Математическое моделирование трансформации соединений биогенных элементов в экосистемах нестратифицированных водоемов презентация

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭКОСИСТЕМАХ НЕСТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОЕМОВ (на примере Невской губы Финского залива) Подгорный К.А. Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Фундаментальный вопрос: какова роль живого вещества водных экосистем в осуществлении процессов трансформации и круговорота соединений важнейших биогенных элементов (C, N, P, Si)

В данном исследовании разработана имитационная математическая модель, которая может использоваться для изучения экологических условий функционирования экосистем нестратифицированных водоемов

В полном объеме (то есть с применением всех заложенных в имитационной модели возможностей моделирования формирования структуры течений, расчета тепловых потоков и полей температуры воды, исследования процессов биотрансформации форм азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода) модельные исследования были выполнены для экосистемы Невской губы Финского залива

Основные особенности Невской губы

Основные особенности Невской губы на формирование ее водной массы значительное влияние оказывает Ладожское озеро, воды которого со стоком р. Невы поступают в Невскую губу в объеме 24002500 куб. м/с; кратность годового водообмена за счет притока речных вод равна 66, что обеспечивает обновление воды в ней в среднем за 56 суток, а в центральной транзитной зоне почти вдвое быстрее; Невская губа – мелководный водоем с преобладающими глубинами 35 м, интенсивным ветровым перемешиванием водных масс, разнообразными внутриводоемными процессами биогидрохимической трансформации;

Основные особенности Невской губы велико влияние Балтийского моря, которое сказывается на изменении солености и температуры воды, изменениях уровня воды и структуры биологических сообществ; Невская губа - район с высоким уровнем техногенной нагрузки на окружающую среду; на экосистему Невской губы оказывает влияние строящийся комплекс водозащитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводнений; чрезвычайно высока пространственно-временная изменчивость качества воды.

ИМЕЮЩИЙСЯ ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ НЕВСКОЙ ГУБЫ ФИНСКОГО ЗАЛИВА с помощью экологических моделей (чаще всего боксовых) количественно оценивались конкретные экологические ситуации в Невской губе при различных гидрометеорологических условиях и антропогенной нагрузке. Для моделирования структуры течений использовались различные варианты численных трехмерных моделей циркуляции жидкости в водоеме произвольной формы

ИМЕЮЩИЙСЯ ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ НЕВСКОЙ ГУБЫ ФИНСКОГО ЗАЛИВА существующие модельные разработки не объединены ни общей задачей, ни общей целью, а решают свои узконаправленные задачи; оценок воздействий на экосистему акватории в этих моделях, как правило, нет; совершенно нет исследований, относящихся к моделированию внутри- и межгодовой динамики наиболее важных компонентов экосистемы Невской губы.

Цели работы на основе всестороннего системного анализа данных наблюдений и сведений, опубликованных в литературных источниках, разработать имитационную, пространственно-неоднородную модель экосистемы Невской губы, которая: учитывает основные взаимодействия как природных, так и антропогенных факторов, их совместное влияние на водную экосистему; отражает важнейшие пути трансформации биогенных элементов (азота и фосфора) и особенности динамики растворенного в воде кислорода;

Цели работы путем численных экспериментов исследовать наиболее важные закономерности биотрансформации и круговорота соединений азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода, количественно оценить процессы, определяющие продукционный потенциал Невской губы.

