130402.65 Описание практических работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО "Сибирская государственная геодезическая академия"
Кафедра экологии и природопользования
Описание практических работ
Дисциплина «Экология»
Оглавление
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 1. Оценка пригодности природной воды в
качестве питьевой по формуле М.Г. Курлова .................................................... 3
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 2. Анализ промышленного загрязнения озера 8
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. Расчетная оценка загрязнения
атмосферного воздуха от автотранспорта ........................................................ 10
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. Определение общей суммы платы
предприятия за выбросы вредных веществ в атмосферу ................................. 15
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 6. Экологическая оценка территории в
техногенных зонах ............................................................................................. 20
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. Определение интенсивности фотосинтеза в
экосистеме и его эффективность ....................................................................... 27
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. Потоки энергии и трофические уровни в
экосистеме .......................................................................................................... 32
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 9. Экономическая эффективность проведения
водоохранных мероприятий .............................................................................. 35
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 1. Оценка пригодности природной воды в
качестве питьевой по формуле М.Г. Курлова
Природные воды – все воды земного шара как планеты. В природных условиях
вода не встречается в химически чистом виде. Она представляет собой раствор, часто
сложного состава, который включает газы (O2 , CO2 , H2S, CH4 и др.), органические и
минеральные вещества. В природных водах обнаружено подавляющее большинство
химических элементов. Наиболее распространенные ионы: Na+ , Ca2+ , Mg2+ , Fe2+ , Fe3+ ,
Cl- , SO42- , HCO3- , NO3- , а также кремниевая кислота H2SiO3.
Описание природной воды по формуле М.Г. Курлова
Для удобства сопоставления анализов воды существуют различные способы
сокращённого изображения состава. Наиболее часто применяется формула М.Г. Курлова –
это наглядное изображение химического состава природной воды.
В этой формуле, выражаемой в виде псевдодроби, в числителе пишут в процентэквивалентах в убывающем порядке анионы, а в знаменателе в таком же порядке катионы.
Ионы, присутствующие в количестве менее 10 % экв, в формулу не вносят. К символу
иона приписывают его содержание в процент-эквивалентах в целых числах. Впереди
дроби указывают величину минерализации (М) в г/л, pH, жёсткость в мг·экв /л и
компоненты, специфичные для данного анализа (CO2, H2S, Br-, J-, радиоактивность и др.).
После дроби указывают температуру воды (t 0 C) и дебит источника или скважины в (D),
м3 / сут.
Например:
А теперь последовательно рассмотрим составные части формулы М.Г. Курлова.
Водородный показатель – pH
В воде часть молекул всегда находится в диссoциированном состоянии в виде ионов H + и
OH-. Концентрация недиссоциированной воды считается постоянной, поэтому количество
ионов водорода и ионов гидроксила при данной температуре будет тоже величиной
постоянной. При t 220 С эта величина равна 10-14. Чистая вода имеет нейтральную
реакцию и количество ионов H+ должно быть равно количеству ионов OH-.
[H+] = [OH-] = 10-7
Это выражение показывает, что при 220 С в 1 л чистой воды содержится 10-7 грамммолекул воды в ионизированном виде, т.е. 10-7 грамм-ионов водорода и 10-7 грамм-ионов
гидроксила.
Если [H+] = 10-7, то lg [H+] = -7, а – lg [H+] = 7
Выражение – lg [H+] означает pH – отрицательный десятичный логарифм концентрации
водородных ионов.
Если pH < 7 – реакция воды кислая;
Если pH > 7 - реакция воды щелочная;
pH < 4,5 – сильнокислая;
4,5 – 5,5 – кислая;
5,5 – 6,5 – слабокислая;
6,5 – 7,5 – близкая к нейтральной;
7,5 – 8,5 – слабощелочная;
8,5 – 9,5 – щелочная;
> 9,5 – сильнощелочная.
Жёсткость воды
Жёсткостью воды называется свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов
кальция (1/2 Ca2+) и магния (1/2 Mg2+). Единицей жёсткости воды является моль на
кубический метр (моль/м3). Числовое значение жёсткости, выраженное в моль /м3 равно
числовому значению жёсткости, выраженному в мг·экв /л. 1 мг/л жёсткости воды отвечает
содержанию ионов кальция (1/2 Ca2+) 20,04 мг/л и ионов магния (1/2 Mg2+) 12,153 мг/л.
Виды жёсткости воды
Различают жёсткость воды общую - общее количество содержащихся в воде ионов
кальция и магния; устранимую – жёсткость воды, обусловленная наличием в воде
карбонатных (CO32-) и гидрокарбонатных (HCO3-) ионов солей кальция и магния,
удаляемая при кипячении и определяемая экспериментально; неустранимую - разность
между общей жесткостью и устранимой жесткостью; карбонатную – сумма карбонатных
(CO32-) и гидрокарбонатных (HCO3- ) ионов в воде; некарбонатную - разность между
общей жёсткостью и карбонатной.
По величине общей жёсткости (по А.О. Алекину) различают следующие природные воды:
очень мягкие до 1,5 мг·экв /л
мягкие 1,5 – 3 мг·экв /л
умеренно-жёсткие 3 – 6 мг·экв /л
жёсткие 6 – 9 мг·экв /л
очень жёсткие > 9 мг·экв /л
Минерализация воды. Минерализация (М) воды - концентрация растворённых в воде
твёрдых неорганических веществ. Различают характер и степень минерализации.
Характер минерализации обусловлен химическим типом воды. По О.А. Алекину воды
делятся на три класса по преобладающему аниону - гидрокарбонатные, сульфатные,
хлоридные. Каждый класс подразделяется на три группы по преобладающему катиону Na+, Ca2+, Mg2+.
Степень минерализации. Степень минерализации выражают в мг/л или г/л (иногда г/кг) и
определяют:
1). По сухому остатку, который получают путём выпаривания природной воды. Если
количество воды выражено в мл, концентрацию солей в воде называют минерализацией М (г/л, мг/л). Если количество воды взято в г, то концентрацию солей в воде называют с о
л ё н о с т ь ю - S (г/кг, % 0).
2). По химическому составу природной воды. Определяют как арифметическую сумму
весовых количеств всех ионов в 1 л воды:
По степени минерализации (по В.И. Вернадскому, 1931-36 гг.; И.К. Зайцеву, 1958 г.)
природные воды подразделяются на:
пресные до 1 г/л;
солоноватые 1 - 10 г/л;
солёные 10 - 50 г/л;
рассолы > 50 г/л
Псевдодробь:
1. Из лаборатории получаем результаты химических анализов воды в мг/л.
2. Полученные исходные данные пересчитываем в мг·экв путём деления результатов
анализа в мг/л на э к в и в а л е н т н у ю массу соответствующего иона (табл. 1).
Например: концентрация Ca2+ 79 мг/л (результат химического анализа (табл. 2), чтобы
получить эквивалентную массу кальция, нужно его атомную массу 40,08 разделить на
валентность, т.е. 2, получим эквивалентную массу 20,04, затем 79:20,04 = 3,95 мг·экв/л.
