EUTROFIZÁCIÓ MODELLEZÉSE: DINAMIKUS MODELLEK

1. EUTROFIZÁCIÓ MODELLEZÉSE: DINAMIKUS MODELLEK

2. Eutrofizálódás • P, N források, hozzáférhető formák • Szimptómák • Indikátorok, OECD osztályozás • Folyamatok • Modellek: megértés, tervezés, előrejelzés • Szabályozás

3. P és N formák Oldott szervetlen: NH4+, NO2-, NO3- ÖN Oldott szerves Partikulált szerves (detritusz + alga) Szervetlen PO43- Oldott Szerves komplex foszfátok ÖP Szervetlen (polifoszfát, foszfát ásványok, adszorbeált P) Partikulált Szerves (detritusz + alga) • BHP (biológiailag hozzáférhető P) • Becslés (PO4-P, alga-P, detritusz P, ~% szervetlen partikulált P, oldott szerves P) • Mérés • Limitáló elem (Liebig) • N/P > 10 ~ P, • N/P < 10 ~ N

4. Tünetek • Két típus: algás - bentikus eutrofizáció • Esztétikai problémák • Toxikus hatások • Vízhasználatok korlátozása • Indikátorok • Összes algaszám (biomassza), • A-klorofill, • Elsődleges termelés (g C /m2/nap) • Átlátszóság (mély tavak) • Oxigén telítettség (hipolimnion, mély tavak) • ÖP, ÖN, BHP, ... • Osztályozás • OECD • Felföldy

5. Folyamatok R, T 1 év N,P Chl 1 év

6. Eutrofizációs modellek • A megközelítés módja szerint: • Statisztikai modellek: • Statisztikai módszerrel meghatározott összefüggések az eutrofizáció okai és az ezekből következő jelenségek között, • Nem vizsgálják a jelenségek hátterét, nincs közvetlen kapcsolat a természeti folyamatokkal. • Dinamikus modellek • A valóságban lejátszódó folyamatok leírására törekszik, • A modell változóinak (állapot változók) idő- ill. térbeli változását leíró differenciál egyenletekből állnak.

7. Egyszerű P forgalmi modell LAP AP Szap. Puszt. LIP IP LDP DP Min. Belső t. Ülep. AP + DP + IP  ÖP (ÖP  BHP) Vollenweider!

8. Alga egyenlet G=D AP G – szaporodási ráta (1/nap) D – pusztulási ráta (1/nap) G<D G>D t ~0.3 1/nap t=100 nap alatt: AP = AP0 e30 = 1013 AP0 !!! Növekedést korlátozó tényezők: SZAP = Gmax fT fP,N fI AP Gmax- maximális szaporodási ráta (1-3.5 1/nap) f - limitálási tényezők (-) Hőmérséklet Tápanyag Fény

9. Hőmérséklet limitálás Általános formula: fT 1 = 1.06 T 20C Optimális – kritikus hőmérséklet alapján: fT T Topt Tkr

10. Tápanyag limitálás fP Monod-modell (Michaelis-Menten): 0.5 IP KaP IP – algák által felvehető P (PO4-P) KaP – féltelítési állandó (mg/m3) KaP~ 5 mg/m3, KaN ~ 20-30 mg/m3 fN,P,= min(fP, fN, ……) Cell-quota modell: tápanyag „raktározás” P felvétel Növekedés PQ Növekedés: PQ– a sejt tápanyag tartalma Pq – minimális tápanyag tartalom, amely alatt a sejt már nem képes növekedni (PQ-Pq: raktározott tartalék) Kau – tápanyag felvétel féltelítési állandója P felvétel:

11. Fény limitálás Steele szabály: növekedés fényfüggése Fénykioltás, fénygátlás fI 1 I= f(vízmélység, idő) !!! I (kJ/m2/nap) Is Napszakos változás: I(t) t (h) t1 t2 24 Közelítések (átlagolás): téglalap háromszög Sin görbe

12. Fény limitálás Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 I ke – extinkciós tényező (1/m) 1% I0 : fotikus zóna • Meghatározása: • Mérés (fotocella), • Secchi mélység ~ 10% I0 z • Számítás: ke= keh + a1LA + a2 Chl-a Önárnyékolás keh – természetes háttér (tiszta vízben 0.5-1 1/m) a1, a2 – tapasztalati állandók

