Основные понятия и категории экологии. 2

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

по дисциплине: « экология»

на тему (вариант): « Вариант №4»

Исполнитель:

студент группы

                                   _____________

                                                                    ^{(подпись)}

Преподаватель:

  ^{(Фамилия, имя, отчество преподавателя)}

                                   _____________

                                                                  ^{(подпись)}

Содержание

1 Основные понятия и категории экологии

Дефицит воды, света, тепла, элемента, пищи и т.д. ограничивает жизнедеятельность  даже тогда, когда все остальные  условия оптимальны. Такие факторы  называют ограничивающими или лимитирующими. Их действия обозначают как закон лимитирующих факторов, иначе закон толерантности.  
Закон лимитирующих факторов уточняет закон минимума,  сформулированный выдающимся химиком и основателем агрохимии Ю.Либихом (1840г.)

Он показал, что урожай растений можно эффективнее всего  повысить улучшив минимальный фактор. Лимитирующим могут действовать не только минимальные, но и максимальные значения фактора (высокая щелочность, чрезмерное содержание кальция или натрия в почве, высокая температура, избыточная освещенность), такое воздействие факторов определяется пределом терпения (толерантности).

Для каждого организма  присущи определенные условия. Различают  зону оптимума и зону пессимума.  Каждый вид имеет свою зону оптимума и пессимума. Зона оптимума характеризуется разнообразием и богатством видов, высокой плотностью населения, развитыми  промышленностью и сельским хозяйством.

Для зоны пессимума характерны меньшее разнообразие видов, меньшая  плотность организмов и продуктивность экосистем, относительно низкая плотность  населения и весьма неблагоприятные  условия для жизни. 
Каждому виду свойственна не только определенная зона оптимума, но и большая или меньшая способность переносить изменения дозировки факторов, т.е. пластичность организмов, их отклонения от оптимума. Это свойство называют экологической валентностью организма.

Стенобиотные виды (гр.Stenos- узкий) обладают низкой экологической валентностью и выносят лишь небольшие, строго ограниченные вариации экологических факторов. Эврибионтные виды (гр. Eurus- широкий) обладают широкой экологической валентностью и способны заселять места с резко изменчивыми условиями. Эврибиотность способствует широкому распространению видов. Сосна обыкновенная, береза, клен, ива серая, полынь, крапива и др. успешно перенося холод, жару, засуху и избыточное увлажнение, поэтому могут произрастать во многих географических районах – от лесотундры на севере до полупустыни на юге. Все виды образуют определенные географические и экологические популяции. 
Современная экология располагает совокупностью правил и законов.

Существуют аксиомы –эколога Б. Коммонера (1974):

• все связано со всем;
• все должно куда-то деваться;
• ничего не дается даром;
• природа знает лучше;
• правда очищает.

Эти законы отражают всеобщую связь вещей в природе и  в человеческом обществе, характеризуют  закон сохранения и превращения  энергии.

2 Сущность и содержание основных процессов в экологии

Основным содержанием современной экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики

Существуют основные экологические задачи, которые могут быть сведены к изучению динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах. Поэтому задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть законы этих процессов и научиться управлять ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.

Основные  задачи, которые решаются и должны решаться в настоящее время, следующие:

• прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;
• улучшение качества окружающей природной среды;
• сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.
• Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районов.

Основная  задача экологии- развитие теории взаимодействия природы и общества, рассматривается как как неотъемлемую часть биосферы.

