Министерство образования РоссийскойФедерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ(ТУСУР)
Контрольная работа
подисциплине «Экология»
(Учебноепособие «Экология»,
авторыСмирнов Г.В., Карташев А.Г.,
ЗиновьевГ.Г., Воскресенский В.В., 2003г.)
Выполнил:
2004г
Задание к контрольной работе.
Вариант № 8.
1.Какова связь между потоком энергии и потоком элементов питания в каждойэкосистеме? В чем различие между потоком энергии и потоком питательных веществ?
2.Абиотические и биотические факторы среды. Привести примеры.
3.Выполнить практические работы №1 и №3.
4.Жилой комплекс сбрасывает в речку 60 млн. литров сточных вод в день, которыесмешиваются с чистой водой в реке в соотношении 1:30. БПК сточных водсоставляет 150 мг/л. Какое БПК будет иметь вода в зоне загрязнения? Смогут ли вэтой воде обитать пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы?
5.Почему высокую численность человечества считают одной из важных причин угрозыэкологического кризиса?
6.Назовите источники поступления в атмосферу веществ, разрушающих озоновый слой.
7.Сравнение по показателям растущей и зрелой экосистем.
8.Загрязнение биосферы от АЭС.
1 Какова связь между потоком энергии и потоком элементов питания в каждойэкосистеме? В чем различие между потоком энергии и потоком питательных веществ?
Вкаждой экосистеме формируются определенные уровни, которые характеризуютсяразличной интенсивностью протекания потоков веществ и энергии. Зеленые растенияобразуют первый трофический уровень, фитофаги — второй, зоофаги — третий. Припередаче энергии с одного трофического уровня на следующий, происходит еепотеря, поэтому цепь питания не может быть длинной, скорее всего она состоит из4 — 6 звеньев.
Влюбой цепи питания не вся пища расходуется на рост особи, т.е. на накоплениебиомассы. Часть ее используется на удовлетворение энергетических затраторганизма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела. Приэтом биомасса одного звена не может быть переработана последующим звеномполностью. В противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи.Обычно чем больше масса начального звена, тем больше она и в последующихзвеньях, однако в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшениебиомассы по отношению к предыдущему. То же самое происходит с численностьюособей и запасом энергии.
Графическимотображением функциональной организованности экосистемы являются экологическиепирамиды биомасс, численности особей и энергий. Пирамида численности особейпоказывает количество отдельных организмов по трофическим цепям, причемчисленность особей при движении от продуцентов к консументам различного порядказначительно уменьшается. Пирамида биомасс показывает соотношение различныхорганизмов по пищевым цепям в данной экосистеме, причем параметры продуцентов,как правило, выше, чем консументов различного порядка (отсюда и формапирамиды). Пирамида энергий дает величины потоков энергии черезпоследовательные трофические уровни.
Пирамидыотражают две фундаментальные характеристики любой экосистемы: высота пирамидыпропорциональна числу содержащихся в биоценозе трофических уровней (длинепищевой цепи), а форма, точнее, наклон сторон, выражает эффективностьпревращения энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.
Изтрех типов экологических пирамид пирамида энергий дает наиболее полное представлениео функциональной организованности сообщества, потому что количество и массаорганизмов зависят не от количества фиксированной энергии в данный момент напредыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. Пирамида энергий отражаеткартину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.
Кпримеру, солнечная энергия, полученная растением, лишь частично используется впроцессе фотосинтеза углеводов. Фиксированная в углеводах энергия представляетсобой валовую продукцию биогеоценоза. Углеводы идут на построение протоплазмы(содержимого живой клетки и многих неклеточных образований) и рост растений,причем часть их энергии, затрачивается на дыхание.
Определенныйобъем созданных продуцентами веществ служит кормом фитофагов, остальныевещества в конце концов отмирают и перерабатываются редуцентами. Корм,ассимилированный фитофагами, лишь частично используется для образования ихбиомассы. В основном он растрачивается на обеспечение энергией процессовдыхания и в некоторой степени выводится из организма в виде выделений(экскретов) и экскрементов.
