Математическое моделирование загрязнения городского воздуха источниками антропогенной и биогенной эмиссии. Математическое моделирование процессов рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе

Рассмотрим биосферные процессы распространения загрязнений от одиночных промышленных источников, особенное внимание, уделяя изучению санитарно - гигиеничных ситуаций из-за особо опасных условий загрязнения .

В общем случае смена средних значений концентрации U описывается уравнением

где оси x и y размещены в горизонтальной плоскости; ось z - по вертикали; t - время; V,P,W - составляющие средней скорости перемещения примесей относительно направления осей x, y, z; - горизонтальные и вертикальные составляющие коэффициента обмена; - коэффициент, который определяет смену концентрации за счет превращения примесей.

Однако, загрязнение атмосферы в городе в случае безинверсийного состояния воздушного бассейна может быть незначительным и не требует особенных способов для защиты населения.

Другая ситуация возникает из-за неприятных метеорологических условий (температурных инверсий при слабом ветре и штилевой погоде). Учет неприятных метеорологических условий принадлежит к числу малоисследованных вопросов.

Во время возникновения инверсий температура воздуха в приземном слое растет, а не падает, как в случае стойкой термической стратификации атмосферы. Перемешивание происходит слабо, а нижняя часть инверсионного слоя играет роль экрана, от которого частично или полностью отражается факел загрязняющих веществ, и в приземном слое растет концентрация вредных примесей к значениям, опасным для здоровья и жизни людей.

Теоретические модели расчета загрязнения атмосферного воздуха не отображают всего множества факторов, которые влияют на загрязнение от промышленного источника в экстремальных ситуациях, а являются только приближенными моделями, которые требуют сложных дополнительных исследований (теоретических и экспериментальных) для определения коэффициентов моделей и параметров процесса в случае их использования на практике. Экстремальные условия вследствие загрязнения, которые возникают при приземных инверсиях в атмосфере и отсутствии турбулентного обмена, описываются частным случаем общего уравнением диффузии. Однако, именно такие условия являются самыми опасными для здоровья человека и должны быть объектом гигиенических прогнозов в случае планирования размещения зон промышленных предприятий.

Для осуществления этой цели возникает необходимость создания уравнений прогноза на принципах самоорганизации, которые имеют следующие преимущества:

Структуру уравнения прогноза и коэффициенты моделей алгоритма находят по данным натурных наблюдений концентрации загрязняющих веществ при соответствующих условиях, что обеспечивает значительное уточнение модели;

Используется теоретическая информация о классе операторов, а конечные формулы расчета в виде конечных операторов являются простыми и дают возможность обозначить санитарно - гигиенические зоны предприятий.

Соответственно данной методике сначала определяют теоретические модели в виде дифференциальных операторов и их полуимперические аналоги с использованием данных наблюдений, а потом проверяют их адекватность при расчете концентраций с данными, которые не принимают участие в идентификации.

Теоретической моделью распространения примесей от одиночного источника является уравнение диффузии в цилиндрических координатах:

В случае одиночного точечного источника с учетом в самом общем виде уравнение (3.2) имеет вид:

где M - масса выброса за единицу времени; r - расстояние от источника; z - расстояние по вертикали; - угол поворота относительно оси; - функции:

Как видно из уравнения (3.3), источник загрязнения расположен в точке r=0 на высоте H. В точке, отличной от r=0, уравнение имеет вид:

Проведем перерез по линии максимального загрязнения вдоль факела на высоте:

и уравнение диффузии (3.3) превращается в одномерное:

Заметим, что функции, в общем случае - также функции высоты расположения источника H, т.е.; ; .

Структура уравнения (3.7) является исходной для идентификации разностных аналогов - моделей загрязнения атмосферы от промышленных источников.

Натурные наблюдения за выбросами промышленных предприятий были использованы для построения уравнений распространение отдельных ингредиентов, и они положены в основу практической проверки моделей.

Синтез уравнения для прогнозирования максимального уровня загрязнения пылью:

Для аппроксимации функций, использовали выражения:

где - линейные функции.

Производные запишем в виде соответствующей разницы:

Тогда структуру разностного оператора необходимо отыскать в классе линейных операторов F:

где - концентрация загрязняющего вещества в i - точке; - расстояние за радиусом от начала координат до i - точки.

По данным исследований в разных городах Украины были аппроксимированы непрерывные кривые наблюдений загрязнений. За комбинаторным алгоритмом добыта модель:

где; ; - концентрация пыли (максимальное значение в i точке).

Таким образом, методика определения качества атмосферного воздуха на территории города заключается в расчете концентрации загрязняющего вещества до тех пор, пока концентрация не примет значения предельно - допустимые для данного вещества.

В условиях современной экологической обстановки моделирование загрязненности атмосферного воздуха является актуальной проблемой. Рассмотрено моделирование состояния качества атмосферного воздуха с использованием различных математических подходов, описывающих физико-химические процессы, которые моделируются в зависимости от вида загрязнения, параметров выбросов, метеорологических, топографических и других условий, влияющих на рассеивание загрязняющих веществ. Приведены ключевые требования, предъявляемые к моделям загрязнения атмосферного воздуха. Рассмотрены этапы построения и классификация моделей загрязнения атмосферного воздуха. Одним из типов моделей загрязнения атмосферного воздуха являются модели, имеющие в основе математическое описание физических процессов, происходящих в атмосфере. Подобными являются модели, построенные на базе решения уравнения турбулентной диффузии. Рассмотрены решения уравнения для описания явления переноса и диффузии загрязняющего вещества для моделей «клубка», факела», «ящика» и «конечно-разностной» модели. Описаны достоинства и недостатки этих моделей. Описана программная реализация модели «факела».

загрязненность атмосферного воздуха

моделирование

«клубок»

уравнения турбулентной диффузии

1. Егоров А.Ф., Савицкая Т.В. Управление безопасностью химических производств на основе новых информационных технологий. – М.: Химия, КолосС, 2006. – 416 с.

2. Баранова М.Е., Гаврилов А.С. Методы расчетного мониторинга загрязнения атмосферы мегаполисов // Естественные и технические науки. – М.: ООО «Издательство «Спутник+», 2008. – № 4. – С. 221–225.

3. Плотникова Л.В. Экологическое управление качеством городской среды на высокоурбанизированных территориях. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. – 239 с.

4. Цыплакова Е.Г., Потапов А.И. Оценка состояния и управление качеством атмосферного воздуха: учебное пособие. – СПб.: Нестор-История, 2012. – 580 с.

5. Тюриков Б.М., Шкрабак Р.В., Тюрикова Ю.Б. Моделирование процессов распространения загрязняющих вредных веществ в воздухе рабочих зон производственных площадок предприятий АПК / Б.М. Тюриков, Р.В. Шкрабак, Ю.Б. Тюрикова // Вестник Саратовского ГАУ. – 2009. – № 10. – С. 58–64.

6. Моделирование распространения загрязняющих веществ в атмосфере на основании модели «факела» / Кондраков О.В. [и др.] // Вестник Тамбовского университета. – 2011. – Т. 16, № 1. – С. 196–198.

В условиях современной экологической обстановки моделирование загрязненности атмосферного воздуха является актуальной проблемой.

Развитие возможностей вычислительной техники позволяет использовать математический аппарат моделирования для исследования таких сложных физико-химических процессов, как атмосферная диффузия, трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, процессы вымывания и осаждения примесей и пр., с учетом метеорологических и топографических условий .

