Верификация экологических моделей круговорота азота (на примере Кременчугского водохранилища)

• Автор: Сердюцкая, Людмила Федоровна
• Шифр специальности: 11.00.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Киев
• Количество страниц: 218 c. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУГОВОРОТА АЗОТА В ЗАДАЧЕ

ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДУ

1.1. Моделирование круговорота биогенных элементов как ключевой механизм формирования и нормирования качества воды .

1.2. Аналитический обзор.

1.3. Канонические модели круговорота азота .

1.3.1. Модель из двух уравнений .

1.3.2. Модель из трех уравнений

I Имитационная модель круговорота азота

1.4.1. Переменные величины

1.4.2. Моделируемые процессы
Глава 2. ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ КРУГОВОРОТА АЗОТА
2.1. Литературный пример применения методов
верификации .
2.2.Задачи верификации и задачи качественного анализа .
2.3. Качественные аспекты, используемые в процедуре верификации
2.3.1. Исследование канонической модели на
устойчивость в малом
2.3.2. Функция Ляпунова для канонической модели .
2.3.3. Условия стационарности системы из пяти
уравнений .
2.3.4. Исследование на устойчивость необходимые
условия устойчивости
2.3.5. Колебания в имитационной модели.
2.3.6. Колебания в канонических моделях .
2.4. Процедура расширения модели из условий сохранения верифицируемых свойств методика связности
2.5. Алгоритмические процедуры как инструмент синтеза моделей
2.6. Методика верификации как наложение условий на соотношение скоростей
2.7. Изучение функций чувствительности как метод верификации
по узким местам экосистемы
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУГОВОРОТА АЗОТА В КРЕМЕНЧУГСКОМ
ВОДОХРАНИЛИЩЕ
3.1. Предполагаемая стационарная точка
водохранилища .
3.2. Нахождение численных значений параметров .
3.2.1. Параметры из литературных источников .
3.2.2. Параметры, найденные по методике верификации .
3.3. Список коэффициентов
Глава 4. МОДЕЛЬШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КРУГОВОРОТА
АЗОТА .
4.1. Пакет программ, реализующий исследование модели
на устойчивость в особых точках .
4.1.1. Нахождение стационарной точки, линеаризация
системы .
4.1.2. Нахождение характеристического многочлена
методом Данилевского
4.1.3. Критерий Гурвииа
4.2. Исследование моделей на чувствительность
4.2.1. Численная реализация колебаний и функции
чувствительности Iго порядка для канонических моделей .
4.2.2. Функции чувствительности Iго порядка для
имитационной модели
4.2.2.1. Чувствительность по коэффициентам азотфиксации фитопланктона, бактериопланктона и
денитрификации .
4.2.2.2. Чувствительность по коэффициентам потребления фитопланктоном органического и неорганического
азота.
4.2.2.3. Чувствительность по коэффициентам сброса органического и неорганического азота в водоем,
по коэффициенту стока через плотину
4.2.3. Функции чувствительности 2го порядка
4.2.3.1. Чувствительность имитационной модели по коэффициентам сброса неорганического и органического азота в водоем .
4.3. Использование модели для целей водоохраны .
4.3.1. Распределение минерального азота по формам
4.3.2. Максимальная нагрузка для водохранилища по минеральному азоту
4.3.3. Максимальная нагрузка для водохранилища по органическому азоту
ВЫВОДУ .
ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕКСТЫ ПРОГРАММ .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


I удельные скорости элиминации микроорганизмов М I формальный параметр ограничитель роста биомассы популяций при приближении к М концентрации остальные параметры константы. Модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные по динамике компонентов системы в озерной и сточном воде. Б задача моделирования ставится как химикоэкологическая с учетом взаимодействия основных химических соединений азота и гетерогенных популяций микроорганизмов. Схема
где Ао органический азот, Л аммиак, нитриты, нитраты, аммонифицирующие бактерии, и 3 нитрифицирующие бактерии . Л М3 метаболические выделения бактерий. Работа сч продолжает, по сути, , дополняя модель введением в качестве фазовых координат детритный азот и водоросли З4 . В б создается один из транзитных блоков общей имитационной модели Азовского моря, задача которого выдать е последующие блоки информацию о количестве образующегося в процессе круговорота азота его органических и минеральных форм. ЫОъ . Задача сводится к построению системы дифференциальных уравнений, описывающих кинетику процесса, и к расчету входящих в них коэффициентов перехода. Учитывая замкнутость рассматриваемой системы, записывается модель
В 2С делается попытка построить математическую модель, описывающую процессы синтеза органического вещества фитопланктоном и последующей трансформацией биогенных веществ, в частности, азота. Предполагается, что круговорот состоит из трех основных процессов продуцирования фитопланктоном органического вещества из неорганического, отмирания и распада живых организмов и минерализации органических Ееществ. Из факторов, существенно влияющих на скорость протекания этих процессов, важнейшими являются температура Т и соленость водоема. Считается, что выход азота из системы компенсируется его поступлением. В модели использовались различные конкретные виды функций взятые из литературы. Виды зависимостей коэффициентов от внешних факторов выбирались на основании качественной и количественной информации о влиянии внешних факторов на интенсивности соответствующих процессов, функциональную зависимость предполагали кусочнолинейной. У У1 У г 2 У1 Уь У У У4. У а Уг. Аналитические исследования выявили существование положения равновесия системы, определяемого комбинацией коэффициентов уравнений. Численные эксперименты на АВМ с использованием начальных значений и величин i , полученных из литературных источников,подтвердили, что система быстро стабилизируется. В работе бС путем численного экспериментирования с математической моделью круговорота азота в простейшем МЬГЦ исследуются некоторые вопросы динамического воздействия планктонного сообщества с биотопом. При этом основное внимание уделяется выяснению роли минеральных азотсодержащих соединений как одной из причин межвидовой конкуренции, приводящей к сукцессии видов. В модели учитываются дифференциация фитопланктонного сообщества на три экологически однородных группы, воздействие фитофагоЕ и многостадийность регенерации минеральных соединений азота. ЛлгулС
Моделируется сезонная динамика, но нет учета внешних экологических факторов. Коэффициенты брались из литературных источников. Рассматривалась прибрежная экосистема, расположенная возле бельгийского побережья Северного моря. Экосистема считалась однородной, что основывалось на результатах натурных измерений биологических и гидродинамических характеристик. Азот учитывался в виде растворенного минерального и органического, в составе фитопланктона, зоопланктона, детрита и бентоса. Первичная продукция и питание зоопланктона учитывались при помощи соотношений, установленных на основе экспериментов. Модель представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Она относится к моделям ящичного типа и охватывает акватории вдоль побережья со средней глубиной м и
площадью свыше 5 тыс. Рассчитанный годоеой ход изменения компонент модели хорошо согласуется с данными наблюдений. В частности, для фитопланктона и чистой первичной продукции предложенная модель отчетливо показывает весеннее цветение и несколько хуже осенлюю динамику фитопланктона. Некоторые различия в ходе изменения зоопланктона объясняются неучетом отдельных факторов в модели.