13. Fény limitálás Napi és mélység menti átlagolás után: („téglalap” közelítés) Ia – napi globális sugárzás összege (nyáron 2200-2500, télen 300-400 kJ/m2/nap)

14. Detritusz egyenlet Alga pusztulás: + k Z AP D0(T-20) AP Zooplankton „legelés” Hőmérsékleti korrekciós tényező (1.05-1.08) Pusztulási ráta (0.1-1 1/nap) Mineralizáció: M0(T-20) AP Hőmérsékleti korrekciós tényező Mineralizációs ráta

15. Oldott reaktív P egyenlet Belső terhelés: • Mechanizmusok • Diffúzió (pórusvíz - víz) • Adszorpció-deszorpció (felkeveredett üledék - víz) IP > IPe-adszorpció IP < IPe - deszorpció

16. Egyensúlyi koncentráció meghatározása: adszorpciós izotermával Adszorbeált P (mgP/g üledék) (~ Üledék „mobilizálható P tartalma) • Deszorpció felkeveredés hatására 2 1 3 3 • Adszorpció a külső terhelés növekedésekor 1 2 Pe • Izoterma alakja függ: • Üledék/talaj adszorpciós tulajdonságai (Fe, Mn, Al oxidok, Ca sók, agyagszemcsék) • pH, hőmérséklet, redox potenciál, stb.

17. Üledék P koncentrációjának változása (Lijklema, 1986) Foszfor ülepedés, S (g P/m2/év) Éves lerakódás (h) Felkeveredő (aktív) réteg (h) Üledék P koncentrációjának változása (Pü): Új egyensúly beállásának ideje (S, h = konst, k = 0):

18. hullámmozgás áramlás Üledék felkeveredése Fényviszonyok változása Belső terhelés Alga biomassza ke Ls

19. Modell bővítése: N APny AP Z IP IPP DP B Üledékmodell IPü PPü Szervetlen PP, ülep.-felkev. Téli-nyári alga Nitrogén, N kötők Pelt Zooplankton, tápláléklánc Baktérium

20. APt APny ORP DP Pad Aő Any At ORP DP ON B AP Pad Sül ORP DP BP OSP A APS APtw ORPü DPü APny PP ORP LA ORP DP DP ORPü PPü Balatonra alkalmazott dinamikus modellek SIMBAL BEM BALSECT JICA KBFT Jelölések: ORP – oldott reaktív P, DP – detritusz P, AP – alga P, A – alga biomassza, At – téli alga, Any – nyári alga, Aő – őszi alga, Pad – adszorbeált mobilizálható P, Sül – üledék szervesanyag tartalma, ON – oldott szervetlen nitrogén, B – baktérium biomassza, BP – baktérium P, OSP – oldott szerves P, ORPü – oldott reaktív P az üledékben (pórusvíz P), DPü – detritusz P az üledékben, PPü – formált P az üledékben, LA – lebegőanyag, PP – partikulált szerverlen P JICA

21. Makrofitonos eutrofizició modell • Problémák: • Növekedés időléptéke eltér az algáétól, • Lassabb alkalmazkodóképesség, • Térbeli eloszlás nem egyenletes, • Az egyes fajták teljesen különböző életmódot folytathatnak, • Az egymás közti és az algákkal való versengés sok tényező függvénye. • Holland példa (Janse, 1997): csatornákra (árkokra) kifejlesztett modell • Alga és 6 féle makrofiton, • Versengés a tápanyagokért, a fényért és a helyért, • Az algák legfőbb versenytársai a békalencsék, • Az árokfenék anyaga meghatározó!

