對氣候變化的響應機制，但其量化水環(huán)境變化并不精確，受模型、資料以及其他因素不確定性影響較大；同時，模型模擬方法局限于流域尺度和個別水質(zhì)要素對氣候變化的響應上。大尺度的基礎研究中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗統(tǒng)計方法在分析氣候變化和人類活動與水環(huán)境相關關系方面表現(xiàn)的更好。

5 研究的不足

綜合分析目前關于氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀，大多數(shù)聚焦于氣候變化或者人類活動對水量、水質(zhì)的單獨影響，且對水量的影響研究居多。部分學者雖然考慮了未來土地利用的變化，卻沒有結合水文、水質(zhì)模型分析土地利用變化對水環(huán)境的影響。將氣候變化和人類活動集成化，研究其對流域水環(huán)境協(xié)同影響方面的研究并不多見。實際上，人類活動對水環(huán)境的影響作用發(fā)生在氣候變化的大背景下，人類活動又反作用于氣候變化，2者相互依存，共同對水環(huán)境構成威脅。在分析水環(huán)境的未來變化情況時，只分析氣候變化對水環(huán)境的影響而忽視人類活動的協(xié)同作用，或者僅僅考慮人類活動的影響，而沒有結合未來氣候變化情況，都將會對預測結果產(chǎn)生影響。Serpa等[51]在地中海2個不同氣候區(qū)關于氣候變化及土地利用對河川徑流及輸沙量的影響研究表明，考慮氣候變化和土地利用的協(xié)同作用與單獨考慮氣候變化的影響，輸沙量的變化表現(xiàn)出了相反的趨勢。Molina等[52]對地中海某水庫氣候變化和土地利用對水文過程及水質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn)，考慮2者的協(xié)同作用較將2者影響簡單疊加對研究區(qū)水文過程及水質(zhì)的影響更為顯著，進一步證明了考慮協(xié)同作用的重要性。隨著氣候變化和人類活動對水環(huán)境協(xié)同作用的重要性不斷被提及，少數(shù)學者雖然開始考慮其綜合作用，但大部分局限對水質(zhì)、水量某一要素的影響，在研究分析氣候變化和人類活動綜合影響下水質(zhì)、水量協(xié)同變化方面依然比較欠缺。

6 結論及展望

在前人研究的基礎上，本文就氣候變化和人類活動對流域水資源及水環(huán)境的影響機理進行剖析，探討了氣候變化和人類活動如何通過直接或間接的影響水體中污染物質(zhì)來源、遷移轉化方式、生化反應速率以及物質(zhì)和能量的轉換過程等對流域水環(huán)境構成威脅，并針對目前關于氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響相關的研究方法及其不確定性展開系統(tǒng)論述，結論如下：全球性氣候變化主要表現(xiàn)在氣溫的升高、降水的時空變異、極值事件的頻繁發(fā)生以及其他水文要素大小及時空分布的變化上，上述變化直接導致流域水資源量發(fā)生改變，同時使得水體溫度上升、土壤侵蝕加重、水生生物生存環(huán)境等遭到破壞，進而影響流域水環(huán)境現(xiàn)狀；基于土地利用和植被覆蓋的變化、點源及非點源污染的大量排放以及水利工程的建設，人類活動主要通過影響流域下墊面特征，改變水環(huán)境物質(zhì)和能量的轉換過程，擾亂天然河體的流動狀態(tài)，對流域水環(huán)境構成威脅；針對氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響研究，目前主要包括傳統(tǒng)統(tǒng)計方法和模型模擬預測2大類，2者均有其各自的優(yōu)點和局限性。文章深度探討了水環(huán)境對氣候變化和人類活動的響應機制，為決策者制定流域水環(huán)境保護政策提供一定的理論支撐，具有切實的理論及實踐意義。

總結已有的研究成果，目前關于氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響方面的研究正處于一個模型模擬定量化影響大小的階段。針對當前研究中表現(xiàn)出的影響機理不明確、模型結構不完善、研究方向較片面以及協(xié)同影響考慮不充分等問題，未來一段時間內(nèi)以下幾個方面將可能成為研究重點：①深入探討、實驗分析氣候變化和人類活動對水環(huán)境的影響機理；②改進模型結構和模擬方法，減少模型不確定性；③探尋綜合性指標反應水環(huán)境整體變化；④探尋定量化分析氣候變化和人類活動對水環(huán)境的獨立影響權重。

整體而言，未來氣候變化和人類活動對水環(huán)境影響的研究有可能從過去單純考慮流域尺度氣候變化和人類活動對關鍵水環(huán)境要素的獨立影響，目前定量化分離氣候變化與人類活動對流域水環(huán)境要素的影響權重，逐步過渡到定量化分析全球大尺度氣候變化與人類活動交互作用對水環(huán)境的綜合影響。

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