ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 403-415
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.18
ЛАНДШАФТНАЯ МОДЕЛЬ ВОДОСБОРА Р. ПАТУКСЕНТ. 3. КАЛИБРАЦИЯ МОДЕЛИ1
© 2007 г. А. Воинов, Р. Костанца, Т. Максвелл, Е. Владич
Институт экологической экономики Ганда, Университет Вермонта 05405-0088 Берлингтон, Мейн Стрит, 590 Поступила в редакцию 25.03.2004 г.
Построена ландшафтная модель водосбора р. Патуксент РЬМ с использованием библиотеки гидролого-экологических модулей ЬНЕМ/ЗМЕ с целью моделирования основных экологических процессов на водосборе, определяемых временными (поступление питательных веществ, климатические условия) и пространственными (структура землепользования) факторами. В модели рассматривается влияние изменений в количественных и пространственных характеристиках землепользования и сельского хозяйства на гидрологию, продуктивность растений и цикл питательных веществ на водосборе. Пространственное разрешение для всего водосбора р. Патуксент - 1 км2, а для его притоков (вторичных водосборов) - 200 х 200 м. Это позволяет адекватно описывать особенности экосистем населенных пунктов данного водосбора. Временное разрешение различно для отдельных компонентов модели. Применен модульный многомасштабный подход к калибрации и проверке модели. Результаты моделирования согласуются с фактическими данными.
Ландшафтная модель водосбора р. Патуксент РЬМ (штат Мэриленд, США) разработана как инструмент для систематического анализа взаимодействия физических и биологических процессов на этом водосборе, обусловленных социально-экономическим режимом в регионе (рис. 1). Сопутствующая социально-экономическая модель динамики землепользования в регионе разработана для объединения ее с РЬМ для учета обратных связей между экологической и экономической системами (рис. 2). Соединив две модели и осуществляя обмен информацией между ними, можно одновременно рассмотреть социально-экономические и экологические процессы.
В большинство моделей экосистем социально-экономическое развитие включается в форме сценариев или функций воздействия. Объединенная модель позволяет исследовать динамические обратные связи, рассматривать изменения в социально-экономической сфере в ответ на экологические нарушения.
Для совместного применения экологического и экономического модулей необходимо учесть их специфику и дизайн, а также предусмотреть способ обмена информацией между ними. В частности, представление пространственных данных должно быть таким, чтобы данные об изменениях землепользования или растительного покрова можно было передать из одного модуля в другой непосредственно внутри модели. В этом случае трудно было
1 Исследования выполнены при финансовой поддержке На-
ционального центра экологических исследований и обеспечения качества (Я 82716 901).
бы применить подход, основанный на пространственном объединении в более крупные территориальные образования (единицы), называемые элементарными площадями загрязнения или склонами [1-4], которые рассматриваются однородными и формируют основу сети гидрологического стока. Границы между пространственными единицами в этих моделях фиксированы и не могут быть изменены в процессе моделирования. Механистический подход удобен в том случае, когда ландшафт представлен относительно небольшими однородными участками (в виде сетки) и моделирование выполняется для каждого участка с применением относительно простых правил переноса вещества между ближайшими соседними участками [5-9]. Этот достаточно прямой подход требует широкого ряда данных по пространству и высокого разрешения (по памяти и скорости) вычислительных средств. Однако это обеспечивает квази-непрерывные модификации ландшафта с меняющимися, в результате социально-экономических преобразований, границами среды обитания.
Экономическая компонента РЬМ представлена в [10-13]. В данной статье сделан акцент на описании конструкции экологической компоненты, особое внимание уделено аспектам модели, обусловленным комплексным характером всего исследования.
СТРУКТУРА МОДЕЛИ
Ландшафтная модель водосбора р. Патуксент основана на методологии, впервые апробированной в модели СЕЬ88 (Ландшафтное простран-
403
2*
Рис. 1. Местоположение водосбора р. Патуксент по данным съемок КОЛА С-САР водосборной площади Чезапикского зал. в 1988-1989 гг. (разрешение 30 м). Территории занятые городами 1, селами 2, лесами (болотами) 3, водоемами 4.
ственное моделирование прибрежных экосистем) [5, 6] и впоследствии примененной к моделям заболоченных территорий (Эверглейды - болотистая часть Флориды) [14, 15]. Моделируемый ландшафт представлен в виде пространственной сетки квадратных участков, число которых варьирует от 2352 до 58905. Модель иерархическая и имеет модульную структуру. Она включает в себя отдельную модель экосистемы, которая применяется для каждого участка ландшафта (рис. 3). При таком подходе модель строится в формате растровой географической информационной системы GIS, которая используется для хранения всех данных модели, относящихся к пространству. Таким образом, модель можно рассматривать как расширение аналитической функции GIS с добавлением информации о динамике и экологических процессах к статическим моментальным снимкам, сохраняемым в GIS.
