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PhosFate流域侵蚀与营养盐动态测评系统

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1引言

密集农业活动和管理不善的土壤耕作造成的土壤侵蚀和面源污染营养盐负荷导致水生生境和沿岸植被退化(鱼类产卵区域、底部动物)qy千赢体育,水库库容迅速丧失及其使用寿命的缩短qy千赢体育qy千赢体育,养分微粒和有毒物质的输移导致水体富营养化、中毒和浑浊。
流域管理急需流域尺度的近似估算法和模型模拟qy千赢体育,并且qy千赢体育,能采用实时调查的土壤侵蚀及库区淤积污染数据与模型计算结果比照qy千赢体育qy千赢体育,从而确定模型能够用于无测站流域面源污染的测评qy千赢体育,并动态模拟关键污染源采用调控措施后,污染变化情况qy千赢体育qy千赢体育。

2 系统的应用

PhosFate流域侵蚀与营养盐动态测评系统通过确定总负荷中点源/非点源比率qy千赢体育qy千赢体育,采用模型计算与实地面源污染调查比照,识别流域内面源污染贡献最大的关键点来协助制定流域管理战略qy千赢体育。
可用于大尺度有测站或无测站流域的管理qy千赢体育,评估气候变化,流域最优管理的设计qy千赢体育,面源污染调控qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育、污染排放控制、湿地养分监测等领域qy千赢体育qy千赢体育。

3 系统组成

PhosFate模型(Kovacs et al. 2008)是一种用来模拟流域和河网内水文qy千赢体育、土壤流失、点源、面源污染P排放及其输移的GIS工具。通过流域尺度的模拟计算qy千赢体育qy千赢体育,减少侵蚀和面源污染营养盐排放qy千赢体育。模型融合了单个经验模型和边界清晰的物理集水区模型的优势qy千赢体育qy千赢体育,它由已有的独立的方法构建而来qy千赢体育qy千赢体育,这些独立的方法通过适当的修正qy千赢体育、延展qy千赢体育,最后被整合到一个通用的模型框架中qy千赢体育。
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关于空间变异性qy千赢体育,PhosFate完全忽略河水流动qy千赢体育、水质成份,模型所有的输入与结果都是“长期平均值”。
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PhosFate模型主要分为两部分:侵蚀/排放和输移子模型qy千赢体育qy千赢体育。
模型的输入数据如下(针对水文和侵蚀模拟):
n?数字地图( 海拔、土地利用类型qy千赢体育、物理表土质量、腐殖质含量)
n?气象资料(时间尺度内的平均降水、与不同降雨强度相关的降雨分布qy千赢体育qy千赢体育、平均潜在蒸散量qy千赢体育qy千赢体育、温度和风速)
n?点源信息(水库的位置和运作容积)

