Особенности моделирования озерных экосистем

      K_aмmax = максимум скорости отмирания, сут^-1. 

      Эта скорость отмирания представляет вместе как естественную смертность, так  и смертность от хищника.

      Рост  фитопланктона не происходит в отсутствии света. Рост фитопланктона не может превысить лимит установленный запасом биогенов на заданном шаге по времени. Выделения водорослей не могут превышать скорости роста водорослей.

      Расчетные данные

      На  рисунках 6-8 представлены данные прогнозного расчета фитопланктона.

      Расчетные данные показывают, что в естественном состоянии идет непрерывное увеличение биомассы сине-зеленых водорослей до первой декады сентября. Преобладание Microcystis aeruginosa, выделяющего в воду очень опасный токсин микроцистин, является основной проблемой, обуславливающей токсичные свойства воды озера на экосистему и человека.

      

      Рисунок 6 – Расчетные и прогнозные данные концентрации сине-зеленых водорослей в озере Пестрое [4,8,9,10]. 

      Использование полной дозировки препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» замедляет рост Microcystis aeruginosa более чем в 2 раза.

      Применение  метода наноактивации воды по данному  показателю качества воды имеет сходную  динамику с применением полной дозировки, но экономически эффективнее. 
 

      

      Рисунок 7 – Расчетные и прогнозные данные концентрации диатомовых водорослей в озере Пестрое.

      Расчетные и прогнозные данные для диатомовых и зеленых водорослей выявили  интересную динамику: естественный рост и применение полной дозировки препарата  МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» почти идентичны, поскольку препарат почти не подавляет рост этих групп фитопланктона, а применение метода наноактивации воды по данному показателю качества воды дает увеличение биомассы в среднем на 25%. Таким образом, наряду с очисткой водоема возрастает полезная продуктивность водоема [13]..

      

      Рисунок 8 – Расчетные и прогнозные данные концентрации зеленых водорослей в озере Пестрое [4,15]. 
 

      3.4 Зоопланктон, как единый компонент водной экосистемы и его моделирование 
 

      Питание и рост зоопланктона обеспечивается водорослями, детритом и другим зоопланктоном. Потери биомассы происходят за счет смертности (включая хищничество), дыхание / выделение. Зоопланктон рассчитывается как единый компонент.

      

      Рисунок 9 – Внутренний поток между зоопланктоном и другими боксами [4,16]. 

      Следуя  из рисунка 9, уравнение изменения скорости для эпифитона имеет вид:

                                                                         (17) 

      F_LDOM = концентрация неустойчивых частиц органических веществ (г/м³);

      ^F_a ⁼ концентрация фитопланктона (г/м³);

      ^F zoo = концентрация зоопланктона (г/м³);

      Kzm  = отмирание зоопланктона (сут^-1);

      K z max = максимальная скорость прироста для зоопланктона (сут^-1);

      K zr = дыхание зоопланктона (сут^-1);

      Z_1/2 = коэффициент полунасыщения для прироста зоопланктона (г/м³);

      Z_е = коэффициент эффективности питания зоопланктона;

      Z_L = коэффициент наименьшей пороговой концентрации питания зоопланктона (г/м³);

       ₁  = множитель изменения температуры для восходящей ветви кривой зоопланктона;

       ₂  = множитель изменения температуры для нисходящей ветви кривой зоопланктона;

       = коэффициент предпочтения питания  фитопланктоном;

       = коэффициент предпочтения питания  зоопланктоном;

       = коэффициент предпочтения питания  органическим веществом.

      Расчетные данные

      На  рисунке 10 представлены данные прогнозного расчета зоопланктона.

      

      Рисунок 10 – Расчетные и прогнозные данные биомассы зоопланктона в озере Пестрое [4,17]. 

      Расчетные данные показывают, что в естественном состоянии на июль приходится максимум биомассы зоопланктона. В дальнейшем, в силу усиления токсичных свойств воды наблюдаются резкое снижение, с незначительными колебанием в сторону увеличения во взаимосвязи с температурным режимом.

      Прогнозные  данные демонстрируют эффективное  воздействие полной дозировки препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ». К июлю под действием препарата количество сине-зеленых водорослей снижается более чем вдвое, разрушаются органические загрязнители, повышается количество растворенного кислорода, как следствие, пик максимума биомассы зоопланктона приходится на июль-август, а снижение происходит в основном в силу температурного фактора.

