Моделювання забруднення ґрунтів

МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ВІДКРИТИЙМІЖНАРОДНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РОЗВИТКУ ЛЮДИНИ “УКРАЇНА”
РівненськаФілія
Кафедракомп’ютерного еколого-економічного моніторингу
КурсоваРобота
Здисципліни: “Об’єктно-орієнтованний аналіз: моделювання стану навколишньогосередовища”
Натему: “Моделювання забруднення ґрунтів”
Виконав:
Студент 2-го курсу
Спеціальності “Комп'ютерний
еколого-економічний моніторинг”
Марчук Олександр
Керівник:
Грицюк П.М
Рівне-2003

План
1.        Родючість ґрунтів
2.        Ґрунти і екологія
3.        Ґрунти Рівненщини
4.        Математичні моделі розрахунку і прогнозуванняхімічного забруднення ґрунту
5.        Моделювання забруднення ґрунту пестицидами
6.        Приклад моделі розрахунку і прогнозування хімічногозабруднення ґрунту
Висновок
Література

1.   Родючість ґрунтів
Одним з основних критеріїв якісної оцінкисільськогосподарських угідь виступає родючість ґрунтів, як основафункціонування цієї категорії земель, а головним показником, за допомогою якогооцінюється родючість фунту, виступає вміст у ньому комплексу специфічнихорганічних речовин — гумусу. Від кількості гумусу залежить не лише врожайністьрослин, але й спрямованість ґрунтових процесів, екологічний стан ґрунтів іландшафтів, ефективність заходів по підвищенню родючості ґрунтів та охоронинавколишнього середовища. Рівень гумусованості ґрунтів теж має зональнузалежність. Так, якщо дерново-підзолисті ґрунти Полісся характеризуютьсяневисоким вмістом гумусу (0,7-2,0%), а у лісостепу гумусованість зростає від1,0-2,5% у ясно-сірих ґрунтах до 4,0-6,0% у чорноземах типових, то учорноземному степу кількість гумусу знижується у протилежному напрямку — зпівночі на південь — від 6,0 до 1,5%. Як показують матеріали Держкомзему (1998p.), на протязі останніх десятиріч в Україні спостерігається досить сталатенденція до зниження вмісту гумусу в ґрунтах, що пояснюється як природнимипроцесами (насамперед, ерозійно-дефляційними), так і спрацюванням гумусу впроцесі інтенсифікації сільськогосподарського виробництва. За данимиспостережень протягом останніх 30 років, середньорічні втрати гумусу на Поліссістановлять 0.1, у лісостепу-0,8, у степу-0,4 т/га, чим і пояснюється нагальнанеобхідність реалізації наукових розробок по відновленню родючості ґрунтів,запропонованих науковцями і практиками України та з успіхом апробованих урізних природних зонах та на різних ґрунтових відмінах.
Для порівняльних оцінок родючості ґрунтівза їх природними особливостями (з урахуванням рівнів інтенсифікаціїземлеробства) проводиться бонітування ґрунтів (від лат. bonitas — доброякісність), при якому весь комплекс якісних показників ґрунту оцінюється убалах (в Україні — від 22-31 бала у дерново-підзолистих піщаних іглинисто-піщаних ґрунтах до 65-100 балів у чорноземах типових). Самебонітування ґрунтів є однією з найважливіших підвалин головного документу, щовизначає основні засади землекористування в Україні — Земельного кадастру.
2.   Грунти і екологія
На сучасному етапі надзвичайнозагострюються екологічні аспекти землекористування в Україні. Більшістьекологічних негараздів, пов'язаних з використанням земельних ресурсів, мають природнуоснову, однак їх активізація зумовлена не стільки ритмікою (циклічністю)природних явищ, скільки антропогенним впливом, точніше — наслідкаминерозважливого господарювання, орієнтованого не на перспективу, а на сьогоденнувіддачу.
Серед основних несприятливих факторів, щопозначаються на кількісній і якісній сторонах земельних ресурсів, насампередзгадаємо про ерозійні процеси, які полягають у руйнуванні ґрунтового покриву,переміщенні, перетиранні, обточуванні та перевід-кладенні твердих частинок ґрунтупід дією води, вітру або під час обробітку ґрунту. В залежності відпереважаючих факторів, що зумовлюють розвиток ерозійних процесів, останніподіляються на три групи — водну, вітрову та агротехнічну ерозію. При цьомурозрізняють ерозію нормальну, яка проявляється на територіях, не порушенихгосподарською діяльністю людини, та прискорену, що розвивається підантропогенним впливом (розорювання схилів, нерегульовані випаси худоби на них,суцільне вирубування лісів тощо). Цілком зрозуміло, що в сучасних умовах мимаємо справу переважно з процесами прискореної ерозії, негативний вплив якоїпроявляється головним чином на основному виді сільськогосподарських угідь — ріллі, причому за ступенем еродованості виділяються слабо-, середньо- тасильноеродовані землі. Станом на 1.01.1996 p. в Україні еродовано 12,9 млн.га сільськогосподарськихугідь (30,8%), у тому числі 10,6 млн. га ріллі (31.6%). При цьому кожного рокуплощі еродованої ріллі зростають пересічно на 70 тис.га.