Пересчитать в мг·экв форму можно другим способом. Для этого исходные данные в мг/л
умножить на соответствующие пересчётные коэффициенты. Величину пересчётного
коэффициента получим путём деления е д и н и ц ы на эквивалентную массу.
Пересчётный коэффициент для кальция: 1:20,04 = 0,0499. Для одновалентных ионов
эквивалентной массой будет атомная масса.
Таблица 1
3. Для вычисления процент – эквивалентов (% · экв.) принимаем сумму мг · экв. анионов
(ΣА), содержащихся в 1 л воды за 100 % и вычисляем процент содержания каждого
аниона в мг?экв по отношению к этой сумме. Аналогично вычисляем % экв. катионов.
Например: (табл. 2) сумма катионов равна 8,51
8,51 – 100 %
1,52 – х
х = 17,9 % · экв. (Na)
Суммы катионов и анионов, выраженные в мг·экв /л, должны быть равны между собой.
Часто точного совпадения цифр в виду погрешностей анализа не бывает. Допустимая
неточность анализа (х) определяется по формуле:
Σ А – сумма мг·экв /л анионов;
Σ К – сумма мг·экв /л катионов.
Образец выполнения задания:
В таблицу 2 записываем результаты химических анализов воды, выраженные в 3х формах:
1) мг/л; 2) мг·экв /л; 3) % экв.
Таблица 2
ж = 3,95 + 3,04 = 6,99
Вода, близкая к нейтральной, жёсткая, пресная, гидрокарбонатно-магниево-кальциевая. В
название химического состава воды входят ионы, содержание которых ≥ 25 % экв. и
называют воду, начиная с анионов от 25 % экв. в возрастающем порядке, затем катионы в
таком же порядке.
Пример: (по формуле)
Вода гидрокарбонатно-хлоридно-кальциево-натривая
Вывод: вода пригодна для питья.
Вода не пригодна для питья:
1. с pH > 8,5 и < 6,5;
2. с ж > 7 мг·экв /л;
3. с М >1;
4. если хлоридов > 350 мг/л;
5. если сульфатов > 500 мг/л;
6. если Σ Cl + SO4 ≥ 450 мг/л.
Если вода не пригодна для питья, то в выводе перечислить, по каким показателям.
Химические анализы природных вод, мг/л
(в каждом варианте 3 задачи)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 2. Анализ промышленного загрязнения
озера
Цель работы: познакомиться с понятием предельно допустимой концентрации в
окружающей среде.
Защита окружающей среды от загрязнения регламентируется ПДК вредных веществ. ПДК
(предельно допустимая концентрация) - это максимальная концентрация (количество
вредных веществ в единице объёма: мг/мл, мг/кг, мг/м 3), которая при воздействии на
протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни на окружающую среду в
целом вредного воздействия, включая отдалённые последствия.
Это можно выразить формулой:
(1)
где Сi - фактическая концентрация вредного вещества;
ПДКi - предельно допустимая концентрация этого вредного вещества.
При совместном действии нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным
(усиление эффекта при одновременном воздействии) действием, их безразмерная
суммарная концентрация не должна превышать 1:
С1/ПДК1 + C 2/ПДК2 +...+ Ci /ПДКi ≤ 1
(2)
Задача. На берегу озера площадью S км2 и средней глубиной h м расположено
промышленное предприятие, использующее воду озера для технических нужд и затем
сбрасывающее загрязнённую воду в озеро. Цикл работы предприятия непрерывный
(круглосуточный). Объём сброса сточной воды – L л/сек.
Рассчитать, каким будет загрязнение озера через 1 год. Сделать выводы о промышленном
загрязнении озера и дать рекомендации по сохранению озера.
ПДК вредных веществ (ВВ) в воде водных объектов:
Мышьяк – 0,05 мг/л
Ртуть – 0,005 мг/л
Свинец – 0,1 мг/л
Общее загрязнение определяется по формуле:
С = С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + С3/ПДК3 = Σ Сi/ПДКi
(3)
где Сi – концентрация ВВi в озере после годичного сброса сточных вод в озеро;
ПДКi - ПДК этого ВВi.
Решение задачи рекомендуется выполнять в следующем порядке:
определить объем озера и вычислить объём сточной воды, поступающей в
озеро за 1 год;
 определить количество каждого ВВ, поступившего в озеро со сточной водой
за год;
 вычислить концентрацию каждого ВВ в озере после годичного сброса
сточных вод по формуле:

Сi = количество ВВi в озере / объём воды в озере;

(4)
определить общее загрязнение озера предприятием по формуле (3);
 сделать выводы.
Таблица 1
Исходные данные к задаче
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. Расчетная оценка загрязнения
атмосферного воздуха от автотранспорта
Цель: познакомиться с влиянием автотранспорта на экологию города и здоровье
человека. Выполнить количественную оценку этого влияния.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Чистый воздух – одно из условий существования человечества. Однако на
современном этапе воздушная среда планеты сильно загрязнена. Особенно остро стоит
проблема загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Более чем в
200 городах России, где проживает 63 млн. человек (42 % населения страны),
среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в воздухе превышают ПДК.
Основным загрязнителем воздуха в мегаполисах (в Москве, в Санкт-Петербурге, в
Новосибирске) является автотранспорт. На его долю приходится 70–90 % выбросов (от
общего числа выбросов в атмосферу). ХХ век стал временем торжества автомобильного
транспорта. Он прочно занял первое место как по перевозкам грузов, так и по перевозкам
пассажиров. Численность мирового парка автомобилей превышает 600 млн. Если
существующие на настоящий момент темпы роста числа автомобилей в мире сохранятся,
то к 2025 г. на дорогах будет более 1 млрд. автомобилей. Растет число автомобилей и в г.
Новосибирске (с 1997 по 2000 гг. их число увеличилось более чем на 25 %). По
существующим прогнозам рост числа автомобилей в Новосибирске в ближайшее
десятилетие будет продолжаться.
С ростом городского автопарка будет происходить и увеличение объемов выброса
загрязняющих веществ в атмосферу. Ведь при работе двигателя внутреннего сгорания
автомобиль выбрасывает в окружающую среду более 200 веществ: угарный газ (СО),
углекислый газ (СО2), оксиды азота NOх (смесь оксидов NO и NO2), оксид серы (SO2),
несгоревшие углеводороды (СхНy), тяжелые металлы (свинец, кадмий и др.),
канцерогенные вещества (бенз(а)пирен, формальдегид) и т. д. Почти все эти вещества
опасны для здоровья людей.
Загрязнение атмосферного воздуха современным мировым автопарком весьма
ощутимо. Убедиться в этом помогут следующие цифры. При пробеге в среднем 15 тыс. км
за год один автомобиль сжигает 2 т топлива, 4,5 т кислорода (это в 50 раз больше, чем
необходимо одному человеку для дыхания за год) и выбрасывает в атмосферу 700 кг
угарного газа, 230 кг несгоревших углеводородов, 40 кг диоксида азота. Причем в
основном все эти вещества попадают в окружающую среду, когда двигатель работает в
режиме прогрева или когда автомобиль тормозит. Из всех перечисленных вредных
веществ особенно опасен угарный газ (СО). По физико-химическим свойствам это
бесцветный газ, не имеющий запаха, поэтому его трудно обнаружить нашими органами
чувств. В больших городах благодаря автомобилям образуются высокие локальные
концентрации СО (иногда кратковременные). Это так называемые «экологические
ловушки». В таких местах у водителя снижается реакция, что может послужить косвенной
причиной ДТП, а у пешеходов появляются признаки отравления (впоследствии
наблюдаются головная боль, снижение умственной деятельности). Попасть в
«экологическую ловушку» весьма просто, если долго находиться на остановках, у
перекрестков и светофоров, где интенсивное движение транспорта.
