Model eLCOM/CAeDyM dla zbiornika goczałkowickiego

CZESŁAW KLIŚ
Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach
BARTOSZ ŁOZOWSKI
Uniwersytet Śląski w Katowicach
RAFAŁ ULAŃCZYK, MICHAŁ SZOT
Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach
Model ELCOM/CAEDYM dla zbiornika goczałkowickiego
Zaprezentowano dwa współpracujące
ze sobą modele ELCOM i CAEDYM, wykorzystane do modelowania ekosystemu
zbiornika goczałkowickiego. Naszkicowano jak funkcjonuje hydrodynamiczny model
ELCOM oraz pokazano jak zostały uzgodnione modelowane i obserwowane temperatury w zbiorniku w wyniku kalibracji parametru powierzchniowej wymiany ciepła.
Następnie przedstawiono funkcjonowanie
modelu CAEDYM, który opisuje zmienność
w czasie stężeń wyselekcjonowanych substancji i organizmów w zbiorniku. Pokazano schemat przepływu materii między organizmami oraz uzyskane w wyniku kalibracji
modelu dopasowanie modelowanych i obserwowanych stężeń chlorofilu a.
W
ykorzystanie modeli numerycznych
do zarządzania zasobami wodnymi oraz ekosystemami wodnymi jest coraz powszechniejsze w świecie [5], gdyż daje możliwość
systemowego połączenia cząstkowych obserwacji stanu zbiornika, a w szczególności
jego składników biologicznych oraz wiedzy
jak powiązane są ze sobą wszystkie zjawiska zachodzące w zbiorniku.
Numeryczne modelowanie ekosystemów
zbiorników wodnych, z powodu złożoności zagadnień, jakie obejmuje, wymaga powiązania w jednym procesie obliczeniowym
bardzo odległych zależności – od równań
mechaniki płynów po równania procesów
chemicznych i równania wzrostu biomas
organizmów. Do modelowania ekosystemu
zbiornika goczałkowickiego (ZG) w Projekcie Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego – ZiZOZap zastosowano tandem modeli
ELCOM/CAEDYM [3, 4]. ELCOM to trójwymiarowy model hydrodynamiczny zbiornika,
a CAEDYM to model biogeochemiczny.
Jako domenę modelowania przyjęto trójwymiarową siatkę obliczeniową (3D) reprezentującą komórki zbiornika o horyzontalnych rozmiarach 100 m na 100 m i zmiennej
wysokości od 0,5 do 1,7 m. Siatkę utworzono na podstawie modelu czaszy ZG opracowanego w ramach Projektu ZiZOZap [2].
W siatce wyróżniono komórki, przez które
dopływa i odpływa woda ze ZG.
Do przeprowadzenia symulacji zbiornika
w wybranym okresie konieczne jest podanie: warunków meteorologicznych w czasie
symulacji, wielkości wszystkich dopływów
wraz z temperaturą wody oraz wielkości odpływów ze zbiornika.
Dla każdego kroku symulacji ELCOM wyznacza w każdej komórce: wektor prędkości
wody (U,V,W), jej temperaturę (WTR_TEMP)
oraz gęstość. Dla każdej kolumny wody obliczany jest także poziom (zmienny poziom pię-
306
Rys. 1. Modelowane i obserwowane temperatury wody w przekroju głębokości zbiornika goczałkowickiego – punkt Z08
trzenia). ELCOM wyznacza wymianę ciepła
i energii kinetycznej pomiędzy wodą w zbiorniku a warstwą powietrza nad taflą wody [4].
W modelu ELCOM wymiana energii jest
wyrażana za pomocą formuł zależnych od
stałych parametrów. W celu uzgodnienia wyników obserwowanych i modelowanych konieczna jest optymalizacja tych parametrów.
Jednym z tych parametrów jest współczynnik wymiany ciepła woda/powietrze. Rys. 1
przedstawia obserwowany pionowy przekrój
temperatur wody od lipca do listopada 2010 r.
w punkcie pomiarowym przy zaporze czołowej ZG [1] oraz wynik modelowania tem-
peratur przy optymalnym doborze parametru
wymiany ciepła.
