Міністерство освіти і науки України
Державний вищий навчальний заклад (ДВНЗ)
Криворізький національний університет
Кафедра екології
КУРСОВА РОБОТА
на тему:
«Моніторинг забруднення Карачунівського водосховища»
Виконала:
Прийняла:
Кандитат біологічних наук,
доцент
Кірієнко С.М.
м. Кривий Ріг
2016 рік
ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………………………3
Розділ 1. Екологічні умови території Карачунівського району…..................4
Розділ 2. Карачунівьке водосховище та моніторинг дослідження антропогенного впливу.……….…………………………………………………………..……….6
2.1. Загальна характеристика Карачунівського водосховища……………6
2.2.Джерела забруднення Карачунівського водосховища………………...9
2.3.Вибір моделі забруднення………………………………………………13
Розділ 3. Моніторинг розмірів забруднення Карачунівського водосховища…………………………………………………………………….20
3.1. Сучасний стан………………………………………………………….…..20
3.2. Стан при позитивних та негативних змінах……………………………………………………….…………………....20
ВИСНОВКИ…………………………………………………………………….21
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ………………………………….24
ВСТУП
У світі все живе пов'язане з водою і значною мірою складається з води. З одного боку, вона є носієм життя, формуючи умови для відтворення, розвитку, існування усіх живих організмів, природного середовища в цілому, самої людини. З іншого - вода використовується як природна сировина, виступає елементом виробничих відносин практично у всіх галузях господарської діяльності, у виробництві багатьох видів продукції. Тому забезпечення людства чистою водою є однією з найбільших проблем сьогодення, гострота якої підвищується внаслідок зростання дефіциту води та погіршення її якості.
Сьогодні будь-який проект, перш ніж бути запущеним у дію, повинен пройти як найретельнішу екологічну експертизу і моніторинг є одним з головних засобів пізнання взаємодії екології і суспільства.
Саме тому основною метою при написанні даної курсової роботи було поставлено розглянути основні види та розробити найпростішу математичну модель забруднення водоймища на прикладі Карачунівського водосховища.
При цьому було поставлено такі задачі:
- розглянути основні поняття та види моніторингу стану водних екосистем;
- вибрати найпростіший та доступний метод моніторингу забруднення водоймища відносно даного об’єкту;
- на прикладі Карачунівського водосховища розробити найпростішу математичну модель забруднення водоймища;
- зробити об’єктивні висновки.
РОЗДІЛ 1.ЕКОЛОГІЧНІ УМОВИ ТЕРИТОРІЇ КАРАЧУНІВСЬКОГО РАЙОНУ
Карачунівський район розташований у помірних широтах. По відношенню до екватору – у північній півкулі, по відношенню до Грінвічського (нульового) меридіану – у східній півкулі.
Згідно зі схемою кліматичного районування Б. П. Алісова (1969), Криворізький регіон належить до атлантико - континентальної європейської недостатньо вологої, теплої області помірної кліматичної зони.
Середньорічна температура повітря становить +8,5°С. Середня температура повітря у липні +22,2°С, у січні – -5,1°С. Абсолютний максимум температури +39,3°С (1890 р.), абсолютний мінімум – -35,0°С. Сума активних температур атмосферного повітря (це температури, які є найбільш сприятливими і продуктивними для вегетації рослинності) вище +10°С становить від 3100°С. Тривалість безморозного періоду 175 днів. Середні дати першого та останнього приморозків навесні – 24 квітня, восени – 9 жовтня. Середні дати настання стійких морозів – 10-15 грудня, а їх припинення – 16-21 лютого. Взимку звичайні відлиги – потепління серед зими, кількість таких днів – 45. Континентальність клімату – 56%, що характеризує клімат регіону як помірно-континентальний. Пересічний річний показник відносної вологості повітря 72%. Максимальні значення спостерігається взимку – 82-88%, найменші наприкінці календарного літа – 52-58%. Середнє число днів з туманами – 61, найчастіше в холодну пору року – 9-12 днів на місяць. Кількість атмосферних опадів 400-450 мм/рік (з максимумом на початку літа), Криворіжжя відноситься до посушливих районів України.
Коефіцієнт зволоження за М. М. Івановим, складає 0,53, що характеризує регіон, як територію з недостатнім і нестійким зволоженням. На протязі всіх літніх місяців баланс зволоження відрізняється дефіцитом.
Структура, напрям та характеристики вітрів знаходяться в прямій залежності від особливостей загальної та місцевої циркуляції атмосфери.
