aV东京热强奸精品_久久久这里只有免费精品29_日韩男人的天堂_伊人中文无码综合网

客服電話:400-000-2365

可持續(xù)性約束下開放流域系統(tǒng)氮磷水污染對環(huán)境承載力研究

中國污水處理工程網(wǎng) 時間:2016-5-7 8:50:55

污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本

  1引言

  承載力研究起源于生態(tài)學(xué),最初用于計算草場的最大載畜量.隨著可持續(xù)發(fā)展研究的興起,承載力與環(huán)境學(xué)緊密結(jié)合,形成了多種環(huán)境學(xué)相關(guān)概念,成為研究人類活動與環(huán)境關(guān)系的重要概念.在環(huán)境學(xué)領(lǐng)域,與承載力相關(guān)的概念有生態(tài)承載力、土地承載力、水資源承載力、水環(huán)境承載力、水生態(tài)承載力、大氣環(huán)境承載力和旅游承載力等,這些概念從環(huán)境綜合或環(huán)境要素的角度界定了人類活動與各種資源與環(huán)境的關(guān)系,建立了環(huán)境與人類活動之間的響應(yīng)關(guān)系(王儉等,2005).從一般意義上,環(huán)境承載力是指某一時刻環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類社會、經(jīng)濟(jì)活動的能力閾值,包含承載主體和客體兩個基本要素.然而,環(huán)境承載力是一個相對開放的概念,目前尚無公認(rèn)的統(tǒng)一界定.在各種環(huán)境承載力研究案例中,對承載主體和客體界定的不同在很大程度上決定了環(huán)境承載力的研究內(nèi)容和方法.在承載客體上,不同概念之間的區(qū)別主要在于承載客體表征指標(biāo)上,目前主要分為經(jīng)濟(jì)社會規(guī)模和綜合指數(shù)兩大類,前者往往以人口數(shù)量和地區(qū)生產(chǎn)總值為承載力表征指標(biāo),后者以經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境綜合指數(shù)為指標(biāo).從承載主體上,目前環(huán)境承載力研究多是針對自然資源(如水、土、氣資源)和常規(guī)污染物(化學(xué)需氧量、氨氮、SO2環(huán)境容量)環(huán)境容量開展的,以氮磷營養(yǎng)鹽環(huán)境容量為承載主體的研究相對較少.相對于傳統(tǒng)資源和環(huán)境污染物,區(qū)域氮磷營養(yǎng)鹽變化與糧食生產(chǎn)和消費密切相關(guān),而區(qū)域糧食的輸入與輸出被認(rèn)為影響氮磷變化的重要驅(qū)動力(Lassaletta et al.,2014; Gao et al.,2015),特別是在人口集中的城市地區(qū).然而,目前的環(huán)境承載力研究往往集中于區(qū)域內(nèi)部,以某個區(qū)域的資源環(huán)境和人類活動為研究對象,忽略了區(qū)域內(nèi)外的資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會的交互作用,無法反映現(xiàn)實中存在頻繁物質(zhì)交換的開放系統(tǒng)特點.因此,有必要從開放系統(tǒng)的角度提出一個能夠體現(xiàn)流域內(nèi)外交互作用的環(huán)境承載力概念與方法.流域作為一個開放系統(tǒng),與外界存在密切的資源與環(huán)境交流,其自身可持續(xù)性與其對外界的資源依賴性有密切聯(lián)系.針對當(dāng)前流域環(huán)境承載力研究的不足,本研究基于流域環(huán)境承載力的基本理論與方法,提出了開放系統(tǒng)視角下的流域氮磷環(huán)境承載力的概念與測度方法,并以滇池流域為例,研究了流域內(nèi)外氮磷交互作用下的氮磷環(huán)境承載力.