Модель загрязненности атмосферного воздуха должна соответствовать следующим основным требованиям: необходимая разрешающая способность прогноза в пространстве и во времени; учитывать погодные условия и состояние тропосферы и поверхности земли в местах контакта, типов источников загрязнения; увеличение точности модели по мере увеличения количества информации или улучшения её качества .

Этапы построения модели загрязнения атмосферного воздуха представлены на рис. 1.

Результатом моделирования является распределение концентрации вредных веществ в пространстве и во времени.

Содержание постановки задачи моделирования может представлять собой получение либо оперативного прогноза, либо долгосрочного планирования. Оперативным считают прогноз для времени от 30 мин до одного дня . В других источниках рассмотрены иные сроки прогнозирования: экспресс или оперативное, предполагающее время 1-2 ч, краткосрочное для времени от 12 ч до 1-2 суток, долгосрочное - от 3 суток до 2-3 недель, перспективное - от 1 месяца до нескольких лет.

Наличие различных подходов к моделированию процессов, происходящих в атмосфере, обусловлено отсутствием обобщающей физико-математической модели, учитывающей все параметры явлений атмосферной диффузии. Выбор подхода к моделированию зависит от постановки задачи и определяет качество модели и точность прогноза.

Рис. 1. Этапы построения модели загрязнения атмосферного воздуха

При моделировании загрязнения атмосферного воздуха необходимо учитывать тип и время прогнозирования, определить класс источников загрязнения атмосферного воздуха - точечные, линейные, площадные и др., а также территориальное расположение источников загрязнения.

Классификация подходов к моделированию процессов, происходящих в атмосфере , приведена на рис. 2.

Одним из типов моделей загрязнения атмосферного воздуха являются модели, имеющие в основе математическое описание физических процессов, происходящих в атмосфере. Подобными являются модели, построенные на базе решения уравнения турбулентной диффузии (рис. 3).

В данных моделях физические явления переноса и диффузии загрязняющего вещества в атмосферном воздухе описываются уравнением

где С - концентрация загрязняющего вещества, - коэффициенты турбулентной диффузии, - вектор осредненного поля скоростей воздушной среды; QC - источник загрязнения .

Для математической постановки задачи решения уравнения (1) необходимо задание начальных и граничных условий, выбор которых обусловлен типом источника загрязнения и характеристиками поверхности.

Получить решение уравнения (1) возможно только при некоторых допущениях и ограничениях, либо используя численные методы.

Рис. 2. Классификация моделей загрязнения атмосферного воздуха

Рис. 3. Модели, основанные на решении уравнения турбулентной диффузии

Допустив в уравнении (1) отсутствие распространения частиц загрязняющих веществ с воздушными потоками, неоднородность атмосферы, а также предположив нахождение источника загрязнения вне области, получим уравнение

(2)

Фундаментальное решение этого уравнения представляет собой Гауссову кривую и используется в моделях «клубка» и «факела» .

В модели клубка предполагается, что источник загрязнения действует мгновенно. Перенос выброса загрязняющих веществ под влиянием ветра представляется в движущейся системе координат.

Модель «клубка» имеет следующий вид:

где x, y, z - координаты центра «клубка», определяющие траекторию его движения; u, v, w - средние значения скоростей ветра по направлениям x, y, z в момент времени t; σ x , σ y , σ z - стандартные отклонения размеров «клубка» в направлениях x, y, z соответственно; Q - количество загрязняющего вещества, выделенного источником в момент времени t.

Модель «клубка» имеет некоторые недостатки, такие как необходимость многочисленных измерений скоростей ветра по направлениям x, y, z, сложности выявления параметров клубка загрязняющих веществ (высота центра, отклонения размеров по направлениям), сложность программной реализации .

Рассмотрим модель «факела». В данной модели предполагается, что источник точечный и действует непрерывно.

Модель «факела» применяют в случае выброса загрязняющих веществ от различных по высоте точечных источников, температура и характер выбросов не учитываются .

Модель факела имеет следующий вид:

где C(x, y, z, H) - распределение концентрации по координатам x, y, z, Q - скорость выделения загрязняющего вещества; u - средняя скорость ветра; σ y (x), σ z (x) - стандартные отклонения размеров «факела» в горизонтальном и вертикальном направлениях при данном х, H = h + Dh - эффективная высота подъёма факела; h - высота трубы; Dh - подъём факела вследствие его плавучести .

При рассмотрении модели будем учитывать следующие допущения :

В пределах рассматриваемой области погодные условия однородны и не изменяются с течением времени;

Химические реакции с загрязняющим веществом не происходят;

Загрязняющее вещество не поглощается поверхностью;

На рассматриваемой области поверхность плоская.

Модель «факела» относительно проста и позволяет рассчитывать концентрации загрязняющих веществ по ограниченному количеству параметров, которые определяются экспериментально, что является ее главным достоинством. Как показывает опыт исследований, данная модель может применяться в 70 % метеорологических ситуаций .

Модель «ящика» используется для приближенной оценки уровня загрязняющего вещества от источников с большой поверхностью.

Данная модель имеет вид

где l - ширина «ящика», h - высота, С - средняя концентрация у задней (по направлению ветра) стенки «ящика»; u - средняя скорость ветра через «ящик».

При использовании численных методов решения уравнения диффузии получают «конечно-разностные» модели. Модели, полученные таким способом, не зависят от параметров источников, среды, граничных условий.

Основным недостатком этих моделей является сложность определения их устойчивости и точности, а также большая вероятность ошибок вычислений.

В данной работе рассматривается программная реализация модели «факела». Программа выполнена на языке С++ в среде разработки Borland C++ Builder 6.0.

Меню программы «Модель загрязненности атмосферного воздуха» состоит из трех пунктов: Файл, Расчет, Помощь. Содержимое пунктов меню приведено на рис. 4. Программа позволяет как загружать параметры расчета из файла, так и вводить их с клавиатуры. Также приведена подробная инструкция по работе с программой.

Главное окно программы представляет собой три области для заполнения параметров и одну для вывода рассчитанных результатов. Левая верхняя область содержит поля для ввода параметров атмосферы: скорость и направление ветра. Справа расположена область для ввода параметров источников загрязнения. При запуске программы в поле ввода «Номер источника» устанавливается значение «1». Далее следует заполнить поля для координат источника, скорости загрязнения, высоты трубы и высоты факела. При нажатии на кнопку «Сохранить» происходит сохранение параметров текущего источника, сброс значений в полях ввода и автоматическое изменение поля «Номер источника» на следующее значение номера.

Рис. 4. Содержимое пунктов меню

Рис. 5. Основное окно

В левой нижней области находятся поля для ввода координат точки замера. После заполнения всех данных для каждого источника следует нажать на кнопку «Рассчитать».

В нижней части главного окна расположено поле для вывода результатов. В этом поле накапливаются значения рассчитанных концентраций загрязняющих веществ для каждой точки замера. Результаты работы программы можно сохранить в текстовый файл. Данный файл содержит результаты для каждой точки замера: введенные параметры атмосферы, количество источников загрязнения и их параметры в соответствии с порядковым номером, а также координаты точки замера.

Входной файл для загрузки параметров должен содержать следующие данные в заданном порядке: скорость ветра, направление ветра, координаты точки замера по трем направлениям, количество источников и для каждого источника соответственно номер текущего источника, координаты источника по трем направлениям, скорость загрязнения, высота трубы, высота факела.

Главное окно программы с заполненными полями ввода и рассчитанными результатами для пяти точек замера приведено на рис. 5.

