Математическое моделирование трансформации соединений биогенных элементов в экосистемах нестратифицированных водоемов

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЭКОСИСТЕМАХ НЕСТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОЕМОВ (на примере Невс

Экологический мониторинг. Часть VIII.
Современные проблемы мониторинга пресноводных экосистем
Глава XI
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

2. Фундаментальный вопрос: какова роль живого вещества водных экосистем в осуществлении процессов трансформации и круговорота соединений в

Фундаментальный вопрос:
какова роль живого вещества
водных экосистем в
осуществлении процессов
трансформации и круговорота
соединений важнейших биогенных
элементов (C, N, P, Si)
2

3. В данном исследовании разработана имитационная математическая модель, которая может использоваться для изучения экологических условий ф

В данном исследовании разработана
имитационная математическая модель,
которая может использоваться для
изучения экологических условий
функционирования экосистем
нестратифицированных водоемов
3

4. В полном объеме (то есть с применением всех заложенных в имитационной модели возможностей моделирования формирования структуры течений, р

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
4

5. Основные особенности Невской губы

5

6. 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;
6

7. 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. СанктПетербурга от наводнений;
• чрезвычайно
высока
пространственно-временная
изменчивость качества воды.
7

8. ИМЕЮЩИЙСЯ ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ НЕВСКОЙ ГУБЫ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

ИМЕЮЩИЙСЯ ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ
Такие модели не описывают переходные состояния
МОДЕЛЕЙ ДЛЯ НЕВСКОЙ ГУБЫ
водных экосистем, в них нет корректного
ФИНСКОГО
ЗАЛИВА
описания трансформации
биогенных веществ, поскольку водная
сОднако
помощью
экологических
моделей
(чаще
сейчас
явно
обозначился
разрыв
экосистема
–
это
полисубстратная
система.
всего боксовых) количественно
между
уровнями
проработки
отдельных
Именно
поэтому
в
указанных
оценивались
конкретные
экологические
все эти работы, несомненно, работах
сыграли
блоков
такой
модели.
ситуации
в Невской
губеОчевидно,
при различных
не удалось
решить
задачи
по что
положительную
роль
в формировании
гидрометеорологических
условиях
и
возможности
исследованию
внутри- практического
и межгодовой
динамики
антропогенной
нагрузке.
Для
представлений
и
выработке
применения
модели
во
многом
имоделирования
балансов компонентов
экосистемы.
структуры
течений
общей
концепции
по разработке
модели
определяются
именно
использовались
различные
варианты
адекватной
формализацией
трехмерных
моделей
экосистемы
Невскойизучения
губы. циклов
Особенночисленных
остро
стоит
проблема
циркуляции
жидкости
в водоеме
процессов
совместной
трансформации
конкретных
биогенных
элементов
в Невской губе
произвольной
формы
форм
биогенных элементов

9. 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
внутрии
межгодовой
динамики наиболее важных компонентов
экосистемы Невской губы.
9

10. 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;
10

11. 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.
11

12. 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;
12

13. 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;
13

14. 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;
14

15. Задачи исследования

выявить
основные
особенности
внутригодовой и межгодовой изменчивости
концентраций соединений азота и фосфора;
исследовать среднемноголетнюю динамику
балансов биогенных веществ в экосистеме
Невской губы.
15

16. Общее описание структуры имитационной модели Основные блоки модели

1.
2.
3.
4.
5.
6.
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.
16

17. Расчетная область (естественные условия)

Северные ворота
Л исий Н ос
Л ахта
о. К отлин
300 куб м/с
400 куб м/с
Южные ворота
М алая Н евк а
М алая Н ева
С а н к т -П е т е р б у р г
Дамбы Морского
канала
1900 куб м/с
Н ева
Л ом оносов
П етродворец
С трельна
17

18. Распределение глубин в пределах расчетной области

18

19.