Степень загрязнения воздуха повышается с ростом числа машин. Поэтому на
загруженных автомагистралях экологическая обстановка достигает критического уровня.
Например, в Москве на Ленинском проспекте наблюдается превышение ПДК выхлопных
газов в 16 раз. В Новосибирске на отдельных «средненапряженных» городских
магистралях, как показали исследования, в воздухе присутствуют СО, NОх, формальдегид
в концентрациях, превышающих допустимые в 1,2–10 и более раз. Следует помнить, что
особенно велики концентрации вредных веществ в приземном (до 1м) слое воздуха, т. е.
на уровне выхлопных труб автомобилей. Поэтому не следует гулять с маленькими детьми
и собаками вблизи автомагистралей.
Рост числа автомобилей сопровождается всплеском ряда болезней у людей. В
первую очередь увеличивается число горожан, больных бронхиальной астмой,
хроническим бронхитом, плевритом. Наблюдения показывают, что в домах,
расположенных рядом с автодорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3–4 раза чаще, чем
в домах, удаленных от автомагистрали (до 50 м). В мегаполисах при большом скоплении
автомобилей и неблагоприятных метеорологических условиях загрязненные воздушные
массы могут застаиваться над городом, образуя смог (от англ. smoke – дым и fog – туман).
Смоги разных типов характерны для сотен городов мира. Наиболее распространены
два вида.
1. Влажный (лондонский) смог. Впервые возник и хорошо изучен в Англии, где
часты туманы. Наиболее сильный смог подобного рода был зарегистрирован в декабре
1952 г. в г. Лондоне (от смеси тумана с дымом погибло 4 тыс. человек).
2. Фотохимический, сухой (лос-анджелесcкий) смог. Возникает в условиях сухого
климата под действием солнечного света при отсутствии ветра.
Впервые такой смог зафиксирован в 1944 г. в г. Лос-Анджелесе, когда в результате
большого скопления автомобилей была парализована жизнь крупнейшего города США.
Жители г. Новосибирска также неоднократно становились свидетелями этого
явления. Безветренные дни особенно способствуют образованию смога. В целом
рассеивающие способности атмосферы в районе Новосибирска выше, чем на Кузбассе и
Восточной Сибири, но существенно ниже по сравнению с европейской территорией
России.
Существует несколько способов снижения негативного влияния автотранспорта на
природную среду. Значительно улучшают ситуацию нейтрализаторы, устанавливаемые на
выхлопные трубы машин. В отдельных регионах России запрещено использование
этилированного бензина. В городах растет число автомобилей, работающих на газе. При
его использовании количество вредных выбросов снижается в несколько раз.
Конструируются различные виды электроавтомобилей и двигателей, работающих на
водородном топливе. Строительство транспортных развязок – тоннелей и эстакад также
уменьшает уровень загрязнения магистралей выхлопными газами. Это позволит избежать
длительных остановок транспорта.
Задача
Оценить расчетным способом количество вредных веществ, поступающих в
атмосферу от автотранспорта, а также выяснить эффективность использования
каталитического нейтрализатора.
Решение
Исходные данные можно получить следующим образом.
1. Выберите участок автотрасс длиной 0,5–1 км, имеющий хороший обзор (можно
наблюдение проводить из окна).
2. Измерьте шагами длину участка (l, км), предварительно определив среднюю
длину своего шага.
3. Определите количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в течение 20
минут (количество единиц автотранспорта за 1 час рассчитывают, умножая на 3). При
невозможности выполнить эти измерения на автотрассе используйте исходные данные,
приведенные в табл. 5.5.
4. Рассчитайте общий путь (L, км), который прошли все автомобили каждого типа за 1 час
по формуле:
Li = Ni · l, (5.1)
где Ni – количество автомобилей каждого типа за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
l – длина участка, км.
Полученный результат занесите в таблицу (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Расчет общего пути автотранспорта
5. Рассчитайте для каждого типа автотранспорта количество топлива (Qi,
л), которое сжигается двигателями автомашин по формуле:
Qi = Li · Yi, (5.2)
где Li – общий путь за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
Yi – удельный расход топлива (л) на 1 км (значения взять из табл. 5.6).
Определите общее количество сожженого топлива (в литрах) каждого вида (ΣQбензин,
ΣQдиз.топл.).
Результаты занесите в таблицу (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Расчет количества топлива, сжигаемого автотранспортом
6. Рассчитайте количество вредных веществ (в литрах), поступивших в атмосферу в
результате сгорания каждого вида топлива и в сумме от бензина и дизельного топлива.
Для этого воспользуйтесь табл. 5.7 и умножьте полученные данные ΣQбензин или ΣQдиз.
топл. на эмпирический коэффициент.
Полученные результаты занесите в таблицу (табл. 5.3).
Таблица 5.3. Расчет количества вредных веществ, поступивших в атмосферу от
автотранспорта
7. Перейдите по всем выхлопным газам от количества (в литрах) к массе
(в граммах) по формуле:
m = V · M / 22,4, (5.3)
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу, г;
V – объем выделившегося вредного вещества в атмосферу, л;
М – молярная масса вредного вещества, г/моль (значения взять из табл. 5.8).
Рассчитайте количество чистого воздуха (м3), необходимое для разбавления
выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий
окружающей среды по формуле:
Vчист. возд. = m / ПДК, (5.4)
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу, перевести граммы в
милиграммы;
ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества, мг/м3 (значения
приведены в табл. 5.8).
Произведите расчет эффективности установки на выхлопные трубы автомобилей
каталитического нейтрализатора. Для этого умножьте показания, полученные без
использования нейтрализатора, на коэффициент эффективности (Кэ). Значения Кэ по всем
вредным веществам приведены в табл. 5.9. Результаты занесите в таблицу (табл. 5.4).
Таблица 5.4.Расчет эффективности установки каталитических нейтрализаторов
8. Сделайте вывод об экологической обстановке выбранного вами участка автомагистрали
(обязательно укажите название улицы, район, время суток).
Оцените масштабы загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом на исследованном
участке. Для этого сравните с другими результатами, полученными в вашей группе.
Таблица 5.5. Количество автомобилей, прошедших по участку трассы l км за 20 минут
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Какими способами можно снизить загрязнение атмосферного воздуха выхлопными
газами автомобилей?
2. Какие климатические условия ухудшают экологическую ситуацию в мегаполисах, если
она создается в результате загрязнения воздуха выхлопными газами?
3. Какие поллютанты (вещества-загрязнители), вылетающие из выхлопных труб
автомобилей, представляют наибольшую экологическую опасность?