Хотя одна и та же модель проигрывается для каждого участка, индивидуальные модели пара-
метризированы в соответствии с типом среды обитания и географической информацией для рассматриваемого участка. Информация о среде обитания хранится в базе данных для параметров (начальные условия, скорости процессов, стехио-метрические отношения и т. д.). Тип среды обитания и другие локальные характеристики передаются в базы данных GIS. PLMY - одна из нескольких экологических моделей, привязанных к местности и описывающих процессы применительно к некоторым типам среды обитания. Некоторые другие модели этой категории - CENTURY [16], TEM [17] и BIOME-BGC [18]. Все эти модели могут быть адаптированы к определенному месту при параметризации исходных запасов и потоков вещества между различными компонентами экосистемы. Они различны по сложности и возможностям, что делает одну модель более удобной для определенного применения, чем другие. Практика показывает, что более сложные модели дают более подробные результаты, но более трудные для
Экологическая сукцессия Качество, запасы и уровень подземных вод Развитие и состояние растительности Мозаичность и состояние зон обитания Способность к ассимиляции отходов
Характер изменения землепользования Динамика численности населения Дороги и коммуникации Точечное и площадное загрязнение Методы ведения сельского хозяйства
Рис. 2. Зависимости и связи между экономической и экологической подсистемами.
понимания и требуют больших затрат времени для расчетов, реализации и интерпретации результатов [19]. РЬМ - модель промежуточной сложности. Она достаточно универсальна, может быть применима к разным экосистемам, не очень громоздка и не требует суперкомпьютера.
Отдельные модели для каждого участка описывают обмен вещества и информации по пространству. Горизонтальные потоки, которые объединяют отдельные модели, представлены характеристиками поверхностной и подземной гидрологии. Могут быть и альтернативные горизонтальные потоки, такие как движение воздуха, животных, энергии пожаров и приливных волн. На данной стадии исследования РЬМ рассматривает только потоки воды и увлекаемого ею материала. Модуль пространственной гидрологии рассчитывает количество воды, текущей по поверхности и в насыщенной влагой зоне. Потоки управляются разностью напора воды (на поверхности и в насыщенных влагой зоне) на соседних участках. Водные потоки переносят растворенные и взвешенные вещества. На каждом шаге по времени отдельная модель сначала обновляет запасы вещества с учетом вертикальных потоков на каждом участке, а затем взаимодействие участков между собой определяет перенос вещества в горизонтальном направлении, имитируя влияние потоков воды и определяя экологические условия в пределах ландшафта.
Рис. 4 показывает распределение различных событий во времени при моделировании с помощью РЬМ. Шаг по времени в модели - сутки, поэтому уточнение большинства экологических переменных происходит ежедневно. Однако некоторые процессы можно моделировать при большем или меньшем шаге по времени. Например, для некоторых пространственных гидрологических функций нужен шаг по времени час, тогда как для определенных внешних воздействующих функций - средние значения за месяц или год. Эта пространственная и гибкая временная структура экологического модуля РЬМ вместе с экономической моделью прогнозирует вероятные изменения землепользования в семи округах в пределах водосбора р. Патуксент [11]. Экономическая модель позволяет моделировать экономические и экологические решения. Основываясь на эмпирически оцененных параметрах, вероятности земельных преобразований моделируются в виде функций прогнозных оценок землепользования и затрат на преобразование территорий. Прогнозы стоимости земли моделируются как функции локальных и региональных характеристик. Прогностическая модель изменения землепользования предсказывает относительно правдоподобную картину преобразования участков и тем самым - пространственное распределение наибольшего воздействия за счет преобразований. Чтобы прогнозировать абсолютную величину новых застроек, вероятностная модель преобразова-
Рис. 3. Пространственная организация модели водосбора р. Патуксент. Единичная модель (квадрат) реализуется для каждого участка изучаемой территории. Типы среды обитания и землепользования. 1 - вода; 2 - лес; 3 - сельское хозяйство; 4 - села; 5 - города. Гидрологические потоки соединяют единичные модели по горизонтали.
ний землепользования соединяется с моделями развития региона. В результате создается новая карта землепользования, которая вводится в экологическую модель с шагом по времени один год.
ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И МЕНЯЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ ПОКАЗАТЕЛИ
Для разработки и калибрации модели требуются данные, которые меняются по пространству и времени. Информационная база модели содержит
данные для упр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.