  2 可持續(xù)性約束下開放流域氮磷環(huán)境承載力的概念與方法

  2.1 概念界定

  在一個封閉流域系統(tǒng)中,流域內(nèi)的人口食品消費完全來自于本地的種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn),沒有食品和飼料的輸入或輸出(圖 1).此時,流域中的氮磷輸入主要是由流域內(nèi)的人類活動控制,流域可承載的人口數(shù)量取決于流域本地的水量與水質(zhì),不需要考慮流域內(nèi)外的營養(yǎng)鹽交換問題.因此,封閉系統(tǒng)的流域氮磷承載力可以被定義為當(dāng)流域水環(huán)境中氮磷含量達(dá)標(biāo)的情況下,流域所能支撐的人口規(guī)模.然而,現(xiàn)實中的流域多為開放系統(tǒng),與外界存在頻繁的物質(zhì)、能量和信息交流,其內(nèi)部的狀態(tài)受到外部環(huán)境的影響和控制.在開放的流域系統(tǒng)中,壓力和承載能力可隨流域內(nèi)外能量、信息和物質(zhì)交換發(fā)生流動,導(dǎo)致流域氮磷營養(yǎng)承載力由流域內(nèi)外共同決定(圖 2).因此,一個開放流域系統(tǒng)的氮磷承載力不僅取決于其內(nèi)部的資源承載力和壓力狀況,流域內(nèi)外的交互作用對其也有重要影響.對氮磷而言,通過食品進(jìn)出口帶來的營養(yǎng)鹽交換問題是導(dǎo)致流域內(nèi)營養(yǎng)鹽輸入變化的重要驅(qū)動力(Lassaletta et al.,2014).故對于開放流域氮磷環(huán)境承載力的界定,必須考慮流域內(nèi)外的營養(yǎng)鹽交換問題.

 

圖1 封閉流域氮磷環(huán)境承載力系統(tǒng)

圖2 開放流域氮磷環(huán)境承載力系統(tǒng)  

        綜上,本研究認(rèn)為流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力是指在流域內(nèi)外氮磷營養(yǎng)鹽交換平衡的前提下,流域水環(huán)境氮磷含量達(dá)標(biāo)情況下所能承載的最大人口規(guī)模.該定義以流域水環(huán)境作為承載主體,以流域內(nèi)人口作為承載客體,承載條件是本地的水環(huán)境中氮磷營養(yǎng)鹽含量不超標(biāo),且流域內(nèi)外營養(yǎng)鹽交換平衡,即不發(fā)生污染轉(zhuǎn)移問題.

  2.2 承載力測度模型

  目前常用的環(huán)境承載力測度模型可以概括為指標(biāo)體系綜合評價法、生態(tài)足跡法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、優(yōu)化方法等4類.其中,指標(biāo)體系綜合評價法是通過將反映經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境質(zhì)量的多種指標(biāo)進(jìn)行綜合成一個指數(shù)或綜合指標(biāo)來評價區(qū)域的承載能力.常用的指標(biāo)體系綜合評價法有P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))、矢量模法、模糊綜合評價法、主成分分析法和模糊物元模型等.指標(biāo)體系綜合評價法主要優(yōu)點是計算結(jié)果的綜合性強(qiáng),計算過程相對簡單;但該方法的結(jié)果通常為單一指數(shù),相對抽象,難以對具體管理實踐形成有效指導(dǎo).生態(tài)足跡法是承載力量化的另一經(jīng)典方法,它是一種從資源的供需角度研究承載力問題的模型,該方法通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方法將區(qū)域的自然資源和人類活動強(qiáng)度折合為標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)性土地面積,通過比較兩者之間的差異判斷承載力狀況.從經(jīng)典生態(tài)足跡法延伸出水資源足跡、污染足跡和碳足跡(等多種概念與模型.生態(tài)足跡的主要特點是方法相對成熟和穩(wěn)健,結(jié)果直觀且易于理解,但缺點是涉及大量生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換參數(shù),在不同區(qū)域應(yīng)用時,面臨本土化參數(shù)缺少問題和不同生產(chǎn)性土地功能替代性的假設(shè)問題.系統(tǒng)動力學(xué)在處理復(fù)雜、非線性和反饋問題上具有一定的優(yōu)勢,近年來在環(huán)境承載力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但該模型的優(yōu)化功能相對較弱.優(yōu)化模型是環(huán)境承載力研究中的另一重要模型,能夠處理非線性、動態(tài)、不確定性、多目標(biāo)等多種復(fù)雜問題,在環(huán)境承載力研究中得到廣泛應(yīng)用.相對于其它模型,優(yōu)化模型的計算結(jié)果與管理實踐聯(lián)系緊密且模型功能較為穩(wěn)健.此外,為綜合不同模型的特點,在環(huán)境承載力測度研究中也出現(xiàn)了大量耦合模型研究與應(yīng)用,如系統(tǒng)動力學(xué)與指標(biāo)體系評價法的耦合,系統(tǒng)動力學(xué)與生態(tài)足跡模型的耦合以及系統(tǒng)動力學(xué)與優(yōu)化模型的耦合.