Другий за поширенням (після ерозії) екологічнийаспект землекористування в Україні пов'язаний з інтенсивним забрудненнямґрунтів, яке виникає внаслідок господарської діяльності людини, причомудіяльності, далеко не завжди безпосередньо пов'язаної з експлуатацією земельнихресурсів. Основні напрямки забруднення ґрунтів, які підлягають постійномупольовому і лабораторному контролю, визначаються нагромадженням у ґрунтовомупокриві залишків засобів захисту рослин (пестицидів), мінеральних добрив таважких металів. При цьому реальний вміст шкідливих речовин у ґрунтіпорівнюється з вже згадуваними гранично допустимими концентраціями (ГДК) — нормативне встановленим вмістом таких речовин у масі ґрунту (мг/кг), при якомугарантується відсутність негативного (прямого чи опосередкованого) впливу наздоров'я людини та санітарні умови проживання населення. На практиці одним зосновних екологічних критеріїв забруднення ґрунтів виступає саме нагромадженняу ґрунтах різноманітних важких металів, що потрапляють у ґрунт з повітря абочерез підземні води (досить згадати, що, наприклад, у одній лише вугільній золіміститься до 70 хімічних елементів, серед яких значна кількість може бутивіднесена до групи важких металів). При цьому на чільні позиції виходять навітьне кількісні оцінки нагромаджуваних у ґрунтах важких металів, а їх токсичність.Однак, як зазначає С.Веремеєнко (1999), на даний час ще не розроблені чіткікритерії токсичності кожного елементу для різних сільськогосподарських культур,в зв'язку з чим при екологічних оцінках стану забруднення ґрунту можна користуватисяемпіричними показниками, наприклад, коефіцієнтом токсичності (Кт),запропонованим Г.Євдокимовою:
Кт = Са + Mg / т.е., (27)
де: Са + Mg- сума обмінних основ;
m.e — вміст токсичного елементу. При цьомудля кожного хімічного елементу, що забруднює ґрунт, як і для кожного типуґрунтів повинна розроблятися своя шкала токсичності. Так, для підзолистихґрунтів, забруднених нікелем, ця шкала має наступний вигляд: при Кт >30ґрунт вважається нетоксичним, при Кт = 10-29 -слаботоксичним, при Кт
В зв'язку з сказаним, надзвичайноактуальними стають проблеми визначення допустимих меж присутності важкихметалів у ґрунтах.
При цьому кількісними критеріямидопустимого вмісту важких металів у ґрунтах виступають згадувані вже величиниГДК, а при їх відсутності (оскільки на сьогоднішній день ГДК розроблені далеконе для всіх важких металів) користуються особливим показником — клерками, якіпоказують середній вміст хімічного елементу в незабрудненому ґрунті (табл.10).
В залежності від вмісту важких металівіснує 6 оціночних класів ґрунтів, за якими визначаються допустимі умовивикористання ґрунтів (табл.11)
Забруднення ґрунтів має виразнийрегіональний характер. Так, надмірні концентрації шкідливих речовин, пов'язанихз внесенням мінеральних добрив, відмічаються на ґрунтах Полісся і Карпатськогорегіону, де протягом 1985-1990 років вносилися підвищені дози таких добрив — від 210-240 до 300 кг/га (при показнику середньому по Україні -150 кг/га).Високі дози мінеральних добрив (150-200 кг/га) вносилися також в окремихобластях лісостепової зони (Київська, Чернівецька). Локальні ділянки надмірноговикористання мінеральних добрив відмічалися і на зрошуваних землях степовоїзони. Головним наслідком цього процесу стало нітратне забруднення ґрунтів та вирощеноїна них сільськогосподарської продукції. Підвищене забруднення важкими металами(свинцем, хромом, нікелем тощо) відмічається головним чином на територіях,прилеглих до великих промислових центрів (особливо на Донбасі та уПридніпров'ї), а також на окремих ділянках, прилеглих до напруженихавтомагістралей.
Як показують дослідження А.Обухова (1989),забруднення ґрунтів важкими металами більш уповільнено відбувається начорноземах, які мають (у порівнянні з дерново-підзолистими фунтами піщаного тасупіщаного гранулометричного складу) значно більше органічної речовини і високувбирну здатність. Коефіцієнти дифузії важких металів у чорноземах у 2-3 разинижчі, ніж у дерново-підзолистих грунтах, а відтак чорноземи страждають віднаслідків забруднення значно менше, ніж підзолисті піщані і супіщані ґрунти. Начорноземах менше пошкоджується врожай і погіршується його якість, ніж на іншихґрунтах.
