Numeryczny model ekosystemu zbiornika zaporowego

Transkrypt

1 Otwarte seminaria 2012 Numeryczny model ekosystemu zbiornika zaporowego dr Czesław Kliś Zespół Ochrony Powietrza

2 Zbiorniki zaporowe i ich funkcje Zbiorniki zaporowe są budowlami, które powstają w ściśle określonych celach m.in.: dla retencji wody na potrzeby: hydroenergetyki, zaopatrzenia w wodę ludności, przemysłu, rolnictwa, leśnictwa, dla regulacji poziomu wód i ochrony przeciwpowodziowej W zlewni Małej Wisły znajduje się Zapora Goczałkowicka jeden z największych zbiorników zaporowych w Polsce. Prócz tego jest ponad 30 małych zbiorników zaporowych i stawów.

3 Zbiornik Goczałkowicki Zbiornik Goczałkowicki powstał w połowie lat 50 ubiegłego wieku w celu: zaopatrzenia w wodę ludności centralnej części GOP, ochrony przeciwpowodziowej zlewni Wisły poniżej Goczałkowic, podtrzymania przepływów w Wiśle poniżej Goczałkowic. Obecnie zbiornik pełni również inne funkcję m.in. funkcję rekreacyjną. Utrzymanie rezerwy wody pitnej oraz rezerwy powodziowej jest wzajemnie sprzeczne wymaga od operatora regulowania poziomu piętrzenia wody w zbiorniku w zależności od bieżącego zapotrzebowania na wodę ze strony Zakładu Uzdatniania Wody oraz zagrożenia falą powodziową wywołana opadami deszczu w Zlewni Małej Wisły, Iłownicy, Wapienicy, Białej.

4 Zbiornik Goczałkowicki

5 Modele hydrodynamiczne zbiorników ELCOM (Estuary and Lake Computer Model) to 3D model CWR do numerycznej symulacji przepływów w lagunach i zbiornikach wodnych. EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) to 1-, 2-, 3-D model EPA do numerycznej symulacji przepływów w ciekach, lagunach i zbiornikach wodnych. SMS (Surface-Water Modeling System) to pakiet 2D modeli firmy AQUAVEO do numerycznej symulacji przepływów w zbiornikach wodnych.

6 Siatka 100x100m modelu ELCOM

7 Przykład siatki modelu EFDC N W E Neuse River Swift 0 Scale 5 km 10 km S Bachelor Pamlico Sound Upper Broad Goose Broad Trent River Beard Dawson Greens Slocum Hancock Clubfoot Adams South River

8 ZiZOZap Od 2010 roku, konsorcjum Uniwersytetu Śląskiego, IPIŚ PAN, Pol. Krakowskiej i IETU realizuje projekt w ramach POIG realizuje projekt: Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap) ( Celem projektu jest przeanalizowanie wszystkich zjawisk związanych z funkcjonowaniem zbiornika zaporowego i stworzenie systemu, który umożliwi kontrolę i sterowanie zbiornikiem. Celem Zadania 5 tego projektu jest zbudowanie modelu ekosystemu zbiornika zaporowego (ELCOM/CAEDYM).

9 Symulacja fali powodziowej

10 Model ekosystemu Model hydrodynamiczny Model fizykobio-chemiczny

11 Warstwy ekosystemu zbiornika Warstwa fizyczna: temperatura wody, promieniowanie itd.. Warstwa chemiczna: związki węgla, azotu, fosforu, krzemu, metale Warstwa biologiczna: bakterie, fitoplankton, zooplankton, organizmy denne, ryby

12 Warstwa biochemiczna kolumny wody zbiornika zaporowego powietrze O 2 CO 2 N 2 ptaki DO DIC NH 4 NO 3 FRP DOC DON DOP fitoplankton ryby zooplankton osady toń wodna DO DOC POC POC PON POP substancje inertne substancje toksyczne DIC NH4 DON DOP PON POP NO3 FRP roślinność makroalgi bakterie małże