  環(huán)境承載力量化模型的選擇與概念的界定和研究目的有密切聯(lián)系,不同的承載力研究在側(cè)重點上不同,量化方法也應(yīng)有所區(qū)別.例如,當(dāng)環(huán)境承載力被定義為一種綜合的人類活動強(qiáng)度,綜合評價法可能較為適用.在本研究中,流域氮磷承載力的概念強(qiáng)調(diào)一定約束條件下流域水環(huán)境所能支撐的最大人口規(guī)模,概念中體現(xiàn)了優(yōu)化與約束的要求,可采用優(yōu)化模型進(jìn)行量化.

  根據(jù)本研究的概念界定,流域氮磷環(huán)境承載力是在流域內(nèi)外營養(yǎng)鹽交換平衡和水環(huán)境營養(yǎng)鹽濃度達(dá)標(biāo)的約束條件下,流域可承載的最大人口數(shù)量,在概念上體現(xiàn)了優(yōu)化的要求.因此,本研究基于氮磷環(huán)境承載力概念的基本要素,構(gòu)建了承載力優(yōu)化模型.模型的優(yōu)化目標(biāo)是人口數(shù)量的最大化,決策變量為流域糧食生產(chǎn)規(guī)模和畜禽養(yǎng)殖量,具體模型方程如下:

  (1)優(yōu)化目標(biāo):人口數(shù)量最大化

  (2)約束條件:

  食品與飼料的氮磷輸入不能超過人口遷入帶來的氮輸入,保證流域內(nèi)外氮磷交換平衡,避免發(fā)生氮磷轉(zhuǎn)移污染問題

  食品與飼料的氮磷輸入計算模型

  水體氮磷濃度約束

  河流氮磷負(fù)荷計算模型

  式中,POP為人口數(shù)量(人);NFFNI和NFFPI分別為流域食品與飼料的氮與磷進(jìn)口量(kg);BPOP為流域所在區(qū)域的平均人口密度(人 · km-2);A為流域面積(km2);ANANI是區(qū)域人均氮輸入量(kg · 人-1);ANAPI為區(qū)域人均磷輸入量(kg · 人-1);AGR和LIV分別指流域糧食產(chǎn)量和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模;f1和f2分別為食品與飼料氮和磷進(jìn)口量計算函數(shù),具體方程參見NANI和NAPI計算模型(Hong et al.,2012; Howarth et al.,1996,2012);f3和f4分別指湖泊水質(zhì)模型的氮濃度和磷濃度計算方程;SNC和SPC分別為湖泊氮濃度標(biāo)準(zhǔn)和磷濃度標(biāo)準(zhǔn)(mg · L-1);RNE和RPE分別為流域河流氮和磷負(fù)荷(kg · a-1);NANI和NAPI分別是流域人為氮和磷輸入量(kg · a-1);aN和bN為流域人為氮輸入量和河流氮負(fù)荷回歸模型的系數(shù);aP和bP為流域人為磷輸入量和河流磷負(fù)荷回歸模型的系數(shù).

  3 案例研究(Case study) 3.1 研究區(qū)概況

  滇池流域位于云南省昆明市境內(nèi),地處長江、紅河、珠江三大水系分水嶺地帶(24°29′ N~25°28′ N,102°29′ E~103°01′ E),流域平均海拔1900 m,面積2920 km2,其中滇池面積300 km2(1887.4 m水位).滇池流域涉及昆明市的五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、嵩明縣、晉寧縣、呈貢縣等7個區(qū)(縣),2010年擁有常住人口368萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值為1600億元(當(dāng)年價),以0.7%的土地面積承載了云南省的7.6%的人口和24%的地區(qū)生產(chǎn)總值.滇池自20世紀(jì)80年代以來,在流域人口與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的壓力下,湖體氮磷濃度持續(xù)上升,營養(yǎng)化水平不斷加劇,形成目前周年性水華爆發(fā)特征.經(jīng)過多年的環(huán)境治理努力,湖體有機(jī)污染指標(biāo)COD值出現(xiàn)下降,但氮磷營養(yǎng)物濃度仍然居高不下,成為制約流域可持續(xù)發(fā)展的重要因子.

