A BHTWaQe modell vízminőségi moduljának alkalmazási lehetőségei Vízminőség modellezés
Dr. Kutics Károly Balatoni Integrációs Kht. felkért szakértője K+F Consulting Kft.
Siófok 2006. június 29.
A Balaton kiterjedése a történelem folyamán
Forrás: Nyudukövizig
© Kutics 2006/06
A Balaton két dimenziós Hidrodinamikai, Termodinamikai és Vízminőségi modellje Dr. Wake Akio © Harada Yuichi Hirayama Akihiko
© Kutics 2006/06/29
Balaton Hydrodynamics, Thermodynamics and Water Quality Model
= BHTWaQe Model
„Keresztapa” : Szalay Miklós ©
© Kutics 2006/06/29
Vízminőségi modellek
Oldott oxigén modell (DO, BOI, KOI) Eutrofizációs modell (tápanyag forgalmi) Toxicitási modell Integrált modellek A BHTWaQe modell vízminőségi modulja eutrofizációs modell
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek 1 Vollenweider (OECD) Chl-a ave rage vs Pj (after Herodek et al, 1988) 100
Chl-a av, mg/m3
y = 0.3741x 0.801 R2 = 0.7746
10
1
OECD Lakes Lake Balaton 0.1 1
10
Text
100
1000
Pj/(1+T w^0.5), mg/m3
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek 2 BEM Modell Kutas, Herodek (BLKI, IIASA)
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek 2 BEM Modell Kutas, Herodek (BLKI, IIASA)
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek 3 Chesapeake Bay Model, USA
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek 4 AQUATOX Model, US EPA
Átl. hiba: 80 % R2 = 0.028
Chl-a koncentráció az Onondaga tóban (USA, New York, 12 km2) © Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek KvVM Chl-a Forecast by the Ministry of Env. and Water (Data of 2003, May-September period) 80
Forecast concentration, mg/m3
70 60 50 40 30 y = 0.9817x 2 R = 0.1944
20
Error: 111 %
10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Measured concentration, mg/m3
© Kutics 2006/06/29
Eutrofizációs modellek Következtetés: az alga koncentráció változásának modellezése nem könnyű feladat, nagy hibával és kis megbízhatósággal jellemezhető
© Kutics 2006/06/29
A BHTWaQe Modell jellemzői 1
Rendkívül nagy térbeli és időbeli (10 perc) felbontás © Kutics 2006/06/29
A BHTWaQe Modell jellemzői 1 Hidrodinamikai modul: “sekély tó egyenletek” és a kontinuitási egyenlet vízmélység szerint integrált formája Bemenő adatok: bathimetria, kezdeti vízállás; Idősorok: befolyások, kifolyás, szélsebesség, szélirány, nettó párolgás, vízhőmérséklet
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 2
m/s
Hidrodinamikai komponens: Kimenő adatok: 2-D vízállások, 2-D vektoros áramlási kép, 2-D hullám magasság idősorok © Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 3 Nyomjelző részecskék vándorlása
Nyomjelző részecskék vándorlása
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 4 Termodinamikai modul
Termodinamikai modul
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 4 Vízminőségi modul Biokémiai komponens: változó sejt sztöichiometriájú (“sejt kvóta”) foszfor cirkulációs modell, kölcsönhatás az üledékkel ; az üledék P nem állapotváltozó. Bemenő adatok: 2-D áramlási mező, hőmérsékleti mező, vízmélység, napsugárzás, szél sebesség és irány, tápanyag (foszfor) terhelés idősorok
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 5 Vízminőségi modul Biokémiai komponens Kimenő adatok: A chl-a koncentráció két dimenziós eloszlása → Animáció
