气候不确定未来下北极社区淡水供给脆弱性研究：以加拿大努纳武特地区科勒尔港为例

本综述深入探讨了气候变化对北极单一水源社区淡水供给系统的潜在威胁，以加拿大努纳武特科勒尔港为案例，通过水质分析、水文监测与水资源建模（CCY模型），指出当前水库容量在典型20年规划期内无法满足需求，极端气候事件可能加剧供水危机。研究强调将气候评估纳入北极基础设施规划（如LCD需求预测、uS/cm水质指标）的紧迫性，为寒区水资源管理提供科学依据。

　　

引言

北极地区市政淡水供给服务需要基础设施投资、应急准备和环境保护的协同配合。快速多变的气候变化正日益挑战相关从业者和政策制定者。北极放大效应导致的增温持续加剧，海冰流失和地表反照率降低被认为是主要原因。气候变化的后果在生态系统中层层传递，给北方居民带来前所未有的脆弱性。对北极社区而言，日益多变的气候已阻碍生计狩猎捕鱼、出行、健康、食品安全和水安全。因纽特人认为气候变化是对其人权的根本侵犯。

北极地表水资源高度受大气强迫、下伏永冻土、水文连通性和反照率的影响。北极海冰减少已被卫星观测到，积雪减少在整个环北极地区都被观察到。当融雪贡献量低时，浅水湖泊具有前所未有的脆弱性；晚存雪坝的消失是地表水负平衡的主要机制。然而气候模型普遍预测北极降水量将增加，耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的输出表明，变暖加上海冰流失将导致比先前预测高得多的降水量。但预计地表湿度变化的不确定性可能取决于区域气候因素，特别是对于加拿大东部北极地区。基于气候模型指出的北极变暖变湿趋势与记录的夏季干旱月份湖泊蒸发压力之间的矛盾信息，使北极社区饮用水供给的政策和规划变得复杂。

对水资源管理者而言，在水供给紧急情况发生之前进行风险识别和缓解对人类健康福祉至关重要。同时，向加拿大北极家庭供应淡水对工程师、操作人员和政府来说可能是日常挑战。基础设施有限、缺乏长期规划、人力能力挑战和资金不足等问题长期困扰北部市政向居民提供淡水服务。虽然《加拿大宪法法案》第36条要求"向所有加拿大人提供合理质量的基本公共服务"，但向偏远北部原住民社区供应淡水并不总是联邦政府的优先事项。与维护、清洁和处理相关的现有饮用水挑战导致对市政水源的普遍不信任。近期归因于气候变化的严重缺水事件放大了淡水资源政策制定和规划的需求，特别是对于通常依赖单一淡水源的偏远北极社区。

本研究考察了加拿大北极努纳武特地区科勒尔港淡水供给的韧性。先前研究表明，由于与水源相关的文化观念差异、市政供水周期性短缺以及一系列社会经济因素，科勒尔港家庭使用市政自来水的情况各不相同。水在从水源到水龙头的卡车-水箱系统传输过程中，污染物（包括大肠菌群和比电导）可能偶尔变化，但通常都在可接受限度内。科勒尔港的案例高度适用于其他北极社区，因为它突出了与淡水供给、基础设施、源水质量和文化偏好相关的决策和规划挑战。

方法

科勒尔港是一个大型研究项目涉及的三个社区（包括伊格卢利克和萨尼拉贾克）之一，该项目考察了努纳武特北部人民的水安全。努纳武特是加拿大北极最大最北的领土，是因纽特努南加特——因纽特人家园的中心。与当地社区研究人员合作，我们对每个社区进行了参与访问，包括向哈姆雷特理事会和公众进行演示，以及与关键利益相关者（包括市政和其他政府官员、水系统操作人员以及住房和健康中心经理）会面。通过我们在科勒尔港的参与，我们确定了与当地水质以及在日益多变的气候下源-水库分配系统可持续性相关的各种关切。基于社区优先事项，我们开发了一个协作的、社区参与的方法，包括对气候、水文和用水信息的评估；还包括一项家庭调查。所有发现都通过向社区和区域联系人分发书面摘要以及在每个社区进行公开当面演示来验证。

