气候变化情景下流域水环境承载力评估方法研究_张扬.pdf

242 国家自然科学基金(52209039)资助 收稿日期:20220308;修回日期:20220711 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.59,No.2(Mar.2023)doi:10.13209/j.0479-8023.2023.012 气候变化情景下流域水环境承载力评估方法研究 张扬1,2 付正辉1,张雅然3 郭怀成2 姜霞1 王书航1 1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.北京大学环境科学与工程学院,北京 100871;3.中交(天津)生态环保设计研究院有限公司,天津 300461;通信作者,E-mail: 摘要 以青海省湟水流域为研究案例,考虑气候变化与流域水文循环的密切联系以及气候变化对水环境系统的剧烈影响,构建气候变化影响下的流域水环境承载力评估方法体系。该体系从系统性和整体性的角度进行时间与空间尺度上的匹配,从而精确地评估气候变化对流域尺度水文循环的影响,开展水环境承载力计算,最终建立气候变化影响下的流域水环境承载力动态变化评估。研究结果表明,气候变暖将导致湟水流域水环境承载力下降,但随着时间推移,未来气候变化情景下的水环境承载力总体上呈现改善的趋势。关键词 水环境;气候变化;水资源;水环境承载力 Evaluation Method of Watershed Water Environment Carrying Capacity under Climate Change Scenarios ZHANG Yang1,2,FU Zhenghui1,ZHANG Yaran3,GUO Huaicheng2,JIANG Xia1,WANG Shuhang1 1.Chinese Research Academy of Environmental Science,Beijing 100012;2.College of Environment Sciences and Engineering,Peking University,Beijing 100871;3.CCCC(Tianjin)Eco-Environmental Protection Design&Research Institute Co.,Ltd,Tianjin 300461;Corresponding author,E-mail: Abstract The Huangshui River Basin in Qinghai Province was selected as the research case.Considering the close relationship between climate change and hydrological cycle of the basin and the severe impact on the water environment system,the evaluation method system of water environment carrying capacity of the basin under the impact of climate change was constructed.The matching of time and space scales was carried out from the perspective of systematicness and integrity,so as to accurately evaluate the impact of climate change on the hydrological cycle of the basin scale and carry out the calculation of water environment carrying capacity.Finally,the assessment and analysis of the dynamic change of the basin water environmental carrying capacity under the influence of climate change was established.The research results show that climate warming would lead to a decline in the water environmental carrying capacity of the Huangshui River Basin,but with the passage of time,the water environmental carrying capacity under the future climate change scenario would generally improve.Key words water environment;climate change;water resource;water environment carrying capacity 水环境承载力可以表征流域水系统为人类提供水资源可利用总量和消纳水污染的能力,是水资源优化配置需要考虑的核心要素12以及决定区域人口经济规模发展的主要因素,也是制定流域水资源分配方案及可持续发展规划的重要科学依据34。承载力的概念来源于物理学,指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷。目前,承载力的概念广泛应用于多个领域,并产生环境承载力、生态承载力和土地承载力等概念,其中,水环境承载力成为水资源科学中的研究热点1,5。水环境承载力涉及研究区域的地理位置、自然条件和经济社会人口发展状况,具有一定的不确定性与复杂性,因此相关研究以应用为主67。