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PhosFate流域侵蝕與營養(yǎng)鹽動態(tài)測評系統(tǒng)

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1引言

密集農(nóng)業(yè)活動和管理不善的土壤耕作造成的土壤侵蝕和面源污染營養(yǎng)鹽負荷導致水生生境和沿岸植被退化（魚類產(chǎn)卵區(qū)域、底部動物），水庫庫容迅速喪失及其使用壽命的縮短，養(yǎng)分微粒和有毒物質的輸移導致水體富營養(yǎng)化、中毒和渾濁。
流域管理急需流域尺度的近似估算法和模型模擬，并且，能采用實時調查的土壤侵蝕及庫區(qū)淤積污染數(shù)據(jù)與模型計算結果比照，從而確定模型能夠用于無測站流域面源污染的測評，并動態(tài)模擬關鍵污染源采用調控措施后，污染變化情況。

2 系統(tǒng)的應用

PhosFate流域侵蝕與營養(yǎng)鹽動態(tài)測評系統(tǒng)通過確定總負荷中點源/非點源比率，采用模型計算與實地面源污染調查比照，識別流域內面源污染貢獻的關鍵點來協(xié)助制定流域管理戰(zhàn)略。
可用于大尺度有測站或無測站流域的管理，評估氣候變化，流域管理的設計，面源污染調控、污染排放控制、濕地養(yǎng)分監(jiān)測等領域。

3 系統(tǒng)組成

PhosFate模型(Kovacs et al. 2008)是一種用來模擬流域和河網(wǎng)內水文、土壤流失、點源、面源污染P排放及其輸移的GIS工具。通過流域尺度的模擬計算，減少侵蝕和面源污染營養(yǎng)鹽排放。模型融合了單個經(jīng)驗模型和邊界清晰的物理集水區(qū)模型的優(yōu)勢，它由已有的獨立的方法構建而來，這些獨立的方法通過適當?shù)男拚⒀诱?，最后被整合到一個通用的模型框架中。

關于空間變異性，PhosFate*忽略河水流動、水質成份，模型所有的輸入與結果都是“長期平均值"。

PhosFate模型主要分為兩部分：侵蝕／排放和輸移子模型。
模型的輸入數(shù)據(jù)如下（針對水文和侵蝕模擬）：
n 數(shù)字地圖（海拔、土地利用類型、物理表土質量、腐殖質含量）
n 氣象資料（時間尺度內的平均降水、與不同降雨強度相關的降雨分布、平均潛在蒸散量、溫度和風速）
n 點源信息（水庫的位置和運作容積）

	水文圖	流量	排放量	遷移	優(yōu)化管理
海拔	●	●	●	●	●
土壤類型		●	●	●	●
土地利用類型		●	●	●	●
坡度		●	●	●	●
邊坡類別		●	●	●	●
夏季降雨量		●	●	●	●
冬季降雨量		●	●	●	●
R-USLE			●	●	●
腐殖質含量			●	●	●
腐殖質類型			●	●	●
土壤固態(tài)P含量			●	●	●
土壤水溶性P含量			●	●	●
市內土地利用類型			●	●	●
城市路面			●	●	●
夏季彭曼系數(shù)		●		●	●
冬季彭曼系數(shù)		●		●	●
夏季風		●		●	●
冬季風		●		●	●
子流域ID	○
干預措施土地利用類型					○
干預措施預算					○
注：●需要；○可選；USLE：通用土壤流失方程

流域水文采用WetSpass長期水文學模型(Batelaan and Woldeamlak, 2004)運算。
地表徑流計算基于土壤類型、土地利用類型、取決于坡面的潛在徑流系數(shù)以及與土壤入滲能力有關的分配系數(shù)。參考蒸散量用成熟的Penman-Monteith方程計算，實際蒸散量采用恒定不變的水分相關系數(shù)修訂參考蒸散量得到。入滲和地下水補充是該水分平衡方程的剩余條件，分別描述土壤表面和表土層情況。
土壤流失采用通用土壤流失方程（USLE，Novotny, 2003）計算。
輸移子模型加入了單獨的單元來提供相鄰單元的交互作用，并計算流域內本地泥沙輸移通量。模型單獨計算水、沉積物、地表面源溶解態(tài)磷（DP）和顆粒態(tài)磷（PP）排放，地下排放和點源排放。計算的結果是流域內任意點的排放總量、泥沙、DP和PP負荷值，這些值的組分（地表、地下、點源）以及流域內泥沙與P的滯留模式。
污染調查系統(tǒng)即可便攜式測量各點的營養(yǎng)鹽參數(shù) 如硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽，也可固定在觀測點長期、動態(tài)觀測營養(yǎng)鹽或水體物理和化學參數(shù)。