Окрема специфічна проблема пов'язана змасовим радіонуклідним забрудненням ґрунтів внаслідок Чорнобильської катастрофи(головним чином цезієм-137, меншою мірою — стронцієм-90). Підвищенерадіоактивне забруднення відмічається не тільки в усіх областях УкраїнськогоПолісся, від Волині до Сумщини, але й на окремих локаліях Вінницької,Черкаської і навіть Чернівецької областей, куди поширювалася чорнобильська«хмара» під час аварії.
Серед екологічних ускладнень, пов'язаних ізземельними ресурсами України, відзначимо також процеси засолення та вторинногозаболочування ґрунтів, активізація яких теж тісно переплітається з господарськоюдіяльністю людини, про що згадувалося нами вище.
За ступенем комплексного прояву згаданих таінших аномалій розрізняють кілька основних типів екологічних ситуацій, якіскладаються на землях України:
Сприятлива ситуація відмічається натериторіях, що не зазнають впливу радіонуклідів та шкідливих викидівпромислових підприємств і характеризуються невисоким (
Задовільна ситуація складається натериторіях з незначним забрудненням Cs-137 (на рівні 0,1- 1,0 Кі/км2) і Sr-90(
Передкризова ситуація характерна длятериторій з радіонуклідним забрудненням по Cs-137 не вище 1-5 Кі/км2 і по Sr-90- до 0,02-1,0 Кі/км2 та пестицидним навантаженням 4-5 кг/га д.р. Залишковікількості пестицидів та валових форм важких металів у ґрунті і в рослинницькійпродукції знаходяться на рівні ПДК, а у рухомих формах у ґрунтах перевищуютьГДК у 1,5-2 рази.
Кризова ситуація складається на територіяхз рівнем радіонуклідного забруднення Cs-137 у межах 5-15 Кі/км2 і Sr-90 -1-3Кі/км2, причому залишкові кількості пестицидів у ґрунтах і рослинах у 1,1-1,5рази перевищують ГДК, вміст валових форм важких металів перевищує ГДК у 2-10разів, а у рослинній продукції — у 1,1-1,5 рази (в рухомих формах у ґрунтах віну десятки разів перевищує ГДК).
Катастрофічна ситуація проявляється натериторіях, де відмічається перевищення всіх нормативів, притаманних кризовимплощам.
Останнім часом за такою схемою Держкомземоцінює й протиерозійну стійкість ґрунтів (при цьому фактичний стан еродованостіпорівнюється з теоретичною «нормою ерозії», визначеною для різнихтипів ґрунтів у різних природних регіонах). Зрозуміло, що наведена методикаякісної оцінки екологічних ситуацій, пов'язаних із земельними ресурсами, можебути застосована лише на основі ретельних комплексних обстежень територіїУкраїни. Ця робота в державі проводиться систематично, проте в умовахекономічної скрути темпи її залишають бажати кращого.
За таких умов загальну уяву про екологічнустійкість земельних ресурсів України можна скласти на основі порівняннякількісних (площинних) показників описаних вище типів сільськогосподарських угідь.При цьому виходять з того, що найбільш нестійкими (в екологічному розумінні)угіддями виступають орні землі, в той час як сіножаті, пасовища, ліси,чагарники, болота розглядаються як умовно стабільні угіддя. Отже, показникомекологічної стійкості ґрунтів (ПСЕГ) може виступати відношення умовностабільних угідь до площі орних земель. Більшою екологічною стійкістювідрізняються земельні ресурси західних і північних областей України, в той часяк найбільш вразливі території зосереджені на півдні та на сході держави.
3. Ґрунти Рівненщини
Складні природні умови області, і в першучергу розмаїття приповерхневих геологічних утворень («материнськихпорід»), зумовили строкатість і різноманітність ґрунтового покривуописуваної території. За даними крупно масштабних ґрунтових обстежень, у межахобласті було виділено 277 ґрунтових відмін (М.Кваша,1970). Новіші роботиґрунтознавців Рівненського філіалу Інституту землеустрою, Рівненськогодержавного технічного університету та інших наукових і проектних організацій областідозволяють виділити з цього розмаїття кілька найпоширеніших типів ґрунтів.
Дерново-підзолисті ґрунти сформувалисяпереважно під лісами з участю трав'яної рослинності, що зумовило одночаснийпрояв двох протилежних процесів ґрунтоутворення: з одного боку — підзолистого,при якому руйнуються мінеральні й органічні частини ґрунту, а з іншого — дернового, який сприяє нагромадженню органічних та мінеральних (насампередкарбонатних) речовин у ґрунтовій товщі В залежності від переважання того чиіншого процесу, особливо підзолистого, розрізняють приховано-, слабо- тасередньопідзолисті грунти. Разом з тим, на складі, будові і властивостях ґрунтіввідчутно позначаються особливості материнських порід, на яких протікали процесиґрунтоутворення, в зв'язку з чим виділяються піщані, глинисто-піщані тасупіщані різновиди дерново-підзолистих ґрунтів.