4. Назовите пути миграции поллютантов из атмосферного воздуха в другие среды
окружающей среды (каким образом это происходит, при каких условиях)?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. Определение общей суммы платы
предприятия за выбросы вредных веществ в атмосферу
Цель: познакомиться со способами расчета платы за загрязнение атмосферы города.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Платежи за загрязнение окружающей природной среды (ОПС) осуществляются в
соответствии с Федеральным законом от 10.01.02 № 7-ФЗ «Об охране окружающей
среды» и Постановлением Правительства РФ от 28.08.92 № 632 «Об утверждении порядка
определения платы и ее определенных размеров за загрязнение ОПС, размещения
отходов, другие виды вредного воздействия». В 1997 г. создана общегосударственная
«Инструкция по взиманию платы за загрязнение ОПС». Данной инструкцией установлен
перечень видов воздействий, за которые с предприятий (юридических лиц) взимается
плата за выброс в атмосферу загрязняющих веществ, сброс загрязняющих веществ в
водные объекты, размещение отходов и другие виды вредного (физического) воздействия
(шум, вибрация, электромагнитные и ионизирующие излучения и т. д.). Плата
предприятия за физические виды воздействия взимается пока только в отдельных
(ограниченных) случаях. Так, в г. Нижнем Новгороде взималась плата за акустическое
(шумовое) и электромагнитное загрязнение ОПС.
Установлены два вида базовых нормативов платы:
- За выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов в границах
предельно допустимых нормативов (ПДВ (допустимая масса выброса вещества в
атмосферный воздух в единицу времени), ПДС (максимально допустимая масса вещества
в воде, возвращаемая в водный объект в единицу времени) и др.);
- За выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов сверх границы
предельно допустимых нормативов, но в пределах установленных лимитов (временно
согласованных нормативов – временно согласованный выброс (ВСВ), временно
согласованный сброс (ВСС) и др.).
Плата предприятия за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ определяется по
формуле:
Ппр. = (Пдоп. + Плим. + Псв. лим.) Кинфл. Кэкол. сит (6.1)
где Пдоп. – плата за загрязнение в границах предельно допустимых нормативов;
Плим. – плата за загрязнение сверх границы предельно допустимых нормативов, но
в пределах установленных лимитов;
Псв. лим. – плата за сверхлимитное загрязнение ПС;
Кинфл. – коэффициент инфляции (для Новосибирской области в 2004 г. Кинфл ≈
120);
Кэкол. сит. – коэффициент экологической ситуации, учитывающий общую ситуацию
в конкретном регионе (для Новосибирской области Кэкол. сит. = 1,2).
Все перечисленные в формуле (5.1) виды плат рассчитывают следующим образом:
где i = 1, 2, 3, …, n – загрязняющее вещество, выбрасываемое (сбрасываемое) в
пределах допустимого норматива;
Ci доп – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т i-го загрязняющего
вещества в пределах допустимого норматива, руб./т;
Мi доп – масса i-го загрязняющего вещества, выбрасываемого (сбрасываемого) в
пределах допустимого норматива, т.
где j = 1, 2, 3…, m – загрязняющее вещество с выбросом (сбросом) сверх норматива,
но в пределах установленного лимита;
Cj лим – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т j-го загрязняющего
вещества cверх норматива, но в пределах установленного лимита, руб./т;
Мj лим. – масса j-го загрязняющего вещества, выбрасываемого (сбрасываемого)
сверх норматива, но в пределах установленного лимита, т.
где l = 1, 2, 3, …, k – загрязняющее вещество с выбросом (сбросом) сверх
установленного лимита;
Cl лим. – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т l-го
загрязняющего вещества cверх установленного лимита, руб./т;
Мl св. лим. – масса l-го загрязняющего вещества, выбрасываемого (сбрасываемого)
сверх установленного лимита, т.
В общем случае массу любого фактически выбрасываемого (сбрасываемого)
загрязняющего вещества можно представить так:
Мфакт = Мдоп + Млим. + Мсв. лим.. (6.5)
При отсутствии у природопользователя разрешений установленного образца на
выброс, сброс, размещение отходов, выдаваемых специально уполномоченными на то
государственными органами РФ в области охраны ОПС, за всю массу загрязняющих
веществ взимается плата как за сверхлимитное загрязнение ОПС.
В соответствии с п. 4 ст. 16 Федерального закона от 10.01.02 № 7-ФЗ «Об охране
ОС» внесение платы за негативное воздействие на ОС не освобождает субъектов
хозяйственной деятельности от выполнения мероприятий по охране ОС и возмещения
вреда, нанесенного ОС.
Задача
Предприятие города выбрасывает в атмосферу целый ряд загрязняющих веществ
(окислы азота, серы, углерода, бенз(а)пирен, сажу). Рассчитать плату за общее количество
выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города в следующих случаях:
а) При оформленном разрешении на выбросы в природоохранительных органах;
б) При отсутствии соответствующего разрешения.
Сделать соответствующие выводы.
При решении данной задачи используйте данные табл. 6.1 и табл. 6.2, а также
формулы 6.1–6.5.
Таблица 6.1. Выбросы предприятия в атмосферу города, т /год
Таблица 6.2. Нормативы платы за выбросы вредных веществ
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Как развивались взгляды на окружающую среду (ОС) и природные ресурсы в
экономической теории?
2. Какие экономические механизмы охраны ОС существуют в России?
3. Зачем необходимо использовать экономические рычаги в охране ОС?
4. На какие действия стимулируют экономические рычаги в области охраны ОС
руководителей предприятий?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. Электромагнитное загрязнение окружающей
среды
Цель: познакомиться с влиянием электромагнитных излучений на организм
человека и способом расчета санитарно-защитной зоны.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Источники электромагнитных полей (ЭМП) – антенные устройства, линии
электропередач и др. Степень вредности зависит от времени действия, интенсивности и
длины волны источника. Влияние ЭМП с большой интенсивностью связано с тепловым
эффектом, приводит к усиленному кровотоку во внутренних органах, спасающему их от
перегрева. Особенно чувствительны органы с недостаточно развитой сетью
кровообращения: хрусталик глаза и др. ЭМП влияют на биофизические процессы в
клетках и тканях, поражают центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. В
начальной фазе повышается возбудимость, затем происходит снижение биоэлектрической
активности мозга, ухудшение проводимости сердечной мышцы. В дальнейшем
появляются головная боль, слабость, повышенная утомляемость, угнетенное состояние,
нарушение сна, раздражительность, истощение нервной системы, изменения состава
крови, ломкость ногтей, облысениея__2яЂХшяя. Эти изменения способны накапливаться,
но обратимы, если исключить воздействие ЭМП.
