Курсовая работа: Моделювання і прогнозування стану водного об’єкта внаслідок антропогенного впливу

За запасами власних водних ресурсів, доступними для користування, Україна належить до найменш забезпечених серед європейських держав. Питне водопостачання в Україні на 2/3 забезпечується за рахунок поверхневих вод. Напруженість водогосподарсько-екологічного становища зумовлена двома граничними умовами: з одного боку низькою середньорічною водозабезпеченістю - на одного мешканця припадає близько 1 тис. куб. м на рік, а це у 15 разів нижче за норму, визначену Європейською Економічною комісією ООН; і з другого - майже катастрофічним якісним станом водних джерел [7]. Поряд з цим водні ресурси використовуються нераціонально, з порушенням екологічних вимог, що пов’язано з екстенсивним характером розвитку економіки країни, наявністю застарілих водо- та енергомістких технологій. Споживання свіжої води на одиницю виробленої продукції перевищує цей показник порівняно до Франції у 2,5 рази, Німеччини - у 4,3, Великої Британії та Швеції - у 4,2 рази. Крім того, показники середньодобового споживання води в комунальному господарстві в Україні найвищі: 220-450 л на одного мешканця (у Великій Британії - 200, Швеції - 200, Франції 150, Ізраїлі 135 л).

Через надмірне антропогенне навантаження, негативний вплив наслідків катастрофи на Чорнобильській АЕС, порушення умов формування водного стоку і природної рівноваги, що зумовило зниження якості водних ресурсів, загрозливе екологічне становище склалося майже в усіх річкових басейнах нашої країни. Вода, яка використовується для виробничих та господарських потреб, повертається у природні ланки як зворотна, у вигляді стічної, і несе у собі забруднюючі речовини, розчинні солі, хімічні домішки, частки ґрунту та біологічні відходи, які не характерні для живої природи. Особливу стурбованість викликають такі забруднюючі речовини як токсини, подібні до важких металів та пестицидів; органічні речовини, викиди поживних елементів, подібних до стоку добрив; випадання кислотних опадів, хвороботворні організми. Все це призводить до погіршення якості води і деградації водних ресурсів.

Комплексна екологічна оцінка стану річок басейнів Дніпра за методикою, яка розроблена Українським НДІ водогосподарсько-екологічних проблем, показала, що немає жодного басейну, стан котрого можна було б класифікувати, як добрий.

Дані таблиці свідчать, що задовільно оцінений екологічний стан лише 22% річок

Полісся (10% обстежених річок України), стан 33% характеризується, як поганий (39% - по Україні), 28% мають дуже поганий екологічний стан (31% - по Україні). І лише 6% обстежених річок Полісся зазнали незначних змін (2% загалом по Україні). З наведених даних можна зробити висновок, що чистих річок на сьогодні в Україні не залишилось. Лише 11% річок Полісся мають воду задовільної якості (3% - по Україні). Стан якості води решти річок характеризується від забрудненої до дуже забрудненої. Цю проблему досить влучно характеризує російський письменник В.М. Пєсков: "Річки треба вважати найважливішою державною цінністю. Тільки так можна вберегти радість, яку нам дають води, що течуть, і можливість у будь-яку хвилину втамувати спрагу. Адже немає на землі напою кращого, ніж склянка холодної чистої води."

2. Фізичні властивості води

Вода, в якій розпочалося життя на Землі, - це важливий екологічний фактор, що визначається її фізичними властивостями, зокрема, прозорістю, щільністю, теплопровідністю і теплоємністю, а також текучістю. Остання зумовлює циркуляцію в озерах і ставках.

Водне середовище однофазне - в ньому різко переважає рідка фаза. Одночасно природна вода, яка утворює гідросферу, являє собою складну полідисперсну систему, що складається з водних розчинів і зависі частинок неорганічних і органічних речовин, а також із живих органічних тіл, котрі втримуються в системі за рахунок різності співвідношень маси, постійного перемішування і переміщення водних мас або активної протидії силі тяжіння з боку живих організмів.

