Анализ кислородного баланса водоема. Модель Стритера-Фелпса.

Содержание

Введение. 4

План проведения практических занятий. 4

Анализ кислородного баланса водоема. Модель Стритера-Фелпса. 4

Сукцессии в лесной экосистеме и динамика лесного фонда. 7

Материальные потоки веществ в лесных экосистемах. 10

Основные модели роста численности популяций. 12

Расчет платы за загрязнение атмосферы, водных объектов и за размещение отходов 22

Расчет компонент техноценоза. 30

Расчет количеств газообразных примесей, образующихся при сжигании основных видов топлива. 32

Расчет количеств выбросов аэрозолей, образующихся при сжигании основных видов топлива. Выбросы при сжигании природного газа. 35

Расчет величин экологических нагрузок от суммы источников выбросов. 38

Имитационная игра «Малая река», «Озеро», «Анкос. Воздух». 41

Расчет рассеивания выбросов от точечного источника. Определение норматива ПДВ. 53

Расчет разбавления вредных примесей по методу В.А. Фролова - И.Д. Родзиллера. Определение норматива НДС и необходимой эффективности работы очистных сооружений. 57

Демографические таблицы популяций. 60

Зонирование территории по степени поврежденности экосистем. 63

Организация системы мониторинга заданного объекта. 68

Критерии оценки выполнения заданий. 73

Список литературы.. 73

Введение

Вопросы природопользования и природообустройства являются неотъемлемой частью жизни современного общества. Человечество оказывает все возрастающее воздействие на природные экосистемы и способствует повсеместному истощению природноресурсного потенциала. Это приводит к необходимости активных мер по охране окружающей среды и обеспечению рационального природопользования. Неотъемлемой частью рационального природопользования является оценка природноресурсного потенциала территорий и текущего состояния экосистем.

Настоящие методические указания призваны помочь в освоении основных подходов к обеспечению рационального природопользования, в овладении наиболее востребованных приемов природообустройства.

План проведения практических занятий.

Каждое практическое занятие включает в себя теоретическую и практическую части. Занятие начинается с объяснения теоретических вопросов, связанных с выполнением практического задания. По окончании теоретической части студенты в случае необходимости задают преподавателю вопросы. Далее преподаватель распределяет между студентами варианты практических заданий. Задания выполняются в аудитории во время занятия. После выполнения практического задания каждый студент лично предъявляет результаты преподавателю и по результатам проверки получает оценку.

Занятие 1

Анализ кислородного баланса водоема. Модель Стритера-Фелпса.

Одной из наиболее важных характеристик для водных экосистем является содержание в воде растворенного кислорода. Даже небольшие флуктуации его концентрации в воде могут приводить к необратимым последствиям для всей экосистемы, негативно отражаясь на уровне экологической безопасности в целом.

На содержание кислорода в воде водоемов могут влиять многие факторы. Среди них выделяются три основных:

· Температура воды

· Атмосферное давление

· Наличие в воде примесей

С повышением температуры растворимость газов, и, в том числе кислорода, в воде падает. Поэтому так важно поддержание нормального температурного режима в водоеме.

Связь растворимости кислорода с атмосферным давлением прямая – с повышением давления растворимость также повышается

Наличие в воде примесей негативно сказывается на содержании кислорода.

Рассмотрим кислородный баланс реки в условиях ее загрязнения достаточно легко окисляемыми отходами, например, органического происхождения. При попадании таких отходов в воду начинается процесс их биохимического разложения, который протекает с использованием растворенного в воде кислорода, что может привести к падению его концентрации в воде. Так как растворенный кислород является одним из основных лимитирующих факторов для водных экосистем, то падение его концентрации может быть сопряжено с разной тяжести нарушениями в их функционировании.

Рассмотрим взаимосвязи между концентрациями растворенного кислорода и органических отходов. Концентрацию отходов измеряют величиной так называемого биохимического потребления кислорода (БПК), которая представляет собой количество кислорода на единицу объема воды, необходимое для разложения содержащихся в этом объеме воды органических примесей. Единица измерения БПК - мг/л О₂.

Скорость разложения отходов пропорциональна их концентрации в воде при условии, что кислорода достаточно для их полного разложения.

При отсутствии отходов концентрация кислорода в воде колеблется около равновесного (максимального для данных условий) значения. При наличии отходов реальная концентрация кислорода будет снижаться. Однако существуют процессы, обеспечивающие увеличение концентрации кислорода в воде, например, реаэрация – растворение кислорода атмосферы в воде через поверхностный слой.

