Кафедра: “Екології та біотехнології”
Курсова робота

Тема: “Моделювання і прогнозування стану водного об’єкта внаслідок антропогенного впливу”




Зміст



Вступ

1. Водні ресурси та їх використання

2. Фізичні властивості води

3. Забруднення природних вод

3.1 Важкі метали

3.2 Органічне забруднення природних вод

3.4 Нафта і нафтопродукти

3.5 Пестициди

3.6 Синтетичні поверхневоактивні речовини

3.7 Теплове забруднення водойм

4. Особливості моделювання в екології

5. Власні дослідження

Висновки та рекомендації щодо стану водного об’єкта

Список використаної літератури



Вступ
У світі все живе пов'язане з водою і значною мірою складається з води. Академік В.І. Вернадський зазначав, що "вода стоїть осібно в історії нашої планети, не має природного тіла, яке могло б зрівнятися з нею за впливом на хід основних природних та суспільних процесів" [7]. З одного боку, вона є носієм життя, формуючи умови для відтворення, розвитку, існування усіх живих організмів, природного середовища в цілому, самої людини. З іншого - вода використовується як природна сировина, виступає елементом виробничих відносин практично у всіх галузях господарської діяльності, у виробництві багатьох видів продукції. Тому забезпечення людства чистою водою є однією з найбільших проблем сьогодення, гострота якої підвищується внаслідок зростання дефіциту води та погіршення її якості. Саме виживання людини, як біосоціального виду, в значній мірі залежить від наявності та стану водних ресурсів.

Сучасна виробнича, економічна та інша діяльність людини по в'язана з використанням величезної кількості енергії та різноманітних речовин, хімічних сполук, інших матеріалів. Це викликає значне навантаження на оточуюче середовище, пов'язане зі скороченням життєвого простору для незайманої, дикої природи, проникненням у біосферу речовин, невластивих для їх природного кругообігу, порушенням енергетичного балансу тощо. Потужність цього навантаження досягла такого рівня, що воно цілком здатне викликати серйозні екологічні кризи та катастрофи. Тому сьогодні будь-який проект, перш ніж бути запущеним у дію, повинен пройти якнайретельнішу екологічну експертизу.[7]

Раціональне використання і охорона водних ресурсів від забруднення, деградації і вичерпання на засадах системного природокористування дає можливість на науковій основі розв'язувати завдання, які пов'язані з забезпеченням всіх водокористувачів якісною водою, а також підтримання екологічної рівноваги на водних об'єктах


1. Водні ресурси та їх використання
Загальний об'єм гідросфери становить трохи менше 1,5 млрд. куб. км, 94 % якого та 72 % поверхні земної кулі займає світовий океан. Із загального об'єму гідросфери 60 тис. куб. км припадає на підземні води, більшу частину яких становлять глибинні розсоли, і лише близько 4 тис. куб. км - прісні підземні води зони активного водообміну. Третьою великою частиною гідросфери є полярні льодовики - 24 млн. куб. км (1,6 %). На долю поверхневих прісних вод в гідросфері припадає близько 360 тис. куб. км або 0,25 % її загального об'єму, з них 278 тис. куб. км зосереджено в озерах, 83 тис. куб. км - ґрунтова волога. Незначний об'єм руслових річкових вод Землі - близько 1,2 тис. куб. км - служить початком формування майже всіх джерел прісних вод, доступних для використання. Отже, резерв води, на яке може розраховувати людство в недалекому майбутньому, орієнтовно становить 6 тис. куб. км. В той же час використання води, як природного ресурсу, протягом останніх десятиріч різко зросло: у 1900 році світове споживання води складало 400 куб. км на рік. у 1950 - 1100, у 1975 - вже 3000. За прогнозами у 2005 р. річний обсяг водоспоживання досягне 6000 куб. км.

Характер і ступінь використання водних ресурсів залежить від природних умов, у тому числі водозабезпеченості та економічних і соціальних факторів [9]. На розвиток галузей водного господарства і будівництва гідротехнічних споруд впливають також рельєф місцевості, ґрунтовий і рослинний покрив, гідрогеологічні умови, гідрологічні особливості басейну та інші природні фактори. Масштаби і спрямованість економічних чинників визначаються рівнем розвитку продуктивних сил, структурою територіально-виробничих комплексів, існуючих і тих, що формуються, а також рівнем заселеності і густотою населення. При цьому господарська діяльність людини здійснює все більший вплив на умови формування і використання водних ресурсів, їх кількісні та якісні зміни. Вона визначається, в першу чергу, безпосереднім використанням води для виробничих, соціальних, господарсько-питних потреб, прямою зміною режиму та якості води в процесі господарської діяльності. При цьому забруднення водних ресурсів набуває таких значних масштабів, що ставить під загрозу існування екосистем і функціонування економіки.

