БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ Задереев Егор Сергеевич

БИОфизика ВОДНЫХ
ЭКОСИСТЕМ
Задереев Егор Сергеевич
Ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН
канд.биол.наук
Тел. 249-43-58
Эл.почта [email protected]
Математическая модель
экосистемы мелкого озера
PClake – экологическая модель мелкого озера,
описывающая фитопланктон, высшую
растительность и простую трофическую цепь в
рамках замкнутого цикла биогенных элементов.
Мелкое озеро – перемешивание – без учета
гидрофизики.
Биологический метод борьбы с цветением
водорослей в водоеме
Биоманипуляция (Шапиро) – контроль цветения водорослей
за счет увеличения количества крупных видов зоо путем
увеличения количества хищной рыбы.
Концептуальная диаграмма
трофического каскада
Альтернативные устойчивые состояния
экосистемы
Чистая вода




На дне есть макрофиты
Много хищной рыбы
Много зоопланктона
Мало фитопланктона
Мутная вода




Много фитопланктона
Вода мутная
На дне нет макрофитов
Мало хищной рыбы
Основная цель – анализ вероятности перехода от
состояния «чистой» воды, с доминированием
высших растений к состоянию «мутной» воды с
доминированием микроводорослей в зависимости
от биогенной нагрузки и других факторов.
Упрощенная схема двух состояний и
доминирующих компонентов в каждом из них
Основные взаимодействия в водной
экосистеме, оказывающие влияние на
мутность.
Структура модели
Основные
переменные
модели
Динамика каждой
из этих переменных
описывается
дифференциальным
уравнением.
Основные входные и выходные параметры
Калибровка модели
Модель показывает, что в зависимости от
биогенной нагрузки мелкое озеро может
находиться в одном из двух устойчивых
состояний:
 «Чистое» озеро с доминированием макрофитов
(высших растений).
 «Мутное» озеро с доминированием водорослей.
Механизмы поддерживающие «чистое»
состояние:
 Донные растения конкурируют с одноклеточными
водорослями за азот и фосфор
 Растения снижают взмучивание донных отложений,
стабилизируют дно, тем самым уменьшая мутность и создавая
условия для своего роста
 Растения затрудняют питание рыб питающихся на дне
 Растения предоставляют условия для роста и размножения
хищных рыб и предоставляют убежище для зоопланктона
 Растения выделяют химические вещества негативно
влияющие на рост одноклеточных водорослей.
Механизмы поддерживающие «мутное»
состояние:
 Фитопланктон более эффективен в потреблении фосфора
 Доминирование сине-зеленых, которых плохо выедает
зоопланктон
 Высокая мутность препятствует росту растений
 Взмучивание донных отложений и биогенных элементов из
незащищенных донных отложений поддерживает высокую
мутность
 Относительно низкое выедание фитопланктона из-за
отсутствия хищной рыбы и наличия планктоноядной рыбы
 Цветение водорослей вызывает выход фосфора из осадков
(высокий рН, низкое содержание кислорода).
Буферная
емкость
экосистемы
 Переход из одного
устойчивого
состояния в другое
происходит не сразу.
Зависимость концентрации фосфора и
хлорофилла «а» в озере от нагрузки
фосфора
 Критические
значения фактора
для перехода из
одного состояния в
другое и обратно
различаются!
Фосфор в осадках
Водоросли
Фосфор в воде
Макрофиты
Моделирование динамики доступного фосфора, общего фосфора,
хлорофилла «а» микроводорослей и макрофитов в типичном
Голландском озере. Первые 20 лет низкая нагрузка фосфора, затем 20
лет высокой нагрузки, затем 20 лет низкой нагрузки.
Фосфор в воде
Использование модели
для оценки мер по
управлению состоянием
водоема: сравнение трех
стратегий –
 снижение нагрузки
 биоманипуляция
 оба подхода
Макрофиты
Водоросли
Модель «цветения»
цианобактерий
Кантатского водохранилища
(Красноярск-9)
Цель разработки модели: прогноз качества
воды
при
различных
мероприятиях
оздоровляющих
водоем,
с
оценкой
их
экологической эффективности.
Под экологической эффективностью понимается
снижение уровня «цветения» цианобактерий в %
по отношению к исходному.
Карта–схема Кантатского водохранилища
Экологический блок модели описывает экосистемные
процессы в толще воды и конструируется по данным
конкретных исследований и/или по литературным данным в
сочетании с выдвигаемыми гипотезами.
Блок входных временных рядов содержит информацию
об известных внешних характеристиках для данного сценария
расчета динамики ЭС и является локальным банком
пространственно–временных
характеристик.
Для
предварительного
формирования
временных
рядов,
начальных условий и параметров модели используется база
данных.
Блок–схема модели экосистемы Кантатского
водоема
*
Аэрация
E
*
Кислород
*
Железо
E
Зоопланктон
Бактериопланктон
Кормовые
водоросли
Синезеленые
водоросли
*
Аммонийный азот
РОВ
НОВ
Минеральный
фосфор
Нитратный азот
Непотребляемая
органика
Е – освещенность поверхности водоема;
РОВ – растворенное органическое вещество;
НОВ – нерастворенное органическое вещество;
стрелками обозначены направления потоков вещества и энергии между
компонентами экосистемы;
* – фотосинтез.
Гидрологическая
модель
является
двумерной
моделью точных стационарных течений для мелкой