Переважають вітри північних румбів (49% повторюваності), а також східні вітри. Рідше за інших спостерігається південний вітер. Влітку найбільш часто повторюються північні та північно-західні вітри, в інші сезони року – північно-східні, північні та східні вітри. Штилі найчастіше трапляються на початку осені та влітку (приблизно 3 дні на місяць). Середня швидкість вітру за рік становить 5,0 м/сек. Сильні вітри (зі швидкістю понад 15 м/сек.) відмічаються в середньому 29 днів на рік. В теплий період часто спостерігаються суховії – вітри східних румбів, які характеризуються швидкістю більше 5,7 м/сек. при дуже низькій відносній вологості повітря – 25-30%. Вони формуються навесні – початку літа, в умовах трансформації сухих арктичних повітряних мас над просторами Середньої Азії та Заволжя. Число днів з суховіями досягає від 15-20 на рік, середня їх тривалість 4,4 дні.
Основу морфоструктурного рельєфу складають вододільні лесові плато і їх схили, які витягнуті з півночі та північного-сходу на південь, мають загальний похил на південь, в бік Чорного моря, а також в бік річкових долин і балок. Вододільні плато є поверхнями вирівнювання різного віку – від залишково пізньосарматської на півночі до понтичної на півдні. Абсолютні відмітки вододільного плато +169-173 м на півночі, +75 м. на півдні. Зниження висоти вододілів з півночі на південь становлять 0,69 м/км. Крутизна вододільних плато дорівнює від 0 до 1,5°, на схилах до 3-6°. Середня густота горизонтального розчленування території Кривбасу ерозійною сіткою висока – від 0,8 до 1,6 км/км. Вріз річкових долин відносно вододілів складає 70-90 м., глибина врізу балок 20-40 м. [7]
РОЗДІЛ 2. КАРАЧУНІВСЬКЕ ВОДОСХОВИЩЕ ТА МОНІТОРИНГ ДОСЛІДЖЕННЯ АНТРОПОГЕННОГО ВПЛИВУ НА НЬОГО
2.1.Загальна характеристика Карачунівського водосховища
Карачуновськоє водосховище — водосховище на річці Інгулець поблизу Кривого Рогу Дніпропетровської області. Карачунівське водосховище було засноване в 1932 році у зв'язку з будівництвом Криворізького Металургійного Заводу в Дніпропетровської області.
Водосховище служить джерелом питного водопостачання міста Кривий Ріг. Воно утворене на річці Інгулец. Запаси води стримує потужна гребля, на берегах висаджені ліси. [8]
Довжина греблі по пасму складає 205 м, найбільша висота — 24 м, ширина по пасму — 7,5 м. Вся споруда гідровузла Карачунівського водосховища відноситься до 1-му класу капітальності.[9]
Площа водосховища 26,9 км, повний об’єм 308,5 млн. м, у тому числі корисний 288,5 млн. м, довжина 35 км, протяжність берегової лінії 43 км, середня глибина 6,88 м, максимальна глибина – 19,1 м, середня ширина 1,28 км, максимальна ширина – 3 км. Вода водосховища придатна для пиття, зрошення, промислового та побутового споживання, ведення рибного господарства. [7]
Карачунівське водосховище характеризуються більш розтягнутою повіддю – квітень – початок травня, на весну припадає до 70% обсягів річного стоку, червень-березень – низька межень, але можливі поодинокі і нерегулярні дощові (влітку і восени) та снігові (взимку) паводки. Влітку стік складає 10% від річного, восени – 8% і взимку – 12%. Живлення рік регіону – переважно снігове.
Взимку можна спостерігати дуже цікаве та нерегулярне гідрологічне явище – зимові паводки. Їх виникнення пов’язується з сильними відлигами – таненням снігового покриву і дощами. Талі води легко стікають у річки, чому сприяє мерзлий ґрунт.
Середньорічний показник шару стоку поблизу м. Кривого Рогу дорівнює 42,3 мм (10% від загальної кількості атмосферних опадів за рік). На півдні цей показник різко зменшується до 10 мм. Суттєво зменшується і підземний стік. Коефіцієнт стоку становить 0,08.
В зимовий період Карачунівське водосховище замерзає. Середні дати початку льодоставу становлять – 7 грудня (на півночі) і 12 грудня – на півдні. Відповідно змінюється й число днів з льодовими явищами – від 115 до 110. Товщина льоду в середньому становить 20-35 см., але в 1926-1935 рр. вона дорівнювала 70-80 см. Весняний льодохід (якщо він є) розпочинається 10-12 березня, а від льоду остаточно звільнюються в середньому 14-16 березня. Звичайно льодохід на ріках регіону відсутній (як осінній, так і весняний), а якщо відбувається, то триває лише 1-5 днів. В окремі теплі зими льодостав нестійкий – льодовий покрив може руйнуватися навіть у середині січня або утворюватись дуже пізно.
