气候变异性是影响浅水水库水质处理效果的重要因素

《Science of The Total Environment》：Climate variability is an important driver of water treatability in a shallow reservoir

分析加拿大草原Bufalo Pound水库33年水质数据，发现ENSO和PDO气候振荡显著影响臭味、浊度、溶解有机碳和总溶解固体，其中暖干期导致高值，冷湿期同样影响浊度和有机碳但降低总溶解固体。人类活动如水管理和营养物排放也有贡献，但效应小于气候因素。建议加强气候适应性管理和源水保护。

　　饮用水处理能力的评估对于保障水资源安全至关重要。在加拿大草原地区的浅层水库中，研究人员利用广义可加模型（GAMs）对33年的数据集进行了分析，以识别影响饮用水处理能力的年度变化因素。研究发现，这些处理能力指标在极端年份中表现出显著的年度变化。例如，臭味、浊度、溶解有机碳（DOC）和总溶解固体（TDS）的年度平均值分别达到长期平均值的2.9倍、2.4倍、1.5倍和1.7倍。GAMs表明，这些处理能力指标对两种气候变率模式——厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和太平洋十年涛动（PDO）表现出高度敏感性。具体而言，凉爽湿润的气候周期会增加浊度、臭味和DOC的水平，而温暖干燥的周期则会导致TDS、DOC、臭味和浊度的升高。气候变率对每项处理能力指标的影响相当于长期平均值的0.5到1.7倍。水文管理及营养物质也对处理能力有显著影响，其影响范围相当于长期平均值的0.10到1.1倍。这些发现表明，气候变率和人类活动共同导致了饮用水处理能力的显著波动。

在干旱地区，浅水系统可能代表了气候敏感性的极端例子，但极端气候条件预计将变得更加普遍，这可能对水处理系统构成重大威胁。本研究首次利用GAMs提供了长期证据，说明自然气候变率和水文管理对饮用水处理能力的影响，可能为源水质量的变化提供早期预警。在加拿大草原地区，许多湖泊和水库都是浅水且富营养，但往往为重要的饮用水源。例如，位于萨斯喀彻温省的布法罗湖（BPL）近年来经历了日益变化的水质，导致饮用水处理面临挑战，为此水处理厂已投入3.25亿加元用于升级处理基础设施。

研究团队与布法罗湖水处理厂（BPWTP）建立了长期的合作关系，获得了BPL的水质数据集，包括每周的测量，从而能够评估处理能力的年度变化及其驱动因素。处理能力通过四个指标来体现，这些指标由BPWTP与研究人员共同选定，因为它们对水处理过程以及全球范围内具有显著影响：DOC、浊度、臭味和TDS。研究假设大型气候振荡（ENSO和PDO）会影响每个处理能力指标（通过温度和水源的变化），而营养物质和水文管理则通过生物和水文机制产生显著影响。这些假设通过GAMs进行了验证。

研究发现，ENSO和PDO对处理能力指标有重要影响，特别是在年度变化中。例如，ENSO的暖干相位（厄尔尼诺）和PDO的正相位（暖）往往会导致处理能力指标的升高，而ENSO的冷湿相位（拉尼娜）和PDO的负相位（冷）则在某些指标上产生相反的影响，如TDS的降低。这些气候变率的相互作用对处理能力的影响非常显著，说明气候变率在很大程度上决定了源水质量的波动。同时，水文管理也对处理能力有显著影响，特别是在处理DOC和浊度方面，流速的变化会直接影响这些指标的水平。

在人类活动方面，研究发现溶解性反应磷（SRP）、溶解性无机氮（DIN）和来自中营养供给水库（Lake Diefenbaker）的流量是处理能力指标的重要预测因子。SRP和DIN对臭味和DOC有显著影响，而Lake Diefenbaker的流量对TDS和浊度有重要影响。SRP与臭味和DOC之间存在正相关关系，而DIN与臭味之间存在负相关关系，这可能与营养物质对藻类生长的影响有关。在布法罗湖，叶绿素a浓度是藻类生物量的指标，与臭味产生密切相关。

此外，研究还发现，气候变率和水文管理之间的相互作用对处理能力有重要影响。例如，在温暖干燥的气候周期中，由于自然流量减少，来自供给水库的流量增加，这可能导致水体的稀释效应，从而降低TDS和DOC的浓度。然而，在某些时期，如2001-2005年的强烈厄尔尼诺事件期间，尽管自然流量减少，但SRP浓度上升，臭味达到峰值，这可能与内部磷负荷的增加有关。这种内部负荷的增加可能与温暖、风平浪静的条件有关，这些条件有利于蓝藻的生长和代谢产物的产生。

研究还发现，处理能力指标在不同气候周期中的变化具有显著的季节性和年度性特征。例如，DOC和TDS在温暖干燥的周期中升高，而在凉爽湿润的周期中，TDS下降。臭味和浊度则在夏季达到峰值，表明夏季是水处理面临的最大挑战。这种季节性的变化可能与藻类生长和沉积物再悬浮等过程有关，这些过程在温暖干燥的条件下更为活跃。

在应对气候变化带来的挑战时，水处理系统需要采取更加灵活和适应性的措施。例如，使用粉末活性炭去除异味，紫外线消毒以减少消毒副产物的形成，以及增加过滤介质以降低浊度。同时，水文管理措施，如从供给水库调节流量，可能在某些情况下有效，但受到多种竞争性需求的限制，如灌溉和水力发电。因此，需要在这些需求之间进行权衡，以确保水处理系统的有效性和可持续性。

此外，研究还强调了对源水质量的保护的重要性。通过实施基于地方的磷管理策略和湿地保护或恢复措施，可以改善水体质量。同时，适应性处理技术的进一步应用，如溶解空气浮选，可以帮助应对藻类生长带来的挑战。这些措施的实施不仅有助于应对当前的处理问题，还能够为未来的气候变化提供应对方案。

综上所述，本研究通过长期数据集的分析，揭示了气候变率和水文管理对饮用水处理能力的重要影响。这些发现为水资源管理者提供了重要的参考，帮助他们更好地理解和应对气候变化带来的挑战。在气候变化加剧的背景下，保护源水质量、优化水处理技术以及实施适应性管理措施，对于确保饮用水的可靠性和经济性至关重要。