Παράκτια Βιογεωχημικά Μαθηματικά Ομοιώματα Μέρος Β. ρ. Γιώργος Συλαίος Ωκεανογράφος Επ. Καθηγητής ΤΜΠ- ΠΘ

Transcript

1 Παράκτια Βιογεωχημικά Μαθηματικά Ομοιώματα Μέρος Β ρ. Γιώργος Συλαίος Ωκεανογράφος Επ. Καθηγητής ΤΜΠ- ΠΘ

2 Το ομοίωμα NPZDF d uptakeby P extracelular releaseby P excretion by Z & F inputof decomposed D dt dp growth P from N uptake extracellular release grazing by Z predation by F dt dz growth Z by grazing P & D excretion natural death predation by F dt dd input from Z natural death grazing by Z bacterial regeneration sin king dt df growth of F by predation on P & Z excretion dt

3 Το ομοίωμα NPZDF d uptakeby P extracelular releaseby P excretion by Z & F inputof decomposed D dt dn NP (1 exp( )) dt ( a N ) 2 P Z PP Z F D Όπου γ γραμμικός συντελεστής που σχετίζει τη συγκέντρωση ζωοπλαγκτού με τη κατανάλωση ζωοπλαγκτού.

4 Το ομοίωμα NPZDF dp growth P from N uptake extracellular release grazing by Z predation by F dt dp NP P P Z(1 exp( PP)) Z F dt ( a N ) ( P Z) Όπου α είναι η Michaelis-Menten constant = 0.03, β οσυντελεστής έκλυσης θρεπτικών από το πλαγκτόν, ε οσυντελεστής κατανάλωσης ζωοπλγακτού, δ Ρ είναι τιμή ίση με τα 2/3 της μέγιστης δυνατότητας κατανάλωσης ζωοπλαγκτού δ Ρ και φ είναι ο συντελεστής κατανάλωσης ψαριών.

5 Το ομοίωμα NPZDF dz growth Z by grazing P & D excretion natural death predation by F dt dz 2 FZ Z(1 exp( PP)) Z DZD Z(1 exp( PP)) Z DZ dt ( P Z)

6 Το ομοίωμα NPZDF dd input from Z natural death grazing by Z bacterial regeneration sin king dt dd dt Z D ZD D D

7 Το ομοίωμα NPZDF df dt growth of F by predation on P & Z excretion df P Z F F F dt ( P Z) ( P Z)

8 «ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ» ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ. & ΜΗΧ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ «ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ» ΤΜΗΜΑ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ Δ.Π. Μ. Σ. «ΟΡΓΑΝΩΣΗ & ΔΙΟΙΚΗΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΙΚΩΝ ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΣΤΗ ΛΙΜΝΟΘΑΛΑΣΣΑ ΕΡΑΤΕΙΝΟΥ Ν. ΚΑΒΑΛΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΖΩΙΔΟΥ ΜΑΡΙΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΣΥΛΑΙΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2010

9 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγικά Παράκτια Συστήματα Βιογεωχημικοί κύκλοι Βιογεωχημικά μοντέλα 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη των μοντέλων NPD και NPZD 3. Παρουσίαση και κατασκευή σύνθετου βιογεωχημικού ομοιώματος 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 5. Αποτελέσματα εφαρμογής του μοντέλου 6. Σύγκριση αποτελεσμάτων ομοιώματος με δεδομένα πεδίου 7. Υποθετικά σενάρια 8. Συμπεράσματα

10 1. Παράκτια Συστήματα 3/37 Παράκτια υδατικά συστήματα: γεωμορφολογικά αυτόνομα σώματα νερού της παράκτιας ζώνης βρίσκονται στο κατώτατο τμήμα χερσαίων λεκανών απορροής κατά μήκος της ηπειρωτικής υφαλοκρηπίδας βρίσκονται σε συνεχή ανταλλαγή με την ανοικτή θάλασσα επηρεάζονται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και διαταραχές στο εσωτερικό τους λαμβάνουν χώρα έντονες φυσικές και βιογεωχημικές διεργασίες ημίκλειστοι κόλποι ποταμόκολποι ποταμοεκβολές λιμνοθάλασσες παράκτιες λίμνες παράκτιοι υγρότοποι λιμενολεκάνες

11 1. Παράκτια Συστήματα 4/37 Χαρακτηριστικά Παράκτιων Υδατικών Συστημάτων αποτελούν περιοχές μεταφοράς, μετασχηματισμού και αποθήκευσης χημικών ενώσεων, με αποτέλεσμα να λαμβάνουν χώρα έντονες φυσικές και βιογεωχημικές διεργασίες στη περιοχή αυτή διακρίνονται από έντονη δυναμική με συχνά μεταβαλλόμενα βιολογικά, χημικά και γεωλογικά χαρακτηριστικά. Οι μεταβολές αυτές είναι αποτέλεσμα φυσικών, βιολογικών και χημικών διεργασιών και φαινομένων χαρακτηρίζονται από ανταλλαγές και ροές μάζας και ενέργειας, κατακόρυφες αλληλοεπιδράσεις με την ατμόσφαιρα, το έδαφος και το υπόγειο νερό. Τα συστήματα αυτά δεν βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας, αλλά μεταβάλλονται χρονικά