Консументывторого порядка (хищники) не истребляют всю биомассу своих жертв, но из тогоколичества ее, которое они уничтожают, лишь часть используется на созданиебиомассы их собственного трофического уровня. Остальная же часть в основномзатрачивается на энергию дыхания, а также выделяется с экскретами иэкскрементами.
Анализэтой простой схемы цепи питания, таким образом, показывает, что поток энергии,который выражается количеством ассимилированного по цепи питания вещества, накаждом трофическом уровне уменьшается, т.е. сквозной поток энергии постепенногасится.
Содного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, болеевысокий ее уровень, в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровеньэкологической пирамиды энергии.
Правилопирамиды универсально и объективно отражает круговорот веществ и поток энергиив биосфере. В масштабе всей биосферы это правило никогда не нарушается(некоторые отклонения наблюдаются лишь на незначительных участках, например,при вспышках массового размножения вредителей, когда полностью уничтожаетсярастительность и на какой-то ограниченной территории временно разрушается цепьпитания, — в этом случае в движение приходит все сообщество животных и растений,связанных между собой пищевыми отношениями).
2 Абиотические и биотические факторы среды
Поприроде источников и характеру действия факторы среды разделяют на абиотическиеи биотические.
Абиотическиефакторы — факторы неорганической (неживой) природы. Это свет, температура,влажность, давление и другие климатические и геофизические факторы; природасамой среды — воздушной, водной, почвенной; химический состав среды,концентрации веществ в ней. К абиотическим факторам относят также физическиеполя (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающуюрадиацию, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения,приливы), суточные и сезонные изменения в природе. Многие абиотические факторымогут быть охарактеризованы количественно и поддаются объективному измерению.
Биотическиефакторы — это прямые или опосредованные воздействия других организмов,населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторыобусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми(межпопуляционными) взаимодействиями. Внутривидовые факторы — это контактымежду членами семьи, группы, стада, популяции одного вида — отношения полов,размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот,возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения,иерархии в стаде или в популяции. Межвидовые факторы — контакты между особями ипопуляциями разных видов, разнообразные пищевые связи, поедание однихорганизмов другими, отношения симбиоза и «сотрудничества» или хищника и жертвы,бациллоносительство и вирулентность, межвидовая конкуренция, паразитизм и т.п.Взаимоотношения между организмами сложнее абиотических воздействий. Большинствоиз них не имеет скалярных значений. Поэтому они труднее поддаются прямому измерению.Только для некоторых биотических факторов, относящихся к пищевым связям ичисленности популяций, возможны количественные оценки на основанииэкспериментов.
3Практические работы
3.1Расчет уровня загрязнения атмосферного воздуха точечными источниками выбросов
Предприятие:«КАЛИБР».
1)Характеристики предприятия:
Таблица3.1.1№ ва-ри-ан-та Условное название предприятия, загрязняющее вещество Высота трубы, м Диаметр устья трубы, м
Темпера-тура ГВС, 0С
Выброс загрязняю-щего вещества,
г/с
ПДКсс,
мг/м3 1 2 3 4 5 6 7 8
«КАЛИБР»
ацетон
диоксид серы
зола
фенол 21 1,6 115
2,2
1,6
4,1
1,0
0,35
0,05
0,5
0,003
2)Определение максимальной концентрации вредных веществ в атмосфере:
изописания работы следует, что А=200, F=1, Г=1.
