Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10310
Title: Μοντελοποίηση της δομής και προσομοίωση της λειτουργίας ενός υδατικού οικοσυστήματος
Authors: Κοντογιαννάτου, Τρισεύγενη
Keywords: Μοντελοποίηση
Πρωτογενής παραγωγή
Διαλυμένο οξυγόνο
Θερμοκρασία
Ηλιακή ακτινοβολία
Άνεμος
Υδατικό οικοσύστημα
Keywords (translated): Modeling
Primary production
Dissolved oxygen
Temperature
Solar radiation
Wind
Aquatic ecosystem
Vensim
Abstract: 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.
Abstract (translated): The objective of the present dissertation is the development of a mathematical model describing the structure and functioning of an aquatic ecosystem focused on the primary production level. Specifically, the main biochemical processes that take place in the water column of every aquatic ecosystem are satisfactorily described by a system of differential equations; via this, we study the dynamic behavior and the interaction of phytoplankton with the concentrations of the organic and inorganic forms of the biologically important nutrients (Nitrogen, Phosphate, Silica) and the concentration of dissolved oxygen. The model also focuses on the effect of external parameters such as temperature, light intensity and wind of the system under study, on a seasonal and daily scale. The model construction is based on the general ecosystem model GEM of Blauw et al. (2008), on the water quality model of Ji Zhen-Gang (2008) and at a modification and extension of the original Steeter-Phelps equation (1925) by Loucks et al. (2005). For the initial values of the state variables and the rates of change of biochemical processes, the suggestions of Bowie et al. (1985), Chapra (1997), Gönenç & Wolfpin (2005) and Γρύλλια (2001) were considered. The development and simulation were carried out using the Vensim PLE software, provided for free by Ventana for personal use and with frequent software update. Moreover, its environment is easy to use for system dynamics modeling and has wide educational use, enforcing the understanding of the notions of modelling and mathematical relations in a system. The aim of the work is to produce an easy tool for educational use. The present model exhibited a behavior more or less expected, along with certain important findings. Indicatively, it shows the importance of the mineralization process, which can offer dynamic stability to the system and recovery capabilities after periods of relative collapse, as well as of the dissolved oxygen, whose concentration is a `health’ index of an aquatic ecosystem. Furthermore, it was revealed that the combination of different responses of the system components at various levels of environmental parameters works regulatory for the system, maintaining it to relatively good conditions. Finally, complex interactions between external and internal parameters appeared despite the relative simplicity of the initial functions.
Appears in Collections:Τμήμα Βιολογίας (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Kontogiannatou MSc.pdf7.11 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.