PCLake

PCLake es un modelo matemático dinámico que se utiliza para estudiar los efectos de la eutrofización en lagos y estanques poco profundos. PCLake modela explícitamente los grupos bióticos más importantes y sus interrelaciones, dentro del marco general de los ciclos de nutrientes . PCLake es utilizado tanto por científicos como por gestores de recursos hídricos. En 2019, PCLake se amplió a PCLake+, ^{[ 1 ]} que puede aplicarse a lagos estratificados .

Por lo general, los lagos poco profundos se encuentran en uno de dos estados estables alternativos contrastantes : ^{[ 2 ]} un estado claro con macrófitas sumergidas y peces piscívoros, o un estado turbio dominado por fitoplancton y peces bentónicos. El cambio de un estado a otro está impulsado principalmente por el aporte de nutrientes ( fósforo y nitrógeno ) al ecosistema. ^{[ 3 ]} Si la carga de nutrientes supera un valor crítico, la eutrofización provoca un cambio del estado claro al turbio. Como resultado de la contaminación del agua urbana y/o la agricultura intensiva en las cuencas hidrográficas , muchos de los lagos y estanques poco profundos del mundo se encuentran en un estado eutrófico con aguas turbias y una mala calidad ecológica. En este estado turbio, el lago también se ve afectado por floraciones de cianobacterias tóxicas (también llamadas algas verdeazuladas). Sin embargo, la recuperación del estado claro es difícil, ya que la carga crítica de nutrientes para el cambio de vuelta suele ser menor que la carga crítica hacia el estado turbio. Por lo tanto, reducir el aporte de nutrientes no conlleva automáticamente un retorno a la fase de agua clara. En consecuencia, el sistema muestra histéresis .

PCLake está diseñado para estudiar los efectos de la eutrofización en lagos y estanques poco profundos. ^{[ 4 ]} Por un lado, los científicos utilizan el modelo para estudiar el comportamiento general de estos ecosistemas. Por ejemplo, PCLake se utiliza para comprender los fenómenos de estados estables alternativos e histéresis, y, en ese sentido, la importancia relativa de características del lago como la profundidad del agua o la longitud de la zona de abastecimiento . ^{[ 5 ]} También se han estudiado los posibles efectos del calentamiento climático en lagos poco profundos. ^{[ 6 ]} Por otro lado, los gestores de recursos hídricos lacustres que consideran el estado turbio como indeseable aplican PCLake. Pueden utilizar el modelo para definir las cargas críticas para sus lagos específicos y evaluar la eficacia de las medidas de restauración. Para este propósito, también se ha desarrollado un metamodelo. ^{[ 7 ]} Los gestores de agua pueden utilizar el metamodelo para obtener una estimación de los valores de carga crítica para un lago determinado basándose en solo unos pocos parámetros importantes, sin necesidad de ejecutar el modelo dinámico completo. ^{[ 8 ]}

Matemáticamente, PCLake se compone de un conjunto de ecuaciones diferenciales acopladas . Con un gran número de variables de estado (>100) y parámetros (>300), el modelo puede caracterizarse como relativamente complejo. Las principales variables bióticas son el fitoplancton y la vegetación acuática sumergida , que describen la producción primaria . Una red trófica simplificada está formada por zooplancton , zoobentos , corégonos jóvenes y adultos y peces piscívoros. Los principales factores abióticos son la transparencia y los nutrientes fósforo (P), nitrógeno (N) y sílice (Si). En la base del modelo se encuentran los balances de agua y nutrientes (entrada y salida). El modelo describe un cuerpo de agua completamente mezclado y comprende tanto la columna de agua como la capa superior de sedimento. Los ciclos generales de nutrientes para N, P y Si se describen como completamente cerrados (excepto para la entrada y salida y la desnitrificación ). Las entradas al modelo son: hidrología del lago, carga de nutrientes, dimensiones y características del sedimento. El modelo calcula la clorofila -a, la transparencia, las cianobacterias, la cobertura vegetal y la biomasa de peces, así como las concentraciones y los flujos de nutrientes N, P y Si, y oxígeno. Opcionalmente, se puede incluir una zona húmeda con vegetación de marisma e intercambio de agua con el lago.

PCLake se calibra con datos de nutrientes, transparencia, clorofila y vegetación de más de 40 lagos europeos (principalmente holandeses), y se han realizado análisis sistemáticos de sensibilidad e incertidumbre. ^{[ 13 ]} Aunque PCLake se utiliza principalmente para lagos holandeses, es probable que el modelo también sea aplicable a lagos no estratificados comparables en otras regiones, si se ajustan los parámetros o se realizan pequeños cambios en el modelo.

La primera versión de PCLake (entonces llamada PCLoos) se desarrolló a principios de la década de 1990 en el Instituto Nacional de Salud Pública y Medio Ambiente de los Países Bajos (RIVM), en el marco de un proyecto de investigación y restauración del lago Loosdrecht. Desde entonces, se ha ampliado y mejorado. Paralelamente a PCLake, se creó PCDitch, un modelo de ecosistema para acequias y otros cuerpos de agua lineales. El Dr. Jan H. Janse y sus colegas de la Agencia Neerlandesa de Evaluación Ambiental (PBL), anteriormente parte del RIVM, desarrollaron aún más estos modelos. Desde 2009, el modelo es propiedad conjunta de la PBL y el Instituto Neerlandés de Ecología, donde se continúa desarrollando y aplicando PCLake en el ámbito de la investigación ecológica acuática.

• Modelo de ecosistema
• Modelización de la calidad del agua
• Ecopata