Задачи исследования обобщить имеющуюся информацию о состоянии экосистемы Невской губы Финского залива и современных тенденциях ее изменения, обеспечить модель входными гидрологическими, гидрометеорологическими, гидрохимическими и гидробиологическими данными, провести анализ данных наблюдений с использованием метода главных компонент;

Задачи исследования выделить основные функциональные блоки пространственно-неоднородной имитационной математической модели для исследования процессов биотрансформации форм азота, фосфора и динамики растворенного кислорода в водах Невской губы, разработать их структуру, осуществить алгоритмическую и программную их реализацию, обеспечить согласование блоков между собой и с имеющимися данными наблюдений;

Задачи исследования путем численных экспериментов исследовать: наиболее важные закономерности трансформации и круговорота соединений азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода, оценить адекватность модели, рассчитать продукционный потенциал экосистемы Невской губы;

Задачи исследования выявить основные особенности внутригодовой и межгодовой изменчивости концентраций соединений азота и фосфора; исследовать среднемноголетнюю динамику балансов биогенных веществ в экосистеме Невской губы.

Общее описание структуры имитационной модели Основные блоки модели гидродинамический - для расчета нестационарной, осредненной по вертикали структуры течений в водоемах; гидротермодинамический - для расчета фотопериода, составляющих теплового баланса и температурного режима водоема; гидрооптический - для расчета оптических характеристик водной толщи; блок для описания процессов биотрансформации соединений азота и фосфора в водоеме и динамики растворенного в воде кислорода; блок для расчета времени оборота и потоков вещества между выделенными модельными компонентами экосистемы; блок для выполнения процедуры оценивания параметров имитационной модели.

Расчетная область (естественные условия)

Распределение глубин в пределах расчетной области

Схема расположения постоянных станций наблюдений в пределах акватории Невской губы

Примеры расчетов течений

Примеры расчетов течений

Примеры расчетов течений

Примеры расчетов течений

Примеры расчетов течений (проектные условия)

Примеры расчетов течений (проектные условия)

Примеры расчетов температуры воды

Примеры модельных полей средней по вертикали температуры воды

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (19.05.87)

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (25.06.87)

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (23.07.87)

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (06.08.87)

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (17.09.87)

Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (20.10.87)

Как оценить точность модельных расчетов?

Критерий Тейла

Критерии Тейла (для температуры)

Блок для описания процессов трансформации соединений азота и фосфора в водоеме и динамики растворенного в воде кислорода

Система уравнений адвекции, турбулентной диффузии и трансформации веществ химико-биологического комплекса с конвективными слагаемыми в недивергентной форме

Граничные условия

Общая схема расщепления На первом этапе интегрирования системы уравнений на временном интервале решаются уравнения переноса химических и биологических субстанций вдоль траекторий частиц (уравнения адвекции):

Общая схема расщепления На втором этапе на том же временном интервале решаются уравнения, описывающие процессы гравитационного оседания взвесей:

Общая схема расщепления На третьем этапе на том же временном интервале решаются уравнения турбулентного обмена субстанций:

Общая схема расщепления На последнем, четвертом этапе решается система уравнений, описывающая локальные химико-биологические превращения субстанций:

Математическое описание модели трансформации соединений азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода При разработке этой части модели большая помощь была оказана вед. н. с. Института океанологии РАН, д.х.н., проф. А.В. Леоновым, которому автор приносит свою искреннюю благодарность.

Назначение модели изучение внутригодовой пространственно-временной динамики химических и биологических показателей состояния водной среды; расчет скоростей процессов, ответственных за изменение концентраций веществ; расчет внутренних и внешних потоков веществ в различных районах исследуемых экосистем; расчет времени оборота всех рассматриваемых в модели химических и биологических компонентов; изучение реакции изучаемой экосистемы на изменение водного режима и биогенной нагрузки на водоем.