В поняття гідросфери включають і дно водоймища (тверда фаза), і приводний шар повітря (газоподібна фаза). Велике значення мають площини контактів цих фаз: дно-вода, вода-повітря. Це складні біогоризонти, насичені живими організмами. Відомо, що основну масу гідросфери Землі утворюють води Світового океану (95,5% за об'ємом), які містять величезну кількість органічної речовини, в тому числі незначну частку живих організмів - не більше 3 млрд. т, або 0,15%.

Головним джерелом тепла, яке надходить у водні шари, є сонячна енергія. Сонячне проміння, проникаючи крізь водну поверхню, поглинається і розсіюється водою, розчиненими в ній речовинами і зваженими частинками.

Зрозуміло, що зі зростанням у воді зважених частинок і дрібних організмів планктону зростає коефіцієнт затухання і, відповідно, погіршується прозорість води, а отже, зменшується інтенсивність фотосинтезу водяних рослин.

Сонячне тепло завдяки малій теплопровідності води майже не передається на глибину. Переміщення теплих мас з поверхні на глибину відбувається за рахунок вертикального переміщення (вітрового, конвективного, турбулентного у прісних порівняно мілководних водоймищах), а також за рахунок глибинних течій у морських водах. Прогрівання шарів води як у внутрішніх водоймах, так і в морях має сезонний характер.

Важливими фізичними властивостями води є її висока щільність, яка послаблює земне тяжіння, що дає змогу гідробіонтам мікроскопічних розмірів перебувати у зваженому стані. Крупніші гідробіонти для полегшення плавання знижують свою щільність, включаючи до складу тіла велику кількість води (медузи), жирових крапель (діатомові водорості), повітря (ламінарії і молюск наутілус), а також утворюючи різні відростки.

Водне середовище сформувало планктонні організми з характерною формою тіла, що дає можливість їм легко утримуватись "на плаву" або "ширяти" у водному просторі (медузи, лангусти, молюски). Цьому також сприяє розмір організмів: невеликі тіла зоопланктону мають теж здатність "ширяння" у водній товщі.

Для організмів, зокрема членистоногих, які живуть на поверхні води, має значення поверхневий натяг рідини (для чистої води становить 76 дін/см при 0°С і 73 дін/см при 20°С). Коли сила поверхневого натягу більша маси тварини, остання буде утримуватись завдяки поверхневому натягу. У комах, "ковзаючих по поверхні", тіло несуть передні і задні лапки, а середні кінцівки служать веслами.

До прісних вод, з одного боку, належать стоячі води, або стрічкові фації, з другого - проточні, або лотичні, фації. Рух води приводить до вирівнювання температури у всій її товщі, а також до збагачення киснем.

Текучі води в процесі адаптації формували тіло риб, яке, наприклад у форелі, в поперечному розрізі є округле, тоді як у риб стоячих вод (ставків, озер) воно плоске (короп, карась, окунь). Своєрідним для тварин швидкотекучих вод є екологічне пристосування - реотропізм: тварини приймають певне положення відносно течії і намагаються подолати її.

Вода, яка містить речовини у завислому стані, стає каламутною. З екологічної точки зору такий стан води через погане проникнення в її товщу сонячного проміння веде до зниження продуктивності автотрофної рослинності. Як правило, в такій воді менше кисню і багато організмів перебувають у пригніченому стані. Причина каламутності - змив дощовими чи талими водами дрібних частинок ґрунту, особливо гумусу.

3. Забруднення природних вод

3.1 Важкі метали

Важкі метали (ртуть, свинець, кадмій, цинк, мідь, миш'як) належать до числа поширених і досить-таки токсичних, забруднюючих навколишнє середовище, речовин. Вони широко застосовуються в різних промислових виробництвах, а тому, незважаючи на заходи з їх очистки, вміст сполук важких металів в стічних водах досить високий. Великі маси цих сполук надходять у водойми з атмосферними опадами. Для морських біоценозів найбільш небезпечними є ртуть, свинець, кадмій. Ртуть надходить до океану з материковими стоками і через атмосферу. При вивітрюванні осадових та вивержених порід щорічно виділяється близько 1,1 • 10⁴ т ртуті, при цьому значна частина цього вмісту має характер антропогенного походження. Близько половини річного промислового виробництва цього металу (9,1 • 10⁴ т/рік) різними шляхами надходить в океан. В районах, забруднених промисловими водами, концентрація ртуті (в розчинах та в звішеному стані) значно підвищується. При цьому деякі бактерії перетворюють хлориди у високотоксичну метилртуть. Забруднення морських продуктів ртуттю неодноразово призводило до ртутного отруєння мешканців прибережних районів. До 1977 р. налічувалось 1280 жертв хвороби Міномата, причиною якої були відходи підприємств по виробництву хлорвінілу та ацетальдегіду, на яких в якості каталізатора використовувалась хлориста ртуть, а недостатньо очищені стічні води надходили в затоку Міномата.[8]