Склад та якість води характеризуються багатьма фізичними, хімічними та мікробіологічними показниками [9]:

-                     мутність (вміст завислих речовин в одиниці об'єму суміші води з наносами);

-                     забарвлення, запахи та присмак;

-                     температура;

-                     мінералізація (наявність у воді розчинених речовин);

-                     наявність розчинного кисню і біохімічна потреба (БСК) у ньому на окислення органічних та хімічних речовин, які надійшли до водойми;

-                     вміст отруйних та радіоактивних речовин;

-                     бактеріальні та санітарно-гігієнічні показники (дотримання яких гарантує безпечні або оптимальні умови водоспоживання) тощо.

За запасами власних водних ресурсів, доступними для користування, Україна належить до найменш забезпечених серед європейських держав. Питне водопостачання в Україні на 2/3 забезпечується за рахунок поверхневих вод. Напруженість водогосподарсько-екологічного становища зумовлена двома граничними умовами: з одного боку низькою середньорічною водозабезпеченістю - на одного мешканця припадає близько 1 тис. куб. м на рік, а це у 15 разів нижче за норму, визначену Європейською Економічною комісією ООН; і з другого - майже катастрофічним якісним станом водних джерел [7]. Поряд з цим водні ресурси використовуються нераціонально, з порушенням екологічних вимог, що пов’язано з екстенсивним характером розвитку економіки країни, наявністю застарілих водо- та енергомістких технологій. Споживання свіжої води на одиницю виробленої продукції перевищує цей показник порівняно до Франції у 2,5 рази, Німеччини - у 4,3, Великої Британії та Швеції - у 4,2 рази. Крім того, показники середньодобового споживання води в комунальному господарстві в Україні найвищі: 220-450 л на одного мешканця (у Великій Британії - 200, Швеції - 200, Франції 150, Ізраїлі 135 л).
Через надмірне антропогенне навантаження, негативний вплив наслідків катастрофи на Чорнобильській АЕС, порушення умов формування водного стоку і природної рівноваги, що зумовило зниження якості водних ресурсів, загрозливе екологічне становище склалося майже в усіх річкових басейнах нашої країни. Вода, яка використовується для виробничих та господарських потреб, повертається у природні ланки як зворотна, у вигляді стічної, і несе у собі забруднюючі речовини, розчинні солі, хімічні домішки, частки ґрунту та біологічні відходи, які не характерні для живої природи. Особливу стурбованість викликають такі забруднюючі речовини як токсини, подібні до важких металів та пестицидів; органічні речовини, викиди поживних елементів, подібних до стоку добрив; випадання кислотних опадів, хвороботворні організми. Все це призводить до погіршення якості води і деградації водних ресурсів.
Комплексна екологічна оцінка стану річок басейнів Дніпра за методикою, яка розроблена Українським НДІ водогосподарсько-екологічних проблем, показала, що немає жодного басейну, стан котрого можна було б класифікувати, як добрий.

Дані таблиці свідчать, що задовільно оцінений екологічний стан лише 22% річок

Полісся (10% обстежених річок України), стан 33% характеризується, як поганий (39% - по Україні), 28% мають дуже поганий екологічний стан (31% - по Україні). І лише 6% обстежених річок Полісся зазнали незначних змін (2% загалом по Україні). З наведених даних можна зробити висновок, що чистих річок на сьогодні в Україні не залишилось. Лише 11% річок Полісся мають воду задовільної якості (3% - по Україні). Стан якості води решти річок характеризується від забрудненої до дуже забрудненої. Цю проблему досить влучно характеризує російський письменник В.М. Пєсков: "Річки треба вважати найважливішою державною цінністю. Тільки так можна вберегти радість, яку нам дають води, що течуть, і можливість у будь-яку хвилину втамувати спрагу. Адже немає на землі напою кращого, ніж склянка холодної чистої води."




2. Фізичні властивості води
Вода, в якій розпочалося життя на Землі, - це важливий екологічний фактор, що визначається її фізичними властивостями, зокрема, прозорістю, щільністю, теплопровідністю і теплоємністю, а також текучістю. Остання зумовлює циркуляцію в озерах і ставках.