Графически процессы, происходящие при попадании загрязняющих веществ в воду, можно изобразить следующим образом (рис 1.1):

Опишем процессы, формирующие кислородный баланс реки при наличии загрязнения.

Введем обозначения:

L – биохимическое потребление кислорода (БПК), мг/дм³,

Cо – равновесная концентрация кислорода в воде (при отсутствии

отходов), мг/дм³,

C - концентрация кислорода в воде при наличии отходов, мг/дм³,

D = Cо - C – дефицит кислорода в воде вследствие загрязнения,

мг/дм³,

k₁ - скорость потребления кислорода на разложение отходов, вследствие выбора единиц измерения она равна скорости разрушения отходов, 1/сутки,

k₂ – скорость реаэрации, 1/сутки.

В этих обозначениях процессы разложения отходов и формирования кислородного баланса в водоеме описываются следующими простыми уравнениями, получившими название модели Стритера-Фелпса, по именам ученых впервые использовавших их для анализа такой ситуации:

t_max

C_min

О₂, мг/дм³

Время, сутки

С₀

u krrDPoabVs6TZCkNNhwbanS0q6n8LS5Gwef3263N3eIrafpTNhzOWbE/VEo9TIaXZxCBhnAX/7uP WsHiKa6NZ+IRkJs/AAAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQDb4fbL7gAAAIUBAAATAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAFr0LFu/AAAAFQEAAAsA AAAAAAAAAAAAAAAAHwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAHv/kwXEAAAA3AAAAA8A AAAAAAAAAAAAAAAABwIAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAAAwADALcAAAD4AgAAAAA= " filled="f" stroked="f">

C_нач

Рис.1.1. Изменение содержания кислорода в воде при попадании в нее легко окисляемых органических веществ.

(1.1)

Интегрируя систему уравнений 1.1 методом вариации постоянной, получаем следующую зависимость дефицита кислорода в воде – D от времени (1.2):

(1.2)

где L₀ – БПК в начальный момент времени, количественно равно БПК неразложившихся отходов,

D₀ – дефицит кислорода в начальный момент времени, количественно обусловлен источниками загрязнения, расположенными выше по течению реки.

С помощью последней формулы можно ответить на следующие важные в практическом отношении вопросы:

каков будет максимальный дефицит кислорода в реке – (D_max)?

на каком расстоянии от источника выбросов (X_max) он имеет место?

через какое время (t_max)после сброса сточных вод наступает максимальное понижение концентрации кислорода в реке?

Пусть время t связано с расстоянием X, которое отсчитывается по течению реки от места сброса отходов следующей зависимостью:

(1.3)

где v – скорость течения реки.

Подставив выражение t = X/v из (1.3) в (1.2) получим зависимость концентрации кислорода от расстояния см. рис 1.

Из уравнения (1.2) находим интересующие нас величины:

	(1.4)
	(1.5)
	(1.6)

Расчет этих величин может осуществляется непосредственно по приведенным формулам или с использованием компьютера. Использование компьютера позволяет решать ряд дополнительных задач по модели Стритера–Фелпса.

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. При заданных параметрах модели определить X_max, D_max, t_max.

Таблица 1.1

Исходные данные для выполнения контрольного задания

Вариант	L₀, мг/л	D_0,мг/л	k₁, 1/сутки	k₂, 1/сутки	V, м/сутки
1.	5,2	0,50	0,15	0,45	8640
2.	5,6	1,00	0,11	0,42	7123
3.	2,8	0,07	0,13	0,45	10000
4.	1,4	0,12	0,21	0,53	5867
5.	3,5	0,16	0,12	0,51	3761
6.	5,7	0,70	0,18	0,52	12630
7.	2,3	0,02	0,13	0,50	6409
8.	3,7	0,50	0,32	0,52	7125
9.	4,3	0,15	0,17	0,45	12363
10.	5,2	0,10	0,10	0,30	8788

2. При заданных постоянных реаэрации (k₁) и скорости окисления (k₂) примесей (см. таблицу) определить максимально допустимую величину БПК в зоне загрязнения (L_o) такую, чтобы минимальная концентрация кислорода в любом месте реки составляла с_min=6 мг/л. Положить равновесную концентрацию кислорода в воде при отсутствии загрязнений - c_o=9.8 мг/л.

Занятие 2