∆Т=115-24,7=90,30С;
V1=0,785∙1,62∙7=14,067м3/с;
r=1000∙72∙1,6∙21-2∙90,3-1=1,969; r
q=0,65∙(14,067∙90,3/21)1/3=2,551; q>2; n=1;
m=(0,67+0,1∙1,9691/2+0,34∙1,9691/3)-1=0,809;
Cmax=200∙M∙1∙0,809∙1∙1∙21-2∙(14,067∙90,3)-1/3=0,034∙M;
Cmax(ацетон)=0,034∙2,2=0,0748мг/м3;
Cmax(диоксидсеры)=0,034∙1,6=0,0544 мг/м3;
Cmax(зола)=0,034∙4,1=0,1394мг/м3;
Cmax(фенол)=0,034∙1,0=0,034мг/м3.
3)Определение расстояния от источника выбросов, на котором достигаетсямаксимальная концентрация загрязняющего вещества:
таккак r2,то
k=7∙2,5511/2∙(1+0,28∙1,9691/3)=15,104;
xmax=0,25∙(5-1)∙15,104∙21=317,183м; xmax≈317,2м.
4)Определение метеорологических условий, при которых может быть достигнутамаксимальная концентрация загрязняющего вещества в воздухе:
таккак r2,то
Umax=2,551∙(1+0,12∙1,9691/2)=2,9805м/c; Umax≈3м/c.
5)Определение концентрации загрязняющего вещества в атмосфере на заданномрасстоянии 500 м от источника выбросов:
α=500/317,183=1,576; 1
S1=1,13∙(0,13∙1,5762+1)-1=0,854;
C500(ацетон)=0,854∙0,0748=0,06мг/м3;
C500(диоксидсеры)=0,854∙0,0544=0,05 мг/м3;
C500(зола)=0,854∙0,1394=0,1мг/м3;
C500(фенол)=0,854∙0,034=0,029мг/м3.
Определимотношение концентрации веществ к их ПДКс.с.:
ацетон: С500/ПДКс.с.= 0,06/0,35=0,2;
диоксидсеры С500/ПДКс.с.= 0,05/0,05=1;
зола С500/ПДКс.с.= 0,1/0,5=0,2;
фенол С500/ПДКс.с.= 0,029/0,003=9,7.
Полученныепри расчетах результаты сведены в таблицу:
Таблица3.1.2Вариант 8. Предприятие «КАЛИБР» Загрязняющее вещество
ПДКсс,
мг/м3 М, г/с
Cmax, мг/м3
C500, мг/м3
С500/ПДКс.с ацетон 0,35 2,2 0,0748 0,06 0,2 диоксид серы 0,05 1,6 0,0544 0,05 1 зола 0,5 4,1 0,1394 0,1 0,2 фенол 0,003 1,0 0,034 0,029 9,7
H=21 м; D=1,6 м; Т=115 0С; ∆Т=90,3 0С; V1=14,067;
r=1,969; q=2,551; m=0,809; n=1; Cmax=0,034∙M;
k=15,104; xmax≈317,2 м; Umax≈3 м/c; α=1,576; S1=0,854;
Выводы:
Анализполученных результатов показал, что на расстоянии 500 м от источника выбросовуровень загрязнения приземного слоя атмосферы предприятием «КАЛИБР» составляетпо ацетону 0,2 ПДКСС, по диоксиду серы 1 ПДКСС, по золе0,2 ПДКСС, по фенолу 9,7 ПДКСС.
Дляулучшения экологической ситуации на прилегающей территории можно рекомендоватьпредприятию «КАЛИБР» выполнение технических мероприятий по улучшению работысистемы очистки газоаэрозольных выбросов, изменение технологических процессов сцелью уменьшения выбросов диоксида серы и особенно фенола.
3.2Определение границ санитарно-защитной зоны предприятия
Предприятие:«КАЛИБР».
