Development of a complex of software tools for predictive modeling the dynamics of biogeochemical cycles in a shallow water taking into account the oxygen regime
Authors: Никитина А.В. , Белова Ю.В. , Филина А.А. 
Published: September 2023

Основным регулятором биологической активности мелководного водоема является кислород, существенно влияющий на структурно-видовую организацию развития различных биологических сообществ под воздействием биотических и абиотических факторов и климатических изменений. Низкое и критически низкое содержание растворенного в воде кислорода способствует угнетению видового разнообразия гидробионтов, возникновению заморных зон, явлений аноксии и гипоксии, вызывающих эвтрофикацию водоема, нарушающих экологическое равновесие водной среды и способствующих ее подавлению. В этой связи создание современного программно-алгоритмического инструментария для прогнозирования динамики гидрохимических процессов сегодня является актуальным. Работа посвящена созданию программных средств прогнозного моделирования биогеохимических процессов в мелководном водоеме, базирующихся на усовершенствованных математических гидробиологических моделях мелководного водоема и эффективных численных методах, их реализующих. Отличительной особенностью моделирования гидрохимических процессов является использование разработанных разностных схем повышенного порядка точности ввиду их эффективности при численной реализации данного класса задач водной экологии с учетом пространственно неоднородной структуры вычислительной области и трудоемкости вычислений, позволяющих значительно сократить погрешность вычислений. Учет ряда биотических и абиотических факторов в разработанных моделях, выявление особенностей круговорота веществ, включая насыщение кислородом, уровень углекислого газа, использование эффективных численных методов и средств их программной реализации на высокопроизводительных вычислительных комплексах – всё это позволяет выполнять точную оценку и анализ и оперативно прогнозировать экологическую обстановку мелководных экосистем при климатических и индустриальных вызовах, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций.

The main regulator of the biological activity of shallow water is oxygen. It significantly affects the structural and species organization of various biological communities under the influence of biotic and abiotic factors, and climatic changes. The low and critically low levels of oxygen, dissolved in water, contributes to the suppression of hydrobionts species, the emergence of overseas zones, anoxia and hypoxia phenomena that cause the water eutrophication. This violates the ecological balance of the water environment and contributes to its suppression. In this regard, the development of modern software and algorithmic tools for predicting the dynamics of hydrochemical processes is relevant today. The paper covers the development of software tools for predictive modeling of biogeochemical processes in a shallow water based on advanced mathematical hydrobiological models of shallow water and effective numerical methods for their implementation. The distinctive feature of hydrochemical processes simulation is the use of the developed difference schemes of high-order of accuracy. They are effective in the numerical implementation of this class of water ecology problems, taking into account the spatially heterogeneous structure of computational domain and the computational labor intensity. Due to it, the errors of calculations are significantly reduced. A number of biotic and abiotic factors were taken into account, the substance circulation features, including the oxygen saturation, carbon dioxide levels, were identified. The application of effective numerical methods and their software implementation on highperformance computer complexes makes it possible to perform an accurate assessment and analysis and quickly predict the environmental conditions in shallow water ecosystems under climatic and industrial challenges, especially in emergencies.