12 1. Παράκτια Συστήματα 5/37 Υποβάθμιση των παράκτιων συστημάτων λόγω ανθρώπινων δραστηριοτήτων ρύπανση (αστική, βιομηχανική, γεωργική, τουριστική) ευτροφισμός υποβάθμιση βενθικών φυτοκοινωνιών, κοραλλιογενών υφάλων και ζωοβένθους μεταβολή του ρυθμού μεταφοράς των ιζημάτων αποξήρανση υγροτόπων και η επιφανειακή και υπόγεια διείσδυση θαλασσινού νερού υπεραλίευση και χρήση καταστρεπτικών πρακτικών κλιματικές μεταβολές και άνοδος της στάθμης της θάλασσας

13 1. Βιογεωχημικά μοντέλα 6/37 Τα μαθηματικά ομοιώματα είναι μαθηματικές περιγραφές κάποιων λειτουργιών ενός οικοσυστήματος προσομοιώνουν τους κύκλους του άνθρακα, των θρεπτικών (N, P, Si) και του νερού εξετάζουν πως οι βιογεωχημικοί κύκλοι επηρεάζονται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία, η ηλιακήακτινοβολία, η εισροή νερού και θρεπτικών αλάτων χρησιμοποιούνται για τη μελέτη και κατανόηση της λειτουργίας των οικοσυστημάτων αλλά και σαν εργαλεία πρόβλεψης με τη χρήση πραγματικών ή υποθετικών σεναρίων

14 1. Βιογεωχημικοί Κύκλοι 7/37 Κύκλος Άνθρακα

15 1. Βιογεωχημικοί Κύκλοι 8/37 Κύκλος Αζώτου Μετασχηματισμοί αζωτούχων ενώσεων στο νερό Δέσμευση του αζώτου της ατμόσφαιρας Νιτροποίηση Πρόσληψη Διαφυγή της αέριας αμμωνίας Απονιτροποίηση Αμμωνιοποίηση (Saburo,, 1976)

16 1. Βιογεωχημικοί Κύκλοι 9/37 Κύκλος Φωσφόρου Κυριότερες μορφές φωσφόρου Αιωρούμενος φωσφόρος Ολικός διαλυτός φωσφόρος Διαλυόμενος φωσφόρος Φωσφορικά Οργανικός φωσφόρος Φορτίο φωσφόρου Βιολογικά διαθέσιμος φωσφόρος

17 1. Βιογεωχημικοί Κύκλοι 10/37 Κύκλος Πυριτίου

18 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη μοντέλων NPD και NPZD 11/37 NPD Τρεις μεταβλητές κατάστασης (N,P,D) μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης πλαγκτού για δεδομένες συνθήκες φωτός και θερμοκρασίας d N r max f ( N ) l PN P l DN D dt d rmax f( N) lpn P lpdp dt d D l P l D PD DN dt lχυ: οι όροι μεταφοράς από το ένα τμήμα του μοντέλου στο άλλο fn N ( ) k N N kn: ησταθερά ημικορεσμού

19 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη μοντέλων NPD και NPZD 12/37 NPD

20 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη μοντέλων NPD και NPZD 13/37 NPZD Τέσσερεις μεταβλητές κατάστασης (N,P,Ζ,D) Ρυθμός ανάπτυξης του φυτοπλαγκτού Ρυθμός κατανάλωσης ζωοπλαγκτού lxy: Σταθεροί ρυθμοί μεταφοράς LXY: Μεταβαλλόμενοι ρυθμοί μεταφοράς d N dt R ( N, t ) P l ( P P ) l ( Z Z ) L D A ( D N) S ext PN 0 ZN 0 DN mix N d P R ( N, t ) P G ( P, t ) Z ( l PN l PD )( P P 0 ) dt d Z G ( P, t ) Z ( l ZD l ZN )( Z Z 0 ) dt d D l ( Z Z ) l ( P P ) L D A ( D N) S dt ext ZD 0 PD 0 DN mix D

21 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη μοντέλων NPD και NPZD 14/37 NPΖD