Водне середовище однофазне - в ньому різко переважає рідка фаза. Одночасно природна вода, яка утворює гідросферу, являє собою складну полідисперсну систему, що складається з водних розчинів і зависі частинок неорганічних і органічних речовин, а також із живих органічних тіл, котрі втримуються в системі за рахунок різності співвідношень маси, постійного перемішування і переміщення водних мас або активної протидії силі тяжіння з боку живих організмів.

В поняття гідросфери включають і дно водоймища (тверда фаза), і приводний шар повітря (газоподібна фаза). Велике значення мають площини контактів цих фаз: дно-вода, вода-повітря. Це складні біогоризонти, насичені живими організмами. Відомо, що основну масу гідросфери Землі утворюють води Світового океану (95,5% за об'ємом), які містять величезну кількість органічної речовини, в тому числі незначну частку живих організмів - не більше 3 млрд. т, або 0,15%.

Головним джерелом тепла, яке надходить у водні шари, є сонячна енергія. Сонячне проміння, проникаючи крізь водну поверхню, поглинається і розсіюється водою, розчиненими в ній речовинами і зваженими частинками.

Зрозуміло, що зі зростанням у воді зважених частинок і дрібних організмів планктону зростає коефіцієнт затухання і, відповідно, погіршується прозорість води, а отже, зменшується інтенсивність фотосинтезу водяних рослин.

Сонячне тепло завдяки малій теплопровідності води майже не передається на глибину. Переміщення теплих мас з поверхні на глибину відбувається за рахунок вертикального переміщення (вітрового, конвективного, турбулентного у прісних порівняно мілководних водоймищах), а також за рахунок глибинних течій у морських водах. Прогрівання шарів води як у внутрішніх водоймах, так і в морях має сезонний характер.

Важливими фізичними властивостями води є її висока щільність, яка послаблює земне тяжіння, що дає змогу гідробіонтам мікроскопічних розмірів перебувати у зваженому стані. Крупніші гідробіонти для полегшення плавання знижують свою щільність, включаючи до складу тіла велику кількість води (медузи), жирових крапель (діатомові водорості), повітря (ламінарії і молюск наутілус), а також утворюючи різні відростки.

Водне середовище сформувало планктонні організми з характерною формою тіла, що дає можливість їм легко утримуватись "на плаву" або "ширяти" у водному просторі (медузи, лангусти, молюски). Цьому також сприяє розмір організмів: невеликі тіла зоопланктону мають теж здатність "ширяння" у водній товщі.

Для організмів, зокрема членистоногих, які живуть на поверхні води, має значення поверхневий натяг рідини (для чистої води становить 76 дін/см при 0°С і 73 дін/см при 20°С). Коли сила поверхневого натягу більша маси тварини, остання буде утримуватись завдяки поверхневому натягу. У комах, "ковзаючих по поверхні", тіло несуть передні і задні лапки, а середні кінцівки служать веслами.

До прісних вод, з одного боку, належать стоячі води, або стрічкові фації, з другого - проточні, або лотичні, фації. Рух води приводить до вирівнювання температури у всій її товщі, а також до збагачення киснем.

Текучі води в процесі адаптації формували тіло риб, яке, наприклад у форелі, в поперечному розрізі є округле, тоді як у риб стоячих вод (ставків, озер) воно плоске (короп, карась, окунь). Своєрідним для тварин швидкотекучих вод є екологічне пристосування - реотропізм: тварини приймають певне положення відносно течії і намагаються подолати її.

Вода, яка містить речовини у завислому стані, стає каламутною. З екологічної точки зору такий стан води через погане проникнення в її товщу сонячного проміння веде до зниження продуктивності автотрофної рослинності. Як правило, в такій воді менше кисню і багато організмів перебувають у пригніченому стані. Причина каламутності - змив дощовими чи талими водами дрібних частинок ґрунту, особливо гумусу.




3. Забруднення природних вод
3.1 Важкі метали
Важкі метали (ртуть, свинець, кадмій, цинк, мідь, миш'як) належать до числа поширених і досить-таки токсичних, забруднюючих навколишнє середовище, речовин. Вони широко застосовуються в різних промислових виробництвах, а тому, незважаючи на заходи з їх очистки, вміст сполук важких металів в стічних водах досить високий. Великі маси цих сполук надходять у водойми з атмосферними опадами. Для морських біоценозів найбільш небезпечними є ртуть, свинець, кадмій. Ртуть надходить до океану з материковими стоками і через атмосферу. При вивітрюванні осадових та вивержених порід щорічно виділяється близько 1,1 • 10⁴ т ртуті, при цьому значна частина цього вмісту має характер антропогенного походження. Близько половини річного промислового виробництва цього металу (9,1 • 10⁴ т/рік) різними шляхами надходить в океан. В районах, забруднених промисловими водами, концентрація ртуті (в розчинах та в звішеному стані) значно підвищується. При цьому деякі бактерії перетворюють хлориди у високотоксичну метилртуть. Забруднення морських продуктів ртуттю неодноразово призводило до ртутного отруєння мешканців прибережних районів. До 1977 р. налічувалось 1280 жертв хвороби Міномата, причиною якої були відходи підприємств по виробництву хлорвінілу та ацетальдегіду, на яких в якості каталізатора використовувалась хлориста ртуть, а недостатньо очищені стічні води надходили в затоку Міномата.[8]

