[摘要]英國的氣候變化研究研制一種模型，用以模擬氣候變化對英國水體水質的影響，模擬使用了各種場景，以模擬氣候變化對降雨、蒸發和流域氣溫的變化，這些以時間為單位的變量序列被用于水質和生態模型的輸入，以模擬流量、硝酸鹽、氨含量、溶解磷、泥沙、大型植被和附生植被等，包括他瑪河、勒格河、肯尼特河、特威德河和蘭伯恩河。根據不同的河流特征、流域位置、徑流情勢、模擬條件和未來時間序列，得出氣候變化對英國主要河流的水質影響結果。

[關鍵詞]　模擬氣候變化　英國六大流域　水質　影響

1．介紹

各種證據表明，全球氣候變化確實在發生著。但是，還不能準確確定未來氣溫變化的幅度，以及氣溫變化所導致的降水、蒸發和水文特性在某個具體地點的變化。然而，氣候變化模型提供了評估未來氣候變化對水質，以及水體表層生態的影響。

歐洲的氣候變化影響評估項目是一個斥資2000萬英磅研究項目，由多部門參與，研究歐洲范圍內氣候變化對河流、湖泊和濕地的影響。

進行地表水水質研究，如果不考慮當地的水文變化，則難以得出正確結果。UKCIP02是英國氣候變化模擬的一種情形，它表明，到2080年前，在溫室氣體低排放的情形下，英國冬天的降水會增加10～20%，如果是比較高的溫室氣體排放，冬天的降水將會增加15～35%。最大的降水變化將會出現在英國的東部和南部，蘇格蘭北部的降水變化將會是最小的。而到了夏天，整個英國都會變得更加干旱，溫室氣體低排放時降水將會減少35%，高排放時降水減少50%以上。研究表明，英國夏天的降水已經減少了，這些降水的改變用于氣候模型的模擬，以模擬出英國未來的徑流變化。最近水文學家Romanowicz等在英國水行業聯合會（UKWIR）用不同的氣候模型模擬了一系統的英國流域徑流，他們得出結論：到2020年以前，英國的冬季徑流將會增加4%～9%，夏季平均徑流減少11%，由于受具體的流域位置、土地使用、土壤結構、地理和模型的不確定性影響，英國的夏季徑流減少量在1%～32%之。

氣候變化的最直接反映是河流與湖泊的水溫變化。河水溫度與附近的空氣溫度相一致，氣溫上升，河水溫度也會上升，在過去的一百年，歐洲的很多河流的水溫已經上升了1～3C，例如萊茵河和多瑙河，蘇格蘭小型河流的水溫升高的最大。據報導，瑞士在各緯度的河流水溫都有著較大的上升，在1988年和2002年，河水水溫因為氣溫的驟然變化而有大的改變，河水溫度的驟然變化對一些水生有機生物的影響很大，因為這些物種不能適應水溫變化的節奏。

由于河流大部分化學和微生物反應都與河水水溫密切相關，有必要使用水化學模型來決定氣候變化對水質的潛在影響。本文考慮英國六個不同的河流系統，并為每一個河流設置不同的水質模型。

2．英國的六大河系

所分析的六個河系包括他瑪河（Tamar）、泰姆河(Tame)、勒格河(Lugg)、肯尼特河(Kennet)、特威德河(Tweed)和蘭伯恩河(Lambourn)。這些河流代表英國不同的地理位置、不同的地質情況，代表不同的高地和低地。在每一個流域上實施統一流域（INCA）模型，模擬泥沙、硝酸鹽、溶解氨、活性磷和生態變量（大型植被和附屬植被）。所使用的數據有不同來源，包括英國環境署（流量和水質）、英國氣候辦公室、用地覆蓋圖、氮沉積圖、農業調查、污水處理排放部門、河流圖、數字高程圖，以及流域流速信息等。模型處理大量的歷史數據，并且在不同的流域模型中封裝了水文、化學和生態動力因子。每個流域的模型的參數都經過了率定和效驗，能為氣候變化研究提供良好的依據。

3．方法

在評估氣候變化對未來水質的影響方面使用了兩種方法，即英國水行業聯合會（UKWIR）的增量更改方法(Delta Change Method)和順序尺度統計方法(Statistical Downscaling Scheme)。英國水行業聯合會使用增量更改方法進行水質研究，然而，他們對長歷時氣候變化的瞬間效應也進行了研究，因為以日為單位的天氣信息的變化對水質有著潛在的影響。

增量更改方法（DCM）

英國水行業聯合會研究出一種新的方法來轉變順尺度的大氣環流模型的關鍵輸出變量，這些關鍵性的變量包括降水、氣溫、蒸發能力（PET），以及從水資源模型CATCHMOD得到的河流徑流。這樣的過程在英國的70多個流域展開，為目前的研究提供了寶貴的資源。英國水行業項目的信息涵蓋了該國水質分析所需要的所有情景和時間序列。根據世界氣象變量委員會（IPCC），英國的UKCIP02氣候模擬將溫室氣候的排放分為低排（Low）、中低排(Med low)、中高排(Med high)和高排(High)四種情形。從六個大氣環流模型的平均結果得到包含改變因子的結果，這些結果可以用作水質模型的輸入，每種情形分別應用在選定的河流上，以2010、2020和2050為開始的十年進行模擬，得到水質隨時間變化的結果。