Проектные условия
C 2 B 4
B 3
о. К отлин
770 1200
600
B 5
1200
Данные моделирования
Л.А. Руховца, 1982 год
B 6
720
Л исий Н ос
Л ахта
1404 куб м/с
C 1 3200
54%
B 2 1200
B1
300 куб м/с
400 куб м/с
М алая Н евк а
М алая Н ева
С а н к т -П е т е р б у р г
720
1196 куб м/с
46%
1900 куб м/с
Н ева
Л ом оносов
П етродворец
С трельна
Площади водопропускных и судопропускных отверстий
даны в квадратных метрах
19

20. Схема расположения постоянных станций наблюдений в пределах акватории Невской губы

Л исий Н ос
42
о. К отлин
Л ахта
12a
15
12
16
7
М алая Н ева
2
13
17
М алая Н евка
1
С а н к т -П е т е р б у р г
9
39
17a
Л ом оносов
14
14a
П етродворец
30
10
11
11a
25
Н ева
5
6
С трельн а
20

21. Примеры расчетов течений

5,75 м/с
21

22. Примеры расчетов течений

4,6 м/с
22

23. Примеры расчетов течений

6,9 м/с
23

24. Примеры расчетов течений

9,2 м/с
24

25. Примеры расчетов течений (проектные условия)

9,2 м/c
25

26. Примеры расчетов течений (проектные условия)

6,9 м/c
26

27. Примеры расчетов температуры воды

Т е м п е р а т ур а в о д ы (гр а д . С )
Примеры расчетов температуры воды
Модель
Данные наблюдений
1984 год
25
20
15
10
5
0
110
Пределы многолетней
изменчивости
160
210
260
Юлианская дата
1
2
3
310
27

28. Примеры модельных полей средней по вертикали температуры воды

Для построения полей температуры
в пределах расчетной области
нами использовался пакет
Surfer, v. 8.05 (Golden Software, Inc.)
28

29. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (19.05.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трел ьн а
29

30. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (25.06.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трел ьн а
30

31. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (23.07.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трел ьн а
31

32. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (06.08.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B 6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трельн а
32

33. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (17.09.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B 6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трельн а
33

34. Примеры расчетов пространственного распределения температуры воды (20.10.87)

B 3
C 2 B 4
B 5
Проектные условия
B 6
Л и сий Н ос
Л ахта
о. К отлин
М алая Н евка
C 1
М алая Н ева
B 2
С а н к т -П е т е р б у р г
B1
Н ева
Л ом он осов
П етродворец
С трельн а
34

35. Как оценить точность модельных расчетов?

35

36. Критерий Тейла

f p
N obs
Tobs T
i 1
2
sim i
N obs
T
i 1
2
obs i
N obs
T
i 1
2
sim i
Значение критерия Тейла меняется от нуля до
единицы. Чем оно ближе к нулю, тем лучше
модельные расчеты соответствуют данным
наблюдений.
36

37. Критерии Тейла (для температуры)

Год/Месяц
V
VI
VII
VIII
IX
X
1984 0,0548 0,0307 0,0560 0,0456 0,0707 0,0927
1985
1986
1987
0,1437 0,0599 0,0527 0,0633 0,0651 0,0877
0,0802 0,0455 0,0722 0,0368 0,1277 0,0758
0,2093 0,1213 0,0583 0,0640 0,0613 0,0983
37

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

38

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

Система уравнений адвекции, турбулентной
диффузии
и полей
трансформации веществ химикоТрансформация
компонентов
экосистемы,
биологического
комплекса с конвективными
обусловленная
процессами
слагаемыми
в недивергентной форме
совместной трансформации
соединений азота и фосфора, а
C nдинамики
t U C n x V C n
также
I
растворенного в воде
кислорода
y Ws n C n z
III
A n C n Fn t , C1 , ..., C n , n 1, N
II
Трансформация полей
компонентов экосистемы,
обусловленная процессами
гравитационного оседания
взвешенных веществ
IV
Трансформация полей
компонентов
экосистемы,
Трансформация
полей
обусловленная
их
компонентов
экосистемы,
адвективным
обусловленная
переносом
турбулентной
диффузией
39