  3.2 模型結(jié)構(gòu)

  根據(jù)流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力概念,人口規(guī)模最大化是承載力優(yōu)化的主要目標(biāo).在本研究中,為體現(xiàn)人口結(jié)構(gòu)和城鄉(xiāng)差異,人口規(guī)模的構(gòu)成指標(biāo)有兩項:城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口.因此,優(yōu)化目標(biāo)為最大化流域城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口之和.

  式中,i=1,2,3…,7指滇池流域所涉及的7個區(qū)縣,分別指呈貢縣、官渡區(qū)、晉寧縣、盤龍區(qū)、嵩明縣、五華區(qū)和西山區(qū);PURB和PRUR分別指城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口數(shù)量(人).

  流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力的主要約束條件為流域內(nèi)外氮磷交換平衡和湖體水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo),具體如下:

  (1)流域內(nèi)外氮磷交換平衡

  其中,

  (2)滇池氮磷濃度約束,滇池的氮磷濃度計算采用了湖泊水質(zhì)的狄龍模型

  其中,

  (3)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件約束

  耕地面積

  建設(shè)用地面積

  農(nóng)村勞動力約束

  (4)技術(shù)約束

  式中,NFFNIA和NFFNIP分別為流域內(nèi)的動物性蛋白質(zhì)進(jìn)口量與植物性蛋白質(zhì)進(jìn)口量(以N計,kg · a-1);PURB和PRUR分別指流域內(nèi)城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口數(shù)量(人); HNCU和HNCR分別指城鎮(zhèn)人均食品氮消費量和農(nóng)村人均食品氮消費量(kg · 人-1 · a-1); HPCU和HPCR分別指城鎮(zhèn)人均食品磷消費量和農(nóng)村人均食品磷消費量(kg · 人-1 · a-1);ANP表示人類飲食中動物性蛋白質(zhì)比例;A和BPOP分別指滇池流域面積(km2)和區(qū)域(云南省)平均人口密度(人 · km-2);LSP為畜禽養(yǎng)殖規(guī)模(頭);LSNC和LSPC分別指畜禽飼料的氮和磷消費量(kg · 頭(只)-1 · a-1);LSOR為畜禽產(chǎn)品產(chǎn)出率(kg · 頭(只)-1);LSNP和LSPP是畜禽產(chǎn)品的氮含量和磷含量;CPA和CPOR分別指糧食作物播種面積(ha)和單位面積產(chǎn)量(kg · ha-1);ILP為水田比例;CPN和CPP是糧食產(chǎn)品的氮含量和磷含量;NFR為作物固氮系數(shù)(kg · hm-2);FN和FNO分別指氮肥施用量與作物播種面積的回歸系數(shù)及其常數(shù)項;FP和FPO分別指磷肥施用量與作物播種面積的回歸系數(shù)及其常數(shù)項;DEPO為大氣NOy沉降量(kg-N · a-1);IcN和IcP分別為TN和TP的入湖通量(kg · a-1);NANI和NAPI分別為流域人類活動凈氮輸入量和人類活動凈磷輸入量(kg · a-1);RCN和RCP分別指滇池氮和磷的滯留系數(shù);rc和Vc分別為滇池的沖刷速度常數(shù)(水力停留時間的倒數(shù),a-1)和平均水深(m);CN和CP指湖泊總氮和總磷濃度標(biāo)準(zhǔn)(mg · L-1);aN和bN為NANI和河流總氮輸出量的回歸方程系數(shù);aP和bP為NAPI和河流總磷輸出量的回歸方程系數(shù);RRNUn和RRNUp分別為城鎮(zhèn)生活污水的總氮和總磷削減率;DUN和DUP分別為城鎮(zhèn)人均總氮和總磷排放量(kg · 人-1 · a-1);RRNRN和RRNRp分別為農(nóng)村生活污水的總氮和總磷削減率;DRN和DRP分別為農(nóng)村人均總氮和總磷排放量(kg · 人-1 · a-1);MCI為滇池流域各縣區(qū)的耕地復(fù)種指數(shù);LC為單位播種面積的農(nóng)業(yè)就業(yè)人口(人 · ha-1);LR為農(nóng)業(yè)就業(yè)人口與農(nóng)村人口回歸系數(shù);L and P為人均建設(shè)用地面積(km2 · 人-1);L and im為土地面積,m=1,2分別表示耕地和建設(shè)用地;βu和βr分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水收集率;下標(biāo)i、j、k分別為行政區(qū)、畜禽和農(nóng)作物的編號;其他參數(shù)含義同前文.