4、系統(tǒng)技術指標

計算面積： 10000平方公里－50000平方公里
基本單元面積：100m x 100m
單元計算參數(shù)：植被截流、地表徑流、地表滲透、實際蒸散、地下水補給
輸出結果： BMPs，河床和庫底的滯留量，營養(yǎng)鹽負荷
運算法則：
1、對每個單元可達增益進行估算
2、以可達增益為指導，對單元實施干預（轉變土地利用方式）
3、在受影響的區(qū)域實施模型運算（被干預單元的上/下游相鄰單元）
4、如果預算用完，進行第5步，否則從第1步開始重復。
5、結束

5、應用案例
5.1流域管理評估
PhosFate模型工具允許編制流域管理措施（BMPs），并可模擬對泥沙和營養(yǎng)鹽負荷可能的影響。多種BMP可選方案及方案間的組合能有效降低土壤流失(Campbell et al., 2004)。模型尤其關注農(nóng)村土地利用管理，包括土地利用方式轉變，耕作方法改變，緩沖區(qū)和濕地建立等，如通過減少徑流和土壤流失為手段的源控制干預措施，減少耕作方式的改變（例如耕地的方向，保護性耕地，等高條植，耕后覆蓋，梯田耕作等）對土壤流失值也有影響。
根據(jù)計劃好的干預措施，更改土地利用圖并運行排放和運移模型后，改良后的水文和負荷降低功效能被模擬出來。
模型還可跟蹤河網(wǎng)內的點源排放情況。模型可計算河床和庫底的滯留量，因此可以模擬距下游目標（河段或靜水）有較遠距離的點源的影響。

5.2 評估氣候變化情形
因為一些輸入數(shù)據(jù)是氣候變量，PhosFate可以被用來開展氣候變化影響評價。因為輸出的是長時期平均值，模型可以方便地根據(jù)預期氣候變化修改輸入數(shù)據(jù)，不需對每日或更密時間頻率作縮小尺度規(guī)模的預報。氣候情形可以與預期土地利用發(fā)展相關聯(lián)，創(chuàng)造一個綜合的框架，為流域管理預報未來的變化或挑戰(zhàn)。

5.3管理技術的設計
為了達到管理（低成本高效地降低土壤流失），不是所有的侵蝕源區(qū)域都必須被干預措施涉及，因為不是所有的源區(qū)域對泥沙和營養(yǎng)鹽負荷都有有效的貢獻率。策略受兩個目標功能支配（現(xiàn)有固定成本下的負荷降低功率和固定污染限度下的成本效益）。
化過程的目標功能是以的干涉方法（涵蓋盡量少的單元）減少輸移進入河網(wǎng)的SS總量?；蛘撸催^來講，怎樣在數(shù)量的單元內以干預措施實現(xiàn)負荷下降的效益？
那些成功將總量的侵蝕物送入河網(wǎng)的單元可以被當作理想的源控制目標（本地侵蝕的減少）。然而，其它僅具有有限侵蝕率的單元，也能輸移從其直接鄰近區(qū)域過來的具有相當總量的SS。這些是的輸移控制地點，即用來建立滯留區(qū)域（多數(shù)沿著水流方向）。按照這兩個特性排列單元為干預計算構建基礎。
這兩種干預類型（源控制和輸移控制）在計算過程中必須相互協(xié)調。如果一個高度侵蝕的單元被干預，其下游相鄰單元的相對重要性也就減少。同樣，通過安置緩沖區(qū)，上游相鄰單元的有效貢獻也會降低。因此，在每個特定單元實施干預活動后，單元的重要性排序必須被更新。

5.4匈牙利大尺度、有測站流域
PhosFate系統(tǒng)在匈牙利全境的小流域內，為不同管理計劃的水質評估模擬水平衡、土壤侵蝕、磷排放及負荷。4個試點流域被選擇出來用于校準和詳細分析，這是為在其它無測站流域的后續(xù)應用提供參數(shù)范圍。試點流域出口觀測站測量出的排放量、顆粒態(tài)磷（PP）和可溶性活性磷（SRP）負荷被用作校準。各參數(shù)在終點校正都取得了成功，參數(shù)值（與實測值）顯示出顯著的相似性。