順序尺度統計方法（SDSM）

用于英國六大河流的大氣環流模型輸出的第二種表達方法就是順序尺度統計方法。這種大氣環流的輸出過程由水文學家Wilby等于2006年詳細闡述，所附帶的影響分析包括流域的蒸發、土壤含水量、徑流和地下水等，Wilby將這種方法詳細地應用于英國的肯尼特河流（Kennet River）的模擬中，在那個研究中，Wilby等在肯尼特河流域使用了三個大氣環流模型，每個模型都得出不同的結果。

4．水質模擬結果

根據世界氣候變化委員會（IPCC）定義的四種排放情景，水質模型分別對21世紀的10年代、20年代和50年代進行了統一流域模擬（INCA），此過種程需要產生12個輸入文件。在給定的研究范圍，只有應用良好的模型才被采用，包括蘭伯恩河、勒格河和他瑪河應用INCA-P模型，他瑪河和特威德河應用INCA-N模型，蘭伯恩河(Lambourn)河應用INCA-SED模型。雖然INCA-P模型并不能模擬泥沙，然而泥沙問題在可能的情況下都進行了考慮。另外，由于用地形式的改變造成的河流的改變，以及徑流輸入的變化都會影響水質。因此，模型是從上游到下游進行模擬的，產生了144組結果，本文只表述其中的一小部分。

4.1 蘭伯恩河流活性磷的模擬結果

蘭伯恩河2050年活性磷（SRP）在在每種溫室氣體排放情形下，氣候變化的方式是一樣的。可以看出，在冬季月份的高流量過程中，或者在徑流在逐漸增加的過程中，徑流中活性磷（SRP）是呈減少的趨勢的，在夏節和秋季的幾個月份，當徑流逐漸減少的時候，徑流中活性磷（SRP）是呈增加的趨勢的。

4.2 泰姆河結果

泰姆河的模擬結果與蘭伯恩有著很大的不同，原因是泰姆河包括有很大部門來自伯明翰地區的城市徑流，并且夏天的城市徑流常常受到污水處理廠等設施的攔截，例如，泰姆河上游的一個主要的污水處理廠能形成一個4m3/s的入流，與之相對，該處河段以上夏季的平均徑流流量僅為10m3/s。同時，泰姆河的地形也有著很大的不同，分布著沙石、泥石和細沙土，而蘭伯恩則是石灰巖河床，所以泰姆河受直接徑流的影響更加明顯，不管是上游的城市入流，還是下游的農業入流。所有的這些特點都反映在泰姆河不同的徑流特征和對污染物的稀釋反應方面。泰姆河活性磷含量過程是，隨著夏季徑流的減少，該河的活性磷（SAP）呈增加的趨勢，但是更大的增加趨勢將發生于冬季，這似乎與直覺有些矛盾，但這卻反映了一個事實，即增加的冬季徑流會從城市地區攜帶來更多的富含營養物質，例如城市暴雨徑流等，或者是更多的來自農業地區的地表徑流。

4.3 勒格河（Lugg）模擬結果

圖4表明勒格河上游磷含量的模擬結果與蘭伯恩河很相似，即冬季呈現出含量減少的趨勢，而夏季卻呈現出增加的趨勢，反映了變化的水流條件，即夏季減少的徑流降低了流水的稀釋能力。

4.4 特威德河(Tweed)結果

冬季月份的氮含量稍微有點偏高，可能是由于冬季較大的徑流對上游泥碳地的沖涮，造成徑流中含氮量的增加。然而，夏季月份的含氮量卻明顯地減少，這很可能是溫度上升引起的活動，即減小的流速增加了水流停滯的時間，這樣會增強水流的脫氮作用，水流的脫氮作用對溫度和水的滯留時間依賴較強，在較溫暖的環境和較緩慢水流的條件下，通過脫氮作用會造成很多氮的流失，這會使徑流中的含氮量減少。當然，脫氮作用造成的徑流中氮含量的減少的同時，會釋放出氧化氮氣體，是一些具有明顯溫室效應的氣體。INCA模型能夠計算在這種情形下所生成的氧化氮氣體的數量，當然，這首先需要知道由于脫氮作用造成氮流失占總的氮流失的比例。

有趣的是，特威德河下游的氮含量情況卻與上游相反，這里夏季月份，徑流中氮含量呈現出明顯的上升趨勢，這很有可能是由于下游的農業徑流造成的，上游的澤地和草地被下游的農業耕地所取代，而且還有些污水處理廠帶來的明顯徑流。這樣，下游的夏季徑流減少了對點源性污染和非點源性污染的稀釋能力，所以氮的含量就會增加。另外，模擬還表明，到2050前，脫氮作用的影響將會超過氮稀釋能力下降。已經被人們接受的一個事實是，大型的低地勢的河流，例如泰晤士河等，在夏季可能會由于脫氮作用而失去70%的氮，這種情形在特威德河將會于2050年以后發生。

