5. Моделирование процесса эвтрофирования водоемов



жүктеу 0.49 Mb.
бет2/2
Дата09.07.2016
өлшемі0.49 Mb.
1   2

5.4. Модели функционирования эвтрофирующихся водоемов

При изучении механизма эвтрофирования чрезвычайно важное значение имеют модельные исследования короткопериодной внутригодовой изменчивости процессов функционирования экосистемы водоема, которые невозможны в рамках стационарнных моделей. Внутригодовая изменчивость экосистемных процессов обусловлена, с одной стороны, процессами внутреннего водообмена, связанные с динамикой водных масс и изменением поля плотности воды водоема под воздействием гидрологических и синоптических факторов, и с другой стороны, высокими скоростями взаимодействия компонентов химической и биохимической природы, определяющих биотрансформацию веществ и активность внутриводоемных биологических процессов. Моделирование процессов функционирования экосистемы базируется на методологии системного анализа и сложные структурные взаимосвязи в экосистеме воспроизводятся на фоне пространственно-временной изменчивости ее компонетов в зависимости от комплекса внешних воздействий. Подобные модели относятся к классу имитационных, или портретных, и разрабатываются на основе законов сохранения и превращения веществ, наиболее существенных переменных, факторов среды и внутриводоемных процессов. Теоретические основы этого направления моделирования в гидроэкологии заложены датским лимнологом С.Йоргенсеном [Йоргенсен, 1985, Jorgensen, 1994], в России впервые задачи управления озерными системами на основе моделирования начал решать В.В.Меншуткин [1971].

Главная особенность моделей экологических процессов состоит в том, что они носят в основном эмпирический характер, т.к. в экологии нет классических уравнений, как, например, в гидродинамике. Поэтому имитационное моделирование предполагает относительную свободу в описании биологических и биохимических взаимодействий в экосистемах, но теоретическая разработанность экологических математических моделей в виде систем дифференциальных уравнений остается на сегодняшний день явно недостаточной. При этом совершенно очевидно, что ни о какой универсальной модели не может быть и речи. Универсальными могут быть только принципы и подходы к построению имитационных моделей экосистем.

Математические модели круговорота веществ в экосистеме и качества воды водоемов всегда содержат как минимум два относительно самостоятельных блока: гидрологический (гидродинамический), определяющий перенос и перемешивание пассивных субстанций в водоеме, и экологический, описывающий кинетику внутриводоемной трансформации неконсервативных переменных состояния экосистемы. Моделирование процессов распространения веществ в водоеме под влиянием течений, процессов турбулентной диффузии и динамики водных масс имеет свою давнюю историю (наиболее полные обзоры этих моделей представлены в работах [Orlob, 1992, Beck, 1987]). Также сравнительно давно разрабатываются модели другого направления в моделировании - модели кинетики химических, биохимических и биологических взаимодействий (обзоры [Айзатуллин, Шамардина, 1980, Straskraba, 1994]). Активное объединение этих направлений при моделировании экосистемных процессов и качества воды в водоемах началось в конце 70-х годов и привело к созданию ряда сложных комплексных моделей, связанных с проблемой эвтрофирования водоемов и позволяющих решать вопросы короткопериодной изменчивости трофического состояния водоемов (табл. 5.6).


Таблица 5.6.

Характеристики гидроэкологических моделей, используемых для диагноза и прогноза эвтрофирования озер и водохранилищ.




Авторы

Название

или первый объект



Характеристика гидрологического блока

Характеристика экологического блока

Источник

Меншуткин

Оз.Дальнее

Двуслойная модель

ОВ, детрит, биогенные вещества, фитопланктон, бентос, рыбы

[Меншуткин, 1973]

Умнов

Оз.Нарочь, оз.Мястро

точечная

Биогенные элементы, кислород, фитопланктон

[Умнов, 1973]

Риллей, Стефан

MINLAKE




Эвтрофирование

[Rilley, Stefan, 1975]

Домбровский




точечная

Формы азота, фитопланктон

[Домбровский, Селютин, 1975]

Страшкраба

AQUAMOD-1

Нульмерная

Эвтрофирование




Скавиа, Парк и др.

