Numerical simulations of eutrophication processes in İzmir Bay with a coupled three dimensional eco-hydrodynamic model

Abstract

Üc boyutlu zamana bağlı bir bütünleşik ekosistem modeli İzmir Körfezi'ne ilk kez uygulanmıstır. Delft3D modelleme süitinin FLOW ve ECO modülleri bölge için uyarlanmış ve modifiye edilmistir. Körfezin mevcut fiziksel ve biyojeokimyasal durumunu temsil eden üc yıllık bir referans modeli üretilmiştir. Modelin performans ölçüt olarak ve eksikliklerini tespit etmek icin model beceri değerlendirme yöntemleri uygulanmıştır. Hidrodinamik modeli, mevsimsellik ve mekansal dağılımı açısından fiziksel özellikleri makul sınırlar içerisinde üretebilmektedir, ancak ekosistem modeli, açık sınır koşlları, tatlu su ve nutrient akısı gibi model girdilerinin kalitesinin arttırılmasıyla giderilebilecek bazı tutarsızlıklar içermektedir. Referans modeli gelecekte gerçeklesmesi muhtemel değişikliklere körfezin ekosistem yanıtını değerlendirmek için öngörü kapasiteli bir araç olarak kullanılmıştır. Değişen karasal ÇİN ve PO4 girdilerine körfezin tepkilerini tahmin etmek üzere beş nutrient zenginleştirme/azaltma senaryosu oluşturulmustur. Sonuclar, körfezin fiziksel ve biojeokimyasal özelliklerinin hem doğal hem de insan etkisindeki sebepler nedeniyle dış ve iç bölgeler arasında yatayda keskin değişkenlikler gösterdiğini önermektedir. Dış körfezin coğunlukla Ege Denizi'nden gelen oligotrofik sulara sahip olduğu, ötrofik İç körfezin ise daha cok artan tatlı su akısı ve aşırı atıksu girdisi gibi yerel etkilerin altında olduğu ortaya koyulmuştur. Nutrient zenginleştirme / azaltma senaryolarının sonuçları N-sınırlı İç ve Orta körfezin ÇİN girdisine karşı daha hassas, P-sınırlı Dış körfezin PO4 girdisine karşı daha hassas olup ÇİN ve PO4 girdilerine karşıt tepkiler verdiğini göstermiştir. Körfezde bu iki zıt ortamın bir arada bulunması bir nutrientin bulunabilirliğinin diğer nutrientin bulunabilirliğine bağlı olmasına sebep olmaktadır, bu sebeple nutrientlerin ikisinin de arıtımının paralel olarak değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada test edilenler icerisinde körfezdeki ötrofikasyonun azaltılması icin olası en iyi senaryonun PO4 girdilerinin artmasının önlenmesiyle birlikte ÇİN girdilerinin azaltılması yönünde olduğu ortaya koyulmustur. Bu neticelerin kıyı bölgelerle ilgili karar vericilere ve çevre yöneticilerine insan kaynaklı etmenlerin körfezin denizel ekosistemini nasıl etkilediği hususunda bilimsel bir görüş bildireceği amaçlanmaktadır.

A three dimensional time-dependent coupled ecosystem model is applied to İzmir Bay for the first time. Delft3D modelling suite?s FLOW and ECO modules are adapted and tuned for the region. A reference model with a time frame of three years is produced that represents the current physical and biogeochemical status of the bay. Model skill assessment methods are used as a measure of model performance and to address the shortcomings of it. The hydrodynamics model is able to produce physical features in terms of seasonality and spatial distribution within reasonable ranges, whereas the ecosystem model has certain discrepancies which can be reduced with improved quality of model inputs, such as open boundary conditions, and fresh water and nutrient fluxes. The reference model is used as a tool with predictive capacity to assess the ecosystem response of the bay to possible changes it may undergo in the future. Five nutrient enrichment/reduction scenarios are constructed to predict the reactions of the bay to changing external inputs of DIN and PO4. Results suggest that both physical and biogeochemical properties of the bay show strong horizontal gradients between outer and inner regions in which both natural and anthropogenic influences are effective. It is revealed that Outer bays are mostly occupied by waters originating from the oligotrophic Aegean Sea, while eutrophicated inner regions are mainly controlled by local influences such as increased fresh water inputs and excessive wastewater discharges. Results of the nutrient enrichment/reduction scenarios suggest that the N-limited Inner and Middle bays and the P-limited Outer bays, give contrasting reactions to changes in inputs of DIN and PO4 such that the former is more sensitive to DIN input whereas the latter is more sensitive to PO4 input. Due to the existence of these two contrasting environments in the bay, availability of one nutrient is dependent on the availability of the other, therefore treatment of both should be considered in parallel. Among the scenarios tested in this study, the best possible option to reduce eutrophication in İzmir Bay is to prevent the increase of PO4 input and to reduce the DIN input simultaneously. These outcomes are aimed to provide a scientific insight for coastal policy makers and environmental managers on how changes in anthropogenic influences can impact the marine ecosystem of the bay.