Modele eutroficzne

ZOZW-ISIŚ

Modele eutroficzne

fosforowe

Równanie bilansu fosforu

OSIV dtdP

P- stężenie fosforu całkowitego

V- objętość wody w zbiorniku

I- dopływ fosforu całkowitego

O – ‘odpływ’ fosforu całkowitego

S – sedymentacja wraz z biologicznymi i chemicznymi przemianami fosforu

Model Vollenveider’a (1969)

Pl pwpdtdP )(

lp

p w

P-koncentracja P w jeziorze

lp-zasilanie w P

w- wsp. wypłukiwania

p – stała sedymentacji

ZOZW-ISIŚ

Kategoria troficzna

Fosfor całkowity

mg/m3

Chlorofil a mg/m3 Widzialność krążka Secchiego m

Wartość średnioroczn

a


a

Wartość maksymalna


a

Wartość minimalna

Ultra-oligotrofia

< 4,0 < 1,0 <2,0 >12,0 >6

oligotrofia < 10,0 <2,5 <8,0 >6,0 >3

mezotrofia 10-35 2,5-8,0 8-25 6-3 3-1,5

eutrofia 35-100 8-25 25-75 3-1,5 1,5-0,7

hypetrofia >100 > 25 >75 <1,5 <0,7

Graniczne wartości parametrów dla różnych kategorii troficznych według klasyfikacji OECD (1982)

Model Imbodena i Gachter’a (1978)

A0

AE

Epilimnion

Hypolimnion

dopływodpływ

[OP]E [PP]E

[PP]Z[OP]Z

sedym.

mieszanie

Zeprod.

resp.

EEEEpEEZzOP

EEOPVtOP PPRAAFPAOPQzKAQ

EE

E ][)(][|)( 0][1][

EEEEEpEEZzPP

EEPPVtPP PPRPPgAPAPPQzKAQ

EE

E ][][][|)( ][1][

warstwa wymieszana

z>zE hypolimnion i termoklina

zHzA

zOP

zAtOP PPRFAK z ][)(][ ][1][

zPP

HzHzPP

zAtPP zz gPPRAK

][][1][ ][][

z=zE

[OP]Z=ZE=[OP]E [PP]Z=ZE=[PP]E


[OP]E, [OP]Z (mg/m3)- stężenie ortofosforanów w epilimnionie i na głęb. z

[PP]E, [PP]Z (mg/m3)- stężenie fosf. w glonach w epilimnionie i na głęb. z

zE (m) –głębokość epilimnionu

VE (m3) – objętość epilimnionu

A0, AE, A=Az (m2) – powierzchnia jeziora na głębokościach 0, E , z

K(zE), K=Kz(m2/d) współczynnik turbulentnej dyfuzji,

Q (m3/d) – dopływ równy odpływowi wody,

QOP, QPP (mg/d) – zasilanie w ortofosf. zasilanie w fosfor glonowy,

FE, F=FZ (mg/m2/d) – strumień ortofosforanów na granicy woda-osady,

RE, RH (d-1) –wsp. mineralizacji/respiracji,

gE, gH (m/d)- prędkość sedymentacji fosforu organicznego –glonowego,


Podział ekosystemu wodnego

sorp c ja

d yfu z ja

eroz ja

resu sp en s ja

.... . . . . . . . . . .

P od sys tem 1P rocesy fiz .-ch em iczn e

fo tosyn teza

resp irac ja

d yn am ika p op u lac ji

sed ym en tac ja

eksk rec ja

ob u m ie ran ie

.... . . . . . . . . . . . . .

P od sys tem 2p rod u kc ja p ie rw otn a

od żyw ian ie

w z ros t

rep rod u kc ja

d yn am ika p op u lac ji

w yd a lan ie i eksk rec ja

resp irac ja

śm ierte ln ość

P od sys tem 3P rod u kc ja w tó rn a

d ekom p ozyc ja

m in era lizac ja

P osys tem 4P rocesy rozk ład u

E kosys tem w od n yjez io ro zb io rn ik w od n y

•Sorpcja - opisywana jest za pomocą tzw. izoterm sorpcji dla stałych wartości pH roztworu