1) Характеристикипредприятия:
Таблица3.2.1№ ва-ри-ан-та Условное название предприятия, загрязняющее вещество Высота трубы, м Диаметр устья трубы, м
Темпера-тура ГВС, 0С
Выброс загрязняю-щего вещества,
г/с
ПДКсс,
мг/м3 1 2 3 4 5 6 7 8
«КАЛИБР»
ацетон
диоксид серы
зола
фенол 21 1,6 115
2,2
1,6
4,1
1,0
0,35
0,05
0,5
0,003
Определяемрасстояние до участка местности, где концентрация загрязняющего вещества равна1 ПДКСС:
х(ацетон) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,0748/0,35-1)1/2= ?
x(диоксидсеры) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,0544/0,05-1)1/2= 420,847м;
x(зола)=2,77∙317,183∙(1,13∙0,1394/0,5-1)1/2= ?
x(фенол)=2,77∙317,183∙(1,13∙0,034/0,003-1)1/2= 3018,932 м.
Изсравнения численных значений величин х для загрязняющих веществ, выбрасываемыхпредприятием «КАЛИБР», следует, что наибольшее значение величины х относится кфенолу. Следовательно, окончательные размеры санитарно-защитной зоны предприятия«КАЛИБР» будут определяться выбросами фенола.
Рассчитываетсясоотношение Р/Р0для каждого из восьми румбов розы ветров:
Рю/Ро=9/12,5=0,75;
Рю-в/Ро=10/12,5=0,80;
Рв/Ро=8/12,5=0,64;
Рс-в/Ро=8/12,5=0,64;
Рс/Ро=37/12,5=2,96;
Рс-з/Ро=16/12,5=1,28;
Рз/Ро=6/12,5=0,48;
Рю-з/Ро=6/12,5=0,48.
Определимрасстояния от источника выбросов до границы СЗЗ по диоксиду серы для каждогорумба:
Lю(диоксидсеры)= 420,847∙0,75=315,6 м;
Lю-в(диоксидсеры)= 420,847∙0,80=336,7 м;
Lв(диоксидсеры)= 420,847∙0,64=269,3 м;
Lс-в(диоксидсеры)= 420,847∙0,64=269,3 м;
Lс(диоксидсеры)= 420,847∙2,96=1245,7 м;
Lс-з(диоксидсеры)= 420,847∙1,28=538,7 м;
Lз(диоксидсеры)= 420,847∙0,48=202,0 м;
Lю-з(диоксидсеры)= 420,847∙0,48=202,0 м.
Определимрасстояния от источника выбросов до границы СЗЗ по фенолу для каждого румба:
Lю(фенол)=3018,932∙0,75=2264,2м;
Lю-в(фенол)=3018,932∙0,80=2415,1м;
Lв(фенол)=3018,932∙0,64=1932,1м;
Lс-в(фенол)=3018,932∙0,64=1932,1м;
Lс(фенол)=3018,932∙2,96=8936,0м;
Lс-з(фенол)=3018,932∙1,28=3864,2м;
Lз(фенол)=3018,932∙0,48=1449,1м;
Lю-з(фенол)=3018,932∙0,48=1449,1м.
Полученныепри расчетах результаты сведены в таблицу:
Таблица3.2.2Вариант 8. Предприятие «КАЛИБР» Характеристика ацетон диоксид серы зола фенол
ПДКсс, мг/м3 0,35 0,05 0,5 0,003
Cmax, мг/м3 0,0748 0,0544 0,1394 0,034
xmax, м 317,183 317,183 317,183 317,183 x, м - 420,847 - 3018,932
Lю, м - 315,6 - 2264,2
Lю-в, м - 336,7 - 2415,1
Lв, м - 269,3 - 1932,1
Lс-в, м - 269,3 - 1932,1
Lс, м - 1245,7 - 8936,0
Lс-з, м - 538,7 - 3864,2
Lз, м - 202,0 - 1449,1
Lю-з, м - 202,0 - 1449,1
Рю/Ро=0,75; Рю-в/Ро=0,80; Рв/Ро=0,64; Рс-в/Ро=0,64;
Рс/Ро=2,96; Рс-з/Ро=1,28; Рз/Ро=0,48; Рю-з/Ро=0,48.