研究区域

科勒尔港位于努纳武特哈德逊湾的南安普顿岛上。基于1981-2010年气候常态值，其经历的年平均气温为-11°C，最冷月（二月）平均气温为-29.7°C，最暖月（七月）为10°C。年平均降水量（1981-2010）为304毫米，其中54%为降雪。无冰期通常始于6月中下旬，冰期通常与9月末或10月初的降雪同时开始。科勒尔港的强降雨事件罕见，平均每年只有约10天降雨量超过5毫米，仅0.41天超过25毫米。

科勒尔港2020年人口为973人，预计到2036年将增长至1429人。社区从双室水库取水，由波斯特河补给，该河位于社区西北约2公里处。波斯特河的流量没有定期监测，尽管加拿大水调查局在1983至1991年间期间监测了附近的基尔霍弗河（向西22公里）。波斯特河流域大部分为裸露基岩。该地区下古生界石灰岩已被考虑用于工业目的，但纯度普遍较低。哈德逊湾该区域具有半日潮中等潮汐制度，典型潮差约为2.5米。

科勒尔港通过卡车-水箱系统向家庭供水（即水被输送到每个家庭的存储单元）。与市政自来水输送和处理相关的挑战已被描述，另外对市政供应中微生物和化学特性的关切也有详细说明。一份供水基础设施审查表明，水库规模可以维持社区到2025年，基于历史（但非未来预测）消耗，潜在缓解措施可将寿命延长至2031年。

水质样本和水文评估数据记录

从水体中收集水样，用于化学（15个站点）和微生物分析（11个站点），并冷藏直至分析。微生物分析样品在样品分析前不到48小时收集。样品在达尔豪斯大学分析微生物参数（使用Idexx Colilert分析大肠杆菌和总大肠菌群）和化学参数（硬度、pH、比电导和氯化物）。硬度使用电感耦合等离子体质谱系统测量钙和镁浓度后计算。使用标准系统测量pH和比电导，氯化物使用离子色谱仪测量。

在2022年7月12日至8月26日期间，使用 conductivity, temperature, depth (CTD) 记录仪在波斯特河的三个位置监测水位、温度和比电导：泵房、桥梁和河口。CTD记录仪编程每15分钟收集一次数据，水位根据附近压力传感器记录的气压变化进行校正。

淡水供给评估数据来源

我们从科勒尔港气象站获取每日气候数据，包括日总降水量（降雨和降雪）、日气温（平均、最低和最高）和小时风速。可用降水数据需要偏差校正以解决使用小时风速的测量偏差问题。

使用卫星影像、实地测量和与已发布报告比较的组合估算每个水库单元的表面积和体积。每个水库单元的深度偏差被注意到，可能是由于自水库上次测量以来随时间的沉积。我们使用努纳武特统计局开发的人口预测和努纳武特水委员会报告的总取水量数据，将供应源的需求计算为人口的函数。

水库供应建模

我们使用水文模拟评估科勒尔港水库两个单元的组合，以预测气候和需求对每日可用水量的影响。两个单元的水量被视为单一供应，每日估算以评估不同气候情景下的淡水供应。努纳武特水委员会在其用水许可批准中一直报告水库容量超过54,000立方米，但我们的测量以及详细分析表明，由于维持了1米的干舷，水库只有49,500立方米的有效供水。因此，我们在分析中使用了49,500立方米的体积。由于科勒尔港水库是通过爆破下方基岩建造的，相邻流域具有不透水的连续永冻土，因此我们的模型中没有包括任何地下水流。