Izoterma Langmuir’a

Izoterma Freundlich’a

SPCe- ilość np. Fosforanu zaadsorbowanego przy równowagowej koncentracji fosforanu Ce

k - stała połowicznego nasycenia

kc- i p- stałe empiryczne

e

e

CKC

Ce PSCSP

PCkSP ecCe )(

Podsystem 1

•Erozja (Delo, 1988))( Cebdtdm E

m - masa erodowanych osadów

b- naprężenie przy dnie

Ce - napręzenie krytyczne na powierzchni osadów

E - współczynnik erozji

•Resuspensja - )()(,

,max,

CrD

CrDD

ws

s

U

UU

wE k

w, s - gęstość wody i osadów dennych

k - wsp. proporcjonalności

UD,max - maksymalna pozioma prędkość wody na granicy woda osady denne

UD,Cr - krytyczna prędkość wody

Podsystem 1

PRODUKCJA PIERWOTNA

•Tempo produkcji pierwotnej przez jednostkę biomasy fitoplanktonu zwykle opisywane jest zależnością:

RGG maxGmax - maksymalne szybkość produkcji charakterystyczna dla danej grupy fitoplanktonu

R- czynnik ograniczający produkcję

Czynnikami ograniczającymi produkcję mogą być:

- natężenie promieniowana RI

- koncentracja biogenów w wodzie RB

- temperatura RT

Podsystem 2

ZOZW-ISIŚ

Podsystem 2Temperatura - jako czynnik ograniczający

topttttopt

toptttoptttx

TR txtoptt

inf

sup

)][3,2exp()( 2

t opt – temperatura optymalna dla fitoplanktonu

t inf – temperatura minimalna dla fitoplanktonu

t sup – temperatura maksymalna dla fitoplanktonu

ZOZW-ISIŚ

Podsystem 2Temperatura - jako czynnik ograniczający

153,2exp)( ToptTtR [Jorgensen,1976]

T opt – temperatura optymalna dla fitoplanktonu

ToptTTT

ToptTTTTR

max

maxmax

max 1exp)(

[Herodek i in., 1982]

T opt – temperatura optymalna dla fitoplanktonu

T max – temperatura maksymalna dla fitoplanktonu

Natężenie promieniowania - jako czynnik ograniczający

• funkcja Steel’a)1exp(

optopt II

II

IR I- aktualne natężenie promieniowania [W/m2]

Iopt - optymalne natężenie promieniowania [W/m2]

• funkcja Shelef’a IKI

IR exp1

)exp()( 0 zIzI I0 - natężenie promieniowania na powierzchni wody [W/m2]

- wsp. ekstynkcji [1/m]

wsp. Ekstynkcji może być uzależniony od aktualnej koncentracji fitoplanktonu,

zawartości substancji zawieszonej, detrytusu, zawartości humusu wodnego itp.

Podsystem 2

IK- saturacja dla swiatła

ZOZW-ISIŚ

Tylko cześć promieni padających na powierzchnię wody przenika w głąb. Ilość promieni odbitych jest tym większa im mniejszy jest ich kąt padania. Ilość promieni docierających do głębszych warstw zależy od głębokości i przezroczystości wody.

Sam fitoplankton może doprowadzić do tzw. samo zacieniania.

Zawartość substancji biogennej jako czynnik ograniczający

• funkcja MonodaBB

B

CkC

BR

CB- koncentracja biogenu [g/m3]

kB - stała połowicznego nasycenia [g/m3]

RB - może być funkcją zależną od biogenów:

RP - fosforu

RC - węgla

RN - azotu

Podsystem 2

44

4 POkPO

P kPOR

Podsystem 2

Funkcja fosforu ograniczająca dynamikę fitoplanktonu przedstawiona jest najczęściej w postaci kinetyki Monoda

1 mgP wystarcza na wyprodukowanie 100 mg suchej masy glonów.

Wypadkowe działanie czynników ograniczających:

R=RI RP RN RC R Si RT

R= min(RI, RP, RN, RC)

CRNRPRIRR 1111

4

Podsystem 2Podsystem 2

Przykłady:

• Chen i Orlob (1975)

PHYTTMYPHOTO PSKPPS

NSKNNS

IKII )(

MY(T) - funkcja ograniczająca zal. od temperatury

NS - azot rozpuszczony

PS - fosfor rozpuszczony

Wypadkowe działanie czynników ograniczających: Podsystem 2Podsystem 2

- iloczyn

R(N,P,I,T,t)=R(N,t) R(P,t) R(I,t) R(T,t) [Parker, 1973]

[Di Toro i in.1975]

-minimum [Larsen i in. 1973]

R(N,P,I,T,t)=min(R(N,t), R(P,t), R(I,t), R(T,t))

-średnia harmoniczna [Park i in., 1974]

)(/1)(/12),(),(),,,,( PRNRtTRtIRtTIPNR

Podsystem 2Podsystem 2Przykłady cd.

