Модели для сельскохозяйственных водосборов
Департамент сельского хозяйства США (USDA) и его научно-исследовательские подразделения ведут активную работу по созданию и развитию комплексных компьютерных моделей для неурбанизированных территорий. Одной из известнейших разработок USDA, и не только в Соединенных Штатах Америки, но и за их пределами, стала моделирующая система Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems (CREAMS).
По пространственному признаку CREAMS относится к мелкомасштабным моделям: однородность территории на всей площади, заложенная в модель, ограничивает использование данной модели пределами одного поля. Гидрологические характеристики (объем стока, пиковый расход, фильтрация, эва-потранспирация. почвенное влагосодержание и просачивание) рассчитываются с суточным шагом по времени, как и эрозия и вынос седиментов за пределы поля (с учетом их фракционного состава, кстати). Модель позволяет производить расчет ливневой нагрузки и средних концентраций растворенных и сорбированных поллютантов в стоке, на взвешенном веществе и в норовых водах корневой зоны растений. До 20 загрязняющих веществ одновременно может быть охвачено при прогонке модели. Агротехнические приемы (разбрызгивание ядохимикатов, внесение удобрений, вспашка и террасирование склонов и т. д.) также могут быть учтены при использовании CREAMS.
Достаточно высокие требования предъявляются к входным данным модели, что является следствием ее непрерывности по времени.
Для моделирования процессов гидрологического цикла необходимы данные о суточном слое осадков, месячные данные о солнечной радиации и температуре воздуха. Для прогнозирования твердого стока и выноса поллютантов необходима информация о характеристиках почв и произрастающих культур.
Большинство параметров модели CREAMS являются физически обоснованными, т. е. они, в принципе, допускают измерение в полевых (лабораторных) экспериментах. Некоторый набор специфических параметров модели, причем в довольно широком диапазоне, можно найти в Руководстве пользователя. Поэтому модель сама по себе калибровки не требует, но обычно эта процедура считается желательной.
Известен опыт применения модели CREAMS отечественными специалистами (в бывшем Советском Союзе) для анализа диффузного загрязнения залива Матсалу (Эстония).
Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems (GLEAMS) была создана в развитие модели CREAMS и считается специализированной версией последней для ненасыщенной зоны. Главными составляющими модели GLEAMS являются блок гидрологии, блок эрозии и седиментации и, наконец, сам «блок пестицидов». Расчет формирования водного стока проводится в данной модели на основе методики Службы охраны почв, модифицированной согласно [Williams, 1975]. Неоднородность почвенного слоя по глубине, которая играет существенную роль при расчете вертикального переноса влаги и пестицидов, учитывается в модели путем разбиения слоя почвы на несколько слоев (от 3 до 12) разной толщины.
Модель для целого водосбора, т. е. модель с рассредоточенными параметрами, была предложена в работе [Beasly and Huggins, 1981]; она получила название Area! Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation (ANSWERS). Модель предназначена для прогнозирования гидрологического и эрозионного отклика сельскохозяйственного водосбора на отдельное гидрометеорологическое событие (ливень). Расчет искомых выходных характеристик проводится на квадратной сетке, достаточно мелкой, чтобы в пределах каждой ее ячейки важнейшие характеристики водосбора можно было считать однородными. По опыту применения модели считается, что оптимальная площадь ячейки - от 1 до 4 га. Для каждого такого элемента моделируются процессы перехвата осадков, инфильтрации, накопления в депрессиях рельефа, поверхностный сток, подповерхностный дренаж, транспорт взвешенных веществ и их седиментация. Значения параметров модели задаются для каждого элемента сетки, так что у пользователя имеется возможность управления степенью неоднородности территории.
Расчеты диффузного загрязнения по биогенным элементам (азоту и фосфору) проводятся на основе корреляционных соотношений между концентрациями биогенов в стоке, выносом взвешенного вещества и объемом стока.
