Теоретическая часть
Для оценки влияния загрязнения окружающей среды непосредственно на человека и связанные с ним элементы биоценоза условно ставят человека в центр экологической системы.
В этой системе в соответствии с экологической концепцией В.И.Вернадского и С.С.Шварца можно предложить следующую логику ранжирования экологических объектов:
1-е место – человек.
2-е место – домашние животные и культурные растения. Они обеспечивают потребности человека, их условия существования формируются целенаправленной деятельностью человека, т. е. они изолированы от воздействия природных факторов, поэтому констатация нарушений в этой группе – косвенное свидетельство интенсивности нарушений биоценоза.
3-е место – промысловые животные и дикорастущие растения. Они поставлены на 3-е место, т. к. в ряде районов формируют региональный экономический потенциал.
4-е место – массовые виды компонентов биоценоза. В случае выпадения из биоценоза массового вида организмов экологические условия региона могут существенно изменяться из-за нарушения биологического равновесия.
5-е место – малочисленные виды, нейтральные в отношении хозяйственной деятельности человека. Их исчезновение из биоценоза в меньшей мере нарушает его динамическое равновесие.
Ранжирование является основой для «определения веса» объекта по признаку значимости его для хозяйственной деятельности человека.
Для оценки экологической ситуации важно провести ранжирование и пронормировать «веса» загрязнителей окружающей среды.
Ранжированную последовательность загрязнителей строят в порядке убывания вреда, который эти вещества могут причинить экологическим объектам.
Для нормирования весов экологических объектов и загрязнителей существует два основных способа.
Первый базируется на опросе экспертов, второй – на математическом моделировании. Опрос экспертов проводится редко, т. к. он не всегда объективен.
Математическая модель позволяет формализовать самые общие исходные соображения экспертов в виде системы начальных условий и подобрать непрерывную функцию, удовлетворяющую этим условиям.
Методами инженерного прогнозирования выведена формула, определяющая вес экологических объектов (табл. 3.1) и загрязнителей F(j):
,(3.1)
где j - номер места в ранжированной последовательности.
Это приведенная последовательность экологических объектов выполнима при условии: j≥2.
Для занимающего первое место человека нормированный вес принимается равным F(1) = 2.
При оценке загрязнителей данное условие не действует, и в физическом смысле функция F(j) характеризует относительную токсичность загрязнителя.
Т а б л и ц а 3.1
Вес экологических объектов
| Экологические объекты | Вес объекта в ранжированной последовательности F(j) |
| Человек | 2,00 |
| Домашние животные и культурные растения | 1,00 |
| Промысловые животные и дикорастущие растения, используемые в хозяйственной деятельности человека | 0,75 |
| Массовые виды компонентов биоценоза, не используемые в хозяйственной деятельности человека | 0,50 |
| Малочисленные виды компонентов биоценоза, нейтральные в отношении хозяйственной деятельности человека | 0,31 |
В природных условиях различные загрязнители смешиваются, образуя конгломераты. Для единичных загрязнителей при оценке относительной токсичности можно применить нижние значения функции F(j), определенные по формуле (3.1). Для конгломератов пользуются верхними значениями этой функции, полученными на основе формулы Лапласа: F(1) = 0,992; F(2) =
= 0,984; F(3) = 0,96; F(4) = 0,884; F(5) = 0,626; F(6) = 0,415 и т. д.
Верхнее и нижнее значения функции образуют область существования истинных значений относительной токсичности для веществ и конгломератов. Для приближенных расчетов относительная токсичность принимается как среднее значение.
Степень загрязнения окружающей среды можно оценить коэффициентом, который представляет собой совокупность загрязнений от всех потенциально возможных загрязнителей, отнесенную к приведенному числу загрязнителей:
G = S / m.(3.2)
Совокупность загрязнений от всех потенциально возможных загрязнителей определяют:
(3.3)
Для определения величины S выясняют предельную концентрацию загрязнителя rj и относительную токсичность загрязнителя F(j).
Под предельной концентрацией загрязнения понимают отношение фактической концентрации загрязнителя Cj, которая сложилась в данном экологическом регионе, к допустимой концентрации для нормального существования биосферы и ее элементов (экологических объектов), т. е. к ПДК (предельно допустимой концентрации). В качестве этого норматива принимают ПДКС.С (среднесуточную) для атмосферы и для воды – ПДКв.р. в водных объектах, используемых в рыбохозяйственных целях [2],
(3.4)
Приведенное значение числа загрязнителей определяют по формуле
. (3.5)
В соответствии с формулой (3.2) формируются основные (базисные) оценки степени загрязнения среды обитания (табл. 3.2) и аттестационная шкала по оценке степени загрязнения (табл. 3.3).
