Фосфор - это один из главных загрязнителей рек и озер Европы. Он может поступать как из точечных, так и из рассеянных источников. В качестве причин загрязнения чаще всего упоминаются неправильное применение удобрений и несоответствующие коллекторные сети. Если поступление фосфора из точечных источников может быть измерено или оценено, то моделирование рассеянных источников, от которых в водоемы поступает более половины загрязнений, представляет собой сложную проблему.
Центр дистанционного зондирования, Будапешт, участвовал в выполнении демонстрационного проекта по Дунаю, цель которого состояла в том, чтобы исследовать возможности использования данных о земельном покрове CORINE для моделирования рассеянного загрязнения фосфором и разработки калибровочной модели, чтобы предсказать его концентрацию на реках. CORINE - программа европейской комиссии по координации информации об окружающей среде - имеет уникальную стандартизированную базу данных о земельном покрове 31 страны.
Для моделирования были взяты три речных бассейна в Словацкой Республике, Румынии и Венгрии. Участники проекта использовали модель оценки риска эвтрофикации при поступлении питательных веществ (MINDER), разработанную в Центре водных ресурсов, Великобритания, который и координировал эти работы.
Основой и инструментом выполнения проекта послужила созданная на базе программного обеспечения ARC/INFO растровая ГИС модель водосборных бассейнов с размером ячейки 100 x 100 метров. Для бассейна реки Загива, Венгрия, в течение 2 лет были получены 24 карты по всем параметрам, указанным ниже.
Топографические данные. Была создана гидрологически точная цифровая модель местности, для чего использовались карты масштаба 1:100 000 и оцифрованная речная сеть. Для исправления и обновления гидрографии использовались спутниковые изображения Landsat TM.
Земельный покров. Использовались результаты программы CORINE. Земельный покров имеет определяющее значение для эвапотранспирации (возврата водяного пара в атмосферу от поверхности земли) и экспорта фосфора.
Почвенные карты и гидрологические параметры. По почвенным генетическим картам и почвофизическим параметрам был получен так называемый индекс базового стока (BFI). Он включает полевую влагоемкость, коэффициент завядания, скорость инфильтрации, доступную влагоемкость и водопроницаемость. BFI, мера количества воды, которая достигает реки в виде грунтового стока и имеет значения между 0 и 1 (где 0 представляет полностью непроницаемую почву).
Метеорологические данные. Использовались средние месячные данные об осадках по 14 станциям, ежедневные данные о толщине снега и водном эквиваленте по шести станциям, а также средние месячные температуры воздуха по двум станциям Венгерской метеорологической службы.
Деятельность человека. Были проанализированы данные об индустриальном и сельскохозяйственном водопотреблении и притоке вод в шахтах.
Точечное загрязнение фосфором. В региональных управлениях по водному хозяйству и окружающей среде были собраны сведения об очистке сточных вод и промышленных стоков, включая как измеренные, так и оценочные данные. Надежных данных о фосфоре для животноводческих ферм не было, так как период моделирования совпал с этапом новой приватизации земель в Венгрии.
Калибровочные данные. Для калибровки модели использовались измеренные данные региональных служб, а именно средние суточные и месячные величины речного стока по 14 станциям и двухнедельные данных о концентрации фосфора по 12 станциям.
Модель MlINDER позволяет рассчитать эвапотранспирацию и на основе уравнений водного баланса разделить чистые осадки на наземный и грунтовый компоненты. Поскольку земельный покров влияет на поверхностный сток, он играет решающую роль в рассеянном загрязнении фосфором. Схематически MINDER состоит из двух главных частей: гидрологический блок, прогнозирующий речной расход; блок фосфорной нагрузки, показывающий концентрацию фосфора в любой точке речной сети.