40. Граничные условия

•Твердый контур, створы вытекающих рек и открытая граница – условие
равенства нулю производной по направлению внешней нормали n к границе
водоема:
C n n 0
•Створы втекающих рек – условие вида
C n n Vn C n C n _ river 0
40

41. Общая схема расщепления

1.
На первом этапе интегрирования системы уравнений на временном
интервале t k , t k решаются уравнения переноса химических и
биологических субстанций вдоль траекторий частиц (уравнения
адвекции):
C n t U C n x V C n y 0, n 1, N
с начальным условием
C kn 1 4 t k C kn
41

42. Общая схема расщепления

2.
На втором этапе на том же временном интервале решаются
уравнения, описывающие процессы гравитационного оседания
взвесей:
C n t Ws n C n z 0, n 1, N
с начальным условием
k 2 4
C n _ PM
tk
k 1 4
C n _ PM
tk
Для растворенных веществ принимается равенство
4
4
C kn _2DM
t k C kn _1DM
tk
42

43. Общая схема расщепления

3.
На третьем этапе на том же временном интервале решаются
уравнения турбулентного обмена субстанций:
C n t A n C n , n 1, N
с начальным условием
C kn 3 4 t k C kn 2 4 t k
43

44. Общая схема расщепления

4.
На последнем, четвертом этапе решается система уравнений,
описывающая локальные химико-биологические превращения
субстанций:
C n t Fn t , C1 , ..., C n , n 1, N
с начальным условием
C kn 1 t k C kn 3 4 t k
44

45. 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.

46. 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.
46

47. Цикл азота

47

48. Цикл фосфора

48

49. Запас взаимозаменяемых соединений азота:

для гетеротрофных бактерий N
Pool Bacteria
Pref Bacteria,DON CDON Pref Bacteria,N_detr C N_detr
=1
для фитопланктона N
Pool Algae
Pref Algae,NH C NH Pref Algae,NO C NO
4
4
2
2
Pref Algae,NO C NO Pref Algae,DON CDON
3
3
для простейших N
N
N
Pool Protozoa
Pref Protozoa, N_Bacteria BBacteria
Pref Protozoa,N_Algae BAlgae
Pref Protozoa,DON CDON Pref Protozoa,N_detr C N_detr
для зоопланктона N
N
N
Pool Zoopl
Pref Zoopl,N_Bacteria BBacteria
Pref Zoopl,N_Algae BAlgae
N
Pref Zoopl,N_Protozoa BProtozoa
Pref Zoopl,N_detr C N_detr
49

50. Запас взаимозаменяемых соединений фосфора:

для гетеротрофных бактерий -
Pool PBacteria Pref Bacteria,DOP C DOP Pref Bacteria,DIP CDIP Pref Bacteria,P_detr CP_detr
для фитопланктона -
Pool PAlgae Pref Algae,DOP C DOP Pref Algae,DIP C DIP
для простейших -
Pool PProtozoa Pref Protozoa,P_Bacteria B PBacteria Pref Protozoa,P_Algae B PAlgae
Pref Protozoa,DOP C DOP Pref Protozoa,P_detr C P_detr ;
для зоопланктона -
Pool PZoopl Pref Zoopl,P_Bacteria B PBacteria Pref Zoopl,P_Algae B PAlgae
Pref Zoopl,P_Protozoa B PZoopl Pref Zoopl,P_detr C P_detr .
50

51. Максимальные скорости потребления соединений биогенных элементов:

для гетеротрофных бактерий -
Uptake max
Bacteria Tw , Isurf Uptake max Bacteria f Tw Bacteria f Isurf Bacteria
для фитопланктона -
Uptakemax
Algae Tw , Isurf Uptake max Algae f Tw Algae f Isurf Algae
для простейших -
Uptake max
Protozoa Tw , Isurf Uptake max Protozoa f Tw Protozoa f Isurf Protozoa
для зоопланктона -
Uptake max
Zoopl Tw , Isurf Uptake max Zoopl f Tw Zoopl f Isurf Zoopl
51

52. Коррекция максимальных скоростей потребления веществ в зависимости от условий освещенности:

