Modelování a simulace Marie Zachovalová, 72860 Miroslava Plachá, 139902
Přemnožení sinic na přehradách 1
Základní pojmy
1.1
Úvod
Sinice jsou velkým problémem dnešní přírody. Na jedné straně jsou významnými producenty kyslíku, na druhé straně produkují nebezpečné toxiny, které narušují křehkou rovnováhu ekosystému. Přemnožení sinic na vodních plochách netrápí jenom brněnskou přehradu. Je to celosvětový problém, jehož hlavním viníkem je lidstvo ve vyspělých zemích – používáme příliš mnoho chemických látek (při praní), narušujeme rovnováhu přírody (kácením lesů) a nelikvidujeme naše výsledky (čistění odpadních vod, které sama příroda už nezvládá).
1.2
Sinice
Sinice jsou vodní živočichové, biologicky nejbližší příbuzní baktérií. Jsou schopny fotosyntézy. Rozmnožují se vždy nepohlavně, především dělením.1 Sinice můžeme nalézt v termálních pramenech (až 85°C) i v blízkosti zemských pólů (až -180°C). Dokáží přežít v klidových formách výtrusech i stovky let, aniž by se dostaly do vhodných podmínek, kde by opět mohli růst a množit se.
1.3
Plankton
Zooplankton (zkráceně plankton) - drobný, volně ve vodě se vznášející organismů. Plankton se živí fytoplanktonem, což jsou řasy a sinice.2
1.4
Eutrofizace
Obohacování vody živinami se nazývá eutrofizace vody, ta je způsobena živinami z rozkladu odumřelých živočichů, smýváním dusíkatých a fosforečných hnojiv z polí, nesprávným hospodařením, atmosférickým spadem, splaškovými vodami a fekáliemi. Přemnožení sinic v posledních letech je způsobeno narušením ekosystému vysokým obsahem fosforu (ve formě fosfátu - tedy PO43- ) ve vodě a v půdě. Na prací prášky připadat až polovina celkového znečištění fosforem!3
1.5
Množení sinic
Po přemnožení sinic následuje silné namnožení zooplantonu, který se sinicemi živí. Výsledkem 1 http://www.priroda.cz/clanky.php?detail=398 2 http://www.sinice.cz/cz/popularizacni/koupani.htm 3 http://www.sinice.cz/cz/popularizacni/fosfaty.htm
tohoto přemnožení je rovněž prudké snížení koncentrace kyslíku. Důsledkem nedostatku kyslíku je masivní odumírání sinic, planktonu a tím pádem i vyšších živočichů. Díky rozkladu těchto organismů se do vody uvolní velké množství živin, které samozřejmě nahrává vzniku nového "vodního květu" – sinicím. Teplota je dalším důležitým faktorem. Obecně se dá říci, že sinice preferují vyšší teploty než řasy.
Zpětné vazby v životě sinic
2
Modelovací problém
Účelem modelu je zachytit množení sinic na vodní ploše na základě vypouštění znečišťujících látek (především fosforu) do vody. Vycházely jsme z předpokladu, že při nulovém přísunu živin z externích zdrojů znečištění jsou sinice vyhubeny zcela přirozeně planktonem, naopak při extrémním znečištění se sinice množí zcela nekontrolovatelně. Testovány pak byly situace na vodní ploše mezi těmito extrémními hodnotami.
3
Přístup k modelování
Pro model bylo zvoleno modelovaní pomocí agentů v systému NetLogo. Přítomnost sinic je reprezentována zelenou barvou různé intenzity (hustota sinic v konkrétním místě). Modrá voda je voda přehrady, kde hustota sinic nedosáhla dostatečné hranice.
3.1
Množení sinic
Klíčový děj – množení sinic, je v modelu reprezentován zjednodušenou eutrofizací. Sinice se šíří v závislosti na stupni znečištění – množství fosforu (škála 0 - 100) a dostupných živin z uhynulého planktonu. Mezi počtem sinic a planktonem existuje negativní zpětná vazba, neboť plankton se
v našem modelu živí výhradně sinicemi (resp. jeho počet se zvyšuje nebo zmenšuje vzhledem k množství sinic na vodní ploše).
Zpětné vazby v modelovaném systému Obrázek uvádí zpětné vazby modelované v systému. Porovnej zjednodušení oproti původnímu diagramu.
