научная статья по теме ЛАНДШАФТНАЯ МОДЕЛЬ ВОДОСБОРА Р. ПАТУКСЕНТ. 4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ Геология

Текст научной статьи на тему «ЛАНДШАФТНАЯ МОДЕЛЬ ВОДОСБОРА Р. ПАТУКСЕНТ. 4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 5, с. 532-543

__ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ _

-И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ -

УДК 556.18

ЛАНДШАФТНАЯ МОДЕЛЬ ВОДОСБОРА Р. ПАТУКСЕНТ. 4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ1

© 2007 г. А. Воинов, Р. Костанца, Т. Максвелл, Е. Владич

Институт экологической экономики им. Ганда, Университет Вермонта 05405-0088 Берлингтон, Мейн Стрит, 590 Поступила в редакцию 25.03.2004 г.

С помощью ЬИБМ/8МБ разработана ландшафтная модель водосбора р. Патуксент для изучения базовых экологических процессов, развитие которых определяется временными (биогенные нагрузки, климатические условия) и пространственными (виды землепользования) факторами. Рассмотрено воздействие масштаба и пространственного изменения на землепользование, а также сельскохозяйственных технологий на гидрологию, продукцию растений и круговорот биогенов на водосборе. Показана сложная реакция ландшафта на водосборе и необходимость применения пространственно точного моделирования.

Авторами были проанализированы сценарии прошлого, альтернативные варианты и стратегии будущего землепользования, в том числе: исторические (для 1650, 1850, 1950, 1972, 1990 и 1997 гг.); сценарий по застройке, основанный на полном развитии всей территории, выделенной в настоящее время для освоения; четыре варианта будущего развития, основанные на эмпирической модели экономических преобразований землепользования; сценарии с наилучшими методами управления сельским хозяйством при пониженных дозах внесения удобрений; четыре "замещающих" сценария изменений землепользования для анализа относительных вкладов сельскохозяйственного и городского его видов; два сценария сконцентрированной застройки со значительно более высоким и низким, по сравнению с настоящим, использованием земли для строительства жилья.

Цель разработки взаимосвязанных эколого-экономических моделей состояла в проверке альтернативных сценариев типов управления землепользованием. С помощью калиброванной модели можно исследовать широкий круг будущих и исторических сценариев. Разработанные сценарии основывались на учете интересов органов управления округа, штата и страны в целом, местных заинтересованных лиц и ученых. Было рассмотрено 18 сценариев.

Группа исторических сценариев, основанных на реконструкции землепользования на водосборе р. Патуксент, проведенной Геологической службой США [3]

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Отдела стратегии, планирования и оценки Управления по охране окружающей среды США (соглашение < CR821925010), Управления по исследованиям и развитию EPA США (грант R82-4766-010).

1 - период до начала освоения водосбора, когда большая часть его территории покрыта лесом, загрязнения среды нет (1650 г.);

2 - сельскохозяйственное освоение водосбора, когда почти вся территория используется для сельского хозяйства, применяются традиционные удобрения (мергель, речной ил, навоз и т.д.), загрязнение среды низкое (1850 г.);

3 - упадок сельскохозяйственного производства, возобновление посадок лесов и быстрая урбанизация территории (1950 г.);

4 - максимальное восстановление лесов, интенсивное развитие сельского хозяйства, загрязнение территории (1972 г.);

5 - 1990 г. использовался в качестве базового для сравнения с результатами моделирования. Погодные условия и нагрузка по биогенам были приняты для 1990-1991 гг.;

6 - 1997 г. был взят в качестве сценария землепользования по недавно опубликованным данным. Использовалась также информация о внешних факторах за 1990 - 1991 гг. для оценки их воздействия на изменения землепользования отдельно от других факторов;

7 - сценарий по застройке. Предполагалось осуществление всех возможностей освоения территории при существующем зонировании. Это наихудший вариант по урбанизации территории и связанных с этим нагрузок на нее;

8 - сценарий с наилучшими методами управления (НМУ). Принимались условия землепользования 1997 г. (пониженные внесения удобрений и севооборот). Эти НМУ были отражены также в других сценариях;

Группа сценариев изменений землепользования за 1997-2003 гг. была разработана на основе

Экономической модели изменений землепользования БЬиС, предложенной Н. Боксталь

9 - развитие территории обычными методами;

10 - развитие территории с учетом ввода всех спроектированных систем канализации;

11 - развитие территории без новых систем канализации и при наличии близких лесных массивов площадью 500 акров (202 га) и более;

12 - развитие территории с системами канализации и близкими лесами;

Группа гипотетических сценариев, предназначенных для изучения экстремальных условий землепользования (режим землепользования 1997 г. берется в качестве отсчетного). Эти сценарии введены, чтобы показать влияние отдельных видов землепользования на современное поведение системы путем последовательного их исключения

13 - преобразование территорий, используемых в настоящее время в сельском хозяйстве, в жилые массивы;

14 - преобразование территорий, используемых в настоящее время в сельском хозяйстве, в лесные массивы;

15 - преобразование территорий, используемых в настоящее время под жилые застройки, в лесные массивы;

16 - преобразование территорий, используемых в настоящее время под лесные массивы, в застройки под жилье;

Группа гипотетических сценариев, предназначенных для изучения эффектов концентрирования жилых строений (условия землепользования 1997 г. используются в качестве отсчетных)

17 - концентрированное расположение жилых территорий, т.е. преобразование всех жилых территорий с низкой плотностью населения в города с концентрацией вокруг трех крупных центров;

18 - рассредоточение жилых территорий, т.е. преобразование всех городских территорий с высокой плотностью населения в жилые территории со случайным распределением по водосбору.