для гетеротрофных бактерий -
f I surf Bacteria 1,0
для фитопланктона -
S0,t
S0,t
e
f Isurf Algae
exp
exp H fot exp
Q0
H fot Q0 opt
opt
для простейших -
f I surf Protozoa 1,0
для зоопланктона -
f I surf Zoopl 1,0
52

53. Удельные скорости потребления соединений биогенных элементов гидробионтами:

для гетеротрофных бактерий -
SpecUptakeBacteria
Uptake max
Bacteria Tw , Isurf
N
N
1.0 BBacteria
Pool Bacteria
BPBacteria Pool PBacteria
для фитопланктона -
SpecUptakeAlgae
Uptakemax
Algae Tw , Isurf
N
N
1.0 BAlgae
Pool Algae
BPAlgae Pool PAlgae
для простейших -
SpecUptakeProtozoa
для зоопланктона -
Uptakemax
Protozoa Tw , Isurf
N
N
1.0 BProtozoa
Pool Protozoa
BPProtozoa Pool PProtozoa
SpecUptake Zoopl
Uptake max
Zoopl Tw , Isurf
N
N
1.0 BZoopl
Pool Zoopl
BPZoopl Pool PZoopl
53

54. Скорости потребления отдельных азотсодержащих субстратов гетеротрофными бактериями:

скорость потребления бактериями растворенного органического азота -
Uptake Bacteria,DON
Uptakemax
Bacteria
Pref Bacteria,DON C DON Pool PBacteria
Tw , Isurf
MBBacteria
скорость потребления бактериями азота в составе детрита -
UptakeBacteria,N_detr Uptakemax
Bacteria Tw , Isurf
Pref Bacteria,N_detr C N_detr Pool PBacteria
MBBacteria
54

55. Суммарные скорости потребления соединений азота гидробионтами:

для гетеротрофных бактерий N
Uptake
Bacteria Uptake Bacteria,DON Uptake Bacteria,N_detr
для фитопланктона N
Uptake
Algae Uptake Algae,NH Uptake Algae,NO Uptake Algae,NO Uptake Algae,DON
4
2
3
для простейших N
Uptake
Protozoa Uptake Protozoa, N_Bacteria Uptake Protozoa, N_Algae
Uptake Protozoa,DON Uptake Protozoa,N_detr
для зоопланктона N
Uptake
Zoopl Uptake Zoopl,N_Bacteria Uptake Zoopl,N_Algae
Uptake Zoopl,N_Protozoa + Uptake Zoopl,N_detr
55

56. Суммарные скорости потребления соединений фосфора гидробионтами:

для гетеротрофных бактерий P
Uptake
Bacteria Uptake Bacteria,DOP Uptake Bacteria,DIP Uptake Bacteria,P_detr
для фитопланктона P
Uptake
Algae Uptake Algae,DOP Uptake Algae,DIP
для простейших P
Uptake
Protozoa Uptake Protozoa,P_Bacteria Uptake Protozoa,P_Algae
UptakeProtozoa,DOP Uptake Protozoa,P_detr
для зоопланктона P
Uptake
Zoopl Uptake Zoopl,P_Bacteria Uptake Zoopl,P_Algae
Uptake Zoopl,P_Protozoa + Uptake Zoopl,P_detr
56

57. Коэффициенты выделительной активности гидробионтов (цикл азота):

для гетеротрофных бактерий -
N
ExcrBacteria
Excr
Uptake
1,0 Excr Uptake
N
Bacteria 1
N
Bacteria 2
*
N
ExcrBacteria
1,0
N
Excr
Bacteria
N
Bacteria
N
Bacteria
для фитопланктона -
Excr
Uptake
1,0 Excr Uptake
N *
ExcrAlgae
N
Algae 1
N
Algae 2
N
Algae
N
Algae
Excr N
Protozoa
Excr
Uptake
1,0 Excr Uptake
N
Protozoa 1
N
Protozoa 2
N
Protozoa
N
Protozoa
для зоопланктона -
Excr
Uptake
1,0 Excr Uptake
N *
ExcrZoopl
N
Zoopl 1
N
Zoopl 2
2
1
N
ExcrAlgae
1
1,0
N
Excr
Algae
2
для простейших *
N
Zoopl
N
Zoopl
N
ExcrProtozoa
1,0
N
Excr
Protozoa
N
ExcrZoopl
1
1,0
N
Excr
Zoopl
2
2
1
57