Т а б л и ц а 3.2
Основные (базисные) оценки степени загрязнения среды обитания по значимости коэффициента загрязнения
| Значение коэффициента Загрязнения | Оценка среды обитания |
| G < 1 | Вполне здоровая (условия санатория или заповедника) |
| G = 1 | Нормальная |
| G > 1 | Загрязненная |
Т а б л и ц а 3.3
Оценка степени загрязнения среды обитания при значениях коэффициента загрязнения G > 1
| Коэффициент загрязнения среды обитания пылегазовыми и жидкими загрязнителями G (J) | Оценка степени загрязнения среды обитания |
| До 1,0 | Безвредная |
| 1 – 1,99 | Малая |
| 2 – 2,99 | Существенная |
| 3 – 3,99 | Интенсивная |
| 4 – 5,00 | Весьма интенсивная |
| Более 5 | Катастрофическая |
Простейший метод прогнозирования – это построение уравнений регрессии по имеющимся статистическим данным. Если эти данные, представленные в системе координат «коэффициент загрязнения G – годы наблюдения t», подчиняются линейной зависимости, то для аналитического определения коэффициента загрязнения, как функции времени G(t), можно применить метод наименьших квадратов.
Если результаты наблюдений подчиняются уравнению линейной регрессии:
G = b0 + b1 × t,(3.6)
то коэффициенты b0 и b1 в методе наименьших квадратов находят при помощи определителей и в конечном итоге формулы выглядят следующим образом:
b0 = 
, (3.7)
b1 = 
, (3.8)
где: n – общее количество лет наблюдения;
i – номер года наблюдения;
t – год наблюдения;
G – коэффициент загрязнения;
и 
– средние арифметические значения соответствующих величин.
Для оценки силы линейной связи вычисляют выборочный коэффициент корреляции r:
.(3.9)
Если коэффициент корреляции r» ±1, то зависимость между G и t является практически линейной в изученном диапазоне.
Расчетная часть
Цель работы: расчет степени загрязнения окружающей среды; оценка экологической ситуации на данном водном объекте; прогнозирование степени загрязнения среды обитания, если не изменится тенденция развития.
Задание: по данным мониторинга экологического объекта (t1 = 1; t2 = 2;... t5 = 5) (табл. 3.4) определить коэффициенты загрязнения G по годам, построить график зависимости G от времени и спрогнозировать, какова будет степень загрязнения среды обитания, указанного в варианте водного объекта, если не изменяется тенденция развития.
Т а б л и ц а 3.4
Исходные данные для расчета коэффициента
загрязнения среды обитания
| Вариант | Экологический объект | Ранжированная последовательность загрязнителей | Фактическая концентрация загрязнителей по годам наблюдения, мг / дм3 | ||||
| Река Дон выше г.Павловска | 1. Цинк 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,005 0,01 0,24 1,9 6,3 | 0,008 0,02 0,3 2,1 6,5 | 0,01 0,02 0,21 1,8 6,5 | 0,01 0,025 0,27 2,2 6,7 | 0,012 0,03 0,19 1,9 6,8 | |
| Река Дон выше г.Павловска | 1. Нефтеполимерная смола 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,08 0,027 0,27 2,0 7,5 | 0,09 0,029 0,25 2,0 8,1 | 0,1 0,03 0,27 2,1 8,0 | 0,1 0,03 0,3 2,2 8,2 | 0,1 0,03 0,31 2,5 8,3 |
Продолжение табл. 3.4
| Река Дон выше г.Лиски | 1. Формальдегид 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,01 0,036 0,27 3,6 2,0 | 0,01 0,04 0,25 3,5 2,0 | 0,012 0,04 0,25 3,8 2,3 | 0,013 0,042 0,3 4,0 2,5 | 0,015 0,045 0,3 4,0 2,5 | |
| Река Дон ниже г.Лиски | 1. Медь 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвеш. вещества | 0,004 0,044 0,31 2,3 6,0 | 0,004 0,045 0,30 2,5 6,0 | 0,005 0,045 0,30 2,5 6,0 | 0,005 0,050 0,35 2,7 6,5 | 0,009 0,050 0,040 2,9 6,7 | |