我们使用特征气候年（CCY）记录预测2023至2036年的水量，这是特定年份每个日历日观测到的每个气候参数的平均值。因此，生成了一个30年气候常态值以代表365天系列（省略了2月29日）。未来用水量基于努纳武特水委员会报告的数据结合努纳武特统计局的人口预测计算。我们假设CCY气候常态值的每一天都会有人均用水量，并使用线性插值计算每日人均消耗量。需求情景使用了基于历史用水量的"高"（+25%）和"低"（-20%；例如保护）之间的范围，此外还有基线使用（0%）。

我们将可用于市政供给的水定义为可获取的水量，被冰封存的水不被视为可获取。因此，我们基于方程计算冰厚度。使用乘数应用于向前移动的2023-2036期间每个日历日，计算水库容量。水库的输入包括降水和无冰期间的补充潜力。我们假设水库的补充将发生在无冰期间，市政当局将在每年冰期前将水库补充至最大程度。应该注意的是，取决于人力和物流限制，水库在冬季开始時可能没有完全满，这将减少我们未来冬末供应预测的时间。

我们检查了三种情景，这些情景结合了基于参数的每日气候和需求模拟。基于当前容量以及建议的基础设施改进评估基础设施脆弱性。生成了从2023年至2036年每年9月1日至12月31日的模拟，以预测社区的典型规划范围。

水质和水文状况评估

在与市政淡水供给相关的位置（来自波斯特河）采集的水质样本均未产生任何升高参数；所有样本都在《加拿大饮用水指南》提供的可接受范围内。大多数样本的硬度值在推荐范围内，以提供腐蚀和结垢之间的可接受平衡；城镇湖、上游和涵洞样本超过了100毫克/升的推荐硬度上限。正如预期，鉴于潮汐影响，靠近河口的采样点盐度和比电导较高；然而，在社区水泵房取水位置这些参数仍保持在饮用水指南范围内。我们还在2022年7月和8月从社区15个地点采集的样本中没有发现大肠杆菌证据。总大肠菌群浓度普遍较低，除了靠近当地垃圾场和城镇池塘的样本，这些不反映淡水供给的源水位置。

我们还考察了天气和海洋动力学（包括潮汐振荡）对波斯特河动态的重要性。我们没有发现潮汐波动或风暴潮在源水提取点影响波斯特河水位或比电导。从2022年7月12日至31日，我们发现波斯特河泵房处的河流水位由于这段时间缺乏降雨而下降。2022年8月1日至3日发生的11.4毫米降雨事件使泵房和桥梁处的水位增加了230毫米。水库取水口附近和桥梁处河流的比电导较低（低于200微西门子/厘米）。这表明在此期间，地表盐水入侵没有从附近的哈德逊湾发生到如此上游的位置。降雨事件后，河流比电导因稀释而下降。下游桥梁记录仪和靠近河口处的水位受潮汐影响，大潮期间振荡超过1米。此处的比电导也较高，高潮时达到49,350微西门子/厘米，平均为23,981微西门子/厘米。河口对降水事件没有表现出大的响应，鉴于靠近海洋，但比电导在降水事件后的低潮期间较低。

水库供应建模

我们模拟了水库向科勒尔港社区供应淡水的能力，使用随人口比例增加的取水率。可获取的液态水量总是在从波斯特河补给开始之前（冬末）最低。使用泵（操作速率1.5立方米/分钟）手动补给的时间在任何特定年份的6月至8月之间可能变化。我们对未来20年任何给定年份可用液态水量的基线评估发现，即使在平均条件下，第一个冬季季节结束时液态水体积总是低于水库总容量的25%。这突出了每年在冰期前将水库补充至最大容量的重要性，这可能随时间变化。