Чертежсанитарно-защитной зоны предприятия «КАЛИБР» в масштабе 1:100000
/> с
с-з
с-в
з в
ю-з
ю-в
ю
Вывод:размеры санитарно-защитной зоны предприятия «КАЛИБР» определяются выбросамифенола, причем наибольшая ее величина 8936 м простирается в северномнаправлении.
4 Жилой комплекс сбрасывает в речку 60 млн. литров сточных вод в день, которыесмешиваются с чистой водой в реке в соотношении 1:30. БПК сточных водсоставляет 150 мг/л. Какое БПК будет иметь вода в зоне загрязнения? Смогут ли вэтой воде обитать пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы?
Таккак, загрязненная вода смешивается с чистой при соотношении 1:30, то
БПКсмеси=/> мг/л.
Пиявкии нимфы равнокрылой стрекозы являются умеренно толерантными видами живыхсуществ, поэтому с большей долей вероятности можно сказать, что они смогутобитать в такой воде.
5 Почему высокую численность человечества считают одной из важных причин угрозыэкологического кризиса?
Сразвитием технического прогресса и демографическим ростом человек становитсяединственным существом, ответственным за деградацию биосферы.
Воздействиесовременного индустриального общества на биосферу приводит, по крайней мере, ктрем основным типам необратимых изменений в равновесии естественных экосистем:
1)сокращается разнообразие биоценозов в средах, которые эксплуатируются человеком;
2)нарушен круговорот веществ, т.к. отходы человека больше не минерализуютсядеструкторами. Деятельность микроорганизмов в воде, почве тормозится различнымитоксичными, загрязняющими веществами. Появились промышленные отходы, которыеневозможно разложить биологическим путем и которые накапливаются в биосфере,нарушая жизнедеятельность экосистем;
3)приток энергии за счет все возрастающего потребления угля, нефти и газаприводит к истощению невозобновляемых природных ресурсов.
Однаиз основных проблем, связанных с демографическим взрывом, заключается в том,что рост числа жителей планеты в геометрической прогрессии не подкрепляетсятакими же темпами роста ресурсов питания, т.к. последние могут увеличиватьсятолько по линейному закону из-за лимита площади земель, пригодных для ведениясельского хозяйства.
Проблемаперенаселенности обостряется и тем, что для удовлетворения потребностей всевозрастающего населения придется существенно увеличить добычу и переработкуполезных ископаемых, производство промышленной и сельскохозяйственнойпродукции. поднять производство и потребление энергии, а это приведет кпревышению климатического предела и полному разбалансированию биосферы.Одновременно это потребовало бы удвоения каждые 10 лет потребления пресной водыи органических удобрений. Но даже если бы вдруг рост населения сегодняпрекратился, ныне проживающее число людей на планете продолжительное времясуществовать не сможет, поскольку оно оказывает слишком большое давление набиосферу.
6 Назовите источники поступления в атмосферу веществ, разрушающих озоновый слой.
Основнуючасть ультрафиолетовых лучей поглощает слой озона, находящийся в стратосфере навысоте 20-25 км. Атмосфера прозрачна только для части ультрафиолетового,инфракрасного излучения, для видимого спектра и некоторых радиоволн.
Сантропогенным воздействием на атмосферу связано разрушение озонового слоя,который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Основнойпричиной уменьшения количества озона считается применение людьмихлорфторуглеродов (фреонов). Они широко используются в быту и производстве видеаэрозолей, пенообразователей, растворителей; применяются в холодильниках икондиционерах воздуха в качестве хладоагентов, при производстве пористыхпластмасс, которые вначале растворяют в хлорфторуглеродах при повышенномдавлении, а затем давление снижают, от чего хлорфторуглероды улетучиваются ватмосферу и пластмассы вспениваются. В электронной промышленности с помощьюхлорфторуглеродов производят очистку микросхем.
Существуети немало других источников такого рода загрязнителей: хлорирование ифторирование воды; неполное сгорание пластмасс в процессе их утилизации — приэтом образуются полихлорные бифенилы.
