Особенности моделирования озерных экосистем

        (6)

      Вычисленные данные прироста влияют на расчет по уравнению в динамике процесса [4]. 

      Справочные  данные для расчета  макрофитов для Обь - Иртышского региона

      Начальные концентрации живых макрофитов в  период после освобождения водоема  ото льда по усредненным литературным данным принимаются равными 0,1 г/м³ для полностью погруженных макрофитов и 0,5 г/м³ для макрофитов, формирующих надводную часть в процессе роста.

      ^{Максимальный  темп роста макрофитов (сут-1) составляет 0,3 для} полностью погруженных макрофитов и 0,4 ^{для надводной растительности.}

      ^{Максимальная  интенсивность дыхания  (сут-1) составляет 0,05. Минимальная интенсивность солнечной радиации для максимального фотосинтетического уровня роста макрофитов составляет 30,0} (Вт/м²).

      Скорость  отмирания макрофитов (или их частей) не превышает 0,05 ^(сут-1).

      ^{Доля  биомассы макрофитов, которая переходит  при отмирании  макрофитов, в неустойчивое органическое вещество составляет 0,9, соответственно доля биомассы, которая переходит при отмирании макрофитов в устойчивое органическое вещество, составляет 0,1.}

       ^{Нижняя критическая  температура для  метаболических процессов 5°С, оптимальная температура 25-35°С, верхняя критическая температура 40°С (рисунок 2).}

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 2 – Зависимость коэфициента интенсивности роста от температуры 

      ^{Ряд данных установлен из литературных источников. Доля отмершей биомассы, перешедшей в растворенное состояние - 0,2 (Wetzel and Manny, 1972); во взвешенное состояние - 0,4 (Godshalk and Wetzel, 1978); в отложения на дне водоема – 0,4 (Carpenter, 1976).}

      ^{Усредненный фактор объемной плотности 40 г/м3, максимальный – 500 г/м3.}

      Коэффициенты  значений доли углерода от  сухой  массы макрофитов определен из литературных данных (Soeder et al., 1969) и составляет 0,46; уровень ночного дыхания макрофитов (по Collins and Wlosinski, 1989) – 0,05 ^{(сут-1). Стехиометрический эквивалент биомассы макрофитов и фосфора – 0,005, азота – 0,08, углерода – 0,45.}

      Для обработанной по методу профессора, к.т.н. Аспандиярова Б.Б. воды озера Пестрого рассчитанный коэффициент максимального  темпа роста макрофитов ⁽ ) увеличился в 1,3 раза. Также увеличилась максимальная интенсивность дыхания в 1,1 раза.

      При добавках в воду препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» за счет роста микроорганизмов, активно потребляющих питательные  компоненты из воды и донных отложений, рост и продуктивность макрофитов подавляется на 30% [4,5].

      Расчетные данные

      На  рисунках 3, 4 представлены данные прогнозного расчета макрофитов.

      

      Рисунок 3 – Расчетные и прогнозные данные плотности полупогруженных макрофитов в озере Пестрое (для акватории произрастания)

      

      Рисунок 4 – Расчетные и прогнозные данные плотности погруженных макрофитов в озере Пестрое

      Аэробные  сапрофитные микроорганизмы, входящие в состав препарата МИКРОЗИМ «ПОНД  ТРИТ» активно расходует в  процессе жизнедеятельности органические вещества, характерные для донных отложений водоемов, и питательные элементы из воды (азот, фосфор, нитраты, фосфаты). Таким образом, микроорганизмы, эффективно конкурируя с другими элементами экосистемы, снижают зарастание водоема, растворяют донные отложения.

      Расчетные данные, подтверждают, что применение препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» значительно снижает биомассу макрофитов.

      Применение  метода Аспандиярова Б.Б. для наноактивации  воды при внесении препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» позволяет достигнуть того же эффекта, при снижении дозировки  в 2 раза. С учетом значительной стоимости препарата, применения метода наноактивации позволит существенно сократить затраты по очистки озера [ 4]. 
 

      3.3 Фитопланктонное сообщество озера Пестрое и его модель  
 

      Типично, фитопланктонное сообщество представляется при моделировании либо как единственное семейство, либо подразделено на диатомовые, зеленые и сине-зеленные.  
 
 
 
 
 

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 5 – Внутренний поток между фитопланктоном и другими боксами [4,6]. 