В данной работе рассмотрены различные модели распространения загрязняющих веществ, описывающие состояние атмосферного воздуха с использованием различных математических подходов, учитывающих виды загрязнения, параметры выбросов, метеорологические, топографические и другие условия, влияющие на рассеивание загрязняющих веществ. Приведены ключевые требования, предъявляемые к моделям загрязнения атмосферного воздуха. Рассмотрены этапы построения и классификация моделей загрязнения атмосферного воздуха.

Программно реализована модель «факела». Разработанная программа предоставляет возможность вычислять концентрацию загрязняющих веществ в точке замера. Результаты, полученные при моделировании, подтверждены экспериментально.

В дальнейшем предполагается создать автоматизированную систему, позволяющую выполнять как оперативное прогнозирование уровня загрязненности атмосферного воздуха, так и долгосрочное планирование.

Библиографическая ссылка

4.1. Математические модели загрязнения

атмосферного воздуха

В результате торфяных пожаров воздух перенасыщен продуктами горения торфа: в нем увеличивается не только содержание угарного и углекислого газов, но и несгоревших продуктов в виде мельчайших частиц полютантов. Понятно, что такую ситуацию очень плохо переносят люди, страдающие хроническими бронхолегочными заболеваниями: бронхиальной астмой, хроническим бронхитом, обструктивной болезнью легких. От увеличения в воздухе угарного и углекислого газов страдают и люди с проблемами сосудов головного мозга и сердца. В целом вред от смога, конечно, испытывают все.

Данные по выбросам в атмосферу вредных веществ при сжигании 1 тонны торфа натуральной влаги приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Продукты сгорания торфа Вещества Масса выброса (кг/т.натур. топл.) Твердые вещества (сажа, пыль неорганическая, SiO2) 32, Диоксид серы (SO2) 1, Оксид углерода (CO) 24, Диоксид азота(NO2) 1, Проблемы управления качеством окружающей среды неразрывно связаны с математическим моделированием процессов переноса и диффузии вредных примесей. Успех применения математических методов в решении отдельных задач во многом зависит от адекватности моделей, используемых для описания реальных процессов, протекающих в изучаемой среде. Разработке и использованию математических моделей загрязнения атмосферного воздуха посвящены работы .

Построение математической модели загрязнения окружающей среды упрощается при формализации процесса создания ее применительно к конкретному объекту. В общем случае в зависимости от задач, для решения которых применяются математические модели, их структуры, детализации изучаемого явления, и объема используемой эксперименталь­ной информации, математические модели загрязнения окружающей среды можно разделить на статистические и диффу­зионные. Каждый подход имеет свои достоинства и недостатки и во многом зависит от того, насколько адекватны ему условия изучаемого процесса загрязнения.

Еще в первых работах по атмосферной диффузии наметилось два подхода к теоретическим исследованиям распространения примеси в приземном слое воздуха. Один из них связывался с ра­ботой А. Робертса, основанной на решении уравнения турбулент­ной диффузии с постоянными коэффициентами. Другой подход, развитый О. Сеттоном, состоял в использовании для определения концентрации примеси от источника формул, полученных на статистической основе.

Согласно Сеттону , распределение примеси вблизи то­чечного источника в разных направлениях описывается гауссовским законом.

Первоначально Сеттон получил формулу для случая назем­ных источников, которая затем подтвердилась результатами на­блюдений в Нортоне (Англия) при равновесных условиях для сравнительно небольших расстояний (несколько сотен метров). Впоследствии эта формула была применена без достаточного обоснования и для случая высотного источника.

Статистические модели, или так называемые модели черного ящика, отличаются тем, что их структура и параметры определяют­ся на основе измерительной информации путем минимизации задан­ного критерия. Различают две основные группы таких моделей : для первой характерно отсутствие априорных знаний о структуре модели, исследователь вырабатывает ее в результате последовательной проверки нескольких возможных структур; для второй структура модели может быть частично или полностью определена из соотношений материального баланса либо на основе ранее известных описаний процессов и явлений. Достоинство моделей данного класса простота и сравнительно малая чувствительность к случайным флуктуациям изучаемых объектов.

Статистические модели загрязнения воздуха строятся на основе прошлых данных и иногда без знания действительных физических процессов . Используя эмпирический материал наблюдений, устанавливают корреляционные связи случаев высокой концентрации примеси с определенным сочетанием метеорологических условий. Однако статистические связи между загрязнением воздуха и метеорологическими параметрами не всегда оказываются достаточно тесными. Главным ограничением применения статистических моделей является то, что условия их использования могут отличатся от условий, в которых они были построены. Основные задачи, решаемые такими моделями, прогноз уровня загрязнения в местах, где отсутствуют станции наблюдения; прогноз частоты появления высоких значений концентраций и продолжительности высокого уровня загрязнения; определение установившегося значения концентраций в регионе при решении задач долгосрочного планирования.

Наибольшее распространение получили модели, осно­ванные на решении соответствующих дифференциальных уравнений диффузии примесей. Однако, поскольку объек­ты окружающей среды - весьма сложные системы с огромным коли­чеством взаимосвязанных параметров, оперативная оценка которых, как правило, затруднительна, точность детерминированных моделей ограничена. Они строятся на основе изучения физикохимических и биологических процессов в окружающей среде и отражают разви­тие этих процессов во времени. Достоинство их заключается в на­глядности причинноследственных связей в этих процессах.

Исполь­зование эффективно при решении частных, локальных в пространственном и временном масштабе задач. Вопрос о границах применения этих моделей до настоящего времени детально не изучен.

Существуют четыре основных типа моделей, основанных на решении уравнения диффузии численными методами.

Модель “клубка” содержит предположение о мгновенно действую щем источнике загрязнения. Процесс переноса образовавшегося облака из источника под действием ветра рассматривается в движущейся системе координат. К недостаткам модели относятся требование большого количества метеоданных (в частности замера скоростей ветра по трем координатам), сложность определения начальной высоты центра тяжести “клубка”, сложность программы расчетов.

Модель “факела” основана на предположении о непрерывно действующем источнике и предусматривает интегрирование фундаментального уравнения диффузии во времени. К модели предъявляются требования: однородность и стационарность метеороло гического поля в горизонтальном направлении; незначительные физические и химические преобразования загрязняющего вещества за время его пребывания в атмосфере; плоская подстилающая поверхность. Основные достоинства модели состоят в ее простоте и возможности расчета концентрационных полей по небольшому числу экспериментально определенных параметров. Однако точность прогноза по модели не высока. Модель “факела” наиболее эффективна для приподнятого источника (дымовой трубы высотой 100...200 м), а также для решения задач долгосрочного планирования на основе расчета концентрационных полей по частному распределению метеопараметров.

Модель “ящика” используется для грубой оценки концентрации загрязнителя с больших поверхностных источников . При построении модели предполагается, что скорость ветра одинакова по высоте, а диффузия струи в поперечном и вертикальном направлениях мала. Эти условия соблюдаются при ограничении источника загрязнения воздуха зданиями, строениями, топографическими особенностями местности, инверсией. Кроме модели единственного “ящика”, известны варианты построения многоящичных моделей для оценки концентраций от распределенных источников эмиссии. В этих случаях атмосфера разбивается на систему “ящиков”, внутри которых концентрация не зависит от координат y и z, а частицы вещества не перемещаются относительно среды. Затем вычисляются потоки примеси между “ящиками” и концентрация в каждом из них. Снизу “ящики” ограничены поверхностью земли, сверху высотой инверсии или произвольно выбранной верхней границей.

