Modelarea eutrofizării cu aplicație la lacurile Bucureștene

1. Introducere

Lucrarea "Contribuţii privind modelarea procesului de eutrofizare cu aplicaţie directă la lacul Buftea" este structurată în 5 capitole. În introducere este prezentat procesul de eutrofizare la scară globală, ca efect al impactului antropic şi ca una din problemele cele mai serioase care afectează calitatea apei. Aproximativ 30-40% din apele stagnante sunt afectate, mai mult sau mai puţin, de eutrofizare.

Eutrofizarea şi fenomenul opus acesteia, oligotrofizarea apelor, sunt procese care se produc şi natural, dar foarte lent, în secole. Eutrofizarea datorată activităţii umane este un proces foarte rapid, care s-a manifestat în ultimele decade în toate ţările industrializate şi a devenit o ameninţare permanentă pentru numeroase ecosisteme acvatice(de la lacuri la zone marine de coastă). Cauza esenţială a eutrofizării apelor o reprezintă îmbogăţirea apelor cu nutrienţi.

Ca orice proces ecologic, eutrofizarea are un caracter dinamic şi reprezintă un mod de manifestare a structurilor şi funcţiilor populaţiilor de plante şi animale acvatice, de adaptare a acestora la noile condiţii apărute.Trebuie deci cunoscute acele condiţii şi factorii care favorizează declanşarea eutrofizării. În acest sens, în capitolul 2 este tratată problematica legată de ecosistemul lacustru şi premisele apariţiei procesului de eutrofizare. Factorii hidrologici (viteza curentului) şi temperatura au un rol hotărâtor. În ecosistemele lacustre, în condiţiile unor mari concentraţii de nutrienţi şi a unor temperaturi ridicate, favorizante pentru dezvoltarea celor mai multe specii de alge, are loc o înmulţire rapidă şi în cantităţi foarte mari ale algelor.

Se produce fenomenul de "înflorire a apelor". Cianobacteriile sunt cele care produc cel mai des înfloririle, la temperaturi de circa 20-25°C. În plus, acestea sunt deosebit de nocive pentru că sintetizează toxine puternice şi alte substanţe inhibitoare pentru dezvoltarea altor microorganisme. Aşadar, înmulţirea excesivă a algelor înseamnă declanşarea procesului de eutrofizare. În aceste condiţii se modifică componenta specifică a fitoplanctonului, zooplanctonului, zoobentosului, a structurii calitative şi cantitative a ihtiofaunei. În ansamblul biocenozelor ecosistemelor acvatice, impactul indus de eutrofizare a afectat mai întâi nivelul trofic al producătorilor primari. Creşterea concentraţiei de nutrienţi din apă a favorizat proliferarea algelor planctonice(fitoplanctonul). Acestea au o durată mai scurtă de viată şi reciclează rapid resursele nutritive disponibile. Prin preluarea acestor resurse, fitoplanctonul s-a dezvoltat exploziv, devenind factor inhibitor al macrofitelor submerse(lipsite de hrană şi lumină care nu mai pătrunde în straturile mai adânci ale apei din cauza ecranului format de masa de alge de la suprafaţă, macrofitele nu s-au mai putut dezvolta). S-a modificat astfel raportul între componentele primului nivel trofic în favoarea fitoplanctonului, ceea ce a determinat schimbarea condiţiilor ambientale şi a relaţiilor trofice la nivelul întregului ecosistem. Biodiversitatea fitoplanctonică s-a redus drastic, biomasa fitoplanctonului a crescut simţitor , diversitatea zooplanctonului a scăzut în timp ce densitatea numerică şi biomasa au înregistrat creşteri importante. La nivelul bentalului se acumulează o cantitate mare de detritus, alcătuind o masă organică în care are loc o intensă activitate microbiană cu consecinţe nefaste asupra a numeroase grupe de nevertebrate care dispar. În perioada critică, de modificare a biocenozelor are loc intensificarea ratei degradării microbiene oxidative la nivel planctonic, la nivelul bentalului au loc şi procese anaerobe de degradare a substanţelor organice. Pentru evaluarea conditiilor trofice şi clasificarea diferitelor ape se folosesc numeroase criterii,calitative sau cantitative. Hutchinson(1973) a propus drept criteriu pentru evaluarea eutrofizării transparenţa şi culoarea apei, dar a recomandat prudenţă în utilizarea lui.Vollenweider(1971) a recomandat folosirea a două criterii şi anume concentraţiile de P şi N. Limitele admisibile propuse au fost 10 mg/m3P şi 200-300 mg N anorganic/m3. Aceste criterii nu pot fi aplicate la toate categoriile de ape. În conformitate cu cerinţele europene din punct de vedere al troficităţii pentru lacurile naturale şi de acumulare din România se propun drept criterii de clasificare a apelor următorii parametri:

