构建加拿大国家水质模型(Nat-WQE)的挑战与机遇：跨学科整合与政策支持框架

本文系统阐述了加拿大环境与气候变化部(ECCC)主导的国家水质建模框架(NWQMF)建设愿景，提出基于物理机制的国家水质模型(Nat-WQE)将通过整合大气科学、水文学与生物地球化学等多学科体系，构建标准化、模块化的预测系统。该框架突出五大支柱：模型耦合(Integration)、流程标准化(Standardization)、模块化设计(Modularity)、利益相关方参与(Engagement)和政策支持(Policy Support)，旨在实现从日际到年代际的水质预测，为应对气候变化和人为污染提供决策支持。

　　

Abstract

淡水水质安全正面临人类活动污染物、营养负荷及气候变化的严峻挑战。加拿大虽拥有丰富淡水资源，却缺乏全国性水质预测系统。环境与气候变化部(ECCC)提出国家水质建模框架(NWQMF)，其核心国家水质模型(Nat-WQE)将基于现有环境建模系统，构建从日际到年代际的多尺度预测能力，为制定污水排放标准、水源预警等提供科学依据。

Introduction

加拿大正经历由气候变化引发的西部干旱、基础设施老化、洪水频发等问题，而工业污染、农业径流等导致的水质恶化加剧了水安全危机。联邦与省级政府虽已建立水文预报系统，但全国性水质模型仍属空白。NWQMF将通过2024年国际研讨会确定的三大实施路径：明确框架愿景、借鉴国际经验、制定协作计划。

Vision and outcomes

NWQMF框架包含五大创新维度：

1. 跨学科整合：耦合大气模式(如Earth System Model)与水文预报系统(NSRPS)

2. 标准化流程：采用Basic Model Interface等接口标准，确保模型透明度

3. 模块化架构：支持从简单经验模型到复杂生物地球化学模型(HYPE、SWAT等)的灵活切换

4. 协同参与：通过原住民社区、省级机构等利益相关方确定优先参数(如溶解氧、叶绿素-a)

5. 政策转化：开发应急响应模块，支持石油泄漏等突发事件的污染物扩散预测

模型将实现三大功能：历史情景重建、中短期藻华预警(基于EO-LakeWatch卫星数据)、以及气候变暖对湖泊缺氧的长期预测。在麦肯锡河流域的试点显示，水温模拟需改进河冰过程参数化。

Modelling philosophy and structure

现有水质模型在寒区水文过程(如冻土融化DOC释放)模拟存在明显滞后。Nat-WQE采用"模型无关"哲学：

• 流域模块：整合MESH地表模型与CLASSIC陆面方案

• 河流模块：从1D(小型河流)到3D(如大奴湖)的递进式建模

• 湖泊模块：结合PHREEQC地球化学模拟器

  通过OpenWQ耦合器实现动态质量交换，其反应网络支持从简单SCS曲线数到复杂矿物溶解/沉淀过程的模拟。

Implementation

优先在数据丰富的利亚德河开展DOC和水温建模，验证模型在永冻土退化区的适用性。关键挑战包括：

• 寒区特有过程：雪水文与冻土生物地球化学耦合

• 数据同化：整合省级实时监测网与Sentinel-2遥感数据(分辨率>100m)

• 不确定性量化：通过多模型集合(如CRHM-SUMMA-MizuRoute)评估结构误差

Summary and future

NWQMF将建立加拿大首个全国水质预测生态系统，其模块化设计便于国际推广。下一步将重点开发：

1. 寒区特异性模块：永冻土碳释放与金属迁移(如砷)

2. 数据同化系统：集合卡尔曼滤波优化非观测变量

3. 决策支持工具：基于CanESM5气候情景的水安全风险评估