Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПРОГНОЗУВАННЯ ПОВЕДІНКИ ЕКОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

Кількісна оцінка стану екосистем і тим більше науково-обгрунтовані прогнози розвитку екологічної ситуації є найбільш недослідженою областю теоретичної екології. Цікаві висновки зробили автори [8] з побудованої ними математичної моделі поведінки екологічної системи.

Розглянемо будь-який природний об'єкт, наприклад водну екосистему. Головною властивістю цього об'єкта є здатність до самоочищення, тобто перетворення екозагрязнітелей в безпечні або нелабільние (від лат. labilis - «ковзний», «нестійкий») форми (суспензії, опади, донні відкладення і т.п.). Ці процеси забезпечуються наступними факторами: вода, кисень, УФ-випромінювання і діяльність біосфери (рослини, мікроорганізми і тварини). У теорії автоматичного регулювання така властивість об'єктів називають самовирівнюванням.

У хімічній динаміці екосистем властивість їх самовирівнювання, тобто перетворення екозагрязнітелей в нетоксичні або нелабільние форми, завжди вважалося аксіомою. Головним аргументом при цьому служила цілком логічна передумова: якщо людство ще живе, значить, рано чи пізно хімічний склад екосистеми досягне сталого значення.

Головна турбота екологів - оцінка цього усталеного значення по відношенню до екологічним нормативам. Таким чином, апріорі вважалося, що концентрації екозагрязнітелей, зростаючи по кривій, близькій до експоненті, завжди досягнуть деяких рівноважних з техногенним навантаженням значень. Авторам в аспекті розробки методики оцінки ефективності інженерних природоохоронних рішень це положення здалося далеко не очевидним, що і привело до побудови даної моделі.

Уявімо хімічний склад екосистеми, що знаходиться під постійною за величиною техногенним навантаженням, у вигляді зростаючої у часі функції

де В - концентрація / -го екозагрязнітеля. Припустимо, що хімічні або біохімічні перетворення екозагрязнітелей в нетоксичні або нелабільние форми відбуваються по реакції другого порядку

де А - біохімічний агент екосистеми; В - екозагрязнітель; АВ - нетоксичний хімічна сполука.

Оскільки перетворення різних екозагрязнітелей відбувається з різними швидкостями за індивідуальними механізмам, розглянемо приватну похідну функції F за часом для будь-якого екозагрязнітеля. Для цього скористаємося рівнянням закону діючих мас

де К - константа швидкості реакції; і - відповідно концентрації екозагрязнітеля і біохімічного агента; АВ - концентрація продуктів реакції.

Введемо характеристики екосистеми і техногенного навантаження. Екологічну ємність екосистеми представимо у вигляді A 0 V, де А 0 - вихідна концентрація біохімічного агента, V - умовний обсяг екосистеми. Питома техногенне навантаження має вигляд

де Q - об'ємна швидкість відходів; У - концентрація екозагрязнітелей у відходах.

У наведених вище позначеннях рівняння матеріального балансу по концентрації екозагрязнітеля має вигляд

З рівнянням матеріального балансу по концентрації біохімічних агентів питання йде складніше. Справа в тому, що механізми перетворень екозагрязнітелей різні, тому необхідно розглянути, принаймні, три ситуації.

I. Екосистема, в якій біохімічний реагент НЕ репродукується, тобто перетворення відбувається за рахунок зниження екологічної ємності системи:

II. Біохімічний агент репродукується системою до значення Л 0 незалежно від ступеня забруднення екосистеми, тобто від значення В ^, тоді

III. Екосистема репродукується біохімічний агент, але ступінь репродукції залежить від забруднення екосистеми, тоді

де X - коефіцієнт впливу забруднення екосистеми на репродукцію біохімічного агента.

Вирішуємо систему рівнянь (1.4), (1.5) і послідовно з (1.7) - (1.9) щодо dB {t) / dt.

Для ситуації I маємо

Для ситуації II Для ситуації III

Проведемо аналіз рівнянь (1.10) - (1.12). Найпростіше трактується рівняння (1.11), що представляє звичайну експонентну залежність, тобто

традиційні уявлення про Самовирівнюванням екосистем справедливі тільки для малоймовірною ситуації II, коли ресурс репродукції біохімічних агентів необмежений і не залежить від ступеня забруднення екосистеми.

Рівняння (1.10) і (1.12) відображають більш реальні ситуації. У разі рівняння (1.10) репродукування немає і витрачається тільки вихідний екологічний ресурс A 0 V, а в разі рівняння (1.10) репродукування відбувається, але залежить від ступеня забруднення екосистеми В у Незважаючи на те, що рівняння (1.10) і (1.12 ) відносяться до класу нелінійних диференціальних рівнянь типу Риккати, які не мають спільних рішень в квадратурі без «вгадування» хоча б одного з приватних рішень, їх аналіз можливий. Вид функції представлений на рис. 1.1.

Вид функції B (t)

Мал. 1.1. Вид функції B (t):

I - інтуїтивне уявлення екологів про перехідні процеси в екосистемах; II - розрахунок за рівнянням (1.12), реальна ситуація

Таким чином, на підставі наведених рівнянь можна зробити ряд висновків.

