气候变化对流域氮负荷与污染控制的影响研究-以驻马店市境内淮河流域上游为例

Climate change has significant impacts on water quality. However, up to date the majority of research on climate change and water is focused on water quantity, leading to a lack of quantitative research on climate change and water quality. This study aims to assess the impacts of climate change on watershed nitrogen load and pollution control as well as the associated uncertainties in the upper Huai watershed of Zhumadian City. The main research objectives include: (1) Establish the SWAT model to simulate the hydrologic and nitrogen transport processes of the watershed on the basis of systematic investigation of the watershed's non-point pollution source characteristics. (2) Select appropriate weather generator for the downscaling of the GCMs outcomes. Use the SWAT model to simulate the hydrologic and nitrogen transport processes under different climate change scenarios in the next 40 years, establishing the ensemble of total nitrogen concentration predictions of the river, and assessing the impacts of climate change on the watershed's nitrogen load and the associated uncertainties. (3) Use the SWAT model to evaluate the capabilities of nitrogen load reduction by representative water pollution control measures under current climate as well as various future climate change scenarios. Assess the impacts of the climate change on the effectiveness of representative water pollution control measures and the associated uncertainties. The above research results will provide scientific basis for developing watershed pollution control programs in response to climate change.

气候变化对水环境质量具有显著影响。目前，气候变化与水环境的研究多集中于水量方面，对水质影响的定量研究非常缺乏。本项目选取驻马店市境内汝南沙口断面以上的淮河流域为研究区域，重点研究气候变化对该流域氮负荷和污染控制效果的影响及其不确定性,包括：（1）在系统调查流域面源污染特征的基础上，建立SWAT模型，模拟流域水文和氮素迁移转化过程。（2）选取合适天气发生器，对大气环流模型（GCMs）输出结果进行时空降解。在此基础上，利用SWAT模型模拟不同气候变化情景下流域在未来40年的水文和氮素迁移转化过程，建立河流总氮浓度预估集合，研究气候变化对流域氮负荷的影响和不确定性。（3）选取典型水污染控制措施，利用SWAT模型分别模拟在现有气候条件和不同气候变化情景下，各污染控制措施的氮负荷削减效果，研究气候变化对不同控制措施效果的影响和不确定性。相关研究成果可为制定应对气候变化的流域污染控制方案提供科学依据。

在对汝河流域的环境条件和污染源现状进行系统调查研究的基础上，基于28个雨量站的日降雨量和小时降雨量数据分别建立SWAT模型，模拟该流域的水文过程和氮素迁移转化过程。研究结果显示：降雨输入的时间精度能够显著影响SWAT模型对该流域的水文和氮循环模拟结果。基于小时降雨量的SWAT模型对于日径流量和月总氮负荷的模拟结果均显著好于基于日降雨量的SWAT模型模拟结果。基于SWAT模型结果分析汝河流域总氮负荷的污染源构成和时空变化特征，结果显示：总氮负荷呈现显著季节性差异，夏季最高，秋季次之，然后为冬春二季。在流域上游，绝大部分总氮负荷来源于农业种植。在中下游，农业种植负荷所占比重逐渐减少，但始终为首要污染源。在流域出口处，总氮负荷主要来源于农业种植（43%）、农村生活污水（19%）、城市生活污水（15%）和工业（15%）。获取10个GCMs在RCP45和RCP85排放情景下未来五十年的气候输出结果，对其进行时空降解，作为SWAT模型输入数据，评估气候变化对汝河流域总氮负荷和不同流域水污染控制措施氮负荷削减效果的影响，结果表明：在RCP45和RCP85气候变化情景下，分别有5个和8个GCM的月均总氮负荷模拟值高于基准背景模拟值。选取三种流域水污染控制措施（农村生活污水治理、化肥减施、农田缓冲区构建），比较其在RCP45和RCP85气候变化情景下对流域总氮负荷的削减效果，结果显示：在RCP45和RCP85气候变化情景下，分别有5个和8个GCM的月均总氮负荷模拟值高于基准背景模拟值。在RCP45和RCP85气候变化背景下，农田缓冲区和农村生活污水治理对月均总氮负荷的平均去除率在5%左右；化肥减施的月均总氮负荷平均去除率在10%左右。此外，农田缓冲区对于最高月总氮负荷的平均去除率在9.5%左右，明显高于对月均总氮负荷的去除率；化肥减施对最高月总氮负荷的平均去除率在11%左右，略高于对月均总氮负荷的去除率；农村生活污水处理对最高月总氮负荷的平均去除率在3.3%左右，略低于对月均总氮负荷的去除率。总体而言，研究结果显示汝河流域总氮负荷污染控制的关键在于实现农业生产的养分闭合循环。气候变化极可能对汝河流域的氮负荷和流域水污染控制措施的氮负荷削减效果发生不同程度的负面影响，在制定流域水污染控制政策和措施过程中需要对有关影响进行充分考虑。