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.