Гідрохімічні особливості зумовлені зональними властивостями посушливого клімату (особливо влітку), гідрологічних сезонів, змін водності рік упродовж року, хімічним складом вод (в першу чергу – підземних), які живлять поверхневі водотоки. Під час повені, коли водність зростає, хімічний клас є гідрокарбонатно-кальцієвим, каламутність збільшується понад 500 г/м, проте мінералізація знижується в середньому до 0,5-1,0 мг/л. В період межені водність зменшується, що відбивається у зміні хімічного класу води на сульфатно-гідрокарбонатно-натрієвий, підвищенням мінералізації до 1,0-5,0 мг/л, але зі скороченням концентрації завислих наносів у воді до – 250-500 г/м(так як течія стає повільнішою). Середня жорсткість поверхневих вод коливається в межах 6,0-6,5 мг·екв/л, максимальні складають приблизно 10,1 (по р. Інгулець) [7]
Карачунівське водосховище є природною перлиною Кривого Рогу Дніпропетровської області. На території водосховища є водопад.
У Карачуновськом водосховище мешкають:
• лящ, судак, плітка, голавль,
• червонопірка, жерех, лінь,
•уклея, густера, в'юн, сом,
• щука, окунь, сазан.[8]
Розповсюджене риболовство. У зв’язку з дуже великою забрудненістю вод промисловими стоками криворізьких та інгулецьких гірничо-збагачувальних комбінатів, одиничні рекреаційні зони відпочинку знаходять у занепаді.[6]
Хоча на території району вздовж узбережжя Карачунівського водосховища розміщено 60 баз відпочинку, що належать різним підприємствам м. Кривого Рогу.[10]
Так на Карачуновськом водосховищі розташовані:
• база відпочинку "Яскраво-червоні Вітрила",
• яхт – клуб "Яскраво-червоні Вітрила",
• Рубін, турбаза тощо.[8]
2.2. Джерела забруднення Карачунівського водосховища
Сучасний екологічний стан Карачунівського водосховища незадовільний. Інтенсивне землеробство, в тому числі зрошування, гірничорудна промисловість, швидке зростання металургійної та хімічної галузі в її басейні привело до поступового занепаду річки Інгулец, що в свою чергу негативно впливає на стан води у самому водосховищі, основним джерелом води якого є саме ця річка.
Найбільш гострим питанням для стану водних об’єктів Кривбасу стала проблема утилізації великої кількості зворотних шахтних вод. Видобування і переробка залізної руди пов’язані з використання великої кількості води. Водогосподарська ситуація гірничих підприємств Кривбаса характеризуються надлишком зворотних вод. Шахтні води потрапляючи у водойми, порушують біологічну і гідрохімічну рівновагу і створюють загрозу не тільки для здоров’я населення, а й для рибного запасу річок.
В 2000 р. Кабінетом Міністрів України – (згідно розпорядження № 1346-р від 8.12.99) дозволено скид зворотних, високо мінералізованих шахтних вод у річки Інгулець і Саксагань та проходить згідно регламенту, розробленому Інститутом гідробіології НАН України.
Саме такими рішеннями дозволено здійснення скиду мінералізованих зворотних вод в Інгулець із гірничорудних підприємств. Правда, "за умови не перевищення гранично допустимих концентрацій забруднюючих речовин у місцях водокористування населення
Скид надлишку зворотних вод здійснюють ВАТ “Північній ГЗК”, ДП “Кривбасшахтозакриття”, ВАТ “ Інгулецький ГЗК”, ВАТ “Центральний ГЗК”.
Якість води Карачунівського водосховища залежить насамперед від якості води річки Інгульця, що втікає у дане водосховище.
Сьогоднішні спостереження за якістю води р. Інгульця показують, що практично за всіма показниками, гранично допустимі концентрації забруднювачів перевищені. За критерієм мінералізації воду р. Інгулець в межах Херсонської та Миколаївської області можна класифікувати як солонувату. За забрудненням компонентами сольового складу воду Інгульця відносить до дуже забрудненої хлоридами та сульфатами. Причому в інгулецькій воді в останні роки, порівняно з минулими роками, вміст хлоридів і сульфатів значно збільшився і складає в середньому, відповідно, 1025.8 мг/л, що в 2.9 більше за гранично-припустиму концентрацію (ГПК) та 741.1 мг/л (1.5 ГПК). Зрозуміло, що забруднення річки збільшується від села Садово в Херсонській області (місце впадіння Інгульця у Дніпро) до Кривого Рогу Негативний вплив низькоякісних господарських вод та фекальних стоків Кривого Рогу, особливо відчутний на початку року, коли проходить масовий скид високо мінералізованих шахтних вод. У січні - березні показники мінералізації у різних пунктах спостережень по руслу річки становлять від 700 до 5700 мг/л. Саме в цей проміжок часу вміст азоту амонійного перебільшує ГПК в 6 разів, вміст нітратного азоту в 1.2 рази, нітритного азоту в 4.8 рази. Забруднення марганцем становить 2.4 - 11.0 від ГПК, магнієм 1.4-10.0 від ГПК і кальцієм 0.8-2.4 від ГПК. Вміст міді в інгулецькій воді перебільшує ГПК в 4.0-23.0 рази, а заліза в 0.5-1.7 рази.