Основные задачи экологической  экспертизы:

1. Организация и проведение (на стадии подготовки решения) всесторонних, объективных, научных исследований и анализа объектов экспертизы с позиций эффективности, полноты, обоснованности и достаточности предусмотренных в них мер, правильности определения заказчиком степени экологического риска и опасности намечаемой или осуществляемой деятельности, а также обеспечение экологического прогнозирования на основе информации о состоянии и возможных изменениях экологической обстановки вследствие размещения и развития производительных сил, не приводящих к негативному воздействию на ОС, т.е. определение вероятности экологически вредных воздействий и возможных их социальных, экономических и экологических последствий.
2. Оценка соответствия экологическим стандартам экспортируемых объектов, намечаемых к реализации, на стадиях, предшествующих принятию решения об их реализации, или соответствия названным стандартам уже осуществляемой деятельности, обеспечение государственного экологического контроля за качеством подготовки инициатором (заказчиком) проектов решений о развитии намечаемой им деятельности, а также подготовка объективных, научно-обоснованных выводов (заключений) и своевременная передача их государственным и иным органам, принимающим решение о реализации объекта экспертизы.
3. Информирование всех заинтересованных лиц (в т.ч. общественности) о возможных неблагоприятных воздействиях на окружающую природную среду и связанных с ними социальных, экономических и иных последствиях намечаемой деятельности в целях нахождения баланса интересов и компромиссного решения для снятия возникающих социально-психологических напряжений и предотвращения конфликтов на данной почве (задачи ОЭЭ).

Моделирование – это один из важнейших методов научного познания, с помощью которого создается модель (условный образ) объекта исследования. Сущность его заключается в том, что взаимосвязь исследуемых явлений и факторов передается в форме конкретных математических уравнений.

При экологическом исследовании, которое обычно поводится на определённом количестве особей, изучаются природные  явления во всём их разнообразии: общие  закономерности, присущие макросистеме, её реакции на изменение условий  существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики даёт возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайные отклонения или закономерности) и получить объективное представление о всей популяции.

Процесс построения математической модели включает в себя следующие  типовые этапы:

4. формулирование целей моделирования;
5. качественный анализ экосистемы, исходя из этих целей;
6. формулировку законов и правдоподобных гипотез относительно структуры экосистемы, механизмов ее поведения в целом или отдельных частей (при самоорганизации эти законы "находит" компьютер);
7. идентификацию модели (определение ее параметров);
8. верификацию модели (проверку ее работоспособности и оценку степени адекватности реальной экосистеме);
9. исследование модели (анализ устойчивости ее решений, чувствительности к изменениям параметров и пр.) и эксперимент с ней.

Современная математическая экология представляет собой междисциплинарную  область, включающую всевозможные методы математического и компьютерного  описания экологических систем.

Теоретической базой  для описания взаимодействий между видами в экосистемах служит динамика популяций, которая описывает базовые взаимодействия и дает качественную картину возможных паттернов поведения переменных в системе. Для анализа реальных экосистем применяется системный анализ, при этом степень интегрированности модели зависит как от объекта, так и от целей моделирования. Моделирование многих водных экосистем, лесных ценозов, агроэкосистем является действенным средством разработки методом оптимального управления этими системами. Построение глобальных моделей позволяет оценить глобальные и локальные изменения климата, температуры, типа растительного покрова при разных сценариях развития человечества.

Однако как было установлено, что все биологические системы, в том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра.

В последнее время  широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т.е. воспроизведение в искусственных  системах различных процессов, свойственных живой природе. Так, в "модельных условиях" были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др.

В различных областях биологии широко применяются так  называемые живые модели. Несмотря на то, что различные организмы  отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они то и становятся живыми моделями. В качестве примера можно привести зоохлореллу, которая служит моделью для изучения обмена веществ; моделью для исследования внутриклеточных процессов являются гигантские растительные и животные клетки и т.д.

Основной задачей биологического моделирования является экспериментальная  проверка гипотез относительно структуры  и функции биологических систем. Сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

Наибольшее распространение  в современных экологических  исследованиях получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности.

Разновидности концептуальных моделей характеризуются подробным описанием системы (научный текст, схема системы, таблицы, графики и т.д.). Математические модели являются более эффективным методом изучения экологических систем, особенно при определении количественных показателей.

Математические символы, например, позволяют сжато описать сложные экологические системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодействия различных их компонентов.

 3 Эколого-экономическая ситуация. Оценка ущерба, наносимого предприятием и эффективности природоохранных мероприятий

Экологическая ситуация - это пространственно-временное  соединение разнообразных условий  и факторов, формирующих экологическую  обстановку на территории различного уровня благополучия и неблагополучия.