13 Parametry chemiczne komórki wody Tlen rozpuszczony (DO) Związki węgla: cząsteczkowy węgiel organiczny (POC), rozpuszczony węgiel organiczny (DOC), rozpuszczony węgiel nieorganiczny (DIC), cząsteczkowy węgiel nieorganiczny (PIC), Związki azotu: cząsteczkowy azot organiczny (PON), rozpuszczony azot organiczny (DON), cząsteczkowy azot nieorganiczny (PIN), azot amonowy (NH4), azot azotanowy (NO3) Związki fosforu: cząsteczkowy fosfor organiczny (POP), rozpuszczony fosfor organiczny (DOP), cząsteczkowy fosfor nieorganiczny (PIP), ortofosforany (PO4) Związki krzemu: krzemionka (SIO2) Metale: aluminium (TAL, AL2), żelazo (TFE, FE2), mangan (TMN, MN2)

14 Wybrane grupy organizmów w komórce wody Grupa bakterii Grupa fitoplanktonu Grupa zooplanktonu Grupa organizmów dennych Grupa ryb Roślinność denna Stężenie biomasy każdego z organizmów jest przeliczane na wewnętrzne stężenie węgla, azotu, fosforu i krzemu i w tej postaci jest uwzględniane w bilansie masy tych pierwiastków w komórce wody

15 Submodele organizmów komórki wody Submodel bakerii Submodel fitoplanktonu Submodel zooplanktonu Submodel organizmów dennych Submodel ryb Submodel roślinności dennej

16 Idea tworzenia submodeli organizmów zbiornika Maksymalny potencjał wzrostu organizmu Pmax to szybkość dobowego przyrostu biomasy organizmu w warunkach optymalnych: optymalnej temperaturze otoczenia, optymalnym stężeniu biomasy organizmu (stężenie nasycenia), optymalnym stężeniu substancji pokarmowych (stężenie nasycenia), optymalnym odczynie wody (stężenie nasycenia), optymalnej ilości światła Bieżąca szybkość przyrostu biomasy organizmu jest częścią maksymalnego potencjału wzrostu organizmu równa najmniejszej wartości funkcji Michaelisa-Mentena p/(p_o+p), gdzie p_o jest równa połowie stężenia nasycenia, a p jest bieżącym stężeniem parametru.

17 Idea tworzenia submodeli organizmów zbiornika Jednocześnie szybkość pobierania przez organizmy niezbędnych substancji pokarmowych ze środowiska i zwracanie produktów przemiany materii zależy od biomasy organizmów i warunków panujących w ekosystemie. Tak więc stężenia biomasy poszczególnych grup organizmów, jak i stężenia substancji chemiczne P j oraz inne parametry S j są ze sobą powiązane zależnościami wyrażanymi przy pomocy równania: P j = t F j ( P,... Pn, S1,.., S 1 k ) Otrzymuje się w ten sposób układ równań tworzących model ekosystemu.

18 Wybrane grupy fitoplanktonu Miksotrofy (DINOFlagellates) Sinice (CYANObacteria) Zielenice (CHLORophytes) Okrzemki (DIAToms)

19 Przykład parametrów fitoplanktonu KOD ID ZIZOZAP CAEDYM Maksymalny potencjał wzrostu fitoplanktonu Średni stosunek C do chorofilu a Minimalna gęstość Maksymalna gęstość Średnica cząstek Pmax Ycc min_pd max_pd dia [day-1] [(mg C)(mg chla)-1] [kgm-3] [kgm-3 [m] Maximum potential grow th rate of phytoplankton Average ratio of C to chlorophyll a Minimum phytoplankton density Maximum phytoplankton density Diameter of phytoplankton 1 Miksotrofy DINOF E-05 2 Sinice CYANO E-04 NODUL E-05 4 Zielenice CHLOR E-06 CRYPT E-05 MDIAT E-05 7 Okrzemki FDIAT E-05

20 Otwarte seminaria 2012 Dziękuję za uwagę dr Czesław Kliś