  3.3 優(yōu)化模型參數(shù)估計

  滇池流域氮磷承載力優(yōu)化模型的參數(shù)主要包括食品與飼料消費、食品與飼料生產(chǎn)、湖泊水環(huán)境模擬、土地利用和污染控制工程等參數(shù).

  (1)氮磷消費與生產(chǎn)參數(shù)

  優(yōu)化模型中的城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的氮磷消費參數(shù)以及畜禽養(yǎng)殖的消費量參數(shù)參見文獻(xiàn).此外,在該優(yōu)化模型中,農(nóng)作物生產(chǎn)模擬部分的參數(shù)還新增了農(nóng)作物播種面積與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量關(guān)系和流域所涉7個縣區(qū)的農(nóng)作物復(fù)種指數(shù),具體參數(shù)取值來源于滇池流域所涉七個區(qū)縣2000—2010年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)的計算.

  (2)氮磷排放與環(huán)境治理參數(shù)

  氮磷排放參數(shù)包括城鎮(zhèn)、農(nóng)村和各種畜禽養(yǎng)殖類型的氮磷排放系數(shù),主要用于計算流域氮磷排放量.滇池流域城鎮(zhèn)與農(nóng)村人口的TN和TP排放系數(shù)取它們的攝入系數(shù),即假設(shè)人的氮磷攝入與排放是相等的(Han et al.,2013; 2014).畜禽養(yǎng)殖的氮磷排放系數(shù)根據(jù)排泄比和攝入水平計算,所用的排泄比數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)(Han et al.,2013; 2014),具體見表 1.本研究主要考慮的環(huán)境治理類參數(shù)為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水收集率和氮磷削減率.對于城鎮(zhèn)生活污水,根據(jù)《昆明市環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)“十二五”規(guī)劃》的數(shù)據(jù),其污水收集率取59%.城鎮(zhèn)生活污水的氮磷削減率參數(shù)是基于滇池流域6個污水處理廠2007—2009年運(yùn)行數(shù)據(jù)計算得到的,經(jīng)計算城鎮(zhèn)生活污水TN和TP的平均削減率分別為61%和88%;根據(jù)滇池流域已經(jīng)建設(shè)的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的數(shù)量與運(yùn)行情況,估算出農(nóng)村生活污水的收集率為7%.農(nóng)村生活污水處理的氮磷削減率根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn),確定TN和TP的削減率分別為55.5%和85.5%.

  .

圖3氮磷交換平衡情景下滇池流域作物的人口(a)與種植的種植分布(b)  

滇池流域的人口最大化承載目標(biāo)是以調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)為前提條件的,由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放強(qiáng)度高,對氮磷營養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)換效率低,滇池流域應(yīng)全面禁止.然而,從最大限度利用耕地資源的角度,滇池流域可以繼續(xù)發(fā)展一定規(guī)模的種植業(yè),但種植結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)以稻谷為主,其次是薯類.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果滇池流域的稻谷和薯類種植規(guī)模應(yīng)當(dāng)分別控制在26648和2047 hm2,五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣的稻谷種植規(guī)模為327、307、1274、936、5766、13894和4143 hm2(圖 3);由于花卉種植對提高農(nóng)業(yè)人口就業(yè)率有顯著促進(jìn)作用,優(yōu)化結(jié)果顯示各縣區(qū)可保留較高的花卉種植面積(28498 hm2),其中五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣的花卉種植規(guī)模為477、3074、6830、1491、8513、5607和2506 hm2;此外,嵩明縣還可保留2047 hm2的薯類種植.

  3.5 外流域調(diào)水情景下的承載力優(yōu)化

  外流域調(diào)水是緩解本地水資源壓力和水環(huán)境質(zhì)量改善的重要措施,調(diào)水可以增加水體的換水周期,從而提高水環(huán)境的自凈能力.滇池流域為解決當(dāng)前嚴(yán)重的水資源短缺和湖泊富營養(yǎng)化問題,實施了牛欄江-滇池補(bǔ)水工程,該工程通過115.6 km長的輸水線路,將牛欄江干流德澤水庫的水引入滇池最大的河流盤龍江,最終進(jìn)入滇池.牛欄江調(diào)水工程是滇池流域水環(huán)境治理的重大項目,根據(jù)規(guī)劃設(shè)置,牛欄江年均向滇池輸水6.0億m3 · a-1.經(jīng)計算,調(diào)水工程實施后,滇池的湖體沖刷系數(shù)r將由0.51 a-1上升到1.02 a-1.

