Концептуальна модель евтрофікації

Модель озерної екосистеми

Озера як великі водосховища прісної води привертають до себе щораз більшу і більшу увагу у зв'язку з посиленням антропогенного впливу на прісні водойми, а також з зостаючою нестачею прісної води для задоволення промислових, сільськогосподарських та побутових потреб. Ососбливий інтерес викликає явище евтрофікації озер – збільшення в них органічної біомаси внаслідок надходження біогенних речовин ззовні (з території водозбору). За цією ознакою розрізняють оліготропні, мезотропні та евтропні озера (відповідно з низьким, середнім та високим вмістом органіки).

Концептуальна модель евтрофікації

Розглянемо найпростішу модель евтрофікації, яка охоплює декілька дуже агрегованих змінних, і для якої можливе аналітичне дослідження. Ця модель будувалася передусім для того, щоб розібратися в процесі евтрофікації озер загалом, якісно його проаналізувати та виділити ключові параметри екосистеми, які керують цим процесом. Стан екосистеми прісноводного водоймища достатньо повно описується такими фазовими змінними:

a (t) – біомаса продуцентів (фітопланктон);

z (t) – біомаса консументів (зоопланктон);

n (t) – концентрація біогенних (поживних) речовин у водоймищі;

s (t) – маса детриту (мертвої органіки);

b (t) – біомаса бактерій;

x (t) – концентрація кисню, розчиненого у воді.

Кожна зі змінних, зі свого боку, може бути поділена на окремі складові, але в загальному випадку динаміка саме цих речовин впливає на стан екосистеми і якість води. Взаємодія між зазначеними змінними описується діаграмою потоків (рис. 1). Ця діаграма дає якісний опис процесів трансформації речовин у водоймищах, що евтрофікуються, тобто вона є концептуальною моделлю процесу евтрофікації.

Звичайно, евтрофікація існуючого реально озера вносить певні зміни в цю схему. Однак на першому етапі достатньо розглянути локальну (точкову) модель для усереднених концентрацій. Крім цього, оскільки в більшості реальних водоймищ світло не є лімітуючим фактором, то можна не враховувати залежність швидкості фотосинтезу від освітленості.

Рис. 1. Діаграма потоків речовини в озері

Користуючись наведеною концептуальною моделлю, можна скласти потокові (балансові) рівняння для системи, яка вивчається:

= q_na – q_az – q_as;

= q_az – q_zs;

= q_as + q_zs – q_sb; (1)

= q_sb – q_bn;

= q_bn – q_na;

= k (x_n – x) + q_ax – q_xb,

де q_ij – потік речовини з i- го блоку в j -й; х_n – концентрація кисню при насиченні ним води; k – коефіцієнт реаерації.