Модели “конечноразностного” типа основаны на аппроксимации воздушного бассейна для получения численного решения трехмерными ячейками. Возникающие в этих моделях проблемы связаны с вопросами устойчивости, точности, с затратами времени и объема памяти ЭВМ. Ошибки вычислений часто значительны изза системы допущений (постоянство скорости ветра по высоте, отсутствие горизонтального переноса через границу выделенного объема и др.). Использование численных методов затруднено неоднородностью самого поля концентраций, достигающего максимального уровня вблизи источников и быстро убывающего с увеличением расстояния до них.

Модели, полученные на основе теории диффузии, имеют теоретическую и практическую ценность при изучении процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере . Однако их практическое применение затруднено, вопервых, изза свойственных им ограничений; вовторых, изза неопределенностей, содержащихся в метеопараметрах, топографии местности и т.п.

Описание переноса примеси с помощью уравнения турбулент­ной диффузии относится обычно к фиксированной в простран­стве системе координат и связано, таким образом, с эйлеровыми характеристиками. При статистическом описании процессов ат­мосферной диффузии большей частью исходят из лагранжевой системы координат. Для установления связи между двумя ука­занными подходами важно изучить соотношение между лагранжевыми и эйлеровыми характеристиками турбулентной среды.

В работах, проводившихся в СССР, большей частью изби­рался путь решения уравнения турбулентной диффузии. Такой подход является более универ­сальным, позволяющим исследовать задачи с источниками раз­личного типа, разными характеристиками среды и граничными условиями. Эти обстоятельства весьма существенны для развития практического использования результатов теории, в том числе и нормирования выбросов.

4.2. Методы оценки загрязнения атмосферы и их связь с действующей нормативной базой Атмосферный воздух как аэродисперсная система содержит в переменных количествах различные примеси природного и антропоген ного происхождения. Загрязненным принято называть воздух, со держащий примеси, состав которых и концентрации могут причинять ущерб человеку и объектам окружающей среды фауне, флоре, строениям и т. д.

Загрязнители в воздухе могут находится в газообразном и взвешенном состоянии в виде жидких и твердых аэрозолей. Загрязняющие примеси в воздухе могут иметь естественное и антропогенное происхождение, образовываться в результате химических (фото­хими­чес­ких) реакций взаимодействия в атмосфере. Продукты химических превращений в атмосфере могут оказаться в экологическом отношении более опасными, чем исходные химические вещества.

Уровень загрязненности воздуха зависит от метеорологических условий: температуры и влажности, направления и скорости преобла дающих ветров, инверсии температуры и т.д. Соответственно физическим характеристикам воздуха изменяется физическая и химическая активность содержащихся в нем загрязняющих веществ.

Установление стандартов качества воздуха требует определения допустимых уровней. Нормирование допустимого содержания химических факторов основано на представлении о наличии порогов в их действии . Значения пороговых концентраций являются относительными и зависят от множества причин как физических (агрегатного состояния вещества, среды, режима, длительности поступления и т. п.), так и биологических (физиологического состояния организма, возраста, пути поступления и др.). В разных странах неодинаково подходят к вопросу о месте приложения нормативов загрязнения: в одних странах нормативы устанавливаются на выброс вредных веществ в атмосферный воздух, в других на качество сырья, в третьих на качество воздуха, т. е. условия пребывания людей в жилых районах и производственных помещениях .

При изучении любого явления вначале получают качественное описание проблемы. На этапе моделирования качественное представление переходит в количественное. На этом этапе определяют функциональные зависимости между переменными для каждого варианта решения и входных данных выходные данные системы. Построение моделей – процедура неформальная и очень сильно зависит от опыта исследователя, всегда опирается на определённый опытный материал. Модель должна правильно отражать явления, однако этого мало – она должна быть удобной для использования. Поэтому степень детализации модели, форма её представления зависят от исследования.

Изучение и формализация опытного материала – не единственный способ построения математической модели. Важную роль играет получение моделей, описывающих частные явления, из моделей более общих. Сегодня математическое моделирование применяют в различных областях знаний, выработано немало принципов и подходов, носящих достаточно общий характер.

Преимущества математических моделей состоят в том, что они точны и абстрактны, передают информацию логически однозначным образом. Модели точны, поскольку позволяют осуществлять предсказания, которые можно сравнить с реальными данными, поставив эксперимент или проведя необходимые наблюдения.

Модели абстрактны, так как символическая логика математики извлекает те и только те элементы, которые важны для дедуктивной логики рассуждения, исключая все посторонние значения.

Недостатки математических моделей заключаются часто в сложности математического аппарата. Возникают трудности перевода результатов с языка математики на язык реальной жизни. Пожалуй, самый большой недостаток математической модели связан с тем искажением, которое можно привнести в саму проблему, упорно отстаивая конкретную модель, даже если в действительности она не соответствует фактам, а также с теми трудностями, которые возникают иногда при необходимости отказаться от модели, оказавшейся неперспективной.

Математика создает условия для развития умения давать количественную оценку состояния природных объектов и явлений, "положительных и отрицательных последствий деятельности человека в природном и социальном окружении. Текстовые задачи позволяют раскрыть вопросы о среде обитания, заботы о ней, рациональном природопользовании, восстановлении и приумножении ее природных богатств. Каждый курс математики может вносить вклад в формирование экологического сознания.

Математики отличаются от нематематиков тем, что, обсуждая научные проблемы говорят друг с другом и пишут на особом «математическом языке»: Это не пижонство, это необходимость, поскольку на математическом языке многие утверждения выглядят яснее, прозрачнее, чем на обычном языке.

Приведем несколько знакомых утверждений.

1) «От перемены мест слагаемых сумма не меняется».

«Чтобы сложить две обыкновенные дроби с одинаковыми знаменателями, нужно сложить их числители, а знаменатель оставить без изменения».

Математик переводит высказанные утверждения на математический язык, в котором используются различные числа, буквы (переменные), знаки арифметических действий и другие символы.

Вот так выглядят на математическом языке высказанные два утверждения:

1) а + b = b + a;2)

При переводе с математического языка на обычный язык получится более длинное предложение.

Например, на математическом языке распределительный закон умножения пишется так: а(b + с) = аb + ас.

А на обычном языке:

«Чтобы умножить число а на сумму чисел b и с, нужно число а умножить поочередно на каждое слагаемое и полученные произведения сложить».

Что мы называем «математической моделью»?

Алгебра, в основном, занимается тем, что описывает различные реальные ситуации на математическом языке в виде математических моделей, а затем разбирается уже не с реальными ситуациями, а с этими моделями, используя различные правила, свойства, законы, выработанные в алгебре.

Приведем математические модели: нескольких реальных ситуаций:

Реальная ситуация Математическая модель

1. В классе девочек и мальчиков поровну a = b

2. Девочек на 2 больше, чем мальчиков а - b= 2 или а = b 2 или а-2=b

3 Если из класса уйдут 3 девочки, то мальчиков b=3(a-3)

станет в 3 раза больше

Возникает вопрос, зачем нужна математическая модель в реальной ситуации, что она нам дает, кроме краткой выразительной записи? Чтобы ответить на этот вопрос, решим следующую задачу.

3 а д а ч а. В классе девочек вдвое больше, чем мальчиков. Если из этого класса уйдут три девочки и придут три мальчика, то девочек будет на 4 больше, чем мальчиков. Сколько учеников в данном классе?

Решение. Пусть х - число мальчиков в классе, тогда 2х - число девочек. Если три девочки уйдут, то останется (2х-3) девочек. Если придут три мальчика, то станет (х+3) мальчиков. По условию, девочек будет тогда на 4 больше, чем мальчиков. На математическом языке это записывается так: (2х-3)-(x+3) = 4. Это уравнение - математическая модель задачи. Используя известные нам правила решения уравнений, последовательно получим:

2х-3-х-3=4 (раскрытие скобки), х-6=4 (привели подобные слагаемые), х=6+4, х =10.

