Особенности моделирования озерных экосистем

      В результате десятилетия научной  работы и испытаний в России был  создан биопрепарат Микрозим Понд Трит для очистки водоемов.

      В основе биопрепарата – ассоциация от 6 до 12 штаммов аэробных факультативных строго сапрофитных микроорганизмов, для которых основным источником энергии и жизнедеятельности являются органические вещества, характерные для донных отложений водоемов, и питательные элементы азота, фосфора, нитратов, фосфатов. При загрязнении водоема нефтепродуктами, стоками пищевых производств или хозяйственно-бытовыми стоками в биопрепарат дополнительно включаются специализированные штаммы микроорганизмов наиболее эффективно перерабатывающих специфические загрязнители в безвредные для экосистемы водоема продукты метаболизма. Внесение в загрязненный водоем доз биопрепарата создает в воде и донных отложениях устойчиво высокую концентрацию полезных микроорганизмов, существенно активизирующих биохимические процессы самоочищения, под которыми подразумеваются:

      a) микробиологическое потребление  органики донных отложений, превращение  органических веществ в СО₂ и Н₂О.

      б) биологическое удаление из воды органических веществ и питательных элементов  азота, фосфора, нитратов, фосфатов, понижение  значений БПК, ХПК на 90% и более процентов.

      в) пробиотическое ускорение отмирания  вредных и патогенных микроорганизмов  в водоеме, интенсификация самоочищения воды до 99%.

      г) микробно-ферментное улучшение перманганатной окисляемости воды.

      В результате интенсификации биохимических процессов очистки водоема, уже через месяц существенно снижается общая нагрузка на водоем: значительно сокращается потребление растворенного кислорода, отмирает большая часть вредных и патогенных грибков и бактерий, повышается прозрачность воды и нормализуется температурный режим водоема. Благодаря очистке воды от питательных элементов прекращаются вспышки цветения простейших водорослей, ряска значительно сокращает популяцию.

      Очистку водоема биопрепаратом можно  начинать в мае, после прогрева воды до +5°С. Полезные микроорганизмы будут очищать водоем до становления льда и возобновят активность следующей весной. Для борьбы с засильем ряски необходимо приступить к внесению биопрепарата до начала вегетативного периода. Расход биопрепарата на очистку водоема независимо от его размеров составляет от 4 до 6 граммов сухой порошковой формы препарата на 1 м² водного зеркала при глубине водоема свыше 1 метра. Препарат нужно вносить не сразу, а постепенно, в течение 7-9 недель, с разбивкой на отдельные дозы, которые вносятся в водоем не чаще чем один раз в две недели. Всего делается от 4 до 6 последовательных вносов препарата в водоем за теплый сезон. При каждом последующем внесении препарата доза уменьшается пропорционально [1].

      Цикл  очистки создает в водоеме постоянный биоценоз, сохраняющий высокую активность до полного потребления загрязнителей.

      Биопрепарат Микрозим Понд Трит применяется для очистки непроточных водоемов любых размеров, начиная от парковых прудов и заканчивая водохранилищами. Основным достоинством биологической очистки водоемов является полноценное восстановление естественных процессов самоочищения водоема, достигаемое без активного механического вмешательства в экосистему. Биопрепарат рекомендуется для применения в большинстве описанных выше случаев загрязнения закрытых водоемов. Положительный эффект от применения препарата достигается в течение одного теплого сезона.

      Биопрепарат Микрозим Понд Трит полностью безопасен для человека, животных, рыб, водоплавающих птиц, растений и не имеет ограничений по применению.