Допустимая энергетическая нагрузка в диапазоне СВЧ на организм человека W не
должна превышать 2 Вт · ч/м² (200 мкВт · ч/см²), при облучении от вращающихся и
сканирующих антенн – 20 Вт · ч/м2. Количественная оценка энергетической нагрузки
определяется интенсивностью излучения по плотности потока энергии ППЭ. На практике
она определяется через мощность излучения радиотехнического устройства P (среднюю
по времени для радиолокационных станций), а если антенна направленная, то и через
коэффициент ее усиления G, а также через расстояние r между антенной и точкой
наблюдения: ППЭ = PG / 4πr². (7.1)
Эта формула действительна для случая распространения радиоволн в свободном
пространстве, в частности, в воздухе. Реальная воздушная среда, в которой возможно
облучение людей радиоволнами, всегда отличается от свободного пространства тем, что
на некоторых конечных расстояниях от передающей антенны находятся: земля,
ограждающие конструкции производственных помещений, различное оборудование,
приборы и сами люди.
Все эти предметы, обладая свойствами, отличными от свойств воздуха,
определенным образом влияют на распространение радиоволн в нем, отражая, преломляя
и поглощая их. При диффузном отражении от негладкой поверхности земли (травяной
покров, неровность, шероховатость и т. д.) отражение непосредственно в направлении на
точку приема (точку наблюдения) невелико, и условия распространения радиоволн
приближаются к условиям в свободном пространстве. Тогда с большой точностью можно
пользоваться формулой (7.1). Подобные условия встречаются очень часто.
Допустимое время Т пребывания человека в зоне облучения ЭМП определяется по
формуле: T = кW / ППЭ. (7.2)
где к = 10 для вращающихся и сканирующих антенн.
Из этого соотношения можно определить значение допустимой энергетической
нагрузки при любом времени нахождения человека в ЭМП:
ППЭ = кW / T. (7.3)
Допустимое значение ППЭ для территории жилой застройки и мест массового
отдыха, т. е. при пребывании человека в ЭМП весь день составляет 0,10 Вт/м², а при
облучении от вращающихся и сканирующих антенн – 1,0 Вт/м2.
По приведенным выше формулам можно вычислить размер санитарно-защитной
зоны радиолокационной станции. Санитарно-защитная зона – это территория вокруг
предприятия, за пределами которой вредное влияние от предприятия (загрязнение
воздуха, почвы, электромагнитные, радиоактивные излучения и т. д.) не превышает
допустимое значение, т. е. за пределами санитарно-защитной зоны проживание и вообще
нахождение человека безопасно.
В данном случае допустимое значение ППЭ = 0,10 Вт/м² (или 1,0 Вт/м2 при
облучении от вращающейся или сканирующей антенны). Размер (радиус) санитарнозащитной зоны определяется расстоянием r между антенной и точкой, в которой ППЭ =
0,10 Вт/м² (или 1,0 Вт/м2), по формуле (7.1).
Задача
На поле с травяным покровом расположена радиолокационная станция, имеющая
следующие характеристики излучения: импульсная мощность излучения Ри, кВт,
длительность импульса τ, мкс, частота повторения импульсов F, Гц, коэффициент
усиления вращающейся антенны G. На расстоянии S, м, от этой станции находятся дачные
участки. Рассчитать, на каком расстоянии от радиолокационной станции можно
находиться людям постоянно, т. е. размер санитарно-защитной зоны. Определить, опасна
ли близость радиостанции, и дать рекомендации садоводам.
Пример решения
Средняя по времени мощность излучения вычисляется по формуле:
P = Pиτ F. (7.4)
Например, параметры станции: Ри = 500 кВт, τ = 2,5 мкс, F = 400 Гц, G = 20 000;
дачные участки находятся на расстоянии S = 0,5 км от антенны.
1. Вычисляем среднюю мощность излучения по формуле (7.4):
Р = 500 Вт.
2. Вычисляем размер санитарно-защитной зоны по формуле (7.1), т. е. определяем
радиус r, учитывая, что допустимое значение ППЭ = 1,0 Вт/м²: это расстояние равно 890
м.
3. Определяем значение ППЭ на дачных участках. Для этого по формуле (7.1)
вычисляем ППЭ для расстояния 0,5 км: ППЭ = 3,2 Вт/м², что в 3,2 раз превышает
допустимую величину.
4. Определяем, сколько времени можно находиться на этих садовых участках, по
формуле (7.2). Получается 6,2 часа в сутки.
Ответ: При наличии указанной радиолокационной станции дачные участки можно
располагать только на расстоянии 0,9 км от нее. На рассматриваемых дачных участках
уровень электромагнитного излучения превышает допустимый в 3,2 раз. Это может
повлиять на здоровье (описать влияние электромагнитных излучений на здоровье
человека). На этих дачах можно находиться только 6,2 часа в сутки. Рекомендации (по
Вашему усмотрению).
Таблица 7.1. Исходные данные к решению задачи
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Каковы источники ЭМП?
2. Как влияют ЭМП на организм человека?
3. Как определяется энергетическая нагрузка на организм человека?
4. Что такое «санитарно-защитная зона»?
5. Как определяется допустимое время нахождения в зоне влияния ЭМП?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 6. Экологическая оценка территории в
техногенных зонах
Цель: познакомиться с понятием предельно допустимой концентрации (ПДК)
вредных веществ в атмосферном воздухе; научиться выполнять расчет рассеивания в
атмосфере вредных веществ, составлять схемы загрязнений и делать выводы о степени
загрязненности промышленной и жилой зоны.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Понятие предельно допустимой концентрации вредных веществ в атмосферном
воздухе, санитарно-защитная зона предприятий
Защита воздушного бассейна от загрязнения регламентируется ПДК вредных
веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов, ПДК выбросов вредных веществ и
временно согласованными выбросами вредных веществ от источников загрязнений.
ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов
регламентированы списком Министерства здравоохранения.
ПДК – это максимальная концентрация (мг/м3) вредных веществ в атмосфере,
которая при воздействии на протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни
на окружающую среду в целом вредного действия, включая отдаленные последствия.
ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны являются также концентрации,
которые при ежедневной работе в пределах 8 часов в течение всего рабочего стажа не
могут вызывать у работающих заболеваний или отклонений в состоянии здоровья,
обнаруживаемых современными методами исследований, непосредственно в процессе
работы или в отдаленные сроки.
Максимальная разовая ПДКмакс – основная характеристика опасности вредного
вещества. Она устанавливается при кратковременном воздействии атмосферных
загрязнений.
Среднесуточная ПДКСС устанавливается для предупреждения общетоксического и
другого влияния вещества на организм человека при круглосуточном воздействии.
Наибольшая концентрация С каждого вредного вещества в приземном слое
атмосферы не должна превышать ПДКмакс при действии не более 20 минут, ПДКСС при
длительном воздействии.
При совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих
однонаправленным (усиление эффекта при одновременном воздействии) действием, их
безразмерная суммарная концентрация не должна превышать 1:
С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 + ・ ・ ・ + Сn / ПДКn ≤ 1, (8.1)
где С1, С2 – фактические концентрации вредных веществ в атмосфере, мг/м3;
ПДК1, ПДК2 – предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере,
мг/м3.
Эффектом однонаправленного действия обладают такие вредные вещества, как диоксиды
серы и азота, сильные минеральные кислоты – серная, соляная, азотная и др.
Приземные максимальные концентрации в местах крупных санаториев, зоны отдыха
городов не должны превышать 0,8 ПДК.