воды.
Структура течений рассчитывается на любой глубине, а
затем – общий (суммарный по столбу воды от поверхности
до дна) переток от точки к точке (с заданным шагом
расчетной сетки).
Далее (при сохранении для системы в целом камерного
принципа) определяются перетоки между камерами,
пропорциональные поверхностям контакта и определяемые
рассчитанной выше точной структурой течений.
Ряд мероприятий, направленных на снижение
внешней и внутренней биогенных нагрузок:
 отведение, или очистка дождевых стоков;
 ускорение водообмена (например, посредством отсыпки
дна = уменьшения глубины = уменьшения объема
водохранилища);
 периодическая «прокачка» водохранилища;
 снятие иловых отложений и углубление дна.
Уменьшение стагнационных явлений:
 увеличение стокового течения (удаление дорожных
насыпей),
 аэрация водной толщи, которая одновременно будет
способствовать перемешиванию водных слоев,
 специальным образом организованные попуски воды
(регламентированные и структурированные по слоям); для
этого необходим соответствующим образом организованный
створ в плотине.
Аэрация водоемов
Главная цель аэрации водоема – добавить
кислород и вызвать циркуляцию воды.
Почему аэрация улучшает качество вода и контролирует рост
водорослей?
Аэрация влияет на три фактора: кислород, биогенные элементы
и температуру.
 Кислород вызывает рост аэробных бактерий, которые
разлагают органическое вещество, поглощают биогенные
элементы.
 Аэрация вызывает циркуляцию в водоеме, разрушает
стратификацию и снижает температуру на поверхности водоема.
 Поступление кислорода на дно озера приводит к тому, что
соединения фосфора и железа оседают на дно и снижают
концентрации фосфора в воде.
Поверхностные распылители
Обеспечивают циркуляцию в озерах глубиной до 5 метров.
Поднимают воду со дна и распыляют ее на поверхности.
Кроме насыщения воды кислородом и создания течений,
препятствуют образованию пленок водорослей на
поверхности, препятствуют размножению личинок
насекомых (комаров).
Горизонтальные распылители
Подходят для мелких озер (1-4 метра). Создают сильный
направленный поток. Хороший выбор когда не нужен или
не желателен выброс воды в виде струи. Создают течения
в узких или вытянутых водоемах. Также разрушают
поверхностные пленки.
Диффузные распылители
Наиболее эффективны в озерах глубже 5 метров.
Но не подходят для слишком глубоких озер.
Пузырьки воздуха поднимающиеся со дна
перемешивают воды и насыщают ее кислородом.
Результаты расчетов:
 влияние авто– и железнодорожных
насыпей
Незначительное, в силу слабой проточности
водоема, и есть лишь в приплотинной зоне
водохранилища; работа по удалению затопленных
насыпей не является первостепенной
 углубление всего водоема или его верхней
зоны
приводит к увеличению «цветения» в верховье и
снижает его интенсивность в нижерасположенных
частях;
 увеличение протока р.Кантат
при тех же условиях ее загрязнения заметного
положительного эффекта не дает
 поступления загрязнений с дождевыми стоками, с
р.Кантат и от начальных условий
не обеспечивают в целом существующего уровня «цветения»
по водоему
 «ликвидация» дна как источника эвтрофикации
водоема
Дно – важный источник эвтрофикации водоема.
Ликвидировать дно можно различными способами:
а) аэрированием водной толщи,
б) отсыпкой дна,
в) снятием определенной толщины слоя донных отложений;
аэрирование или удаление иловых отложений
(уменьшение донной биогенной нагрузки) в целом по
водоему приводит к сильному падению уровня «цветения»
синезеленых водорослей по всему озеру; донные отложения
– фактор, определяющий состояние водоема и качество
воды в нем;
мероприятия по снижению эвтрофикации водоема
следует проводить либо по всему водоему одновременно,
либо по частям, но сверху вниз; при этом зоны,
охватываемые тем или иным мероприятием (воздействием),
должны быть значимы по своим площадям; работы на малых
площадях (1–10 га) не приводят к заметному эффекту.
Исходный
Отвод дождевых
стоков не
эффективен
Аэрация
водоема
Допустимый
уровень
Расчет уровней «цветения» цианобактерий (г/м3)
для некоторых сценариев водопользования.
Сравнение с базовым – исходным вариантом.
Исходный
Варианты углубления
водоема
до 1 метра не эффективны
Очистка на 50% р. Кантат
не эффективна
Блокирование
потока фосфора со
дна
Допустимый
уровень
Расчет уровней «цветения» цианобактерий (г/м3)
для некоторых сценариев водопользования.
Сравнение с базовым – исходным вариантом.
Анализ экологической ситуации на Кантатском
водохранилище
(Красноярск-26)
при
помощи
математической модели позволил количественно
оценить и ранжировать мероприятия, направленные
на улучшение качества воды в водоеме, по их
экологической эффективности (в % по отношению к
исходному состоянию):
 элиминация донных отложений или аэрация водоема
(эффективность до 50-60%),
 очистка стоков образующей водоем реки (до 20-25%),
 работа с начальными (весенние) условиями (до 20-25%),
 реконструкция плотины (до 10%),
 отвод городских ливневых стоков (до 3-5 %).