Теперь мы можем ответить на вопрос задачи. В классе 10 мальчиков, значит 20 девочек (вы помните, их по условию было в два раза больше), значит всего в классе 30 учеников. Если вы заметили, то в ходе решения задачи было четкое разделение рассуждения на три этапа.

На первом этапе была составлена математическая модель (в виде уравнения (2х-3)-(х+3) =4.

На втором этапе, применив свои знания, мы решили эту модель, точнее довели до самого простого вида (х = 10).

На этом этапе мы не думали ни про девочек, ни про мальчиков, а выполнили «чисто» математические действия.

На третьем этапе мы использовали полученное решение, чтобы ответить на вопрос задачи.

Экологизация математики будет способствовать получению учащимися знаний об окружающем мире и его экологических проблемах.

1. Лес - санитар атмосферы. Один гектар еловых насаждений может задерживать в год до 32 т пыли, сосновых - до 35 т, вяза - до 43 т, дуба - до 54 т, бука - до 68 т. Сколько тонн пыли задержат 10 га ельника за 3 года? 3 га дуба за 6 месяцев?

2. С самой маленькой струйкой из неисправного крана в сутки вытекает 150 л воды.

А) Сколько литров воды может быть потеряно 20 семьями за 10 дней, если в квартире каждой семьи неисправен хотя бы один кран? б) Одна перловица длиной 5-6 см при температуре 20° С очищает до 16 л воды в сутки. Сколько ей придется работать, чтобы восстановить упущенную воду?

3. Ученые и специалисты объявили Калмыкию районом экологического бедствия. Площади подвижных песков Калмыкии составляют 560 тыс. га и ежегодно увеличиваются еще на 40 тыс. га. Зная, что площадь Калмыкии 76 тыс. км3, подсчитайте, через сколько лет в Европе по вине человека возникнет самая настоящая пустыня?

4. Какова площадь всех лесов мира, если леса нашей страны занимают площадь 791,6 млн. га," что составляет пятую часть всех лесов мира?

Наблюдения и подсчеты показали, что слой почвы толщиной 18 см смывается, находясь без использования, за 15 лет, под посевами в 3,5 раза медленнее, чем «под паром», а под лесом - в 150 раз медленнее, чем под посевами. Определите, во сколько раз медленнее смывается слой почвы, находящийся под лесом, чем «под паром»?

Липа мелколистная живет в лесу до 400 лет, а в городских условиях в 2,5 раза меньше. Сколько лет может прожить липа в городе? Как вы думаете, почему снижается продолжительность жизни деревьев в городе?

Естественный радиоактивный фон воздействует на каждого человека. В результате внутреннего и внешнего облучения человек в течение года в среднем получает дозу в 0,1 бэр. Какое количество облучения за всю жизнь получает человек. Без большого риска за всю жизнь человек может набрать 35 бэр.)

В настоящее время леса на планете занимают около 40 млн км2. Ежегодно эта величина уменьшается на 2%. Когда планета останется без своих «легких», если этот процесс не остановить?

9. В Африке раньше леса занимали 60% территории, в настоящее время - только 17%. На сколько млн км2 сократилась площадь лесов Африки, если ее территория 30,3 млн км2?

В Сибири ежегодно вырубают 600 тыс. га леса, столько же гибнет от пожаров. Искусственно восстанавливают 200 тыс. га в год. (Чтобы компенсировать вырубку, необходимо ежегодно сажать 1,5 млн га леса.) Какой процент лесов восстанавливают от того, что необходимо?

В мире ежегодно добывается 1600 млн м3 древесины, около 20% всей древесины идет на топливо.

Сколько кубических метров древесины ежегодно сжигается?

На Маскаренских островах из 28 местных видов птиц вымерло 24. Определите этот, самый высокий в мире, процент исчезнувших видов птиц?

В суровую зиму в лесу может погибнуть до 90% птиц. Если в лесу обитало 3400 птиц, то каково количество оставшихся? В чем состоит основная причина их гибели?

Расселение сибирской сосны (кедра) там, где были вырубки или пожары, происходит во многом благодаря птице кедровке, которая прячет орешки в лесную подстилку, создавая себе запасы. Обычно кедровка находит только 20% своих запасов, а остальные прорастают. Во скольких местах останутся орешки для прорастания, если кедровка устроит себе за пасы в 25 местах?

В результате эрозии почв снижается их плодородность, понижается уровень грунтовых вод, мелеют реки и т. п. За последние 100 лет подверглись эрозии 27% всех обрабатываемых земель. Сколько гектаров это составило, если обрабатываемые земли занимают около 4 млрд. га?

Выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в 1992 г. на территории г. Новгорода составили 72 тыс. т, в том числе: оксида углерода - 58 тыс. т, углеводорода - 10 тыс. т, оксидов азота - 4 тыс. т.

Определите процентное содержание каждого из этих веществ в общем количестве выбросов.

В 1928 г. профессором Б. П. Токиным было выявлено ценное свойство многих лесных видов растений: выделять летучие вещества (фитонциды), которые способны убивать ряд болезнетворных микро организмов. Если в воздухе промышленных городов в 1 м3 содержится 50 000 бактерий, то в лесу, благодаря действию фитонцидов, всего лишь 200 бактерий. На сколько процентов уменьшается количество бактерий в воздухе лесной "зоны?

Из всего забора свежей воды по Ср. Азии (117 037 млн м3) на долю промышленности приходится 49%, на сельское хозяйство - 34%, на жилищно-коммунальное хозяйство - 13%, на транспорт - 4%.

В промышленности большая часть воды расходуется в энергетике (около 60%). Сколько литров воды приходится на долю энергетики?

Количество недоедающих в 1992 г. составляло более 500 млн. человек, а к концу века возросло до 532 млн. человек (по оценкам специалистов ООН). На сколько процентов увеличилась численность лю дей, живущих ниже черты бедности?

Из каждых 100 семей в развивающихся странах 72 живут в лачугах и трущобах, а в Африке – до 92. Характерные особенности этих поселений отражены в их названиях: в Латинской Америке - (грибы), во франкоязычной Африке - (консервные города). Каков процент семей, живущих без элементарных санитарно-гигиенических удобств? Какие проблемы охраны окружающей среды и здоровья людей возникают в связи с этим?

21. От промышленных загрязнений страдают реки и леса. Например, Швеция имеет более 100 тыс. озер на своей территории, из них 18 тыс. - «мертвые», лишенные жизни водоемы. Какой процент от всех озер

Швеции составляют «мертвые озера»?

22. Около 10 тыс, лет назад Земля была покрыта бескрайними лесами, площадь которых составляла более 6 млрд га. Расчистка лесов под пашню и пастбища, промышленные лесозаготовки уменьшили площадь лесов на одну треть. На сколько процентов произошло уменьшение площади лесов?

23. Расширение потребностей общества, начиная с XVI в. , ускорило уничтожение лесов в Западной Европе. Так, площадь лесов Франции, занимавших когда-то 80% территории страны, уже к 1789 г. сократилась до 14%. (Минимальный показатель за всю историю.) Какую площадь стали занимать леса Франции к концу XVIII в. ?

24. В России -из всего забора свежей воды (117 037 млн м3) самое большое количество приходится на долю промышленности, сельского хозяйства и жилищно-коммунального хозяйства. Решив пропорции, вы узнаете, сколько это составляет в процентном отношении.

