Numerical modeling of the interaction between nutrient - phytoplankton - zooplankton - detritus system components during.pdf Во время весеннего прогревания водоема возникает явление термобара, представляющее собой погружение водных масс в узкой зоне [1]. Создавая специфические условия для жизнедеятельности планктонных сообществ, термобар оказывает огромное влияние на экосистему озер умеренных широт [2]. Для численного воспроизведения эффекта термобара используют двухмерные [3, 4, 5-7], квазидвухмерные [8-10] и трехмерные [11, 12] модели. Выбор модели зависит от цели исследования. Однако натурные наблюдения показывают, что при образовании и развитии термобара основные изменения происходят от берега (для случая озера Камлупс - от устья реки Томпсон) к центру озера. При этом характеристики в направлении, параллельном берегу (устью реки Томпсон), достаточно однородны. На этом основании полагают [13], что модель, в которой исключены все градиенты в направлении, параллельном берегу (устью реки Томпсон), должна качественно и правильно описывать физический процесс развития речного термобара. Поэтому для исследования динамики термобара достаточно применять квазидвухмерную модель, в которой используется такое приближение, переводящее задачу в двумерную, но учитывающую три компоненты вектора скорости, причем компонента скорости вдоль однородного направления в результате влияния силы Кориолиса может в некоторых областях доминировать над другими компонентами [8]. Цель настоящей работы - разработка квазидвухмерной численной модели на основе модели «нутриент - фитопланктон - зоопланктон - детрит» Паркера [14], анализ влияния температурного режима речного притока на концентрацию биологических компонентов в озере Камлупс в период существования весеннего термобара. Математическая модель Негидростатическая квазидвухмерная математическая модель состоит из термогидродинамического и биологического модулей. Термогидродинамический модуль, включающий в себя уравнения количества движения, энергии, минерализации и турбулентных характеристик, детально описан в ранее опубликованной работе [15]. Биологический модуль воспроизводит перенос биомасс фито-, зоопланктона, нутриента и детрита с помощью конвективно-диффузионных уравнений dP duP dwP d Г dP ) d Г dP ) + + = \Ax \+ \Az 1 + P (G - mP - IZ )q; dt dx dz dx v dx) dz ( dz) dZ duZ dwZ д ( dZ ) д ( dZ ) ~др+^~+^~ = д-1 Ax-rl+T-\Az-H+ZG1 -y* -yd)P-mZ)q; dt dx dz dx v dx ) dz v dz ) dN duN dwN + + dt dx dz i (A f К (A f )+(-gp-t nipz+C D); dD duD dwD + + dt dx dz = dx ( Ax dD )+| \ Az dD ) + GpP + Y dIPZ - C D + mZZ ) где N, P, Z, D - концентрация нутриента, фитопланктона, зоопланктона, детрита соответственно; Ax и Az - коэффициенты турбулентной диффузии в соответствующих направлениях. Для описания гидробиологического процесса в водоеме используется модель «нутриент - фитопланктон - зоопланктон - детрит» (N-P-Z-D) Паркера [14]. Схематическая диаграмма математической модели биологической системы, демонстрирующая связь между ее компонентами, представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема взаимодействия компонентов биологической системы Fig. 1. Scheme of the interaction between biological system components Согласно модели Паркера [14], увеличение биомассы фитопланктона происходит за счет поглощения нутриентов из водной среды (рис. 1). Часть экскреции зоопланктона переходит в фонд нутриентов, а часть - в детритный фонд. В процессе нитрификации продукты деградации детрита превращаются в нутриенты с постоянной скоростью. Фитопланктон, съеденный зоопланктоном, распределяется следующим образом: 40 % - в фонд нутриентов, 30 % - в детритный фонд и 30 % - в биомассу зоопланктона. Также модель Паркера описывает процессы фотосинтеза с учетом проникновения света в эвфотическую зону. Скорость первичного продуцирования фитопланктона G определяется по формуле G = Vm [(Ld/sc) exp{l - (Ld/sc)}][N/(N+ks)]. Суточная поверхностная инсоляция вычисляется на основе закона нормального распределения с математическим ожиданием 0.5 сут и дисперсией 1/64 сут2: Ls =[( scJln/8)] N (0.5,1/64). Функция Ls принимает максимальное значение 150 Э м2 сут-1 в полдень. Свет, проникающий на определенную глубину, рассчитывается по экспоненциальной зависимости с учетом затенения планктоном и детритом в водной толще между поверхностью (z = Lz) и глубиной z = d: Ld = Ls exp

Скачать электронную версию публикации