• загрузка...
    5

2.1 Описание Модели

загрузка...

Важное условие моделирования — выбор компонентов исполь­зуемой и модели схемы биохимической трансформации биогенных со­единений в водоеме (рисунок 11.1). В модели «Биоген» использован набор данных наблюдений, включающий в себя стандартные показате­ли качества воды: содержание О2, фитопланктона, минеральных форм

N и Р

Можно сказать, что в модели учтены компоненты водной экоси­стемы, играющие существенную роль в процессах трансформации био­генных соединений в Новосибирском водохранилище (Подлипский и др., 1985). Отсутствие достаточного объема информации не позволило обоснованно ввести в качестве отдельной переменной гетеротрофные бактерии. В модели "Биоген" процессы минерализации органических веществ (ОВ) характеризуются реакцией первого порядка со скоро­стью, заданной в виде температурной функции.

"1        i 4 -j-r-l           

Ш ПНЕЖЗ-

t

n03

 

Рисунок 11.1 - Схема биохимической фансформации в водной экосистеме, описываемая моделью "Киснсн"

По мерс накопления натурных данных о жизнедеятельности пере­численных типов микроорганизмов можно уточнять перечень компо­нентов модели и схему их взаимодействия. Сейчас же модель "Биоген*' по набору переменных аналогична ряду моделей качества воды {Schnaor et at, 1987) и характеризуется следующими упрощениями: стехиомстрические отношения концентраций С, N и Р в компонентах экосистемы постоянны и равны 106:16:1; содержание С составляет а экосистеме около половины общего веса в неживой органической мас­се; основной источник взвеси в речной воде частицы почвы, смытые с водосборной площади. Содержание ОВ (10% общего веса взвеси) на входе коррелирует с содержанием взвеси в поверхностном слое доми­нирующего на водосборе типа почвенного покрова. Для водоема, где основной источник взвеси отмерший планктон, такое предположе­ние неприемлемо.

В модель 'Биоген" включен блок, описывающий трансформацию соединений N и Р в донных отложениях (ДО). Он включает в себя 13 переменных Ср 8 из которых относятся к водной среде (/=1-8, соответ­ственно: М-КНф N-NO2, N-NO3, F - биомасса фитопланктона, D - взвешенные вещества, 1 - ортофосфатный фосфор, С - растворенный органические вещества, О2), а 5 — к ДО (Сд, - ОВ; фосфор и азот, со­ответственно: иптсрстициальные- P/j и Ny; сорбированные на твердой фазе - Р5 и N5; при i-9-13).

Уравнения модели, описывающие трансформацию соединений в родной толще в нуль-мерном приближении, имеют вид

где W — объем водохранилища, / — время, R-t — скорость биохи­мической трансформации соответствующего соединения С/, Q( и С./ .-• расход реки и концентрации компонентов в ней, Q расход по­пуска ит водохранилища, Jt массовый поток на межфазной поверх­ности, — площадь зеркала водохраншшша. С, — боковая нагрузка, характеризующая поступления с берегов, L — длина водохранилища.

Полная запись членов с численными значениями коэффициен­ты приведена в работе Щхай и др., 1997).

Кадибрация имитационной модели "Биогеи" осуществлена с по­мощью данных наблюдений, проведенных на Новосибирском водохра­нилище, которое создано на Оби в IV57 г. (створ гидроузла расположен выше Новосибирска). До настоящего времени это водохранилище - крупнейшее в Западной Сибири. Оно служит в основном для удовле­творения нужд энергетики, вод пот транспорта и водоснабжения.

Водохранилище представляет собой неширокий, вытянутый с юго-запада на северо-восток водоем протяженностью - 180 км. Грани­ца выклинивания подпора при отметке НПУ расположена в районе Камня-на-Оби. Водохранилище осуществляет сезонное регулирование речного стока с ежегодной сработкой уровня на 5 м. Средняя ею глу­бина составляет 8.2 м, объем и плошадь зеркала при НПУ соответст­венно 8.8 км-* и 1070 км-, полезный объем 4.4 км-*. Озерная часть водохранилища представляет собой чашу, где происходит формирова­ние качества воды, поступающей в нижний бьеф. При отметке НПУ в озерной части сосредоточено 73% всего обьема вод водохранилища. При еработке водохраштлища доля озерной части возрастает до 90%.

По продуктивности, содержанию биогенных и органических ве­ществ (ОВ) Новосибирское водохранилище относят к олнгомезотроф- Пому пшу. Общая биомасса фитопланктона в стоке из водохранилища невысокая (иногда 0.68 мг/л). В 1981 году ее максимум (1.1-1.77 мг/л) отмечен в конце августа — сентябре. Видовой состав доминирующих сообществ фитоштанкгона меняется в течение года неоднократно. В апреле-мае преобладали Cyclotella и Steplumodiscus, к концу июня уси лилась роль Metasira gramtlata var. gramilata. Затем биомасса диатомо- иЬ1х резко спадает, и они уступают место синезеленым и зеленым водо­рослям. Со второй декады июля по сентябрь преобладающим видом

 

ju = + Q+ C+i - (2- С, + Jfi2 + GjL,

фитопланктона становится Aphanizomenori Jlos-aquae. зимой AsterioneUaformosa.