58. Скорости метаболических выделений гидробионтами соединений азота:

для гетеротрофных бактерий -
Excr N
Bacteria
*
N
N
ExcrBacteria Uptake
Bacteria
для фитопланктона -
N
N *
N
ExcrAlgae ExcrAlgae Uptake Algae
для простейших -
Excr N
Protozoa
для зоопланктона -
*
N
N
ExcrProtozoa Uptake
Protozoa
N
N *
N
ExcrZoopl ExcrZoopl Uptake Zoopl
58

59. Скорости метаболических выделений гидробионтами соединений фосфора:

для гетеротрофных бактерий -
Excr P
Bacteria
*
P
P
ExcrBacteria Uptake
Bacteria
для фитопланктона -
P
P *
P
ExcrAlgae ExcrAlgae Uptake Algae
для простейших -
Excr P
Protozoa
для зоопланктона -
*
P
P
ExcrProtozoa Uptake
Protozoa
P
P *
P
ExcrZoopl ExcrZoopl Uptake Zoopl
59

60. Удельные скорости смертности гидробионтов (цикл азота):

для гетеротрофных бактерий -
N
N
N
N
N
Mort
Mort
Mort
B
Uptake
Bacteria
Bacteria 1
Bacteria 2
Bacteria
Bacteria
для фитопланктона -
N
N
N
N
N
Mort
Algae Mort Algae 1 Mort Algae 2 BAlgae Uptake Algae
для простейших -
N
N
N
N
N
Mort
Mort
Mort
B
Uptake
Protozoa
Protozoa 1
Protozoa 2
Protozoa
Protozoa
для зоопланктона -
N
N
N
N
N
Mort
Mort
Mort
B
Uptake
Zoopl
Zoopl 1
Zoopl 2
Zoopl
Zoopl
60

61. Расчет коэффициентов трансформации веществ:

коэффициент трансформации азота в составе детрита в растворенный органический азот -
TransfR N_detr DON Tw TransfR *N_detr DON Tw
при 0 C
коэффициент трансформации аммиачного азота в азот нитритов -
TransfR NH
4
T 20,0
*
T
TransfR
w
NO
NH NO
2
4
2
w
при 20 C
коэффициент трансформации азота нитритов в азот нитратов -
TransfR NO NO Tw TransfR *NO NO T
2
3
2
3
w
20,0
при 20 C
61

62. Расчет коэффициентов трансформации веществ:

коэффициент трансформации фосфора в составе детрита в растворенный органический фосфор -
TransfR P_detr DOP Tw TransfR *P_detr DOP Tw
при 0 C
коэффициент трансформации растворенного органического фосфора
в растворенный неорганический фосфор -
TransfR DOP DIP Tw
TransfR *DOP DIP
Tw 20,0
при 20 C
скорость обмена кислородом между водой и атмосферой -
ExchangeO Tw Exchange*O T
w
2
20,0
2
при 20 C
62

63. Уравнения модели

скорость изменения биомассы гетеротрофных бактерий (в единицах азота) -
N
N
N Mort N
Rate
SpecUptake
Excr
B
Bacteria
Bacteria
Bacteria
Bacteria
Bacteria
N
N
Uptake Protozoa,N_Bacteria BProtozoa
Uptake Zoopl,N_Bacteria BZoopl
скорость изменения биомассы гетеротрофных бактерий (в единицах фосфора) -
P
P
P Mort P
Rate
SpecUptake
Excr
Bacteria
Bacteria
Bacteria
Bacteria BBacteria
UptakeProtozoa,P_Bacteria BPProtozoa Uptake Zoopl,P_Bacteria BPZoopl
63