Свинець - типовий розсіяний елемент, який міститься в усіх компонентах оточуючого середовища: в гірських породах, ґрунтах, природних водах, атмосфері, живих організмах. Свинець активно розсіюється в оточуючому середовищі в процесі господарської діяльності людини. Це зумовлено викидами з промисловими і побутовими стоками, з димом і пилом промислових підприємств, з вихлопними газами двигунів внутрішнього згорання тощо. Міграційні потоки свинцю з континентів в океан ідуть не лише з річковими стоками, але і через атмосферу. З континентальним пилом океан отримує (2-3) • 10⁴ т свинцю на рік.
3.2 Органічне забруднення природних вод
Серед розчинних речовин, які надходять до світового океану з суші, найбільше значення для мешканців водного середовища мають не лише мінеральні та біогенні елементи, але і органічні рештки. Винос до океану органічної речовини оцінюється в (1,3...1,4) •10⁹ т/рік. Стічні води, які містять суспензії органічного походження або розчинені органічні речовини, згубно впливають на стан водойм. Випадаючи в осад, ці суспензії замулюють дно водойми, затримують розвиток або зупиняють життєдіяльність мікроорганізмів, які беруть участь в процесах самоочищення вод. В процесі перегнивання донних осадів можуть утворюватись шкідливі сполуки та отруйні речовини, які призводять до забруднення всієї води в річці або водоймі. Наявність суспензій ускладнює також проникнення світла вглиб водойми, що призводить до сповільнення процесів фотосинтезу.

Однією з основних санітарних вимог до якості води є вміст у воді кисню. Шкідливу дію на якість води чинять всі забруднення, які так або інакше зменшують вміст кисню в ній. Поверхнево активні речовини, жири, мастила, мастильні матеріали утворюють на поверхні води плівку, яка запобігає газообміну поміж джерелом водойми і атмосферою, що зменшує рівень насиченості води киснем. Значний обсяг органічних речовин, більшість з яких не властива природним водам, скидається в річки разом з промисловими та побутовими стоками. Збільшення забруднення водойм та водостоків спостерігається у всіх промислово розвинених країнах. Інформація про вміст деяких органічних речовин в промислових стічних водах наведено в табл. 2.

В зв'язку з високими темпами урбанізації і дещо уповільненим будівництвом очисних споруд або їх незадовільною експлуатацією, водні басейни і ґрунт забруднюються побутовими відходами. Особливо істотним є забруднення у водоймах з повільною течією або непроточних (водосховища, озера). Розкладаючись у водному середовищі, органічні відходи можуть трансформуватись у середовище придатне для розвитку патогенних організмів. Вода, забруднена органічними відходами, є практично непридатною для споживання її людиною та для інших потреб. Побутові відходи небезпечні не лише тим, що є джерелами певних хвороб людини (холера, тиф, дизентерія тощо), але і тим, що потребують для свого відновлення багато кисню. Якщо побутові стічні води надходять до водойм у великих кількостях, то вміст розчиненого кисню може зменшитись нижче рівня, необхідного для життя морських та прісноводних організмів.
3.4 Нафта і нафтопродукти
Нафта переважно складається з насичених аліфатичних та гідроароматичних вуглеводів, які поділяються на чотири класи:

Парафіни або алкени (до 90% загального складу) - стійкі речовини, молекули яких виражені прямим та розгалуженим ланцюгом атому вуглецю в кільці. Легким парафінам властива максимальна летючість і розчинність у воді.

Циклопарафіни (до 30-60% загального складу) - насичені циклічні сполуки з 5...6 атомів вуглецю в кільці. Окрім циклопентану та циклогексану в нафті зустрічаються біциклічні та поліциклічні сполуки цієї ж групи. Ці сполуки досить сталі до біологічного розкладення.