Зважаючи на значне поширення цих ґрунтів,особливо на межиріччях і великих борових (перших надзаплавних) терасах Полісся,дерново-підзолисті ґрунти досить інтенсивно використовуються усільськогосподарському виробництві області, про що свідчить і відносно високийрівень їх розорювання (понад 60%).
Опідзолені ґрунти сформувалися переважно налісовидних породах і поширені у південній лісостеповій частині області,займаючи вододільні плато та їх схили на Волинській височині. У формуванні ґрунтівцього типу проявився вплив двох основних грунтоутворчих процесів — підзолистогоі чорноземного, в залежності від переважання яких виділяють кілька типів ґрунтів:ясно-сірі, сірі опідзолені, темно-сірі опідзолені та чорноземи опідзолені.Найбільше поширення у межах області мають сірі опідзолені ґрунти (близько 123тис.га), які характеризуються значною кислотністю, а відтак — безструктурністюі розпорошенням орного шару, схильного до запливання та утворення кірки наповерхні, нарешті, незначним вмістом гумусу і зниженою родючістю. Разом з тим,ці ґрунти інтенсивно розорюються (82%) і досить ефективно використовуються привирощуванні зернових, технічних та плодових культур, багаторічних трав тощо.
Менш яскраво проявлявся підзолистий процеспри формуванні темно-сірих опідзолених ґрунтів, в зв'язку з чим вонивідрізняються більшим вмістом гумусу (2,2-3,0%), зменшенням кислотності,поліпшенням фізичних властивостей (простежується, хоч і слабо виявлена, зернисто-грудкуватаструктура, зменшується схильність до запливання тощо). Все це зумовлює кращуродючість, а відтак і високий рівень розорювання (понад 92%) темно-сірихопідзолених ґрунтів, загальна площа яких в області перевищує 72 тис. га.
Ще менше виявлений підзолистий процес учорноземів опідзолених, площа яких охоплює майже 62 тис. га. За своєюморфологією, фізико-хімічними властивостями і родючістю вони наближаються дочорноземів типових.
Високі рівні розорювання опідзолених ґрунтівв умовах хвилястої поверхні вододільних просторів та схилів лесового плато,сприяють інтенсивному розвитку ерозійних процесів, що проявляються через втратуприродної родючості ґрунту (площинний змив), а часом і через повне руйнуванняґрунтового покриву (яркова ерозія). За даними Рівненського філіалу Інститутуземлеустрою, майже 43% площ поширення опідзолених ґрунтів характеризуютьсярізними ступенями змитості ґрунтового покриву. Чорноземи типові складаютьнайцінніші земельні угіддя області, що формувалися під трав'яною рослинністю(луки, степи) на лесових відкладах Волинської височини, займаючи площі понад 42тис.га. Ці грунти характеризуються легко-суглинковим складом з високим вмістомпилу і мулу, зернисто-грудкуватою структурою орного шару, слабокислою або нейтральноюреакцією ґрунтового розчину.
За вмістом гумусу чорноземи областіподіляються на слабогумусовані (1,7-3,0%) та малогумусовані (3,0-4,5%), а запотужністю гумусової частини профілю — на неглибокі (80-110 см) та глибокі (до120-130 см).
Розміщення на високих гіпсометричних рівняхта інтенсивне розорювання чорноземів (по окремих різновидах розорано від 92 до100% площ) сприяють поширенню ерозійних процесів, в зв'язку з чим на початок90-х років майже 40% площ, вкритих грунтами цього типу, мають явні ознакирізних ступенів змитості (від слабо- до сильнозмитих).
Чорноземи та дерново-карбонатні ґрунти, щоутворилися на елювії карбонатних порід, мають в області фрагментарне поширення(зокрема, у Малому Поліссі), хоч їх загальна площа (понад 39 тис.га) мало поступаєтьсяперед описаними вище чорноземами типовими.
Характерною рисою грунтів цієї групи євідчутне зменшення потужності гумусованої товщі (рідко перевищує 20-30 см) ірізкий перехід до корінної породи (тріщинуваті мергелі, вапняки). Ці грунтимають дещо гірші, порівнюючи з чорноземами типовими, фізико-механічні та воднівластивості, відрізняються переважно лужною реакцією ґрунтового розчину.Найбільш ефективно використовуються для вирощування озимої пшениці, особливо заумови підживлення фосфорними добривами. Розораність перевищує 95%, протезмитість відчутно зменшується, що пояснюється відносно незначними перевищеннямиареалів розвитку цих грунтів над місцевими базисами ерозії.