  當(dāng)調(diào)水進(jìn)入滇池后,基于構(gòu)建的優(yōu)化模型,保持滇池湖體氮磷濃度達(dá)標(biāo)和流域內(nèi)外氮磷營養(yǎng)鹽交換平衡為約束,計算出滇池流域可承載的最大人口總量為573萬人,其中城鎮(zhèn)人口為367萬人,農(nóng)村人口為206萬人.五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣的總?cè)丝谝?guī)模分別為54、101、125、63、111、78和40萬人,城鎮(zhèn)化率為80%、44%、74%、85%、60%、67%和36%.與氮磷平衡情景相比,調(diào)水后滇池流域可承載的人口數(shù)量出現(xiàn)了顯著提升,整體上增加了6%,說明在調(diào)水對改善流域的環(huán)境承載力的確可以起到一定效果.從滇池流域各縣區(qū)的承載力水平看(圖 4),不同縣區(qū)的承載力變化方向不一致,其中西山區(qū)和晉寧縣的可承載人口較氮磷平衡情景出現(xiàn)下降,總?cè)丝诜謩e下降1%和20%,主要原因是農(nóng)村人口承載力出現(xiàn)大幅下降;人口承載力提升幅度最大的是盤龍區(qū),達(dá)到40%,其它依次是嵩明縣(15%)和五華區(qū)(10%),而官渡區(qū)和呈貢縣的承載人口規(guī)模變化較小.

 

圖4 外流域調(diào)水情景下滇池流域人口(a)與作物的種植分布(b)

  調(diào)水情景下滇池流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整與氮磷平衡情景較為類似,全面禁止畜禽養(yǎng)殖業(yè),保留部分種植業(yè).該情景下流域種植結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)以稻谷、玉米和花卉為主.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,滇池流域的稻谷、玉米和花卉的總種植規(guī)模應(yīng)當(dāng)分別控制在26648、62379和21617 hm2,其中稻谷種植面積與氮磷平衡情景一致,花卉種植面積略有下降(下降比例為24%).五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣的稻谷種植規(guī)模與氮磷平衡情景一樣,但西山區(qū)、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣應(yīng)發(fā)展玉米種植業(yè),種植面積分別為3721、33644、7765和17249 hm2(圖 4);花卉種植在該情景下僅限于五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)和西山區(qū),種植規(guī)模分別為1787、12608、6830和391 hm2;其它作物類型應(yīng)禁止種植.

  3.6 氮磷回收利用情景下的承載力

  流域的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)既是氮磷的消費者,也是氮磷的生產(chǎn)者,這種特性為氮磷的循環(huán)利用提供了可能.目前,氮磷的循環(huán)利用手段主要是以農(nóng)家肥的形式利用人或畜禽的糞便,一方面降低了對化學(xué)肥料的需求,進(jìn)而減少了流域氮磷輸入強(qiáng)度;另一方面,減少了氮磷進(jìn)入水體的量,弱化了氮磷輸入對水環(huán)境的影響.因此,這種氮磷回收行為在一定程度上閉合了流域的氮磷循環(huán),提高了氮磷利用效率.為研究氮磷轉(zhuǎn)移與流域承載力的關(guān)系,分析了不同氮磷回收利用率(氮磷回收利用量與排放量的比值)下的流域氮磷承載力情況,所得結(jié)果如圖 5所示.

 

圖5 滇池流域承載力與氮磷回收利用率關(guān)系

         當(dāng)流域氮磷回收利用率提高時,滇池流域的可承載人口不斷擴(kuò)大,特別是在氮磷回收利用率為0~50%之間時,可承載人口數(shù)量從538萬人增長到573萬人,由此說明提高氮磷回收利用率有利于增強(qiáng)流域的人口承載能力.然而,這種措施潛力是有限的,當(dāng)?shù)谆厥绽寐食^50%時,流域可承載的人口數(shù)量與氮磷回收利用率不再有響應(yīng)關(guān)系,因為此時流域的人口不受到氮磷濃度約束,而是受流域土地利用的限制.