  • 1. Рівняння (1.10) і (1.12) являють собою нелінійно зростаючу функцію В (1) , що не має інтервалів 1, при яких dB (f) / dt = 0. Отже, уявлення про Самовирівнюванням як об'єктивному властивості екосистем помилково.
  • 2. Рівняння (1.10) і (1.12) мають точку перегину, коли відповідальні за «гальмування» наростання концентрації екозагрязнітеля У коефіцієнти (Л 0 - 0 (() ) рівняння (1.10) і (2Л 0 - 0 ^) рівняння (1.12) змінюють знак. Практично це означає, що екосистема переходить в режим незворотного забруднення. Час настання цієї події t K можна обчислити, для чого зазначені коефіцієнти необхідно прирівняти до нуля. Тоді з рівняння (1.9) випливає:

а з рівняння (1.12) -

3. У відходах виробництв, а отже, і екосистемах досить часто виявляють хімічні сполуки, які є ксенобіотиками, тобто чужорідними для природних об'єктів речовинами, переробка яких генетично не передбачена. Наприклад, якщо аніонні ПАР досить легко розкладаються біохімічними агентами екосистем, то катіонні (жорсткі) ПАР накопичуються в екосистемах через відсутність механізмів їх біохімічних перетворень. Даній ситуації в рівняннях (1.10) і (1.12) відповідає нульове значення константи швидкості реакції, тобто К = 0, при цьому рівняння (1.10) і (1.12) є автентичними:

Отримана частка рішення кількісно описує процес накопичення ксенобіотиків в екосистемах. Така ситуація легко ідентифікується за результатами екологічного контролю та моніторингу при їх підстановці в рівняння (1.10) і (1.12).

  • 4. При малих часах спостереження t і некритичних концентраціях В ^ може скластися враження, що екосистема справляється з техногенним навантаженням і скоро досягне сталого значення B (t y На ділі ж сталого значення практично нс існує, тому слід очікувати різкого збільшення швидкості наростання В (( ) і незворотною загибелі екосистеми.
  • 5. Поточні значення і dB ^ / dt встановлюють за результатами періодичних екоаналітичний вимірювань, які виконуються за серією стандартів ДСТУ ISO 14000 при ЕМ. Значення Q і В від встановлюють за результатами екологічного контролю техногенних об'єктів. Таким чином, в рівнянні (1.9) невідомі тільки А 0 , V і К, а в рівнянні (1.11) - А 0 , V, К і X. Тому на підставі даних періодичних моніторингових вимірювань і постійного екологічного контролю, що накопичуються протягом декількох років , можна отримати досить точні значення (або інтервали значень) перерахованих вище коефіцієнтів рівнянь (1.9) і (1.11). Це дозволяє з високим ступенем достовірності обчислити значення t k > тобто час настання екологічної катастрофи.
  • 6. При конструюванні вихідної системи рівнянь були використані тільки фундаментальні закони хімії - закон збереження речовини і закон діючих мас. Єдине припущення - припущення про біохімічному перетворенні екозагрязнітелей але реакції першого порядку. Однак відповідно до теорії абсолютних швидкостей хімічних реакцій реакції вищих порядків відбуваються при рівних умовах з істотно меншими швидкостями. Тому рівняння (1.10) і (1.12) слід розглядати як найбільш благополучний варіант.
  • 7. системоутворюючих рівняння для розрахунку коефіцієнтів рівняння (1.8) за результатами перманентних екоаналітичний вимірювань (екологічний контроль техногенних об'єктів і моніторинг природних об'єктів) для кожного наступного циклу екоаналітичний вимірювань має вигляд

де = Ай ^ / Д; 6 2 = B (t y 6 3 = QB 0T t - вимірювані величини; Х { = К; Х 2 = А 0 ; Х 3 = 1 / V- обчислювані величини.

У міру накопичення хіміко-аналітичних даних точність розрахунків t K

і Bfo зростає.

8. Наведені вище висновки через відсутність масштабних обмежень у вихідних рівняннях поширюються на екосистеми будь-якої розмірності: промислові підприємства і регіони, мегаполіси, материкові і глобальні екосистеми. Наприклад, таким міжнародним актам, як Монреальський протокол по озоноруйнуючим речовин і Кіотська угода по «парниковим» газам, можна було б надати кількісний вид. Для цього достатньо регулярно проводити екоаналітичний вимірювання з виведення 4 і, скориставшись рівняннями (1.10) і (1.12), встановити критичні значення Q і й від для озоноруйнуючих речовин в різних видах промислової продукції, а при квотування викидів парникових газів враховувати не тільки QB 0T , але і позитивний фактор - екологічну ємність даної території A 0 V і AqX.

На закінчення можна відзначити, що самовиравніваніе екосистем, тобто досягнення сталого значення концентрації екозагрязнітеля при постійній техногенного навантаження, не є апріорним властивістю природних об'єктів. Навпаки, при постійній техногенного навантаження екосистеми неминуче приречені на загибель.

Момент часу екологічної катастрофи підлягає прямому розрахунку. Для постійного продовження життєвого циклу екосистем необхідні інженерні рішення, спрямовані як на зниження техногенного навантаження, так і, що більш важливо, на збереження властивостей репродукування активних компонентів екосистем.

 
<<   ЗМІСТ   >>