Какой-либо трансформации (потери, обогащение) азотных и фосфорных соединений при их транспортировке по водосбору данная модель не предусматривает.
Отмечается, что ориентированная на отдельное событие - ливень - ANSWERS не способна прогнозировать вынос биогенов талым стоком. Кроме того, вынос с сельскохозяйственного водосбора других поллютантов, пестицидов, в частности, также не может быть рассчитан в рамках этой модели.
Довольно мелкая сетка, которая требуется для прогонки ANSWERS, обусловила некоторые ограничения в применении модели на персональных компьютерах (PC) - их ресурсов, как правило, для больших водосборных бассейнов бывает недостаточно. Но версия программы для IBM-совместимых PC существует и используется для анализа биогенной нагрузки с малых водосборов.
Компьютерная система для крупных водосборов, в которую заложена физически обоснованная модель, была разработана Департаментом сельского хозяйства США. Модель получила название Simulator for Water Resources in Rural Basins (SWRRB) и предназначалась для прогнозирования влияния различных видов землепользования на вынос продуктов почвенной эрозии с сельскохозяйственных территорий.
В SWRRB принимаются во внимание следующие процессы: поверхностный сток и его возможные задержки в депрессиях, эвапотранспирация, испарение из прудов и водохранилищ, седиментация частиц твердого стока, рост сельскохозяйственных культур. Специальный блок программы предназначен для моделирования стока пестицидов.
SWRRB не содержит ограничений на площади изучаемых с ее помощью водосборов. Весь бассейн может быть разбит на отдельные частные водосборы; таких подбассейнов может быть выделено до 10. Для каждого из них расчет стока проводится отдельно в зависимости от количества выпавших на его территории осадков и параметров (гидрологических и хозяйственных) территории. Поверхностный сток рассчитывается по данным о суточном слое осадков; объем поверхностного стока вычисляется с помощью метода Службы охраны почв (SCS-метод). При наличии снега считается, что его таяние происходит, если среднесуточная температура воздуха превышает нулевую отметку (по шкале Цельсия). Вынос твердых веществ оценивается для каждого подбассейна по модифицированному уравнению USLE. Их транспорт в пределах бассейна через систему каналов и водоемов описывается на основе модели, которая была развита в работе и предусматривает осаждение взвешенных частиц и распад поллютантов.
Сток воды с каждого подбассейна в компьютерной системе SWRRB может воспроизводиться с учетом наличия на территории прудов (водохранилищ).
При составлении водного баланса водоема используются эмпирические соотношения, связывающие объем воды в нем и площадь зеркала с количеством испаряющейся и фильтрующейся из него влаги. Инфильтрационная компонента SWRRB использует модель накопления влаги в почве в комбинации с моделью протекания по трещинам (последнее означает, в частности, что разрешается просачивание воды в глубинные слои даже при влажности почвы ниже полевой влагоемкости). Влага, просочившаяся ниже корнеобитаемого слоя, считается «потерянной» для данного подбассейна, но перенос подземных вод может снова обеспечить ее «возврат» в нижележащем подбассейне.
Потенциальная эвапотранспирация оценивается по данным о растительности, величине солнечной радиации, среднесуточной температуре воздуха, параметрах снегового покрова. Испарение влаги из почвы и с поверхности листьев рассчитываются отдельно. Считается, что испарение из почвы полностью определяется влагозапасами в верхнем 30-сантиметровом слое. SWRRB учитывает, что недостаток влаги в корневой зоне должен отражаться на испарении ее растениями. Модель роста растений подсчитывает общую биомассу (за каждый день вегетационного периода) как функцию солнечной радиации и индекса площади листвы.
«Блок погоды» в системе SWRRB может либо обрабатывать имеющиеся данные метеорологических наблюдений, либо прогнозировать осадки на основе вероятностной модели, использующей информацию о дождливости предшествующего периода. Если и такая информация недоступна, то строится модель осадков по данным об их среднемесячной норме на изучаемой территории.