Drugą grupę zmiennych opisujących stan
komórki wody w zbiorniku tworzą: stężenia
tlenu (DO), węgla organicznego w postaci rozpuszczonej (DOCL) i cząsteczkowej
(POCL), rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC), azotu organicznego rozpuszczonego (DONL) i cząsteczkowego (PONL),
azotu amonowego (NH4+) oraz azotanowego
(NO3–), rozpuszczonego fosforu organicznego
(DOPL) i cząsteczkowego (POPL), fosforu nieorganicznego (PO43-), krzemu (SiO22-). Ponadto
CAEDYM wyznacza stężenie substancji za-
Rys. 2. Główne kierunki obiegu materii zawartej w biomasie wybranych grup organizmów
zbiornika goczałkowickiego
Gospodarka Wodna nr 8/2014
wieszonych o średnicy <0,45 µm (SSOL1)
i pozostałych zawiesin (SSOL2), odczyn (pH)
i współczynnik ekstynkcji wody (EXTC).
Na podstawie wcześniejszego monitoringu
wytypowano kluczowe dla funkcjonowania
ekosystemu ZG grupy organizmów i włączono je do modelu. Są to: bakterie (BAC), cztery
grupy fitoplanktonu: miksotrofy (MIXTR), sinice (CYANO), zielenice (CHLOR) i okrzemki
(FDIAT), dwie grupy zooplanktonu: drapieżny
(ZOOP1) i roślinożerny (ZOOP2), trzy grupy
ryb: o długości poniżej 5 cm (FISH1), o długości od 5 do 15 cm (FISH2) i o długości powyżej 15 cm (FISH3).
Trzecią grupę zmiennych opisujących
stan komórki wody w zbiorniku tworzą stężenia wewnętrzne węgla, azotu, fosforu i krzemu w wybranych organizmach.
Modelowanie drugiej i trzeciej grupy
zmiennych wykonuje drugi z modeli – CAEDYM. CAEDYM opisuje: wymianę substancji pokarmowych między wodą zbiornika
i osadami, wymianę gazową między wodą
a powietrzem atmosferycznym, osiadanie/
/resuspencję cząstek, adsorpcję/desorpcję
rozpuszczonych związków organicznych do
cząstek nieorganicznych, pochłanianie promieniowania słonecznego. Głównym jednak zadaniem CAEDYM jest wyznaczanie
produkcji i przepływu biomasy pomiędzy
poszczególnymi organizmami w zbiorniku.
Schemat głównych szlaków przepływu biomasy między wybranymi grupami organizmów w ZG ilustruje rys. 2.
Zgodnie z nim fitoplankton jest producentem pierwotnym biomasy, korzystającym
z nieorganicznych substancji pokarmowych
i światła. Pozostałe grupy organizmów są
jej konsumentami. Na schemacie przepływu
biomasy dodatkowo uwzględniono dwie grupy konsumentów końcowych – ptaki żerujące na zbiorniku oraz rybaków i wędkarzy.
Każdy z organizmów biorących udział
w procesie przepływu biomasy ma swój indywidualny model produkcji biomasy, zależny od bieżących warunków środowiskowych: temperatury wody, stężenia tlenu, podaży pokarmu, obecności drapieżników oraz
wielu dodatkowych parametrów – oddychania, śmiertelności, preferencji pokarmowych
i wielu innych. Podstawowym zadaniem przy
adaptacji modelu CAEDYM do warunków
ZG było ustalenie odpowiedniej wartości parametrów każdej z grup modelowanych organizmów. Do tego celu wykorzystano informacje uzyskane od specjalistów badających
poszczególne grupy organizmów, dane literaturowe oraz kalibrację. Kalibracja CAEDYM dla ZG sprowadzała się do takiego wyznaczenia parametrów modeli organizmów,
by wyniki symulacji uzgodnić z wynikami pomiarów przeprowadzonych na zbiorniku [8].
Rys. 3 przedstawia porównanie wyników symulacji chlorofilu a oraz obserwowanych stężeń chlorofilu a w punkcie pomiarowym przy
zaporze czołowej ZG [5].
Aby umożliwić dostęp do wyników symulacji ELCOM/CAEDYM w Internecie, utworzono aplikację pozwalającą na przeglądanie wyników symulacji na podkładzie Google
Maps. Demonstracyjna wersja przeglądarki
jest dostępna na stronie internetowej projektu www.zizozap.pl w zakładce Symulacja
ekosystemu zb.