Промышленность:х: 28 = 7: 4

Сельское хозяйство:2: х = 6: 102

Коммунальное хозяйство: 9,1: 4,2 = х: 6

25. Подсчитано, что для нормальной жизни в промышленном городе на каждого жителя необходимо иметь 25 м2 зеленых насаждений. Какова должна быть площадь зеленых насаждений в г. Новгороде, если в нем проживает около 248 тыс. человек? (Содержание пыли в воздухе на озелененной улице в три раза меньше, чем на улице без деревьев.) Как вы считаете, до статочно ли зеленых насаждений в нашем городе?

26. Наибольшая опасность - загрязнение биосферы в результате деятельности человека. Так как радиоактивные излучения могут вызвать серьезные изменения в организме человека, каждый должен знать допустимые его дозы. В каких местностях ежегодная доза облучения может быть выше нормы?

450 бэр тяжелая степень лучевой болезни (гибель 50% облученных)

100 бэр нижний уровень развития. легкой степени лучевой болезни

75 бэр кратковременные незначительные изменения состава крови

30 бэр облучение при рентгеноскопии желудка

25 бэр допустимое аварийное (разовое)

облучение персонала

10 бэр допустимое аварийное (разовое)

облучение населения

5 бэр Допустимое облучение персонала в научном центре за год

3 бэр облучение при рентгеноскопии зубов

500 мбэр допустимое облучение населения за год

100 мбэр фоновое облучение за

1 мкбэр просмотр одного хоккейного матча по телевизору

27. Часовая доза радиации, смертельная для 50% организмов, составляет 400 бэр - для человека, 1000- 2000 бэр - для рыб и птиц, 1000-150 тыс. бэр – для растений, 100 тыс. бэр - для насекомых. Постройте столбчатую диаграмму.

28. Количество «городов-миллионеров»:в середине XIX в. - 4; в 1920 г. - 25; в 1960г. -140;в настоящее время около 200. Постройте столбчатую диаграмму роста числа городов-миллионеров.

29. Проблема экологии городов - это, в первую очередь, проблема уменьшения выбросов в окружающую среду различных загрязнителей. Для разложения в природной среде бумаги требуется до 10 лет, консервной банки - до 90 лет, фильтра от сигареты - до 100 лет, полиэтиленового пакета - до 200 лет, пластмассы - до 500 лет, стекла - до 1000 лет. Вспомните об этом, прежде чем бросить в лесу полиэтиленовый пакет или бутылку. Постройте соответствующую столбчатую диаграмму.

30. 20 кг макулатуры сохраняют 1 крупное дерево, 1 т - 0,5 га леса среднего возраста. Процент переработки макулатуры: - Япония - 50%;

Швеция-40%; Латинская Америка - 32%; США-29%;Россия - 19%;

Африка-17%.

Постройте столбчатую диаграмму для сравнения переработки макулатуры разными странами.

31. Экологическая угроза исчезновения для позвоночных животных: разрушение местообитания - для 67% видов; переэксплуатация - для 37% видов; интродукция новых видов, которые заняли ниши прежних - для"19% видов; другие факторы риска - для 10% видов.

Постройте столбчатую диаграмму для сравнения причин исчезновения различных видов животных. -,

32. Структура мирового энергопотребления: уголь-28%, нефть - 33%, газ - 18%, гидроэнергия - 6%, ядерная энергия - 4%, нетрадиционные источники -0,4%. Постройте столбчатую диаграмму мирового потребления энергии, Расскажите о нетрадиционных источниках добычи энергии.

значениями

33. Постройте график динамики роста населения Земли, используя следующие данные: в XIX в. отмечен 1 млрд жителей, 2 млрд - в конце 20-х годов нашего века (примерно через 110 лет), 3 млрд - в конце 50-х годов (через 32 года), 4 млрд - в 1974 г. (через

14 лет), 5 млрд - в 1987 г. (через 13 лет), в 1992 г, население составило более 5,4 млрд человек. По оценкам специалистов ООН к началу XXI в. оно достигнет 6 млрд. человек. Какие факторы влияют на рождаемость, состояние здоровья, смертность и среднюю продолжительность жизни людей?

34. Известно, что учет населения проводился в Египте и в Китае еще до нашей эры. Решив квадратное уравнение 4а2 - 24а + 36 = 0, вы определите, в каком это было тысячелетии до н. э.

35. На основе статистических данных можно вы делить регионы с максимальным сбросом загрязненных вод: это Краснодарский край и Москва. Сколько процентов общего количества загрязненных вод дают эти регионы, вы узнаете, решив уравнение х2 – 19х + 88 = 0.

36. Кислотные осадки разрушают сооружения из мрамора и других материалов. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, за последние годы разрушаются прямо на глазах. «Миро вой рекорд» принадлежит одному шотландскому городку, где 10 апреля 1974 г. выпал дождь скорее напоминающий столовый уксус, чем воду. Устно решите уравнения и прочитайте название этого «знаменитого» городка.

[Питлохри. ]

х2 = 0,49 Корней нет И

х2+ 16 = 0 28 X

2х2 - 4 = 0 16 0

2-8 = 0 -2; -8 Р

(х + 5)2 = 9 ±0,7 п

4х2 – 4 = 0 36 л

44. В одном колосе ржи до 66 зерен. Всхожесть сохраняется до 32 лет. Подсчитайте урожай 10 колосков ржи за 5 лет.

45. Осетр живет 50 лет. Каждый год он мечет 300 тыс, икринок, выметывая за свою жизнь более 15 млн. Подсчитайте потенциально возможное потомство 3 самок за 10 лет.

46. На ферме коров кормили несколько дней двумя видами корма. В 1 центнере первого вида корма содержится 15 кг белка и 80 кг углеводов. В 1 центнере второго вида содержится 5 кг белка и 30 кг углеводов. Сколько центнеров составляет каждый вид корма, если весь корм составляет 10,5 ц белка и 58 ц. углеводов?

БелокУглеводы

115 кг 80 кг

2 5 кг 30 кг итого: 10,5 ц. 58 ц.

Пусть х центнеров корма 1 вида, у ц. – второго вида корма. Учитывая условие, составим систему уравнений:

0,15х + 0,05 у = 10,5

0,8х + 0,3 у = 58

Решив ее получим: х = 50, у = 60

Три барана и корова за день съедают 11 кг комбикорма, а 1 баран и 3 коровы – 17 кг. Сколько кг комбикорма съедает 1 баран и 1 корова за день по отдельности?

Ежедневный рацион: К-во животных Съеденный корм

БараныХ 11 кг33х

КоровыУ1у

БараныХ 17 кг1х

КоровыУ33у

Составим систему уравнений: 3х + у = 11 х + 3у = 17

Решив ее получим: х = 2, у = 5

Ответ: 2 кг – съедает баран, 5 кг – корова.

Двое рабочих изготовили 131 деталь. Из них 65 деталей изготовил 1 рабочий, причем на это ему потребовалось затратить на 1 день меньше, чем второму. В день первый рабочий изготавливает на две детали больше, чем второй. Сколько деталей изготавливали рабочие за день совместной работы?

Продуктивность рабВремя вып. Вып работа

1(х + 2)65/(х+2) 65

2 х66/х66 т. к. время первого рабочего на один день меньше, чем у второго, составим уравнение 66/х -65/(х+2) = 1, решив уравнение получим: х = 11

Ответ: вместе изготовили 24 детали.

Состояние растительности и животного мира.

