可持续性约束下开放流域系统氮磷水污染对环境承载力研究Word格式文档下载.docx
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封闭流域氮磷环境承载力系统
图2开放流域氮磷环境承载力系统
综上,本研究认为流域氮磷营养盐承载力是指在流域内外氮磷营养盐交换平衡的前提下,流域水环境氮磷含量达标情况下所能承载的最大人口规模.该定义以流域水环境作为承载主体,以流域内人口作为承载客体,承载条件是本地的水环境中氮磷营养盐含量不超标,且流域内外营养盐交换平衡,即不发生污染转移问题.
2.2承载力测度模型
目前常用的环境承载力测度模型可以概括为指标体系综合评价法、生态足迹法、系统动力学方法、优化方法等4类.其中,指标体系综合评价法是通过将反映经济、社会、环境质量的多种指标进行综合成一个指数或综合指标来评价区域的承载能力.常用的指标体系综合评价法有P-S-R(压力-状态-响应)、矢量模法、模糊综合评价法、主成分分析法和模糊物元模型等.指标体系综合评价法主要优点是计算结果的综合性强,计算过程相对简单;
但该方法的结果通常为单一指数,相对抽象,难以对具体管理实践形成有效指导.生态足迹法是承载力量化的另一经典方法,它是一种从资源的供需角度研究承载力问题的模型,该方法通过数学转换方法将区域的自然资源和人类活动强度折合为标准的生产性土地面积,通过比较两者之间的差异判断承载力状况.从经典生态足迹法延伸出水资源足迹、污染足迹和碳足迹(等多种概念与模型.生态足迹的主要特点是方法相对成熟和稳健,结果直观且易于理解,但缺点是涉及大量生产力转换参数,在不同区域应用时,面临本土化参数缺少问题和不同生产性土地功能替代性的假设问题.系统动力学在处理复杂、非线性和反馈问题上具有一定的优势,近年来在环境承载力领域得到广泛应用,但该模型的优化功能相对较弱.优化模型是环境承载力研究中的另一重要模型,能够处理非线性、动态、不确定性、多目标等多种复杂问题,在环境承载力研究中得到广泛应用.相对于其它模型,优化模型的计算结果与管理实践联系紧密且模型功能较为稳健.此外,为综合不同模型的特点,在环境承载力测度研究中也出现了大量耦合模型研究与应用,如系统动力学与指标体系评价法的耦合,系统动力学与生态足迹模型的耦合以及系统动力学与优化模型的耦合.
环境承载力量化模型的选择与概念的界定和研究目的有密切联系,不同的承载力研究在侧重点上不同,量化方法也应有所区别.例如,当环境承载力被定义为一种综合的人类活动强度,综合评价法可能较为适用.在本研究中,流域氮磷承载力的概念强调一定约束条件下流域水环境所能支撑的最大人口规模,概念中体现了优化与约束的要求,可采用优化模型进行量化.
根据本研究的概念界定,流域氮磷环境承载力是在流域内外营养盐交换平衡和水环境营养盐浓度达标的约束条件下,流域可承载的最大人口数量,在概念上体现了优化的要求.因此,本研究基于氮磷环境承载力概念的基本要素,构建了承载力优化模型.模型的优化目标是人口数量的最大化,决策变量为流域粮食生产规模和畜禽养殖量,具体模型方程如下:
(1)优化目标:
人口数量最大化
(2)约束条件:
食品与饲料的氮磷输入不能超过人口迁入带来的氮输入,保证流域内外氮磷交换平衡,避免发生氮磷转移污染问题
食品与饲料的氮磷输入计算模型
水体氮磷浓度约束
河流氮磷负荷计算模型
式中,POP为人口数量(人);
NFFNI和NFFPI分别为流域食品与饲料的氮与磷进口量(kg);
BPOP为流域所在区域的平均人口密度(人·
km-2);
A为流域面积(km2);
ANANI是区域人均氮输入量(kg·
人-1);
ANAPI为区域人均磷输入量(kg·
AGR和LIV分别指流域粮食产量和畜禽养殖规模;
f1和f2分别为食品与饲料氮和磷进口量计算函数,具体方程参见NANI和NAPI计算模型(Hongetal.,2012;
Howarthetal.,1996,2012);
f3和f4分别指湖泊水质模型的氮浓度和磷浓度计算方程;
SNC和SPC分别为湖泊氮浓度标准和磷浓度标准(mg·
L-1);
RNE和RPE分别为流域河流氮和磷负荷(kg·
a-1);
NANI和NAPI分别是流域人为氮和磷输入量(kg·
aN和bN为流域人为氮输入量和河流氮负荷回归模型的系数;
aP和bP为流域人为磷输入量和河流磷负荷回归模型的系数.
