Моделирование и прогнозирование в ПТК

 

                                              ВВЕДЕНИЕ

Сосуществование и взаимодействие естественных ландшафтов и встроенных в них человеком искусственных  сооружений, устройств несколько  меняет ландшафт, при этом изменяются растительный покров, режим течения рек при строительстве водохранилищ, шахт, карьеров и т. д. 
Новые техногенные, антропогенные компоненты входят в ландшафт, становятся его элементами, но ландшафт остается природной системой. Эти элементы работают вместе с природными, и именно их взаимодействие нужно изучать, чтобы уменьшить негативные последствия изменения ландшафта. 
Воздействие человека на ландшафт рассматривается как природный процесс, в котором человек выступает как внешний фактор. Новые элементы (орошение, сооружения, техногенные выбросы) не вытекают из структуры ландшафта, не обусловлены им, и поэтому оказываются чужеродными, которые ландшафт стремится отторгнуть или модифицировать. В этой связи антропогенные элементы, внедряемые в ландшафт, являются неустойчивыми, неспособными самостоятельно существовать без поддержки человека.

 Природно-техногенные комплексы – взаимосвязь природных и техногенных компонентов, образующих целостную систему различных уровней в природных ландшафтах, между которыми осуществляется обмен веществ и энергии в их границах. Природно-техногенные комплексы состоят из двух основных частей: природной и техногенной. Они включают в себя средства управления и управляемую подсистему. Взаимодействие естественных ландшафтов и антропогенного влияния человека в их деятельность путѐм создания крупных водохозяйственных комплексов, искусственных сооружений, устройств несколько меняют ландшафт, при этом изменяется растительный покров, гидрогеологический режим бассейнов рек при строительстве водохранилищ, изменяется рельеф. Экологическая проблема ныне является не только и не столько проблемой загрязнения окружающей среды; она выросла в проблему преобразования стихийного воздействия людей на природу в сознательно, целенаправленно, планомерно развивающийся процесс взаимодействия природы и общества. Природообустройство стало общепринятым направлением при формировании нового научного направления, в котором познаются общие закономерности создания и управления особыми природно-техногенными комплексами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ КОМПЛЕКСАХ

 

1.1 Общие понятия о  моделировании процессов в  природно-техногенных комплексах

 

Моделирование — метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощения имитирования (натурного, математического, логического) и основывается на теории подобия.

            В моделировании используются модели. Они бывают: физические или знаковые (натурные, математические, логические) подобия реального объекта, явления, процесса; уменьшенное подобие (макет), схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе или обществе.

В зависимости от задач исследований и особенностей оригинала применяются самые разнообразные модели.

Модели материальные (реальные) применяются в проектировании масштабных мероприятий, связанных с преобразованием природы. В лабораториях строятся уменьшенные модели устройств и сооружений. На них исследуются процессы происходящие при различных режимах запрограммированных воздействий. Такое моделирование, в частности, используется при создании крупных гидротехнических сооружений.

Модели идеальные (знаковые) — мысленные, например, график или формула. Графические  модели — это зависимости между различными процессами, представленными в системе прямоугольных координат.

В природно-техногенных комплексах, в основном, используются физические модели. Модель неминуемо упрощена и поэтому фундаментально неадекватна объекту (в том числе переход параметров количества в качества согласно закону динамического равновесия).

Ограничения моделирования учитываются при оценке моделей природно-техногенных комплексов, особенно при планировании и программировании, а также при анализе геосистем и их составляющих. Модель даёт лишь вероятный сценарный процесс, а не его копию.

В природообустройстве наиболее распространены эколого-математические модели, в который положен принцип представления сложной системы в виде отдельных подсистем (блоков), которые связаны между собой функциональными связями, имитирующие поток веществ, загрязняющих природу.

 

 

 

1.2 Модель передвижения тяжёлых металлов

 

При повышении содержания тяжёлых металлов в почве и природных водах выше предельно допустимых возникает угроза загрязнения природной среды, приводящая к токсичным условиям для биоты.