      Прогноз для применения метода наноактивации  воды в сочетании с половинной дозировкой препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ» показывает еще большую эффективность на увеличение биомассы зоопланктона и усиливает воздействие препарата на 20%. 
 

      3.5 Моделирование анаэробных процессов 
 

      Кислород  является одним из наиболее важных элементов в водных экосистемах. Он существенен для высших форм жизни, контролирует многие химические реакции через окисление и является идентификатором, указывающим на общее "здоровье" водных систем.

      Возможность моделировать анаэробные процессы является важным, так как при этом обеспечивается информация о потенциальных проблемах с качеством воды. Результаты моделирования могут быть использованы для того, чтобы идентифицировать возможности истощения кислорода и воздействие на него различных факторов контроля воды [18].

      Если  есть единственная переменная, измерения  в водных экосистемах, которая дает максимум информации о состоянии системы, то такой переменной является концентрация растворенного кислорода. 

        
 
 
 
 
 

        
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 11 – Внутренний поток между растворенным кислородом и другими боксами [4,10]. 

      Следуя  рисунку 11, уравнение изменения скорости для растворенного кислорода имеет вид:

        

        
 

                                                       

                                                                                                                              (18) 

        
 

      где:

      d_ОМ = кислородный стехиометрический коэффициент для ОВ;

      d_NН4 = = кислородный стехиометрический коэффициент для нитрификации;

       _NH4  = множитель температурной зависимости для нитрификации;

       _ОM  = множитель температурной зависимости для разложения ОВ;

      R_BOD = преобразование модельного УБПК в исходный УБПК;

      Q = множитель изменения температуры БПК;

      V = объем ячейки, м³;

      Т = температура, ⁰С;

      А_sed = площадь поверхности частиц осадка, м²;

      А_sur = площадь поверхности воды, м²;

      К_аg = скорость роста водорослей, сут^-1;

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

      К_еg = скорость роста эпифитона, сут^-1;

      К_еr = скорость ночного дыхания эпифитона, сут^-1;

      К_NH4 = скорость разложения аммония (нитрификация), сут^-1;

      К_LDOM = скорость разложения неустойчивого ОВ, сут^-1;

      К_RDOM = скорость разложения устойчивого ОВ, сут^-1;

      К_LРOM = скорость разложения лабильного КОВ, сут^-1;

      К_RРOM = скорость разложения устойчивого КОВ, сут^-1;

      К_BOD = скорость разложения УБПК, сут^-1;

      К_sed = скорость разложения осадка, сут^-1;

      SOD = потребление кислорода осадками, г/(м² сут) ;

      К_L = скорость обмена кислородом на границе раздела (вода-воздух), м/сек;

      Ф_NH4 = концентрация аммония-азота, г/м³;

      Ф_а = концентрация водорослей, г/м³;

      Ф_е = концентрация эпифитона, г/м³;

      Ф_LDOM = концентрация неустойчивого ОВ, г/м³;

      Ф_RDOM = концентрация устойчивого ОВ, г/м³;

      Ф_LРOM = концентрация лабильного МОВ, г/м³;

      Ф_RРOM = концентрация устойчивого МОВ, г/м³;

      Ф_ВOD = концентрация УБПК, г/м³;

      Ф_sed = концентрация органических осадков, сут^-1;

      Ф_DO = концентрация растворенного кислорода, г/м³;

      Ф^\ _DO = концентрация насыщенного при данной температуре растворенного кислорода, г/м³. 

      Расчетные данные

      Расчет  растворенного кислорода ведется на заключительном этапе, на основании результатов, полученных во взаимосвязанных боксах. Для тех параметров, для которых математическое моделирование не производилось в уравнение подставляются фактически измеренные данные.

      На рисунке 12 представлены данные прогнозного расчета растворенного кислорода.

      

      Рисунок 12 – Расчетные и прогнозные данные концентрации растворенного кислорода в озере Пестрое.

      Расчетные данные показывают, что в естественном состоянии в озерной воде содержится высокое содержание растворенного кислорода, благодаря хорошей аэрации за счет ветрового перемешивания.

      Прогнозные  данные демонстрируют эффективное  воздействие полной дозировки препарата МИКРОЗИМ «ПОНД ТРИТ». Концентрация растворенного кислорода повышается в среднем на 20% за счет пробиотического ускорения отмирания вредных и патогенных микроорганизмов в водоеме, а также разложения гниющих органических веществ [19].