具体地,降水量和气温等气象条件与流域水文循环存在 张扬等 气候变化情景下流域水环境承载力评估方法研究 243 着密切联系,并通过水文循环过程,进一步影响流域水资源可利用总量与水环境容量89。这就意味着未来气候变化将在影响流域水文条件的基础上对水资源承载力产生重大影响,在深刻影响水资源系统供水和需水过程的同时,进一步加剧水资源的供需矛盾10。目前,对气候变化和水环境承载力等领域开展的研究多集中在单一系统或局部问题中11。如何从系统性和整体性的角度进行时间与空间尺度上的匹配,选取合适的模型与方法,并建立合理有效的响应关系,从而精确地评估气候变化对流域尺度水文循环的影响,开展水环境承载力精确计算,最终建立气候变化影响下的流域水环境承载力动态变化评估与分析研究,是目前急需解决的问题1213。目前研究方法以构建指标体系为主,缺乏针对水环境承载力对区域发展限制性因素的研究,尤其是涉及制定区域未来发展规划的核心要素可利用水资源量与水环境容量,尚无合理的方法可以用来进行定量精确的计算与分析14。同时,作为不可忽视的影响因素,气候变化对流域尺度的水环境承载力影响的研究也相对较少。本文首先以研究区不同气候变化情景下未来降雨量、气温等气象因素作为输入条件,结合流域水文模拟模型,分析流域尺度水文变化情况,然后基于水文循环过程与流域水环境承载力核心要素水资源可利用量与水环境容量的关系,建立“气候变化情景水文响应承载力评估”综合研究框架,开展流域水环境承载力评价,从而为流域水环境、水资源的多维度综合管理提供决策支持。1 研究区域概况 本研究以湟水河干流小峡桥断面上游为研究案例,总面积约为 10337 km2。如图 1 所示,湟水流域位于青海省东北部,青藏高原与黄土高原的过渡地带。流域西部为日月山,邻近青海湖内陆水系;北部为祁连山,邻近河西走廊内陆水系;南部为拉脊山,邻近黄河干流水系;东部连接黄河支流庄浪河水系。湟水流域地处内陆,为高原大陆性气候,属于半湿润地区。该区域海拔高,蒸发量大,昼夜温差大。全年降雨量分布不均,总降水量的 60%80%集中在汛期,11 月至 2 月枯水期降水量仅占全年降雨量的 3%左右。湟水流域面积仅为青海省总面积的 14%,但承载着青海省超过一半的人口和生产总值,是青海省的政治、经济和文化中心1516。湟水流域用水主要来源于地表水和地下水,多年均地表水资源总量为 9.22108 m3,占全省水资源总量的 1.54%。湟水流域作为青海省人口、产业聚集区,是青海省最严重的缺水地区。随着区域内城镇化进程加快,人口数量逐年提高。自西部开发政策实施以来,区域内产业规模有了飞速的发展,在多方面因素共同作用下,湟水流域水资源短缺现象日益严重。此外,流域内水资源利用程度高,河流流量小,严重超过流域水环境承载力,缺水性污染问题十分突出17。虽然“十二五”规划期间湟水流域水污染防治成效显著,但城市污水收集以及处理设施建设速度仍落后于城镇化进展和居住人口的增长,整体水环境功能区达标率不高,区间内监测断面水质不容乐观。图 1 湟水流域地理位置 Fig.1 Geographical location of Huangshui watershed北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 244 2 研究方法 2.1 气候变化情景及 SWAT 模型 作为 SWAT 模型18输入的未来气候预测数据来源于 CMIP5 气候变化模型输出数据19,可以从IPCC 网站(http:/www.ipcc-data.org)获得。世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP)组织开展的国际耦合模式比较计划(CMIP)旨在统一的框架下开展多模式比较研究,为国际耦合模式的评估以及后续长远发展提供了重要的平 台20。参与这一计划的数据资料广泛应用于预估未来气候变化特征和分析气候变化趋势等研究,其研究结果是政府间气候变化专门委员会(IPCC)对未来气候变化评估的重要内容21。新的典型浓度路径(RCPs)情景充分考虑了未来温室气体排放对气候变化的影响,这些排放情景主要包括低浓度排放情景 RCP26、中浓度排放情景 RCP45 和高浓度排放情景 RCP85 等22。本文利用加拿大气候建模与分析中心(Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis,CCCma)开发的 CanESM2(The Second Ge-neration Canadian Earth System Model)模型产出的相关气候变化数据作为 SWAT 模型的输入23,对比分析 RCP26,RCP45 和 RCP85 等情景的输出结果。SWAT 模型起源于 20 世纪 90 年代,由美国农业部农业研究中心在 SWRRB 模型2的基础上开发。该模型以水文响应单元为基础,模拟单元的半分布式模型,可以较好地模拟流域尺度水文水质变化情况,还可以反映农田施肥、灌溉和种植方式等因素的影响2426。SWAT 模型的水文过程分为陆域坡面汇流和河道中河道径流两部分。陆域汇流过程由降雨过程、雨水经植物冠层截留后进入土壤、地下水以及形成地表径流几个部分组成。河道中发生的河道径流过程主要受水面蒸发作用和河水下渗等因素影响。模型的水量平衡方程如下:0daysurfaseepgw1SWSW(),ttiRQEWQ=+-(1)其中,SWt代表土壤最终含水量(mm),0SW代表土壤初始含水量(mm),t 代表时间(d),dayR代表第i天总降水量(mm),surfQ代表第 i 天地表径流总量(mm),aE代表第 i 天蒸散总量(mm),seepW代表第 i 天土壤渗透量和侧流总量(mm),gwQ代表第 i 天地下径流总量(mm)。本文中气象观测数据来自国家地球系统科学数据平台(http:/ 15 个要素:平均气压、最高气压、最低气压、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对