Математическая модель экосистемы мелкого озера. PClake – экологическая модель мелкого озера, описывающая фитопланктон, высшую растительность и простую. - презентация

1 Математическая модель экосистемы мелкого озера

2 PClake – экологическая модель мелкого озера, описывающая фитопланктон, высшую растительность и простую трофическую цепь в рамках замкнутого цикла биогенных элементов. Мелкое озеро – перемешивание – без учета гидрофизики.

3 Биологический метод борьбы с цветением водорослей в водоеме Биоманипуляция (Шапиро) – контроль цветения водорослей за счет увеличения количества крупных видов зоо путем увеличения количества хищной рыбы.

4 Концептуальная диаграмма трофического каскада

5 Чистая вода На дне растут растения Много хищной рыбы Много зоопланктона Мало водорослей Мутная вода Много водорослей Вода мутная На дне нет растений Мало хищной рыбы Альтернативные устойчивые состояния экосистемы

6 Основная цель – анализ вероятности перехода от состояния «чистой» воды, с доминированием высших растений к состоянию «мутной» воды с доминированием микроводорослей в зависимости от биогенной нагрузки и других факторов.

7 Упрощенная схема двух состояний и доминирующих компонентов в каждом из них

8 Основные взаимодействия в водной экосистеме, оказывающие влияние на мутность.

9 Схематичное изображение области применения модели

10 Основные переменные модели Динамика каждой из этих переменных описывается дифференциальн ым уравнением.

11 Структура модели

12 Основные входные и выходные параметры

13 Калибровка модели

14 Модель показывает, что в зависимости от биогенной нагрузки мелкое озеро может находиться в одном из двух устойчивых состояний: «Чистое» озеро с доминированием макрофитов (высших растений). «Мутное» озеро с доминированием водорослей.

15 Механизмы поддерживающие «чистое» состояние: Донные растения конкурируют с одноклеточными водорослями за азот и фосфор Растения снижают взмучивание донных отложений, стабилизируют дно, тем самым уменьшая мутность и создавая условия для своего роста Растения затрудняют питание рыб питающихся на дне Растения предоставляют условия для роста и размножения хищных рыб и предоставляют убежище для зоопланктона Растения выделяют химические вещества негативно влияющие на рост одноклеточных водорослей.

16 Механизмы поддерживающие «мутное» состояние: Фитопланктон более эффективен в потреблении фосфора Доминирование сине-зеленых, которых плохо выедает зоопланктон Высокая мутность препятствует росту растений Взмучивание донных отложений и биогенных элементов из незащищенных донных отложений поддерживает высокую мутность Относительно низкое выедание фитопланктона из-за отсутствия хищной рыбы и наличия планктоноядной рыбы Цветение водорослей вызывает выход фосфора из осадков (высокий рН, низкое содержание кислорода).

17 Зависимость концентрации фосфора и хлорофилла «а» в озере от нагрузки фосфора Буферная емкость экосистемы Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит не сразу. Критические значения фактора для перехода из одного состояния в другое и обратно различаются!

18 Моделирование динамики доступного фосфора, общего фосфора, хлорофилла «а» микроводорослей и макрофитов в типичном Голландском озере. Первые 20 лет низкая нагрузка фосфора, затем 20 лет высокой нагрузки, затем 20 лет низкой нагрузки. Фосфор в осадках МакрофитыВодоросли Фосфор в воде

19 Использование модели для оценки мер по управлению состоянием водоема: сравнение трех стратегий – снижение нагрузки биоманипуляция оба подхода Макрофиты Фосфор в воде Водоросли

20 Модель «цветения» цианобактерий Кантатского водохранилища (Красноярск-9)

21 Цель разработки модели: прогноз качества воды при различных мероприятиях оздоровляющих водоем, с оценкой их экологической эффективности. Под экологической эффективностью понимается снижение уровня «цветения» цианобактерий в % по отношению к исходному.

22 Карта–схема Кантатского водохранилища

23 Экологический блок модели описывает экосистемные процессы в толще воды и конструируется по данным конкретных исследований и/или по литературным данным в сочетании с выдвигаемыми гипотезами. Блок входных временных рядов содержит информацию об известных внешних характеристиках для данного сценария расчета динамики ЭС и является локальным банком пространственно–временных характеристик. Для предварительного формирования временных рядов, начальных условий и параметров модели используется база данных.

24 Кислород Зоопланктон Железо Кормовые водоросли Синезеленые водоросли Бактериопланктон РОВ Аммонийный азот Нитратный азот Минеральный фосфор Непотребляемая органика НОВ Аэрация * * * * Е – освещенность поверхности водоема; РОВ – растворенное органическое вещество; НОВ – нерастворенное органическое вещество; стрелками обозначены направления потоков вещества и энергии между компонентами экосистемы; * – фотосинтез. E E Блок–схема модели экосистемы Кантатского водоема

25 Гидрологическая модель является двумерной моделью точных стационарных течений для мелкой воды. Структура течений рассчитывается на любой глубине, а затем – общий (суммарный по столбу воды от поверхности до дна) переток от точки к точке (с заданным шагом расчетной сетки). Далее (при сохранении для системы в целом камерного принципа) определяются перетоки между камерами, пропорциональные поверхностям контакта и определяемые рассчитанной выше точной структурой течений.