64. Уравнения модели

скорость изменения растворенных фракций органического азота N
Rate DON TransfR N_detr DON Tw C N_detr Uptake Bacteria,DON BBacteria
N
N Uptake
ExcrAlgae
Algae,DON BAlgae
N
N
N BN
ExcrProtozoa
UptakeProtozoa,DON BProtozoa
ExcrZoopl
Zoopl
скорость изменения концентрации аммонийного азота -
Rate NH TransfR NH
4
4
NO 2
Tw C NH
4
N
N BN
ExcrBacteria
Uptake
B
Bacteria
Algae
Algae,NH
4
скорость изменения концентрации азота нитритов -
Rate NO = TransfR NH
2
4
NO 2
Tw C NH
4
TransfR NO NO Tw C NO
2
3
2
N
Uptake Algae,NO BAlgae
2
64

65. Уравнения модели

скорость изменения азота нитратов N
Rate NO TransfR NO NO Tw C NO Uptake Algae,NO BAlgae
3
2
3
2
3
скорость изменения концентрации азота в составе детрита -
Rate N_detr TransfR N_detr DON Tw C N_detr
N
N
N BN
Mort
Uptake
B
Mort
Bacteria
Bacteria,N_detr
Bacteria
Algae
Algae
B
N
N
Mort
Uptake
B
Protozoa
Protozoa, N_detr
Protozoa
N
Mort
Zoopl Uptake Zoopl,N_detr
N
Zoopl
65

66. Уравнения модели

скорость изменения растворенных фракций органического фосфора -
Rate DOP TransfR P_detr DOP Tw C P_detr TransfR DOP DIP Tw C DOP
UptakeBacteria,DOP BPBacteria
P
P Uptake
ExcrAlgae
Algae,DOP BAlgae
P
P BP
ExcrProtozoa
UptakeProtozoa,DOP BPProtozoa ExcrZoopl
Zoopl
скорость изменения растворенного неорганического фосфора -
Rate DIP TransfR DOP DIP Tw C DOP
P
P
P Uptake
ExcrBacteria
B
Uptake
B
Bacteria,DIP
Bacteria
Algae,DIP
Algae
P
P BP
ExcrProtozoa
BPProtozoa ExcrZoopl
Zoopl
66

67. Уравнения модели

скорость изменения концентрации фосфора в составе детрита -
Rate P_detr TransfR P_detr DOP Tw CP_detr
P
P
P BP
Mort
Uptake
B
Mort
Bacteria
Bacteria,P_detr
Bacteria
Algae
Algae
B
P
P
Mort
Uptake
B
Protozoa
Protozoa,P_detr
Protozoa
P
Mort
Zoopl Uptake Zoopl,P_detr
P
Zoopl
скорость изменения концентрации растворенного в воде кислорода -
RateO ExchangeO Tw CO Csatur
O Tw h1 TransfR NH
2
2
2
2
4
NO 2
Tw C NH
4
N BN
N BN
h 2 TransfR NO NO Tw C NO h 3 ExcrBacteria
h
Excr
Bacteria
4
Algae
Algae
2
3
2
N BN
N BN
h 5 ExcrProtozoa
h
Excr
Protozoa
6
Zoopl
Zoopl
67

68. Расчет концентрации сестона и определения характеристик прозрачности воды

Начальный момент времени
1,31 0,08
CSeston 8,74 0,03 Z White
мг л
м
(r = -0,85) (Шишкин, 1987)
0,31 0,03
C POM 1,0 0,04 CSeston
мг л
мг л
ε 1,8 Z White
C N_detr
C P_detr
мг л
мг л
Принимается, что отношение C : N : P в детрите равно 40 : 10 : 1
(r = 0,73) (Шишкин, 1987)
Принимается, что в ВОВ 50% углерода
(Никулина, 1987)
CC_detr 0,85 CCPOM
мг л
мг л
Концентрация углерода в составе детрита
CCPOM 0,5 CPOM
мг л
мг л
Принимается, что детрит составляет 80-85 % ВОВ
(Шишкин, 1987)
68

