ecology (Лекции по экологии), страница 8

Рассмотрим несколько методов моделирования:

1. Физическое моделирование - это создание уменьшенных копий реальных объектов и систем. Примером физической модели в экологии является аквариум. Основным недостатком такого типа модели является то, что при обратном масштабном переходе, т.е. при увеличении размеров, некоторые закономерности, которые соблюдались на модели, соблюдаться перестают.

2. Концептуальное моделирование – это создание блок-схем, взаимодействие подсистем и процессов в пределах более крупных систем. Примером являются круговороты веществ или схема биогеоценоза.

3. Графическое моделирование – это изображение зависимости между переменными в одной из систем координат, чаще всего в прямоугольной декартовой системе. Примером являются графики изменений численности популяций.

4. Математическое моделирование – заключается в формализации и исследовании поведения систем с использованием математических выражений. Простейшая модель – теорема Пифагора.

Существуют два принципиально разных подхода к математическому моделированию:

1. Формализация заведомо известных процессов, специфика и закономерности которых определены нами на основе наблюдений и экспериментов. Полученные закономерности изображаются в виде графических моделей, а затем, используя методы корреляционного и регрессионного анализа, получают математические модели. Именно таким методом были получены формулы для расчёта предельно допустимого выброса. Математические модели, в данном случае, представляют собой системы алгебраических уравнений, чаще всего полиномов.

2. Выдвижение некоторой гипотезы о внутренней структуре и процессах, происходящих в системе и разложение этой гипотетической закономерности на известный закон поведения переменных в подбора математических уравнениях. Математические модели такого типа чаще всего представляют собой системы дифференциальных уравнений полных или частных производных или системы интегральных уравнений, которые чаще всего решаются численно, но иногда аналитически, допустим с помощью преобразований Лапласа.

Математические модели 2го типа называются динамическими моделями.

Математические модели 1го типа- статические. Основным недостатком модели 1го типа является то, что она применима только для той части пространства параметров системы, для которой проводились наблюдения и эксперименты. Распространять модель за пределы этой части пространства параметров нельзя.

Главный недостаток модели 2го типа – это возможность ошибки в гипотезе, принятой нами.

Природные ресурсы и их рациональное использование.

1 . Природные ресурсы и их классификация.

Природные ресурсы – это те средства существования людей, которые не созданы их трудом, но находятся в природе.

Существует несколько классификаций природных ресурсов. По назначению ресурсы делятся на четыре группы:

1. Пищевые

2. Энергетические

3. Сырьевые

4. Экологические

Наиболее интересна классификация ресурсов по исчерпаемости. Согласно этой классификации ресурсы делятся на исчерпаемые и неисчерпаемые.

1. К неисчерпаемым ресурсам относятся три группы ресурсов:

1. Космические

2. Климатические

3. Водные

Космические ресурсы – это солнечное излучение, энергия приливов и отливов и т.д.

Климатические ресурсы – это атмосферный воздух, энергия ветра, атмосферные осадки и т.д.

Водные ресурсы – это все запасы воды на Земле.

2. Исчерпаемые ресурсы делятся на

1. Невозобновимые

2. Относительно возобновимые

3. Возобновимые.

Невозобновимые ресурсы – это ресурсы, скорость расходования которых на много порядков больше скорости возобновления (например, полезные ископаемые).

Относительно возобновимые ресурсы – это ресурсы, скорость расходования которых на 1-2 порядка выше скорости возобновления. Это почвы и лесные ресурсы.

Возобновимые ресурсы – это ресурсы, скорость возобновления которых близка к скорости расходования (например, животный мир, большинство растений, некоторые минеральные ресурсы- например отложения солей в морских лагунах).

Из всего этого множества рассмотрим энергетические ресурсы.

Энергетические ресурсы.

Энергетические ресурсы делятся на возобновимые и невозобновимые.

К невозобновимым относятся уголь, нефть, газ, торф, горючие сланцы, ядерное топливо, легкие элементы, которые могут быть использованы в термоядерном синтезе: водород, дейтерий, тритий, гелий, литий,.

К возобновимым энергетическим ресурсам относятся энергия прямых солнечных лучей, энергия фотосинтеза, мускульная энергия, гидроэнергия, ветровая энергия, геотермальная энергия, энергия приливов и отливов, энергия волн, энергия процессов выпадения осадков и их испарения.

Основным направлением энергетики должна быть замена невозобновимых ресурсов на возобновимые. На первом месте в настоящее время больше всего производится энергии (60%) на тепловых электростанциях, причём, более (50%) тепловых электростанций работает на наиболее экологически опасном топливе – угле, чуть менее 30% на нефти, около 20% на газе.

(Достоинства и недостатки тепловых электростанций – извиняйте, сами на экзамене…)

Вторыми по уровню производства энергии идут гидроэлектростанции (чуть меньше 20% производимой энергии). Доля гидроэнергетики в общем производстве падает, хотя в настоящее время это наиболее дешевая энергия. Сейчас в основном строятся небольшие гидроэлектростанции и в основном на горных реках, где не требуется больших водохранилищ.

(Достоинства гидроэлектростанций, недостатки гидроэлектростанций– извиняйте, сами на экзамене…)

На третьем месте по производству энергии идут атомные электростанции (около 16% всей энергии). Доля атомной энергетики в настоящее время растёт, хотя существенно медленнее, чем 20-30 лет назад.