экологических ситуаций имеют уровни:

- удовлетворительная ситуация - отсутствует  прямое или косвенное воздействия  человеческой хозяйственной деятельности  и все показатели свойств ландшафтов  не меняются;

- конфликтная ситуация - имеет место  в том случае, когда наблюдаются  незначительные в пространстве и во времени изменения в ландшафтах, в том числе в средо- и ресурсовоспроизводящих свойствах, что ведёт к сравнительно небольшим изменениям, происходящим в структуре ландшафтов и восстановлению в результате процессов саморегуляции природного комплекса или проведения несложных природоохранных мер;

- напряжённая ситуация - характеризуется  негативными изменениями в отдельных  компонентах ландшафтов, что ведёт  к нарушению или деградации  отдельных природных ресурсов  и, в ряде случаев, к ухудшению условий проживания населения; при соблюдении природоохранных мер напряжённость экологической ситуации, как правило, спадает;

- критическая ситуация - определяется  по значительным и слабокомпенсируемым  изменениям ландшафтов; происходит  быстрое нарастание угрозы истощения или утраты природных ресурсов (в том числе генофонда), уникальных природных объектов, наблюдается устойчивый рост числа заболеваний из-за резкого ухудшения условий проживания;

- кризисная ситуация приближается  к катастрофической, в ландшафтах возникают очень значительные и практически слабо компенсируемые изменения, происходит полное истощение природных ресурсов и резко уменьшается здоровье населения;

- катастрофическая ситуация характеризуется  глубокими и часто необратимыми  изменениями природы, утратой природных ресурсов и резким ухудшением условий проживания населения, вызванными в основном многократным превышением антропогенных нагрузок на ландшафты региона; важным признаком катастрофической ситуации является угроза жизни людей и их наследственности, а также утрата генофонда и уникальных природных объектов.

Под выявлением экологических ситуаций подразумевается: установление перечня (набора) экологических проблем; пространственная локализация экологических проблем; определение комбинация (сочетания) экологических проблем и отнесение выявленного ареала к той или иной степени остроты экологической ситуации. Для выявления экологических проблем проводятся экологические исследования и постоянный контроль состояния окружающей среды.

Для оценки эффективности природоохранных  мероприятий применяют другой расчет.

К природоохранным мероприятиям относят все виды хозяйственной  деятельности, которые направлены на снижение и ликвидацию отрицательного антропогенного воздействия на окружающую природную среду, сохранение, улучшение и рациональное использование природных ресурсов.

Эффект от проведения природоохранных мероприятий складывается из эффекта, проявляемого в отрасли (сокращение потерь, утилизация отходов, снижение расхода воды и т.д.), и эффекта от уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде. Таким образом, необходимо дополнительно ввести в расчеты величину ущерба окружающей среде (У), который появляется на самом предприятии или в других отраслях народного хозяйства и представляет собой сумму затрат двух типов: затрат на предупреждение негативного воздействия загрязненной среды и затрат, вызываемых воздействием загрязненной среды.

Для расчета эффективности природоохранного мероприятия используют выражение

     (1)

Ущерб включает три аспекта: социальный, моральный и экономический. Во всех случаях его принято выражать в денежной форме. В дальнейшем речь будет идти об экономическом ущербе.

Экономический ущерб, наносимый  окружающей среде, - это практические или возможные потери или негативные изменения в окружающей среде, вызванные  ее загрязнением и выраженные в денежной форме.

Рассчитанный таким  образом ущерб, наносимый окружающей среде, не является величиной абсолютно  точной, но в экономике часто используют приближенные оценки.

В начале 70-х годов  начали рассчитывать ущерб от загрязнения  воды. За прошедшие годы в РФ и за рубежом был разработан целый ряд различных методик, позволяющих рассчитать ущерб, наносимый различным отраслям народного хозяйства.

В настоящее время  различают три вида экономического ущерба, наносимого окружающей среде: фактический, возможный и предотвращенный.

