Математическая модель экосистемы мелкого озера

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.

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.

Концептуальная диаграмма трофического каскада

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

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.

Упрощенная схема двух состояний и доминирующих компонентов в каждом из них

Основные взаимодействия в водной экосистеме, оказывающие влияние на мутность.

Схематичное изображение области применения модели

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

Структура модели

Основные входные и выходные параметры

Калибровка модели

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.

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.

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).

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!

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

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

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

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.

Карта–схема Кантатского водохранилища

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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).

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.

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.

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;

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;

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.

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.

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.

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 %).