| Река Дон ниже г.Новово Ронежа | 1. Нефтепродукты 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,12 0,56 0,25 7,15 8,0 | 0,15 0,058 0,25 7,2 7,9 | 0,20 0,060 0,25 7,25 8,1 | 0,20 0,060 0,30 7,25 8,2 | 0,22 0,060 0,30 7,3 8,2 | |
| Река Дон у с. Малышево | 1. Фосфаты 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,36 0,059 0,45 3,8 7,7 | 0,43 0,060 0,45 3,8 7,9 | 0,45 0,061 0,48 4,0 8,0 | 0,45 0,061 0,47 4,0 8,0 | 0,5 0,063 0,49 4,2 8,0 | |
| Река Дон у с.Устье | 1. Сульфанол - 1 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,2 0,033 0,35 2,36 12,8 | 0,2 0,035 0,35 2,35 13,1 | 0,21 0,035 0,38 2,4 13,5 | 0,23 0,04 0,38 2,45 15,0 | 0,25 0,04 0,4 2,5 17,2 |
Продолжение табл. 3.4
| Река Дон в районе моста г.Се- милуки | 1. Сульфанол НП-3 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,11 0,05 0,14 1,9 5,2 | 0,12 0,05 0,15 1,9 5,3 | 0,13 0,05 0,16 2,1 5,2 | 0,14 0,06 0,17 2,3 5,3 | 0,16 0,05 0,16 2,4 5,4 | |
| Река Дон в районе водозабора | 1. Железо 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,002 0,01 0,15 1,6 8,0 | 0,003 0,01 0,18 1,6 8,4 | 0,003 0,012 0,2 1,7 8,5 | 0,004 0,013 0,2 1,75 9,0 | 0,004 0,015 0,24 1,75 9,0 | |
| Река Дон в районе с.Моностыршина | 1. Стирол 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. 4. БПК5 5. 5. Взвешенные вещества | 0,05 0,009 0,18 1,4 10,5 | 0,07 0,009 0,18 1,4 10,5 | 0,07 0,001 0,2 1,8 10,0 | 0,09 0,01 0,2 2,0 11,3 | 0,1 0,015 0,2 2,3 11,0 | |
| Река Дон (в сред-нем по реке) | 1. Фенолы 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,0005 0,015 0,20 2,7 7,3 | 0,0006 0,015 0,23 2,7 7,5 | 0,0007 0,018 0,23 2,8 7,5 | 0,001 0,018 0,25 2,9 7,7 | 0,001 0,02 0,25 3,0 0,8 | |
| Река Воронеж | 1. Кобальт 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,04 0,035 0,25 0,40 5,2 | 0,05 0,036 0,25 0,45 5,2 | 0,05 0,036 0,25 1,55 5,4 | 0,06 0,038 0,26 1,6 5,5 | 0,06 0,04 0,28 1,6 5,5 |
Продолжение табл. 3.4
| Река Ворона | 1. Фенолы 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный БПК5 4. Взвеш. вещества | 0,0005 0,01 0,23 1,2 10,5 | 0,0006 0,01 0,25 1,25 10,5 | 0,0007 0,012 0,25 1,3 10,6 | 0,001 0,013 0,28 1,35 10,8 | 0,001 0,015 0,3 1,35 11,0 | |
| Река Хопер в районе г.Борисоглебска | 1. Сероуглерод 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. 4. БПК5 5. 5. Взвешенные вещества | 0,8 0,007 0,14 1,5 6,0 | 0,9 0,007 0,15 1,5 6,0 | 0,9 0,008 0,15 1,7 6,5 | 1,0 0,008 0,17 1,9 6,6 | 1,01 0,009 0,18 1,9 6,4 | |
| Река Хопер в р-не Новохоперска | 1. Цианид 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,03 0,004 0,15 3,0 9,6 | 0,03 0,004 0,15 3,2 9,8 | 0,04 0,005 0,17 3,3 10,0 | 0,05 0,005 0,18 3,3 10,0 | 0,06 0,006 0,19 3,5 10,0 | |
| Река Хопер (в сред-нем по реке) | 1.Хром (VI) 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,001 0,005 0,19 2,3 7,5 | 0,001 0,006 0,20 2,4 7,6 | 0,002 0,006 0,21 2,5 7,7 | 0,002 0,007 0,21 2,6 7,8 | 0,003 0,007 0,22 2,6 7,8 | |
| Река Тихая сосна выше г.Острогожска | 1. Калий 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,011 0,02 1,2 4,2 | 0,011 0,02 1,3 4,6 | 0,012 0,03 1,4 4,8 | 0,013 0,03 1,4 4,8 | 0,013 0,03 1,4 5,0 |
Продолжение табл. 3.4
| Река Тихая сосна ниже г.Острогожска | 1. Хлориды 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,01 0,16 1,6 12,3 | 0,013 0,15 1,8 12,4 | 0,013 0,16 1,8 12,6 | 0,015 0,16 2,0 12,6 | 0,015 0,18 2,0 12,6 | |