•Patten et al. (1975)

3)()()()( CSfPSfNSfIfPHYTMYPHOTO

PHOTO- szybkość przebiegu fotosyntezy, MY -szybkość wzrostu fitoplanktonu

PHYT - koncentracja fitoplanktonu, IK- parametr nasycenia światłem

MY-szybkość wzrostu fitoplanktonu, PHOTO - szybkość przebiegu fotosyntezy

)( 11

11

PSPKIPAPKIUPMAXUP Bierman et al. (1974)

UP- pobór fosforu,

PKI -stała równowagi reakcji pomiędzy fosforem a nośnikiem,

PA - koncentracja fosforu w glonach

PS- koncentracja rozpuszczonego fosforu

ZOZW-ISIŚ

Wymieranie

Wytworzona w wyniku syntezy biomasa organizmu osiąga maksimum, inne dla każdego gatunku. Prowadzi to do naturalnej śmiertelności glonów.

Wymieranie opisane jest liniową zależnością:

-mort •fito

-Sedymentacja

Wzrost sedymentacji fitoplanktonu powodowany jest zmniejszeniem gęstości wody pod wpływem wzrostu temperatury. Wielkość sedymentacji określa iloczyn fitoplanktonu i współczynnika sedymentacji, który jest wyznaczany empirycznie.

-sed •fito

Podsystem 2


Przyrost masy populacji organizmów zwierzęcych (Odum 1972)

ZooAGGkC

Zoovzz )1(max

Gzmax- maksymalna szybkość wzrostu zooplanktonu [1/d]

Zoo- koncentaracja zooplanktonu [g/m3]

Ck - pojemność środowiska

Av =f(fito) f(O2) f(tox)

Przyrost masy populacji organizmów zwierzęcych Ivlev (1974)

))exp(1(max fGG zz Gzmax- maksymalna szybkość wzrostu [1/d]

f- koncentracja pokarmu [g/m3]

stała empiryczna [m3/g]


Procesy obumierania :

• zwykle opisywane zależnością liniową

• może być uwzględniony efekt ‘ciasnoty’

Fitoplankton Bakterie

Zoopl. drap.

Zoopl. niedrap

Detrytus

Fosfor

Epilimnion

Uchmański J.

ZOZW-ISIŚ

Uchmański J., Szeligiewicz W. Loga M.

Fosfor

Fitoplankton

Zooplankton

Fosfor

Zooplankton

Bakterie

Epilimnion

Hypolimnion

Loga M

ZOZW-ISIŚ

Uchmański J., Szeligiewicz W. Loga M.

Model hydrodynamiczny

Model termiczny

Model ekologiczny

Przykład - Zbiornik Zegrzyński

Zawartość chlorofilu-a i ortofosforanów

pon. ujścia Rządzy (P5)

0

10

20

30

40

50

60

maj-97 cze-97 lip-97 sie-97 w rz-97 paź-97

Ch

loro

fil [

mg

/dm

3]

00,10,20,30,40,50,60,70,8

mg

PO

4/d

m3

Chlorofil Ortofosorany

pon. ujścia Rządzy (P6)

0

10

20

30

40

50

60


Ch

loro

fil [

mg

/dm

3]

00,10,20,30,40,50,60,70,8

mg

PO

4/d

m3


Zat. Ryni - ASG (P8)

0

10

20

30

40

50

60


Ch

loro

fil [

mg

/dm

3]

00,10,20,30,40,50,60,70,8

mg

PO

4/d

m3


Zat. Ryni - ASG (P9)

0

10

20

30

40

50

60


Ch

loro

fil [

mg

/dm

3]

00,10,20,30,40,50,60,70,8

mg

PO

4/d

m3


Schemat blokowy modelu dynamiki fosforu

pH , Ca , M g , SO2 + 2 + 2 -

4

Fosfor rozpuszczony

O sady denne

Fosfor zooplanktonowy T , I , NO , NHw r a d 3 4

- +

Fosfor detrytusowy Fosfor fitop lanktonow y Fosfor partykularny

Schemat blokowy modelu ekologicznego

Documents

Modele eutroficzne