Zala流域是用于校準模型的試點流域之一。不僅在該流域的出口處，在其它3個沿河監(jiān)測站的排放量，校準的模型輸出值與測量值也有很好的一致性。計算得出的主河道內的平均行程時間與基于小型洪峰傳播速度的估算值非常接近。
模型的良好性能允許將其擴展應用到校準區(qū)以外的流域。除了計算基準值，5個全國管理策略對營養(yǎng)鹽負荷和水質也進行了測試。測試顯示，土地利用管理策略（曾是BMP的可選措施）自發(fā)和統(tǒng)一的應用對于減少侵蝕和富營養(yǎng)化，是一種沒有經(jīng)濟和社會效益的方法。在已識別出的“熱點"實施干預措施，成本效益可增加2倍，而且，在總侵蝕量顯著下降的情況下，影響面積縮小50％。
因此，在具有代表性的有測站區(qū)域應用 PhosFate有助于對無測站流域進行高精度的流域管理評估和設計。

5.5阿爾巴尼亞大尺度、無測站流域

阿爾巴尼亞（28 750 km²）是坐落于亞得里亞、愛奧利亞海岸與巴爾干山脈之間的歐洲小國。東部沿海部分是平原，而其余部分是山區(qū)。關于該國對整個地中海水文，泥沙及營養(yǎng)負荷貢獻率的評估很稀少，其精度也不準確。
PhosFate的任務是用該國高空間分辨率的數(shù)據(jù)對當時的侵蝕狀況作基準評估，并檢驗設計的干預措施的功效。除此之外，還分析了由數(shù)據(jù)缺失造成的不確定性。
為了完成侵蝕和泥沙輸移評估，建立起了一個符合PhosFate要求的GIS數(shù)據(jù)庫。從不同來源收集到了必要的數(shù)字地圖和氣候數(shù)據(jù)。除此之外，也從文獻中收集了SS負荷數(shù)據(jù)以及其它侵蝕研究的結果，用來校準模型和執(zhí)行對比。
對比文獻中評估結果，校正了河流長期平均排放。單參數(shù)組被用于整個國家。計算好的排放值與監(jiān)測數(shù)據(jù)有很好的一致性，與文獻中（不是很準確的）評估值的偏差為30%，土壤流失和滯留的參數(shù)被校正過，因此計算出的對地中海SS負荷的貢獻率與文獻中相關數(shù)據(jù)相吻合。
土壤流失在阿爾巴尼亞整個區(qū)域普遍顯著，但在位于該國北方、中部和南部的三個小區(qū)域特別顯著。
與Grazhdani（2006）研究結果相似，在這三個小區(qū)域中，土壤流失率高達超過10 t﹒ha^-1﹒a^-1 (噸每公頃每年),甚至損失率超過100 t﹒ha^-1﹒a^-1的情況也頻繁出現(xiàn)。
全國范圍內平均土壤流失率為31.5 t﹒ha^-1﹒a^-1，這一數(shù)字大大超過了10 t﹒ha^-1﹒a^-1的承受極限，但符合Bockheim (1997)報導的平均損失率。
該國總面積中近80%的區(qū)域遭受的是可以承受的土壤侵蝕。然而，其余20%的面積是大部分（93%）土壤侵蝕結果的主要原因。
具有土壤流失級別的區(qū)域面積最小（其國土面積的8%），然而它制造了總土壤流失量的79%。
盡管該國產(chǎn)生了巨大的土壤流失量（90.5×10⁶ t﹒ha^-1﹒a^-1），但只有大約60×10⁶噸/年的懸浮泥沙通過河流被輸移到了海洋中。因此，大約1/3的流失土壤因為輸移路徑的滯留能力而不能到達海洋。相當多的泥沙截留是通過沉淀造成的，這種沉淀可能發(fā)生在地面，當?shù)乇韽搅鹘?jīng)過時速度降低（坡度減緩，土地覆蓋方式改變）；也可能發(fā)生在河流系統(tǒng)，當水流速度因為渠道水文改變而下降（水庫、植被生長的渠道、緩水區(qū)、以及流經(jīng)洪泛平原）。
在那些明確土壤流失率計算值高于10 t﹒ha^-1﹒a^-1的區(qū)域，按照其幾個干預方式，實施了管理方案分析。除此之外，沿性水道的緩沖區(qū)也被評估。
除了綜合管理策略的評估，干預程序也被應用。其目標是通過干預措施，使負荷減少量達到全部區(qū)域總量的4.5%。干預措施的成效隨流域的不同而變化，減少量從50%（Erzeni）到68%（Vjosa）。同樣的，該國干預場所的空間分布也并非均勻。大部分的干預措施集中于在3個主要區(qū)域中。從全國水平來說，這3個區(qū)域是侵蝕及泥沙負荷的熱點。

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