3案例研究(Casestudy)3.1研究区概况
滇池流域位于云南省昆明市境内,地处长江、红河、珠江三大水系分水岭地带(24°
29′N~25°
28′N,102°
29′E~103°
01′E),流域平均海拔1900m,面积2920km2,其中滇池面积300km2(1887.4m水位).滇池流域涉及昆明市的五华区、盘龙区、官渡区、西山区、嵩明县、晋宁县、呈贡县等7个区(县),2010年拥有常住人口368万人,地区生产总值为1600亿元(当年价),以0.7%的土地面积承载了云南省的7.6%的人口和24%的地区生产总值.滇池自20世纪80年代以来,在流域人口与经济迅速发展的压力下,湖体氮磷浓度持续上升,营养化水平不断加剧,形成目前周年性水华爆发特征.经过多年的环境治理努力,湖体有机污染指标COD值出现下降,但氮磷营养物浓度仍然居高不下,成为制约流域可持续发展的重要因子.
3.2模型结构
根据流域氮磷营养盐承载力概念,人口规模最大化是承载力优化的主要目标.在本研究中,为体现人口结构和城乡差异,人口规模的构成指标有两项:
城镇人口与农村人口.因此,优化目标为最大化流域城镇人口与农村人口之和.
式中,i=1,2,3…,7指滇池流域所涉及的7个区县,分别指呈贡县、官渡区、晋宁县、盘龙区、嵩明县、五华区和西山区;
PURB和PRUR分别指城镇人口和农村人口数量(人).
流域氮磷营养盐承载力的主要约束条件为流域内外氮磷交换平衡和湖体水环境质量达标,具体如下:
(1)流域内外氮磷交换平衡
其中,
(2)滇池氮磷浓度约束,滇池的氮磷浓度计算采用了湖泊水质的狄龙模型
(3)农业生产条件约束
耕地面积
建设用地面积
农村劳动力约束
(4)技术约束
式中,NFFNIA和NFFNIP分别为流域内的动物性蛋白质进口量与植物性蛋白质进口量(以N计,kg·
PURB和PRUR分别指流域内城镇人口和农村人口数量(人);
HNCU和HNCR分别指城镇人均食品氮消费量和农村人均食品氮消费量(kg·
人-1·
HPCU和HPCR分别指城镇人均食品磷消费量和农村人均食品磷消费量(kg·
ANP表示人类饮食中动物性蛋白质比例;
A和BPOP分别指滇池流域面积(km2)和区域(云南省)平均人口密度(人·
LSP为畜禽养殖规模(头);
LSNC和LSPC分别指畜禽饲料的氮和磷消费量(kg·
头(只)-1·
LSOR为畜禽产品产出率(kg·
头(只)-1);
LSNP和LSPP是畜禽产品的氮含量和磷含量;
CPA和CPOR分别指粮食作物播种面积(ha)和单位面积产量(kg·
ha-1);
ILP为水田比例;
CPN和CPP是粮食产品的氮含量和磷含量;
NFR为作物固氮系数(kg·
hm-2);
FN和FNO分别指氮肥施用量与作物播种面积的回归系数及其常数项;
FP和FPO分别指磷肥施用量与作物播种面积的回归系数及其常数项;
DEPO为大气NOy沉降量(kg-N·
IcN和IcP分别为TN和TP的入湖通量(kg·
NANI和NAPI分别为流域人类活动净氮输入量和人类活动净磷输入量(kg·
RCN和RCP分别指滇池氮和磷的滞留系数;
rc和Vc分别为滇池的冲刷速度常数(水力停留时间的倒数,a-1)和平均水深(m);
CN和CP指湖泊总氮和总磷浓度标准(mg·
aN和bN为NANI和河流总氮输出量的回归方程系数;
aP和bP为NAPI和河流总磷输出量的回归方程系数;
RRNUn和RRNUp分别为城镇生活污水的总氮和总磷削减率;
DUN和DUP分别为城镇人均总氮和总磷排放量(kg·
RRNRN和RRNRp分别为农村生活污水的总氮和总磷削减率;
DRN和DRP分别为农村人均总
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- 关 键 词:
- 持续性 约束 开放 流域 系统 水污染 环境 承载力 研究
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