| Река Тихая сосна (в среднем по реке) | 1. Формалин 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,2 0,01 0,05 1,5 8,5 | 0,21 0,012 0,06 1,5 8,6 | 0,22 0,012 0, 07 1,6 8,6 | 0,23 0,013 0,08 1,6 8,7 | 0,24 0,014 0,08 1,7 8,8 | |
| Река Битюг в р-не г. Боброва | 1. Сульфаты 2. Азот нитритный 2. Азот аммонийный 3. 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,007 0,16 3,0 5,0 | 0,008 0,17 3,3 5,3 | 0,008 0,17 3,5 5,5 | 0,009 0,18 3,6 5,5 | 0,009 0,18 3,6 5,5 | |
| Река Битюг в районе п.Анна | 1. Бутанол 2. Азот нитритный 4. Азот аммонийный 5. 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,02 0,015 0,82 2,0 8,0 | 0,025 0,017 0,83 2,0 8,0 | 0, 03 0,018 0,85 2,1 8,0 | 0,03 0,02 0,85 2,2 8,1 | 0,035 0,02 0,86 2,3 8,2 | |
| Река Битюг (в сред-нем по реке) | 1. Мышьяк 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,03 0,012 0,50 2,9 6,5 | 0,04 0,012 0,51 2,9 6,5 | 0,04 0,013 0,52 2,9 6,6 | 0,05 0,014 0,52 3,0 6,8 | 0,055 0,014 0,52 3,0 6,9 |
Окончание табл. 3.4
| Воронежское водохранилище в районе Чернавского моста | 1. Масло соляровое 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,008 0,019 0,42 2,0 13,0 | 0,009 0,019 0,43 2,1 13,1 | 0,01 0,02 0,44 2,1 13,2 | 0,015 0,02 0,45 2,15 13,2 | 0,02 0,02 0,45 2,15 13,3 | |
| Воронежское водохранилище в районе ВОГРЭС | 1. Свинец 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвешенные вещества | 0,005 0,02 0,25 1,5 9,6 | 0,006 0,02 0,27 1,5 9,8 | 0,0 08 0,021 0,29 1,6 | 0,008 0,021 0,3 1,7 | 0,01 0,022 0,3 1,7 | |
| Воронежское водохранилище в районе Чертовицкого | 1. Кальций 2. Азот нитритный 3. Азот аммонийный 4. БПК5 5. Взвеш. вещества | 0,019 0,71 1,8 7,7 | 0,019 0,71 1,8 7,8 | 0,020 0,72 1,85 7,9 | 0,021 0,73 1,85 8,0 | 0,021 0,74 1,9 8,0 |
Т а б л и ц а 3.5
Результаты расчета степени загрязнения экологического объекта
| Характеристики загрязнителей | Года наблюдения t | Коэффициент загрязнения G | Оценка степени загрязнения | |
| Ранжированная последовательность | ПДК (для рыб. - хоз. водоемов), мг/дм3 | |||
1. Определяют вес загрязнителей
.(3.10)
2. Определяют приведенное значение числа загрязнителей
.(3.11)
3. Рассчитывают предельные концентрации загрязнителей
.(3.12)
4. Рассчитывают совокупность загрязнений
. (3.13)
5. Определяют степень загрязнения окружающей среды
.(3.14)
6. Результаты заносят в табл. 3.5.
7. Строят уравнение регрессии для G как функции времени t:
.(3.15)
b0,b1 определяют по методу наименьших квадратов
8. Находят коэффициент корреляции r.
Содержание отчета
· Титульный лист установленной формы.
· Цель РГР и задание.
· Расчеты степени загрязнения окружающей среды.
· Полученные данные G в зависимости от t в виде уравнения регрессии.
· Коэффициент корреляции.
· Графическое представление уравнения регрессии.
· Вывод об экологической ситуации на данном объекте и прогноз загрязнения среды обитания.
· Список использованных литературных источников.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается логика ранжирования экологических объектов?
2. Какие способы существуют для нормирования весов экологических объектов?
3. Каким показателем можно оценить степень загрязнения окружающей среды?
4. Что такое предельная концентрация загрязнения?
5. В чем смысл простейшего метода прогнозирования?
