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:
= qna – qaz – qas;
= qaz – qzs;
= qas + qzs – qsb; (1)
= qsb – qbn;
= qbn – qna;
= k(xn – x) + qax – qxb,
деqij – потік речовини з i-го блоку в j-й; хn – концентрація кисню при насиченні ним води; k – коефіцієнт реаерації.