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 6 Vízminőségi modul
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell jellemzői 7 Vízminőségi modul Biokémiai komponens: Kimenő adatok: A lebegőanyag (SS) és az oldott szervetlen foszfor (PO4-P koncentrációk két dimenziós eloszlása
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell mennyire pontos? Biokémiai komponens Kimenő adatok: A chl-a koncentrációk szezonális változása a Balaton négy medencéjében ( a BHTWaQe model kiválasztott pontjaiban)
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell Potenciális felhasználás Rövid, maximum 1 hónapos vízminőségi (klorofill-a) előrejelzés két dimenzióban (strandok!) Szcenárió analízis (maximum 1 éves időtávban) a hőmérséklet változására (felmelegedés) való érzékenység vizsgálata, a vízszintváltozás, a külső terhelés változására való érzékenység, sérülékenység vizsgálata
A vízminőségi modul továbbfejlesztése lehetővé tenné a közép és hosszabb távú előrejelzéseket is a vízgyűjtőn tervezett vagy végrehajtott terhelés csökkentési intézkedések hatásainak elemzése, előrejelzése
© Kutics 2006/06
A BHTWaQe Modell továbbfejlesztése 1 BHTWaQeKK Model
Külső P terhelés P1, P2, P3
Vízoszlop P1,P2, P3, B
Üledék reszuszpenzió és P deszorpció, P4
Diffúzió P4, P1
P kilépés: kifolyás P1, P2, P3
Szedimentáció (algaB, P2, detritusz P3)
Aktív üledék réteg, P4 P immobilizáció („öregedés”)
Stabilizált (inert) üledék réteg A módosított BHTWaQe modell elvi sémája © Kutics 2006/06/29
A BHTWaQe Modell továbbfejlesztése 2
A vízoszlopban lejátszódó folyamatok
A medencék kapcsolódása Egyéb hozzáfolyás Zala
Keszthelyi medence (1)
Hozzáfolyás
Hozzáfolyás
Hozzáfolyás
Szigligeti medence (2)
Szemesi medence (3)
Siófoki medence (4)
Sió
© Kutics 2006/06/29
A BHTWaQe Modell továbbfejlesztése 2
A modell struktúrája a StellaResearch programban
© Kutics 2006/06/29
A továbbfejlesztett modell alkalmazása 1 1-d. abra. Chl-a 1994 Siofoki medence Alap szcenario
250 200 KeszthelySim KeszthelySimWQ KeszthelyExp
150 100 50 0 0
100
200 Nap
300
Chl-a koncentracio, mg/L
Chl-a koncentracio, mg/L
1-a. abra. Chl-a 1994 Keszthelyi medence Alap szcenario 120 100 80
SiofokSim SiofokWQ SiofokExp
60 40 20 0 0
400
100
200
300
400
Nap 2-d. Ábra. Chl-a 1994 Siófoki medence RCAO-H B2 szcenárió
2-a. ábra. Chl-a 1994 Keszthelyi medence RCAO-H B2 szcenárió
Chl-a koncentráció, mg/L
200 KeszthelySim
150
KeszthelySimWQ
100
KeszthelyExp
50
Chl-a koncentráció, mg/L
200
250
150 SiófokSim 100
SiófokWQ SiófokExp
50 0
0 0
100
200 Nap
300
400
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Nap
Éghajlatváltozási szcenáriók vízminőségre gyakorolt hatásának vizsgálata © Kutics 2006/06/29
A továbbfejlesztett modell alkalmazása 2 Alap szcenárió (1994)
80 % csökkentés
150% növekedés
Foszfor terhelési szcenáriók vizsgálata
© Kutics 2006/06/29
A továbbfejlesztett modell alkalmazása 3 80% csökkentés, klíma alap szcenárió (1994)
80% csökkentés, klíma RCAO-H B2 (1994)
A klímaváltozás „felülírja” a terhelés csökkentés hatását? © Kutics 2006/06/29
VÉGE Köszönjük a figyelmet! A BHTWaQe modell vízminőség moduljának alkalmazási lehetőségei Vízminőség modellezés Siófok 2006. június 29.
