氣候變化條件下大伙房水庫水質響應研究

方世燚

[摘要]結合大伙房水庫集水區清源氣象站的實測降水量數據，利用全球氣候模式輸出結果，對該地區2021～2060 年的氣候變化趨勢進行預測，采用NCC/GU天氣發生器降尺度方法對清源氣象站的日最高氣溫、日最低氣溫、日降雨量進行分析，生成未來氣候變化情景。進而將未來氣候變化模擬結果作為SWAT模型的氣象輸入數據，從而預測未來年大伙房水庫集水區的非點源污染負荷的變化情況。

[關鍵詞]全球氣候模式;非點源污染負荷

[中圖分類號]X824[文獻標識碼]A

1? ? 引言

水環境不僅是自然環境中重要的組成部分，同時也是人類生存的基本環境。近年來，氣候變暖引發的一系列自然災害嚴重危害了人類的生存，同時抑制了水質的提升。2013年8月16日，大伙房水庫集水區發生了百年一遇的暴雨洪澇災害。據統計全市平均降雨量127.3mm，最大雨量出現在清源雨量站高達405.5mm。極端降雨導致164 人死亡失蹤，5000多人無家可歸。本次降雨過程特點是雨勢大、降雨總量大，有8個雨量站降雨量高于300mm。極端天氣導致大伙房水庫的水質明顯降低，TP最大超標倍數為 7.54倍。除此之外，大伙房水庫集水區在20年內共發生了三次暴雨洪澇災害。由于氣候變化影響導致自然災害增加，導致大量的營養鹽流入水庫讓藻類滋生引發水質惡化。大伙房水庫集水區水體經歷復雜的物理、化學及生物作用。因此，如何有效挖掘氣候變化與水質的響應關系已成為日益關注的焦點。氣候變化條件下大伙房水庫集水區水質響應具有重要的理論意義與現實意義。目前，國內外非點源污染模型模擬研究已較為深入和廣泛，但氣候變化條件下的水質模擬研究案例較少。本研究通過模擬大伙房水庫集水區在氣候變化條件下的水質響應，能夠進一步完善水質模擬的應用體系，確定氣候變化條件下水質模擬參數，豐富氣候變化水質模擬經驗，拓展模型對水質模擬的適用條件和范圍，為其他地區氣候變化水質模擬提供參考和借鑒。氣候變化引發的一系列自然災害不僅對財產、公共基礎設施、農業和旅游業帶來無可估量的損失，同時，對流域水質的進一步提升起到了嚴重的阻礙作用。因此探索氣候變化和水質的響應關系，確定水源污染降雨臨界值，有助于提升大伙房水庫集水區水質，構建大伙房水庫集水區水質預警體系，制定水體污染防范對策。

2? ? 資料與方法

2.1? ? 模型構建

SWAT 模型由美國農業部（USDA）農業研究局（ARS）主導開發，用于提取天氣、土地利用、土壤類型、農業活動等輸入數據，是可模擬連續動態過程的流域分布式水文模型。SWAT 模型對空間數據進行離散化和參數化的處理，能模擬和預測不同情景對流域的影響，在非點源管理與控制過程中應用較廣泛。提取和整理SWAT模型水質模擬所需的空間數據和屬性數據，構建水質模擬數據庫。屬性數據包括氣象、水文、水庫、灌區、去用水、農業管理措施、制度等。空間數據包括高程模型DEM圖、土壤類型圖、土地利用類型圖、流域地形數據等。

2.2? ? 模型率定

為了提高模型模擬效率，需對SWAT模型進行敏感性分析，從中選取對模擬結果有較大影響的參數。SWAT模型具有敏感性分析模塊，采用LH-OAT方法。該方法保證了模型輸出結果的變化與輸入的變化有較高的對應性，具備了穩定性和精確性。

2.3? ? 未來氣候情景設定

氣候變化預估采用HadCM3全球氣候模式，選取A2作為未來中高溫室氣體排放情景，選取B2作為未來中低溫室氣體排放情景。采用NCC/GU 天氣發生器對清源氣象站日降水和日最高最低氣溫進行降尺度分析，從而生成未來氣候情景并作為SWAT模型氣象參數輸入。NCC/GU天氣發生器主要原則是馬爾科夫鏈的無后效性，即認為一種狀態能否出現，僅取決于前一天的狀態，而與更前時刻的狀態無關。當資料缺乏或時間長度較短，轉移概率難以確定時，可以通過經驗公式進行計算，利用轉移概率可以進行數據模擬。日降水的發生概率是通過兩狀態一階馬爾科夫鏈方法模擬得到干、濕日序列得以確定。日降水量則采用兩參數的GAMMA分布進行模擬。天氣發生器對氣溫等非降水變量的模擬，是基于降水的發生概率，同樣分序列方法進行模擬，確定干、濕日序列后，分別采用相應的模擬參數進行氣溫等變量的模擬。一階馬爾科夫鏈模擬降水的發生，是基于馬爾科夫鏈的無后效性的思想，認為當日降水的出現僅取決于前一天有無降水發生，通過歷史觀測資料或經驗公式計算求得干日濕日間的轉移概率，從而確定降水是否發生。降水量的變化采用兩參數GAMMA分布來描述。GAMMA分布主要由形態參數ALPHA和尺度參數BETA決定。ALPHA參數決定了GAMMA分布的形狀，其值越小，分布的形狀偏度越大，平均日降水量也就越小;BETA參數決定了GAMMA分布分散度，其值越大，分布的離散程度越大。

3? ? 結語

本研究基于大伙房水庫集水區SWAT模型的構建、參數率定和模型驗證，模擬評價了流域非點源污染分布特征。模型校準驗證結果表明SWAT模型在大伙房水庫集水區的適用性較好。NCC/GU天氣發生器對降水量和氣溫的模擬均取得了比較理想的結果且在降水量數值模擬方面具有一定的優勢。在氣候變化的影響下，大伙房水庫集水區未來30年的徑流量、TP負荷、TN負荷變化也均表現出增加的趨勢，其中徑流量較基準期的平均增幅最大，TP/TN負荷的平均增幅相對較小，但年際波動幅度較大。

[參考文獻]

[1] 佟敬軍，李茹.2013年洪水災害后大伙房水庫的水質變化情況分析[J].環境保護與循環經濟，2014，34（06）：60-61+72.

[2] 李明濤.密云水庫流域土地利用與氣候變化對非點源氮、磷污染的影響研究[D].北京：首都師范大學，2014.