Дещо змінюється ситуація з якістю води в пониззі Інгульця - від гирла до Снігірівки, що в Миколаївській області, коли влітку та восени працюють потужні насосні станції, що подають воду в Інгулецьку та Явкінську зрошувальні системи. Тоді і в пониззя річки заходить дніпровська вода, яка дещо розбавляє високо мінералізовані кривбаські скиди. По суті, в цей період року річка Інгулець припиняє стік в Дніпро, а її пониззя перетворюється в "антирічку", в якій течуть в зворотному від природного напрямку дніпровські води.
Але і в цей період якість води все одно не відповідає існуючим нормативам щодо поверхневих вод. До того ж вода із значною мінералізацією попадає при зрошенні в ґрунти та викликає їх осолонцювання і засолення.
Осолонцювання зараз є найбільш поширеним деградуючим процесом на зрошуваних землях в Миколаївській та Херсонській області. Інгулецька вода, що вміщує велику кількість розчинених солей, зокрема іонів натрію, викликає солонцюватість в ґрунтах. Осолонцювання проявляється в різкому погіршенні їх агрофізичних властивостей - руйнується структура орного шару, знижується пористість та водопроникність, ущільнюється ґрунтовий профіль. Особливо такі процеси помітні та тлі негативного балансу органічної речовини. Подальший розвиток таких процесів приводить до злитизації ґрунтів, коли проходить їх ущільнення та усадка при висиханні, та набрякання при зволоженні. Врожайність сільськогосподарських культур на осолонцьованих ґрунтах різко знижується.
Забруднення басейну річки Інгулець зворотними водами підприємств Кривбасу відбувається не тільки в між вегетаційній період під час регламентних скидів, але і в продовж року – в наслідок скидів з обвідного каналу.
В рамках господарської системи водо обвідного каналу з 1957року працює ВАТ “Кривий Ріг цемент”, ВАТ “Арселор Миттал Стил Кривий Ріг”, ВАТ “ Південний ГЗК”, Довгинцівський район м. Кривий Ріг. Однак питання щодо власника каналу до цього часу не вирішене.[ 6 ]
Згідно з розпорядженням Кабінету Міністрів України від 03.11.2010 № 2047-р з листопада 2010 року до 28 лютого 2011 року гірничорудними підприємствами Кривбасу здійснювався дозований скид мінералізованих стічних вод. Станом на 1 березня скинуто 11,1 млн.куб.м від запланованих 11,3 млн.куб.метрів.
За інформацією Укргідрометцентру у 2011 році об’єм стоку за період весняного водопілля очікується нижчим за норму. Приплив до Карачунівського водосховища за весняний період з другої половини березня до кінця квітня прогнозується в межах 18-30 млн.м3, об’єм стоку по водпосту р.Інгулець – м.Кривий Ріг (нижче впадіння р.Саксагань) очікується обсягом 20-40 млн.м3 (при нормі 150 млн.м3).
Водогосподарська обстановка на основних водосховищах басейну річки Інгулець така:
| Воосховища | Проектні рівні, м | Проектні обсяги, млн.м3 при НПР | Станом на 11.03.2011 р. | |||||
| норм. | мін. | норм. | мін. | рівень, м | обсяг, млн.м3 | хлоридимг/л | жорстк.мг-екв./дм3 | |
| Карачунівське | 59,0 | 47,8 | 308,5 | 20,0 | 58,51 | 287,7 | 137 | 11,9 |
| Макортівське | 81,80 | 70,50 | 57,8 | 4,0 | 81,70 | 56,82 | 298 | 18 |
| Кресівське | 50,40 | 47,50 | 10,2 | 2,5 | 50,34 | 9,89 | 404 | 22 |
| Дзержинське | 40,80 | 33,25 | 2,5 | 0 | 40,25 | 1,87 | 397 | 18 |
Витрати води у річці Інгулець у створі с.Андріївка станом на 11.03.2011 становили 5,36 куб.м/с, концентрація хлоридів - 880 мг/л, жорсткість - 17,0 мг-екв./дм3; у створі Інгулецької ГНС - відповідно 2750 мг/л та 27,0 мг-екв./дм3. Вільна ємкість Карачунівського водосховища становить 20,83 млн.куб.м, вміст хлоридів складає 137 мг/л (норма 350 мг/л).