Свинець - типовий розсіяний елемент, який міститься в усіх компонентах оточуючого середовища: в гірських породах, ґрунтах, природних водах, атмосфері, живих організмах. Свинець активно розсіюється в оточуючому середовищі в процесі господарської діяльності людини. Це зумовлено викидами з промисловими і побутовими стоками, з димом і пилом промислових підприємств, з вихлопними газами двигунів внутрішнього згорання тощо. Міграційні потоки свинцю з континентів в океан ідуть не лише з річковими стоками, але і через атмосферу. З континентальним пилом океан отримує (2-3) • 10⁴ т свинцю на рік.

3.2 Органічне забруднення природних вод

Серед розчинних речовин, які надходять до світового океану з суші, найбільше значення для мешканців водного середовища мають не лише мінеральні та біогенні елементи, але і органічні рештки. Винос до океану органічної речовини оцінюється в (1,3...1,4) •10⁹ т/рік. Стічні води, які містять суспензії органічного походження або розчинені органічні речовини, згубно впливають на стан водойм. Випадаючи в осад, ці суспензії замулюють дно водойми, затримують розвиток або зупиняють життєдіяльність мікроорганізмів, які беруть участь в процесах самоочищення вод. В процесі перегнивання донних осадів можуть утворюватись шкідливі сполуки та отруйні речовини, які призводять до забруднення всієї води в річці або водоймі. Наявність суспензій ускладнює також проникнення світла вглиб водойми, що призводить до сповільнення процесів фотосинтезу.

Однією з основних санітарних вимог до якості води є вміст у воді кисню. Шкідливу дію на якість води чинять всі забруднення, які так або інакше зменшують вміст кисню в ній. Поверхнево активні речовини, жири, мастила, мастильні матеріали утворюють на поверхні води плівку, яка запобігає газообміну поміж джерелом водойми і атмосферою, що зменшує рівень насиченості води киснем. Значний обсяг органічних речовин, більшість з яких не властива природним водам, скидається в річки разом з промисловими та побутовими стоками. Збільшення забруднення водойм та водостоків спостерігається у всіх промислово розвинених країнах. Інформація про вміст деяких органічних речовин в промислових стічних водах наведено в табл. 2.

В зв'язку з високими темпами урбанізації і дещо уповільненим будівництвом очисних споруд або їх незадовільною експлуатацією, водні басейни і ґрунт забруднюються побутовими відходами. Особливо істотним є забруднення у водоймах з повільною течією або непроточних (водосховища, озера). Розкладаючись у водному середовищі, органічні відходи можуть трансформуватись у середовище придатне для розвитку патогенних організмів. Вода, забруднена органічними відходами, є практично непридатною для споживання її людиною та для інших потреб. Побутові відходи небезпечні не лише тим, що є джерелами певних хвороб людини (холера, тиф, дизентерія тощо), але і тим, що потребують для свого відновлення багато кисню. Якщо побутові стічні води надходять до водойм у великих кількостях, то вміст розчиненого кисню може зменшитись нижче рівня, необхідного для життя морських та прісноводних організмів.

3.4 Нафта і нафтопродукти

Нафта переважно складається з насичених аліфатичних та гідроароматичних вуглеводів, які поділяються на чотири класи:

Парафіни або алкени (до 90% загального складу) - стійкі речовини, молекули яких виражені прямим та розгалуженим ланцюгом атому вуглецю в кільці. Легким парафінам властива максимальна летючість і розчинність у воді.