Сценарии управлялись изменениями в землепользовании и системах канализации, типами применяемых удобрений, количеством атмосферных осадков, а также расположением и количеством жилых строений. С учетом того, что модель является пространственно точной и динамической, при расчете по каждому сценарию получается значительный объем расчетной информации. В данной статье представлены только обобщенные данные по нескольким ключевым показателям в виде средних по времени и пространству значений. В табл. 1 приведены некоторые результаты расчетов по разным сценариям, при этом концентрация N в водах р. Патуксент служит показателем качества воды, изменений в

гидрологии водотоков и значений чистой первичной продукции (ЧПП) на водосборе. С учетом того, что подземные воды как модельная переменная меняются сравнительно медленно, а период релаксации в проведенных модельных экспериментах составляет всего лишь один год, эта переменная вероятно не успевает реагировать на изменение условий и, следовательно, не может использоваться в качестве характеристики изменений, происходящих при различных сценариях.

ИСТОРИЧЕСКИЕ СЦЕНАРИИ

В этой группе сценариев реконструируется историческое освоение водосбора р. Патуксент до заселения его европейцами в 1650 г. Карты для 1850, 1950 и 1972 гг. (рис. 1) созданы на основе данных [3]. В 1650 г. водосбор был почти полностью занят лесами, при этом поступление N с атмосферными осадками были чрезвычайно малы, удобрения не применялись, не было стоков из отстойников и концентрации биогенов в речных водах были низкими. К 1850 г. расселение европейцев привело к серьезным изменениям водосбора. Почти все леса были уничтожены и территория стала использоваться под сельское хозяйство (табл. 1). Однако удобрения, применявшиеся в то время, были в основном органическими (навоз, речной ил, зеленый компост, растительная масса, зола), поступление биогенов с атмосферными осадками было пренебрежимо мало, а органическая нагрузка с бытовыми стоками была невелика.

После 1850 г. площади, занятые под сельское хозяйство, стали уменьшаться, а леса - восстанавливаться. К 1950 г. площадь под лесными массивами почти удвоилась. В то же время началась быстрая урбанизация, в первую очередь в направлении от Вашингтона до Балтимора. Это оказало на водосбор р. Патуксент как прямое воздействие (сдвиг землепользования от сельского хозяйства и разведения лесов к использованию територий под застройки и для коммерции), так и косвенное (развитие автотранспорта в крупных регионах и рост поступлений биогенов с атмосферными осадками). Этот процесс продолжался до 1970-х гг., когда площадь лесных массивов достигла максимума. С этого времени продолжающаяся урбанизация оказывала приблизительно одинаковое влияние на територии, занятые под сельское хозяйство, и лесные массивы. Предполагалось, что выбросы в атмосферу и количество вносимых удобрений устойчиво росли с низких прединду-стриальных уровней до современных нагрузок. В процессе роста населения постоянно увеличивался объем сбросов органических продуктов жизнедеятельности.

Рис. 1. Приближенная реконструкция развития водосбора р. Патуксент по [3] в 1650, 1850, 1953 и 1972 гг. (а-г соответственно). Виды землепользования (количество ячеек по годам): 1 - городские застройки (0, 0, 28, 56); 2 - заселенные территории (0, 7, 111, 195); 3 - сельскохозяйственные территории (56, 2087, 1391, 800); 4 - лес (2386, 348, 911, 1391); 5 - вода (118, 118, 118, 118).

СРАВНЕНИЕ УСЛОВИЙ 1990 И 1997 гг.

Сравнение модельных расчетов для 1990 и 1997 гг. указывает на значительное уменьшение количества лесных и сельскохозяйственных тери-торий из-за увеличения площадей, занятых под жилые застройки и города. Соответственно, вклад удобрений в общую нагрузку по N на водосбор уменьшился, в то время как поступление N с бытовыми отходами возросло (табл. 1). Кроме того, полученные значения суммарной нагрузки свидетельствуют об относительной важности различных источников N для водосбора. В технологиях, применяемых в современном сельском хозяйстве, роль удобрений остается достаточно высокой. Неожиданно высокий вклад в нагрузку по N вносят атмосферные осадки. Роль бытовых отходов жизнедеятельности человека может показаться незначительной, однако следует помнить, что судьба N содержащегося в них, отличается от судьбы N в удобрениях и атмосферных осадках

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.

Показать целиком