Всеэти вещества, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделениематомов хлора, который является катализатором разложения озона до кислорода.
7 Сравнение по показателям растущей и зрелой экосистем
Различиемежду растущими и зрелыми системами можно представить в виде следующей таблицы.
Таблица7.1Показатель Растущая экосистема Зрелая экосистема Урожай высокий низкий Видовое разнообразие мало велико Структурное разнообразие
слабо
организовано хорошо организовано Специализация по нишам широкая узкая Размеры организма небольшие крупные Жизненные циклы короткие и простые длинные и сложные Скорость обмена биогенных веществ между организмом и средой высокая низкая Давление отбора на быстрый рост на регуляцию обратной связи Внутренний симбиоз неразвит развит Сохранение биогенных веществ с потерями. полное Стабильность низкая высокая Энтропия высокая низкая Информация мало много
Необходимообратить внимание на обратную зависимость между энтропией и информацией, атакже на то, что развитие экосистем идет в направлении повышения ихустойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия.
Однои даже двухвидовые сообщества весьма нестабильны. Нестабильность означает, чтомогут происходить большие колебания плотности популяций. Это обстоятельство идетерминирует эволюцию экосистемы к зрелому состоянию. На зрелой стадииувеличивается регуляция по типу обратной связи, которая направлена наподдержание стабильности системы.
Высокаяпродуктивность дает низкую надежность — это еще одна формулировка основногозакона экологии, из которой вытекает следующее правило: «оптимальнаяэффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие в соответствии сосновным законом экологии непосредственно связано с устойчивостью
Направленностьэволюции сообщества ведет к усилению симбиоза, сохранению биогенных веществ,повышению стабильности и содержания информации. Общая стратегия направлена надостижение такой обширной и разнообразной органической структуры, какая тольковозможна в границах, установленных доступным притоком энергии и преобладающимифизическими условиями существования (почва, вода, климат и т. п.),
Вприроде существуют как бы естественные силы стратификации, которые ведут кусложнению экосистем и к созданию все большего разнообразия. Действия вопрекиэтим силам отбрасывают экосистемы назад.
8Загрязнение биосферы от АЭС
Радиоактивноезагрязнение природных сред обусловлено следующими источниками:
1)продуктами испытаний ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей;
2)плановыми и аварийными выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду отпредприятий атомной промышленности, АЭС;
3)выбросами в атмосферу и сбросами в водные системы радиоактивных веществ сдействующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации;
4)принесенной радиоактивностью (твердые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).
Врезультате работы АЭС образуются радиоактивные отходы, которые частичнопоступают в окружающую среду, т.к. системы очистки не дают 100 % эффекта.
Кгазообразным продуктам относятся радиоактивные благородные газы – продуктыделения, продукты нейтронной активации, содержащиеся в воздухе и в охлаждающейреактор воде или газе.
Кжидким отходам относятся пульпы ионообменных смол, фильтроматериалы, кубовыеостатки выпарных аппаратов, в которые поступает загрязненная радионуклидамивода при эксплуатации или ремонте реактора.
Ктвердым отходам АЭС относятся: отходы, возникающие после отверждения жидкихконцентрированных отходов; детали оборудования реактора, снятые с эксплуатации;использованный инструмент и приборы; израсходованные материалы.
Кромеэтого значительный вклад в загрязнение биосферы вносят заводы по переработкеоблученного ядерного топлива, в выбросах и сбросах которых присутствуютдолгоживущие радионуклиды и изотопы трансурановых элементов.
Радиоактивныеотходы, как правило, смешиваются с большим количеством химических отходов,которые сами по себе представляют большую опасность для окружающей среды.
Такимобразом, одной из основных проблем является захоронение высокорадиоактивныхотходов, т.к. для их дезактивации необходимо время, равное 20 периодамполураспада. К тому же достаточно надежных способов захоронения пока еще неразработано.