Чтобы создать гидрологический блок, сначала определялось направление стока, затем с использованием цифровой модели местности и многолетних данных об осадках создавалась растровая модель речной сети. Средние месячные температуры и осадки по станциям были интерполированы на регулярную сетку. Поскольку модель MINDER не учитывает роль снежного покрова, был разработан блок, описывающий снеготаяние. Эвапотранспирация была оценена в два этапа. Сначала, с помощью простого уравнения Торнтуайта по данным о средних месячных температурах воздуха вычислялась потенциальная эвапотранспирация. На втором шаге по данным об осадках, потенциальной эвапотранспирации и корневом коэффициенте вычислялась фактическая эвапотранспирация. Корневой коэффициент - это количество фактически доступной воды, находящейся в пределах корневой системы растений, которое зависит от типа растительного покрова и стадии его роста. Так как данные о земельном покрове CORINE не являются сезонными, то для разделения весенней и летней растительности использовались спутниковые изображения Landsat TM, полученные для периода моделирования. Из-за того, что модельный шаг по времени был один месяц, предполагалось, что весь сток происходит за этот период. Индекс BFI использовался, чтобы определить скорость стока и время, за, которое восстанавливался уровень грунтовых вод. Поскольку базовый сток продолжается в почво-грунтах более одного месяца, задавалось его значение на последующие месяцы. Также учитывалось антропогенное влияние, такое как промышленный и сельскохозяйственный водозабор, и воздействие промышленности и горных разработок на полный речной сток. Окончательная модель для диффузного фосфорного загрязнения включала: земельный покров, крутизну склонов, величины месячной и годовой нормы стока.
Деление фосфорной нагрузки на предсказанный общий сток для данного месяца позволяло предсказать значения концентрации в любой точке речной сети.
На основе гидрологического блока модели создавались карты ежемесячного стока для любой области водосбора и ежемесячных расходов для любой точки речной сети. При калибровке сравнивались средние месячные измеренные расходы и значения, предсказанные моделью. Хотя в целом они согласуются, возникли некоторые проблемы. Во-первых, модель завышала влияние тающего снега, что указало на необходимость совершенствования этой части модели. В то же время, для летних месяцев моделируемые значения были ниже измеренных. Большую часть летнего периода поверхностный сток - и таким образом диффузная фосфорная нагрузка -- был нулевым, за исключением локальных пиков. Более совершенный блок эвапотранспирации улучшил бы это несоответствие.
Результатом данного блока явился ряд карт, показывающих накопленные уровни фосфора. Эти растровые карты включили средние месячные величины перенесенного фосфора для любой точки водосборного бассейна р. Загива. Величины средней месячной концентрации фосфора представлены на регулярной сетке для любого пункта речной сети. Сравнение моделируемых и измеренных значений показывает следующее: моделируемые значения обычно соответствуют измеренным на большинстве станций большую часть года; с августа до ноября моделируемые значения очень велики из-за ошибок гидрологического блока. Это характерно для станций в верховьях, где расход низок и концентрация фосфора высока.
Моделируемый двухлетний период был чрезвычайно сух. В летние месяцы обширные области не имели никакого стока фосфора, так что концентрации фосфора были получены, главным образом, из точечных источников. Чтобы показать более типичную прогнозную ситуацию, модель была заново просчитана с использованием данных о средних месячных осадках за последние 40 лет. Этот результат лучше демонстрирует возможности модели.
В заключение можно сказать, что модель гидрологически корректна и хорошо индицирует сток фосфора в реки. В целом, предсказанные значения были близки к измеренным, но есть возможности для усовершенствования модели. Пространственная разрешающая способность данных CORINE (25 гектаров и 44 тематических категории) отвечает требованиям изучения окружающей среды, но их статический характер представляет проблему для гидрологического моделирования. Тем не менее, разновременные спутниковые изображения Landsat TM позволили учесть сезонные изменения растительности. Разработанная Модель полезна для управления средой и способствует ведению устойчивого сельского хозяйства. Оценивая загрязнение фосфором от точечных и рассеянных источников, можно легко моделировать последствия изменений в землепользовании, таких как преобразование пахотных земель в лесные или пастбищные угодья. На более длительном отрезке времени она может помочь найти пути создания более эффективного сельского хозяйства - и менее зависимого от внесения удобрений.