当预测"高"消耗情景（130升/人/天）和2036年预测人口下的淡水需求时，我们发现水库容量将在4月底耗尽，而即使"低"消耗情景（93升/人/天）也只能将淡水供应延长至6月底。由于冰预计在整个6月抑制从可用源水补充水库，水库极有可能耗尽供应。确实，即使在平均条件下，我们预测在预测人口增长和持续需求下，水库到2028年将不足以供应水。然而，我们注意到，如果通过保护方法将需求减少至90升/人/天，水库将有足够的水满足需求直至2036年。

由于已知气候在任何给定年份高度可变，我们还使用现有气象记录中的每日平均"高"和"低"值检查了系统对"极端"气候事件的韧性以识别异常条件。由于这些条件在过去发生过，它们属于未来条件的可能范围。我们没有基于当前或未来趋势模拟气候预测，而是将极端气候事件叠加到CCY模型上，其中异常气候事件基于社区可用气象记录使用。给定年份平均气温的低值（1972年为-13.9°C）和平均气温的高值（2010年为-6.8°C）用于预测现实的"异常"气候事件。低冬季温度产生最大水库冰并减少液态水可用性，因此，这些类型的极端事件从供水角度来看是重要的。平均降雨量的最低值（1951年为49毫米）和最高值（2012年为289毫米）都用于模拟输入潜力。该分析结合预测需求突出了水库的气候风险。使用这些气候参数，我们发现水库在所有消耗情景下将在典型10年规划范围内完全耗尽。气候变化将加剧这种耗尽，主要由于气温极端。这些将在低气温事件期间由于更长的冰期将可获取淡水阈值减少2-3周，并在极端高气温事件期间（主要由于夏末水库水蒸发增加）减少可获取淡水阈值1-2周，需要从波斯特河额外补充水库。在最极端情况下，淡水供应将在3月中旬而非5-6月耗尽，取决于消耗。我们认为在这些情景下水库无法补充，由于冰条件通常持续到6月初。

讨论

我们与科勒尔港社区的参与过程使我们能够获得关于家庭特征、用水、水获取和关切以及对不同水源偏好的视角，并分析气候和需求因素如何影响典型规划范围内的水获取。虽然传统的基础设施规划方法通常侧重于简单的供应和需求预测，但我们现在知道气候可能对依赖饮用水的水资源可用性产生显著影响。对家庭用水的关切在整个环北极地区很常见，并且存在与遗留基础设施、需求增长以及对市政水源质量、采购过程和输送系统信心不足相关的无数挑战。

我们的方法结合了可能阻碍获取淡水的合理未来气候条件预测，以及与社区直接互动以回应社区对使用、偏好和源水信心的关切。在科勒尔港案例中，我们具体解决了与波斯特河（社区水源）中风暴潮引起的盐水入侵潜在增加相关的水质关切。我们发现盐度和比电导在水库下游升高，但这由于正常的潮汐影响是预期的。潮汐影响和升高的比电导没有延伸到波斯特河取水位置。我们还检查了社区确定的其他水质优先事项，但在2022年7月和8月两次采样旅行中 near source water locations 没有发现任何关切原因。大多数样本中总大肠菌群细菌水平较低，任何样本中未检测到大肠杆菌。水化学特性对该地区典型，pH和化学特性在《加拿大饮用水指南》可接受范围内。虽然市政当局定期测试市政供应，但市政供应以外的水源未经过测试，居民无法获取测试信息或结果，这通常导致当地关切增加。考虑到居民对持续"从土地"（例如从河流、冰或雪）收集水的强烈偏好，这些结果提供了关于社区附近水体总体状态的积极指示，不包括城市雨水塘。

我们观察到社区附近波斯特河的最大流量发生在降水事件终止后2天内，并且水位在无雨期间预期下降，突出了近期天气条件对河流水位的影响。对降水和干旱响应迅速的河流在北极很常见，即使是在较大的流域中，因为北部流域通常地下水影响有限，因此也容易在干旱期间干涸。然而，由于永冻土融化，地下水的影响在 warmer climate 中可能增加。由于波斯特河是科勒尔港水库当前唯一供应源，并且降水量已知并预期在加拿大东部北极变得更加多变，这可能潜在地抑制当地水管理者以必要速率补充水库的能力。如果夏季干旱发生在汛期之后，波斯特河的水位可能变得过低而无法标准补充；然而，没有更长的连续流量记录和水文模型来考虑未来干旱，这是推测性的。在波斯特河建立水位-流量关系并启动连续水位监测将提供连续流量数据，这对水管理比水位时间序列更相关。