22 2. Παρουσίαση και ανάπτυξη μοντέλων NPD και NPZD 15/37 NPΖD

23 3. Σύνθετο βιογεωχημικό ομοίωμα 16/37 Οι Melaku Canu et al., (Melaku Canu, 2003) ανέπτυξαν ένα οικολογικό μοντέλο για να μελετήσουν τη λιμνοθάλασσα της Βενετίας. Προσάρμοσαν στην περιοχή μελέτης το μοντέλο ρύπανσης EUTRO του μοντέλουwasp. Περιλαμβάνει ένα δισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο βιογεωχημικό μοντέλο (μεταβολή φυτοπλαγκτού, ζωοπλαγκτού, θρεπτικών, νεκρής οργανικής ύλης, διαλυμένου οξυγόνου) Στόχος τους είναι να αποτελέσει ένα μοντέλο ποιότητας νερού για τη λιμνοθάλασσα

24 3. Παρουσίαση και κατασκευή σύνθετου βιογεωχημικού ομοιώματος 17/37 Προσομοιώνει εννέα μεταβλητές κατάστασης φυτοπλαγκτό, PHY ζωοπλαγκτό, ZOO αμμωνία, NH3 νιτρικά, NOX φωσφορικά, OPO4 οργανικό άζωτο, ON οργανικός φωσφόρος, OP βιολογικά απαιτούμενο οξυγόνο, CBOD διαλυμένο οξυγόνο, DO

25 18/37

26 19/37

27 20/37

28 21/37

29 3. Παρουσίαση και κατασκευή σύνθετου βιογεωχημικού ομοιώματος 22/37

30 3. Παρουσίαση και κατασκευή σύνθετου βιογεωχημικού ομοιώματος 23/37

31 3. Παρουσίαση και κατασκευή σύνθετου βιογεωχημικού ομοιώματος 24/37

32 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 25/37

33 Αποτελέσματα εφαρμογής του ELCOM

34 Αποτελέσματα εφαρμογής του ELCOM

35 Αποτελέσματα εφαρμογής του ELCOM

36 Αποτελέσματα εφαρμογής του ELCOM

37 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 26/37 Δεδομένα εισαγωγής αρχικές συνθήκες από δεδομένα πεδίου (μηνιαίες δεογματοληψίες γιαένα έτος σε τέσσερεις σταθμούς) Παράμετρος Τιμή PHY (mg C/l) NH3 (mg N/l) NOX (mg N/l) OPO4 (mg P/l) DO (mg O 2 /l) 10.3 Αρχικές συνθήκες από βιβλιογραφικές πηγές (Umgiesser et al., 2003) Παράμετρος Τιμή ΖΟΟ (mg C/l) 0.70 ON (mg N/l) 0.20 OP (mg P/l) 0.01 CBOD (mg O 2 /l) 2.00

38 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 27/37 Δεδομένα εισαγωγής (μηνιαίες επιτόπιες μετρήσεις)

39 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 28/37 Δεδομένα εισαγωγής (Air Resources Laboratory)

40 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 29/37 Δεδομένα πιστοποίησης (μηνιαίες επιτόπιες ρυθμίσεις)

41 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 30/37 Δεδομένα πιστοποίησης (μηνιαίες επιτόπιες ρυθμίσεις)

42 4. Εφαρμογή στη λιμνοθάλασσα Ερατεινού 31/37 Δεδομένα πιστοποίησης (μηνιαίες επιτόπιες ρυθμίσεις)

43 Πίνακας 5.3: Τιμές των παραμέτρων Παράμετροι Τιμή (Melaku Canu) Τιμή (βαθμονόμηση) Περιγραφή KID 1 day Συντελεστής ρυθμού θανάτου φυτοπλαγκτού KGRZ 1 day Συντελεστής ρυθμού κατανάλωσης φυτοπλαγκτού KPZ mg C l Σταθερά ημι-κορεσμού για την κατανάλωση φυτοπλαγκτού KDZ 1 day Ρυθμός θανάτου ζωοπλαγκτού K1C 1 day Ρυθμός ανάπτυξης φυτοπλαγκτού KIT Ρυθμός ανάπτυξης φυτοπλαγκτού στους 20 ο C

44 5. Αποτελέσματα εφαρμογής του μοντέλου 32/37

45

46

47

48

49

50

51

52

53 Spatial Modeling Framework

54 Environmental Modeling Workbench Spatial Modeling Environment Inputs to multiple models Integrated wireless Sensor web Coupled Bio-Hydro Simulation CavernSoft Collaborative Environment Environmental Hydrology Applications Team

55 Spatial Modeling Environment Module Builder Graphical modeling Module Repository Unit model Simulation Driver Spatial model STELLA PowerSim Code Generator HPC SME Module Editor Module Constructor SMML Module Library Java Portal

56 2D Animation Viewer 2D Animation Control Dynamic and manual rescaling ColorMap editor Data viewer (point/spreadsheet) Export as GIF or JPG

57 3D Animation Viewer Dynamic Landscapes Variable1 -> Altitude Variable2 -> Color Mouse controlled navigation

58 Image Spreadsheet Simultaneous display of variables at multiple timesteps Useful for time series comparisons Configure: start time, time step, magnification, scaling, etc.