      Следуя  рисунку 5, уравнение скорости изменения  для каждой группы водорослей имеет вид:

      

                  (7) 

      где:

      Z – средняя глубина водоема (толщина слоя – при расчете по слоям), м;

      К_аg = скорость роста водорослей, сут^-1;

      К_аr = скорость ночного дыхания водорослей, сут^-1;

      К_aе = скорость выделения водорослей, сут^-1;

      К_am = скорость отмирания водорослей, сут^-1;

       _a = скорость осаждения водорослей, м/сут;

      Ф_а = концентрация водоросли, г/м³. 

      Хлорофилл А (chl a) является наиболее доступной оценкой биомассы фитопланктона. Для того, что бы преобразовывать (chl a) в биомассу водоросли, обычно (chl a) умножается на отношение (г/м3 сухого веса ОВ)/ (chl a) для заданного вида фитопланктона.

      Скорость  роста фитопланктона вычисляется  за счет внесения поправки к максимальной скорости роста под влиянием температуры, света, и доступности питательных веществ:

        (8)

      где:

       _ar  = множитель изменения температуры для восходящей ветви кривой;

       _af  = множитель изменения температуры для нисходящей ветви кривой;

      l min= множитель для лимитирующего фактора роста (минимум света, фосфора, азота и кремния);

      K_agmax = максимальная скорость роста фитопланктона, сут^-1. 

      Множители для скорости роста водоросли  рассчитываются на основе функциональных зависимостей для доступного света, фосфора, азота и кремния. Множитель изменения для света основан на функции (Steele, 1962): 

         (9)

      где:

      I = доступный свет, Вт/м²;

      I_s = насыщающая интенсивность света при максимальной скорости фотосинтеза, Вт/м²;

      l_i = световой лимитирующий фактор.

      Указанное выше выражение допускает моделирование  фотоингибирования при интенсивности  света больше, чем величина насыщения. Вместе с тем, проникновение света уменьшается с глубиной: 

         (10)

      где:

      I₀ = интенсивность солнечной радиации на поверхности воды, Вт/м²;

      a = коэффициент ослабления, м^-2;

      z = глубина, м;

      b = доля солнечной радиации, поглощенная поверхностью воды. 

      Среднее влияние света на рост фитопланктона может быть получен за счет комбинации двух выше приведенных выражений и интегрирования по глубине ячейки (Chapra and Reckhow, 1983), что дает: 

         (11) 

      где:

      

      d = глубина верхней поверхности,  м.

      Доля  солнечной радиации, b, непосредственно прибавляется к поверхностному слою. Коэффициент ослабления, a, состоит из базовой величины, к которой добавляются влияния взвешенных веществ: неорганического и органического происхождения и водорослей. 

      Множители, лимитирующие максимум роста фитопланктона, обусловленный лимитированием биогенов, рассчитывается с использованием соотношения (Monod, 1985): 

         (12)

      где: 

      Ф_i = концентрация фосфора или нитрата + аммония, г/м³;

      P_i = коэффициент полунасыщения для фосфора или нитрата + аммония, г/м³. 

      Азотное предпочтение фитопланктона для аммония базируется на следующем выражении (Thomann and Fitzpatrick, 1982).  

        (13)

      где: 

      P_NH4 = аммонийный фактор предпочтения;

      К_NH4 = коэффициент полунасыщения аммонийного предпочтения, г/м³;

      Ф _NH4 = концентрация аммония, г/м³;

      Ф _NОх = концентрация нитрат-нитрит, г/м³. 

      Это позволяет фитопланктону первоначально  использовать аммоний и постепенно переключаться на нитрат по мере того, как концентрация аммония уменьшается.

      Ночное  дыхание фитопланктона рассчитывается с использованием восходящей ветви температурной функции: 

         (14)

      где:

       _ar  = множитель изменения температуры для восходящей ветви кривой;

       _af  = множитель изменения температуры для нисходящей ветви кривой;

      K_armax = максимальная скорость ночного дыхания, сут^-1. 

      Фотодыхание фитопланктона (выделение) оценивается  с использованием обратной (инверсионной) связи с множителем изменения света: 

        (15)

      где:

       _ar  = множитель изменения температуры для восходящей ветви кривой;

       _af  = множитель изменения температуры для нисходящей ветви кривой;

      K_aеmax = константа максимума скорости выделения, сут^-1;

      l_i = световой лимитирующий фактор. 

      Скорости  выделения возрастают как при  низкой, так и при высокой интенсивности света, внесением вклада в неустойчивые ОВ за счет продуктов выделения.

      Отмирание фитопланктона определяется как: 

         (16)

      где:

       _ar  = множитель изменения температуры для восходящей ветви кривой;

       _af  = множитель изменения температуры для нисходящей ветви кривой;