Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση...

23
Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου Λασπίδου Χρυσή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας

description

Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου. Λασπίδου Χρυσή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Υγρότοποι: ορισμός και είδη. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση...

Page 1: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική

προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

Λασπίδου ΧρυσήΤμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας

Page 2: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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 .

Page 3: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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.

Page 4: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 5: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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.

Page 6: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

Η λίμνη Κάρλα σήμερα

Page 7: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 8: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 9: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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)

Page 10: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 11: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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)

Page 12: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 13: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 14: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του 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)

Page 15: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 16: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 17: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 18: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 19: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

Το οργανικό άζωτο ( Νorg )

Nalgae

Norg

Ammonif ication

Adsorption

Death

OutputNorg

InputNorg

Kao~

artempcor

Res turnov er

~Norginput

~

PeniosRiv er

Km

~

artempcor

K5

Page 20: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

Το άζωτο στα ιζήματα (Νsed)

Norg

Nsed

RemineralizationMortality

Adsorption

~

artempcor

Kamsed

~

artempcor

K5

~

Mac death rate

Deep Sediments

Settling to ds

Nmac

Page 21: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 22: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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

Page 23: Η υπο-ανασύσταση λίμνη Κάρλα: Μαθηματική προσομοίωση του κύκλου του αζώτου

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.