Ароматичні вуглеводи (до 20-40% загального складу) - ненасичені циклічні сполуки ряду бензолу, які містять в кільці на 6 атомів вуглецю менше, ніж циклопарафіни. В нафті присутні летючі сполуки з молекулою у вигляді одинарного кільця (бензол, толуол, ксилол), а також біциклічні (нафталін) та напівциклічні (пірин)сполуки.

Олефіни або алкени (до 10% загального складу) - ненасичені нециклічні сполуки з одним або двома атомами водню біля кожного атома вуглецю в молекулі, яка має прямий або розгалужений ланцюг.[8]

Нафта і нафтопродукти є найбільш поширеними забруднюючими речовинами світового океану. На початку 80-х років XX століття до океану щорічно надходило близько 1,6•107 т/рік нафти, що складало 10,23% її світового видобутку. Найбільші втрати нафти пов'язані з її транспортуванням з районів видобування. Аварійні ситуації, виливи за борт танкерів промислової та баластної води, - все це зумовлює присутність постійних полів забруднення на трасах морських шляхів. В період за 1962-1979 роки в результаті аварій в морське середовище надійшло близько 1,2•107 т нафти. Починаючи з 1964 року на дні Світового океану просвердлено близько двох тисяч свердловин, з яких лише через незначні ушкодження щорічно втрачається нафти близько 10⁷ т/рік. Великі маси нафти та нафтопродуктів надходять до морів та океанів по річках з побутовими та зливними стоками. Обсяги забруднень з цих джерел становлять близько 2•10⁶ т/рік по побутовим та 10⁷ т/рік по промисловим стокам. Потрапляючи в морське середовище, нафта спочатку розтікається по поверхні води у вигляді плівки, утворюючи шари різної товщини. За кольором плівки можна визначити її товщину.

Нафтова плівка змінює склад спектра та інтенсивність проникнення світла у воду. Проникнення світла через тонкі прошарки нафти зменшується на 10...20% (товщина плівки 280 нм) та 60...70% (товщина плівки 400 нм). Плівка товщиною 30-40 мкм повністю поглинає інфрачервоне випромінювання.

Змішуючись з водою нафта утворює емульсію двох типів: пряму - "нафта у воді" і зворотну - "вода в нафті". Прямі емульсії, складені диспергованою до крапель діаметром до 10,5 мкм нафтою, менш стабільні і є характерними для нафт, які містять поверхнево активні речовини. При видаленні летючих фракцій, нафта утворює в'язкі зворотні емульсії, які можуть зберігатись на поверхні води тривалий час, переноситись течією, викидатись на узбережжя та осідати на дно.
3.5 Пестициди
Пестициди складають групу штучно створених речовин, які застосовуються для боротьби із шкідниками і хворобами рослин. Пестициди поділяють на такі найбільш поширені групи:

інсектициди - застосовують для боротьби із шкідливими комахами;

фунгіциди та бактерициди - застосовують для боротьби з бактеріальними хворобами рослин;

гербіциди - застосовують проти бур'янів.

Встановлено, що пестициди, знищуючи шкідників, шкодять багатьом корисним організмам і біоценозу загалом. В галузі сільськогосподарського виробництва давно вже існує проблема переходу до використання замість хімічних (забруднюючих природне середовище) до біологічних (порівняно екологічно чистих) методів боротьби із шкідниками сільськогосподарських культур. В наш час на світовий ринок надходить понад 1,5•10⁷ т/рік пестицидів. Близько 1,2•10⁷ т цих речовин вже увійшло до складу наземних і морських екосистем зольними і водними шляхами. Промислове виробництво пестицидів супроводжується появою великої кількості побічних продуктів, які забруднюють стічні води. У водному середовищі найчастіше зустрічаються представники інсектицидів, фунгіцидів, гербіцидів.

Синтезовані інсектициди поділяються на три основних групи:

-                     хлорорганічні;

-                     фосфорорганічні;

-                     карбонати.[2]

Хлорорганічні інсектициди отримують шляхом хлорування ароматичних та гетероциклічних рідких вуглеводнів. До них належать ДДТ та його похідні, в молекулах яких сталість аліфатичних та ароматичних груп при спільній присутності зростає, а також різні хлоровані похідні (хлородіенадрін). Ці речовини мають період напіврозпаду до декількох десятків років і досить стабільні до біодеградації. У водному середовищі часто зустрічаються поліхлорбіфеніли, які є похідними від ДЦТ без аліфатичної частини.