У процесі здійснення промивки р.Інгулець час добігання промивної хвилі витратою 25-35 м3/с від Карачунівського водосховища до Інгулецької ГНС складає близько 10 діб. Виштовхування мінералізованої призми води від Інгулецької ГНС до гирла Інгульця відбувається за 10-12 діб.
Досвід здійснення промивок русла Інгульця свідчить, що для їх ефективності необхідний скид чистої води з Карачунівського водосховища об’ємом близько 60-65 млн.куб.м, початок промивки залежить від дати початку поливів сільгоспкультур у Миколаївській і Херсонській областях і здійснюється відповідно до регламенту, орієнтовно – 15-20 квітня.
Згідно з інформацією представників Херсонської та Миколаївської областей термін подачі води на зрошення в цих областях орієнтовно почнеться 25 квітня - 5 травня, тобто, включити в роботу ГНС Інгулецької зрошувальної системи необхідно 1-5 травня.[11
2.3. Вибір моделі забруднення
Моделювання забруднення – метод дослідження будови, функціонування, динаміки та розвитку забруднюючих речовин на об’єкті або процесів з використанням моделей, які певною мірою відповідають оригіналові.[ 2]
В даний час при плануванні і розробці водозахисних комплексів велике значення мають розрахунки процесів перенесення речовини. Проте точні розрахунки цих процесів в просторі і в часі в більшості випадків неможливі із-за громіздкості або відсутності аналітичного вирішення рівняння, що описує розподіл концентрації розрахункового інгредієнта у водоймищі або водотоці. Крім того, число можливих варіантів, як правило, у багато разів перевищує число реально існуючих типових об'єктів. Тому дослідники і проектувальники удаються до методів математичного моделювання.
Математичне моделювання водних екосистем є науковою галуззю, що інтенсивно розвивається, досягла в даний час величезних успіхів. У зв'язку з тим, що прямі експерименти з природними екосистемами утруднені і часто недопустимі, а можливості їх лабораторного моделювання вельми обмежені, математичні моделі є одним з основних інструментів кількісного і практичного регулювання водних екологічних систем.
Завдання поширення домішок визначаються системами рівнянь в приватних похідних, що відображають основні фізичні закони, що описують рух рідини у водоймищі і перенесення в ньому різних речовин. Більшість використовуваних безперервних моделей поширення забруднюючої речовини у водоймищах включають рівняння Нав’є – Стоксу («гідродинамічну складову») і рівняння конвекції – дифузії. Особливістю багатьох природних водотоків (річки, канали) є їх протяжність, слабка викривленість і відносна мілководність. Це може бути використано для значного спрощення математичного опису даних процесів без істотної втрати точності результатів, тому завдання побудови зредукованих моделей, адекватно розсіяння домішок, що описує процес, виявляється вельми актуальним. Виділення ж «гідродинамічній складовій» виправдане у випадку, коли домішка не робить впливу на характер руху рідини у водоймищі.
Наявність ефективного алгоритму і програми розрахунків, як правило, цілком визначає можливості вживання тієї або іншої моделі; відсутність відповідного математичного апарату частенько приводить до необхідності відмови від вибраної концепції моделювання або її спрощенню. Тому вельми актуальною представляється проблема чисельної реалізації екологічних моделей. Їх використання дає можливість скоротити дорогі натурні спостереження і отримати унікальні екологічні прогнози.[5]
Моделювання і прогнозування стану водних екоситем повинно вирішувати такі задачі:
- побудова моделей контролю і короткострокового прогнозування забруднень з метою соціо – екологічного захисту населення;
- довгострокове прогнозування екологічних змін, що відбуваються у водоймах з метою оптимізації їх стану;
- короткострокове прогнозування і контроль якості води в водоймищах вирішується на основі індифікації різницевих рівнянь.
За умови поширення забруднюючих речовин у водоймах (одномірний випадок) буде мати вигляд різницевого рівняння де:
- випадкова величина, яка залежить від концентрації забруднюючої речовини;
- концентрація забруднюючої речовини на певній відстані від джерела;
- функція потужності джерела викидів, яка лежить на початку координат;
- швидкість потоку;
- величина, що характеризує швидкість розпаду речовин (самоочищення);
- коефіцієнт турбулентної дифузії;
- відстань.
Задача ідентифікації різницевого рівняння – це знаходження числових значень, оцінок, коефіцієнтів. Всі ці коефіцієнти піддаються оцінці, окрім яка в природних умовах визначається надто складно.