我们对水库在典型规划范围内供水能力的预测呈现了一系列合理的未来气候条件，这些条件然后与水文学模拟结合以确定预测需求。我们的模拟基于使用当前气象数据进行的预测，这些数据包含了每日"高"和"低"的变异性。我们的数据驱动结果可以使用提供典型规划范围内现实评估的当地气候服务，帮助市政规划和气候变化适应淡水资源。在平均气候和需求情景下，我们预测冬末缺水可能最早在2028年发生，比先前仅考虑供应和需求时的预测早5年。如果配对的30年降水低值和30年气温低值发生，冬末短缺将更严重，尽管这种组合极端事件的回归期可能远大于30年。对科勒尔港气候数据的统计分析发现从1950年到2015年降水和蒸发散均有显著增加，这在淡水供给相关脆弱性方面相互抵消。然而，重要的是要注意降水可能增加但仍不可用于补充供水。同样，较早的雪消融可能伴随较早的积雪，突出了可能影响未来水平衡的雪冰关系变异性。当地水源对补给期间减少降水、有限流域径流和产水需求低比率的组合高度敏感。我们的结果表明，基于现有水库容量，社区在维持足够可获取市政供水方面面临高风险，特别是在补给潜力有限的冬末季节。

许多研究已承认气候变化对北极 adequate quantities of water 供给的明显挑战。这种趋势反映了基础设施和人力资源能力挑战，这些挑战更加可见和普遍， compared to 普通居民更难以识别的气候影响。现实是，包括水库和水处理厂以及像水车这样的车辆在内的基础设施在许多偏远北极社区正在老化且能力不足无法响应增长的需求。同样，人力能力极其有限，在地方和区域层面都是如此，这影响了系统可行性，尽管意图良好。我们的结果突出了 advanced adaptation planning 对于水系统和过程的重要性，不仅对科勒尔港，而且对该地区其他偏远社区。

结论

市政淡水供应基础设施规划通常侧重于短期、基于需求的预测，有限分析长期气候变化将如何影响系统能力。对北极社区而言，将气候变化预测纳入长期水评估的需求正在增长。通过详细参与过程，我们确定了几个社区对淡水供给的关切，这也确定了社区对非市政源水水质的关切。虽然我们发现 little evidence 支持对社区可用淡水资源质量的任何关切，这一结果受到科勒尔港居民的积极接受，但我们的分析突出了波斯特河中汛后源水量的潜在关切，并建议需要进一步研究。此外，我们的供水建模表明，当前淡水供给基础设施不足以在未来十年向社区供水， given 预测人口增长、当前使用和需求、自然气候变异性和长期气候变化。确实，我们发现即使在当前气候条件下，除非部署保护措施，供水可能在其当前10年规划范围内耗尽冬末供应。当预测未来需求时，我们发现气候变异性可能将社区可用供水减少数周，需要比当前进行的更早且可能重复地补充其水库。此外，如果供应在冰消条件之前完全耗尽，可能无法在可用冬末供水完全耗尽前补充水库。因此，我们强调需要改进科勒尔港当地基础设施以确保在气候多变未来中持续淡水供给，并说明将气候变化作为北极淡水资源评估重要因素在典型规划范围内的必要性。

致谢

没有努纳武特科勒尔港社区的参与，本项目不可能完成。本研究伦理批准由渥太华大学、达尔豪斯大学和努纳武特研究所授予。我们感谢审稿人和编辑在出版过程中的建设性反馈。