За останні 40 років використано більше як 1,2•10⁷ т поліхлорбіфенілів при виробництві пластичних мас, барвників, електричних трансформаторів та конденсаторів. Поліхлорбіфеніли надходять до оточуючого середовища в результаті скиду промислових стічних вод та спалювання твердих речовин на звалищах. Останнє згадуване джерело постачає поліхлорбіфеніли в атмосферу, звідки вони з атмосферними опадами надходять в усі райони земної кулі. Так, в пробах снігу з Антарктиди виявлено вміст поліхлорбіфенілів в межах 0,03-1,2 кг/м³.
3.6 Синтетичні поверхневоактивні речовини
Детергенти (поверхневоактивні речовини - ПАР) відносять до обширної групи речовин, які зменшують поверхневий натяг рідини і, зокрема, води. Вони входять до складу синтетичних миючих засобів, широко використовуються у побуті та промисловості. Разом із стічними водами синтетичні ПАР надходять до материкових вод і морського середовища. Синтетичні миючі засоби містять поліфосфати натрію, в яких розчинені детергенти, а також цілий ряд додаткових інгредієнтів, які є токсичними для водних організмів: ароматизуючі речовини, відбілюючі реагенти (персульфати, перборати), кальцинована сода, карбоксилцелюлоза, силікати натрію. В залежності від природи і структури гідрофільної частини молекул синтетичні ПАР поділяють на:

-                     аніоноактивні;

-                     катіоноактивні;

-                     амфотерні;

-                     неіоногенні.

Останні не утворюють іонів у воді. Найпоширенішими серед синтетичних ПАР є аніоноактивні речовини. На їх долю припадає понад 50% всіх синтетичних ПАР.[2]

Наявність синтетичних ПАР в стічних водах промисловості пов'язане з використанням їх в таких процесах, як флотаційне збагачення руд, розділення продуктів хімічних технологій, отримання полімерів, покращення умов бурових робіт нафтових та газових свердловин, боротьба з корозією обладнання. В сільськогосподарському виробництві синтетичні ПАР використовують в складі різноманітних меліорантів та як штучні структуроутворювачі для поліпшення структури ґрунтів сільськогосподарського використання.
3.7 Теплове забруднення водойм
Теплове забруднення поверхні водойм та прибережних морських акваторій виникає в результаті скиду нагрітих стічних вод електростанціями та деякими промисловими виробництвами.

Скиди нагрітих вод в багатьох випадках зумовлюють підвищення температури води у водоймах на 6-8 °С. Площа плям нагрітих вод в прибережних водах може досягати 30 км². Більш стала (стабільна) температурна стратифікація перешкоджає водообміну поміж поверхневими та придонними шарами води. Розчинність кисню у водах зменшується, а споживання його зростає, оскільки із збільшенням температури підсилюється активність аеробних бактерій, які розкладають органічні речовини, підсилюється видове різноманіття фітопланктону і всієї флори водоростей в цілому.

На підставі узагальненого досвіду, можна зробити висновок про те, що ефекти антропогенного впливу на водне середовище виявляються на індивідуальному та популяційно-біоценотичному рівнях і тривала дія забруднюючих речовин призводить до значного спрощення водних екосистем.[8]




4. Особливості моделювання в екології
Моделювання с одним з головних засобів пізнання в екології. На цей час широко використовуються такі методи, як:

-                     натурно-експериментальне моделювання;

-                     математичне (у тому числі числове) моделювання;

-                     системне моделювання.

Першими математичними моделями були роботи В. Вольтерра й А. Лоткі: математична теорія динаміки популяцій, модель "хижак - жертва" (20-і - 30-і роки XX ст.). У 50-і роки Е. Кернер створює так звану "статистичну механіку біологічних асамблей" (для складних біоценозів з великим числом взаємодіючих видів). Надалі у зв'язку з великими труднощами математизації складних біологічних і екологічних об'єктів були взяті на озброєння методи кібернетики (системне моделювання).

Основні фактори, що враховуються при екологічному моделюванні.

Основні фактори, що враховуються при моделюванні екологічних систем, можна підрозділити на такі дві групи:

а) фактори зовнішнього впливу:

-                     кліматичні зміни (температура, опади тощо);

-                     антропогенне втручання і таке ін.;

б) внутрішні фактори:

-                     конкуренція;

-                     паразитизм;

-                     хижацтво;

-                     захворюваність та її поширення;

-                     трофічні ланцюги.

При цьому потрібно враховувати, що вплив таких факторів характеризується наявністю:

-                     ефекту запізнення;

-                     кумулятивного ефекту;

-                     граничних ефектів.

Як правило, математичний опис впливу факторів зв'язаний з великою кількістю взаємозалежних змінних, зв'язаних між собою нелінійними співвідношеннями, що сильно ускладнює задачу і вимагає застосування ЕОМ.