Схема спостережень для промислових районів, гідрографічна мережа яких складається з річок та інших водоймищ, а також очисних споруд, водозаборів, можна з урахуванням багатьох факторів встановлюється допустимі навантаження, виходячи з лімітованої категорії водоспоживання (питна вода для населення).
Визначення допустимого навантаження на водотоки потребує побудови водогосподарського балансу водних ресурсів, що дає змогу прогнозувати якість води річок і водоймищ на розрахункову перспективу за встановлених початкових і граничних умов. При цьому екологічні умови визначаються за різницею нормативного і фактичного навантаження в різних створах.
Обмеження зображуються у такому вигляді:
- нормативна концентрація речовин для заданої категорії водокористування.
У балансових розрахунках обмежуються у вигляді імовірнісної характеристики:
- ймовірнісні характеристика водних ресурсів;
- ймовірнісна характеристика водопостачання;
- розрахункові (мінімальні) витрати води в і-му створі;
- концентрація і якість води ( визначається за номограмою).
Прикладом застосування рівнянь динаміки забруднень у водоймищі може бути системна модель взаємодії біологічної потреби кисню (БПК) і розчинного кисню (РК) на ділянці водоймища.
Довгострокове прогнозування забруднення водних систем полягає у дослідженні їх стійкості за окремими інгредієнтами їх забруднення. Для чого за даними натурних спостережень ідентифікують моделі процесів трансформації, динамічні властивості яких дають можливість якості прогнозування моделей екосистем.
Під час взаємодії технічної системи і природного середовища короткострокові процеси змішування, самоочищування, дифузії відбуваються безперервно, часто впродовж років. За цих умов у водоймищі інколи може спостерігатися стабілізація процесу очищення - відбуваються коливання відносно точки рівноваги.
Це відбувається у випадку, коли:
- самоочищення якщо викиди (збурення системи) відносно мало змінюється, то система незначно відхилятиметься від стану рівноваги і щоразу повертатиметься під дією природних властивостей самоочищення;
- функція потужності надходження забруднюючої речовини;
- якщо самоочисні властивості водоймища спадають, відбувається дрейфування плями забруднення. Самоочисні властивості залежать від кількості наявної речовини. Хімічне окислення органічних сполук залежить від кількості окислювальної речовини та їх концентрацій. У разі нестачі кисню трансформація може відбуватися в анаеробних умовах, що спричинить вторинне забруднення накопичення токсичних речовин та виникнення умов «вибуху» - генерації нових забруднень.
Таке явище називають біфуркація системи, тобто вона переходить в інший стан з істотною зміною структури і властивості. В результаті стійкість стану рівноваги порушується, траєкторії процесу прямують до безкінечності, або нової точки рівноваги.
Математична біфуркація визначається коефіцієнтом самоочищення, що є лінійною функцією концентрації, яка за від’ємних значень описуватиме процеси розпаду речовин і самоочищення водоймищ, а в області додатних значень процеси вибуху забруднення.
Таким чином, дати довгостроковий прогноз стану водоймища – це з’ясувати якісний стан екологічних процесів (стійкість або нестійкість), що утворилися в наслідок антропогенних процесів.
В разі стійкості динамічної рівноваги треба визначити умови її збереження відносно стохастичних збурень, зміни початкових умов, або функцій потужності забруднень.[3]
Порівняльну найбільш точну модель забруднення водоймища можна розрахувати за таким алгоритмом:
- Визначення площини припливу стічних вод
де δ – площина припливу стоків, м2;
Qст – витрати стічних вод, м3/с;
Vср – середня швидкість потоку на розрахунковій ділянці, м/с.
- Розрахунок ширини припливу стічних вод
де β – ширина припливу стоків, м;
Нср – глибина ділянки, м.
-Визначення ширини розрахункового осередку
де ∆z – ширина розрахункового осередку, м;
n – коефіцієнт (=1).
-Визначення довжини розрахункового осередку
де ∆x – довжина розрахункового осередку, м;
D – коефіцієнт турбулентної дифузії:
-Визначення кількості струменів по ширині потоку
-В
изначення загальної кількості струменів, у яких знаходиться стічна вода| ∆x ∆z | k | k+1 | k+2 | k+3 | k+4 | k+5 | k+6 | k+7 | k+8 | k+9 |
| 1 струмінь | | | | | | | | | | |
| 2 струмінь | | | | | | | | | | |
| 3 струмінь | | | | | | | | | | |
| 4 струмінь | | | | | | | | | | |
| 5 струмінь | | | | | | | | | | |
| 6 струмінь | | | | | | | | | | |
| 7 струмінь | | | | | | | | | | |
| 8 струмінь | | | | | | | | | | |
| 9 струмінь | | | | | | | | | | |
| 10 струмінь | | | | | | | | | | |
| 11 струмінь | | | | | | | | | | |
На основі отриманих даних можна отримати модель розповсюдження забрудника, але нажаль в даній роботі ці розрахунки не можуть використатися через відсутність повноти потрібних нам даних.