Достоинства атомных электростанций:

1. Очень высокая энергоёмкость топлива

2. Возможность строительства вблизи потребителя энергии

Недостатки атомных электростанций:

1. Большая экологическая опасность аварий на АЭС.

2) Необходимость утилизации и захоронения отработанного ядерного топлива

1. Срок службы ядерных реакторов составляет около 40 лет, после чего их также надо останавливать и утилизировать. Если считать, что большинство реакторов в нашей стране было создано в 50-80-е годы, то в ближайшие 5-10 лет главной будет недостаток №3.

Ресурсный цикл как антропогенный круговорот веществ.

Совокупность превращений и пространственных перемещений отдельного вещества или группы веществ на всех этапах использования их человеком называется ресурсным циклом.

Схема ресурсного цикла:

В отличие от естественных замкнутых круговоротов веществ, ресурсный цикл не замкнут. На каждом из его этапов существуют потери, которые и создают загрязнение окружающей среды. Таким образом загрязнение – это природные ресурсы, оказавшиеся не на своём месте.

Общие инженерные принципы природопользования.

I принцип - системный подход к проблемам природопользования.

Природа как объект деятельности человека, представляет собой чрезвычайно сложную систему. В общем случае, под системой понимается множество элементов, находящихся во взаимосвязи друг с другом в совокупности образующих определённую целостность и единство.

Любая система связана с окружающей средой, любую систему можно представить как элемент системы более высокого уровня или как совокупность систем более низкого уровня.

Биологическая система – это выполняющая некоторую функцию структура, которая взаимодействует с окружающей средой и другими системами как единое целое, состоит из подсистем более низкого уровня, непрерывно приспособительно перестраивает свою деятельность по каналам обратной связи и проявляет свойство самоорганизации.

Системный подход предусматривает комплексную оценку воздействия промышленно-технической деятельности общества на природу с обязательным прогнозированием реакции природы на это воздействие.

II принцип - принцип оптимизации биосферы.

При оптимизации биосферы главным вопросом является выявление комплексных критериев оптимизации. В общем случае, оптимизация как функция управления должна стремиться к тому, чтобы научно-техническое развитие не вывело биосферу за рамки экологической ниши человека.

III принцип - оптимизация природопользования.

Оптимизация природопользования – это принятие наиболее целесообразных решений при использовании ресурсов и природных систем.

IV принцип - темпы роста производства должны опережать темпы роста добычи сырья.

V принцип - Гармонизация отношений природы и техники.

Эта проблема решается путём создания так называемых геотехнических или природно-технических систем.

Геотехническая система – это совокупность технических устройств и взаимодействующих с ними элементов природной среды, которые в ходе совместного функционирования обеспечивают с одной стороны – высокие производственные и прочие целевые показатели, а с другой стороны поддерживают в зоне своего влияния благоприятную экологическую обстановку.

Схема взаимодействия производства и природной среды в условиях геотехнической системы:

И то и другое воздействие является раскачивающе дестабилизирующим, т.е. обратная связь положительна. Для компенсации в геотехническую систему вводят блок управления. Блок управления по каналам мониторинга собирает информацию о производстве и природной среде, а затем по каналам отрицательной обратной связи осуществляет стабилизирующее воздействие.

VI принцип – экологизация производства.

Экологизация производства – это уподобление производственных процессов, т.е. ресурсных циклов, естественным замкнутым круговоротом веществ.

Это достигается за счёт внедрения малоотходных замкнутых энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий.

Создание ресурсо- и энергосберегающих производств.

Существуют следующие пути создания таких производств:

1. Комплексная переработка сырья (к экзамену примеры)

2. Разработка новых эффективных технологических процессов (к экзамену примеры)

3. Применение нетрадиционных видов энергии

4. Создание бессточных и замкнутых систем водоснабжения

Схема оборотного водоснабжения предприятия:

Q_и – количество воды, забираемое из источника водоснабжения.

Q_сб – количество воды, сбрасываемое предприятием.

Q_об – количество оборотной воды.

Для оценки эффективности оборотных систем водоснабжения используются следующие параметры:

Процент оборота воды:

Коэффициент использования воды:

1. Рекуперация отходов – это улавливание и переработка ценных веществ, находящихся в отходах (к экзамену примеры)

Основные направления охраны окружающей природной среды от промышленных выбросов. Очистка воздуха и воды.

1. Очистка газов от пыли.

Многие современные технологические процессы связаны с дроблением и измельчением твёрдых веществ или с перевозкой сыпучих материалов. Во всех этих случаях образуются пылевые частицы. В связи с тем, что суммарная площадь поверхности образовавшихся частиц существенно больше, чем площадь поверхности исходного твердого материала, пылевые частицы чрезвычайно химически и биологически активны и, следовательно, чрезвычайно вредны.

Пылевые частицы имеют разную форму, и их размер принято характеризовать параметром, называемым «седиментационный диаметр ». Это диаметр частицы, имеющей форму шара, скорость осаждения и плотность которой равна скорости осаждения и плотности исходной частицы.

Работа пылеулавливающих аппаратов основана на следующих механизмах осаждения частиц:

1. Гравитационное осаждение под действием силы тяжести

2. Инерционное осаждение

3. Центробежное осаждение

4. Диффузионное осаждение

5. Электрическое осаждение

В большинстве аппаратов используются смешанные механизмы осаждения частиц.