Для каждого проектируемого и действующего предприятия устанавливается предельно
допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ в атмосферу. Необходимо учитывать
концентрацию вредных веществ в атмосфере от других источников, чтобы соблюдалось
условие: Сi + Сф ≤ ПДК, (8.2)
где Сi – концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника выброса;
Сф – фоновая концентрация.
Особое внимание следует уделять выбору площадки для промышленного
предприятия и взаимному расположению производственных зданий и жилых массивов.
Промышленный объект должен быть расположен на возвышенном месте, хорошо
продуваемом ветрами. Площадка жилой застройки не должна быть выше предприятия,
иначе теряется преимущество высоких труб для рассеивания выбросов. Строительство
предприятия со значительными выбросами вредных веществ не рекомендуется на
площадках, где может
происходить длительный застой примеси при сочетании слабых ветров с
температурными инверсиями: в глубоких котловинах, в районах частого образования
туманов, ниже плотин ГЭС, в районах возникновения смога. Взаимное расположение
предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода
года. Промышленные объекты, являющиеся источниками выделения вредных веществ,
располагаются с подветренной стороны от жилых массивов и отделяются от жилой
застройки санитарно-защитными зонами. Это территория, за пределами которой
загрязнения атмосферы не должны превышать допустимое значение. На границе
санитарно-защитной зоны должно выполняться условие: ПДК = 1.
В соответствии с санитарной классификацией предприятий устанавливаются
размеры санитарно-защитной зоны от 50 м до 1 км.
Санитарно-защитная зона может быть увеличена при необходимости и надлежащем
технико-экономическом и гигиеническом обосновании, но не более, чем в 3 раза при
отсутствии способов очистки выбросов в зависимости от розы ветров.
Санитарно-защитная зона или какая-либо ее часть не могут быть резервной частью
территории предприятия и использоваться для расширения промышленной площадки.
Территория санитарно-защитной зоны должна быть благоустроена и озеленена по проекту
благоустройства. В ней допускается размещать предприятия с производствами меньшего
класса вредности при условии аналогичного характера вредности, а также здания
управления, магазины и др. Нельзя размещать жилые здания и детские учреждения.
Размеры санитарно-защитных зон Х, м, установленные в «Санитарных нормах
проектирования промышленных предприятий», должны подтверждаться
расчетом.
Полученный по расчету размер зоны должен уточняться в зависимости от розы ветров
района расположения предприятия по формуле:
Xi′ = Xi ・ Рi / Р0, (8.3)
где Xi – расчетное расстояние, от источника загрязнения до границы санитарно-защитной
зоны без учета поправки на розу ветров, м;
Xi′ – то же, с учетом поправки на розу ветров;
Pi – среднегодовая повторяемость направлений ветров рассматриваемого румба, %;
P0 – повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %, при 8румбовой розе P0 = 100/8 = 12,5 %.
Если размер санитарно-защитной зоны для предприятия больше установленного, то
необходимо пересмотреть проект предприятия и обеспечить снижение выбросов вредных
веществ или увеличить высоту выбросов, чтобы обеспечить требования норм по чистоте
воздушного бассейна в зоне жилой застройки.
Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ
Степень опасности загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха выбросами
вредных веществ определяется по наибольшей рассчитываемой величине приземной
концентрации вредных веществ См, мг/м3, которая может устанавливаться на некотором
расстоянии от места выброса Хм.
Величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества См в приземном
слое атмосферы не должна превышать величину максимальной разовой предельно
допустимой концентрации данного вредного вещества в атмосферном воздухе. Разовые
концентрации вредного вещества определяются по пробам, отобранным в течение 20
минут.
Величина максимальной приземной концентрации вредного вещества См для
выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем при
неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм, м, от источника
определяется по формуле:
где А – коэффициент, зависящий от распределения температуры воздуха в атмосфере и
определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в
атмосфере воздуха; для Сибири А = 200;
М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в
атмосферном воздухе: для газов F = 1, для золы F = 2 при степени улавливания более 90
%;
m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси
из устья источника выбросов;
H – высота выброса над землей, м;
Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой
окружающего атмосферного воздуха, измеряется в градусах; Т = Тг– Тв;
V – объем газовоздушной смеси, м3/с, определяемый по формуле:
где Д – диаметр устья источника выброса, м;
W0 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.
Величины M, V определяются расчетом в технологической части проекта или
применяются в соответствии с действующими для данного производства (процесса)
нормативами.
Величину Т, градусы, следует определять, принимая температуру окружающего
воздуха Тв за среднюю температуру наружного воздуха в 13 часов наиболее жаркого
месяца года, а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Тг – по
действующим для данного производства нормативам.
Коэффициент m определяется в зависимости от величины параметра f, м/с2
Значение безразмерного коэффициента n определяется следующим
образом:
n = 3 при υ = 0,3;
n = 3 - (u - 0,3)× (4,36×u 2 ) при 0,3 < υ ≤ 2; (8.8)
n = 1 при υ > 2;
где υ – скорость оседания вредных веществ,
Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ См при
неблагоприятных метеоусловиях достигается на оси факела выброса по направлению
среднего ветра за рассматриваемый период на расстоянии Хм, м, от источника выброса
(рис. 8.1). Величина Хм определяется по формуле:
Хм = d ・ H, (8.9)
где d – безразмерная величина. Она определяется по формулам:
Рис. 8.1. Рассеивание вредных веществ по оси факела
Величины приземных концентраций вредных веществ в атмосфере по оси
факела выброса на различных расстояниях от источника выброса определяются
по формуле:
Приземная концентрация вредных веществ в любой точке местности при наличии N
источников определяется как сумма концентраций вредных веществ в этой точке от
отдельных источников: См = С1 + С2 + ・・・ + СN. (8.18)
Если по какому-либо вредному веществу сумма максимальных приведенных
концентраций См от всех источников окажется меньшей или равной ПДК, то дальнейший
расчет рассеивания этого вещества в атмосфере производить необязательно.
Начальные, или фоновые концентрации вредных веществ, содержащихся в
атмосфере, мг/м3, должны учитываться при проектировании вновь строящихся
предприятий в районах, где атмосферный воздух уже загрязнен от других предприятий.
Данные для расчета рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе по
формулам (8.4–8.12) выписываются
BT/R10 1из «Экологического паспорта
промышленного предприятия», введенного с 1.07.90 стандартом ГОСТ 17.0.0.04-90.
Содержание задания
1. По данным экологического паспорта промышленного предприятия вычислить по
формулам (8.4–8.8) значения См и по формуле (8.1) определить суммарную концентрацию
при однонаправленном действии вредных веществ, приведенных в табл. 8.1. Пример
расчета приведен в табл. 8.2.
2. Определить расстояние Хм, на котором находится от источника максимальная
приземная концентрация См по формулам (8.9–8.12).
3. Определить величины приземных концентраций Сi вредного вещества в атмосфере по
оси факела выброса на различных расстояниях Xi от источника по формулам (8.13–8.17).
Шаг по оси Х взять равным 1–2 см в масштабе карты.