Цикл азота

Цикл фосфора

Запас взаимозаменяемых соединений азота:

Запас взаимозаменяемых соединений фосфора:

Максимальные скорости потребления соединений биогенных элементов:

Коррекция максимальных скоростей потребления веществ в зависимости от условий освещенности:

Удельные скорости потребления соединений биогенных элементов гидробионтами:

Скорости потребления отдельных азотсодержащих субстратов гетеротрофными бактериями:

Суммарные скорости потребления соединений азота гидробионтами:

Суммарные скорости потребления соединений фосфора гидробионтами:

Коэффициенты выделительной активности гидробионтов (цикл азота):

Скорости метаболических выделений гидробионтами соединений азота:

Скорости метаболических выделений гидробионтами соединений фосфора:

Удельные скорости смертности гидробионтов (цикл азота):

Расчет коэффициентов трансформации веществ:

Расчет коэффициентов трансформации веществ:

Уравнения модели

Уравнения модели

Уравнения модели

Уравнения модели

Уравнения модели

Расчет концентрации сестона и определения характеристик прозрачности воды

Расчет концентрации сестона и определения характеристик прозрачности воды

Процентный вклад компонентов во взвешенном органическом веществе (данные моделирования)

Процентный вклад компонентов во взвешенном органическом веществе (данные моделирования)

Средние за сезон величины времени оборота химических и биологических компонентов экосистемы (в сутках)

Средние за сезон величины времени оборота химических и биологических компонентов экосистемы (в сутках)

Процентный вклад минеральных компонентов азота (данные моделирования)

Пределы пространственной изменчивости средних концентраций некоторых химических показателей качества воды Невской губы по данным расчетов по модели и непосредственных наблюдений в разные годы

Внутригодовая изменчивость отношения Nmin/DIP (данные моделирования)

Внутригодовая изменчивость отношения Norg/Porg (данные моделирования)

Внутригодовая изменчивость отношения Ntot/Ptot (данные моделирования)

Примеры модельных полей химических и биологических компонентов модели

Средние по биотическим компонентам экосистемы критерии Тейла

ВЫВОДЫ Разработана экологически полноценная пространственно-неоднородная имитационная математическая модель водных экосистем нестратифицированных водоемов, которая позволяет проводить всесторонние исследования процессов биотрансформации форм азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода. Модель учитывает основные взаимодействия как природных, так и антропогенных факторов, их совместное влияние на водную экосистему. Осуществлена практическая реализация данной модели для условий НГ Финского залива Балтийского моря

ВЫВОДЫ Применение математической модели позволило провести детальный анализ распределения концентраций биогенных веществ по акватории НГ и выявить основные качественные и количественные особенности формирования их пространственно-временно́й изменчивости. Впервые такое исследование было проведено системно для всего вегетационного периода и сразу для нескольких лет, по которым имеются подробные систематические наблюдения (период 1984–1987 гг.)

ВЫВОДЫ Расчеты по модели показали, что экосистема НГ Финского залива – чрезвычайно изменчивая во времени и по пространству динамическая система. Выявлено, что значения средних концентраций биогенных веществ для одного и того же периода времени в разные годы могут отличаться в несколько раз. Формирование неоднородного распределения концентраций компонентов экосистемы НГ происходит под влиянием совместного действия ряда биотических и абиотических факторов, значимость которых существенно изменяется по пространству и во времени

ВЫВОДЫ Показано, что содержание соединений N и Р в воде НГ не может ограничивать увеличение биопродуктивности этой акватории. Однако вклад первичной продукции фитопланктона в общее поступление органического вещества невелик, что, скорее всего, связано с достаточно низкой прозрачностью воды в НГ. Роль зоопланктона в экосистеме НГ невелика. Результаты моделирования и данные наблюдений показывают, что основная причина интенсивного развития гетеротрофных микроорганизмов в водах НГ – значительное поступление аллохтонного органического вещества из внешних источников

ВЫВОДЫ Данные моделирования позволили дать предварительную оценку о возможном влиянии строящегося КЗС г. Санкт-Петербурга от наводнений на пространственно-временну́ю динамику полей химических и биологических компонентов экосистемы НГ. Показано, что при открытии всех водопропускных и судопропускных отверстий, влияние КЗС в целом невелико. Оно во многом зависит от текущих гидрометеорологических условий и гидрологической ситуации в губе и если проявляется, то прослеживается на расстоянии не более 2-5 км от КЗС

Спасибо за внимание