Найбільш оптимальний та доступний метод моделі забруднення водоймища в даному випадку є модель поля зважених речовин і мінералізації.
При синтезі моделі зважених речовин і показника мінералізації вихідною речовино (функцією) добирається - нормований відносно середнього значення показник відповідного інгредієнта (концентрація забруднюючих речовин чи рівень мінералізації) в тій точці в наступний (t+1)-й момент часу.
За вхідні змінні (аргументи) було вибрано «близькі» в просторі і часі змінні - придані, що використовувалися для моделювання взято з умови ергодичності процесів за перерізом.
Ергодичність - властивість деяких (динамічних) систем, яка полягає в тому, що в процесі еволюції такої системи майже кожна точка її з певною ймовірністю проходить поблизу будь-якої іншої точки системи. Тоді при розрахунках час, який важко розрахувати, можна змінити фазовими (просторими) показниками. Система, в якій фазові середні збігаються з часовими, називається ергодичною.
Перевага ергодичних динамічних систем полягає у тому, що при достатньому часу спостереження такі системи можна описувати систематичними методами.
Для ергодичних систем математичне сподівання по часових рядах має збігатися з математичним сподіванням по просторових рядах.
Унаслідок синтезу за узагальненим алгоритмом МГВА (за критерієм регулярності) одержано модель оптимальної складності у вигляді системних нелінійних різницевих рівнянь поля зважених речовин:
- нормовані функції відносно середніх значень змінних;
- середні значення розглядуваної концентрації;
- концентрація в момент часу t в j-тій точці поля.[2]
РОЗДІЛ 3. МОНІТОРИНГ РОЗМІРІВ ЗАБРУДНЕННЯ КАРАЧУНІВСЬКОГО ВОДОСХОВИЩА
Розглянемо модель забруднення Карачунівського водосховища на прикладі дозованих забруднення його хлоридами.
3.1 Сучасний стан
За інформацією Укргідрометцентру у 2011 році об’єм стоку за період весняного водопілля очікується нижчим за норму.
Знаючи, що концентрація хлоридів у місці потрапляння у водосховище становить 900-880 мг/м3, можна розрахувати відстань розповсюдження надмірної кількості забруднюючої речовини до постійної точки значення вмісту хлоридів по всьому водосховищі.
3.2 Стан позитивних та негативних змінах
Якщо концентрація хлоридів у місці потрапляння у водосховище збільшиться до 1500-1000 мг/м3, відстань розповсюдження надмірної кількості забруднюючої речовини до постійної точки значення вмісту хлоридів по всьому водосховищі буде дорівнювати.
Якщо концентрація хлоридів у місці потрапляння у водосховище зменшиться до 500-400 мг/м3, при тій же умові відстань розповсюдження надмірної кількості забруднюючої речовини до постійної точки значення вмісту хлоридів по всьому водосховищі становитиме.
ВИСНОВКИ
Карачунівський район розташований у помірних широтах і належить до атлантико - континентальної європейської недостатньо вологої, теплої області помірної кліматичної зони.
Карачунівське водосховище — водосховище на річці Інгулець поблизу Кривого Рогу Дніпропетровської області.
Площа водосховища 26,9 км, повний об’єм 308,5 млн. м, у тому числі корисний 288,5 млн. м, довжина 35 км, протяжність берегової лінії 43 км, середня глибина 6,88 м, максимальна глибина – 19,1 м, середня ширина 1,28 км, максимальна ширина – 3 км. Вода водосховища придатна для пиття, зрошення, промислового та побутового споживання, ведення рибного господарства. Водосховище служить джерелом питного водопостачання міста Кривий Ріг.
Сучасний екологічний стан Карачунівського водосховища незадовільний. Інтенсивне землеробство, в тому числі зрошування, гірничорудна промисловість, швидке зростання металургійної та хімічної галузі привело до поступового занепаду річки Інгулець, що в свою чергу негативно впливає на стан води у самому водосховищі, основним джерелом води якого є саме ця річка.
Витрати води у річці Інгулець у створі с.Андріївка станом на 11.03.2011 становили 5,36 куб.м/с, концентрація хлоридів – 900-880 мг/л, жорсткість - 17,0 мг-екв./дм3; у створі Інгулецької ГНС - відповідно 2750 мг/л та 27,0 мг-екв./дм3. Вільна ємкість Карачунівського водосховища становить 20,83 млн.куб.м, вміст хлоридів складає 137 мг/л (норма 350 мг/л).