ELCOM/CAEDYM znacznie rozszerza
możliwości zarządzania zbiornikami zaporowymi. Model ELCOM pozwala śledzić przemieszczanie zawiesin dopływających do ZG
wraz z falami powodziowymi i ostrzegać
przed zagrożeniem zanieczyszczenia ujęć
Gospodarka Wodna nr 8/2014
Rys. 3. Porównanie wyników symulacji oraz obserwowanych stężeń chlorofilu a w punkcie
pomiarowym przy zaporze czołowej zbiornika goczałkowickiego
wody; poprzez śledzenie przepływu substancji (trajektorie wsteczne) pozwala na
wskazanie z jakich dopływów pochodziły
zanieczyszczenia wykryte przez monitoring
zbiornika i jak będą się przemieszczały zanieczyszczenia wód zbiornika.
Dzięki zastosowaniu przedstawionych modeli można śledzić całość procesów biologicznych zachodzących w zbiorniku na tle zmian
fizykochemicznych, z uwzględnieniem zdarzeń hydrologicznych. Umożliwia to nie tylko
interpretację zgromadzonych w projekcie danych, ale daje zarządzającym zbiornikiem narzędzie umożliwiające przewidywanie zmian
zachodzących w wodach zbiornika (np. przewidywanie wystąpienia wysokich stężeń fitoplanktonu zagrażającego ujęciom wody – por.
rys. 3), pozwala na szacowanie i bilansowanie biomasy organizmów w różnych warunkach zewnętrznych (np. ocenę zmian biomasy ryb w sytuacji zmiany trofii zbiornika) itp.
Dzięki takim możliwościom ELCOM/
/CAEDYM staje się jednym z podstawowych
narzędzi wspomagających zarządzanie gospodarką wodną w zbiornikach zaporowych
(por. [7]). Przykładem takiego podejścia jest
zastosowanie modeli w zarządzaniu zbiornikami zaporowymi w Australii, USA i Korei
Południowej [6, 8].
Podziękowania
Autorzy dziękują Centre for Water Research at the
University of Western Australia za udostępnienie
modeli ELCOM i CAEDYM na potrzeby modelowania zbiornika goczałkowickiego.
LITERATURA
1. D. ABSALON, M. KOSTECKI, , P. ŁASZCZYCA,
M. MATYSIK, M. RUMAN, 2014, Ciągły monitoring
automatyczny a monitoring klasyczny – alternatywa czy dopełnienie metod oceny jakości wody.
Gosp. Wodn. nr 8.
2. A. BOJARSKI, S. MAZOŃ, P. OPALIŃSKI, P. PRZECHERSKI, A. WOLAK, 2014, Metodyka opracowania modelu czaszy zbiornika Goczałkowice dla celów modelowania i oceny procesów sedymentacyjnych osadów. Gosp. Wodn. nr 8.
3. M.R. HIPSEY, J.P. ANTENUCCI, D. HAMILTON,
2009, Computational Aquatic Ecosystem Dynamics Model:CAEDYM v3 v3.2 Science Manual
(DRAFT) Centre for Water Research University of
Western Australia.
4. B. HODGES, C. DALLIMORE, 2007, Estuary, Lake
and Coastal Ocean Model: ELCOM v2.2 User Manual Centre for Water Research University of Western Australia.
5. Manuals and Standards, Guidelines for Collecting
Data to Support Reservoir Water Quality and Hydrodynamic Simulation Models, U.S. Department
of the Interior Bureau of Reclamation, Technical
Service Center Denver, Colorado, 2009.
6. Real Time Management System Online, 2014
– [Dostęp: 04-08-2014] http://www.rmso.com.au/
RMSOnline-war/.
7. A. SIUDY, J. OGIEGŁO, 2014, Monitoring środowiska – narzędzie wspomagające zarządzanie zbiornikami zaporowymi. Gosp. Wodn. nr 8.
8. WAN-HEE CHO, JIN-SOO KIM, YANG-JIN BAN,
BYEONG-YONG SON, CHANG-YOUNG BYUN,
2012, Development of 3-D hydrodynamic and water
quality model GUI for predictive and preventive reservoir management, Korea, International Symposium on Modern Technologies and Long-Term Behavior of Dam.
Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego
sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG 01.01.02-24-078/09
307