59 Numerical Spreadsheet View spatial data Attach to vis panels Follows animation Export to Stat packages.

60 Chesapeake Bay Model Links components: Circulation (OM3) Ecology (SME) Atmospheric coupling Environmental Hydrology Applications Team

61 Το ομοίωμα COASTmab Hakanson (2006) υναμικό μαθηματικό μοντέλο για τη πρόβλεψη του ρυθμού ιζηματο-απόθεσης σε παράκτιες περιοχές. Ιζηματο-απόθεση σε g dw/m 2 month ή cm per year; g dw = γραμμάρια ξηρού βάρους (gram dry weigh) Η ιζηματο-απόθεση είναι σημαντική καθώς μας επιτρέπει να υπολογίσουμε το ρυθμό ενταφιασμού (burial, δηλ. τη ροή υλικού, θρεπτικών, οργανικών τοξινών, κλπ.) στο πυθμένα. Επιπλέον, η ιζηματο-απόθεση είναι σημαντική για το προσδιορισμό της ηλικίας των ιζημάτων και συνεπώς τη χρονοσειρά επιβάρυνσής τους με ρύπους. Τέλος, ελέγχει τη συγκέντρωση και το κορεσμό οξυγόνου στο πυθμένα, η οποία επηρεάζει τη θνησιμότητα του ζωοβένθους που είναι σημαντικό για την υγεία του οικοσυστήματος.

62

63

64

65 Το μοντέλο του Hakanson εφαρμόσθηκε σε δεδομένα από παράκτια συστήματα της Βαλτικής θάλασσας. Τα δεδομένα που απαιτούνται για να τρέξουμε το μοντέλο είναι εύκολα προσβάσιμα και είναι στοιχεία δειγματοληψιών και χαρτογραφικά δεδομένα.

66 Όπου ΤΝ η καλοκαιρινή μέση συγκέντρωση ολικού αζώτου σε mg/l που χρησιμοποιείται για να υπολογίσουμε τη πρωτογενή παραγωγή, S η αλατότητα στην επιφάνεια που επηρεάζει τη συσσωμάτωση αιωρούμενου υλικού και την ιζηματοαπόθεση, η αλιευτική παραγωγή σχετίζεται με την έκλυση στερεών υπολειμμάτων από τα ψάρια, και sed DW sed SW είναι τιμές απόθεσης σε ιζηματοπαγίδες στο πυθμένα και την επιφάνεια.

67

68

69

70

71 Περιοχές ιάβρωσης (Ε), όπου δεν υπάρχει σημαντική απόθεση λεπτόκοκκου υλικού, αλλά κυρίως η απομάκρυνση του υλικού αυτού από το πυθμένα. Οι περιοχές αυτές βρίσκονται σε ρηχές ζώνες ή σε περιοχές μεγάλης κλίσης, είναι συνήθως περιοχές σκληρού υποστρώματος και αποτελούνται από αδρομερή άμμο και χαλίκια. Περιοχές Μεταφοράς (Τ) όπου τα λεπτομερή υλικά αποτίθενται περιοδικά. Είναι περιοχές με μεικτά ιζήματα που καταλαμβάνουν περιοχές όπου επικρατεί η επίδραση του ανέμου και των κυμάτων που ελέγχουν τις συνθήκες πυθμένα. Το βάθος που διαχωρίζει τις περιοχές απόθεσης από τις περιοχές μεταφοράς καλείται κρίσιμο βάθος και είναι βασική παράμετρος του ομοιώματος.

72 Περιοχές Συσσώρευσης (Α) όπου αποτίθενται συνεχώς τα λεπτομερή υλικά. Είναι συνήθως μαλακά υποστρώματα όπου υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων είναι δυνατόν να εμφανιστούν. Γενικά, τα σκληρά και αμμώδη υποστρώματα των περιοχών διάβρωσης και μεταφοράς χαρακτηρίζονται από χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό, χαμηλή συγκέντρωση οργανικού υλικού, και συγκεντρώσεις θρεπτικών και ρύπων. Σε περιόδους θύελλας ή έντονου παράκτιου ρεύματος, το υλικό των περιοχών ΕΤ μπορεί να επανα-αιωρηθεί και να μεταφερθεί προς τις περιοχές Α, όπου συμβαίνει απόθεση. Στις περιοχές Α όσο περισσότερο οργανικό υλικό (που καταναλώνει οξυγόνο) αποτίθεται, τόσο πιο χαμηλή γίνεται η συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου.

73

74

75

76

77

78