? 水文图 流量 排放量 迁移 优化管理
海拔
土壤类型 ?
土地利用类型 ?
坡度 ?
边坡类别 ?
夏季降雨量 ?
冬季降雨量 ?
R-USLE ? ?
腐殖质含量 ? ?
腐殖质类型 ? ?
土壤固态P含量 ? ?
土壤水溶性P含量 ? ?
市内土地利用类型 ? ?
城市路面 ? ?
夏季彭曼系数 ? ?
冬季彭曼系数 ? ?
夏季风 ? ?
冬季风 ? ?
子流域ID ? ? ? ?
干预措施土地利用类型 ? ? ? ?
干预措施预算 ? ? ? ?
注:●需要qy千赢体育;○可裶y千赢体育y千赢体育qy千赢体育qy千赢体育;USLE:通用土壤流失方程
流域水文采用WetSpass长期水文学模型(Batelaan and Woldeamlak, 2004)运算qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。
地表径流计算基于土壤类型qy千赢体育、土地利用类型qy千赢体育、取决于坡面的潜在径流系数以及与土壤入渗能力有关的分配系数。参考蒸散量用成熟的Penman-Monteith方程计算,实际蒸散量采用恒定不变的水分相关系数修订参考蒸散量得到qy千赢体育。入渗和地下水补充是该水分平衡方程的剩余条件qy千赢体育,分别描述土壤表面和表土层情况。
土壤流失采用通用土壤流失方程(USLE,Novotny, 2003)计算qy千赢体育。
输移子模型加入了单独的单元来提供相邻单元的交互作用qy千赢体育,并计算流域内本地泥沙输移通量qy千赢体育qy千赢体育。模型单独计算水qy千赢体育qy千赢体育、沉积物qy千赢体育、地表面源溶解态磷(DP)和颗粒态磷(PP)排放,地下排放和点源排放qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。计算的结果是流域内任意点的排放总量、泥沙qy千赢体育、DP和PP负荷值qy千赢体育,这些值的组分(地表qy千赢体育qy千赢体育、地下、点源)以及流域内泥沙与P的滞留模式。
污染调查系统即可便携式测量各点的营养盐参数 如 硝酸盐qy千赢体育qy千赢体育、亚硝酸盐、氨氮qy千赢体育、磷酸盐qy千赢体育,也可固定在观测点长期qy千赢体育qy千赢体育、动态观测营养盐或水体物理和化学参数。
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4qy千赢体育qy千赢体育、系统技术指标

计算面积: 10000平方公里-50000平方公里
基本单元面积:100m x 100m
单元计算参数:植被截流、地表径流qy千赢体育qy千赢体育、地表渗透、实际蒸散qy千赢体育qy千赢体育、地下水补给
输出结果:?BMPsqy千赢体育qy千赢体育,河床和库底的滞留量,营养盐负荷
运算法则:
??1qy千赢体育、对每个单元可达增益进行估算
??2qy千赢体育、以最大可达增益为指导,对单元实施干预(转变土地利用方式)
??3qy千赢体育qy千赢体育、在受影响的区域实施模型运算(被干预单元的上/下游相邻单元)
??4、如果预算用完qy千赢体育,进行第5步qy千赢体育qy千赢体育,否则从第1步开始重复qy千赢体育qy千赢体育。
??5、结束
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5、应用案例
5.1流域管理评估

PhosFate模型工具允许编制流域最佳管理措施(BMPs)qy千赢体育,并可模拟对泥沙和营养盐负荷可能的影响qy千赢体育qy千赢体育。多种BMP可选方案及方案间的组合能有效降低土壤流失(Campbell et al., 2004)qy千赢体育。模型尤其关注农村土地利用管理,包括土地利用方式转变qy千赢体育qy千赢体育,耕作方法改变qy千赢体育qy千赢体育,缓冲区和湿地建立等qy千赢体育,如通过减少径流和土壤流失为手段的源控制干预措施,减少 耕作方式的改变(例如耕地的方向,?;ば愿豵y千赢体育,等高条植qy千赢体育,耕后覆盖qy千赢体育qy千赢体育,梯田耕作等)对土壤流失值也有影响。
根据计划好的干预措施qy千赢体育,更改土地利用图并运行排放和运移模型后,改良后的水文和负荷降低功效能被模拟出来。
模型还可跟踪河网内的点源排放情况qy千赢体育。模型可计算河床和库底的滞留量qy千赢体育,因此可以模拟距下游目标(河段或静水)有较远距离的点源的影响qy千赢体育。

5.2 评估气候变化情形
因为一些输入数据是气候变量,PhosFate可以被用来开展气候变化影响评价qy千赢体育。因为输出的是长时期平均值qy千赢体育,模型可以方便地根据预期气候变化修改输入数据qy千赢体育,不需对每日或更密时间频率作缩小尺度规模的预报qy千赢体育。气候情形可以与预期土地利用发展相关联qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育,创造一个综合的框架,为流域管理预报未来的变化或挑战qy千赢体育。