Дещо кращі властивості маютьдерново-карбонатні грунти, що утворилися на елювії карбонатних порід(перегнійно-карбонатні або рендзини). На цих грунтах можуть вирощуватисянепогані врожаї різноманітних сільськогосподарських культур, особливо за умовизабезпечення посівних площ калійними добривами. Рендзини фрагментарнезустрічаються у Малому Поліссі та у Костопільському районі. Дернові грунтипоширені переважно у південній частині Рівненського Полісся, а також назаплавах річкових долин у межах Волинської височини, займаючи загальну площупонад 130 тис.га. Утворилися переважно на пісках (часом на супісках), в зв'язкуз чим характеризуються легким механічним складом, малим вмістом органічнихречовин, незначним насиченням основами. Зустрічаються розвинені (глибокі)дернові глейові грунти, де потужність гумусового горизонту сягає 20 см, танерозвинені (неглибокі) різновиди, з потужністю гумусового горизонту до 8-10см.
Незначний вміст гумусу, а відтак нестачаазоту і фосфору, зумовлює низьку природну родючість дернових грунтів. Особливоце стосується піщаних та зв'язно-піщаних відмін, де на додаток до сказаноговідчувається і нестача калію.
Лучні та чорноземно-лучні грунтизустрічаються по всій території області, займаючи низькі (часом і високі) рівнізаплав, днища балок і фрагментарно — окремі ділянки надзаплавних річкових тераста знижених вододілів (особливо на Поліссі). Формуються переважно підтрав'янистою рослинністю на алювіальних та делювіальних відкладах в умовахнадмірного тимчасового зволоження.
За глибиною залягання грунтових вод ірівнем оглеєння розрізняють лучні глейові та лучно-болотні грунти. У першихрівні ґрунтових вод залягають на глибинах 50-100 см, а у других грунтові водипідходять безпосередньо до поверхні. На окремих ділянках високих заплав,надзаплавних терас та знижених вододілів поширені лучно-чорноземні грунти (загальнаплоща близько 7 тис.га), які теж формуються під трав'янистою рослинністю вумовах високого залягання рівнів ґрунтових вод. Ці грунти одночасно поєднуютьознаки лучних грунтів (часто навіть мають оглеєння у нижній ділянці профілю) ічорноземів, хоча у порівнянні з останніми вони більш зволожені і гумусовані.
Лучні, лучно-болотні і особливолучно-чорноземні грунти мають порівняно високу потенційну родючість івикористовуються переважно як природні кормові угіддя. Значні площі такихгрунтів розорані і призначаються під польові сівозміни, а особливо — длявирощування кормових і овочевих культур. Щодо районування грунтів на територіїобласті можна сказати наступне.
РАДИВИЛІВСЬКИЙ район. Переважаютьдерново-глейові карбонатні та чорноземно-лучні карбонатні грунтихарактеризуються відсутністю торфового шару і являють собою чорну землистумасу, яка світлішає з глибиною. Загальна потужність рідко перевищує 50-70 см.
Аналіз водно-фізичних та фізико-хімічнихвластивостей ґрунтового покриву показує, що переважна більшість ґрунтовихрізновидів може досить ефектив використовуватися у сільськогосподарськомувиробництві лише за умови штучного поліпшення, тобто вимагає застосуваннянауково обгрунтованої системи гідротехнічних хімічних меліорацій. Заособливостями літології материнських порід, провідних проце грунтотворення,морфології та водно-фізичних властивостей і природної родючості груш у межахРівненщини виділяють (С.Вознюк, П.Кузьмич та ін., 1976) вісім грунто-меліоративних районів, які характеризуються не тільки домінантним поширенн тихчи інших типів грунтів, але й особливостями господарського використання іполіпшеї ґрунтового покриву території. Болотні грунти поширені головним чином уПоліссі, займаючи різні за генезисом і розмірами зниження у алювіальних та озерно-льодовиковихвідкладах. Фрагментарне зустрічаються у межах Волинської височини та МалогоПолісся, особливо на заплавах Ікви, Свитеньки, Вілії та інших приток Стиру іГорині.
ЗАРІЧНЕНСЬКИЙ. Переважають болотні (50%),дерново-підзолисті (29%) та дернові грунти.
ВИСОЦЬКО-РАФАЛІВСЬКИЙ. Переважають болотнігрунти.
ПЛАВ-ГОРИНСЬКИЙ. Найбільш розвиненіторфовища (50%), дерново-підзолисті (30%), лучні (12%) та дернові грунти.
САРНЕНСЬКИЙ. Переважають дерново-підзолисті(на підвищеннях) і дерново-карбонатні (у зниженнях) грунти.
РОКИТНІВСЬКИЙ. Найбільш поширенідерново-підзолисті оглеєні грунти.
КОСТОПІЛЬСЬКИЙ. Основу грунтового покривускладають дерново-слабопідзолисті карбонатні та лучні грунти з окремиминизинними торфовищамц.
РІВНЕНСЬКИЙ. Найбільш розвинені сіріопідзолені грунти на лесовидних суглинках та чорноземи.
4. Математичні моделі розрахунку іпрогнозування хімічного забруднення ґрунту
Натурними спостереженнями встановленоінтенсивне забруднення ґрунту хімічними елементами промислових відходів, а такожнакопичення в ньому залишкової кількості пестицидів. В зв’язку з цим важливим єпрогнозування на перспективу потрапляння забруднення в ґрунт промисловихцентрів і сільськогосподарських територій.