Принципи екологічного моделювання

При побудові моделей екологічних процесів застосовують наступні основні принципи.

Принцип системності.

Внаслідок пересиченості екосистем зв'язками екологічні об'єкти являють собою єдину систему. З цієї причини в екології виявилося необхідним злиття методів системного аналізу і математичного моделювання. Це призвело до створення інтегрального методу системного моделювання - вищого етапу в розвитку екологічного моделювання.

Принцип системності полягає в усвідомленні цілісності об'єктів світу, їхньої стійкості, взаємодії із зовнішнім світом тощо; інший аспект цього принципу - динамічна багатогранність, єдність якості й кількості, теорії та практики.

Принцип єдності структурності та ієрархічності.

Фундаментальна риса екосистем - наявність у них складних ієрархічних структур. Звідси випливає вимога єдності структурності й ієрархічності системних екологічних моделей. Відповідно виникає проблема структурування моделі, тобто виділення істотних підсистем і елементів п сукупності всіх зв'язків і компонентів.

Звичайно систему організують найбільш залежні одне від одного елементи (підсистеми), інші впливають па поводження системи слабко, а через їхню велику кількість - неузгоджено; отже, їх можна розглядати як інтегровані зовнішні чи внутрішні фактори впливу.

Принцип багатомодельного опису.

Через динамізм і складність екологічних об'єктів, що виникають у результаті множинності мети антропогенного втручання, на сьогодні немає можливості побудови єдиної теорії соціоекосистеми в класичному розумінні, тобто як дедуктивної моделі, з якої можна вивести всі можливі наслідки. Тому наука йде по шляху створення множинних взаємодоповнюючих моделей.

Принцип єдності формалізованого і неформалізованого опису.

Досвід перших глобальних моделей розвитку світової соціоекосистеми, побудованих за замовленням Римського клуба, показав: сяйного формалізованого (математичного) опису недостатньо для адекватного моделювання соціоекосистеми. Для цього необхідно враховувати неформальні фактори і доповнювати формалізований опис (з позицій історичного, психологічного та ін. підходів) неформальованим описом.

Принцип визнання фундаментальності екологічних процесів.

Екологічні процеси неможливо звести до простої сукупності біологічних, фізичних, економічних процесів, оскільки всі вони тісно переплетені між собою. У цьому переплетенні виникають нові, екологічні закономірності. Звідси випливає самостійна значимість екологічних цінностей.

Принцип єдності теорії та практики.

Благополуччя соціоекосистеми, частиною якої є Людина, має для неї найважливіше значення. Тому екологія є не тільки фундаментальною, але і прикладною наукою, що поєднує пізнання екологічних закономірностей із практичним їхнім застосуванням у повсякденній діяльності Людини. Ця єдність виражається у вигляді принципу: "Не тільки дивися і думай - роби".[1]

Значення моделювання в екології

За допомогою моделювання одержують можливість оцінювання потенційних наслідків застосування різних стратегій оперативного керування, впливу на екосистему, користування природними ресурсами (біотичними й абіотичними), оптимізації екосистем. Моделювання дозволяє глибоко проникнути в сутність явищ, зрозуміти їхню справжню природу.




5. Власні дослідження
Вихідні дані



Визначення площини припливу стічних вод

де δ – площина припливу стоків, м²;

Q_ст – витрати стічних вод, м³/с;

V_ср – середня швидкість потоку на розрахунковій ділянці, м/с.

Підставимо дані у формулу:
.
Розрахунок ширини припливу стічних вод

де β – ширина припливу стоків, м;

Н_ср – глибина ділянки, м.

Підставимо дані:
.


Визначення ширини розрахункового осередку

де ∆z – ширина розрахункового осередку, м;

n – коефіцієнт (=1).

За даними:
.
Визначення довжини розрахункового осередку

де ∆x – довжина розрахункового осередку, м;

D – коефіцієнт турбулентної дифузії:

за умови: g = 250; С = 30; М = 27 – D=0,046.