Фактический ущерб (Уф) - это фактические потери, причиняемые  народному хозяйству в результате загрязнения окружающей среды.

Возможный ущерб (Ув) - это  ущерб народному хозяйству, который  мог бы быть нанесен в случае отсутствия соответствующих природоохранных мероприятий.

Величина возможного ущерба зависит от масштабов производства и производительности общественного  труда, а также от изменения структуры  загрязняемого района.

Предотвращенный ущерб (Упр) - это снижение потерь, причиняемых  народному хозяйству в результате введения в действие природоохранных мероприятий.

Предотвращенный ущерб  по Москве в 1996 году составил 1 млрд. рублей.

Предотвращенный ущерб  представляет собой разность между  возможным ущербом и фактическим:

.      (2)

Оценка ущерба, наносимого окружающей среде, состоит из нескольких этапов:

1) организация контроля  за состоянием окружающей среды;

2) проведение медицинских,  биологических и химических исследований с привлечением специалистов различных областей народного хозяйства;

3) экономическая и  теоретическая оценка ущерба.

Ущерб, наносимый народному  хозяйству, состоит из ряда отдельных  ущербов, наносимых различным отраслям народного хозяйства и объектам:

,     (3)

где У - суммарный ущерб, наносимый окружающей среде, (руб/год);

Уз - ущерб, причиняемый  здравоохранению, вызванный повышенной заболеваемостью населения (оплата бюллетеней, затраты на медицинские услуги, потеря работоспособности и т.д.);

Ус/х - ущерб, причиняемый  сельскому и лесному хозяйству (потери урожайности, потери продуктивности животноводства, ухудшение качества продукции лесного и сельского хозяйства, уменьшение численности рыбных стад и т.д.);

Ук - ущерб, причиняемый  коммунальному хозяйству (дополнительные затраты на содержание и ремонт жилищного, коммунального хозяйства и городского транспорта, затраты на дополнительные бытовые услуги и т.д.);

Уп - ущерб, причиняемый  промышленным объектам (дополнительные затраты на ремонт зданий и сооружений, потери сырья, топлива, частота выхода из строя производственного оборудования и т.д.).

Для определения ущерба, наносимого окружающей среде, существуют два возможных пути: прямой и эмпирический.

Прямой метод расчета  требует каждый раз сбора и  обработки многочисленных статистических данных. Он в принципе возможен, но очень  сложен и в силу своей трудоемкости непригоден для широкого использования в экономических расчетах.

Задача

Расчет эффективности мероприятий  по защите атмосферы от загрязнения

1. Исходные данные

1. В районе действует тепловая электростанция (ТЭС), работающая на кузнецком угле.
2. В процессе эксплуатации ТЭС в атмосферный воздух попадают примеси в виде аэрозолей и газообразных веществ. Массы годового поступления выбросов (m _j ) по видам составляют:

а) группа аэрозолей: m ₁ –зола угля, m ₂ –пыль угля;

б) группа газообразных веществ: m ₃ –сернистый ангидрид, m ₄ – серный ангидрит, m ₅ – оксиды азота (по NO₂ ), m ₆ – оксид углерода.

3. Характер выбросов по скорости оседания частиц различен:

а) примеси из группы аэрозолей  имеют скорость оседания частиц от 1 до 20 см/с;

б) примеси из группы газообразных веществ имеют скорость оседания менее 1 см/с.

4. Зона активного загрязнения (ЗАЗ) ТЭС неоднородна и состоит из разных типов территорий (табл.1).

