63. Имитационные модели водных систем:

модель эвтрофированпя водоема, модель водоема-охладителя.

Эвтрофироваиие водоемов, их цветение, связанное с гиперфункцией автотрофного блока экосистемы, в течение более чем 30 лег является постоянным предметом экологическо­го модел-ния. Причина этого - массовое эвтрофироваиие водоемов, связанное с широ­ким применением минеральных удобрений в сельском хозяйстве, а также с изобретением и массовым использованием в быту и промышленности синтетических моющих средств, со­держащих фосфор. Смыв в водоемы биогенных элементов многократно увеличил продуктив­ность водорослей, что привело к ухудшению качества воды, гибели рыбы, невозможности использования ряда водоемов в рекреационных и хозяйственных целях.

До составления математической модели необходимо предварительно проанализиро­вать имеющиеся материалы наблюдений за состоянием водоема. При изучении эвтрофирова-ния обычно требуется следующий набор данных динамика концентраций основных биоген­ных элементов в поверхностных водах, сезонная динамика и видовой состав фитопланктона (при необходимости и макрофитов), менее детально сведения о зоопланктоне и рыбах. Эв­трофироваиие процесс многолетний, поэтому для анализа нужны материалы наблюдений по крайней мере за несколько лет.

При анализе данных статистическими методами уже можно выявить основные звенья исследуемого процесса. 'Гак, при эвтрофировании ясно просматривается связь между числен­ностью фитопланктона (или концентрацией хлорофилла) и запасов фосфора в воде, такой тесной связи с другими биогенными элементами обычно не просматривается. Из этого можно сделать вывод, что лимитирующим элементом, ограничивающим продуктивность микрово­дорослей, в большинстве случаев является фосфор.

Таким образом, в моделях эвтрофированпя при изучении реакций экосистемы на из­быточное поступление фосфора наиболее важным компонентом биоценоза следует считать фитопланктон, в ряде случаев в фитопланктоне необходима градация на отделы водорослей, имеющих экологические преимущества в чистых пли эвтрофных водах.

Зоопланктон п рыбы в моделях эвтрофированпя подробно не рассматриваются, за ис­ключением случаев, когда предметом модел-ния являются изменения этих сообществ в эвтрофиом водоеме.

В ряде моделей кроме основного круговорота фосфора рассматриваются и другие, свя­занные с ним биогенные элементы углерод, азот, кислород, что позволяет описывать про­цессы более детально. Модель включает в себя зри трофических уровня фитопланктон, зоо­планктон, рыб и содержит 17 независимых переменных. Основное внимание уделяется ис­следованию поведения фитопланктона. Рассматривается также три независимых цикла био­генных элементов фосфора, азота, углерода, содержание каждого из которых в биомассе водорослей описывается отдельной независимой переменной, Модель также включает урав­нения для описания динамики биогенных элементов (в воде, детрите), которые, как и предыдущие, построены на основе балансовых соотношений.

Модель использовалась для модел-ния эвтрофированпя малого озера, подвер­гающегося загрязнению бытовыми стоками. В результате численных эспер.ов получе­но, что наиболее чувствительными параметрами модели являются: максимальная скорость роста фито- и зоопланктона, смертность зоопланктона, максимальные скорости дыхания фито- и зоопланктона, скорость осаждения водорослей, максимальная скорость потребления углерода фитопланктоном

Характерной особенностью современного состояния имитационного модел-ния r экологии является отсутствие каких-либо единых способов математического описания роста, дыхания, температурных зависимостей и т. д. даже при рассмотрении одною и того же ком­понента экосистемы, например фитопланктона.

Имитационные модели эвтрофирования, как правило, не учитывают воздействия дру­гих антропогенных факторов, которые могут вызвать заметные изменения в структуре и ме­таболизме биологических сообществ. При исслед. эффектов синергизма представляет интерес разработка некоторой базовой имитационной модели минимальной сложности, раз­витие которой дало бы возможность учитывать не только биогенную нагрузку, но и ряд дру­гих воздействий. Эта задача была поставлена при построении имитационной модели водоема-охладителя атомной электростанции. Прототипом модели явился иодоём-охладитедь Ленин­градской АЭС Копорская губа Финского залива.

Блок-схема имитационной модели представлена па рис. I. и включает в себя следую­щие компоненты: микроводоросли (две ведущие экологические группы), макрофиты. зоо­планктон, рыбы.

В модель входят также физические параметры внешние среды (температура воды и освещенность) и содержание в воде лимитирующего биогенного элемента (фосфора). Однако в тех случаях, когда нет подробных данных о верхних трофических уровнях биоценоза (на­пример, о рыбах), в модели чти компоненты целесообразно опустить.

Опыт работы с имитационной моделью показал, что добиться надежной идентифика­ции экологических параметров при подборе их значений «вручную» практически невозможно из-за существенной нелинейности большинства процессов, и необходимы специально разра­ботанные системы идентификации параметров.