5.3最优管理技术的设计
为了达到最优管理(低成本高效地降低土壤流失),不是所有的侵蚀源区域都必须被干预措施涉及,因为不是所有的源区域对泥沙和营养盐负荷都有有效的贡献率。最优策略受两个目标功能支配(现有固定成本下的负荷降低功率和固定污染限度下的成本效益)qy千赢体育。
最优化过程的目标功能是以最有效的干涉方法(涵盖尽量少的单元)减少输移进入河网的SS总量qy千赢体育qy千赢体育y千赢体育qy千赢体育;蛘遯y千赢体育,反过来讲qy千赢体育qy千赢体育,怎样在指定数量的单元内以干预措施实现负荷下降的最大效益?
那些成功将最大总量的侵蚀物送入河网的单元可以被当作理想的源控制目标(本地侵蚀的减少)qy千赢体育。然而qy千赢体育,其它仅具有有限侵蚀率的单元qy千赢体育qy千赢体育,也能输移从其直接邻近区域过来的具有相当总量的SSqy千赢体育。这些是最佳的输移控制地点qy千赢体育,即用来建立滞留区域(多数沿着水流方向)qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。按照这两个特性排列单元为最优干预计算构建基础qy千赢体育。
这两种干预类型(源控制和输移控制)在计算过程中必须相互协调qy千赢体育。如果一个高度侵蚀的单元被干预qy千赢体育,其下游相邻单元的相对重要性也就减少。同样,通过安置缓冲区qy千赢体育,上游相邻单元的有效贡献也会降低qy千赢体育。因此qy千赢体育,在每个特定单元实施干预活动后,单元的重要性排序必须被更新qy千赢体育。