69. Расчет концентрации сестона и определения характеристик прозрачности воды

После каждого шага вычислений по времени
ε 1,8 Z White
Коэффициент экстинкции
C N_detr
Концентрация углерода в составе детрита
C C_detr 4,0 C N_detr
Z White 8,74 CSeston
1 1.31
Глубина видимости белого диска
1,73 0,19
CSeston 3,23 0,08 C POM
Концентрация сестона в воде
Концентрация углерода в составе ВОВ
CCPOM CC_detr 0,85
C POM 2,0 C CPOM
Концентрация ВОВ
69

70. Процентный вклад компонентов во взвешенном органическом веществе (данные моделирования)

Цикл азота, 1984 год
Ïð îö å íò íû é â ê ë à ä â Â ÎÂ
100
80
60
40
20
0
114
136
158
180
202
224
246
268
290
125
147
169
191
213
235
257
279
301
Þëèàíñêàÿ äàòà
%BN
%PhN
%PrN
%ZoN
%ND
70

71. Процентный вклад компонентов во взвешенном органическом веществе (данные моделирования)

Цикл фосфора, 1984 год
Ïð îö å íò íû é â ê ë à ä â Â ÎÂ
100
80
60
40
20
0
114
136 158 180 202 224 246 268 290
125 147 169 191 213 235 257 279 301
Þëèàíñêàÿ äàòà
%BP
%PhP
%PrP
%ZoP
%PD
71

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

1984
1985
1986
1987
B_N
0.99
0.81
0.76
0.65
B_P
1.14
0.75
0.86
0.65
Ph_N
2.82
4.17
3.80
3.76
Ph_P
2.71
3.13
3.79
2.93
Pr_N
1.62
1.61
0.81
1.11
Pr_P
1.60
1.59
0.82
1.08
Zoo_N
1.74
2.21
2.11
2.65
Zoo_P
1.64
2.18
2.10
3.12
72

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

1984
1985
1986
1987
DON
3.43
3.60
3.71
3.17
NH4
3.33
3.73
3.51
3.27
NO2
1.99
1.93
1.79
1.85
NO3
3.60
3.93
4.01
3.48
ND
3.04
3.11
2.98
2.71
DOP
2.08
2.21
1.60
1.72
DIP
3.55
3.70
3.91
3.35
PD
2.71
3.10
3.00
2.51
73

74. Процентный вклад минеральных компонентов азота (данные моделирования)

Цикл азота, 1986 год
Ïð îö å íò íû é â ê ë à ä â N _ m in
100
80
60
40
20
0
111 135 159 183 207 231 255 279 303
123 147 171 195 219 243 267 291
Þëèàíñêàÿ äàòà
%NH4
%NO2
%NO3
74

75. Пределы пространственной изменчивости средних концентраций некоторых химических показателей качества воды Невской губы по данным расче

Пределы пространственной изменчивости средних
концентраций некоторых химических показателей
качества воды Невской губы по данным расчетов по
модели и непосредственных наблюдений в разные годы
Гидрохимический
показатель,
размерность
1984 1987 гг.
Расчеты по модели
1982 1992 гг.
Наблюдения
1993 1996 гг.
Наблюдения
NH 4, мкг N/л
10-200
55.1-241.5
32-157
NO 2, мкг N/л
3.5-18
2.9-50.9
2.5-11.2
NO 3 , мкг N/л
170-405
171.5-1216.1
61-396
N tot , мкг N/л
790-1506
663.3-1785.1
542-1095
DIP , мкг P/л
0.05-19.9
2.9-24.9
5.0-28.0
DOP , мкг P/л
1.2-27.1
3.7-8.9
5.0-23.0
O *2 , %
53.1-91.1
82.0-102.3
55.8-167.3
75

76. Внутригодовая изменчивость отношения Nmin/DIP (данные моделирования)

1984 год
1985 год
180
140
160
140
N m in /D IP
N m in /D IP
120
100
120
100
80
60
60
40
20
100
80
40
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
20
100
150
1986 год
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
1987 год
200
70
60
N m in /D IP
N m in /D IP
150
50
100
40
50
0
100
30
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
20
100
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
76

