Numerical simulation of hydrobiological processes during the spring thermal bar on the basis of the "nutrient - phytopl.pdf Весной и осенью в озёрах умеренных широт возникает природное явление, представляющее собой узкую зону, в которой происходит погружение воды, имеющей наибольшую плотность, от поверхности до дна. Такой феномен впервые обнаружил швейцарский лимнолог Франсуа Форель на Женевском озере в 1880 году и назвал термобаром (франц. barre thermique - температурная преграда) [1]. Результаты исследований этого уникального явления отражены в публикациях как отечественных [1-6 и др.], так и зарубежных [7-9 и др.] учёных. Термобар оказывает огромное влияние на экосистему озера, так как он препятствует горизонтальному перемешиванию между двумя циркуляционными ячейками с разными характеристиками воды (температурой, минерализацией, скоростью течения и т.д.) и формирует барьер между областями с благоприятными (с теплой водной массой) и менее благоприятными (с холодной водной массой) условиями для роста планктонных сообществ. Известно, что благодаря нисходящему течению термобар может аккумулировать в себе планктон и другие организмы на поверхности с локальным максимумом популяции [10, 11]. Кроме того, некоторые виды планктона (в частности, диатомовые водоросли), несмотря на значительную скорость погружения воды внутри фронта термобара, имеют тенденцию оставаться в эвфотической зоне [11], в то время как нисходящий перенос органических веществ ведёт к росту микробиологической активности в глубоководной части озера [10]. Исследование роли термобара на жизнедеятельность планктонных сообществ имеет неоценимое научное и практическое значение, поскольку планктон служит важным индикатором для оценки качества воды в озере, продуктивности и жизнеспособности водной экосистемы. Важно также отметить, что планктон - основа пищевой базы для многих видов рыбы, поэтому информация о распространении планктона и времени его роста и убыли в определенных районах водоёма важна в планировании и выборе оптимальных сроков вылова рыбы рыбопромысловыми организациями. Единственными исследователями, занимавшимися численным исследованием эффектов термобара на популяцию планктона, являются В. Ботт, Э. Кай, П.Р. Холланд [13, 8]. Рис. 1. Концептуальное представление модели Франкса и др. [14]. Стрелками показаны пути потока питательных веществ между P (фитопланктоном), Z (зоопланктоном) и N (нутриентом) Fig. 1. Conceptual view of the model of Franks et al. [14]. The arrows indicate the direction of the nutrient flow between P (phytoplankton), Z (zooplankton), and N (nutrient) Целью данной работы является разработка и верификация математической модели на основе модели Франкса и др. «нутриент - фитопланктон - зоопланктон» [14] (рис. 1) для исследования распределения биомасс планктона во время весенней эволюции термобара на примере озера Камлупс, а также анализ влияния речной концентрации биологических компонентов на их распределение в водоёме. Математическая модель Уравнения термогидродинамической модели Негидростатическая модель для воспроизведения термогидродинамических процессов в глубоком озере, учитывающая влияние силы Кориолиса, связанной с вращением Земли, и записанная в приближении Буссинеска, включает в себя следующие уравнения [15]: а) уравнения количества движения du du2 duw 1 dp d f „ du Л d f „ du Л - +-+-=----- +-\ Кх- |+-I Kz- 1 + 2-Qzv - 2-Qyw; dt dx dz р0 dx dx \ dx J dz \ dz J dv duv dwv d f dv Л d f dv Л „ ^ „ ^ - +-+-= -I Kx- |+-I Kz - | + 2-Qxw - 2-Qzu; dt dx dz dx 1 dx J dz 1 dz J dw duw dw2 1 dp d ^ dw Л d ^ dw Л р „^ „^ - +-+-=----- + -I Kx- | + -I Kz- | - g+ 2-Qyu - 2-Qxv; dt dx dz р0 dz dx 1 dx J dz 1 dz J р0 б) уравнение неразрывности du dw - + - = 0; dx dz в) уравнение энергии T + диг + dwT =d_(D dT)+-fD dT)+ 1 dHsol; dt dx dz dx v x dx J dz v z dz J p0cp dz г) уравнение баланса солёности в озере dS duS dwS d f dS Л df dS Л - +-+-= -I Dx- 1+-I Dz- I, dt dx dz dx v dx J dz v dz J где u, v - горизонтальные компоненты скорости; w - вертикальная компонента скорости; Qx, Q.y и Qz - компоненты вектора угловой скорости вращения Земли; g - ускорение свободного падения; cp - удельная теплоёмкость; T - температура; S - солёность; p - давление; р0 - плотность воды при стандартном атмосферном давлении, температуре TL и солёности SL (TL и SL - характерная температура и солёность озера соответственно). Коротковолновая солнечная радиация, проникающая в воду, рассчитывается по закону Бугера-Ламберта-Бэра Hsol = HSsol,0 • exP (-Sabsd) , где HSsol 0 - поток солнечной радиации на свободной поверхности, eabs - коэффициент поглощения, d = \Lz - z\ - глубина. Для замыкания системы уравнений используется двухпараметрическая /-ю-модель турбулентности Уилкокса [16], состоящая из уравнений для кинетической энергии и частоты турбулентных пульсаций и алгебраических соотношений для определения турбулентной диффузии [17]. В качестве уравнения состояния p = p(T,S,p) выбрано уравнение Чена -Миллеро [18], принятое UNESCO. Данное уравнение состояния связывает плотность воды с температурой, солёностью, давлением и справедливо в диапазоне 0 < T < 30 °C, 0 < S < 0.6 г/кг, 0

Скачать электронную версию публикации