 

       ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОСИСТЕМЫ ОЗЕРА ПЕСТРОЕ, КАК  ВОЗМОЖНЫЙ МЕТОД  ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ 
 

      3.1 Общая характеристика озера Пестрое 
 

      Озеро Пестрое расположено в Северо-Казахстанской области (СКО) на южной окраине города Петропавловска. С севера и востока от озера пролегает шоссе на Сергеевку, а с юга и запада простираются лесные массивы и поля Мичуринского плодоовощного хозяйства. Озеро не пересыхающее, длина около 1,4 км, ширина около 1 км, длина береговой линии около 4,3 км, абсолютная высота уреза воды 96,0 м. Перепад абсолютных высот от уровня поймы до уреза воды составляет на севере 9 метров (105 метров над уровнем моря) на юге 1,5 метра (97,5 метров над уровнем моря). Вода в озере пресная. Минерализация в разных участках озера меняется от 0,78 до 0,81 г/л. Активная реакция среды слабощелочная - рН - 7,9. Наблюдается повышенная фоновая концентрация железа, фтора, сульфатов [2 ].

        Каждое озеро с водосбором представляют собой единую систему (Приложение А, рисунок А. 1). Это означает, что состояние водоема в значительной степени определяется состоянием водосборной площади.

      Форма озера в плане – бобовидная. Берег слабо обрывистый, местами пологий. Площадь озера составляет около 136 га, в том числе акватория с глубинами до 0,5 м - около 17 га, от 0,5 м до 1,0 м – около 17 га, от 1,0 до 1,5 м – около 20 га, от 1,5 м до 2,0 м – около 26 га, более 2,0м – около 56 га. Максимальная глубина - 2,3 метра (в момент промера глубин озеро обмелевшее), средняя - 1,53 м. (Озеро с изобатами и точками промеров глубин – приложение №1). Объем воды в озере составляет около 2,08 млн. м³. Основными грунтами на глубинах до 1,0 м являются опесчаненные илы, пески, глины, а на остальной части - черные илы.

      Озеро располагается в пойме р. Ишим  и соединяется с руслом реки длинным и узким ручьем. В годы с высоким паводком речная вода по ручью заходила в озеро, но в последние годы этого не происходило - ручей высох. Водосборный бассейн имеет выраженную покатость к югу с перепадами высот от 105 метров на севере до 97,5 метров над уровнем моря на юге. В приложении 2 показан космоснимок озеро Пестрое с прилегающими территориями и с источниками загрязнений. Южные берега озера часто заболочены высоко залегающими грунтовыми водами и испещрены мелкими рытвинами с водой. Мелкие озёрца и лужи окружают берег по периметру. В связи с постройкой высоких грейдерных автострад и насыпей, естественный сток в озеро зарегулирован, и в северо-восточной части озера образовалось новое "поганое" озеро, которое способствует высокому стоянию уровня  грунтовых вод и даёт начало выходу мелких ручейков в северо-восточной прибрежной части озера, по которым весной часть воды поступает в озеро Пестрое через трубы, уложенные под полотном шоссе.

      До  постройки шоссе и насыпи озеро пополнялось талыми водами с большей территории. Теперь площадь водосбора сильно ограничена и составляет всего 234 га:

      1) с северо-запада располагается небольшая лесополоса площадью 4 га;

      2) с северо-востока искусственно  отсыпан песчаный пляж площадью 1,6 га;

      3) за пляжем до трассы расположено  целинное поле площадью 7,6 га;

      4) с востока, юга, озеро окружено  лесополосой площадью 30,2 га, отделяющей  озеро от шоссе на Сергеевку;

      4) с запада располагается лес  с расположенной на берегу  озера зоной отдыха общей площадью 41,5 га;

      5) за лесом между поселками Прибрежное  и Мичурино располагаются поля Мичуринского плодоовощного хозяйства общей площадью 86,6 га;

      6) селитебная территория поселка  Мичурино занимает площадь 21,8 га;

      7) на остальную площадь – 40,7 га приходятся необработанные участки между лесами, поселком, частично заболоченные.

      Основной  для написания курсовой работы явилась  работа проведенная преподавателями  и студентами нашего Вуза (Вилков В.С., Зверяченко Т.С Липчанская М.А.) под  руководством Белецкой Н.П. по теме «Разработка научно-обоснованной модели восстановления экосистемы озера Пестрое г. Петропавловска Северо-Казахстанской области» на основании бюджетной  программы 254.008.000 – проведение мероприятий по охране окружающей среды) [2,3]. 
 

