PhosFate 水土面源污染调查及动态测评系统

撰稿人: 日期:2013-7-15 点击次数:5962

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),水库库容迅速丧失及其使用寿命的缩短,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,并且,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,从而确定模型能够用于无测站流域面源污染的测评,并动态模拟关键污染源采用调控措施后,污染变化情况。
 
2 系统的应用
水土面源污染调查及动态测评系统通过确定总负荷中点源/非点源比率,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。
可用于大尺度有测站或无测站流域的管理,评估气候变化,流域最优管理的设计,面源污染调控、污染排放控制、湿地养分监测等领域。
 
3 系统组成
水土面源污染调查及动态测评系统 由PhosFate 模型、污染调查系统组成。
PhosFate模型(Kovacs et al. 2008)是一种用来模拟流域和河网内水文、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,减少侵蚀和面源污染营养盐排放。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,它由已有的独立的方法构建而来,这些独立的方法通过适当的修正、延展,最后被整合到一个通用的模型框架中。
 
关于空间变异性,PhosFate完全忽略河水流动、水质成份,模型所有的输入与结果都是“长期平均值”。
 
PhosFate模型主要分为两部分:侵蚀/排放和输移子模型。
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、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、平均潜在蒸散量、温度和风速)
n 点源信息(水库的位置和运作容积)
 
 
流域水文采用WetSpass长期水文学模型(Batelaan and Woldeamlak, 2004)运算。
地表径流计算基于土壤类型、土地利用类型、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。入渗和地下水补充是该水分平衡方程的剩余条件,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。
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,并计算流域内本地泥沙输移通量。模型单独计算水、沉积物、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。计算的结果是流域内任意点的排放总量、泥沙、DP和PP负荷值,这些值的组分(地表、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、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐,也可固定在观测点长期、动态观测营养盐或水体物理和化学参数。
 
4、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、地表渗透、实际蒸散、地下水补给
输出结果: BMPs,河床和库底的滞留量,营养盐负荷
运算法则:
1、对每个单元可达增益进行估算
2、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)
3、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,进行第5步,否则从第1步开始重复。
5、结束
测量范围:
氨氮 :0~0.4/1/2/5/mg/l ,其它范围可定制
硝酸盐+亚硝酸盐: 0~0.5/1/5/10 mg/l ,其它范围可定制
亚硝酸盐: 0~0.1/0.2/0.5 mg/l ,其它范围可定制
磷酸盐: 0~0.3/1/2/5/ mg/l ,其它范围可定制
 
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),并可模拟对泥沙和营养盐负荷可能的影响。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)。模型尤其关注农村土地利用管理,包括土地利用方式转变,耕作方法改变,缓冲区和湿地建立等,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,保护性耕地,等高条植,耕后覆盖,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,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。模型可计算河床和库底的滞留量,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。
 
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。因为输出的是长时期平均值,模型可以方便地根据预期气候变化修改输入数据,不需对每日或更密时间频率作缩小尺度规模的预报。气候情形可以与预期土地利用发展相关联,创造一个综合的框架,为流域管理预报未来的变化或挑战。
 
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)。
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。或者,反过来讲,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)。然而,其它仅具有有限侵蚀率的单元,也能输移从其直接邻近区域过来的具有相当总量的SS。这些是最佳的输移控制地点,即用来建立滞留区域(多数沿着水流方向)。按照这两个特性排列单元为最优干预计算构建基础。
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。如果一个高度侵蚀的单元被干预,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,上游相邻单元的有效贡献也会降低。因此,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。
 
5.4匈牙利大尺度、有测站流域
 
PhosFate 系统在匈牙利全境的小流域内,为不同管理计划的水质评估模拟水平衡、土壤侵蚀、磷排放及负荷。4个试点流域被选择出来用于校准和详细分析,这是为在其它无测站流域的后续应用提供参数范围。试点流域出口观测站测量出的排放量、颗粒态磷(PP)和可溶性活性磷(SRP)负荷被用作校准。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。
Zala流域是用于校准模型的试点流域之一。不仅在该流域的出口处,在其它3个沿河监测站的排放量,校准的模型输出值与测量值也有很好的一致性。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。
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。测试显示,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,是一种没有经济和社会效益的方法。在已识别出的“热点”实施最优干预措施,成本效益可增加2倍,而且,在总侵蚀量显著下降的情况下,影响面积缩小50%。
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。
 
