Cold climate regions provide a multitude of ecosystem services. However, cold regions under a changing climate could be more vulnerable than others because their glaciers, freezing soils and peatlands are sensitive to the slightest of changes in climate. This has posed serious threats to the water resources, sustainable goods production and ecosystem services that depend on regional water quality. Therefore, proper watershed management is imperative. In this paper, we investigate this issue in a cold climate watershed in central Alberta, Canada with the main objective of quantifying the impacts of climate change on water quality status. We modified specific water quality related processes of a process-based model – Soil and Water Assessment Tool (SWAT) with a view of better representing the reality of cold climate regions. A SWAT model is then built-up, followed up by a multi-site and multi-objective (streamflow, sediment and water quality) calibration, validation and uncertainty analysis in a baseline period (1983 - 2013). The calibrated and validated model is then fed with a high spatial resolution (25 km) daily future climate data – the CanRCM4. Improvements on stream water temperature (Ts) and dissolved oxygen (DO) simulations justified the modifications. This model is able to simulate the dynamics of other water quality variables (carbonaceous biochemical oxygen demand – cBOD, total nitrogen – TN and phosphorus – TP) with a wide range of accuracy (very good to satisfactory) in the base period. Agriculture areas account for the highest amount of annual TN (11.16 kgN/ha) and TP (2.88 kgP/ha) yield rate in the base period leading to poor water quality status in the immediate downstream reaches. The situation would be further exacerbated (16.52 kgN/ha and 4.89 kgP/ha) in future. Finally, we tested different alternative management options to compare the water quality status of the Athabasca River Basin (ARB) under a changing climate. Significant reduction in future nutrient concentrations (~ 20% on TN and 60% on TP) can be achieved using a certain combination of management practices and the ecological status of the basin can be improved. This demonstrates that the modified SWAT model can be applied to other cold climate regions, and that the results can be translated to help in managing the ARB in a more holistic way.

中文翻译：

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气候变化下寒冷气候区流域的水质管理

寒冷气候地区提供多种生态系统服务。然而，气候变化下的寒冷地区可能比其他地区更脆弱，因为它们的冰川、冻结土壤和泥炭地对气候的最轻微变化都很敏感。这对依赖区域水质的水资源、可持续产品生产和生态系统服务构成了严重威胁。因此，适当的流域管理势在必行。在本文中，我们在加拿大艾伯塔省中部的一个寒冷气候流域调查了这个问题，主要目的是量化气候变化对水质状况的影响。我们修改了基于过程的模型——土壤和水评估工具 (SWAT) 的特定水质相关过程，以期更好地代表寒冷气候地区的现实。然后建立 SWAT 模型，然后在基线期（1983 年 - 2013 年）进行多地点和多目标（河流流量、沉积物和水质）校准、验证和不确定性分析。然后向校准和验证的模型提供高空间分辨率（25 公里）的未来每日气候数据 – CanRCM4。溪流水温 (Ts) 和溶解氧 (DO) 模拟的改进证明了修改的合理性。该模型能够模拟基准期内其他水质变量（碳质生化需氧量 – cBOD、总氮 – TN 和磷 – TP）的动态变化，精度范围很广（非常好到令人满意）。农业区的年总氮（11.16 kgN/ha）和总磷（2. 88 kgP/ha) 的基期产量导致紧邻下游河段水质状况不佳。未来情况将进一步恶化（16.52 kgN/ha 和 4.89 kgP/ha）。最后，我们测试了不同的替代管理方案，以比较气候变化下阿萨巴斯卡河流域 (ARB) 的水质状况。未来养分浓度的显着降低（TN 约 20% 和 TP 约 60%）可以通过管理实践的某种组合实现，流域的生态状况可以得到改善。这表明修改后的 SWAT 模型可以应用于其他寒冷气候地区，并且可以将结果转化为帮助以更全面的方式管理 ARB。89 kgP/ha）。最后，我们测试了不同的替代管理方案，以比较气候变化下阿萨巴斯卡河流域 (ARB) 的水质状况。未来养分浓度的显着降低（TN 约 20% 和 TP 约 60%）可以通过管理实践的某种组合实现，流域的生态状况可以得到改善。这表明修改后的 SWAT 模型可以应用于其他寒冷气候地区，并且可以将结果转化为帮助以更全面的方式管理 ARB。89 kgP/ha）。最后，我们测试了不同的替代管理方案，以比较气候变化下阿萨巴斯卡河流域 (ARB) 的水质状况。未来养分浓度的显着降低（TN 约 20% 和 TP 约 60%）可以通过管理实践的某种组合实现，流域的生态状况可以得到改善。这表明修改后的 SWAT 模型可以应用于其他寒冷气候地区，并且可以将结果转化为帮助以更全面的方式管理 ARB。未来养分浓度的显着降低（TN 约 20% 和 TP 约 60%）可以通过管理实践的某种组合实现，流域的生态状况可以得到改善。这表明修改后的 SWAT 模型可以应用于其他寒冷气候地区，并且可以将结果转化为帮助以更全面的方式管理 ARB。未来养分浓度的显着降低（TN 约 20% 和 TP 约 60%）可以通过管理实践的某种组合实现，流域的生态状况可以得到改善。这表明修改后的 SWAT 模型可以应用于其他寒冷气候地区，并且可以将结果转化为帮助以更全面的方式管理 ARB。