Модель для расчета выноса биогенов (азота и фосфора) взята без изменения из CREAMS. «Блок пестицидов» заимствован у и является, по сути, модификацией подмодели пестицидов системы CREAMS. Распад пестицидов в почве, как и их разложение на воздухе (при применении на листву), описываются экспоненциальными законами, но с различными временами полураспада. Смыв пестицидов с почвы и листьев моделируется с помощью эмпирических соотношений, которые предполагают некое пороговое количество осадков для развития процесса.
Agricultural Nonpoint Source Pollution Model (AGNPS) также является моделью с рассредоточенными параметрами. Модель была разработана Сельскохозяйственной научно-исследовательской службой США при участии Службы охраны почв США и Агентства штата Миннесота по контролю за загрязнением. Благодаря некоммерческому распространению модель была хорошо протестирована - только за первые три года после опубликования работы R. Young et al. [1986] свет увидели результаты пяти исследований по применению модели на разных водосборных бассейнах.
Выше было отмечено, что применение моделей с рассредоточенными параметрами для крупных водосборов сопряжено с определенными трудностями, возникающими из-за большого числа параметров, которые необходимо задавать. Здесь AGNPS имеет некоторое преимущество перед другими моделями такого типа: авторы разработали сравнительно простую модель, которая могла быть просчитана на PC при любой разумной площади водосбора - от нескольких гектаров до 20 000 га и более. Квадратная сетка, на которой задаются параметры модели и проводятся расчеты, может иметь ячейки размером от 0,4 до 16 га. При этом для каждой ячейки требуется задать 22 параметра, среди которых: средние уклоны участков, длины склонов, гидравлические параметры русел, параметры, используемые универсальным уравнением почвенной эрозии USLE (эрозионный потенциал рельефа, хозяйственно-агрономический фактор, эффективность почвозащитных мероприятий), текстура почв, содержание удобрений, овражистость территории.
Основные блоки модели позволяют отслеживать гидрологические процессы, эрозию почв и перенос ее продуктов, транспорт других поллютантов.
Объем стока, как и в системе SWRRB, вычисляется по методу кривых Службы охраны почв. Пиковые расходы в замыкающем створе оцениваются на основе эмпирических соотношений, которые учитывают площадь водосбора, отношение его длины и ширины, уклоны дна и объемы стока. Эрозия рассчитывается для каждой ячейки с помощью модифицированного USLE, причем твердый сток в зависимости от размеров частиц может быть разбит на фракции, перенос которых в руслах происходит с разной эффективностью. В принципе, в системе AGNPS могут приниматься во внимание и некоторые виды точечных источников биогенных веществ и органики, такие как откормочные площадки сельскохозяйственных животных.
Химический блок модели позволяет рассчитывать вынос азота, фосфора и органического вещества, идентифицируемого по ХПК. Отдельно можно анализировать транспорт растворенных и нерастворенных (абсорбированных на взвеси) форм всех поллютантов. Подходы, которые используются в AGNPS для предсказания выноса азота и фосфора с целого водосбора или с его отдельной ячейки были развиты в работе [Frere etal., 1980] и использовались, в частности, в компьютерной модели CREAMS.
Разумеется, содержание идентифицируемого по ХПК органического вещества анализируется только в растворенном виде. Кроме того в модели считается, что перенос растворенной органики в руслах происходит без потерь.
Вычислительная схема в системе AGNPS организована в виде трех циклов. В первом проводятся расчеты для каждой из ячеек равномерной сетки, покрывающей водосбор. Во втором вычисляются объемы стока для ячеек, в которых имеются водоемы, а также вынос продуктов водной эрозии из крайних ячеек (которые не имеют вышележащих по водосбору соседей). И, наконец, в третьем цикле проводится расчет транспорта взвешенных наносов, биогенных элементов и органики.
