Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου Λασπίδου Χρυσή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας
Jan 14, 2016
Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική
προσομοίωση του κύκλου του αζώτου
Λασπίδου ΧρυσήΤμήμα Πολιτικών Μηχανικών
Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας
Υγρότοποι: ορισμός και είδη
Είναι φυσικές ή τεχνητές περιοχές, μονίμως ή προσωρινώς κατακλυσμένες με νερό, ρέον ή στάσιμο, γλυκό, υφάλμυρο ή αλμυρό και περιοχές που καλύπτονται από θαλάσσιο νερό του οποίου το βάθος δεν υπερβαίνει τα έξι μέτρα.
Παράκτιοι υγρότοποι: τα ρηχά θαλασσινά νερά, τα δέλτα και οι εκβολές των ποταμών, τα αλμυρά έλη, οι κλειστές και ανοιχτές λιμνοθάλασσες.
Εσωτερικοί υγρότοποι: τα ποτάμια και τα ρυάκια, οι λίμνες, τα έλη, τα υγρά λιβάδια, οι καλαμώνες καθώς και τα παραλίμνια ή παραποτάμια δάση.
Τεχνητοί και ημι-τεχνητοί υγρότοποι, οι οποίοι κατασκευάζονται για αποθήκευση νερού, για ύδρευση, άρδευση, υδροηλεκτρική ενέργεια, αναψυχή, παραγωγή αλατιού και απομάκρυνση ρύπων .
Υγρότοποι: λειτουργίες
Φυσικός καθαρισμός των υδάτων.
Εμπλουτισμός υπόγειων υδροφορέων.
Αποθήκευση νερού και τροποποίηση πλημμυρικών φαινομένων.
Απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα.
Αποθήκευση και ελευθέρωση θερμότητας.
Δέσμευση ηλιακής ακτινοβολίας και στήριξη τροφικών πλεγμάτων.
Λίμνη Κάρλα: Ιστορική αναδρομή
Αρχαιολογικά ευρήματα αποδεικνύουν την κατοίκηση γύρω από την λίμνη από την νεολιθική εποχή.
Η έκταση της διακυμαίνονταν από 45000 στρέμματα, το μόνιμο εμβαδό της, έως 180000 στρέμματα.
Η αποξήρανση αποσκοπούσε σε: αντιπλημμυρική προστασία της θεσσαλικής πεδιάδας απόδοση γεωργικής γης στους φτωχούς αγρότες αντιμετώπιση του προβλήματος της ελονοσίας
Το 1962 πραγματοποιείται ολική αποστράγγιση της λίμνης
Επιπτώσεις της αποξήρανσης της λίμνης Κάρλας
Επηρεάστηκαν τα μικροκλιματικά δεδομένα της περιοχής.
Πτώση υπόγειας στάθμης, μέσω της απώλειας υδατικών πόρων και την υπεράντληση, και εισαγωγή θαλασσινού νερού στον υπόγειο υδροφορέα.
Μετά την αποξήρανση εμφανίστηκαν ρήγματα στο έδαφος της ευρύτερης περιοχής.
Μείωση του αγροτικού πληθυσμού
Αποδήμηση της άγριας πανίδας.
Καταστροφή της ιχθυοπαραγωγής της περιοχής.
Η λίμνη Κάρλα σήμερα
Στόχοι της εργασίας
Στόχος: Επιλέγοντας το άζωτο σαν παράμετρο ποιότητας νερού, να αποκτήσουμε μια λεπτομερή εικόνα των μεταβολών που υφίσταται μέσα στον υγρότοπο (πού βρίσκεται αποθηκευμένο, σε τι ποσότητα και ποια είναι η επιρροή των υδρολογικών συνθηκών).
Μεθοδολογία: Ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης για την περιγραφή των φυσικοχημικών και βιολογικών διεργασιών του υγροτόπου με σκοπό την προσομοίωση της ποιότητας νερού που εισρέει και απορρέει από αυτόν.