В группу тяжёлых металлов включают: Pb, Zn, Cd, Hg, Mo, Mn, Ni, Sn, Tu, Co, Cn, V, Sb, As. Избыток этих элементов в почве приводит  к снижению продуктивности роста и его качественных показателей. Фоновое содержание тяжёлых металлов невелико и редко превышает 0,005 %.

Предельно допустимое содержание тяжёлых металлов оценивается по трём показателям: транслокационному (переход элементов в растение), миграционному (воздушному, водному) и по общесанитарному гигиеническому влиянию тяжёлых металлов на самоочищающуюся способность почвы.

Загрязнение почв тяжёлыми металлами происходит, главным образом, в результате газопылевых выбросов металлургических предприятий. Наибольшие загрязнения наблюдаются вблизи предприятий, но и на расстоянии в 50 км от источника загрязнения может наблюдаться загрязнение среды тяжёлыми металлами. Сильное загрязнение почв наблюдается вдоль автомобильных трасс, около аэропортов. Имеются и другие источники загрязнения, например, при внесении минеральных удобрений или применении пестицидов. Имеются сведения, что многие тяжёлые металлы выпадают на поверхность почвы в виде оксидов, растворимость которых зависит от рН почвенного раствора. Наибольшая растворимость металлов наблюдается в кислых почвах, наименьшая - в нейтральных и слабощёлочных.

Поведение тяжёлых металлов в почве очень сложно, так как они обладают высокой способностью к разнообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям.

В виду малой концентрации тяжёлых металлов (ТМ) в почвенных растворах и большой ёмкости поглощения почвы для оценки их поведения можно использовать линейное уравнение изотермической сорбции Генри:

            

                                                (1)

где  — равновесное состояние, соответствующее С - количеству металла, сорбированного почвой; w — объёмная влажность почвы;

С — концентрация металла в почвенном  растворе; a — коэффициент изотермы сорбции.

Для описания поведения тяжёлых металлов в почве нужно достоверно знать коэффициент изотермы сорбции, так как по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные ранее процессы, формирующие соотношения между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла. Содержание этого иона в единице объёма почвы в равновесном состоянии:

    или

                            

.                                       (2)

Коэффициент подвижности иона, то есть отношения массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве определяется из соотношения:

    

                    (3)

Зная это соотношение ( по результатам лабораторных анализов почвы), можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:

             

                                    (4)

Так, если подвижные формы металла  в почве составляют   R = 0,1,  то  a = 0,11.

Большое влияние на трансформацию  тяжёлых металлов оказывает почвенная влага. При растворении и последующем разложении соединений тяжёлые металлы могут переходить в подвижные формы.

Процессы поглощения тяжёлых металлов растениями для построения строгих моделей изучены ещё недостаточно. Подвижные фракции тяжёлых металлов, находящиеся в почвенном растворе, передвигаются за счёт разности потенциалов (диффузная составляющая потока) и за счёт потока влаги (конвективная составляющая).

Подвижные формы тяжёлых металлов почвенного раствора передвигаются за счёт разности концентраций (диффузная составляющая потока) и за счёт потока влаги (конвентативная  составляющая).

Задача 1. Определить равновесное состояние металла, сорбированного почвой.

1. Определяем значение эффективного коэффициента изотермы сорбции из уравнения:

2. Определяем содержание иона меди в единице объёма почвы в равновесном состоянии по уравнению:

        

, мг/дм³

, мг/дм³

3. С помощью линейного уравнения  изотермической сорбции Генри  определяем равновесное состояние, соответствующее концентрации меди в почвенном растворе, сорбированной почвой:

Задача 2. Произвести расчёт содержания тяжёлых металлов в снежном покрове и поступления их в водные источники.