Интегрированная компьютерная система для исследования риска химического загрязнения подземных вод (как зоны аэрации, так и насыщенной зоны) была разработана Агентством по охране окружающей среды США.
Эта система, названная RUSTIC (Risk of Unsaturated/Saturated Transport of Chemicals), связывала три модели:
- одномерную модель транспорта влаги в ненасыщенной зоне (на основе уравнения Ричардсона),
- двумерную (плановую или вертикальную) модель переноса для зоны насыщения,
- модель переноса пестицидов.
Последняя была разработана ранее и существует также в виде самостоятельной компьютерной модели PRZM (Pesticide Root Zone Model). Остановимся на ней более подробно.
PRZM - одномерная динамическая камерная модель миграции пестицидов в корнеобитаемой зоне и прилежащем к нему ненасыщенном слое почвы. Гидрологическая компонента модели использует для расчета водного стока метод Службы охраны почв (SCS-метод), а вынос эрозионного материала рассчитываются по модели USLE. Эвапотранспирация оценивается либо из экспериментальных данных, либо используется эмпирическая формула.
В химической подмодели рассматриваются разные возможности сельскохозяйственного применения пестицидов - на листья или на почву. Распространение пестицидов одновременно в трех «фазах» (в растворенной и абсорбированной формах и в форме паров в почвенном воздухе) моделируется на основе рассмотрения процессов поверхностного стока, эрозии, распада, испарения, смыва с листвы и переноса в почве (адвекция и дисперсия). Причем пользователь имеет возможность выбрать метод решения уравнений переноса поллю-танта в ненасыщенной зоне: численное разностное решение или метод характеристик. Гидродинамический подход к описанию транспорта пестицидов, который применяется в PRZM, дает возможность рассматривать развитие внут-рипочвенного профиля концентрации при импульсной нагрузке.
Для прогонки модели необходимы следующие метеорологические данные: суточное количество осадков, потенциальная Эвапотранспирация и температура воздуха. В случае изучения летучих пестицидов этот перечень потребуется дополнить также данными о скорости ветра и солнечной радиации. Кроме того, разумеется, нужны данные о характеристиках почв и физико-химических свойствах пестицидов.
Ввиду того, что экологические проблемы применения пестицидов в сельском хозяйстве являются весьма острыми и осознаны уже довольно давно, в мире разработано большое число моделей, которые позволяют исследовать транспорт и трансформацию этих токсичных поллютантов. Многие модели разрабатывались с прицелом на универсальность, то есть должны были прогнозировать распространение пестицидов в неоднородных почвах в разных метеорологических условиях. Однако для верификации подобных моделей следовало бы собрать множество данных полевых и лабораторных экспериментов, чтобы доказать их «работоспособность» в разных климатических условиях, на разных типах почв. Такая масштабная работа потребовала бы значительных затрат.
Отдельные компьютерные программы по моделированию транспорта пестицидов в ненасыщенной зоне были протестированы экспериментально.
Например, в работе [Melanson et al., 1986] в условиях лабораторного эксперимента проводилось сравнение с двумя другими упомянутой выше модели PRZM. Эта же модель PRZM была проанализирована в полевом эксперименте авторами работы [Jones et al., 1986], которые нашли удовлетворительным совпадение расчетных и экспериментальных значений. К. Pennell et al. [1990] использовали данные экспериментальных наблюдений по распространению одного из пестицидов, который применялся на цитрусовых плантациях центральной Флориды, для сравнения с результатами расчетов по пяти компьютерным моделям.
Этим исследованием было показано, что PRZM обеспечивает вполне удовлетворительные прогнозы. Вместе с тем в работе [Pennell et al., 1990] сделан справедливый вывод, что от моделей такого рода не следует ожидать точного воспроизведения профиля концентрации пестицидов в почве, хотя они с приемлемой точностью (около 50%) могут предсказывать и положение «центра масс» поллютанта в почвенном растворе, и общую массу пестицидов, запасенную в почвенном слое.