Εργαλεία: Λογισμικό STELLATM 9
Το υπο-μοντέλο υδρολογίας
Res Vol
Res Total In
~
Precipitation
~
PeniosRiver
~
Drainage
~
Run off
~
Irrigation
Res Total Out
~
Evapo
transpiration
Water level
Losses to
aquifer
Total Q
Res turnover Pagasitikos
Surface area
Υπο-μοντέλο υδρολογίας: Μεταβλητή V
ETQQQQQQQdt
dVPagasaquifirrigpptdrainagerunoffpenios
V :Ο όγκος του νερού στον ταμιευτήρα (m3)
QPenios:Η εισροή νερού στον υγρότοπο μέσω άντλησης από τον Πηνειό
(m³/week)
Qrun off :Η εισροή νερού λόγω απορροών και πλημμύρων (m³/week)
Qdrainage:Η εισροή λόγω στραγγιδίων των αρδευόμενων περιοχών που απορρέουν στην Κάρλα
(m³/week)
Qppt :Η εισροή νερού λόγω βροχόπτωσης (m³/week)
Qirrig:Η εκροή νερού από τον υγρότοπο για την κάλυψη των αναγκών άρδευσης
(m³/week)
Qaquif :Η εκροή νερού λόγω διαφυγής στον υδροφορέα (m³/week)
QPagas:Η εκροή νερού από τον υγρότοπο μέσω εκτροπής στον Παγασητικό
(m³/week)
ΕΤ :Χάνεται στην ατμόσφαιρα λόγω εξατμισοδιαπνοής (m³/week)
Δεδομένα Εισόδου –Υδατικό Ισοζύγιο
Ταμιευτήρα Κάρλας
QPenios Qrun off Qdrainage Qppt Qirrig QET Qaquif
January 2,65·107 8,23·106 0,00 3,48·106 0,00 2,10·106 1,64·107
February 2,18·107 8,23·106 0,00 3,61·106 0,00 2,10·106 2,09·107
March 1,37·107 1,02·107 0,00 2,61·106 0,00 2,10·106 2,20·107
April 1,26·107 7,75·106 4,10·105 2,11·106 6,50·106 4,20·106 1,89·107
May 1,38·107 7,75·106 1,09·106 1,91·106 1,74·107 4,20·106 1,45·107
June 7,58·106 4,36·106 1,43·106 2,61·106 2,29·107 4,20·106 9,11·106
July 0,00 5,81·106 1,93·106 1,93·106 3,09·107 4,20·106 4,52·106
August 0,00 2,91·106 1,28·106 1,99·106 2,05·107 4,20·106 2,73·106
September 1,10·106 3,39·106 5,90·105 1,08·106 9,40·106 4,20·106 2,17·106
October 7,95·106 1,37·107 0,00 1,49·106 0,00 2,10·106 3,30·106
November 1,65·107 1,45·107 0,00 7,50·105 0,00 2,10·106 5,80·106
December 2,66·107 1,02·107 0,00 8,40·105 0,00 2,10·106 1,04·107
Το άζωτο: οι μορφές του στην Κάρλα
Το αμμωνιακό άζωτο (NH3)
Το άζωτο στα νιτρώδη και τα νιτρικά (NOx)
Το άζωτο στα μακρόφυτα (Nmac)
Το άζωτο στην άλγη (Nalgae)
Το οργανικό άζωτο (Norg)
Το άζωτο στα ενεργά ιζήματα (Nsed)
Το άζωτο στα βαθιά ιζήματα (ΝDS)
Το υπο-μοντέλο αζώτου
NH3NOx
Nalgae
Nmac
Norg
Nsed
Nitrif ication
UptakeNH3algae
UptakeNH3
macrophy tes
OutputNH3
InputNH3
Ammonif ication
Remineralization
Denitrif ication
UptakeNOx algae
InputNOx
Mortality
UptakeNOx macrophy tes
Adsorption
OutputNOx
Death
OutputNalgae
InputNalgea
OutputNorg
InputNorg
~
Nh3 Penios
~
PeniosRiv er
~
Drainage
NH3drain
~
run of f
NH3runof f
Res turnov er
~
DO
DOc
~
TempCor
pHc
Kn
~
PH
~
artempcor
Kd
~
NoxPenios
~
PeniosRiv er
~
Drainage~
run of f
NoxdrainNoxrunof f
Res turnov er
~
Nalgea
~
PeniosRiv er
Res turnov er
~
artempcor
u mac
K4
~
artempcor
u macK3 u mac
~
artempcor
umax
Kao
~
artempcor
Kamsed
~
artempcor
Res turnov er
~Norginput
~
PeniosRiv er
Km
~
artempcor
K5
umax ~
artempcorK4
Res Vol
~
Mac death rate
Deep Sediments
Settling to ds
NH3 NOX
Nmac
Nalgae
Norg
Nsed
ΝDS
Εισροή
Εκροή
Θάνατος μακροφύτων
Δέσμευση ΝΟx από μακρόφυτα
Απονιτροποίηση
Καθίζηση σε βαθιά ιζήματαΑνοργανοποίηση
Προσρόφηση
Θάνατος αλγών
Αμμωνιοποίηση
Δέσμευση NΟx από
άλγες
Δέσμευση NH3 από άλγες
Δέσμευση NH3 από
μακρόφυτα
Νιτροποίηση
Εισροή
Εισροή
Εισροή
Εκροή
Εκροή
Εκροή
Το υπο-μοντέλο αζώτου
NH3
