Μοντελοποίηση της δομής και προσομοίωση της λειτουργίας ενός υδατικού οικοσυστήματος

• Κύριος συγγραφέας: Κοντογιαννάτου, Τρισεύγενη
• Άλλοι συγγραφείς: Κουτσικόπουλος, Κωνσταντίνος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Μοντελοποίηση; Πρωτογενής παραγωγή; Διαλυμένο οξυγόνο; Θερμοκρασία; Ηλιακή ακτινοβολία; Άνεμος; Υδατικό οικοσύστημα; Modeling; Primary production; Dissolved oxygen; Temperature; Solar radiation; Wind; Aquatic ecosystem; Vensim; 577.6

Το αντικείμενό της παρούσης εργασίας είναι η μαθηματική μοντελοποίηση και η προσομοίωση της λειτουργίας ενός υδατικού οικοσυστήματος σε επίπεδο πρωτογενούς παραγωγής. Συγκεκριμένα, οι βασικές βιοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην υδάτινη στήλη περιγράφονται ικανοποιητικά μέσω ενός συστήματος διαφορικών εξισώσεων, μέσω των οποίων μελετάται η δυναμική συμπεριφορά και αλληλεπίδραση του φυτοπλαγκτού με τις συγκεντρώσεις της οργανικής και ανόργανης μορφής των βιολογικά σημαντικών θρεπτικών στοιχείων (αζώτου, φωσφόρου, πυριτίου) και τη διακύμανση της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου. Το μοντέλο εστιάζει στην επίδραση που έχουν οι εξωτερικές παράμετροι (θερμοκρασία, ηλιακή ακτινοβολία και ένταση του ανέμου) στο μελετώμενο σύστημα, σε ετήσιο αλλά και ημερήσιο επίπεδο. Η κατασκευή του βασίστηκε στο γενικό οικολογικό μοντέλο GEM (General Ecosystem Model) των Blauw et al. (2008), στο μοντέλο ποιότητας υδάτων του Ji Zhen-Gang (2008) και σε μια τροποποίηση του μοντέλου του διαλυμένου οξυγόνου των Steeter & Phelps (1925), από τους Loucks et al. (2005). Για τις αρχικές τιμές των μεταβλητών κατάστασης και των ρυθμών μεταβολής και μεταφοράς των βιοχημικών παραμέτρων κινηθήκαμε στα όρια που ορίζει η βιβλιογραφία των Bowie et al. (1985), Chapra (1997), Gönenç & Wolfpin (2005) και Γρύλλια (2001). Η ανάπτυξή και προσομοίωσή του έγινε στο Vensim PLE της Dynamics Systems, που παρέχεται δωρεάν από την Ventana για προσωπική χρήση και γίνεται τακτική αναβάθμιση στο λογισμικό του. Επιπλέον, το περιβάλλον του είναι εύχρηστο για μοντελοποίηση δυναμικής συστημάτων και έχει ευρεία εκπαιδευτική χρήση, καθώς παρέχεται η δυνατότητα κατανόησης των εννοιών της μοντελοποίησης και των μαθηματικών σχέσεων ενός συστήματος. Ως εκ τούτου, προκύπτει και ο απώτερος στόχος της παρούσας εργασίας που είναι να αποτελέσει εργαλείο εκπαίδευσης. Το μοντέλο παρουσίασε συμπεριφορά στα πλαίσια της αναμενόμενης, με κάποια επιπλέον σημαντικά ευρήματα. Ενδεικτικά, εμπεριστατώνεται η αξία της διεργασίας της ανοργανοποίησης, η οποία μπορεί να προσφέρει δυναμική σταθερότητα στο σύστημα και επαναφορά αυτού μετά από περιόδους σχετικής κατάρρευσης, καθώς και του διαλυμένου οξυγόνου, η συγκέντρωση του οποίου είναι δείκτης υγείας ενός υδατικού οικοσυστήματος. Επιπρόσθετα προέκυψε πως ο συνδυασμός διαφορετικής απόκρισης της κάθε συνιστώσας του συστήματος στα όρια τιμών των περιβαλλοντικών παραμέτρων λειτουργεί ρυθμιστικά για το σύστημα, οδηγώντας το σε σχετικά καλές συνθήκες. Τέλος, φάνηκε πως οι σύνθετες και πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών παραμέτρων από τις οποίες εξαρτάται η δυναμική του συστήματος οδηγούν σε μια πολύπλοκη συμπεριφορά η οποία δεν προβλέπεται από τις σχετικά απλές μορφές των αρχικών επιμέρους σχέσεων.