5.4匈牙利大尺度qy千赢体育、有测站流域
PhosFate系统在匈牙利全境的小流域内qy千赢体育,为不同管理计划的水质评估模拟水平衡qy千赢体育、土壤侵蚀qy千赢体育、磷排放及负荷qy千赢体育。4个试点流域被选择出来用于校准和详细分析qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育,这是为在其它无测站流域的后续应用提供参数范围qy千赢体育。试点流域出口观测站测量出的排放量qy千赢体育、颗粒态磷(PP)和可溶性活性磷(SRP)负荷被用作校准qy千赢体育qy千赢体育。各参数在终点校正都取得了成功,最佳参数值(与实测值)显示出显著的相似性。
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Zala流域是用于校准模型的试点流域之一qy千赢体育。不仅在该流域的出口处qy千赢体育,在其它3个沿河监测站的排放量qy千赢体育qy千赢体育,校准的模型输出值与测量值也有很好的一致性qy千赢体育。计算得出的主河道内的平均行程时间与基于小型洪峰传播速度的估算值非常接近qy千赢体育。
模型的良好性能允许将其扩展应用到校准区以外的流域。除了计算基准值,5个全国管理策略对营养盐负荷和水质也进行了测试qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。测试显示qy千赢体育,土地利用管理策略(曾是BMP的可选措施)自发和统一的应用对于减少侵蚀和富营养化qy千赢体育,是一种没有经济和社会效益的方法qy千赢体育。在已识别出的“热点”实施最优干预措施qy千赢体育,成本效益可增加2倍qy千赢体育,而且qy千赢体育qy千赢体育,在总侵蚀量显著下降的情况下,影响面积缩小50%qy千赢体育。
因此,在具有代表性的有测站区域应用 PhosFate有助于对无测站流域进行高精度的流域管理评估和设计qy千赢体育。
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5.5阿尔巴尼亚大尺度qy千赢体育、无测站流域
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阿尔巴尼亚(28 750 km2)是坐落于亚得里亚qy千赢体育、爱奥利亚海岸与巴尔干山脉之间的欧洲小国。东部沿海部分是平原qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育,而其余部分是山区。关于该国对整个地中海水文qy千赢体育,泥沙及营养负荷贡献率的评估很稀少qy千赢体育qy千赢体育,其精度也不准确qy千赢体育。
PhosFate的任务是用该国高空间分辨率的数据对当时的侵蚀状况作基准评估,并检验设计的干预措施的功效qy千赢体育。除此之外qy千赢体育,还分析了由数据缺失造成的不确定性。
为了完成侵蚀和泥沙输移评估qy千赢体育,建立起了一个符合PhosFate要求的GIS数据库。从不同来源收集到了必要的数字地图和气候数据qy千赢体育qy千赢体育。除此之外,也从文献中收集了SS负荷数据以及其它侵蚀研究的结果qy千赢体育,用来校准模型和执行对比qy千赢体育。
对比文献中评估结果qy千赢体育,校正了河流长期平均排放。单参数组被用于整个国家qy千赢体育。计算好的排放值与监测数据有很好的一致性qy千赢体育,与文献中(不是很准确的)评估值的最高偏差为30%,土壤流失和滞留的参数被校正过,因此计算出的对地中海SS负荷的贡献率与文献中相关数据相吻合qy千赢体育qy千赢体育。
土壤流失在阿尔巴尼亚整个区域普遍显著qy千赢体育,但在位于该国北方qy千赢体育qy千赢体育、中部和南部的三个小区域特别显著qy千赢体育qy千赢体育。
与Grazhdani(2006)研究结果相似qy千赢体育,在这三个小区域中qy千赢体育qy千赢体育,土壤流失率高达超过10 t﹒ha-1﹒a-1?(吨每公顷每年),甚至损失率超过100 t﹒ha-1﹒a-1的情况也频繁出现。
全国范围内平均土壤流失率为31.5 t﹒ha-1﹒a-1qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育,这一数字大大超过了10 t﹒ha-1﹒a-1的承受极限qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育,但符合Bockheim (1997)报导的平均损失率qy千赢体育。
该国总面积中近80%的区域遭受的是可以承受的土壤侵蚀qy千赢体育。然而qy千赢体育qy千赢体育,其余20%的面积是大部分(93%)土壤侵蚀结果的主要原因qy千赢体育qy千赢体育。
具有最高土壤流失级别的区域面积最衠y千赢体育。ㄆ涔撩婊?%),然而它制造了总土壤流失量的79%。
尽管该国产生了巨大的土壤流失量(90.5×106?t﹒ha-1﹒a-1)qy千赢体育qy千赢体育,但只有大约60×106吨/年的悬浮泥沙通过河流被输移到了海洋中qy千赢体育。因此qy千赢体育,大约1/3的流失土壤因为输移路径的滞留能力而不能到达海洋qy千赢体育qy千赢体育。相当多的泥沙截留是通过沉淀造成的,这种沉淀可能发生在地面qy千赢体育qy千赢体育,当地表径流经过时速度降低(坡度减缓qy千赢体育,土地覆盖方式改变)qy千赢体育qy千赢体育;也可能发生在河流系统qy千赢体育,当水流速度因为渠道水文改变而下降(水库qy千赢体育、植被生长的渠道qy千赢体育qy千赢体育、缓水区、以及流经洪泛平原)。
在那些明确土壤流失率计算值高于10 t﹒ha-1﹒a-1的区域,按照其几个干预方式,实施了管理方案分析qy千赢体育qy千赢体育。除此之外,沿永久性水道的缓冲区也被评估。
除了综合管理策略的评估qy千赢体育qy千赢体育,最优干预程序也被应用。其目标是通过干预措施qy千赢体育,使最大负荷减少量最高达到全部区域总量的4.5%qy千赢体育。干预措施的成效随流域的不同而变化qy千赢体育,减少量从50%(Erzeni)到68%(Vjosa)qy千赢体育。同样的,该国干预场所的空间分布也并非均匀qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。大部分的干预措施集中于在3个主要区域中qy千赢体育qy千赢体育qy千赢体育。从全国水平来说,这3个区域是侵蚀及泥沙负荷的热点。
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