Nitrif ication
UptakeNH3algae
UptakeNH3
macrophy tes
OutputNH3
InputNH3
Ammonif ication
Remineralization
AREA TO VOL RATIO
~
Nh3 Penios
~
PeniosRiv er
~
Drainage
NH3drain
~
run of f
NH3runof f
Res turnov er
~
DO
DOc
~
TempCor
pHcKn
~
PH
K3u mac ~
artempcor
umax
Kao
~
artempcorKamsed
~
artempcor
Res Vol
Το αμμωνιακό άζωτο (ΝΗ3)
min
3333
333-mac-algae
)()(
reammonoutNHuptakeNHuptakeNHnitrif
runoffrunoffPeniospeniosdrainagedrainage
rrrrrr
NHQNHQNHQdt
NHd
Η εξίσωση :
V
ATCpHKDONHr cncnitrif 3 algaeθμalgae
33
3
20max3
N
VNH
K
VNH
r TArrhuptakeNH
acN
V
NHK
V
NH
acr TArrhuptakeNH mθμm
34
3
20max3
Όπου:
V
QQNHr Pagasirrig
outNH 33
sedTArrhamsedre NKr 20
min
orgTArrhammonammon NKr 20
Τα νιτρώδη και τα νιτρικά ( ΝΟx )
NOxNitrif ication
Denitrif ication
UptakeNOx algae
InputNOx
UptakeNOx macrophy tes
OutputNOx
~
DO
DOc
~
TempCor
pHc
Kn
~
PH
~
artempcor
Kd
~
NoxPenios
~
PeniosRiv er
~
Drainage~
run of f
NoxdrainNoxrunof f
Res turnov er
u mac
K4
~
artempcor u mac
umax
~
artempcor
K4Nmac
Nalgae
Res Vol
AREA TO VOL RATIO
NH3
Η άλγη ( Nalgae)
NOx
Nalgae
UptakeNH3algae
NH3
UptakeNOx algaeDeath
OutputNalgae
InputNalgea
~
Nalgea
~
PeniosRiv er
Res turnov er
K3umax
~
artempcor
Km
~
artempcor
umax
~
artempcor
K4
Res Vol
Τα μακρόφυτα ( Nmac )
Nmac
UptakeNH3
macrophy tes
Mortality
UptakeNOx macrophy tes
~
artempcor
u mac
K4~
artempcor
u mac
K3
u mac
~
artempcor
NH3
~
Mac death rate
Το οργανικό άζωτο ( Νorg )
Nalgae
Norg
Ammonif ication
Adsorption
Death
OutputNorg
InputNorg
Kao~
artempcor
Res turnov er
~Norginput
~
PeniosRiv er
Km
~
artempcor
K5
Το άζωτο στα ιζήματα (Νsed)
Norg
Nsed
RemineralizationMortality
Adsorption
~
artempcor
Kamsed
~
artempcor
K5
~
Mac death rate
Deep Sediments
Settling to ds
Nmac
DS
InputNH3
InputNalga
e
Input
NOx
Input
Norg
esNmacrophyt
aeNa lg
3NH
XNO
Norg
Nsed
6677.9
930
48482.5
8673.9
1055.7
6288.2
95.59
3219.29
24.04
62111.4
58787
22.51
2302.6
0,9110839.7
15886
213.7
8.85
0
Τα μεγέθη των ροών αζώτου υπολογισμένα σε mg N/m2-yr
4330
Διαγράμματα Odum για το άζωτο
DS
esNmacrophyt
aeNa lg
3NH
XNO
Norg
Nsed
10.31
1.44
74.86
13.39
1.63
9.71
0.14
4.87
0.037
95.9
90.77
0.035
3.55
0 16.73
70.85
0.33
0.01
0
InputNH3
InputNalga
e
InputNOx
InputNorg
Τα μεγέθη των ροών αζώτου υπολογισμένα ως ποσοστό% της ετήσιας ροής φωσφόρου σε σχέση με την εισροή φωσφόρου
0.02
6.68
Διαγράμματα Odum για το άζωτο
Ροή και αποθήκευση αζώτου στον ταμιευτήρα
Συνολικά ο υγρότοπος κατακρατεί περίπου το 93% του αζώτου που εισέρχεται σε ένα έτος.
Το 6.67% αυτού χάνεται μέσω της απονιτροποίησης, όπου το άζωτο μετατρέπεται σε αέριο κάτω από αναερόβιες συνθήκες και διαφεύγει στην ατμόσφαιρα.
Οι ροές που φαίνονται στο διάγραμμα δείχνουν ότι ένα μεγάλο ποσοστό του αζώτου χάνεται, αφού αποθηκεύεται αρχικά προσωρινά και μετά μόνιμα στα ιζήματα.
Το 90.77% του εισερχόμενου αζώτου μετατρέπεται σε ιζήματα κάθε χρόνο κατά την ιζηματοποίηση των νεκρών μακροφύτων .
Μία άλλη σημαντική ροή είναι αυτή της βιολογικής αφομοίωσης αζώτου από μακρόφυτα (70%), η οποία μετατρέπεται σε ιζήματα μετά το θάνατό τους. Αν συγκρίνουμε την πρόσληψη αζώτου από τα μακρόφυτα με αυτή του φυτοπλαγκτού, βλέπουμε ότι τα μακρόφυτα προσλαμβάνουν συγκριτικά πολύ περισσότερο άζωτο, κάτι που είναι αναμενόμενο, λόγω της μεγαλύτερης βιομάζας τους.