В 1981-82 гг. было проведено комплексное изучение Новосибир­ского водохранилища (Подлипский и др., 1985) и получен набор ных, позволяющий выполнить предварительное модельное описание процессов в экосистеме водохранилища. Речь идет о данных по водно­му и температурному режимам, морфометрии и актинометрии водо­хранилища. Версия внугригодового распределения компонентов гц> входном створе (Камень-па-Оби) выбрана исходя из реального еодер. жання минеральных форм N (NH4, N(>2, NO3), Р, О^ XnV, фито­планктона, органических и взвешенных веществ с учетом эмпириче­ских соотношений (см ИинОерг, /972; Ииканоров, /989).

Вопрос о методах обработки данных наблюдений /утя гюследук>- шего использования в моделях один из важнейших. В силу реальной сгохастичиосги речных процессов каждое конкретное измеренное зна­чение концентрации химического соединения в реке является случай­ным. Поэтому для использования содержания итредиента для входной информации модели (для конкретных створа и периода гидрологиче­ского года) необходимо установить значение корреляции множества наблюдавшихся концентраций в этот период от соответствующих гид­рологических факюров (расхода воды, температуры и других парамет­ров). В отсутствии зависимостей и низкой корреляции величин исполь­зованы их средние значения.

Неизвестные параметры модели "Биоген" определены в пределах интервалов характерных значений минимизацией статистического кри­терия Тейла (5) для каждого из компонентов водной экосистемы:

На рисунке 11.2 приведены результаты сопоставления расчетных и наблюдавшихся в 1981 г. среднемесячных концентраций веществ у замыкающего створа Новосибирского водохранилища. Для N-NH4 Сг составляет 0.28; для N-N02 - 0.13; для N-NO3 0.36; для F - 0.37, для 1 — 0.19; для С 0.13 и для О2 0.12, что вполне удовлетвори­тельно для экологических моделей.

На долю нригочности с берегов водохранилища приходится < 6% водного стока реки (Подтпскии и др.. J985). Специальные расчеты для потоков N и Р с берегов водохранилища, еосгавшющих 6±6% биоген­ной нагрузки реки, не выявили существенной разницы в годовой из­менчивости компонентов модепи. Пред пол aj а л ось, что береговая био- генная нагрузка на водохранилище в период открытой воды равномер­но распределена по месяцам.

В отсу тствие данных непосредственных измерений потоков из ДО в воду Новосибирского водохранилища результаты расчетов в те асе

 

сезоны (рисунок 11.3) сравнивались с реальными данными для водных объектов. Измерения проводились на водоемах, близких по трофиче­скому статусу: оз.Онтарио (ноябрь-апрель), оз.Грин-Лангсер (май). Ки­евское и Можайское водохранилища (июль-август). Визуальное срав­нение свидетельствует о том, что динамика расчетных показателей в целом воспроизводится верно.

п с с я и м      М         ы

Рисунок 11.2 - Результаты калибровки модели "Биоген" с наложе­нием вариантов сработки уровня

S.sv' - ■J.l^S -

0.3LCCC

О.оЗСОЭ

Си гппллитшидй ОСС4:цм. «гРу/.

0.03100

Поток д^оииймогэ азота ua бсн--ии оглс»>ьии 6 aaO'j, гН/и*сцг

С.02Э25-

0.01S50H

ЭЖ?^

расч Оля Уовосиб. бсЗохр. мэбл. эинои Оля зсгуа^ия ма«3л. летом - на<5«. ociHwiri — , ,—

0.0000с

0.001 ьС' 0.00120- апоозп- - U.CtiOtO -

1-^-1   ■ ; . ■  1 . I 11-

XI XII I И ш Н * с я ц и

Гкло». й«СФ*Г0& из Яс^ни»          б 8о&-). гР/и'сцг

                        засч. 8ля Ho&ocud. 6о8с*;.

                        -*3d/L бля оз.Оятэрио

                        чайд. Оля Q3.rpj^-f1jHrc5p

                                    чзол. Эля Киео^с дооохр.

             -          аля Нсхисс Вебе*?.

——

Г"

О.ООООС Г I IU

1 1 I 1 ' ' '—

иг: иш IX

Г I I I I

XI XII

' 1 I ' I

II 11:

fl 9 С Л Ц к

Рисунок 11.3 - Динамика расчетных значения потоков аммония и фосфатоп из донных о i ложений Новосибирского водохранилища в сравнении натурными данными

U результате расчетов получено, что за 1981/82 г. в водохранили­ще поступило со дна 5.68 тыс л- N (:>.2% всех поступлений в водохрани­лище) и 278.2 г Р (7.5%). При этом предполагалось, что береговая на­труди N составляет 3300 (5.4%), a Р — 180 г (4.8%). Для выбранной точности описания излишен более легальный учет вариации поступле­ний веществ со дна и с берегов.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я