Отримуємо:
.
Визначення кількості струменів по ширині потоку






Визначення загальної кількості струменів, у яких знаходиться стічна вода

∆x ∆z	k	k+1	k+2	k+3	k+4	k+5	k+6	k+7	k+8	k+9
1 струмінь	30	68,5	78,125	80,53125	80,53125	79,62891	78,38818	77,04407	75,69995	74,40166
2 струмінь	184	107	87,75	80,53125	76,92188	74,66602	73,01172	71,6676	70,50677	69,46814
3 струмінь	30	68,5	68,5	66,09375	64,28906	63,08594	62,25879	61,64783	61,15906	60,73961
4 струмінь	30	30	39,625	44,4375	46,84375	48,19727	49,06201	49,67297	50,13354	50,49307
5 струмінь	30	30	30	32,40625	34,8125	36,76758	38,30908	39,54041	40,54614	41,38504
6 струмінь	30	30	30	30	30,60156	31,50391	32,48145	33,43079	34,31433	35,12327
7 струмінь	30	30	30	30	30	30,15039	30,45117	30,85535	31,31827	31,80821
8 струмінь	30	30	30	30	30	30	30,0376	30,13159	30,28198	30,47996
9 струмінь	30	30	30	30	30	30	30	30,0094	30,0376	30,08988
10 струмінь	30	30	30	30	30	30	30	30	30,00235	30,01057
11 струмінь	30	30	30	30	30	30	30	30	30	30,00059

При побудові моделі я вважаю доцільним округлити значення і прийняти ширину струменя за 3,2 метри. Таким чином, по ширині річки вкладається 11 струменів.




Модель розповсюдження забрудника (в 1 мм = 0,5 м)




Висновки та рекомендації щодо стану водного об’єкта
Побудувавши модель, можна зробити висновки, що:

-                     в 10 створі забрудник розповсюдиться по всій ширині річки;

-                     лівого берега забрудник досягне в другому створі;

-                     воду вздовж правого берега по всій довжині моделі можна вважати умовно чистою;

-                     в останньому створі найзабрудненіша вода буде біля лівого берега;

-                     в останньому створі найчистіша вода буде біля правого берега.

Вода з цього джерела придатна для 1-ї категорії водокористування:

-                     навігація (судноводіння);

-                     транспортні системи (лісосплав, скид стоків тощо);

-                     добування копалин;

-                     виробництво електроенергії (ГЕС, ГАЕС).

Якщо забрудником виступатиме будь-який мікроелемент, то вода з цього джерела зовсім непридатна для зрошення і навіть найбільш чистий шостий струмінь перевищує ГДК алюмінію і феруму, вміст яких допускається найбільший (до 5 мг/л у водах обмежено придатних для зрошення) в 6 разів.

Для тваринницького водопостачання вода з даного джерела придатна у разі, якщо забрудником виступатимуть: кальцій, нітрати, нітрити чи сульфати.

Взагалі при прогнозованій ситуації рекомендую використовувати воду ближче до правого берега річки, але не далі ніж на 90 метрів нижче місця скидання стічної води.




Список використаної літератури
1)                Богобоящий В.В., Курбанов К.Р., Палій П.Б., Шмандій В.М. Принципи моделювання та прогнозування в екології: Підручник. - Київ: Центр навчальної літератури, 2004. - 216 с.

2)                Винклер Х. Мировые ресурсы: Пер. с нем. - М.: Знание, 1986.-272 с.

3)    Владимиров A.M. и др. Охрана окружающей среды. - Ленинград: Гидроме- теоиздат, 1991. - 422 с.

4)                Герасименко В.Г., Герасимснко М.О., Харчишин В.М. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з моделювання і прогнозування стану довкілля для студентів зі спеціальності 6.0708.00 - екологія і охорона навколишнього природного середовища. - Біла Церква, 2005.- 12с.

5)    Горєв Л.М., Яцюк М.С. Особливості оперативного прогнозування змін хімічного складу річкових вод в умовах техногенного впливу. // Водне господарство України. -1998. - №№ 5-6, с. 18-21.

6)                Джигирей В.С.,Сторожук В. М., Яцюк Р. А. Основи екології та охорона навколишнього природного середовища (Екологія та охорона природи). Навчальний посібник. – Вид. 2-ге, доп. – Львів, Афіша, 2000 –272 с.

7)    Карпов В. І., Сіренький С. П., Данилко В. К. та інші Еколого-економічні проблеми довкілля Житомирщини. [Кол. мо-ногр.]; Під заг. ред. П. П. Михайленка. –Житомир, 2001. –320 с.: іл. - Бібліогр.: 312-316

8)    Потравный И.М., Захожай В.Б. Ресурсосбережение и охрана окружающей среды.-К.: Урожай, 199О.-286с.

9)                Шелудченко Б.А.,.Дорощенко В.В, Котков В.І. та ін.; Інженерна екологія. 4.2. Гідросфера: (Навч. посіб.) За ред. Б.А. Шелудченка; (В надз. Державне управління екології та природних ресурсів в Житомирській області; Державний агроекологічний університет). - Житомир: Вид-во "Волинь", 2001.-220 с.:іл.