77. Внутригодовая изменчивость отношения Norg/Porg (данные моделирования)

1984 год
28
N o rg /P o rg
26
N o rg /P o rg
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
100
1985 год
24
22
20
18
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
16
100
150
1986 год
300
1987 год
40
35
35
N o rg /P o rg
N o rg /P o rg
40
30
30
25
25
20
20
15
100
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
15
100
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
77

78. Внутригодовая изменчивость отношения Ntot/Ptot (данные моделирования)

1984 год
1985 год
38
32
36
30
N to t/P to t
N to t/P to t
34
32
28
30
26
28
26
24
24
22
100
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
22
100
150
1986 год
300
1987 год
50
32
45
30
N to t/P to t
34
N to t/P to t
55
40
28
35
26
30
24
25
22
20
100
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
20
100
150
200
250
Þëèàíñêàÿ äàòà
300
78

79. Примеры модельных полей химических и биологических компонентов модели

Для построения полей химических и биологических
компонентов модели
в пределах расчетной области
нами использовался пакет
Surfer, v. 8.05 (Golden Software, Inc.)
79

80. Средние по биотическим компонентам экосистемы критерии Тейла

Год/Месяц
V
VI
VII
VIII
IX
X
1984 0.2367 0.2372 0.2439 0.3101 0.3599 0.2728
0.2768
1985
0.2828
1986
0.2948
1987
0.2702
0.2975 0.3374 0.2058 0.3003 0.3251 0.2306
0.3778 0.2636 0.2879 0.2780 0.2808 0.2805
0.2380 0.2695 0.3265 0.2919 0.2627 0.2325
80

81.

Пример пространственного распределения концентраций NH 4 ,
мгN/л, на 15.07.86
81

82.

Пример пространственного распределения концентраций NH 4 ,
мгN/л, на 20.10.87
82

83.

Пример пространственного распределения концентраций NH 4 ,
мгN/л, на 20.10.87 (проектные условия)
83

84.

Пример пространственного распределения концентраций NO 2 ,
мгN/л, на 20.05.84
84

85.

Пример пространственного распределения концентраций NO 2 ,
мгN/л, на 04.08.86
85

86.

Пример пространственного распределения концентраций NO 2 ,
мгN/л, на 20.10.86
86

87.

Пример пространственного распределения концентраций DIP,
мгP/л, на 15.07.86
87

88.

Пример пространственного распределения концентраций DIP,
мгP/л, на 04.08.86
88

89.

Пример пространственного распределения концентраций DIP,
мгP/л, на 18.09.86
89

90.

Пример пространственного распределения концентраций DIP,
мгP/л, на 20.10.86
90

91.

Временная изменчивость распределения
рассчитанных по модели концентраций
компонентов экосистемы в пределах
акватории Невской губы на моменты
проведения гидрологических
и гидрохимических съемок
91

92.

0,7
0,6
BacN, мг/л
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
92

93.

0,20
0,18
0,16
PhN, мг/л
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
93

94.

0,030
0,025
PrN, мг/л
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
94

95.

0,014
0,012
ZooN, мг/л
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
95

96.

0,025
DIP, мг/л
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
96

97.

0,020
0,018
0,016
DOP, мг/л
0,014
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
97

98.

1,2
DON, мг/л
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
98

99.

0,20
0,18
0,16
NH4, мг/л
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
99

100.

0,020
0,018
0,016
NO2, мг/л
0,014
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
100

101.

0,40
0,35
NO3, мг/л
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
101

102.

10
9
Diss_Oxygen, мг/л
8
7
6
5
4
3
2
1
0
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
102

103.

90
Oxygen_Saturation, %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
V
VI
VII
VIII
IX
X
Месяцы
1984 year
1985 year
1986 year
1987 year
103

104. 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
104

105. 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-временноой 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.)
105

106. 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
106

107. 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
107

108. ВЫВОДЫ

• Данные моделирования позволили дать
предварительную оценку о возможном влиянии
строящегося КЗС г. Санкт-Петербурга от
наводнений на пространственно-временнуою
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
108

109. Спасибо за внимание

109