 
5.5阿尔巴尼亚大尺度、无测站流域
 
阿尔巴尼亚(28 750 km2)是坐落于亚得里亚、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,而其余部分是山区。关于该国对整个地中海水文,泥沙及营养负荷贡献率的评估很稀少,其精度也不准确。
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。除此之外,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,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。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,用来校准模型和执行对比。
对比文献中评估结果,校正了河流长期平均排放。单参数组被用于整个国家。计算好的排放值与监测数据有很好的一致性,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。

  土壤流失在阿尔巴尼亚整个区域普遍显著,但在位于该国北方、中部和南部的三个小区域特别显著。
  与Grazhdani(2006)研究结果相似,在这三个小区域中,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-1,这一数字大大超过了10 t﹒ha-1﹒a-1的承受极限,但符合Bockheim (1997)报导的平均损失率。
  该国总面积中近80%的区域遭受的是可以承受的土壤侵蚀。然而,其余20%的面积是大部分(93%)土壤侵蚀结果的主要原因。
  具有最高土壤流失级别的区域面积最小(其国土面积的8%),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),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。因此,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。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,当地表径流经过时速度降低(坡度减缓,土地覆盖方式改变);也可能发生在河流系统,当水流速度因为渠道水文改变而下降(水库、植被生长的渠道、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。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,最优干预程序也被应用。其目标是通过干预措施,使最大负荷减少量最高达到全部区域总量的4.5%。干预措施的成效随流域的不同而变化,减少量从50%(Erzeni)到68%(Vjosa)。同样的,该国干预场所的空间分布也并非均匀。大部分的干预措施集中于在3个主要区域中。从全国水平来说,这3个区域是侵蚀及泥沙负荷的热点。


参考文献:
Bockheim JG. Proposal to study economic and environmental benefits of reducing soil erosion in Albania. Land Tenure Center, University of Wisconsin, Madison USA; 1997.
Borah DK, Bera M. Watershed-scale hydrologic and nonpoint-source pollution models. Review of mathematical bases. Trans ASAE 2003; 46(6):1553–66.
Campbell N, D’Arcy B, Frost A, Novotny V, Sansom A. Diffuse Pollution: An Introduction to the Problems and Solutions. London: IWA Publishing; 2004.
Fread DL. Flow routing. In: Maidment DR, editor. Handbook of Hydrology. New York: McGraw-Hill; 1993. p. 10.1–10.36.
Grazhdani S. Albania, in: Soil Erosion in Europe (eds Boardman J and Poesen J), John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK. 2006.
Kovacs AS, Honti M, Clement A. Design of best management practice applications for diffuse phosphorus pollution using interactive GIS. Wat Sci Tech 2008; 57:1727-33.
Liu YB, de Smedt F. WetSpa Extension: A GIS-based Hydrologic Model for Flood Prediction and Watershed Management, User Manual. Brussels: Vrije Universiteit Brussel; 2008.
Liu ZJ, Weller DE. A Stream Network Model for Integrated Watershed Modeling. Environ Model Assess 2008; 13(2):291-303.
Neitsch SL, Arnold JG, Kiniry JR, Williams JR, King KW. Soil and Water Assessment Tool. TWRI Report TR-191. Temple USA: Agricultural Research Service; 2002.
Novotny V. Diffuse Pollution and Watershed Management. Hoboken USA: Wiley; 2003.
Ritter WF, Shirmohammadi A, editors Agricultural Nonpoint Source Pollution. Boca Raton USA: CRC Press; 2001.
Strahler AN. Quantitative analysis of watershed geomorphology. EOS T Am Geophys Un 1957; 8(6): 913–20.
Vollenweider RA. Advances in defining critical loading levels for phosphorus in lake eutrophication. Mem Ist Ital Idrobiol 1976; 33:53-83.
Vollenweider RA, Kerekes J. Eutrophication of waters. Monitoring, assessment and control. OECD Cooperative programme on monitoring of inland waters (Eutrophication control), Paris: Environment Directorate, OECD; 1982. p. 154.
White DW, Smith RA, Price CV, Alexander RB, Robinson KW. A spatial model to aggregate point-source and non-point source water-quality data form large areas. Comput Geosci 1992; 18(8):1055-73.