22. Makrofitonos eutrofizició modell

23. Tápláléklánc modellek Legegyszerűbb megközelítés: Lotka-Volterra egyenletek (ragadozó-zsákmány kapcsolat) x - zsákmány biomasszája (pl. alga) a - növekedési ráta Zsákmány: Ragadozó: y - ragadozó biomasszája (pl. zooplankton) c - pusztulási ráta A két faj közötti kölcsönhatás (a faj egyedszámának függvényében): b,d - a kölcsönhatás mértékét kifejező állandók x,y Zsákmány Ragadozó t

24. Tápláléklánc modellek

25. Szervetlen Szerves Termel. Diff. Ül. Szervetlen Szerves Lebont. Diff. Ül. Szervetlen Szerves Lebont. Elt. Elt. Mély tavak • Két teljesen elkevert víztér (epilimnion, hipolimnion) közötti anyagforgalom: ülepedés, diffúzió • Érvényesség: átfordulások közötti időszak • Szél elkeverő hatása csak a felső rétegben érvényesül • Üledék csak az átforduláskor keveredhet fel Epilimnion Hipolimnion Üledék

26. Eutrofizáció hatása az oxigén háztartásra Oldott oxigén egyenlet (Streeter-Phelps): Légzés: R=f(alga) Fotoszintézis: P=f(alga, t) Pa:napi átlag Számítás az alga egyenletből: Pa = Gmax fI fT fNP AP aOAP aOAP(= aODP): alga P (detritusz P) oxigén arány (gO2/mgP) R = D0T-20DP aODP 1 g C  2.7 g O2 1 g P  40 g C aOAP = 0.108 gO2/mgP Napi dinamika figyelembevétele: (Periodikus fv, Fourier-sor!)

27. O2 Bevitel SOD ÜL SZN BOI5 NH4 O2 SZP NO2 Old-P NO3 Chl-A Az eutrofizáció modellezése folyókban: a QUAL2 modell

28. N N N KÖRFORGÁS víztest Snh BOD nitrifikáció Sno Xdet Denitrifikáció Xap üledék Xap Xdet Snh Sno Az eutrofizáció modellezése folyókban: IAWQ (IWA) modell

29. Modellalkotás folyamata • Identifikáció • Állapotváltozók kiválasztása • Melyek a meghatározó folyamatok? (N kötés, zooplankton-baktérium biomassza, üledék „memóriája”, felkeveredés stb.) • Mennyi mérés áll rendelkezésre? • Ne legyen túl bonyolult a modell! (pl. Lebontás vízben-üledékben hasonló, aggregált folyamatok  kevesebb kalibrálandó paraméter) • Kalibrálás • Érzékenység vizsgálat • Paraméterek beállítása (a priori és aggregált paraméterek) • Kézi vagy gépi illesztés • Igazolás • A kalibrálástól független mérési adatsor • Illeszkedés vizsgálata

30. Modellalkotás folyamata Leíró egyenletek: C = [C1, … Ci, … Cn] – koncentráció vektor R(C, P) – reakciókinetikai tag • Hidrodinamikai egyenletek (sokszor egyszerűsítünk!) • Kezdeti és peremfeltételek • Hipotézisek • p – paraméter vektor (kalibrálás és igazolás, érzékenységi és bizonytalansági elemzések)

31. Modellalkotás folyamata: a modell felépítésének lépései

32. Modellalkotás folyamata: a modell kalibráció menete

33. Időlépték Dekád Év Hónap Hét Nap Óra Perc makrofitonok keveredés tavakban Térbeli lépték Modellalkotás folyamata: térbeli és időbeli léptékek akkumuláció az üledékben bioakkumuláció üledéklakók életciklusa algavirágzás BOI-O2 baktérium elhalás kiülepedés ül. felkeveredés keveredés folyókban akut toxicitás A folyamatok sebességének és térbeli léptékének kapcsolata

34. Modellalkotás folyamata: bizonytalanságok forrásai • A modell készítésekor • Hiányosak vagy hibásak a mérési (input) adatsorok, vagy egyáltalán nem állnak rendelkezésre, • A mért adatok és a modellben szereplő frakciók nem pontosan feleltethetők meg egymásnak, • Nem megfelelő a modell struktúrája (bizonyos folyamatokat nem, vagy feleslegesen tartalmaz), • Nem szignifikánsak a paraméterek (aggregált folyamatok, egymástól nem független paraméterek), • Tér- és időléptékek nagyon eltérőek. • A már használatba vett modell alkalmazásakor • A modell kikerült eredeti környezetéből, • A rendszer elemeiben megváltozott és a modell által nem ismert új folyamatok jelentek meg (új faj jelent meg vagy betelepült, jelentős terhelés változás, kotrás, áramlás változás, stb.).