Ptotal, Nmineral total, producţia primară medie în sezonul de creştere, producţia primară anuală, biomasa maximă a fitoplanctonului în zona fotică, clorofila "a", saturaţia minimă în oxigen, capacitatea de mineralizare aerobă. În capitolul al treilea este tratat controlul eutrofizării, capacitatea de predicţie în legătură cu comportamentul lacurilor la modificarea încărcăturii nutrienţilor. Modelele dinamice permit simularea unei game largi de procese, ca producţia primară, biomasa fitoplanctonică, zooplanctonică, regimul oxigenului. Aceste modele pornesc de la o ecuaţie simplă (Jorgensen ,1980)

Modificarea

concentraţiei =Aport extern-Pierderi+Schimburi cu sedimentul

nutrienţilor

în apă

În modelarea conceptuală a efectelor încărcăturii în fosfor asupra stării trofice a unui lac, succesiunea de etape poate fi schematizată astfel (Chapra ,1980) :

Populaţie, utilizarea solului -> model al surselor de fosfor-> încărcătura în fosfor total-> model al bilanţului fosforului în lac-> concentraţia fosforului total- >corelaţia fosfor/clorofilă->concentraţia clorofilei ->corelaţia clorofilă /producţie primară->producţie primară.

Primele modele cu aplicabilitate practică au fost cele statice, bazate pe corelaţia dintre concentraţia fosforului şi producţia primară sau biomasa. Ulterior au apărut acele modele dinamice care se bazează pe descrierea detaliată a proceselor. Cunoaşterea nivelului critic al nutrienţilor este importantă pentru prevenirea şi reducerea eutrofizării.

Problemele complexe în continuă creştere, cu care s-au confruntat gospodarii de ape, i-au obligat pe aceştia să identifice noi metodologii în luarea deciziilor privind gestiunea resurselor de apă. Astfel, pentru a satisface anumite necesităţi în domeniul gospodăririi apelor, s-au dezvoltat tehnici de modelare matematică a sistemelor acvatice naturale sau artificiale, un rol special revenind capacităţii de simulare a schimbărilor de calitate a apei. În acest caz, activitatea este mult mai complexă datorită dificultăţilor impuse de etapa premergătoare modelării, etapa experimentală, absolut indispensabilă în contextul prognozei calităţii apei.

Reprezentarea interacţiunilor într-un ecosistem printr-un set de ecuaţii nu este o idee nouă (v. Streeter & Phelps, 1925). Dar până recent, aplicarea modelării matematice a fost limitată de dificultatea găsirii soluţiilor analitice a ecuaţiilor. Dezvoltarea metodelor numerice a avut ca o consecinţă directă creşterea interesului faţă de modelarea matematică, în special în ultimii 25-30 ani.

Modelele matematice de simulare a ecosistemelor lacustre sau fluviale din ultima generaţie sunt modele integrate, bazate pe principiile fizice, chimice şi biologice fundamentale.

Dată fiind multitudinea şi diversitatea sistemelor hidrotehnice (l .580 de acumulări totalizând 12,5 miliarde m3 , din care 260, având 11,0 miliarde m3 , cu folosinţă complexă), în România modelarea sistemelor ecologice are un teren extraordinar de fertil. Studiul ecosistemelor prin modele de simulare a evoluţiei fizice, chimice şi biologice a apei prezintă un dublu interes : unul economic şi unul ştiinţific.

Astfel, modelele pot fi folosite în cele mai multe cazuri pentru a simula schimbările de calitate a apei, dar şi pentru a servi ca instrument auxiliar în procesele complexe de luare a deciziilor (cum ar fi : localizarea, numărul şi mărimea staţiilor de tratare, eventual localizarea lacurilor de acumulare, etc), în determinarea costului minim sau în testarea sensibilităţii unor soluţii în diferite variante.

De asemenea, modelele pot fi utilizate în cercetarea ştiinţifică.