Большая часть осадков, в районах  умеренного климата, выпадает в виде снега. Так в бассейне Нижнего Дона за период весеннего в водотоки попадает 80 % воды общего питания. При таянии снега, осаждённые на нём тяжёлые металлы, переходят в почву с талыми водами, а затем в поверхностные воды. Исходные данные о содержании тяжёлых металлов в снежном покрове и талых водах представлены в бланке заданий.

На основании исходных данных необходимо определить среднюю скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы:

             δ_i = (P_t – P_o)·Δh/t,                          (5)

где δ_i - средняя скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы, м/с;   P_o и P_t – содержание металла в снеге в начальный и конечный периоды соответственно, мг/дм³;       t – продолжительность эксполяции, мес;     Δh – величина среднемесячных осадков, мм.

Принимая заданные значения среднемесячных осадков и продолжительность эксполяции (задаётся преподавателем), можно рассчитать для зимнего периода скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы на водосбор Нижнего Дона. Данные расчётов сводятся в таблицу 1.

Таблица 1   - Скорость осаждения тяжёлых металлов, мг/(м²/мес)

Металл	Марганец	Медь	Цинк	Свинец
1 период  Скорость осаждения δi,  м/с,	1,164	0,029	2,003	0,145
2 период Скорость осаждения  δi, м/с	0,145	0,072	0,391	0

Учитывая, что среднее время  таяния снежного покрова на Нижнем Дону равняется 24 суткам, а количество выпавших за этот период осадков составляет в среднем Δh мм, можно определить объём воды, поступающей с водосбора в реку Дон на исследуемом участке площадью S_вдсб = 1440 км^2..  

При таянии снега объём поступающей воды  составляет:

W_i   = Δh · S_вдсб , м³                                    (6)

     Масса тяжёлых металлов, сброшенных в р.Дон за период снеготаяния, определяется по зависимости:

М  =  δ_{i *}  W_i   , кг                            (7)

где δ_i - средняя скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы, м/с, (принимается в соответствии с данными  приведёнными в таблице 1).

            Результаты расчёта поступления тяжёлых металлов в реку с талыми вода- ми сводятся в таблицу 2.

 

Таблица 2 - Поступление тяжёлых металлов в реку Дон с талыми водами, кг.

Металл	За сутки	За период Снеготаяния
Марганец	58	7,3
Медь	1,46	3,6
Цинк	100,9	19,7
Свинец	7,3	0

 

 

1.3.Модель передвижения лёгких нефтепродуктов

 

Самым распространенным загрязняющим веществом биосферы являются нефть и нефтепродукты. Их ежегодные потери составляют (0,5-2) % годового оборота нефтепродуктов. За (30…40) лет объём просачивания нефтепродуктов в гидросферу измеряется сотнями тысяч и миллионами тонн.

Наряду с загрязнениями почвенного покрова, формируется область загрязнения  природных вод. Практически всегда имеется горизонтальный поток грунтовых вод, увлекающий за собой нефтепродукты, которые уже во многих местах выводят из строя подземные водозаборы, выклиниваются в реки и водохранилища. Очистка таких загрязнённых зон является сложной инженерно-экологической задачей.

Для обоснования мероприятий по удалению нефтепродуктов используют теорию их совместного передвижения с водой в пористых средах. При этом две несмешивающиеся жидкости находятся не только под действием внешних давлений, но и между ними появляется давление на границе раздела, из-за разности сил поверхностного натяжения и разного смачивания твердой фазы.

С учётом этих особенностей движение двух жидкостей описывается системой дифференциальных уравнений, предложенной А.И. Головановым:

 

 (6)

где  «н» и «в» — индексы, обозначающие, соответственно, нефтепродукт и воду;   r — плотность;    р — пористость; k – коэффициент фильтрации; f – проницаемость, зависящая от насыщенности одной из жидкостей;

Н_в – напор в водном теле; 

С_в, и  С_вн  — ёмкостные коэффициенты, связывающие насыщенности и напоры :

при  0 < S_в  + S_н < 1