MS CLEANER

Резервуарная

Циклы биогенных элементов, фитопланктон, зоопланктон

[Skavia, Park, 1976]

Андерсон

DRM-2

Три слоя

ОВ, формы азота, фосфаты, неорганический углерод, детрит, кислород

[Anderson et al. 1976]

Томанн

Оз.Онтарио

Плановая гидродинамика

фитопланктон

[Томан, 1979]

Дворакова и Козерски

AQUAMOD-3

Три слоя (эпи- гиполимнион, донные отложения

Фосфор, две группы фитопланктона, зоопланктон

[Dvorakova, Kozerski, 1979]

Cтефан, Кардони

RESQUAL-II

Двумерная плановая гидродинамика




[Stefan, Cardoni, 1982]

Бендорф, Рекнагель

SALMO

Двумерная плановая гидродинамика

Фосфор, фитопланктон, зоопланктон

[Bendorf, Recknagel, 1982]

Коллектив авторов

CE-QUAL-R1

Одномерная вертикальная

17 переменных: биологических и химических

[CE-QUAL-R1…, 1982]

Коллектив авторов

CE-QUAL-W2

Двумерная вертикальная

12 переменных

[Cole, Buchak, 1985]

Амброуз

WASP-4

Одномерная вертикальная

Эвтрофирование

[Ambrose et al., 1988]

Леонов




Боксовая, нульмерная

5 форм фосфора

[Леонов, 1989]

Гамильтон

DIRESM-WQ

Гидродинамическая основа – модель Имбергера-Паттерсона

Биогенные элементы, органическое вещество

[Hamilton, 1992]

Воинов, Тонких

Оз.Плещеево

Плановая гидродинамика

21 переменная

[Воинов, Тонких, 1988]

Коллектив авторов

Оз.Ладожское

Модель экосистемы озера

7 переменных

[Астраханцев и др. 1992]

Пуклаков В.В.

ТМО долинных водохранилищ

Боксовая квазидвумерная в вертикальной плоскости, адаптитрованная к морфологически сложному водохранилищу

Фосфор, кислород

[Пуклаков, 1987, 1999]

Экологические модели преследуют цель воспроизведения короткопериодной пространственно-временной изменчивости компонентов экосистемы и ее трофического состояния в целом или в отдельных частях экосистемы. Однако все они требуют специальной, индивидуальной настройки на тот водоем, к которому они применяются, поскольку, во-первых, нужна детальная морфометрическая характеристика водоема, во-вторых, диапазон многочисленных эмпирических коэффициентов, использующихся в экологических блоках моделей, достаточно велик. Основная трудность при создании модели водной экосистемы для конкретного водоема состоит в подборе адекватных зависимостей и эмпирических коэффициентов для описания биологических и биохимических взаимодействий в водоеме. Наиболее надежный путь преодоления этой трудности состоит в использовании коэффициентов, полученных в результате экспериментальных работ непосредственно на моделируемом водоеме.

В большинстве моделей формирования качества воды в водоемах все же делается акцент на один из основных блоков, причем чаще всего предлагается явно упрощенное описание гидродинамики и внутреннего водообмена. Наиболее сбалансированы эти блоки в последних версиях моделей CE-QUAL-R1 и CE-QUAL-W2. Только эти модели, а также модель тепломассообмена водохранилищ (ТМО) учитывают специфику водохранилищ при моделировании процессов многометровых колебаний уровня и переноса воды и веществ в разных слоях водной толщи с учетом поверхностных и донных водосброов, шлюзования. Модель ТМО кроме того, позволяет рассчитывать внутренний водообмен многолопастных, морфологически сложных водохранилищ, включающих несколько протяженных заливов в затопленных речных долинах своих притоков.

К сожалению, в литературе почти не рассматриваются ни методические подходы к тестированию моделей, ни результаты детальных проверок этих моделей, совершенно необходимых для обоснования доверия к получаемым с помощью этих моделей результатам. Некоторые результаты практических применений моделей CE-QUAL-R1 и CE-QUAL-W2, приводимые в литературе [Diogo, Rodrigues, 1997, Wlosinski, 1985, Martin, Wlosinski, 1986], ограничиваются визуальным сравнением наблюдаемых и расчетных характеристик. Не рассматриваются в них в полной мере вопросы валидации модели, под которой понимается статистическая оценка погрешности расчета, выполненных на основе независимых данных наблюдений с применением различных численных критериев, например, широко применяемого в экологическом моделировании критерия Тэйла [1971]. В этом отношении заметно отличается модель ТМО, неоднократно проверявшаяся по результатам наблюдений на водохранилищах с использованием различных подходов и специальных экспериментов. Многоэтапной статистической оценкой погрешностей расчетов по этой модели было убедительно показано, что модель ТМО позволяет получить результаты лимнологических расчетов близкие к пределу их проверяемости даже по материалам специальных учащенных наблюдений [Даценко и др., 2005]. Такие статистические проверки моделей должны стать необходимым элементом построения моделей и обязательным условием и доказательством их практического применения.







1   2


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет