气候变化下浑太流域污染负荷的响应特征研究

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流域水环境污染问题严重制约着我国的可持续发展,现状条件下流域整体化污染趋势有所减缓,然而污染来源的复杂性使得流域的污染防治形势依然严峻。全球气候变化致使水环境安全事件频发,对气候变化敏感的北方河流易出现资源型与水质型水资源短缺、水污染反弹及水生态修复效果脆弱等现象,因此研究变化环境下流域污染物的变化趋势并进行量化分析意义重大。本文以浑太流域为研究区域,首先分析其水文水质特征确定模拟指标,其次构建SWAT模型分析流域污染的时空响应特征,再次利用CMIP6中的气候模式驱动SWAT模型,分析气候变化对流域水文过程及氮磷污染的影响,最后寻找模式中对污染产生贡献率较大的因子,探讨流域未来的发展模式。本文可为变化环境下浑太流域的水环境污染防控治理提供参考,主要结果如下:(1)分析浑太流域年际、年内水文及水质的时空变化特征。结果表明,流域多年降水在平均值上下浮动,变化幅度较大;年内月降水集中在6-9月,约占全年的70%。近年来的丰、平、枯水年分别为2016、2019及2017年。10-16年为周期的径流变化趋势显著,未来的氮磷污染以10年为一期进行研究。浑河及太子河上游至下游的水质由Ⅱ降至Ⅴ类,恶化趋势显著,且浑河水质状态劣于太子河。中下游河段的多年水质状态汛期好于非汛期,于家房水质劣于小姐庙,且优于汇合后的三岔河。流域的主要污染物为总磷、氨氮,生化需氧量、化学需氧量次之。因此,本研究区域存在有机污染严重、氮磷超标显著的现象,为防止未来水体出现更恶化的情况,应进一步从流域尺度构建模型进行氮磷污染的时空特征分析和气候变化下氮磷污染的趋势变化及量化研究。(2)通过构建的SWAT模型,研究了浑太流域2015-2018年总磷、总氮及氨氮污染的时空变化特征。结果表明,总磷污染集中分布在汛期降水量较大的区域,总氮及氨氮污染主要集中在农耕期。浑太流域东南部的污染量较大,西北部地形平坦存在少量污染。中下游平原分布着农业区,且太子河的农业污染量大于浑河。城市周边的工厂、污水处理厂密布,其点源污染排放量大。多年点源污染占比大于非点源,丰水年(2016年)非点源占比远大于点源,且太子河的各类污染量大于浑河。因此,该流域的污染受水量影响很大,为防范气候变化引发氮磷污染,本文接下来将利用气候模式预测未来的污染。(3)利用CMIP6中SSP126、SSP245、SSP585及MME模式驱动SWAT模型,研究气候变化对浑太流域水文及氮磷污染过程的影响,并分析各模式的驱动因子的贡献率。结果表明,未来年均气温将持续上升,年降水逐渐增多、年内降水分布较以往更为均匀。流域未来的水资源及氮磷污染量均呈先减少,再增加至减少的趋势,其水资源来源占比发生变化,地表径流占比有增加的走向,且辐射强迫越高,氮磷污染量与水文过程的相关性越强。四种模式中对污染的产生贡献较大的驱动因子主要有CH4、CO2、NOx、单位能耗、能源作物和GDP PPP,主要差异体现在驱动因子的总量上,SSP126和SSP245总量少于其他模式,说明高强迫情景下流域的污染产生量相对较大。因此,在未来全球气候变暖的情况下,浑太流域的温室气体的排放强度将会增加流域的氮磷污染。(4)将现状及多种气候模式的氮磷污染产生情况进行对比,探讨浑太流域未来的发展模式。结果表明,SSP126、SSP245、SSP585及MME模式中总磷、总氮污染的产生量高于基准期平均水平,氨氮污染产生量低于平均水平。SSP126及SSP245模式中氮磷的污染产量将在2040s内达到最大值,而其他时段的污染产生量要低于SSP585及MME模式。由此可见,流域未来的水污染状态依然严重,应探索适用于该流域未来的发展模式,以期实现流域的可持续发展。
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