Моніторинг забруднення – метод дослідження будови, функціонування, динаміки та розвитку забруднюючих речовин на об’єкті або процесів з використанням моделей, які певною мірою відповідають оригіналові.
В даний час при плануванні і розробці водозахисних комплексів велике значення мають розрахунки процесів перенесення речовини. Проте точні розрахунки цих процесів в просторі і в часі в більшості випадків неможливі із-за громіздкості або відсутності аналітичного вирішення рівняння, що описує розподіл концентрації розрахункового інгредієнта у водоймищі або водотоці. Крім того, число можливих варіантів, як правило, у багато разів перевищує число реально існуючих типових об'єктів. Тому дослідники і проектувальники удаються до методів математичного моделювання.
Моніторинг і прогнозування стану водних екосистем повинно вирішувати такі задачі:
1. моніторинг і короткострокового прогнозування забруднень з метою соціо - екологічного захисту населення;
2. довгострокове прогнозування екологічних змін, що відбуваються у водоймах з метою оптимізації їх стану;
3. короткострокове прогнозування і контроль якості води в водоймищах вирішується на основі ідентифікації різницевих рівнянь.
Довгострокове прогнозування забруднення водних систем полягає у дослідженні їх стійкості за окремими інгредієнтами їх забруднення. Для чого за даними натурних спостережень ідентифікують моделі процесів трансформації, динамічні властивості яких дають можливість якості прогнозування моделей екосистем.
Найбільш оптимальний та доступний метод моделі забруднення водоймища в даному випадку є модель поля зважених речовин і мінералізації. Згідно з якою ми і розрахували модель розповсюдження надмірної кількості забруднюючої речовини до постійної точки значення вмісту хлоридів по всьому водосховищі.
При сучасній ситуації (900-880 мг/м3) поле розповсюдження надмірної кількості хлоридів становитиме 7043 км3
При позитивних змінах ( зменшення до 500-400 мг/м3) поле розповсюдження дорівнюватиме 2009 км3, а при негативних змінах (збільшення до 1500-1000 мг/м3) поле розповсюдження становитиме 8697 км3.
Можна зробити висновок, що поле розповсюдження забруднюючих домішок у водному середовищі прямо пропорційно залежить від концентрації та кількості скинутих вод з домішками. Для того, щоб поле забруднення було мінімальним за своїм розміром, тобто таким, щоб ним можна було знехтувати у розрахунках, концентрація забруднюючих речовин у джерелі забруднення повинно прирівнюватися концентрації тих самих домішок у водному середовищі в яке скидуються забруднення води.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1.Богобоящий В.В.Курбанов К.Р., Палій П.Б.Шмандій В.М. Принципи моделювання та прогнозування в екології: Підручник. - Київ: Центр навчальної літератури, 2004. - 216 с.
2.Курс лабораторних робіт по предмету «Моделювання та прогнозування стану довкілля» для студентів спеціальності «Екологія та охорона навколишнього середовища».
3.Ковальчук П.І., «Моделювання та прогнозування стану навколишнього середовища»: навчальний посібник – Київ «Либідь», 55с.
4.Методичні вказівки до виконання курсової роботи «Моделювання та прогнозування стану довкілля» для студентів спеціальності «Екологія та охорона навколишнього середовища».
5.Овчаренко В.А., С.В.Подлєсний, С.М.Зінченко Навчальний посібник «Основи методу кінцевих елементів і його застосування в інженерних розрахунках», Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ 2008, 379с
6.Пасічний Г.В., Л.М. Булава, А.С. Горб та ін. Фізична та економічна географія Дніпропетровської області / Г.В. Пасічний, Л.М. Булава, А.С. Горб та ін. – Дніпропетровськ: Вид – ДДУ, 1992. – 188 с.
7.http://www.kryvyirih.dp.ua/ua/st/pg/171109533328247_s/
8.http://distance.net.ua/Ukraine/Stroimeh/lekciya/Razdel12smehukr/urok107ukr.htm
9.http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%87%D1%83%D0%BD%D1%96%D0%B2%D1%81%D1%8C%D0%BA%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%85%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%89%D0%B5
10.http://gorod.dp.ua/inf/region/?pageid=132
11.http://www.scwm.gov.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=773&Itemid=183
12.http://distance.net.ua/Ukraine/Stroimeh/lekciya/Razdel12smehukr/urok107ukr.htm
13.http://zalik.net/index.php?option=com_content&view=article&id=123:2011-03-07-15-37-40&catid=48:--&Itemid=62