Значения Ci получены в долях ПДК согласно формуле (8.1). Вычислить расстояния Xi с
учетом поправки на розу ветров по формуле (8.3). Вычисления выполнить для всех 8
румбов розы ветров. Характеристика розы ветров приведена ниже. Вычисления
рекомендуется оформить таблицей (табл. 8.3).
Таблица 8.1. ПДК (мг/м3) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных
пунктов
Таблица 8.2. Пример расчета концентрации вредных веществ в атмосфере.
Объект: котельная в г. Новосибирске
Таблица 8.3. Вычисление величин приземных концентраций вредных веществ в атмосфере
и их расстояний от источника выброса
4. На лист бумаги или кальки нанести линии румбов, отложить соответствующие им
расстояния Xi в масштабе карты (по заданию преподавателя) и подписать значения Ci. По
полученным точкам построить изолинии загрязнений путем интерполяции через 0,5 ПДК.
5. Совместить полученную схему с источником загрязнений на карте.
Нарисовать изолинии на карте, подписав их значения. Сделать выводы о степени
загрязнения промышленной и жилой зоны.
Материалы для сдачи зачета:
- Пояснительная записка;
- Вычисления значений См, Хм и таблица вычисления значений Ci, Xi′;
- Схема изолиний загрязнения;
- Фрагмент экологической карты загрязнения от одиночного источника
выброса промышленного предприятия.
Характеристика розы ветров
Распределение вредных веществ в атмосфере определяется в зависимости от розы ветров
района расположения предприятия. Роза ветров – это векторная диаграмма,
характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям (рис. 8.2).
Повторяемость направлений ветров одного румба: P0 = Pi/8.
Расстояние Xi с учетом поправки на розу ветров определяется по формуле (8.3).
Вычисления Si, Ci, Xi выполнить в таблице (см. табл. 8.3) по указанным формулам.
Исходные данные к заданию представлены в табл. 8.4 и табл. 8.5.
Вредные вещества даны по коду и номеру, указанному в табл. 8.4.
Частота ветров (Pi дней): С – 31; СВ – 32,5; В – 26,1; ЮВ – 35,0; Ю – 47,2; ЮЗ – 53,4; З –
39,3; СЗ – 31,5.
Рис. 8.2. Роза ветров района расположения предприятия
Таблица 8.4. Вредные вещества, их код и величина выбросов (номер)
Таблица 8.5. Варианты исходных данных
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Что такое ПДК?
2. Как определяется загрязнение атмосферы при одновременном действии
нескольких вредных веществ?
3. Что называется санитарно-защитной зоной предприятия?
4. Каковы требования к санитарно-защитной зоне предприятия?
5. Как определяется размер санитарно-защитной зоны?
6. Как выполняется расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. Определение
фотосинтеза в экосистеме и его эффективность
интенсивности
Цель: научиться выполнять расчеты по определению интенсивности фотосинтеза и
распределению образующегося органического вещества по трофическим уровням в
рамках темы «Образование и перемещение вещества в биосфере, потоки энергии и
биогеохимические циклы».
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Фотосинтез – это процесс образования живыми растительными клетками
органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических – СО2 и воды – с
помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. Это процесс производства
пищи, от которого зависят все живые существа: растения, животные и человек. У всех
наземных растений и у большей части водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород.
Из неорганических веществ для синтеза органических соединений требуются вода
(Н2О) и диоксид углерода (СО2). У наземных растений все неорганические соединения, за
исключением СО2, поступают через корни. СО2 растения получают из атмосферного
воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 0,03 %. СО2 поступает в листья,
а О2 выделяется из них через небольшие отверстия в эпидермисе, называемые устьицами.
Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки – их называют
замыкающими. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается фотосинтез.
Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере пригоден
любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до среднего красного (длина
волны 700 нм). Значение фотосинтеза как одного из процессов превращения энергии не
могло быть оценено до тех пор, пока не возникло само представление о химической
энергии. В 1845 г. Немецкий ученый Р. Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе
световая энергия переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его
продуктах – органических веществах (крахмал, глюкоза) (рис. 9.1).
Рис.1 – Схема фотосинтеза
Роль фотосинтеза
Суммарный итог химических каждого из его продуктов сахара глюкозы уравнение
имеет следующий вид:
автотрофными организмами в процессе фотосинтеза и запасается в их
клетках в виде химической энергии. Этот первичный поток энергии
переносится на другие трофические уровни, и она аккумулируется в
различных компонентах экосистемы. Превращение энергии никогда не
достигает 100 %-ной эффективности. Некоторое количество энергии всегда
рассеивается в виде тепла во время переноса. Скорость, с которой
продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию в химических связях
синтезируемого органического вещества, определяет продуктивность
сообществ.
Органическую массу, создаваемую растениями за единицу времени,
называют первичной продукцией (NPP) сообщества. Продукцию выражают
количественно в сырой или сухой массе растений либо в калориях. Валовая
первичная продукция – количество вещества, создаваемого растениями за
единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой продукции
идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание).
Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую
первичную продукцию, которая представляет собой величину прироста
растений.
Зеленые растения, создающие в процессе фотосинтеза органическое
вещество, способны утилизировать лишь небольшой процент от
поступающей энергии. Исследователем Ф. Транжо в США изучался процесс
интенсивности фотосинтеза на примере роста и развития особей кукурузы.
По его измерениям составлена таблица продуктивности в расчете на 1
гектар с плотностью посадки 25 000 растений (табл. 9.1), где эффективность
фотосинтеза составила 1,55 % (Одум Ю. Экология. Т. 1. – М.: Мир, 1986. –
С.91).
Таблица 9.1. Продукция и интенсивность фотосинтеза в посадках кукурузы в
расчете на 1 га. Плотность посадки – 25 000 растений на 1 га
Таблица 9.3. Исходные данные для расчета эффективности фотосинтеза поля
пшеницы
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Что образуется в процессе фотосинтеза?
2. Какое количество солнечной радиации, достигающей поверхности
земли, может быть использовано для фотосинтеза?
3. Как определяется первичная продукция?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. Потоки энергии и трофические уровни
в экосистеме
Цель: научиться выполнять расчеты по определению экологической
эффективности использования солнечной энергии, запасенной в
органическом веществе автотрофами, трофическим уровнем в рамках темы
«Образование и перемещение вещества в биосфере, потоки энергии и
биогеохимические циклы».
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Поток солнечной энергии распространяется с уровня автотрофов,
создающих чистую первичную продукцию (NPP), на другие вышележащие
трофические уровни. Как и зеленые растения, усваивающие лишь часть
приходящей энергии, травоядные могут использовать только некоторую
долю энергии, запасенную в тканях растений. То же относится и к хищникам
различных порядков. Эффективность переноса энергии с уровня на уровень
никогда не достигает 100 %. Обычно она лежит в пределах 10–20 % в
зависимости от конкретного организма, стадии его жизненного цикла и типа
экосистемы. Эффективность ассимиляции и роста (отношения внутри
трофических уровней) имеет порядок 10–50 %. Организмы, потребляющие
очень питательную пищу, могут ассимилировать до 100 % съеденного.