3.2
Parametry
Nastavitelná vstupní data jsou pokrytí hladiny sinicemi na počátku simulace (hustota, 0 – 100%), počáteční zaplněnost vodní nádrže planktonem (hustota-planktonu, 0 – 40%) a konstantní přísun fosforu do vody (fosfor, 0 - 100). V průběhu simulace lze míru znečištění interaktivně měnit a sledovat sílu reakcí na množství přibývajícího nebo ubývajícího množství živin (fosforu). Tento parametr má také zásadní vliv na průběh simulace. Ostatní dva parametry pak ovlivňují jen počátek simulace a v dlouhodobém měřítku nemají větší význam. Pro každé políčko je stanovena hodnota pokrytí, což vyjadřuje hustotu sinic v daném místě, pohybuje se v rozmezí 0-100 (%). Na začátku (setup funkce) je tato hodnota pro zamořené místa stanovena na 15 (minimální hodnota při které je políčko zelené), nezamořená místa (modrá voda) mají hodnotu 0.
3.3
Graf
Množství planktonu (hnědá barva), procentuální zamoření sinicemi (zelená barva) a celkové zamoření sinicemi (růžová barva) je sledováno pomocí grafu. Celkovým zamořením sinicemi rozumíme pokrytí vodní plochy s ohledem na hustotu sinic v jednotlivých místech nádrže.
4
Výsledky simulace
4.1
Ustálení hodnot
Při stále hodnotě přísunu fosforu se hodnota sinic po nějaké době ustálí a zamoření osciluje s odchylkou přibližně jedno procento (v grafu zelená čára). Ustálení se objeví i pokud hodnoty fosforu zvýšíme během simulace.
Např. Při počáteční hustotě planktonu 20% a počáteční hustotě pokrytí sinicemi 30%: Fosfor
0
5
15
30
50
Zamoření sinicemi
0
310
548
790
1035 1250 1394 1681
Zamoření v %
0
18,5% 32,6% 47%
4.2
70
90
61,5% 74,3% 81%
100 100%
Shlukování
Sinice při množení vytváření shluky – množí se do svého okolí, takže okolní políčka jsou posilňována při dělení ostatními. Při množení osamocené sinice dojde k jejímu rozdělení na okolní políčka, ale trvá jistou dobu než tato okolní políčka budou schopna se znovu množit a do té doby mateřská sinice umře. Při ustáleném stavu vytvoří sinice jeden velký shluk.
4.3
Parametry
Parametr fosfor má zásadní vliv na průběh simulace. Na jeho hodnotě závisí vývoj sinic. Zbylé dva parametry (hustota a hustota-planktonu) pak ovlivňují jen počátek simulace a v dlouhodobém měřítku nemají větší význam.
5
Závěr
5.1
Zhodnocení simulace
Při simulaci se dospělo k reálnějšímu chování sinic - vytvářely se celistvé povlaky na vodní hladině. Systém při konstatním přísunu fosforu (kromě extrémních hodnot znečištění) vždy dospěl do rovnovážného stavu (tj. množství sinic se ustálilo). Nejzajímavější hodnotou je zřejmě celkové zamoření sinicemi (v grafu značeno růžovou barvou, reprezentuje „3D rozložení sinic“ ), která osciluje výrazněji než zamoření sinicemi (zelená barva, reprezentuje „2D rozložení sinic“) a jejichž rozdíl roste úměrně k množství znečišťujících látek ve vodě.
5.2
Možná rozšíření
V simulaci jsme se zaměřily na vztah sinic, planktonu a znečištění. Do modelu jsme nezahrnuly ryby, které jistě mají na studovanou problematiku vliv. Jejich přítomnost způsobuje úbytek planktonu (některé ryby se planktonem živí) a toxiny ze sinic způsobují jejich úhyn (a tím také další přísun živin do vodní nádrže). Dále by bylo možné rozšířit model o další parametry, které ovlivňují růst sinic (teplo, dusík, vyšší živočichové, atd.) nebo namodelovat okraje přehrady, při kterých se sinice drží. Jsme si také vědomy, že přístup k množení planktonu a sinic v našem modelu je naivní. Zvláště pak kolísání planktonu se musí brát s rezervou, neboť jsme pro model nedělaly výzkum v oblasti rychlosti množení těchto organizmů.