Таблица 1 - Структура ЗАЗ

5. Среднегодовое значение разности температур в устье источника выброса (трубы) и в окружающей среде составляет величину ∆Т. Среднегодовой модуль скорости ветра – у.
6. По всем загрязняющим веществам (ЗВ) объем выбросов в рассматриваемом году не превышал установленных лимитов. При этом 80% массы каждого из ЗВ находилось в пределах установленного допустимого норматива выброса (mПДВ) и 20% массы – в пределах установленного лимита (mВСВ).
7. В планируемом году на ТЭС предполагается установка дополнительных газо- и пылеуловителей. Капитальные затраты (К) и годовые эксплуатационные затраты (С) данного мероприятия см. в таблице 4. Расчетный период окупаемости капитальных затрат (t) – 4 года.
8. В результате проведения природоохранных мероприятий (в планируемом году) ожидается снижение ущерба от загрязнения атмосферного воздуха на 75%; при этом величина поступающих в атмосферный воздух всех видов ЗВ не будет превышать пределов установленных допустимых нормативов (ПДВj).

2. Задание

Определить:

1. Зону активного загрязнения ТЭС.

2. Величину ущерба от загрязнения атмосферы ТЭС до проведения природоохранного мероприятия.

3. Сумму платежей за загрязнения атмосферы в текущем году.

4. Суммарный эффект запланированных природоохранных мероприятий.

3. Методика расчетов

3.1 Определение ЗАЗ

Источником загрязнения  является труба ТЭС (согласно классификации  – организованный источник). Для  подобных источников ЗАЗ представляет собой кольцо, заключенное между окружностями с радиусами:

φ h;

20 φ h;

где h – высота источника, м (см. № варианта, табл.4),

φ – безразмерная поправка, вычисляемая по формуле

∆Т – разность температур в устье трубы и в ОС, град. (см. табл.4).

 Вычислив радиусы, находим площадь  ЗАЗ по формуле:

;

Площадь ЗАЗ выразить в гектарах (1 га = 10000 м ² ).

φ = 1 + 140/75 = 2,8667

_{2 * 2,8667 * 250 = 1433 м}

_{20 * 2,8667 * 250 = 14333 м}

S = 3,14 * (14333²  - 1433²) = 638617596 м² =  63861,8 га

3.2 Определение ущерба от загрязнения атмосферы

( f M).

Показатель удельного  ущерба атмосферному воздуху (γ), наносимого выбросом единицы массы ЗВ, для Уральского экономического района принимается равным 67,4 руб/усл.т (Методика определения предотвращенного экологического ущерба. М., 1999. – 71С.).

Показатель относительной  опасности загрязнения атмосферного воздуха над ЗАЗ ( ) следует рассчитать, поскольку ЗАЗ неоднородна и состоит из пяти типов территорий (пункт 1.4.). Каждому типу территории (S i) соответствует табличное значение константы . Усредненное значение для всей ЗАЗ определяют по формуле:

где - показатель относительной опасности загрязнения атмосферы над всей зоной активного загрязнения;

i – номер части  ЗАЗ, относящийся к одному из типов территорий (всего по задаче их 5);

S i – площадь одного  из типов территорий (табл. 4);

S ЗАЗ – общая площадь  ЗАЗ (поскольку в условии задачи Si выражается в %, S _ЗАЗ   = 100%);

i – показатель относительной  опасности загрязнения атмосферы над i-тым типом территории (см. пункт 1.4.)

= (10 * (3*0,1) + 15 * 4 + 25 * 0,1 + 30 * 0,25 + 20 * 8)/100 = 2,33 %

Приведенная масса годового выброса ЗВ (М = М общ.) рассчитывается как сумма газообразных и аэрозольных  примесей:

М = М газ. + М аэр. (усл. т/год).

а) значение приведенной  массы годового выброса газообразных примесей  определяется по формуле:

М газ. =

М газ. = 22*9600 + 49*1000 + 41,1*3030 +  1*385 = 385118 усл.т/год

б) годовая масса аэрозольных примесей рассчитывается аналогично:

   М аэр. =

где j – вид загрязняющего  вещества (по условию задачи вещества j1  и j2 –  аэрозольные, а j3,   j4,  j5,  j6  - газообразные),

М аэр. = 84*3150 + 48*95 = 269160 усл.т/год

Аj  - показатель относительной агрессивности примеси j – ого вида (табл.2).

М = 385118 + 269160 = 654278 усл.т/год

Таблица 2 - Значение показателя относительной агрессивности вещества (А j)