  3.7 污水外排情景下的承載力

  目前,滇池流域的草海污水外排是削減污染物進(jìn)入滇池的重要措施之一.為進(jìn)一步分析氮磷轉(zhuǎn)移與流域承載力的關(guān)系,本研究模擬了不同污水外排情景下的流域氮磷承載力情況(圖 6).

 

  圖6滇池流域承載力與污水流域外排放率關(guān)系

  污水外排情景下,流域的人口容量最大可擴(kuò)充到573萬人,其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口為367和206萬人.由此說明,簡單的外排污水確實能夠達(dá)到提升承載力的目的.但是從污水外排率與承載人口的關(guān)系看,這種潛力是非常有限的,當(dāng)污水外排率超過70%,即使提高污水外排率,可承載的人口數(shù)量也不會增加,因為此時流域的承載力受到其它約束條件的限制.此外,與調(diào)水情景和氮磷回收利用情景的模擬結(jié)果相比,污水外排情景并不能實現(xiàn)比其它措施更高的承載力目標(biāo).綜上,流域氮磷營養(yǎng)鹽的境內(nèi)外交換對流域自身的承載能力確實有明顯影響,但這種以污染轉(zhuǎn)移為手段的控制措施并沒有顯著的優(yōu)勢.

  在滇池的案例研究中,滇池湖體被概化為一個湖體,沒有區(qū)分草海和外海以及它們的集水范圍.因此,計算所得結(jié)果是基于流域整體的平均情況,今后的研究可進(jìn)一步考慮草海和外海集水范圍的不同,從而制定更具針對性的政策建議.

  4 結(jié)論

  1)以氮磷為湖泊流域的特征污染物,結(jié)合開放系統(tǒng)和環(huán)境承載力的相關(guān)理論,提出了流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力概念,認(rèn)為開放流域的氮磷承載力是指在流域內(nèi)外氮磷營養(yǎng)鹽交換平衡的前提下,流域水環(huán)境氮磷含量達(dá)標(biāo)情況下所能承載的最大人口規(guī)模.該概念彌補(bǔ)了當(dāng)前環(huán)境承載力研究中對流域內(nèi)外交互關(guān)系考慮的不足,為研究人類活動與環(huán)境介質(zhì)中氮磷的關(guān)系提供了一種新的評估手段.

  2)基于氮磷承載力的概念,構(gòu)建了以人口規(guī)模最大化為目標(biāo),以流域內(nèi)外氮磷交換平衡和環(huán)境氮磷濃度達(dá)標(biāo)為約束的承載力優(yōu)化模型.滇池流域的氮磷承載力研究結(jié)果表明,流域的最大的人口承載能力為538萬人,相對于現(xiàn)狀2010年可提升32%.

  3)外流域調(diào)水可在一定程度上提升流域的氮磷環(huán)境承載力.在牛欄江調(diào)水情景下,滇池流域可承載的人口數(shù)量出現(xiàn)了顯著提升,相對于不調(diào)水增加了6%,主要原因是調(diào)水縮短了滇池的換水周期,滇池的湖體沖刷系數(shù)r將由0.51 a-1上升到1.02 a-1.

  4)提高流域氮磷回收利用率有利于提高環(huán)境承載能力.在流域氮磷回收利用率為0~50%范圍內(nèi),滇池流域的氮磷環(huán)境承載力與氮磷回收利用率成正比,可承載人口數(shù)量從538萬人增長到573萬人.然而,這種措施潛力是有限的,當(dāng)?shù)谆厥绽寐食^50%時,流域可承載的人口數(shù)量不受到氮磷濃度約束,而是受流域土地利用的限制.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

  5)污染轉(zhuǎn)移行為能夠?qū)崿F(xiàn)流域氮磷環(huán)境承載力提高的目的,但不具備顯著優(yōu)勢.研究表明在一定的范圍內(nèi)(生活污水流域外排放率0~70%),滇池流域的氮磷環(huán)境承載力與污水外排率成正比.然而,與其他情景相比,污水外排情景并不能實現(xiàn)更高的承載力目標(biāo),說明流域氮磷營養(yǎng)鹽的境內(nèi)外交換對流域自身的承載能力確實有明顯影響,但這種以污染轉(zhuǎn)移為手段的控制措施并沒有顯著的優(yōu)勢,且不利于整體的可持續(xù)發(fā)展.滇池流域的環(huán)境改善應(yīng)立足流域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和污染控制