Важнейшим компонентом городской территории являются зеленые массивы (городские леса, парки, сады и луга) и населяющие их насекомые, птицы и животные. Растительность, как средовосстанавливающая система, обеспечивает комфортность условий проживания людей в городе, регулирует (в определенных пределах) газовый состав воздуха и степень его загрязненности, климатические характеристики городских территорий, снижает влияние шумового фактора и является источником эстетического восприятия. К примеру, один гектар леса производит за год 10 тыс. кг. древесины и листьев, при притоке солнечной энергии за год 3,8·1010 кДж/га. В каждом грамме производимых веществ заключено в среднем 19 кДж. Сколько процентов падающей энергии использует лес?

Исходные данные: В экосистемах растительная масса во много раз превышает животную. В целом биомасса составляет лишь 0,01% массы всей биосферы. В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,856·1012 т, при этом масса зеленных растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%. Зеленые растения земного шара образуют в год около 100 млд. тонн органических веществ содержащих около 1,8·1018 кДж (45·1017 ккал) энергии. При этом они поглощают около 1,7·108 т углекислого газа, выделяют около 11,5·107 т кислорода и испаряют 1,6·1013 т воды.

Саморегуляция в экосистеме на примере истории с кроликами в Австралии: Когда человек из Европы стал переселятся на другие континенты, он повез с собой домашних животных, в том числе кроликов. В 1859 году на одной из ферм Австралии выпустили 12 пар привезенных кроликов. В экосистеме Австралии было слишком мало хищников, чьей пищей могли бы быть кролики. Через 40 лет численность кроликов достигла нескольких сот миллионов особей. Они расселились почти по всему континенту, разоряя луга и пастбища и нанесли урон экономике страны.

Таким образом, численность особей в природных экосистемах саморегулируется нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешательство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных видов и к нарушению природных экологических сообществ.

О сильном загрязнении воздушного бассейна города окислами азота, которые наряду с двуокисью серы являются наиболее опасными для растений, свидетельствует ставшее почти повсеместным “позеленение” стволов и нижних ветвей деревьев, вызванное чрезмерным разрастанием на их коре мелких сухопутных водорослей, получающих обильное азотное питание через воздух. По мере накопления загрязняющих веществ в почвах и тканях растений, лесные насаждения теряют свою биологическую устойчивость и при сохранении существующего в городах уровня промышленных и автотранспортных выбросов могут уже в короткие сроки деградировать как лесные экосистемы.

В структуру зеленых насаждений общего пользования входят парки (городские, специализированные), районные и детские парки, скверы и бульвары. Озеленение улиц занимает особое место в улучшении экологического состояния города, активно влияя на архитектурный облик и обеспечивая в летнее время необходимый теневой режим пешехода. Зеленые насаждения должны выполнять еще одну функцию - защиту территорий жилой застройки от транспортного шума, но не выполняют, так как для этого должна осуществляться многорядная посадка деревьев с занятием подкроновых пространств кустарником.

Моделирование водных экосистем.

Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, урбанизация привели к загрязнению природных вод. Проблема загрязнения вод приобрела глобальный хара глобальный харющие вещества, в зависимости от типа источника загрязнения, разными путями попадают в водную среду. Они могут поступать из атмосферы; могут быть смыты склоновым стоком с сельскохозяйственных полей и угодий в подземные и речные воды; загрязнение также может быть бактериальным в результате развития и отмирания водной растительности. Поступление загрязняющих веществ в водоём может происходить непрерывно (по времени) или в результате массового сброса, в виде точечных или распределённых в пространстве источников.

Загрязнение воды.

Биологическая потребность человека и животных в воде за год в 10 раз превышает их собственную массу. Еще более внушительны бытовые, промышленные и сельскохозяйственные нужды человека. Так, «для производства тонны мыла требуется 2 тонны воды, сахара - 9, изделий из хлопка - 200, стали 250, азотных удобрений или синтетического волокна - 600, зерна - около 1000, бумаги - 1000, синтетического каучука - 2500 тонн воды».

Использованная человеком вода в конечном счете возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом происходит загрязнение пресноводных водоемов - рек, озер, суши и прибрежных участков морей.

Загрязнение атмосферы

Существует два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный.

Естественный источник - это вулканы, пыльные бури, выветривание, лесные пожары, процессы разложения растений и животных.

Антропогенные, в основном делят на три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем, загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места.

Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнения - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

По данным ученых (2000 г.), ежегодно в мире в результате деятельности человека в атмосферу поступает 25,5 млрд т оксидов углерода, 190 млн т оксидов серы, 65 млн т оксидов азота, 1,4 млн т хлорфторуглеродов (фреонов), органические соединения свинца, углеводороды, в том числе канцерогенные (вызывающие заболевание раком).

Вредные основные примеси антропогенного происхождения

Десять главных загрязнителей биосферы (курьер ЮНЕСКО, январь 1973 г.)1

диоксид Образуется при сгорании всех видов топлива. Увеличение его содержания в

Углерода атмосфере приводит к повышению её температуры, что чревато пагубными геохимическими и экологическими последствиями.

оксид Образуется при не полном сгорании топлива. Может нарушить тепловой баланс

Углерода верхней атмосферы.

сернистый Содержится в дымах промышленных предприятий. Вызывает обострение

Газ респираторных заболеваний, наносит вред растениям. Разъедает известняк и некоторые камни.

оксиды Создают смог и вызывают респираторные заболевания и бронхит у новорождённых.

азота Способствует чрезмерному разрастанию водной растительности.

ртуть Один из опасных загрязнителей пищевых продуктов, особенно морского происхождения. Накапливается в организме и вредно действует на нервную систему.

свинец Добавляется в бензин. Действует на ферментные системы и обмен веществ в живых клетках.

нефть Приводит к пагубным экологическим последствиям, вызывает гибель планктоновых организмов, рыбы, морских птиц и млекопитающих.

ддт и другие Очень токсичны для ракообразных. Убивают рыбу и организмы, служащие кормом

Пестициды для рыб. Многие являются канцерогенами.

радиация В превышенно допустимых дозах приводит к злокачественным новообразованиям и генетическим мутациям.

Наиболее распространенные загрязнители атмосферы поступают в нее в основном в двух видах: либо в виде взвешенных частиц (аэрозолей), либо в виде газов. По массе львиную долю - 80-90 процентов - всех выбросов в атмосферу из-за деятельности человека составляют газообразные выбросы. Существуют 3 основных источника образования газообразных загрязнений: сжигание горючих материалов, промышленные производственные процессы и природные источники.

Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса.

Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.

Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

Помимо газообразных загрязняющих веществ, в атмосферу поступает большое количество твердых частиц. Это пыль, копоть и сажа. Большую опасность таит загрязнение природной среды тяжелыми металлами. Свинец, кадмий, ртуть, медь, никель, цинк, хром, ванадий стали практически постоянными компонентами воздуха промышленных центров.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнения воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Заключение.

В целом анализ экологической ситуации и природоохранной деятельности позволяет сделать вывод о необходимости разработки и осуществления единой природоохранной программы возобновления экологических ресурсов. Важнейшей задачей является введение систематического экологического образования в школах, средних и высших учебных заведениях, повышение информированности населения через средства массовой информации.

Экологический кризис сегодня - это уже беда не какого-нибудь одного региона, страны, континента. Проблемы выживания последующих поколений все настойчивее овладевают умами и сердцами граждан Земли. Люди начинают понимать, что недостаточно бороться только против загрязнения почвы, воды, воздуха. Куда страшнее духовное загрязнение, порождающее атмосферу страха, ненависти, цинизма, недоверия на фоне наигранного оптимизма и якобы благодушия, прикрывающего безразличие к чужому горю.