Згідно даних про ступінь і характерзабруднення ґрунту в районі шлаконакпичувачів були розроблені моделі розрахункудеяких хімічних елементів в поверхневому (0-20 см) горизонті ґрунту, а самедля:
Міді
/>; (1)
Цинку
/> (2)
Хрому
/> (3)
Нікелю
/> (4)
де r – відстань від шлакнакпичувача (/>м);
x0 – вихідне значення хімічних елементів вґрунті, мг/кг.
Дослідженнями встановлено інтенсивнезабруднення цими хімічними речовинами поблизу Териконів. Тому перевірка цихмоделей з метою визначення можливості їх застосування для прогнозу забрудненняґрунту відходами вугільної промисловості була проведена на матеріалах пронаявність в ґрунті хрому, міді, нікелю і інших хімічних сполук в районірозміщення териконів(таблиця 1).
Результати порівняння фактичних ірозрахункових значень рівнів забруднення ґрунту біля териконів і звалищ взалежності від відстані, %
(/>)Відстань від об’єкта дослідження По шахті №1 По шахті №2 По звалищі Cu Cr Cu Cr Cu Cr Zn Ni Ґрунт біля підніжжя терикону(звалища) 98 90 96 90 90 90 90 90 50м від звалища - - - - 45 140 108 56 100м від терикону 626 730 561 1690 - - - - 250м від звалища - - - - 920 1160 3826 500м від терикону 7761 14090 7761 28090 - - - - 1000м від терикону 42092 70756 28761 106090 - - - -
Порівняння даних натурних спостережень ірозрахунків свідчать про те, що фактичний рівень забруднення ґрунту в районіТериконів і звалищ відповідає розрахованому тільки в випадках відбору проб біляпідніжжя Териконів, тобто на самій близькій відстані від вивчаючого об’єкта. Вцих випадках відсоток достовірності досягає 90-98%. При відборі проб ґрунту навідстані 500 і 1000м, розраховані величини перевищують фактичні в десятки,сотні, а то і тисячі разів.
Варто відмітити, що хімічне забрудненняґрунтів в основному здійснюється двома шляхами: поглинанням верхнім шаром ґрунтувикидів промислових джерел в атмосферу; безпосереднє внесення хімічних речовину вигляді добрив, пестицидів, гербіцидів. В першому випадку математична модельістотно залежить від структури переносу забруднень повітряним шляхом, висоти,потужності джерела, забруднення і відстані від нього. Якщо врахувати ці умови,то запропоновані математичні моделі (1-4) можуть бути перенесені на вивчаючіоб’єкти (ґрунт в районі Териконів ), розміщені на відстані до 50 м від джерелазабруднення. Моделі (1-4) можуть бути використані для ідентифікації початковихумов, тоді як для прогнозування забруднення на відстані більше 50-100мнеобхідно синтезувати різницеве рівняння.
Припустимо, що взаємодія забруднюючихречовин з ґрунтом здійснюється за законом:
/>, (5)
де допускається можливість як поглинання,так і відбивання забруднюючих речовин.
Для оцінки сумарного впливу джерела, зметою визначення кількості осідаючих забруднюючих речовин, застосовуютьпланшети з липкою чи водяною поверхнею. В Гідрохімічному інституті оцінкасумарного впливу Байкальського целюлозно-паперового комбінату на оз. Байкалздійснюється за результатами зняття проб снігу поблизу джерела забруднення.Основою для побудови моделі є дані натурних спостережень по двох одномірнихпрофілях.
В якості вихідного рівняння (моделіоб’єкту)було покладено:
/> (6)
де L(x,y) — двомірне рівняння дифузії першаскладова правої частини характеризує джерело забруднювачів на висоті Н(забруднюючі речовини, які потрапляють через трубу); друга складова –неорганізовані викиди підприємства .
Функція /> може мати різний вигляд, зокремапри
/>

Припускається лінійність джерела зпостійною потужністю викидів С на відрізку [O, h] і рівною нулю при z>h.
Якщо
/>
Потужність джерела забруднювачів (терикону,заводу)розподіляється по параболі.
Враховуючи, що коефіцієнти рівнянь (5) і(6) – випадкові функції метеофакторів, і сумуючи ці рівняння з визначенимимасами/>,які вибираються пропорційно часу дії метеорологічних умов і – го типу“усереднені” рівняння також отримуємо у вигляді (5) та (6).
При переході від рівняння (5) дорізницевого /> (7)
Отримуємо, що концентрація речовини, якапоглинається снігом, пропорційна наземній концентрації.
Застосовуючи тепер метод прямих до рівняння(6) для розрахунку забруднення по однорідному профілю, отримаємо рівняння:
/> (8)
5. Моделювання забруднення ґрунтупестицидами
Одним із найбільш важливих інтегральнихпоказників, які відбивають кінцевий результат взаємодії пестицидів, середовищаі зовнішніх факторів, є рівень забруднення того чи іншого середовища. Ґрунтзаймає особливе місце серед інших середовищ. Існує багато факторів, від якихзалежить кількість пестицидів в ґрунті і навколишньому середовищі.