Различные типы экологической эффективности
Отношения внутри трофических уровней:
1. Pt / At – эффективность роста тканей;
2. Pt / It – экономическая эффективность;
3. At / It – эффективность ассимиляции,
где Р – продукция биомассы; I – поступление энергии; R – дыхание; A –
ассимиляция; t – трофический уровень.
Отношения между трофическими уровнями:
Экологическая эффективность
Выделение энергии на первом трофическом уровне Р1 / Выделение энергии
на другом трофическом уровне Р2: Р1 / Р2.
Задание
Рассчитать
коэффициенты
экологической
эффективности,
экономической эффективности, эффективности роста ткани и эффективности
ассимиляции для диплопод (двупарноногие многоножки), питающихся
подстилкой (табл. 10.1, табл. 10.2).
Таблица 10.1. Потоки энергии через трофические уровни (на примере лосей и
волков)
Пример расчета
В листопадном лесу в подстилке обитает 80 экземпляров диплопод на 1
м2, масса одного экземпляра 100 мг. Годичное поступление опада в
подстилку 300 г/м2 обеззоленного органического вещества с концентрацией
углерода 48 %.
Активность диплопод продолжается 6 месяцев.
Энергетические показатели пищевой активности диплопод, ккал/г сутки
Потребление подстилки 256,7
Ассимиляция (А) 13,3
Продукция (Р) 1,1
Дыхание (R) 12,2
Экскрекция 243,4
Таблица 10.2. Исходные данные к заданию
Ход работы
1. Переводим общее содержание обеззоленного органического вещества
подстилки в углерод. Содержание углерода С в подстилке – 48 %, количество
подстилки – 300 г/м2.
Количество углерода – 144 г/м2.
2. Для расчета калорийности подстилки переводим содержание С в глюкозу,
используя коэффициент пересчета К равным 2,5. Запас подстилки,
выраженной в глюкозе равен 144 ・ 2,5 = 360 г/м2.
3. Количество энергии, необходимой для получения 1 г глюкозы – 3 760
ккал.
4. Для определения количества энергии в подстилке запас, выраженный в
глюкозе (360 г) умножим на 3 760 ккал получится 1 353,6 ккал (I1).
5. Общая масса диплопод на 1 м2 оставляет 80 экз. ・ 100 мг = 8 000 мг
(или 8 г).
6. Потребление подстилки диплоподами в калориях за 180 суток:
256,7 ・ 180 ・ 8 = 369,7 ккал.
7. Выделилось энергии с экскрементами за 180 суток:
243,4 ・ 180 ・ 8 = 350,5 ккал.
8. Ассимилировалось энергии за 180 суток: 13,3 ・ 180 ・ 8 = 19,1 ккал.
9. Энергия, которая затрачена на построение тела диплопод (продукция Р):
1,1 ・ 180 ・ 8 = 1,6 ккал.
10. Энергия, выделившаяся с дыханием 12,2 ・ 180 ・ 8 = 175,68 ккал;
экономическая эффективность Pt / It, где Р = 1,6; t = 2; Iс – потребленное
количество подстилки = 369,7 ккал; 1,6 ・ 2 / 369,7 ・ 2 ・100 = 0,4 %.
11. Эффективность роста тканей Pt / At, где Р = 1,6; t = 2; A = 19,1:1,6 ・ 2 /
19,1 ・ 2 ・ 100 = 8,3 %.
12. Эффективность ассимиляции At / It, где А = 19,1 ккал; I = 369,7; t = 2:
19,1 ・ 2 / 369,7 ・ 2 ・ 100 = 5,1 %.
13. Экологическая эффективность R + P / I1:
R = 17,6; P = 1,6; I1 = 1 353,6: 17,6 + 1,6 / 1 353,6 ・ 100 = 1,4 %.
Контрольные вопросы
1. Какие тропические уровни существуют в экосистеме?
2. Какую функцию выполняют многоножки в лесу?
3. Какой процент энергии переносится с одного трофического уровня на
другой?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА N 9. Экономическая
проведения водоохранных мероприятий
эффективность
Экономический ущерб Y (руб./год) от сброса примесей в водохозяйственный участок
некоторым источником определяется по формуле
(1)
где γ – множитель, численное значение которого равно 400 (руб./уcл, т);
σк– константа (безразмерная), зависящая от водохозяйственного участка; некоторые
значения приведены в приложении 1;
М - приведённая масса годового сброса примесей (усл. т/ год).
Величина М определяется по формуле
(2)
где i - номер сбрасываемой смеси,
N - число примесей;
А - показатель относительной опасности сброса i-го вещества в водоёмы (усл.т/т);
mi - фактическая масса годового сброса i-й примеси, т/год.
Численное значение величины Ai для каждого загрязняющего вещества определяется по
формуле, усл. т/т:
Ai= 1/ПДКi
(3)
где ПДКi - ПДК i-го вещества в воде водных объектов рыбохозяйственного, хозяйственнопитьевого или культурно-бытового назначения (приложение 2).
Изложенный метод укрупнённой оценки ущерба от сброса примесей в водоёмы не
применяется в случаях, когда сбросы носят залповый характер.
Пример расчёта экономической эффективности проведения водоохранных
мероприятий
Определить экономический эффект и общую экономическую эффективность защиты
водоёма от загрязнения сточными водами завода, расположенного в г. Новосибирске.
Капиталовложения строительство очистных сооружений (К) по предварительным
подсчётам составляют 130 тыс. рублей, текущие затраты (С) на их эксплуатацию - 50 тыс.
руб./год. Среднеустойчивый сброс сточных вод (w) 490 м3/сут.
Содержание загрязнителей (К), мг/л:
Содержание загрязнителей (К), мг/л:
Годовой сброс сточных вод (W) определяется по формуле:
W = w (количество дней в году)
(4)
В нашем случае
W = 490* 365 =179*103 м3/год.
Значение приведенной * массы годового сброса примесей определяется по формуле
M=Σ(AiKiW)
(5)
гдеKi - концентрация i-го вещества, т/м3.
Расчёт приведённой массы годового сброса загрязняющих веществ сводим в следующую
таблицу:
Определяем годовую оценку ущерба до (Y1) и после (Y2) проведения водоохранных
мероприятий на рассматриваемом участке по формуле (1).
Y1 = γ σк М1= 400*0,34*1250,53 = 170072,08 руб./год.
Y2 = γ σк М2 = 400*0,34*135,86 = 18476,96 руб./год.
Определяем экономическую эффективность проведения запланированных водоохранных
мероприятий с учётом данных по капитальным вложениям и текущим затратам.
Результаты расчёта сводим в таблицу:
Д* - доход; Д=0
Поскольку R>0, то оцениваемый комплекс водоохранных мероприятий экономически
целесообразен.
Объект считается экономически эффективным, если срок окупаемости не превышает 8
лет. При таком сроке окупаемости экономическая эффективность (Э н - нормативная
эффективность) равна 0,12 год-1.
В нашем случае экономическая эффективность капитальных вложений (Э = 0,78 год -1)
больше нормативной, следовательно мероприятия экономически эффективны.
Задание
Выполните самостоятельно расчёт экономической эффективности водоохранных
мероприятий завода.
Варианты исходных данных для определения экономической эффективности
водоохранных мероприятий приведены в таблице 1.
Таблица 1