Transcript σ. λασπιδου

Η υπο-ανασύσταση λίμνη
Κάρλα: Μαθηματική
προσομοίωση του κύκλου του
αζώτου
Λασπίδου Χρυσή
Τμήμα 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 turnove r
Precipitatio n
Irrigation
Drainage
~
~
PeniosRive r
Run off
~
~
Evapo
Losses to
transpiratio n
aquifer
~
~
Res Vol
Res Total I n
Res Total Out
Water level
Total Q
Surface are a
Pagasitikos
Υπο-μοντέλο υδρολογίας:
Μεταβλητή V
dV
dt
 Q penios  Q runoff  Q drainage  Q ppt  Q irrig  Q aquif  Q Pagas  ET
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
~
~
~
Drainage
run of f
PeniosRiv er
NH3drain
NH3runof f
~
DO
~
Nh3 Penios
Kn
~
~
TempCor
PH
~
NoxPenios Noxrunof f
~
DOc
pHc
NOx
NH3
UptakeNH3
macrophy tes
OutputNH3
~
PeniosRiv er
run of f
Drainage
Denitrif ication
Nitrif ication
InputNH3
~
artempcor
Kd
InputNOx
OutputNOx
UptakeNH3algae
Res turnov er
u mac
K3
~
umax artempcor
~
artempcor
u mac
K4
~
artempcor
Res Vol
Remineralization
Nmac
Kamsed
~
Kao
artempcor
UptakeNOx macrophy tes
~
Nalgae
artempcor Km
Ammonif ication
Death
UptakeNOx algae
umax ~
PeniosRiv er
artempcorK4
Norginput
~
~
InputNorg
OutputNalgae
Norg
InputNalgea
OutputNorg
Res turnov er
~
Nalgea
Res turnov er
~
PeniosRiv er
Adsorption
K5
Nsed
Mortality
~
Settling to ds
Deep Sediments
~
artempcor Mac death rate
u mac
Noxdrain
~
Res turnov er
Το υπο-μοντέλο αζώτου
Νιτροποίηση
Απονιτροποίηση
Δέσμευση
NH3 από
μακρόφυτα
Εισροή
Εισροή
NH3
NOX
Εκροή
Εκροή
Δέσμευση
NH3 από
άλγες
Δέσμευση ΝΟx
από
μακρόφυτα
Nmac
Δέσμευση
NΟx από
άλγες
Εισροή
Nalgae
Εκροή
Αμμωνιοποίηση
Εισροή
Θάνατος
αλγών
Norg
Εκροή
Προσρόφηση
Nsed
Ανοργανοποίηση
ΝDS
Θάνατος
μακροφύτων
Καθίζηση σε
βαθιά ιζήματα
Το αμμωνιακό άζωτο (ΝΗ3)
AREA TO VOL RATIO
~
~
~
Drainage
run of f
PeniosRiv er
NH3drain
NH3runof f
~
~
~
DO
TempCor
PH
DOc
Kn
pHc
~
Nh3 Penios
Nitrif ication
K3
u mac
InputNH3
UptakeNH3
macrophy tes
NH3
OutputNH3
UptakeNH3algae
Res turnov er
umax
Kamsed
Remineralization
~
artempcor
Ammonif ication
Kao
~
artempcor
Res Vol
~
artempcor
Η εξίσωση :
d ( NH
3
)
dt
 ( Q drainage  NH
 rnitrif  ruptakeNH
3
 Q penios  NH
3 drainage
algae - ruptakeNH
3
mac - rNH
3 out
 Q runoff  NH
3 Penios
3 runoff
)
 rammon  rre min
Όπου:
rnitrif  NH
3
 DO c  K n  pH
rre min  K amsed   Arrh
T  20
c
 TC 
 N
A
V
T
20
ruptakeNH 3 algae  μ max  θ Arrh
sed
T
20
ruptakeNH 3 m ac  μ max  θ Arrh

T  20
rammon  K ammon   Arrh
 N


NH 3




V

 N algae


 NH 3  
  K 3  
  

V

 



NH 3




V

 N m ac


 NH 3  
  K 4  
  

V

 

org
rNH 3 out  NH
3
 Q irrig  Q Pagas


V





Τα νιτρώδη και τα νιτρικά ( ΝΟx )
~
DO
Kn
~
~
TempCor
PH
~
NoxPenios Noxrunof f
~
DOc
Noxdrain
~
~
~
PeniosRiv er
run of f
Drainage
artempcor
pHc
AREA TO VOL RATIO
Kd
Denitrif ication
Nitrif ication
NOx
InputNOx
OutputNOx
artempcor u mac
NH3
K4
~
Res turnov er
UptakeNOx macrophy tes UptakeNOx algae
K4
Nmac
umax
~
artempcor
Nalgae
Res Vol
u mac
Η άλγη ( Nalgae)
NH3
~
artempcor umax
K3
NOx
Res Vol
UptakeNH3algae
~
Nalgae
artempcor Km
Death
UptakeNOx algae
K4
umax
~
artempcor
OutputNalgae
InputNalgea
~
Nalgea
~
PeniosRiv er
Res turnov er
NH3
~
artempcor
UptakeNH3
macrophy tes
u mac
K4
~
artempcor
u mac
Nmac
K3
UptakeNOx macrophy tes
Τα μακρόφυτα ( Nmac )
u mac
~
Mortality
~
artempcor Mac death rate
Nalgae
~
Kao artempcor
~
artempcor Km
Το οργανικό
άζωτο ( Νorg )
Death
Ammonif ication
PeniosRiv er
Norginput
~
~
InputNorg
Norg
OutputNorg
Res turnov er
Adsorption
K5
Το άζωτο στα ιζήματα
(Νsed)
~
artempcor
Kamsed
K5
Norg
Adsorption
Nsed
Remineralization
Mortality
Nmac
~
~
artempcorMac death rate
Settling to ds
Deep Sediments
Διαγράμματα Odum για
το άζωτο
4330
Input
NH3
Na lg ae
6677.9
22.51
Nmacrophyt
0,91
10839.7
930
Input
Nalgae
Input
NOx
58787
15886
NH
95.59
3
8.85
2302.6
48482.5
213.7
0
NO
Input
Norg
es
8673.9
Nsed
X
24.04
6288.2
3219.29
1055.7
Norg
62111.4
DS
Τα μεγέθη των ροών αζώτου
υπολογισμένα σε mg N/m2-yr
Διαγράμματα Odum για
το άζωτο
6.68
Input
NH3
Na lg ae
10.31
0.035
0
16.73
Nmacrophyt es
1.44
Input
Nalgae
Input
NOx
90.77
70.85
NH
0.14
3
3.55
74.86
0.33
0
NO
Input
Norg
0.02
0.01
13.39
Nsed
X
0.037
9.71
4.87
1.63
95.9
Norg
DS
Τα μεγέθη των ροών αζώτου υπολογισμένα ως ποσοστό% της ετήσιας ροής
φωσφόρου σε σχέση με την εισροή φωσφόρου
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.