Теоретичною моделлю розчинення, переносу,поглинання і розпаду пестицидів в ґрунтах, у випадку одночасного руху розчинув пористому середовищі, буде рівняння конвертивної дифузії :
/> (9)
де /> - дифузійна складова;
/> — коефіцієнт швидкості розпадупестициду;
U — концентрація пестициду в розчині;
V — швидкість фільтрації;
/> - швидкість розчинення пестицидуу воді;
/> — функція поглинання пестицидукореневою системою
Для квазістаціонарного вирішення, коли V незалежить від х та m0=const, швидкість фільтрації розраховується з умови:
/> (10)
Кінетика процесу розчинення і розпаду можебути писана рівнянням першого порядку:
/> (11)
де k1 – константи розпаду в твердій фазі (всухих ґрунтах);
Um — концентрація насичення;
b — концентрація пестициду в твердій фазіґрунтів.
Для отримання повної моделі чи їїрівничного аналогу даних натурних спостережень немає. Є лише результати вивченняміграції пестицидів і металів з ґрунту в рослини які вказують на їх складний,нелінійний характер.
Тому в даний час обстежується розглядомточкових моделей, хоча така заміна вкрай небезпечна: усереднена поведінкапестициду в просторі, ми тим самим не враховуємо можливість його накопичення вокремих точках простору вище норм гранично допустимих концентрацій (ГДК).
Задача дослідження точкових системзводиться до встановлення залежності між вхідними параметрами – факторами дояких відносяться: фізико – хімічні властивості препарату (молекулярна маса,температура плавлення чи кипіння, розчинність у воді і в жирах, стійкість прирізних рН, леткість); фізик – хімічні властивості ґрунту (склад гумусу, середнятемпература ґрунту, рН, вологість, механічний склад, кількість внесенихдобрив, мікроорганізми); умови обробки ґрунту (кількість і спосіб внесенняпрепарату і його товарна форма, глибина розорювання, вид культури, яка росте іїї урожайність); кліматичні умови (температура атмосферного повітря, йоговідносна вологість і швидкість руху, кількість опадів і їх періодичність) іінші фактори і вихідні параметри, які свідчать про якість функціонуваннясистем, зміну концентрації пестицидів з часом.
Як раніше вже відмічалося, процес розкладуречовин в ґрунті здійснюється пропорційно текучій концентрації цих речовин У0,а все різноманіття факторів, які впливають на зміну концентрацій пестицидів чирадіонуклідів з часом, виражається через усереднений коефіцієнт К, якийвизначається експериментально. Для визначення заданих умов, рівняння буде матинаступний вигляд:
Y = y0 e – k t (12)
Для отримання більш точних даних про змінуконцентрації пестицидів в грунті з часом при дії різних факторів оточуючогосередовища, користуються методом ґрунтового врахування аргументів длясамоорганізації прогнозуючих моделей за даними досліду. Зовнішнім критерієм присинтезі прогнозуючих моделей може бути критерій регулярності /> чи критерій мінімуму/>.
На другому етапі селекції відбуваєтьсяадаптація коефіцієнтів моделі у всіх точках і кожна з F кращих моделейперевіряється за додатковим критерієм селекції: задається “трубка” значеньпрогнозуючого параметра, яка дозволяє виділити моделі прогнози по якихзнаходяться в її межах в процесі крокового інтегрування рівнянь. Точність, якане виходить за межі “трубки” прогнозів оцінюється за критерієм помилки багаторазовогопрогнозу
/>,
де /> — відповідно фактичне значення ізначення покрокового прогнозу, розраховане по даній моделі.
Вибір моделі оптимальної складностівиується на площині критеріїв />чи />.
Оптимальними є моделі, які знаходятьсяближче до початку координат:
Приклад 1. прогнозуюча величина c(t)концентрація далапону в грунті. Вхідні параметри – концентрація даної речовинив початковий момент часу c (t0 ), рН грунту в час t. Так як в досліді c(t0)змінювалась в різних межах, то необхідно виконати нормування вхідного параметра. вихідна величина тепер буде:
/>

Повний поліном, на основі якого синтезованімоделі, мають наступний вигляд:
/>=/>,/>(13)
Синтезуються алгебраїчні моделі, томуселекція проходить в один етап з подальшою адаптацією коефіцієнтів моделі увсіх точках. Точок вивчення – 48, перевірки – 12. після обробки на ЕОМотримались наступні найкращі моделі:
/> = 0,2358743 – 0,6897212/>(14)
Помилка прогнозу 15,7 %, або 0,16 вчастинах від одиниці.
/>= /> (15)
Помилка прогнозу 15,4%, чи 0,15 в частинахвід одиниці.