26

27 Ряд мероприятий, направленных на снижение внешней и внутренней биогенных нагрузок: отведение, или очистка дождевых стоков; ускорение водообмена (например, посредством отсыпки дна = уменьшения глубины = уменьшения объема водохранилища); периодическая «прокачка» водохранилища; снятие иловых отложений и углубление дна.

28 Уменьшение стагнационных явлений: увеличение стокового течения (удаление дорожных насыпей), аэрация водной толщи, которая одновременно будет способствовать перемешиванию водных слоев, специальным образом организованные попуски воды (регламентированные и структурированные по слоям); для этого необходим соответствующим образом организованный створ в плотине.

29 Аэрация водоемов Главная цель аэрации водоема – добавить кислород и вызвать циркуляцию воды.

30 Почему аэрация улучшает качество вода и контролирует рост водорослей? Аэрация влияет на три фактора: кислород, биогенные элементы и температуру. Кислород вызывает рост аэробных бактерий, которые разлагают органическое вещество, поглощают биогенные элементы. Аэрация вызывает циркуляцию в водоеме, разрушает стратификацию и снижает температуру на поверхности водоема. Поступление кислорода на дно озера приводит к тому, что соединения фосфора и железа оседают на дно и снижают концентрации фосфора в воде.

31 Поверхностные распылители Обеспечивают циркуляцию в озерах глубиной до 5 метров. Поднимают воду со дна и распыляют ее на поверхности. Кроме насыщения воды кислородом и создания течений, препятствуют образованию пленок водорослей на поверхности, препятствуют размножению личинок насекомых (комаров).

32 Горизонтальные распылители Подходят для мелких озер (1-4 метра). Создают сильный направленный поток. Хороший выбор когда не нужен или не желателен выброс воды в виде струи. Создают течения в узких или вытянутых водоемах. Также разрушают поверхностные пленки.

33 Диффузные распылители Наиболее эффективны в озерах глубже 5 метров. Но не подходят для слишком глубоких озер. Пузырьки воздуха поднимающиеся со дна перемешивают воды и насыщают ее кислородом.

34 Результаты расчетов: влияние авто– и железнодорожных насыпей Незначительное, в силу слабой проточности водоема, и есть лишь в приплотинной зоне водохранилища; работа по удалению затопленных насыпей не является первостепенной углубление всего водоема или его верхней зоны приводит к увеличению «цветения» в верховье и снижает его интенсивность в нижерасположенных частях;

35 увеличение протока р.Кантат при тех же условиях ее загрязнения заметного положительного эффекта не дает поступления загрязнений с дождевыми стоками, с р.Кантат и от начальных условий не обеспечивают в целом существующего уровня «цветения» по водоему «ликвидация» дна как источника эвтрофикации водоема Дно – важный источник эвтрофикации водоема. Ликвидировать дно можно различными способами: а) аэрированием водной толщи, б) отсыпкой дна, в) снятием определенной толщины слоя донных отложений;

36 5) аэрирование или удаление иловых отложений (уменьшение донной биогенной нагрузки) в целом по водоему приводит к сильному падению уровня «цветения» синезеленых водорослей по всему озеру; донные отложения – фактор, определяющий состояние водоема и качество воды в нем; 6) мероприятия по снижению эвтрофикации водоема следует проводить либо по всему водоему одновременно, либо по частям, но сверху вниз; при этом зоны, охватываемые тем или иным мероприятием (воздействием), должны быть значимы по своим площадям; работы на малых площадях (1–10 га) не приводят к заметному эффекту.

37 Отвод дождевых стоков не эффективен Допустимый уровень Аэрация водоема Исходный Расчет уровней «цветения» цианобактерий (г/м3) для некоторых сценариев водопользования. Сравнение с базовым – исходным вариантом.

38 Очистка на 50% р. Кантат не эффективна Варианты углубления водоема до 1 метра не эффективны Блокирование потока фосфора со дна Допустимыйуровень Исходный Расчет уровней «цветения» цианобактерий (г/м3) для некоторых сценариев водопользования. Сравнение с базовым – исходным вариантом.

39 Анализ экологической ситуации на Кантатском водохранилище (Красноярск-26) при помощи математической модели позволил количественно оценить и ранжировать мероприятия, направленные на улучшение качества воды в водоеме, по их экологической эффективности (в % по отношению к исходному состоянию): элиминация донных отложений или аэрация водоема (эффективность до 50-60%), очистка стоков образующей водоем реки (до 20-25%), работа с начальными (весенние) условиями (до 20-25%), реконструкция плотины (до 10%), отвод городских ливневых стоков (до 3-5 %).