Изменение природы неизбежно, однако идеология безграничного покорения природы безнравственна и губительна. Перспективы выживания человечества связаны с взаимной эволюцией природы, обществ и человека. Любые социальные и научоциальные и научовшества должны оцениваться с учетом их экологической значимости. Власть над природой оборачивается против человека, когда ради сиюминутных выгод пренебрегают экологической безопасностью. Преобразование природы недопустимо без учета возможных экологических последствий. Экологические проблемы возникли не сегодня. Но в наши дни ситуация резко ухудшилась: каждую минуту на планете исчезает 23 га леса и три биологических вида.

Поэтому, обращая пристальное внимание на экологию, человек пытается, прежде всего, сохранить самого себя. Но, спасая себя, необходимо спасти природу.

Однако без изменения сознания человека все планы спасения природной среды останутся лишь благими пожеланиями. Одной из задач образования становится формирование экологического сознания. Это не только любовь и бережное отношение ко всему живому, но и чувство личной ответственности за то, что происходит вокруг, потребность действовать.

Чтобы получить информацию о пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в воздухе и по экспериментальным данным составить карту загрязнения воздуха, необходимо систематически проводить отборы проб воздуха в узлах регулярной сетки с шагом не более 2 км. Такая задача практически невыполнима. Поэтому для построения полей концентрации используются методы математического моделирования процессов рассеяния примесей в атмосферном воздухе, реализуемые на ЭВМ. Математическое моделирование предполагает наличие достоверных данных о метеорологических особенностях и параметрах выбросов. Применимость моделей к реальным условиям проверяется по данным сетевых или специально организованных наблюдений. Расчетные концентрации должны совпадать с наблюдаемыми в точках отбора проб.

Моделью может служить любая алгоритмическая или аналоговая система, позволяющая имитировать процессы рассеяния примесей в атмосферном воздухе.

В нашей стране наибольшее распространение получила модель профессора М.Е. Берлянда. В соответствии с этой моделью степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации вредных веществ (С м), которая устанавливается на некотором расстоянии (х м,) от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает опасного значения (V м), и в приземном слое происходит интенсивный турбулентный обмен. Модель позволяет рассчитывать поле разовых максимальных концентраций примеси на уровне земли при выбросе из одиночного источника и группы источников, при нагретых и холодных выбросах, а также дает возможность одновременно учесть действие разнородных источников и рассчитать суммарное загрязнение атмосферы от совокупности выбросов стационарных и передвижных источников.

Алгоритм и порядок проведения расчетов полей максимальных концентраций изложены в "Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД - 86" и в соответствующих инструкциях к программам расчетов.

В результате проведенных расчетов на ЭВМ получаются:

• · максимальные концентрации примесей в узлах расчетной сетки, мг/м 3 ;
• · максимальные приземные концентрации (С м) и расстояния, на которых они достигаются (x м), для источников выбросов вредных веществ;
• · доля вклада основных источников выбросов в узлах расчетной сетки;
• · карты загрязнения атмосферного воздуха (в долях ПДК мр);
• · распечатка входных данных об источниках загрязнения, метеорологических параметрах, физико-географических особенностях местности;
• · перечень источников, дающих наибольший вклад в уровень загрязнения атмосферного воздуха;
• · другие данные.

В связи с высокой насыщенностью городов источниками загрязнения, уровень загрязнения атмосферного воздуха в них, как правило, существенно выше, чем в пригородах и тем более в сельской местности. В отдельные периоды, неблагоприятные для рассеяния выбросов, концентрации вредных веществ могут сильно возрасти относительно среднего и фонового городского загрязнения. Частота и продолжительность периодов высокого загрязнения атмосферного воздуха будут зависеть от режима выбросов вредных веществ (разовых, аварийных и др.), а также от характера и продолжительности метеоусловий, способствующих повышению концентрации примесей в приземном слое воздуха.

Во избежание повышения уровней загрязнения атмосферного воздуха при неблагоприятных для рассеяния вредных веществ метеорологических условиях необходимо прогнозировать и учитывать эти условия. В настоящее время установлены факторы, определяющие изменение концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе при изменении метеорологических условий.

Прогнозы неблагоприятных метеорологических условий могут составляться как для города в целом, так и для групп источников или отдельных источников. Обычно выделяются три основных типа источников: высокие с горячими (теплыми) выбросами, высокие с холодными выбросами и низкие.

В дополнение к комплексам неблагоприятных метеоусловий, можно добавить следующее:

• - Для высоких источников с горячими (теплыми) выбросами:
  • · высота слоя перемешивания меньше 500 м, но больше эффективной высоты источника;
  • · скорость ветра на высоте источника близка к опасной скорости ветра;
  • · наличие тумана и скорость ветра больше 2 м/с.
• - Для высоких источников с холодными выбросами: наличие тумана и штиль.
• - Для низких источников выбросов: сочетание штиля и приземной инверсии.

Следует также иметь в виду, что при переносе примесей в районы плотной застройки или в условиях сложного рельефа, концентрации могут повышаться в несколько раз.

Для характеристики загрязнения атмосферного воздуха по городу в целом, т.е. для фоновой характеристики, в качестве обобщенного показателя используется параметр Р:

где N - число наблюдений за концентрацией примеси в городе в течение одного дня на всех стационарных постах; М - количество наблюдений в течение того же дня с повышенной концентрацией примеси (q), превышающей среднее сезонное значение (qЇ сс), более чем в 1,5 раза (q > 1,5 qЇ сс).

Параметр Р рассчитывается для каждого дня как по отдельным примесям, так и по всем вместе. Этот параметр является относительной характеристикой, и его значение определяется главным образом метеорологическими факторами, оказывающими влияние на состояние атмосферного воздуха по всей территории города.

Использование при прогнозе параметра Р в качестве характеристики загрязнения воздуха по городу в целом (предиктанта) предусматривает выделение трех групп загрязнения воздуха, определяемых характеристиками, приведенными в табл. 1

В целях предотвращения чрезвычайно высоких уровней загрязнения, из первой группы выделяется подгруппа градаций с Р > 0,5, повторяемость которой составляет 1 - 2%.

Методика предсказания вероятного роста концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе города предусматривает использование прогностической схемы загрязнения воздуха, которая разрабатывается для каждого города на основании опыта многолетних наблюдений за состоянием его атмосферы. Рассмотрим общие принципы построения прогностических схем.

Прогностические схемы загрязнения воздуха в городе должны разрабатываться для каждого сезона года и каждой половины дня отдельно. При скользящем графике отбора проб воздуха к первой половине дня относятся сроки отбора проб в 7, 10 и 13 ч, а ко второй - в 15, 18 и 21 ч. При трехразовом отборе проб к первой половине дня относят сроки отбора проб в 7 и 13 ч, а ко второй - в 13 и 19 ч.

Метеорологические предикторы для первой половины дня берутся за срок 6 ч, а данные радиозондирования - за срок 3 ч. Для второй половины дня в качестве предикторов принимаются метеоэлементы за срок 15 ч. Характеристики метеорологических условий и предикторов, а также их порядок использования в прогнозах детально изложены в "Методических указаниях по прогнозу загрязнения воздуха в городах".

Оперативное прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха проводится с целью кратковременного сокращения выбросов вредных веществ в атмосферный воздух в периоды неблагоприятных метеорологических условий.

Обычно составляются два вида прогноза загрязнения атмосферного воздуха по городу: предварительный (на сутки вперед) и уточненный (на 6 - 8 ч вперед, в том числе утром на текущий день, днем на вечер и на ночь).