Приклад 2. вхідні величини – тількиконцентрація в початковий момент часу c (t0) і час t. Повний поліном такийсамий, як і в першому прикладі, але немає рН. Точок вивчення – 10, перевірки –5.
/>= />/> (16)

Помилка перевірки 12,08%, чи 0,12 повідношенню до одиниці.
/>=/>/>(17)
Помилка перевірки 10,18%, чи 0,1 повідношенню до одиниці.
Таблиця 2
Залежність концентрації дапалону від часу,доби.Зразу після внесення 5 30 50 75 90 0,66 0,56 0,47 0,44 0,35 0,28 1,00 0,8 0,67 0,55 0,48 0,39 1,33 1,17 1,00 0,94 0,79 0,63 2,00 1,167 1,40 1,32 1,12 1,03
6. Приклад моделі розрахунку іпрогнозування хімічного забруднення ґрунту
Згідно даних про ступінь і характерзабруднення ґрунту в районі шлаконакпичувачів були розроблені моделі розрахункудеяких хімічних елементів в поверхневому (0-20 см) горизонті ґрунту, а самедля:
Міді/>; цинку />
хрому />
нікелю />
де r – відстань від шлакнакпичувача (/>м);
x0 – вихідне значення хімічних елементів вґрунті, мг/кг.U\ /> zn /> cr /> ni /> x0 /> x0 /> x0 /> x0 /> 100 /> 100 /> 100 /> 100 /> r y r y r y r y 99,2 90 90 90 25 151,7 25 111,25 25 132,5 25 127,5 50 209,2 50 145 50 200 50 190 75 271,7 75 191,25 75 292,5 75 277,5 100 339,2 100 250 100 410 100 390 125 411,7 125 321,25 125 552,5 125 527,5 150 489,2 150 405 150 720 150 690 175 571,7 175 501,25 175 912,5 175 877,5 200 659,2 200 610 200 1130 200 1090 225 751,7 225 731,25 225 1372,5 225 1327,5 250 849,2 250 865 250 1640 250 1590 275 951,7 275 1011,25 275 1932,5 275 1877,5 300 1059,2 300 1170 300 2250 300 2190 325 1171,7 325 1341,25 325 2592,5 325 2527,5 350 1289,2 350 1525 350 2960 350 2890 375 1411,7 375 1721,25 375 3352,5 375 3277,5 400 1539,2 400 1930 400 3770 400 3690 425 1671,7 425 2151,25 425 4212,5 425 4127,5 450 1809,2 450 2385 450 4680 450 4590 475 1951,7 475 2631,25 475 5172,5 475 5077,5 500 2099,2 500 2890 500 5690 500 5590
/>
Cu

/>
Zn
/>
Cr
/>
Ni

Висновки
Запропонований підхід до математичногомоделювання розповсюдження речовин забруднення в природних середовищах(водному, повітряному, грунті) має універсальний характер, який базується наспільності фізичних процесів масопереносу, які описуються в природно –технічних системах рівняннями в часткових похідних; на можливості переходу віднеперервних рівнянь до їх різницевих аналогів; на ідентифікації різницевихрівнянь по натурних спостереженнях з використанням універсальних принципівсамоорганізації. Специфіка підходу – в особливостях процесів (функції джерелазабруднення, властивостях середовища та ін.), виражених в структурі рівнянь,способах організації натурних експериментів (критерії оцінки, перевіркаадекватності, вибір списку змінних).
Область застосування методології обумовленанаявністю достатньо повних експериментальних даних. Постановка необхіднихекспериментів особливо гостро відчувається при ідентифікації ґрунтовихпроцесів: тут варто переходити від точкових моделей до рівнянь одно-, двох- ітрьохмірних палів, так як при вивчені пестицидів, важких металів, радіонуклідівважливу роль грає їх просторове розміщення.
В практиці прогнозування виникає потребамоделювання в декількох середовищах одночасно. Комплексна модель може бутиотримана комбіновано: на принципах самоорганізації (при наявностіекспериментальних даних), по методу Галеркіна, якщо відомі граничні умови, абона основі імітаційного моделювання. На межах середовищ задаються (а такожвизначаються емпіричні) умови спряження.
Прогнозування на основі математичногомоделювання розглядається не тільки як екстраполяція середовищ в часі іпросторі, але як прогноз структурних вимірювань екосистем. Останній напрямтісно пов’язаний до використання методів теорії катастроф. Однак аналогічневирішення цієї теорії має обмежену область застосування. Більш перспективною є розробкачисельних методів визначення точок рівноваги граничних значень областістійкості і інших структурних особливостей досліджуваних екологічних систем.

Література
1. Коротун І.М., Коротун Л.М.: Географія рівненської області,Рівне-96.
2. Лаврик В.І. “Методи математичного моделювання в екології” ,: К-98.
3. Ковальчук П.І. Лахно, “Прогнозирование и оптимизация санитарногосостояния окружающей среды”. К-98.