Гидробиологи из Китая создали математическую модель, которая поможет эффективно предотвращать цветение водоемов. В ее основе — нелинейная зависимость между размножением фитопланктона и уровнем воды, полученная по данным наблюдений в заливе Сянси водохранилища «Три ущелья». Работа опубликована в Science of The Total Environment.
Из-за медленного течения в водохранилищах возникают условия, в которых охотно размножается фитопланктон — сообщество микроводорослей и цианобактерий. Избыточная масса фитопланктона приводит к цветению водоема: вода становится зеленой и приобретает неприятный запах, в ней копятся токсины, которые негативно влияют на качество воды. Эти изменения в результате оборачиваются экономическими потерями для водообеспечения, рыбоводства и туризма.
Гидробиологи считают, что количество фитопланктона во многом зависит от колебаний уровня воды. При повышении или понижении уровня изменяется объем воды, из-за чего микроводоросли и цианобактерии получают разное количество питательных веществ, а значит, растут с разной скоростью. Однако количественного анализа этой взаимосвязи до сих пор не проводили.
Ученые под руководством Е Линя (Ye Lin) из Института гидробиологии Китайской академии наук детально исследовали, как колебания уровня воды влияют на количество водорослей и цианобактерий. Они также определили временную задержку этого эффекта и построили количественную модель управления массой фитопланктона при помощи регулирования уровня воды.
Для построения модели ученые использовали данные многолетних наблюдений в заливе Сянси водохранилища «Три ущелья», самого крупного гидроэнергетического объекта в мире. В период с 2009 по 2017 год авторы ежедневно измеряли уровень воды в водоеме и отбирали пробы воды. Чтобы проследить суточную динамику биомассы, они измеряли содержание в воде хлорофилла.
Связав уровень воды с содержанием хлорофилла, ученые получили нелинейную зависимость, согласно которой суточное повышение уровня воды приводит к снижению биомассы водорослей. Они также выяснили, что этот эффект происходит с задержкой: через два дня после изменения уровня воды меняется и биомасса фитопланктона.
По этим данным гидробиологи построили эмпирическую динамическую модель, описывающую взаимосвязь уровня воды и содержания хлорофилла. Модель дала достаточно точный результат прогнозирования. В качестве подтверждения авторы приводят пример пробы от 19 июля 2016 года, когда наблюдаемая концентрация хлорофилла составляла 27,67 микрограмм на литр, а уровень воды за сутки повысился на 0,34 метра. Прогнозируемое с помощью модели содержание хлорофилла на 21 июля 2016 года составило 21,88 микрограмм на литр, что оказалось близко к наблюдаемому значению в тот день — 20,86 микрограмм на литр.
Численное моделирование показало, что регулирование уровня воды — простой и эффективный способ контроля цветения фитопланктона. В отличие от существующих качественных оценок, эта модель может иметь реальное практическое применение. В будущем авторы планируют улучшать модель, добавляя в нее другие важные параметры, влияющие на развитие водорослей, например питательные вещества и температуру.
Дамбы — значимые гидротехнические сооружения, поэтому процессы внутри водохранилищ часто становятся предметом изучения. Например, мы писали, как таяние ледников увеличивает объем минеральных взвесей, что сокращает срок службы водохранилищ высокогорной Азии.
Марина Ключникова