4.5 他瑪河（Tamar）模擬結果

他瑪河上游的模擬結果與特威德河的模擬結果相似，而下游由于受污水處理廠和來自農業用地面源性污水的影響，使水質呈現出不同的性狀，使其有明顯的季節性變化，冬季月份徑流中的氮含量有稍微的增加，與特威德河的上游類似。但是夏季的氮含量明顯降低，這可能與上游的脫氮作用有關。下游的情況正好相反，夏季含氮量有明顯的增加，反映出氮稀釋能力的降低。

4.6 蘭伯恩河細沙模擬

對蘭伯恩河泥沙情況的模擬表現出春季和秋季兩個時期細泥沙輸送的增加。這些增加反映了河流徑流的改變和暴雨條件變化，即早春和夏末發生的暴雨事件增多。泥沙的釋放是需要有先決條件的，即需要泥沙的堆積和徑流流速的改變，在夏末，蘭伯恩河泥沙已經充分堆積在地表，秋季增加的徑流攜帶這些泥沙進入河流。

4.7 蘭伯恩河和肯尼特河長系列模擬結果

在早期對于肯尼特河研究中曾經使用過INCA-P模型，使用順序統計模型模擬在中高溫室氣體排放情況下模擬該河的長歷時過程。輸入以日為單位的1961～2100年的數據，結果表現出有些時段土壤含水量嚴重不足，這表明，未來夏季干旱條件將增加。土壤含水量的條件改變是十分重要的，因為它將影響一些土壤過程，例如磷的吸附和釋放、氮的礦化、硝化和脫氮作用等。這些模擬結果都是以日為單位的序列來表示的，例如流量、含磷量、泥沙、大型植物、附生植物等，時間跨度為1961～2100年。干旱的條件使河流的徑流明顯減少，并且造成磷的含量的增加，因為減少的河流徑流降低了蘭伯恩河流的稀釋能力。由于徑流條件和河流營養含量的改變，使河流地區的大型植被和附生植被呈現出明顯的季節性。

5．結論

本研究用順序過程產生當地的天氣形式，并且使用這些結果驅動流域統一模型（INCA）中的水質模型，這一系列的模型被用來評估氣候變化對英國六大河流水質的潛在影響，包括他瑪河（Tamar）、泰姆河(Tame)、勒格河(Lugg)、肯尼特河(Kennet)、特威德河(Tweed)和蘭伯恩河(Lambourn)。這些河流代表著英國不同地區的地理位置和地形，但是這些河流在受農業活動影響，以及點源性污染影響方面有著明顯的不同，這些模型產生的結果包括徑流系列、溶解磷（活性磷）、溶解氮、溶解氨、泥沙以及生態要素（大型植物和附生植物），這些模型在四種溫室氣體排放條件下模擬2010年代、2020年代和2050年代的情形。

另外，從目前到2100年的情形也進行了預測性模擬，以探討些未來的氣候變化趨勢。其結果雖然是復雜的，但是仍然得到了一致性的結論，可以在一定程度上確定未來氣候變化對水質的影響。在地勢低洼的南方蘭伯恩河，冬季月份徑流中的活性磷的含量呈現出減少的趨勢，而在夏秋月份卻呈現出增加的趨勢，主要由于低流量和由此造成稀釋能力的減小。蘭伯恩河流的含沙量全年呈現出增加的趨勢，但在干旱的夏季之后的秋季含沙量會尤其地高。其主要的作用機理是由于干旱夏季有足夠的時間進行泥沙的堆積，而秋節增加的徑流會攜帶堆積的泥沙進入河流。英國中部已經城市化的河流泰姆河在夏季季徑流活性磷的含量呈現出類似的增加趨勢，但在冬季這種增加的趨勢會更高，主要由于城市徑流的擴散影響。在西部和農村地區的勒格河，徑流中活性磷預測為冬季減少，而夏季卻會增加。特威德北部河流的氮含量在冬季會增加，主要由于上游有機氮的溶解，夏季徑流中的含氮量會減少，原因是干旱和河流中脫氮作用的增加。然而，特威德河的下游卻顯示出冬季徑流含氮量增加，而夏季徑流中含氮量增加的更多。這個改變主要是由于農業用地改變和點源性污染的影響。西南部的他瑪河徑流含氮量與特威德河類似，上游冬季含量高而夏季含量少，在河流的下游，冬季和夏季氮的含量都會增加，在所有的河流中，水質改變的速率會隨著時間增長和溫室氣體排放量增加而增加。

大型植物和附生植物在河流中呈現出動態變化，根據模擬，增加的干旱會造成一系列的問題，會增加徑流中營養物質的含量，由此促成附生植物的生成，但卻是以妨礙大型植被生長為代價的。水質變化的影響是多方面的，取決于具體的地理位置和地形，以及水體在流域中的位置。