      3.2 Математическая модель воспроизведения сложных видов макрофитов 
 

      Математическая  модель воспроизведения сложных  погруженных видов макрофитов относится  к растению целиком, не различая отдельных частей растений. Потоки питательных веществ от компонентов качества воды к макрофитам показаны на рисунке 1. Свет, температура, диоксид углерода, аммонийный азот (для макрофитов в качестве источника азота используется только аммоний), и орто-фосфат могут ограничивать рост. В зависимости от вида макрофита, азот и фосфор могут быть получены из донных отложений либо толщи воды. Если они получены из отложений, отложения считаются большим бассейном, который не может ограничивать рост.

      

      Рисунок 1 – Внутренний поток для макрофитов [4 ]. 

      _{Темпы роста макрофитов, исходя из рисунка 1, моделируются следующим образом:}

       (1) 

      где:

      S_macro = ^{темп роста плотности макрофитов (г/м3/сут);}

      I = солнечная ^{радиация} (Вт/м²);

      f ( I ,N ,P,C ) = рост предельной функции между 0 и 1;

       = ^{максимальный темп роста макрофитов (сут-1);}

      ^{K_mr = максимальная интенсивность дыхания (сут-1);}

      ^{K_mm = отмирание / выделение (сут-1);}

      ^{g₁ = коэффициент интенсивности роста при повышении температуры;}

      ^{g₂ = коэффициент интенсивности роста при понижении температуры;}

      ^{g₃ = коэффициент ограничения роста за счет фотосинтеза;}

      ^{Ф_macro = концентрация макрофитов г/м3.}

      Скорость  темпа роста, частота дыхания, отмирания / выделения зависят от температуры. Рост предельной функции моделируется при помощи уравнений разработанных Thornton и Lessem (1978). Рост предельной функции f (I ,N ,P,C) рассчитывается для минимальных показателей освещенности, концентрации азота, фосфора, неорганического углерода.

      Все предельные функции имеют значение между 0 и 1. Предельные функции для питательных веществ вычисляются по следующей формуле Michaelis-Menten:

        (2)

      где S (мг/л) = концентрация питательных веществ и K_s (мг/л) концентрация полунасыщения макрофита по данному показателю.

      Световое ограничение было смоделировано с гиперболического уравнения, которое имеет такой же вид что и функция созданная Michaelis-Menten:

                                                                                                  (3)

      где I (Вт/м²) = солнечная радиация и I_h (мг/л) коэфициент полунасыщения макрофита солнечной радиацией (Вт/м²).

      Эта функция часто используется при отсутствии фото-затемнений (Carr et al., 1997).

      Если  необходимо смоделировать коэффициент сокращения солнечной радиации (м^-1), то он может быть смоделирован как функция концентрации компонентов системы, дающих затемнение:

         (4),

      где:

       = _{коэффициент ослабления света за счет отражения слоями воды} (м^-1);

       = _{коэффициент ослабления света на неорганических взвешенных веществах} (м^-1);

       = _{коэффициент ослабления на неживых органических взвешенных веществах} (м^-1);

       = _{коэффициент ослабления света из-за макрофитов} (м^-1);

       ⁼ _{коэффициент ослабления света из-за фитопланктона} (м^-1);

       = концентрация _{неорганических взвешенных веществ} (г/м³);

        = концентрация _{неживых органических взвешенных веществ} (г/м³);

        = концентрация _{макрофитов} (г/м³);

       = концентрация _{фитопланктона} (г/м³).

      Моделирование объемного прироста макрофитов V_m можно оценить путем деления массы макрофитов на плотность их распределения по акватории водоема:

        (5)

      Прирост f оценивается путем деления объема воды без макрофитов на общий объем клетки: