экология - сибирский государственный университет геосистем и

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
ЭКОЛОГИЯ
Утверждено редакционно-издательским советом академии
в качестве сборника описаний практических работ
для студентов всех специальностей, изучающих дисциплину «Экология»
Новосибирск
СГГА
2011
УДК 502
Э40
Авторский коллектив:
В.А. Казанцев, В.Н. Катаева, Т.Г. Малахова,
Н.П. Миронычева-Токарева, Е.Н. Филонова.
Рецензенты:
доктор биологических наук, зам. директора Института почвоведения и
агрохимии СО РАН А.И. Сысо
кандидат геолого-минералогических наук, доцент, СГГА А.Г. Алтухов
кандидат технических наук, доцент СГГА Л.А. Ромашова
Э40 Экология [Текст]: сборник описаний практических работ / В.А.
Казанцев, В.Н. Катаева, Т.Г. Малахова, Н.П. Миронычева-Токарева, Е.Н.
Филонова. – Новосибирск: СГГА, 2011. – 78 с.
ISBN 978-5-87693-473-4
Сборник описаний практических работ подготовлен на кафедре экологии и
природопользования. В издании рассматриваются вопросы загрязнения
окружающей среды и некоторые проблемы экологии человека.
Практикум предназначен для студентов всех специальностей, изучающих
дисциплину «Экология».
Ответственный редактор: кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, СГГА
Л.А. Черновский
Печатается по решению редакционно-издательского совета СГГА
УДК 502
ISBN 978-5-87693-473-4
© ГОУ ВПО «Сибирская государственная
геодезическая академия» (СГГА), 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Практическая работа № 1. Оценка пригодности природной воды в качестве
питьевой по формуле М.Г. Курлова ........................................................... 4
Практическая работа № 2. Расчет энергетической ценности продуктов при
рациональном питании ............................................................................. 11
Практическая работа № 3. Нитраты и здоровье человека............................. 20
Практическая работа № 4. Анализ промышленного загрязнения озера...... 23
Практическая работа № 5. Расчетная оценка загрязнения атмосферного
воздуха от автотранспорта........................................................................ 25
Практическая работа № 6. Определение общей суммы платы предприятия
за выбросы вредных веществ в атмосферу ............................................ 32
Практическая работа № 7. Электромагнитное загрязнение окружающей
среды ........................................................................................................... 36
Практическая работа № 8. Экологическая оценка территории в
техногенных зонах .................................................................................... 39
Практическая работа № 9. Определение интенсивности фотосинтеза в
экосистеме и его эффективность ............................................................. 48
Практическая работа № 10. Потоки энергии и трофические уровни в
экосистеме .................................................................................................. 55
Список рекомендуемой литературы ................................................................ 59
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ ПРИРОДНОЙ
ВОДЫ В КАЧЕСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ПО ФОРМУЛЕ М.Г. КУРЛОВА
Цель: представить анализ природной воды по формуле М.Г. Курлова
и оценить ее пригодность в качестве питьевой.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Природные воды – все воды земного шара как планеты. В природных
условиях вода не встречается в химически чистом виде. Она представляет
собой раствор, часто сложного состава, который включает газы (O2, CO2, H2S,
CH4 и др.), органические и минеральные вещества. В природных водах
обнаружено подавляющее большинство химических элементов. Наиболее
распространенные ионы: Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Cl-, SO 24 − , HCO 3− , NO 3− , а
также кремниевая кислота H2SiO3.
Описание природной воды по формуле М.Г. Курлова
Для удобства сопоставления анализов воды существуют различные
способы сокращенного изображения состава. Наиболее часто применяется
формула М.Г. Курлова – это наглядное изображение химического состава
природной воды. В этой формуле, выражаемой в виде псевдодроби, в числителе
пишут в процент-эквивалентах в убывающем порядке анионы, а в знаменателе
– в таком же порядке катионы. Ионы, присутствующие в количестве менее 10 %
экв, в формулу не вносят. К символу иона приписывают его содержание в
процент-эквивалентах в целых числах. Впереди дроби указывают pH, жесткость
(ж) в мг · экв/л, величину минерализации (М) в г/л и компоненты, специфичные
для данного анализа (CO2, H2S, Br-, J-, радиоактивность и др.). После дроби
о
указывают температуру воды (t, C) и дебит источника или скважины D в м3/сут.
Например:
Cl 40 HCO3 36 SO 4 20
рH 6,7 ж 2,1 М 5,0
t 45 D 5.
Na 64 Ca 28
А теперь последовательно рассмотрим составные части формулы М.Г.
Курлова.
Водородный показатель – pH
В воде часть молекул всегда находится в диссoциированном состоянии в
виде ионов H+ и OH-. Концентрация недиссоциированной воды считается
постоянной, поэтому количество ионов водорода и ионов гидроксила при
о
данной температуре будет тоже величиной постоянной. При t = 22 С эта
величина равна 10-14. Чистая вода имеет нейтральную реакцию, и количество
ионов H+ должно быть равно количеству ионов OH-:
[H+] = [OH-] = 10-7
о
Это выражение показывает, что при 22 С в 1 л чистой воды содержится 10-7
грамм-молекул воды в ионизированном виде, т. е. 10-7 грамм-ионов водорода и
10-7 грамм-ионов гидроксила.
Если [H+] = 10-7, то lg[H+] = –7, а –lg[H+] = 7.
Выражение lg[H+] означает, что pH – отрицательный десятичный логарифм
концентрации водородных ионов.
Если pH < 7 – реакция воды кислая;
Если pH > 7 – реакция воды щелочная;
pH < 4,5 – сильнокислая;
4,5 – 5,5 – кислая;
5,5 – 6,5 – слабокислая;
6,5 – 7,5 – близкая к нейтральной;
7,5 – 8,5 – слабощелочная;
8,5 – 9,5 – щелочная;
> 9,5 – сильнощелочная.
Жесткость воды
Жесткостью воды называется свойство воды, обусловленное содержанием
в ней ионов кальция (1/2 Ca2+) и магния (1/2 Mg2+). Единицей жесткости воды
является моль на кубический метр (моль/м3). Числовое значение жесткости,
выраженное в моль/м3, равно числовому значению жесткости, выраженному в
мг · экв/л. 1 мг/л жесткости воды отвечает содержанию ионов кальция (1/2 Ca2+)
20,04 мг/л и ионов магния (1/2 Mg2+) 12,153 мг/л.
Виды жесткости воды
Различают жесткость воды: общую – общее количество содержащихся в
воде ионов кальция и магния; устранимую – жесткость воды, обусловленная
наличием в воде карбонатных (CO32-) и гидрокарбонатных (HCO3-) ионов солей
кальция и магния, удаляемая при кипячении и определяемая экспериментально;
неустранимую – разность между общей жесткостью и устранимой жесткостью;
карбонатную – сумма карбонатных (CO32-) и гидрокарбонатных (HCO3-) ионов
в воде; некарбонатную – разность между общей жесткостью и карбонатной.
По величине общей жесткости (по А.О. Алекину) различают следующие
природные воды:
− Очень мягкие
до 1,5 мг · экв/л;
− Мягкие
1,5 – 3 мг · экв/л;
− Умеренно-жесткие
3 – 6 мг · экв/л;
− Жесткие
6 – 9 мг · экв/л;
− Очень жесткие
> 9 мг · экв/л.
Минерализация воды
Минерализация воды (М) – концентрация растворенных в воде
неорганических веществ. Различают характер и степень минерализации. Характер
минерализации обусловлен химическим типом воды. По О.А. Алекину воды
делятся на три класса по преобладающему аниону – гидрокарбонатные,
сульфатные, хлоридные. Каждый класс подразделяется на три группы по
преобладающему катиону: Na+, Ca2+, Mg2+.
Степень минерализации
Степень минерализации выражают в мг/л или г/л (иногда г/кг) и
определяют:
1. По сухому остатку, который получают путем выпаривания природной
воды. Если количество воды выражено в миллилитрах (мл), концентрацию
солей в воде называют минерализацией – М (г/л, мг/л). Если количество воды
взято в граммах (г), то концентрацию солей в воде называют соленостью – S
(г/кг, %о).
Знак %о – промилле – одна тысячная часть числа, десятая часть процента;
2. По химическому составу природной воды. Определяют как
арифметическую сумму весовых количеств всех ионов в 1 л воды:
ионов, мг/л
М= ∑
= г/л .
1 000
По степени минерализации (по В.И. Вернадскому, И.К. Зайцеву)
природные воды подразделяются на следующие типы:
− Пресные
до 1 г/л;
− Солоноватые 1 – 10 г/л;
− Соленые
10 – 50 г/л;
− Рассолы
> 50 г/л.
Псевдодробь
1. Из лаборатории получаем результаты химических анализов воды в мг/л.
2. Полученные исходные данные пересчитываем в мг · экв путем деления
результатов анализа в мг/л на эквивалентную массу соответствующего иона
(табл. 1.1).
Например: концентрация Ca2+ – 79 мг/л (результат химического анализа
представлен в табл. 1.2. Чтобы получить эквивалентную массу кальция, нужно
его атомную массу 40,08 разделить на валентность, т. е. 2. Получим
эквивалентную массу 20,04, затем 79 : 20,04 = 3,95 мг · экв/л. Пересчитать в
мг · экв форму можно другим способом. Для этого исходные данные в мг/л
умножить на соответствующие пересчетные коэффициенты. Величину
пересчетного коэффициента получим путем деления единицы на эквивалентную
массу. Пересчетный коэффициент для кальция: 1 : 20,04 = 0,0499. Для
одновалентных ионов эквивалентной массой будет атомная масса.
Таблица 1.1
Ион
Ca2+
Mg2+
CO 32 −
Эквивалентная масса
20,04
12,15
30,01
Атомная масса
40,08
24,30
60,02
Название иона
кальций-ион
магний-ион
карбонат-ион
SO 24 −
48,03
96,06
сульфат-ион
HCO 3−
ClNO 3−
Na+
K+
NH +4
61,02
гидрокарбонат-ион
35,453
62,0
хлор-ион
нитрат-ион
22,99
39,102
18,04
натрий-ион
калий-ион
аммоний-ион
3. Для вычисления процент-эквивалентов (% · экв) принимаем сумму
мг · экв анионов (∑А), содержащихся в 1 л воды за 100 % и вычисляем процент
содержания каждого аниона в мг · экв по отношению к этой сумме. Аналогично
вычисляем % экв катионов.
Например, сумма катионов равна 8,51 (табл. 1.2):
8,51 – 100 %;
1,52 – х;
х = 17,9 % · экв (Na).
Суммы катионов и анионов, выраженные в мг · экв/л, должны быть равны
между собой. Часто точного совпадения цифр ввиду погрешностей анализа не
бывает. Допустимая неточность анализа (х) определяется по формуле:
−
Х = ∑ А ∑ К · 100 ≤ 5 %,
∑ А + ∑К
где ∑ А – сумма мг · экв/л анионов;
∑ К – сумма мг · экв/л катионов.
Образец выполнения задания
В табл. 1.2 записываем результаты
выраженные в трех формах:
1) мг/л; 2) мг · экв/л; 3) % экв.
химических
анализов
воды,
Таблица 1.2
Катионы
pH
Na+
Ca2+
Mg2+
6,9
35
1,52
79
3,95
37
3,04
17,9
46,4
35,7
*
∑К
Анионы
∑А
Ед. изм.
н.о.
-
8,57
мг/л
мг · экв/л
-
100
% экв
Cl-
SO 24 −
CO 32 −
HCO 3−
NO 3−
8,51
12
0,34
66
1,38
н.о.*
-
418
6,85
100
4
16,1
-
79,9
н.о. – не обнаружено.
ж = 3,95 + 3,04 = 6,99;
М=
(35 + 79 + 37 + 12 + 66 + 418) мг/л
= 0,6 г/л;
1 000
pH 6,9 ж 7,0 М 0,6 HCO3 80 SO 4 16 (см. табл. 1.2).
Ca 46 Mg 36 Na 18
Вода близкая к нейтральной, жесткая, пресная, гидрокарбонатно-магниевокальциевая. В название химического состава воды входят ионы, содержание
которых ≥ 25 % экв, и называют воду, начиная с анионов от 25 % экв в
возрастающем порядке, затем катионы в таком же порядке.
Вывод: вода пригодна в качестве питьевой.
Вода непригодна в качестве питьевой:
1. С pH > 8,5 и < 6,5;
2. С ж > 7 мг · экв/л;
3. С М > 1 г/л;
4. Если хлоридов > 350 мг/л;
5. Если сульфатов > 500 мг/л;
6. Если ∑ Cl + SO4 ≥ 450 мг/л.
Если вода непригодна в качестве питьевой, то в выводе перечислить, по
каким показателям.
Варианты для выполнения задания представлены в табл. 1.3. В каждом
варианте необходимо выполнить 3 задачи.
Таблица 1.3. Химические анализы природных вод, мг/л
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
pH
Na
Ca
Mg
Cl
SO4
CO3
HCO3
NO3
7,4
8,15
7,2
7,9
7,8
7,0
8,6
8,3
7,2
8,2
8,25
7,5
8,15
6,8
8,0
8,4
8,25
7,1
6,4
7,0
7,53
7,3
7,6
7,5
7,55
7,25
8,6
7,4
7,55
6,4
8,55
7,8
7,5
8,0
8,05
7,5
7,9
7, 25
8,06
8,53
7,8
7,5
8,05
7,5
8,3
8, 25
92
99
320
26
38
150
117
372
50
61
202
41,9
778
8
240
75
586
92
75
936
906
74
63
60
234
181
10,4
231
216
2,5
117
73
77
63
150
462
55
3
51,08
276
43
10,58
204
597
177
280
60
72
237
210
254
36
113
295
28
612
129
2,5
234
2,5
106
174
129
19
118
434
512
56
65
122
22
44
1,19
146
87
2,0
87
59
48
45
84
64
53
126
88,6
26
62
2,2
22
89
68
42
28
50
н.о.
31
70
146
105
112
11
147
57
2,15
298
3,67
58
30
163
117
5
191
262
30
69
11
11
28
2,38
97
84
3,27
36
26
48
79
86
68
53
40
2,8
50
44
1,8
40
168
95
73
9
37
709
17
303
348
215
313
35
556
86
56
813
20,5
155
114
370
202,9
50
597
945
16
86
142
5
9
0,37
136
196
13
109
54
17
19
167
398
6
4
232
24
6
4,8
5
32
44
148
98
118
357
302
131
247
108
694
13
491
349
5,69
849
0,27
200
96
605
151
57
2496
2489
10
88
153
10
26
н.о.
690
362
0,77
164
114
57
26
296
453
38
2
4,2
120
28
8,38
8
1 488
192
8
12
12
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
34
н.о.
н.о.
н.о.
12
н.о.
12
н.о.
н.о.
6
24
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
6
н.о.
12
н.о.
1,6
12
6
н.о.
36
н.о.
н.о.
н.о.
10
н.о.
11
н.о.
1,44
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
403
500
49
427
525
287
494
488
195
555
555
30,31
720
10,4
515
537
830
322
427
549
488
476
439
159
695
705
42
409
366
7
287
262
443
634
403
503
512
586
28,08
878
482
18,4
793
769
854
1057
н.о.
н.о.
н.о.
6
13
н.о.
113
550
н.о.
640
46
н.о.
1070
н.о.
220
12
490
н.о.
н.о.
15
4
2
н.о.
н.о.
2
н.о.
н.о.
н.о.
85
н.о.
сл.
3
н.о.
сл.
н.о.
н.о.
5
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
8,4
8,95
7,5
7,85
7,9
7,6
7,0
4,0
7,4
7,0
6,45
7,0
7,55
7,5
7,2
7,57
7,2
7,2
7,5
7,5
7,5
7,58
7,45
7,5
7,45
7,57
7,45
7,59
7,5
7,6
7,8
7,0
6,4
7,о
7,53
6,2
7,5
7,7
230
466
6
1
71
321
239
936
606
75
48
906
161
663
39
46
31
8
438
23
48
540
28
55
202
372
416
47
46
321
606
239
75
936
906
39
46
321
17
20
79
88
66
110
434
434
94
118
86
512
63
236
110
71
102
126
197
71
86
367
100
76
68
148
239
74
91
110
94
434
118
434
512
110
71
110
47
108
36
26
44
129
143
191
138
5
33
262
33
95
14
52
14
19
33
38
33
255
42
42
49
107
156
53
29
129
138
143
5
191
262
14
52
129
40
337
7
6
6
497
129
597
497
50
12
945
50
398
12
12
12
12
12
12
12
11
2
2
27
11
26
2
3
497
497
129
50
597
945
12
12
497
н.о.
401
6
10
71
532
1 618
2 496
980
57
33
2 489
113
1 448
33
62
51
30
1 156
14
33
2 550
31
58
282
964
1 314
17
4
532
980
1 618
57
2 496
2 489
33
62
532
н.о.
90
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
24
н.о.
н.о.
н.о.
12
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
848
714
421
378
512
305
366
549
488
427
488
488
549
427
427
488
366
366
427
427
488
573
549
463
585
732
902
646
536
305
488
366
427
549
488
427
488
305
н.о.
5
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
32
15
н.о.
н.о.
6
4
7
5
20
12
12
76
15
4
6
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
32
н.о.
15
4
20
12
н.о.
Контрольные вопросы
1. Дать определение «минерализация воды» и «соленость воды».
2. Чем обусловлена жесткость воды, и в каких единицах выражается?
3. В каких формах можно выразить результаты химического анализа воды?
4. Что отражает формула М.Г. Курлова и как она записывается?
5. Как читается формула М.Г. Курлова?
6. Каким требованиям отвечает вода для использования в качестве
питьевой?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ
ПРОДУКТОВ ПРИ РАЦИОНАЛЬНОМ ПИТАНИИ
Цель: дать понятие о культуре питания, одном из разделов науки об
экологии человека, ознакомить с основами рационального питания.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
На протяжении жизни человек осуществляет разнообразную физическую
работу. Всю жизнь в организме работает сердце, мышцы и другие жизненно
важные органы, происходит распад одних веществ и синтез других, т. е. обмен
веществ и постоянное обновление клеток. Эти процессы требуют энергии,
которую организм получает за счет пищи.
Продукты питания неравнозначны по энергетической ценности, она
зависит от их химического состава. Пищевые вещества не могут быть заменены
одно на другое. Значение различных продуктов питания определяется не только
энергетической ценностью, но и их качественным составом.
Основным пластическим материалом для живых организмов являются
белки. Обмен белков как центральное звено биохимических процессов лежит в
основе жизни. Единственным источником белка для человека является пища:
почти во всех продуктах, за исключением сахара и растительных масел,
присутствуют белки. Вследствие умеренного нагревания и варки питательная
ценность белков увеличивается, они лучше усваиваются. Важная функция
белков состоит в обеспечении защитных свойств организма, его иммунитета.
Неполноценное белковое питание всегда приводит к тяжелому заболеванию, в
раннем возрасте – к замедлению физического и умственного развития.
Жиры пищи – это, прежде всего, источник энергии. Жиры являются
структурными элементами живой клетки и обеспечивают физиологические
функции организма. Жировой слой вокруг внутренних органов брюшной
полости защищает их от механического повреждения. В подкожной клетчатке
жиры как плохой проводник тепла ограничивают теплоотдачу и защищают
организм от переохлаждения. В чистом виде рекомендуется употреблять 20–25
г сливочного масла и 20 г растительного в день.
Углеводы – важнейшие компоненты пищевого рациона. Они
подразделяются на моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды
(сахароза, мальтоза, лактоза), на перевариваемые полисахариды (крахмал,
гликоген) и пищевые волокна. Дисахариды и перевариваемые полисахариды
расщепляются в организме человека с образованием глюкозы и фруктозы. При
окислении глюкозы образуется энергия, обеспечивающая непрерывность
практически всех физиологических функций, прежде всего – высшей нервной
деятельности. Энергия глюкозы восполняет почти половину энергетических
затрат организма. При определенных условиях часть глюкозы, иногда
значительная, превращается в собственный жир организма.
Рекомендуемый баланс белков, жиров, углеводов и их качественное
соотношение для взрослого человека приведены в табл. 2.1, а их потребность в
сутки – в табл. 2.2.
Таблица 2.1. Рекомендуемый баланс белков, жиров, углеводов для взрослого
человека
Параметры
Весовое
соотношение
Процентное
соотношение
энергетической
потребности
Качественное
соотношение
Белки
Жиры
Углеводы
1
1,2
4,6
11,13 %
30–33 %
56 %
животные 55 %
растительные 45 %
животные 50 %
растительные 30 %
маргарин 20 %
крахмал 75 %
сахар 20 %
пектин. в-ва 3 %
клетчатка 2 %
Таблица 2.2. Суточная потребность в основных пищевых веществах
Вещества
Белки
Жиры
Углеводы
ккал
На 1 кг
В среднем
1,5 г
80–100 г
1,5 г
80–100 г
8г
400–500 г
50–55 ккал по категории
работы
Категория
работающих
умственного
труда
г
г
г
2 300–2 400
ккал
Количество воды
в сутки, г
Питьевая
В супах
В продуктах
Всего
800–1 000 г
250–500 г
700 г
1 750–2 200 г
Минеральные вещества участвуют в обменных процессах клеток
различных тканей. Особое значение приобретают минеральные вещества в
построении костной ткани, плотность и устойчивость которой к физическим
нагрузкам зависит от содержания кальция и фосфора. Минеральные вещества
влияют на кроветворение, входят в состав многих гормонов и других
биологически активных соединений.
Витамины активно участвуют в обменных и окислительных процессах, в
результате которых из углеводов и жиров образуются многочисленные вещества,
используемые организмом как энергетический и пластический материал.
Важную роль играют витамины в поддержании иммунобиологических реакций
организма, обеспечивающих его устойчивость к неблагоприятным факторам
окружающей среды, инфекционным заболеваниям. Они смягчают или
устраняют неблагоприятное действие на организм человека многих
лекарственных препаратов. Некоторые витамины не синтезируются в организме
человека и должны поступать с пищей. Потребность человека в витаминах
очень мала, однако при длительном отсутствии того или иного витамина в пище
развиваются тяжелые заболевания (цинга и др.), именуемые авитаминозами.
Недостаток витаминов в организме может возникнуть также из-за
нерационального соотношения отдельных компонентов пищевого рациона, в
частности, при избытке углеводов, при неправильной кулинарной обработке
пищевых продуктов и длительном хранении готовой пищи. Недостаток
витаминов (гиповитаминоз) проявляется ухудшением работоспособности, общей
слабостью, снижением сопротивляемости организма инфекционным и
простудным заболеваниям, снижением остроты зрения в темноте и т. п.
Вода является составной частью живой клетки. В организме взрослого
человека с массой тела 65 кг содержится около 40 л воды, из которой 25 л
находится внутри клеток, 15 л – во внеклеточной жидкости. Обмен воды в
организме проходит очень интенсивно. Потоотделением регулируется
постоянство температуры тела. При повышении температуры окружающей
среды или интенсивной физической работе потоотделение резко усиливается
(до 10 л в сутки). Регулярное потребление воды является важным фактором
поддержания постоянства внутренней среды организма (см. табл. 2.2).
Рациональное питание – это питание, достаточное в количественном
отношении и полноценное в качественном, удовлетворяющее энергетические,
пластические и другие потребности организма и обеспечивающее необходимый
уровень обмена веществ.
Сбалансированное питание предусматривает оптимальное для организма
человека соотношение в суточном рационе белков, жиров, углеводов,
минеральных веществ, витаминов.
Режим питания зависит от распорядка дня, характера трудовой
деятельности, климатических условий. Для нормального пищеварения большое
значение имеет регулярность приема пищи, так как при этом создаются
условия для лучшего переваривания ее. Необходимо, чтобы интервалы между
приемами пищи не превышали 4–5 часов. Наиболее благоприятно
четырехразовое питание (табл. 2.3).
Таблица 2.3. Распределение пищевого рациона при 4-разовом и 3-разовом
питании
Прием пищи
Завтрак
Обед
Полдник
Ужин
4-разовое
3-разовое
25 %
35 %
15 %
25 %
30–35 %
40–45 %
–
20–30 %
Прием пищи
Первый завтрак
Второй завтрак
Обед
Ужин
4-разовое
25 %
15 %
35 %
25 %
Объем принимаемой пищи в среднем составляет 2,5–3,5 кг в сутки.
В табл. 2.2 приведена суточная потребность в основных пищевых веществах.
Эти рекомендации даны для средней температуры окружающей среды
10 градусов. При понижении температуры на каждые 10 градусов следует
увеличивать суточный рацион на 10 %. Это нужно иметь в виду при расчете
рациона в Сибири в зимний период.
В табл. 2.4 представлено необходимое количество килокалорий в сутки по
затрате энергии в зависимости от характера трудовой деятельности и веса
человека.
Таблица 2.4. Необходимое количество килокалорий в сутки по затрате энергии
Категории работы
ккал/сутки
1 – легкая
3 000
2 – средней тяжести
3 100–3 900
3 – тяжелая
> 4 000, в среднем 4 500
Задача
Рассчитать для себя лист питания на сутки.
Содержание работы:
1. Определить необходимое количество килокалорий, белков, жиров,
углеводов, используя суточную потребность на 1 кг веса, приведенную в
табл. 2.2.
2. Составить предварительное меню на сутки (табл. 2.5).
3. Рассчитать питание по белкам, жирам, углеводам, килокалориям на
сутки (табл. 2.6).
4. Выполнить коррекцию, если отклонения от нормы на весь вес
превышают 10 %.
Задание выполняется с использованием приведенных таблиц и образца
расчета листа питания.
Лист питания
Возраст:
Вес:
Вес долженствующий: 75 кг
Продукты: свободный выбор согласно табл. 2.6
Предварительное меню на сутки
Коррекция
Завтрак:
творог
100 г
молоко
200 г
хлеб
100 г
изюм
100 г
масло сливочное
10 г
Обед:
свекла
50 г
масло растительное
20 г
картофель
200 г
шоколад 20 г
мясо (говядина)
100 г
хлеб
100 г
варенье
50 г
Полдник: мука
100 г
масло растительное
10 г
пастила
50 г
сок яблочный
200 г
Ужин:
куры 2-й категории
100 г
капуста
200 г
молоко сгущенное
20 г
воздушная
пряники
50 г
кукуруза 100 г
хлеб
50 г
Таблица 2.5. Расчет питания по белкам, жирам, углеводам, килокалориям на
сутки
Продукты
Кол-во, г
200
100
10
30
250
50
100
100
20
50
200
200
100
200
50
1 660
Белки, г
5,6
16,7
0,06
0
19
2,4
18,9
20,8
1,4
0,8
4,0
3,6
10,3
1,0
0,3
104,86
1,5
112,5
1,5
112,5
8
600
50
3750
50
–7,6
3,4
–31,3
17,8
–226,6
26,2
–1 182
274
100
1,8
–
70,9
276
100
50
300
1 960
9,4
0,2
14,8
119,7
+7,3(6,5 %)
3,3
–
21,1
102,3
–10,4(9,2 %)
76,5
40,2
212,7
586,1
–13,8(2,3 %)
354
152
1 056
3 624
–126(3,4 %)
Молоко
Творог
Масло сливочное
Масло растительное
Хлеб пшеничный
Пряники
Мясо (говядина)
Куры 2-й категории
Молоко сгущенное
Свекла
Картофель
Капуста
Мука
Сок яблочный
Варенье
ИТОГО, г
Потребность:
– на 1 кг веса
– на весь вес (75 кг)
Отклонение от нормы
на весь вес
Коррекция:
– шоколад
– изюм
– воздушная
кукуруза
– пастила
Итого:
Всего:
Отклонение на вес, %
Жиры, г
6,4
9,0
8,2
30
2,2
1,4
12,4
8,8
1,7
–
0,2
–
0,9
0
0
81,2
Углеводы, г
9,4
1,3
0,09
0
124,2
38,8
–
0,6
11,2
5,4
39,4
10,8
74,2
23,4
35,6
373,39
ккал
116
156
75
270
565
168
187
165
63
24
166
56
327
94
136
2 568
Таблица 2.6. Содержание основных веществ, энергетическая ценность пищевых
продуктов (на 100 г продуктов)
Продукты
Манная крупа
Гречневая крупа
Овсяная крупа
Горох лущеный
Соя
Макаронные изделия
Хлеб ржаной
Сдоба
Пшеничный хлеб
Сахар песок
Какао порошок
Крахмал картофельный
Кондитерские изделия:
Карамель фруктовая
Шоколад молочный
Конфеты шоколадно-кремов.
Мармелад
Пастила
Зефир
Халва
Печенье сахарное
Галеты
Вафли фруктовые
Пряники
Пирожное с кремом
Молоко, молочные продукты:
Молоко пастеризован.
Сливки 10 % жирности
Сметана 20 % жирности
Творог полужирный
Сырки творожистые
Кефир нежирный
Простокваша
Йогурт 3,2 % жирности
Молоко сухое
Молоко сгущенное с сахаром
Масло сливочное
Масло топленое
Майонез столовый «Провансаль»
Сыр российский
Брынза из коровьего молока
Плавленый сыр 40 % жирности
Мороженое молочное
Белки
Жиры
Углеводы
11,3
12,6
11,9
23,0
35,0
10,4
6,5
7,6
7,6
0
24,2
0,1
0,7
2,6
5,8
1,6
17,3
0,9
1,0
5,0
0,9
0
17,5
Следы
73,3
68,0
65,4
67,7
18,5
75,2
40,1
56,4
49,7
99,8
27,9
79,6
Энергетическая
ценность, ккал
326
329
345
323
332
332
190
288
226
374
373
129
0,1
6,9
4,0
Следы
0,5
0,8
12,7
7,5
9,7
3,2
4,8
5,4
0,1
35,7
39,5
0,1
Следы
29,9
11,8
10,2
2,8
2,8
38,6
92,1
52,4
51,3
77,7
80,4
77,3
50,6
74,4
68,4
80,1
77,7
46,4
348
547
566
296
305
299
510
417
393
342
336
544
2,8
3,0
2,8
16,7
7,1
3,0
2,8
5,0
25,6
7,2
0,6
0,3
2,4
23,4
17,9
23,0
3,2
3,2
10,0
20,0
9,0
23,0
0,05
3,2
3,2
25,0
8,5
82,5
98,0
67,0
30,0
20,1
19,0
3,5
4,7
4,0
3,2
1,3
27,5
3,8
4,1
3,5
39,4
56,0
0,9
0,6
3,9
21,3
58
118
206
156
340
30
58
85
475
315
748
887
627
371
260
270
125
Продукты
Эскимо
Маргарин
Жир кулинарный
Сало растительное
Растительное масло
Овощи, плоды:
Горошек зеленый
Кабачки
Капуста
Картофель
Лук репчатый
Морковь красная
Огурцы
Перец сладкий
Петрушка зелень
Свекла
Томаты
Фасоль (стручок)
Арбуз
Дыня
Ананас
Бананы
Персик
Яблоки
Апельсин
Лимон
Виноград
Земляника садовая
Грибы белые свежие
Грибы сушеные
Капуста квашеная
Томаты соленые
Чай черный байховый
Мясо:
Баранина 2 категория
Говядина 1 категория
Говядина 2 категория
Кролика
Свинина мясная
Печень
Почки
Колбасные изделия:
Докторская
Сардельки 1 сорта
Сосиски свиные
Белки
Жиры
Углеводы
3,5
0,3
0
0
0
20,0
82,3
99,7
99,7
99,9
19,6
1,0
0
0
0
Энергетическая
ценность, ккал
268
746
897
897
899
5,0
0,6
1,8
2,0
1,7
1,3
0,8
1,3
3,7
1,7
0,6
4,0
0,7
0,6
0,4
1,5
0,9
0,4
0,9
0,9
0,4
1,8
3,2
27,6
0,8
1,7
20,0
0,2
0,3
0,1
0,7
6,8
-
13,3
5,7
5,4
19,7
9,7
7,0
3,0
5,7
8,1
10,8
4,2
4,3
9,2
9,6
11,8
22,4
10,4
11,3
8,4
3,6
17,5
8,1
1,6
10,0
1,8
1,8
6,9
72
27
28
83
43
33
15
27
45
48
19
32
38
39
48
91
44
46
38
31
69
41
25
209
14
19
109
20,0
18,9
20,2
20,7
14,4
17,4
12,5
9,0
12,4
7,0
12,9
33,0
3,1
1,8
-
164
187
144
199
355
98
66
13,7
9,5
11,8
22,8
17,0
30,8
1,9
-
260
198
324
Продукты
Копченая краковская
Грудинка сырокопченая
Консервы мясные:
Говядина тушеная
Завтрак туриста
Птица:
Бройлеры (цыплята) 1-й категории
Гуси 1-й категории
Индейки 1-й категории
Куры 1-й категории
Куры 2-й категории
Утки 1-й категории
Яйца куриные
Рыба:
Горбуша
Камбала
Треска
Хек
Щука
Язь
Краб
Сельдь соленая
Икра кеты зернистая
Икра минтая
Томатная паста
Консервы, фруктовые
Компоты:
Абрикосы
Персик
Фруктовые соки:
Вишневый
Яблочный
Варенье из малины
Фрукты сушеные:
Урюк
Изюм
Воздушная кукуруза
Кукурузные хлопья
Хрустящий картофель
Мука высший сорт
Белки
Жиры
Углеводы
16,2
7,6
44,6
66,8
-
Энергетическая
ценность, ккал
466
632
16,8
20,5
18,3
10,4
-
232
176
17,6
15,2
19,5
18,2
20,8
15,8
12,7
12,3
39,0
22,0
18,4
8,8
38,0
11,5
0,4
0,7
0,6
0,7
183
412
276
241
165
105
157
21,0
15,7
17,5
16,6
18,8
19,0
16,0
17,0
31,6
28,4
4,8
7,0
3,0
0,6
2,2
0,7
4,5
0,5
8,5
13,8
1,9
0
18,9
147
90
75
86
82
117
69
148
251
131
96
0,5
0,3
0
0
21,4
22,3
85
86
0,7
0,5
0,6
0
0
0
12,2
11,7
71,2
53
47
271
5,0
1,8
9,4
15,1
3,4
10,3
0
0
3,3
1,3
38,8
0,9
67,5
70,9
76,5
73,3
48,1
74,2
278
276
354
347
543
327
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Каким должно быть рациональное питание?
2. Какова роль пищевых веществ в питании человека – белков, жиров,
углеводов, витаминов и минеральных веществ?
3. Каков баланс белков, жиров, углеводов и их качественное соотношение
для взрослого человека?
4. Какой оптимальный режим питания для Вас?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. НИТРАТЫ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Цель: познакомиться с влиянием нитратов на здоровье человека,
способами уменьшения этого влияния, изучить безопасные дозы нитратов при
питании и выполнить расчеты безопасного количества суточных продуктов.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Нитраты – это соли азотной кислоты, которые накапливаются в продуктах
и воде при избыточном содержании в почве азотных удобрений.
Наиболее чувствительны к избытку нитратов дети первых месяцев жизни.
Отмечены случаи отравления детей овощными соками с повышенным
содержанием нитратов, в частности соком моркови, который пили через 1–2
суток после приготовления. В 1 л сока накапливалась до 770 мг нитратов. Если
мать употребляет продукты с высоким содержанием нитратов (капуста, свекла,
морковь, огурцы, шпинат и др.), то они неизбежно попадают в грудное молоко.
В 1 л коровьего молока может содержаться до 800 мг нитратов.
Для взрослого человека смертельная доза нитратов составляет от 8 до 14 г,
острые отравления наступают при приеме от 1 до 4 г нитратов. Обнаружена
прямая взаимосвязь между частотой заболевания раком желудка, гастритом и
высоким содержанием нитратов в воде. Было выявлено, что у детей, пьющих
воду с высоким содержанием нитратов, наблюдается тенденция к увеличению
роста и массы при уменьшении окружности грудной клетки, мышечной силы
кистей рук и жизненной емкости легких, т. е., как и растения, ускоренно
набирают вес дети.
При внесении азотных удобрений 700–800 г на сотку, земля не истощается,
а в растениях не накапливается опасное количество нитратов. Практически
вносится в 3 раза больше удобрений, что превышает безопасный уровень и
ведет к накоплению нитратов в почве и поступлению их в подземные воды.
Таким образом, на дачном участке в колодезной воде неизбежно появляются
нитраты. Урожай возрастает, но придется, есть овощи с нитратами, и пить
нитратную воду. Повышение урожайности будет оплачено здоровьем семьи.
Присутствие нитратов в воде можно определить с помощью вкусового
анализатора: вяжущий, кисловато-соленый вкус нитратов ощущается уже при
концентрации 8 мг/л. С увеличением содержания нитратов в воде кислосоленый привкус усиливается, а при концентрации нитратов 1 500 мг/л вода
становится горьковатой.
Избыточные количества нитратов не токсичны для растения. В живых
(растущих) растениях нитриты обнаруживаются в количествах, не
превышающих следов. Живые растения не допускают накопления опасных
концентраций нитритов.
После уборки урожая происходит превращение нитратов в опасные
метаболиты – нитриты. Свежие овощи не опасны для человека, однако при
хранении нитраты под воздействием микроорганизмов могут восстанавливаться
в нитриты. Наиболее интенсивно это происходит при хранении поврежденных,
битых овощей в грязных, сырых помещениях при комнатной температуре. При
хранении овощей в проветриваемом помещении при постоянной температуре и
влажности содержание нитратов через 8 месяцев снижается в 2 раза.
При кулинарной обработке содержание нитратов может снижаться.
Снижение происходит за счет чистки и удаления наиболее нитратных частей
растения: у огурцов кожицы и задней части (черешковой), у капусты верхних
листьев, кочерыжки. При мытье и вымачивании часть нитратов уходит в воду. В
соленых овощах содержание нитратов может быть даже меньше, чем в рассоле.
При вымачивании из овощей в раствор переходит от 3 до 25 % нитратов. Еще
больше вымываются нитраты из овощей при отваривании. В отвар может
переходить до 85 % нитратов, содержащихся в овощах. При остывании
количество нитратов в овощах и отваре выравнивается. Содержание нитратов в
готовых блюдах в среднем снижается на 20–25 % по сравнению с сырыми.
По технологии изготовления нитраты и нитриты добавляют в сыры и рыбу
в качестве консерванта, а в колбасы ещё и в качестве фиксатора окраски.
Нитраты используют при консервировании мяса до 200 мг/кг, рыбы – до 1 000
мг/кг.
Измельчение, перетирание овощей создает идеальные условия для
размножения микроорганизмов, для восстановления нитратов в нитриты. Этим
объясняются острые отравления детей при употреблении пюре из шпината и
морковного сока с высоким содержанием нитритов. Наибольшее количество
нитритов образуется в соках, приготовленных из тепличных овощей. При
температуре 20 °С уже через несколько часов хранения овощные соки становятся
опасными для здоровья детей. Овощные соки следует употреблять сразу же
после приготовления, в течение нескольких минут.
Признаки отравления появляются через 1–6 часов после поступления
нитратов в организм. Острое отравление начинается с тошноты, рвоты, поноса.
Увеличивается и болезненно реагирует на пальпацию печень. Снижается
артериальное давление. Пульс неровный, конечности холодные. Дыхание
учащается. Появляется головная боль, шум в ушах, слабость, судороги мышц
лица, потеря сознания, кома. В легких случаях отравления преобладает
сонливость и общая депрессия.
Постоянное поступление высоких доз нитратов приводит к тяжелым
последствиям не так быстро, но так же неотвратимо.
Нитриты, поступив в кровь, вызывают кислородное голодание организма.
Нитриты образуют канцерогенные нитрозосоединения, способные за 20–25 лет
постоянного воздействия вызвать рак желудка.
Чтобы не отравиться овощами, каждому человеку нужно знать свою
допустимую суточную дозу (ДСД) (табл. 3.1), а также предельно допустимые
концентрации нитратов в овощах (табл. 3.2), и, исходя из нее, определять,
сколько и каких овощей можно съедать в сутки без опасения отравиться.
Особенно важно это для детей.
Таблица 3.1. Допустимая суточная доза нитратов, мг
Масса человека, кг
До 10 кг (ребенок до 6 месяцев)
10 кг (ребенок до 1 года)
20 кг (ребенок до 5 лет)
50 кг
80 кг
ДСД нитратов
не допускается
2
4
200
320
Таблица 3.2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) нитратов в овощах,
мг/кг
Овощи и фрукты
Картофель
Капуста
Морковь
Огурец
Помидор
Дыня
Арбуз
Свекла
ПДК нитратов
250
500
250
150 (400)*
150 (300)
90
60
1 400
Овощи и фрукты
Лук-репка
Лук-перо
Салаты
Перец
Кабачки
Виноград
Груша
Яблоки
ПДК нитратов
80
600 (800)
2 000 (3 000)
200 (400)
400
60
60
60
*
В скобках указаны ПДК для парниковых овощей.
Личное допустимое безопасное суточное потребление нитратов можно
вычислить, умножив свой вес на 4 мг/кг, для дошкольников – на 0,2 мг/кг.
Суточное потребление нитратов зависит от содержания их в воде и пище:
ДСД = Νводы + Νпищи,
где Νводы и Νпищи – количество нитратов, поступивших с водой и пищей.
Задача
Определить безопасное суточное количество потребляемых овощей
и фруктов.
1. Определить допустимое суточное потребление овощей и фруктов для 5летнего ребенка при условии, что питьевая вода не содержит нитратов.
2. Определить безопасное суточное количество тепличных овощей для
дошкольника.
3. Определить допустимое суточное потребление для себя и своей семьи.
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы (ответить письменно)
Как влияет избыточное потребление нитратов на здоровье человека?
Какими способами можно снизить количество нитратов в овощах?
Каковы признаки отравления нитратами?
Как определить допустимую суточную дозу потребления нитратов?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОЗЕРА
Цель: познакомиться с понятием предельно допустимой концентрации в
окружающей среде.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Защита окружающей среды от загрязнения регламентируется ПДК вредных
веществ. ПДК (предельно допустимая концентрация) – это максимальная
концентрация (количество вредных веществ в единице объема: мг/мл, мг/кг,
мг/м3), которая при воздействии на протяжении всей жизни человека не
оказывает ни на него, ни на окружающую среду в целом вредного воздействия,
включая отдаленные последствия.
Это можно выразить формулой:
Сi ≤ ПДКi,
(4.1)
где Сi – фактическая концентрация вредного вещества;
ПДКi – предельно допустимая концентрация этого вредного вещества.
При совместном действии нескольких вредных веществ, обладающих
однонаправленным (усиление эффекта при одновременном воздействии)
действием, их безразмерная суммарная концентрация не должна превышать 1:
С1 / ПДК1 + C2 / ПДК2 +...+ Ci / ПДКi ≤ 1.
(4.2)
Задача
На берегу озера площадью S км2 и средней глубиной H м расположено
промышленное предприятие, использующее воду озера для технических нужд и
затем сбрасывающее загрязненную воду в озеро. Цикл работы предприятия
непрерывный (круглосуточный). Объем сброса сточной воды – L л/с.
Рассчитать, каким будет загрязнение озера через 1 год. Сделать выводы о
промышленном загрязнении озера и дать рекомендации по сохранению озера.
ПДК вредных веществ (ВВ) в воде водных объектов:
мышьяк – 0,05 мг/л;
ртуть – 0,005 мг/л;
свинец – 0,1 мг/л.
Общее загрязнение определяется по формуле:
С = С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + С3/ПДК3 = ∑ Сi/ПДКi .
(4.3)
где Сi – концентрация ВВi в озере после годичного сброса сточных вод
в озеро;
ПДКi – ПДК этого ВВi.
Решение задачи рекомендуется выполнять в следующем порядке:
− Определить объем озера и вычислить объем сточной воды,
поступающей в озеро за 1 год;
− Определить количество каждого ВВ, поступившего в озеро со сточной
водой за год;
− Вычислить концентрацию каждого ВВ в озере после годичного сброса
сточных вод по формуле:
Сi = количество ВВi в озере / объем воды в озере;
(4.4)
− Определить общее загрязнение озера предприятием по формуле (4.3);
− Сделать выводы.
Таблица 4.1. Исходные данные к задаче
Номер
варианта
S, км2
H, м
L, л/с
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
3,0
3,0
2,5
5,2
5,0
4,5
4,0
4,6
2,8
3,2
2,0
2,6
3,6
5,0
5,0
2,5
3,0
4,0
1,5
2,0
1,8
2,6
2,8
2,5
3,0
3,0
2,5
2,0
2,5
3,5
2,0
2,5
3,0
1,5
2,0
2,0
2,0
2,5
2,5
2,0
2,0
2,0
2,0
1,0
3,0
2,3
1,8
2,3
2,0
2,8
20
15
10
10
15
25
30
20
10
15
10
15
20
10
10
20
15
16
18
15
16
12
20
17
20
Концентрация ВВ в сточной воде, мг/л
мышьяк
ртуть
свинец
0,25
0,10
0,68
0,16
0,32
0,95
0,31
0,15
1,80
0,20
0,90
0,10
0,60
0,05
3,15
2,60
0,45
1,80
1,60
0,30
2,10
0,50
0,40
1,00
0,30
0,10
0,65
0,75
0,45
0,90
0,15
0,08
0,53
0,41
0,16
0,85
0,26
0,13
1,20
0,17
0,20
1,30
0,20
0,13
1,43
0,22
0,03
0,71
0,27
0,12
0,55
1,06
0,47
0,68
0,60
0,24
0,70
0,20
0,18
1,05
1,00
0,15
0,65
0,08
0,47
0,68
0,34
0,29
1,31
0,42
0,94
1,37
0,96
0,49
1,43
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Что такое ПДК?
2. Как определяется суммарное загрязнение при наличии нескольких
вредных веществ однонаправленного воздействия?
3. Какие мероприятия следует выполнять при повышенном загрязнении
водного объекта?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ АВТОТРАНСПОРТА
Цель: познакомиться с влиянием автотранспорта на экологию города и
здоровье человека. Выполнить количественную оценку этого влияния.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Чистый воздух – одно из условий существования человечества. Однако на
современном этапе воздушная среда планеты сильно загрязнена. Особенно
остро стоит проблема загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных
центрах. Более чем в 200 городах России, где проживает 63 млн. человек (42 %
населения страны), среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в
воздухе превышают ПДК. Основным загрязнителем воздуха в мегаполисах (в
Москве, в Санкт-Петербурге, в Новосибирске) является автотранспорт. На его
долю приходится 70–90 % выбросов (от общего числа выбросов в атмосферу).
ХХ век стал временем торжества автомобильного транспорта. Он прочно
занял первое место как по перевозкам грузов, так и по перевозкам пассажиров.
Численность мирового парка автомобилей превышает 600 млн. Если
существующие на настоящий момент темпы роста числа автомобилей в мире
сохранятся, то к 2025 г. на дорогах будет более 1 млрд. автомобилей. Растет число
автомобилей и в г. Новосибирске (с 1997 по 2000 гг. их число увеличилось более
чем на 25 %). По существующим прогнозам рост числа автомобилей в
Новосибирске в ближайшее десятилетие будет продолжаться.
С ростом городского автопарка будет происходить и увеличение объемов
выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Ведь при работе двигателя
внутреннего сгорания автомобиль выбрасывает в окружающую среду более 200
веществ: угарный газ (СО), углекислый газ (СО2), оксиды азота NOх (смесь
оксидов NO и NO2), оксид серы (SO2), несгоревшие углеводороды (СхНy),
тяжелые металлы (свинец, кадмий и др.), канцерогенные вещества
(бенз(а)пирен, формальдегид) и т. д. Почти все эти вещества опасны для
здоровья людей.
Загрязнение атмосферного воздуха современным мировым автопарком
весьма ощутимо. Убедиться в этом помогут следующие цифры. При пробеге в
среднем 15 тыс. км за год один автомобиль сжигает 2 т топлива, 4,5 т кислорода
(это в 50 раз больше, чем необходимо одному человеку для дыхания за год) и
выбрасывает в атмосферу 700 кг угарного газа, 230 кг несгоревших
углеводородов, 40 кг диоксида азота. Причем в основном все эти вещества
попадают в окружающую среду, когда двигатель работает в режиме прогрева
или когда автомобиль тормозит. Из всех перечисленных вредных веществ
особенно опасен угарный газ (СО). По физико-химическим свойствам это
бесцветный газ, не имеющий запаха, поэтому его трудно обнаружить нашими
органами чувств. В больших городах благодаря автомобилям образуются
высокие локальные концентрации СО (иногда кратковременные). Это так
называемые «экологические ловушки». В таких местах у водителя снижается
реакция, что может послужить косвенной причиной ДТП, а у пешеходов
появляются признаки отравления (впоследствии наблюдаются головная боль,
снижение умственной деятельности). Попасть в «экологическую ловушку»
весьма просто, если долго находиться на остановках, у перекрестков и
светофоров, где интенсивное движение транспорта.
Степень загрязнения воздуха повышается с ростом числа машин. Поэтому
на загруженных автомагистралях экологическая обстановка достигает
критического уровня. Например, в Москве на Ленинском проспекте
наблюдается превышение ПДК выхлопных газов в 16 раз. В Новосибирске на
отдельных «средненапряженных» городских магистралях, как показали
исследования, в воздухе присутствуют СО, NОх, формальдегид в
концентрациях, превышающих допустимые в 1,2–10 и более раз. Следует
помнить, что особенно велики концентрации вредных веществ в приземном (до
1м) слое воздуха, т. е. на уровне выхлопных труб автомобилей. Поэтому не
следует гулять с маленькими детьми и собаками вблизи автомагистралей.
Рост числа автомобилей сопровождается всплеском ряда болезней у людей.
В первую очередь увеличивается число горожан, больных бронхиальной астмой,
хроническим бронхитом, плевритом. Наблюдения показывают, что в домах,
расположенных рядом с автодорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3–4 раза
чаще, чем в домах, удаленных от автомагистрали (до 50 м).
В мегаполисах при большом скоплении автомобилей и неблагоприятных
метеорологических условиях загрязненные воздушные массы могут
застаиваться над городом, образуя смог (от англ. smoke – дым и fog – туман).
Смоги разных типов характерны для сотен городов мира. Наиболее
распространены два вида.
1. Влажный (лондонский) смог. Впервые возник и хорошо изучен в Англии,
где часты туманы. Наиболее сильный смог подобного рода был зарегистрирован
в декабре 1952 г. в г. Лондоне (от смеси тумана с дымом погибло 4 тыс. человек).
2. Фотохимический, сухой (лос-анджелесcкий) смог. Возникает в
условиях сухого климата под действием солнечного света при отсутствии ветра.
Впервые такой смог зафиксирован в 1944 г. в г. Лос-Анджелесе, когда в
результате большого скопления автомобилей была парализована жизнь
крупнейшего города США.
Жители г. Новосибирска также неоднократно становились свидетелями
этого явления. Безветренные дни особенно способствуют образованию смога. В
целом рассеивающие способности атмосферы в районе Новосибирска выше,
чем на Кузбассе и Восточной Сибири, но существенно ниже по сравнению с
европейской территорией России.
Существует несколько способов снижения негативного влияния
автотранспорта на природную среду. Значительно улучшают ситуацию
нейтрализаторы, устанавливаемые на выхлопные трубы машин. В отдельных
регионах России запрещено использование этилированного бензина. В городах
растет число автомобилей, работающих на газе. При его использовании
количество вредных выбросов снижается в несколько раз. Конструируются
различные виды электроавтомобилей и двигателей, работающих на
водородном топливе. Строительство транспортных развязок – тоннелей и
эстакад также уменьшает уровень загрязнения магистралей выхлопными
газами. Это позволит избежать длительных остановок транспорта.
Задача
Оценить расчетным способом количество вредных веществ, поступающих
в атмосферу от автотранспорта, а также выяснить эффективность
использования каталитического нейтрализатора.
Решение
Исходные данные можно получить следующим образом.
1. Выберите участок автотрасс длиной 0,5–1 км, имеющий хороший обзор
(можно наблюдение проводить из окна).
2. Измерьте шагами длину участка (l, км), предварительно определив
среднюю длину своего шага.
3. Определите количество единиц автотранспорта, проходящего по
участку в течение 20 минут (количество единиц автотранспорта за 1 час
рассчитывают, умножая на 3). При невозможности выполнить эти измерения на
автотрассе используйте исходные данные, приведенные в табл. 5.5.
4. Рассчитайте общий путь (L, км), который прошли все автомобили
каждого типа за 1 час по формуле:
Li = Ni · l,
(5.1)
где Ni – количество автомобилей каждого типа за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
l – длина участка, км.
Полученный результат занесите в таблицу (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Расчет общего пути автотранспорта
Тип автотранспорта
Количество, шт.
за 20 минут
за 1 час (Ni)
Длина
участка
(l, км)
Общий путь за 1
час (Li, км)
Легковые автомобили
Грузовые автомобили
Автобусы
Дизельный автотранспорт
5. Рассчитайте для каждого типа автотранспорта количество топлива (Qi,
л), которое сжигается двигателями автомашин по формуле:
Qi = Li · Yi,
(5.2)
где Li – общий путь за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
Yi – удельный расход топлива (л) на 1 км (значения взять из табл. 5.6).
Определите общее количество сожженого топлива (в литрах) каждого вида
(ΣQбензин, ΣQдиз.топл.).
Результаты занесите в таблицу (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Расчет количества топлива, сжигаемого автотранспортом
Тип автотранспорта
Ni
Li
Yi
Qi, л
Дизельное
Бензин
топливо
Легковые автомобили
Грузовые автомобили
Автобусы
Дизельный автотранспорт
Всего (ΣQ):
6. Рассчитайте количество вредных веществ (в литрах), поступивших в
атмосферу в результате сгорания каждого вида топлива и в сумме от бензина и
дизельного топлива. Для этого воспользуйтесь табл. 5.7 и умножьте полученные
данные ΣQбензин или ΣQдиз. топл. на эмпирический коэффициент.
Полученные результаты занесите в таблицу (табл. 5.3).
Таблица 5.3. Расчет количества вредных веществ, поступивших в атмосферу от
автотранспорта
Вид топлива
ΣQ, л
Количество вредных веществ, л
СО
CxHy
NO2
Бензин
Дизельное топливо
Всего (V, л):
7. Перейдите по всем выхлопным газам от количества (в литрах) к массе
(в граммах) по формуле:
m = V · M / 22,4,
(5.3)
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу, г;
V – объем выделившегося вредного вещества в атмосферу, л;
М – молярная масса вредного вещества, г/моль (значения взять из табл. 5.8).
Рассчитайте количество чистого воздуха (м3), необходимое для разбавления
выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых
условий окружающей среды по формуле:
Vчист. возд. = m / ПДК,
(5.4)
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу, перевести
граммы в милиграммы;
ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества, мг/м3
(значения приведены в табл. 5.8).
Произведите расчет эффективности установки на выхлопные трубы
автомобилей каталитического нейтрализатора. Для этого умножьте показания,
полученные без использования нейтрализатора, на коэффициент эффективности
(Кэ). Значения Кэ по всем вредным веществам приведены в табл. 5.9.
Результаты занесите в таблицу (табл. 5.4).
Таблица 5.4.Расчет эффективности установки каталитических нейтрализаторов
Количество, л
Загрязнитель
без нейтр.
с нейтр.
Масса, г
без нейтр.
с нейтр.
Количество воздуха для
разбавления, м3
без нейтр.
с нейтр.
СО
CxHy
NO2
8. Сделайте вывод об экологической обстановке выбранного вами участка
автомагистрали (обязательно укажите название улицы, район, время суток).
Оцените масштабы загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом на
исследованном участке. Для этого сравните с другими результатами,
полученными в вашей группе.
Таблица 5.5. Количество автомобилей, прошедших по участку трассы l км за 20
минут
Номер
варианта
l, км
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
0,3
0,5
0,4
0,4
0,6
0,5
0,7
0,5
0,6
0,8
0,7
0,3
0,5
0,4
0,6
0,4
0,5
0,8
0,6
1,0
0,6
0,5
0,3
0,4
0,3
легковые
автомобили
58
36
30
41
23
49
64
50
67
80
60
17
16
11
18
12
13
24
20
38
29
15
10
12
16
Тип автотранспорта
грузовые
автобусы
автомобили
11
6
20
2
15
8
18
4
34
6
23
14
17
7
12
4
15
10
12
16
18
12
21
9
14
10
18
9
21
17
30
6
27
8
19
12
17
20
25
12
18
20
21
29
18
24
16
11
9
23
дизельный
автотранспорт
4
11
6
12
18
2
8
6
11
2
1
4
3
6
3
1
5
6
2
4
5
14
19
29
18
Таблица 5.6. Средние нормы расхода топлива автотранспортом (при движении
в условиях города)
Тип автотранспорта
Легковой автомобиль
Грузовой автомобиль
Автобус
Дизельный автотранспорт
Средние нормы расхода
топлива, в л на 100 км
13
33
44
34
Удельный расход топлива, в л
на 1 км (Yi)
0,13
0,33
0,44
0,34
Таблица 5.7. Значения эмпирических коэффициентов (К), определяющих
выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего
Вид топлива
Бензин
Дизельное топливо
СО
0,6
0,1
Значение коэффициента
CxHy
0,1
0,03
NO2
0,04
0,04
Таблица 5.8. Основные свойства приоритетных загрязнителей воздушной среды
Загрязнитель
СО
(монооксид
углерода,
угарный газ)
CxHy
(углеводороды)
NO2
(диоксид
азота)
NO
(монооксид
азота)
Свойства
Бесцветный ядовитый газ без запаха,
обладающий кумулятивным
(накопительным) эффектом. Время жизни
в атмосфере – 2–4 месяца
Бесцветные пары со слабым запахом,
обладающие наркотическим эффектом
Желтовато-бурый газ с характерным
запахом, раздражает дыхательные пути.
Активно взаимодействует с другими
загрязнителями воздуха
Бесцветный газ со слабым запахом. В
атмосфере быстро превращается в NO2
Молярная
масса (М),
г/моль
ПДК,
мг/м3
Класс
опасно
сти
28
3,0
4
72
(пентан)
25
(пентан)
4
46
0,04
2
30
0,06
3
Таблица 5.9. Значения коэффициентов эффективности (Кэ) использования
каталитического нейтрализатора
Загрязнитель
СО, мг/м3
CxHy, %
NO2, мг/м3
Автомобиль
без нейтрализатора
с нейтрализатором
9 100
3 500
100
46
1 759
283
Коэффициент
эффективности
0,38
0,46
0,16
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Какими способами можно снизить загрязнение атмосферного воздуха
выхлопными газами автомобилей?
2. Какие климатические условия ухудшают экологическую ситуацию в
мегаполисах, если она создается в результате загрязнения воздуха выхлопными
газами?
3. Какие поллютанты (вещества-загрязнители), вылетающие из
выхлопных труб автомобилей, представляют наибольшую экологическую
опасность?
4. Назовите пути миграции поллютантов из атмосферного воздуха
в другие среды окружающей среды (каким образом это происходит, при каких
условиях)?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ СУММЫ ПЛАТЫ
ПРЕДПРИЯТИЯ ЗА ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ
Цель: познакомиться со способами расчета платы за загрязнение
атмосферы города.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Платежи за загрязнение окружающей природной среды (ОПС)
осуществляются в соответствии с Федеральным законом от 10.01.02 № 7-ФЗ
«Об охране окружающей среды» и Постановлением Правительства РФ от
28.08.92 № 632 «Об утверждении порядка определения платы и ее
определенных размеров за загрязнение ОПС, размещения отходов, другие виды
вредного воздействия». В 1997 г. создана общегосударственная «Инструкция по
взиманию платы за загрязнение ОПС». Данной инструкцией установлен
перечень видов воздействий, за которые с предприятий (юридических лиц)
взимается плата за выброс в атмосферу загрязняющих веществ, сброс
загрязняющих веществ в водные объекты, размещение отходов и другие виды
вредного (физического) воздействия (шум, вибрация, электромагнитные и
ионизирующие излучения и т. д.). Плата предприятия за физические виды
воздействия взимается пока только в отдельных (ограниченных) случаях. Так, в
г. Нижнем Новгороде взималась плата за акустическое (шумовое) и
электромагнитное загрязнение ОПС.
Установлены два вида базовых нормативов платы:
− За выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов
в границах предельно допустимых нормативов (ПДВ (допустимая масса
выброса вещества в атмосферный воздух в единицу времени), ПДС
(максимально допустимая масса вещества в воде, возвращаемая в водный
объект в единицу времени) и др.);
− За выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов сверх
границы предельно допустимых нормативов, но в пределах установленных
лимитов (временно согласованных нормативов – временно согласованный
выброс (ВСВ), временно согласованный сброс (ВСС) и др.).
Плата предприятия за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ
определяется по формуле:
Ппр. = (Пдоп. + Плим. + Псв. лим.) Кинфл. Кэкол. сит
(6.1)
доп.
где П
– плата за загрязнение в границах предельно допустимых
нормативов;
Плим. – плата за загрязнение сверх границы предельно допустимых
нормативов, но в пределах установленных лимитов;
Псв. лим. – плата за сверхлимитное загрязнение ПС;
Кинфл. – коэффициент инфляции (для Новосибирской области в 2004 г. Кинфл
≈ 120);
Кэкол. сит. – коэффициент экологической ситуации, учитывающий общую
ситуацию в конкретном регионе (для Новосибирской области Кэкол. сит. = 1,2).
Все перечисленные в формуле (5.1) виды плат рассчитывают следующим
образом:
доп
П
n
=
∑ Ciдоп Мiдоп,
(6.2)
i
где i = 1, 2, 3, …, n – загрязняющее вещество, выбрасываемое
(сбрасываемое) в пределах допустимого норматива;
Ciдоп – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т i-го
загрязняющего вещества в пределах допустимого норматива, руб./т;
Мiдоп – масса i-го загрязняющего вещества, выбрасываемого
(сбрасываемого) в пределах допустимого норматива, т.
лим
П
m
= ∑ Cjлим Мjлим,
(6.3)
j
где j = 1, 2, 3…, m – загрязняющее вещество с выбросом (сбросом) сверх
норматива, но в пределах установленного лимита;
Cjлим – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т j-го
загрязняющего вещества cверх норматива, но в пределах установленного
лимита, руб./т;
Мjлим. – масса j-го загрязняющего вещества, выбрасываемого
(сбрасываемого) сверх норматива, но в пределах установленного лимита, т.
Псв. лим. = 5 ·
k
∑ Clлим. Мlсв. лим.,
(6.4)
l
где l = 1, 2, 3, …, k – загрязняющее вещество с выбросом (сбросом) сверх
установленного лимита;
Clлим. – дифференцированная ставка платы за выброс (сброс) 1 т l-го
загрязняющего вещества cверх установленного лимита, руб./т;
Мlсв. лим. – масса l-го загрязняющего вещества, выбрасываемого
(сбрасываемого) сверх установленного лимита, т.
В общем случае массу любого фактически выбрасываемого
(сбрасываемого) загрязняющего вещества можно представить так:
(6.5)
Мфакт = Мдоп + Млим. + Мсв. лим..
При отсутствии у природопользователя разрешений установленного
образца на выброс, сброс, размещение отходов, выдаваемых специально
уполномоченными на то государственными органами РФ в области охраны
ОПС, за всю массу загрязняющих веществ взимается плата как за
сверхлимитное загрязнение ОПС.
В соответствии с п. 4 ст. 16 Федерального закона от 10.01.02 № 7-ФЗ «Об
охране ОС» внесение платы за негативное воздействие на ОС не освобождает
субъектов хозяйственной деятельности от выполнения мероприятий по охране
ОС и возмещения вреда, нанесенного ОС.
Задача
Предприятие города выбрасывает в атмосферу целый ряд загрязняющих
веществ (окислы азота, серы, углерода, бенз(а)пирен, сажу). Рассчитать плату
за общее количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города в
следующих случаях:
а) При оформленном разрешении на выбросы в природоохранительных
органах;
б) При отсутствии соответствующего разрешения.
Сделать соответствующие выводы.
При решении данной задачи используйте данные табл. 6.1 и табл. 6.2, а
также формулы 6.1–6.5.
Таблица 6.1. Выбросы предприятия в атмосферу города, т /год
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Диоксид азота Диоксид серы
(NO2 )
(SO2 )
800
110
750
140
700
190
650
230
600
280
550
320
500
370
450
460
400
490
350
540
450
380
500
270
400
320
550
400
600
380
450
360
430
320
500
430
480
500
380
400
400
350
450
360
300
420
460
450
520
280
Монооксид
углерода (CO)
1 005
2 500
4 500
6 500
8 500
11 000
12 500
14 500
16 500
18 500
11 500
12 000
11 600
12 400
14 500
11 000
12 500
15 800
14 600
12 000
16 800
17 000
18 000
17 000
15 500
Сажа
Бенз(а)пирен
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
240
200
170
230
320
260
320
280
300
280
270
250
190
270
200
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
,0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,7
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,3
0,5
0,4
0,3
0,4
0,7
1,0
0,8
0,7
Таблица 6.2. Нормативы платы за выбросы вредных веществ
Вещество
NO2
SO2
CO
Сажа
Бенз(а)пирен
Норматив платы (руб./ т) за
Класс
выброс в пределах
опаснос
ти
ПДВ (Сдоп) лимита (Слим.)
2
0,42
0,82
3
0,33
0,64
4
0,01
0,02
3
0,31
0,61
1
16 500
30 000
Масса (т) выбрасываемого
вещества в пределах
ПДВ (Мдоп)
лимита (Млим.)
150
100
350
200
800
450
440
260
0,05
0,05
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Как развивались взгляды на окружающую среду (ОС) и природные
ресурсы в экономической теории?
2. Какие экономические механизмы охраны ОС существуют в России?
3. Зачем необходимо использовать экономические рычаги в охране ОС?
4. На какие действия стимулируют экономические рычаги в области
охраны ОС руководителей предприятий?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Цель: познакомиться с влиянием электромагнитных излучений на
организм человека и способом расчета санитарно-защитной зоны.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Источники электромагнитных полей (ЭМП) – антенные устройства, линии
электропередач и др. Степень вредности зависит от времени действия,
интенсивности и длины волны источника. Влияние ЭМП с большой
интенсивностью связано с тепловым эффектом, приводит к усиленному
кровотоку во внутренних органах, спасающему их от перегрева. Особенно
чувствительны органы с недостаточно развитой сетью кровообращения:
хрусталик глаза и др. ЭМП влияют на биофизические процессы в клетках и
тканях, поражают центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. В
начальной фазе повышается возбудимость, затем происходит снижение
биоэлектрической активности мозга, ухудшение проводимости сердечной
мышцы. В дальнейшем появляются головная боль, слабость, повышенная
утомляемость, угнетенное состояние, нарушение сна, раздражительность,
истощение нервной системы, изменения состава крови, ломкость ногтей,
облысение. Эти изменения способны накапливаться, но обратимы, если
исключить воздействие ЭМП.
Допустимая энергетическая нагрузка в диапазоне СВЧ на организм
человека W не должна превышать 2 Вт · ч/м² (200 мкВт · ч/см²), при облучении
от вращающихся и сканирующих антенн – 20 Вт · ч/м2. Количественная оценка
энергетической нагрузки определяется интенсивностью излучения по
плотности потока энергии ППЭ. На практике она определяется через мощность
излучения радиотехнического устройства P (среднюю по времени для
радиолокационных станций), а если антенна направленная, то и через
коэффициент ее усиления G, а также через расстояние r между антенной и
точкой наблюдения:
ППЭ = PG / 4πr².
(7.1)
Эта формула действительна для случая распространения радиоволн
в свободном пространстве, в частности, в воздухе. Реальная воздушная среда, в
которой возможно облучение людей радиоволнами, всегда отличается от
свободного пространства тем, что на некоторых конечных расстояниях от
передающей антенны находятся: земля, ограждающие конструкции
производственных помещений, различное оборудование, приборы и сами люди.
Все эти предметы, обладая свойствами, отличными от свойств воздуха,
определенным образом влияют на распространение радиоволн в нем, отражая,
преломляя и поглощая их. При диффузном отражении от негладкой
поверхности земли (травяной покров, неровность, шероховатость и т. д.)
отражение непосредственно в направлении на точку приема (точку наблюдения)
невелико, и условия распространения радиоволн приближаются к условиям в
свободном пространстве. Тогда с большой точностью можно пользоваться
формулой (7.1). Подобные условия встречаются очень часто.
Допустимое время Т пребывания человека в зоне облучения ЭМП
определяется по формуле:
T = кW / ППЭ.
(7.2)
где к = 10 для вращающихся и сканирующих антенн.
Из этого соотношения можно определить значение допустимой
энергетической нагрузки при любом времени нахождения человека в ЭМП:
ППЭ = кW / T.
(7.3)
Допустимое значение ППЭ для территории жилой застройки и мест
массового отдыха, т. е. при пребывании человека в ЭМП весь день составляет
0,10 Вт/м², а при облучении от вращающихся и сканирующих антенн – 1,0 Вт/м2.
По приведенным выше формулам можно вычислить размер санитарнозащитной зоны радиолокационной станции. Санитарно-защитная зона – это
территория вокруг предприятия, за пределами которой вредное влияние от
предприятия (загрязнение воздуха, почвы, электромагнитные, радиоактивные
излучения и т. д.) не превышает допустимое значение, т. е. за пределами
санитарно-защитной зоны проживание и вообще нахождение человека безопасно.
В данном случае допустимое значение ППЭ = 0,10 Вт/м² (или 1,0 Вт/м2 при
облучении от вращающейся или сканирующей антенны). Размер (радиус)
санитарно-защитной зоны определяется расстоянием r между антенной и точкой,
в которой ППЭ = 0,10 Вт/м² (или 1,0 Вт/м2), по формуле (7.1).
Задача
На поле с травяным покровом расположена радиолокационная станция,
имеющая следующие характеристики излучения: импульсная мощность
излучения Ри, кВт, длительность импульса τ, мкс, частота повторения
импульсов F, Гц, коэффициент усиления вращающейся антенны G. На
расстоянии S, м, от этой станции находятся дачные участки. Рассчитать, на
каком расстоянии от радиолокационной станции можно находиться людям
постоянно, т. е. размер санитарно-защитной зоны. Определить, опасна ли
близость радиостанции, и дать рекомендации садоводам.
Пример решения
Средняя по времени мощность излучения вычисляется по формуле:
P = Pиτ F.
(7.4)
Например, параметры станции: Ри = 500 кВт, τ = 2,5 мкс, F = 400 Гц, G =
20 000; дачные участки находятся на расстоянии S = 0,5 км от антенны.
1. Вычисляем среднюю мощность излучения по формуле (7.4):
Р = 500 Вт.
2. Вычисляем размер санитарно-защитной зоны по формуле (7.1), т. е.
определяем радиус r, учитывая, что допустимое значение ППЭ = 1,0 Вт/м²: это
расстояние равно 890 м.
3. Определяем значение ППЭ на дачных участках. Для этого по формуле
(7.1) вычисляем ППЭ для расстояния 0,5 км: ППЭ = 3,2 Вт/м², что в 3,2 раз
превышает допустимую величину.
4. Определяем, сколько времени можно находиться на этих садовых
участках, по формуле (7.2). Получается 6,2 часа в сутки.
Ответ: При наличии указанной радиолокационной станции дачные
участки можно располагать только на расстоянии 0,9 км от нее. На
рассматриваемых дачных участках уровень электромагнитного излучения
превышает допустимый в 3,2 раз. Это может повлиять на здоровье (описать
влияние электромагнитных излучений на здоровье человека). На этих дачах
можно находиться только 6,2 часа в сутки. Рекомендации (по Вашему
усмотрению).
Таблица 7.1. Исходные данные к решению задачи
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1.
2.
3.
4.
5.
Ри, кВт
300
400
450
350
500
400
350
500
450
350
600
500
550
400
500
600
500
500
400
600
550
350
550
500
600
τ, мкс
2
2
2,5
2
2,5
2
2,5
2
2.5
2
2
2,5
2
2
2
2,5
2
2
2
2,5
2,5
2
2
2
2,5
F, Гц
300
400
350
350
350
300
350
400
300
300
300
350
300
350
300
400
350
400
350
400
400
350
400
300
400
G
10 000
20 000
20 000
15 000
10 000
15 000
10 000
15 000
10 000
15 000
30 000
20 000
30 000
20 000
30 000
20 000
30 000
20 000
20 000
30 000
20 000
30 000
20 000
20 000
30 000
S, м
400
600
500
500
500
400
500
400
500
500
400
500
400
350
400
400
500
450
400
350
450
350
250
300
600
Контрольные вопросы (ответить письменно)
Каковы источники ЭМП?
Как влияют ЭМП на организм человека?
Как определяется энергетическая нагрузка на организм человека?
Что такое «санитарно-защитная зона»?
Как определяется допустимое время нахождения в зоне влияния ЭМП?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
ТЕРРИТОРИИ В ТЕХНОГЕННЫХ ЗОНАХ
Цель: познакомиться с понятием предельно допустимой концентрации
(ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе; научиться выполнять расчет
рассеивания в атмосфере вредных веществ, составлять схемы загрязнений и
делать выводы о степени загрязненности промышленной и жилой зоны.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Понятие предельно допустимой концентрации вредных веществ в
атмосферном воздухе, санитарно-защитная зона предприятий
Защита воздушного бассейна от загрязнения регламентируется ПДК
вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов, ПДК выбросов
вредных веществ и временно согласованными выбросами вредных веществ от
источников загрязнений.
ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов
регламентированы списком Министерства здравоохранения.
ПДК – это максимальная концентрация (мг/м3) вредных веществ в
атмосфере, которая при воздействии на протяжении всей жизни человека не
оказывает ни на него, ни на окружающую среду в целом вредного действия,
включая отдаленные последствия.
ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны являются также
концентрации, которые при ежедневной работе в пределах 8 часов в течение
всего рабочего стажа не могут вызывать у работающих заболеваний или
отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами
исследований, непосредственно в процессе работы или в отдаленные сроки.
Максимальная разовая ПДКмакс – основная характеристика опасности
вредного вещества. Она устанавливается при кратковременном воздействии
атмосферных загрязнений.
Среднесуточная
ПДКСС
устанавливается
для
предупреждения
общетоксического и другого влияния вещества на организм человека при
круглосуточном воздействии.
Наибольшая концентрация С каждого вредного вещества в приземном слое
атмосферы не должна превышать ПДКмакс при действии не более 20 минут,
ПДКСС при длительном воздействии.
При совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ,
обладающих однонаправленным (усиление эффекта при одновременном
воздействии) действием, их безразмерная суммарная концентрация не должна
превышать 1:
С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 + · · · + Сn / ПДКn ≤ 1,
(8.1)
где С1, С2 – фактические концентрации вредных веществ в атмосфере,
3
мг/м ;
ПДК1, ПДК2 – предельно допустимые концентрации вредных веществ в
атмосфере, мг/м3.
Эффектом однонаправленного действия обладают такие вредные вещества,
как диоксиды серы и азота, сильные минеральные кислоты – серная, соляная,
азотная и др.
Приземные максимальные концентрации в местах крупных санаториев,
зоны отдыха городов не должны превышать 0,8 ПДК.
Для
каждого
проектируемого
и
действующего
предприятия
устанавливается предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ в
атмосферу. Необходимо учитывать концентрацию вредных веществ в атмосфере
от других источников, чтобы соблюдалось условие:
Сi + Сф ≤ ПДК,
(8.2)
где Сi – концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника
выброса;
Сф – фоновая концентрация.
Особое внимание следует уделять выбору площадки для промышленного
предприятия и взаимному расположению производственных зданий и жилых
массивов. Промышленный объект должен быть расположен на возвышенном
месте, хорошо продуваемом ветрами. Площадка жилой застройки не должна
быть выше предприятия, иначе теряется преимущество высоких труб для
рассеивания выбросов. Строительство предприятия со значительными
выбросами вредных веществ не рекомендуется на площадках, где может
происходить длительный застой примеси при сочетании слабых ветров с
температурными инверсиями: в глубоких котловинах, в районах частого
образования туманов, ниже плотин ГЭС, в районах возникновения смога.
Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется
по средней розе ветров теплого периода года. Промышленные объекты,
являющиеся источниками выделения вредных веществ, располагаются с
подветренной стороны от жилых массивов и отделяются от жилой застройки
санитарно-защитными зонами. Это территория, за пределами которой
загрязнения атмосферы не должны превышать допустимое значение. На
границе санитарно-защитной зоны должно выполняться условие: ПДК = 1.
В
соответствии
с
санитарной
классификацией
предприятий
устанавливаются размеры санитарно-защитной зоны от 50 м до 1 км.
Санитарно-защитная зона может быть увеличена при необходимости и
надлежащем технико-экономическом и гигиеническом обосновании, но не
более, чем в 3 раза при отсутствии способов очистки выбросов в зависимости
от розы ветров.
Санитарно-защитная зона или какая-либо ее часть не могут быть резервной
частью территории предприятия и использоваться для расширения
промышленной площадки. Территория санитарно-защитной зоны должна быть
благоустроена и озеленена по проекту благоустройства. В ней допускается
размещать предприятия с производствами меньшего класса вредности при
условии аналогичного характера вредности, а также здания управления,
магазины и др. Нельзя размещать жилые здания и детские учреждения.
Размеры санитарно-защитных зон Х, м, установленные в «Санитарных
нормах проектирования промышленных предприятий», должны подтверждаться
расчетом. Полученный по расчету размер зоны должен уточняться в
зависимости от розы ветров района расположения предприятия по формуле:
Xi′ = Xi · Рi / Р0,
(8.3)
где Xi – расчетное расстояние, от источника загрязнения до границы
санитарно-защитной зоны без учета поправки на розу ветров, м;
Xi′ – то же, с учетом поправки на розу ветров;
Pi – среднегодовая повторяемость направлений ветров рассматриваемого
румба, %;
P0 – повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе
ветров, %, при 8-румбовой розе P0 = 100/8 = 12,5 %.
Если размер санитарно-защитной зоны для предприятия больше
установленного, то необходимо пересмотреть проект предприятия и обеспечить
снижение выбросов вредных веществ или увеличить высоту выбросов, чтобы
обеспечить требования норм по чистоте воздушного бассейна в зоне жилой
застройки.
Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ
Степень опасности загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха
выбросами вредных веществ определяется по наибольшей рассчитываемой
величине приземной концентрации вредных веществ См, мг/м3, которая может
устанавливаться на некотором расстоянии от места выброса Хм.
Величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества См
в приземном слое атмосферы не должна превышать величину максимальной
разовой предельно допустимой концентрации данного вредного вещества в
атмосферном воздухе. Разовые концентрации вредного вещества определяются
по пробам, отобранным в течение 20 минут.
Величина максимальной приземной концентрации вредного вещества См
для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым
устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм, м,
от источника определяется по формуле:
(8.4)
СМ = A ⋅ M2 ⋅ 3F ⋅ m ⋅ n ,
H ⋅ v ⋅T
где А – коэффициент, зависящий от распределения температуры воздуха
в атмосфере и определяющий условия вертикального и горизонтального
рассеивания вредных веществ в атмосфере воздуха; для Сибири А = 200;
М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных
веществ в атмосферном воздухе: для газов F = 1, для золы F = 2 при степени
улавливания более 90 %;
m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода
газовоздушной смеси из устья источника выбросов;
H – высота выброса над землей, м;
Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и
температурой окружающего атмосферного воздуха, измеряется в градусах; Т = Тг
– Тв;
V – объем газовоздушной смеси, м3/с, определяемый по формуле:
π ⋅ Д2
,
(8.5)
V=
4
⋅ W0
где Д – диаметр устья источника выброса, м;
W0 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса, м/с.
Величины M, V определяются расчетом в технологической части проекта
или применяются в соответствии с действующими для данного производства
(процесса) нормативами.
Величину Т, градусы, следует определять, принимая температуру
окружающего воздуха Тв за среднюю температуру наружного воздуха в 13 часов
наиболее жаркого месяца года, а температуру выбрасываемой в атмосферу
газовоздушной смеси Тг – по действующим для данного производства
нормативам.
Коэффициент m определяется в зависимости от величины параметра f, м/с2
·град.:
1
;
(8.6)
m=
0,67 + 0,1 f + 0,343 f
w2 ⋅ Д .
(8.7)
f = 10
2
Н ⋅Т
Значение безразмерного коэффициента n определяется следующим
образом:
n = 3 при υ = 0,3;
3
(
)
(8.8)
n = 3 − (υ − 0 ,3) ⋅ 4 ,36 ⋅υ 2 при 0,3 < υ ≤ 2;
n = 1 при υ > 2;
где υ – скорость оседания вредных веществ, υ = 0,65 ⋅ 3 V ⋅ T .
2
H
Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ См при
неблагоприятных метеоусловиях достигается на оси факела выброса по
направлению среднего ветра за рассматриваемый период на расстоянии Хм, м,
от источника выброса (рис. 8.1). Величина Хм определяется по формуле:
Хм = d · H,
(8.9)
где d – безразмерная величина. Она определяется по формулам:
− При υ ≤ 2
(8.10)
d = 4,95 ⋅υ ⋅ 1 + 0,28 ⋅ 3 f ;
− При υ > 2
(8.11)
d = 7 ⋅ υ ⋅ (1 + 0,28 ⋅ 3 f ) .
Когда F ≥ 2,
(8.12)
Хм = 5 − F ⋅ d ⋅ H .
4
(
)
Рис. 8.1. Рассеивание вредных веществ по оси факела
Величины приземных концентраций вредных веществ в атмосфере по оси
факела выброса на различных расстояниях от источника выброса определяются
по формуле:
Ci = Si · Cм,
(8.13)
где:
− При Xi / Xм ≤ 1
Si = 3(Xi / Xм)4 – 8(Xi / Xм)3 + 6(Xi / Xм)2;
(8.14)
− При 1 < Xi / Xм≤ 8
Si =
1,13
;
2
0,13(X i / X м ) + 1
(8.15)
− При Xi / Xм > 8, F = 1
Xi / Хм
;
(8.16)
Si =
3,58 ( X i / X м ) 2 − 35,2 ( X i / X м ) + 120
− При Si = Xi / Xм > 8 и F = 2; 2,5; 3
1
.
(8.17)
Si =
2
0,1( X i / X м ) + 2,47( X i / X м ) − 17,8
Приземная концентрация вредных веществ в любой точке местности при
наличии N источников определяется как сумма концентраций вредных веществ
в этой точке от отдельных источников:
См = С1 + С2 + ··· + СN.
(8.18)
Если по какому-либо вредному веществу сумма максимальных
приведенных концентраций См от всех источников окажется меньшей или
равной ПДК, то дальнейший расчет рассеивания этого вещества в атмосфере
производить необязательно.
Начальные, или фоновые концентрации вредных веществ, содержащихся в
атмосфере, мг/м3, должны учитываться при проектировании вновь строящихся
предприятий в районах, где атмосферный воздух уже загрязнен от других
предприятий.
Данные для расчета рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе
по формулам (8.4–8.12) выписываются из «Экологического паспорта
промышленного предприятия», введенного с 1.07.90 стандартом ГОСТ
17.0.0.04-90.
Содержание задания
1. По данным экологического паспорта промышленного предприятия
вычислить по формулам (8.4–8.8) значения См и по формуле (8.1) определить
суммарную концентрацию при однонаправленном действии вредных веществ,
приведенных в табл. 8.1. Пример расчета приведен в табл. 8.2.
2. Определить расстояние Хм, на котором находится от источника
максимальная приземная концентрация См по формулам (8.9–8.12).
3. Определить величины приземных концентраций Сi вредного вещества в
атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях Xi от источника по
формулам (8.13–8.17). Шаг по оси Х взять равным 1–2 см в масштабе карты.
Значения Ci получены в долях ПДК согласно формуле (8.1). Вычислить
расстояния Xi с учетом поправки на розу ветров по формуле (8.3). Вычисления
выполнить для всех 8 румбов розы ветров. Характеристика розы ветров
приведена ниже. Вычисления рекомендуется оформить таблицей (табл. 8.3).
Таблица 8.1. ПДК (мг/м3) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
населенных пунктов
Вредные вещества
Серный ангидрид
Диоксид азота
Двуокись серы
Оксид углерода
Фенол
Пыль
Зола
Бензол
Фенол
ПДКмакс
0,5
0,085
0,5
5,0
0,003
3,0
0,3
1,5
0,003
ПДКсс
0,05
0,04
0,05
3,0
0,003
3,0
0,1
0,8
0,003
Таблица 8.2. Пример расчета концентрации вредных веществ в атмосфере.
Объект: котельная в г. Новосибирске
Характеристика обозначения, расчет
1. Число дымовых труб, N
2. Высота, H
3. Диаметр устья трубы, Д
4. Скорость выхода газовоздушной смеси, W0
Един. изм.
штук
м
м
м/с
о
С
5. Температура газовоздушной смеси, Тг
Значение
1
35
1,4
7
125
о
С
25
7. Выброс двуокиси серы, Mсеры
г/с
12
8. Выброс золы (мелкодисперсной аэрозоли), Мз
г/с
2,6
9. Выброс диоксида азота, Мазота
10. Коэффициенты в формуле (7.4):
А;
F
11. Среднесуточные ПДКСС:
двуокиси серы;
золы;
диоксида азота
12. Объем газовоздушной смеси (формула (7.5))
13. Перегрев газ. смеси Т = Тг – Тв
14. Параметр f по формуле (7.7)
15. Параметр υ по формуле (7.8)
16. Параметр m по формуле (7.6)
17. Параметр n по формуле (7.8) при υ > 2
18. Параметр d по формуле (7.11)
г/с
0,2
-
200
1
мг/м3
мг/м3
мг/м3
м3/с
о
С
м/с
м
0,05
0,1
0,04
10,8
100
0,56
2,04
0,08
1
12,3
430,5
мг/м3
0,19
мг/м3
0,12
мг/м3
0,002
-
5,05
6. Температура окружающего воздуха, Тв
19. Значение Хм по формуле (7.9)
20. Значение См для двуокиси серы
21. Значение См для золы
22. Значение Смυ для диоксида азота
23. Безразмерная суммарная концентрация
по формуле (8.1)
Таблица 8.3. Вычисление величин приземных концентраций вредных веществ в
атмосфере и их расстояний от источника выброса
Xi, м
Si
Ci
Xi′ по румбам
С
СВ
В
ЮВ
Ю
ЮЗ
З
СЗ
4. На лист бумаги или кальки нанести линии румбов, отложить
соответствующие им расстояния Xi в масштабе карты (по заданию
преподавателя) и подписать значения Ci. По полученным точкам построить
изолинии загрязнений путем интерполяции через 0,5 ПДК.
5. Совместить полученную схему с источником загрязнений на карте.
Нарисовать изолинии на карте, подписав их значения. Сделать выводы
о степени загрязнения промышленной и жилой зоны.
Материалы для сдачи зачета:
− Пояснительная записка;
− Вычисления значений См, Хм и таблица вычисления значений Ci, Xi′;
− Схема изолиний загрязнения;
− Фрагмент экологической карты загрязнения от одиночного источника
выброса промышленного предприятия.
Характеристика розы ветров
Распределение вредных веществ в атмосфере определяется в зависимости
от розы ветров района расположения предприятия. Роза ветров – это векторная
диаграмма, характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним
наблюдениям (рис. 8.2).
Повторяемость направлений ветров одного румба: P0 = Pi/8.
Расстояние Xi с учетом поправки на розу ветров определяется по формуле
(8.3).
Вычисления Si, Ci, Xi выполнить в таблице (см. табл. 8.3) по указанным
формулам.
Исходные данные к заданию представлены в табл. 8.4 и табл. 8.5.
Вредные вещества даны по коду и номеру, указанному в табл. 8.4.
Частота ветров (Pi дней): С – 31; СВ – 32,5; В – 26,1; ЮВ – 35,0; Ю – 47,2;
ЮЗ – 53,4; З – 39,3; СЗ – 31,5.
С
СВ
СЗ
З
В
ЮЗ
ЮВ
Ю
Рис. 8.2. Роза ветров района расположения предприятия
Таблица 8.4. Вредные вещества, их код и величина выбросов (номер)
Вредные вещества
Номер выбросы Мi, г/с
Код
Серный ангидрид
Диоксид азота
Двуокись серы
Оксид углерода
Фенол
Пыль
Зола
Бензол
а
б
в
г
д
е
ж
з
1
12
7
5
26
6
6
10
2
2
6
5
4
18
8
12
11
3
3
8
11
8
20
4
14
13
2
4
10
16
6
17
3
8
15
5
5
4
6
10
18
5
20
8
4
Таблица 8.5. Варианты исходных данных
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
о
о
Н, м
Д, м
W0, м/с
Тг, С
Тв, С
М1
М2
М3
36
40
70
120
80
100
110
85
93
100
110
65
70
80
95
45
30
60
50
45
1,0
1,2
1,5
2,6
2,0
2,7
3,5
2,7
2,9
3,0
2,1
1,7
2,0
1,8
2,1
1,3
1,0
1,5
1,4
1,2
6
7
8
7,5
6,8
7,0
5,9
8,0
7,5
6,8
8,0
7,1
6,5
8,6
7,5
7,0
6,5
6,8
7,0
7,1
130
125
120
130
140
125
130
140
140
120
125
120
132
130
130
118
120
125
129
130
20
20
25
20
25
25
20
15
18
17
25
20
19
15
23
25
25
20
20
18
а3
б2
б1
а4
г3
а2
а4
г1
г4
б3
в4
а 2
б5
д3
в2
а1
в3
б4
д1
в3
г3
д2
ж4
б2
д3
б5
б2
д2
д1
ж5
д3
д1
г5
е2
ж5
г4
д3
д1
е3
ж5
е4
ж3
з2
е5
ж4
е1
ж2
ж5
е4
з2
ж4
е5
е2
з5
з1
е3
ж2
ж4
з 1
з 2
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Что такое ПДК?
2. Как определяется загрязнение атмосферы при одновременном действии
нескольких вредных веществ?
3. Что называется санитарно-защитной зоной предприятия?
4. Каковы требования к санитарно-защитной зоне предприятия?
5. Как определяется размер санитарно-защитной зоны?
6. Как выполняется расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ
ФОТОСИНТЕЗА В ЭКОСИСТЕМЕ И ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Цель: научиться выполнять расчеты по определению интенсивности
фотосинтеза и распределению образующегося органического вещества по
трофическим уровням в рамках темы «Образование и перемещение вещества в
биосфере, потоки энергии и биогеохимические циклы».
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Фотосинтез – это процесс образования живыми растительными клетками
органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических – СО2 и
воды – с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. Это
процесс производства пищи, от которого зависят все живые существа:
растения, животные и человек. У всех наземных растений и у большей части
водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород.
Из неорганических веществ для синтеза органических соединений
требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2). У наземных растений все
неорганические соединения, за исключением СО2, поступают через корни. СО2
растения получают из атмосферного воздуха, в котором средняя его
концентрация составляет 0,03 %. СО2 поступает в листья, а О2 выделяется из
них через небольшие отверстия в эпидермисе, называемые устьицами.
Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки – их называют
замыкающими. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается
фотосинтез.
Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере
пригоден любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до
среднего красного (длина волны 700 нм). Значение фотосинтеза как одного из
процессов превращения энергии не могло быть оценено до тех пор, пока не
возникло само представление о химической энергии. В 1845 г. немецкий
ученый Р. Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия
переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его
продуктах – органических веществах (крахмал, глюкоза) (рис. 9.1).
Рис 9.1. Схема фотосинтеза
Рис.
Роль фотосинтеза
Суммарный итог химических реакций фотосинтеза может быть описан для
каждого из его продуктов отдельным химическим уравнением
уравнением. Для простого
сахара глюкозы уравнение имеет следующий вид:
зеленое растение
Свет + 6СО2 + 6Н2О
6О2 + С6Н12О6.
Уравнение показывает
показывает, что в зеленом растении за счет энергии света из
шести молекул воды и шести молекул диоксида углерода образуется одна
молекула глюкозы и шесть молекул кислорода. Глюкоза – это лишь один из
многих углеводов, синтезируемых в растениях. Для всех живых клеток, за
исключением клеток зеленых растений на свету, источником энергии служат
биохимические реакции. Дыхание – главный биохимический процесс,
высвобождающий энергию
энергию, запасенную в ходе фотосинтеза, хотя между этими
двумя процессами могут лежать длинные пищевые цепи. Постоянный приток
энергии необходим для любого проявления жизнедеятельности
жизнедеятельности, и световая
энергия, которую фотосинтез преобразует в химическую
ескую потенциальную
энергию органических веществ и использует на выделение свободного
кислорода, – это единственно важный первичный источник энергии для всего
живого.
Основным источником энергии на Земле является Солнце. Все
разнообразие проявленной жизни сопровождается превращениями солнечной
энергии. Только часть солнечной энергии, проникающей во внешние слои
атмосферы, достигает поверхности Земли и используется организмами для
обеспечения процессов жизнедеятельности.
жизнедеятельности Энергия излучения улавливается
автотрофными организмами в процессе фотосинтеза и запасается в их клетках
в виде химической энергии. Этот первичный поток энергии переносится на
другие трофические уровни, и она аккумулируется в различных компонентах
экосистемы. Превращение энергии никогда не достигает 100 %-ной
эффективности. Некоторое количество энергии всегда рассеивается в виде
тепла во время переноса. Скорость, с которой продуценты экосистемы
фиксируют солнечную энергию в химических связях синтезируемого
органического
вещества,
определяет
продуктивность
сообществ.
Органическую массу, создаваемую растениями за единицу времени, называют
первичной
продукцией
(NPP) сообщества.
Продукцию
выражают
количественно в сырой или сухой массе растений либо в калориях. Валовая
первичная продукция – количество вещества, создаваемого растениями за
единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой продукции
идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание).
Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую
первичную продукцию, которая представляет собой величину прироста
растений.
Зеленые растения, создающие в процессе фотосинтеза органическое
вещество, способны утилизировать лишь небольшой процент от поступающей
энергии. Исследователем Ф. Транжо в США изучался процесс интенсивности
фотосинтеза на примере роста и развития особей кукурузы.
По его измерениям составлена таблица продуктивности в расчете на
1 гектар с плотностью посадки 25 000 растений (табл. 9.1), где эффективность
фотосинтеза составила 1,55 % (Одум Ю. Экология. Т. 1. – М.: Мир, 1986. – С.
91).
Таблица 9.1. Продукция и интенсивность фотосинтеза в посадках кукурузы в
расчете на 1 га. Плотность посадки – 25 000 растений на 1 га
Общий сухой вес растений, включая корни, листья и початки*,
NPP в сухом весе
15 000 кг
Общее содержание золы 25 000 растений (минеральный остаток
после сжигания)
805 кг
После вычитания золы: общее содержание органических
веществ (кг/га) (эквивалентно содержанию углеводов)
14 195 кг
Так как в среднем углеводы содержат 44,6 % углерода, то
количество С на га
6 331 кг
Переводим содержание углерода NPP, выраженного в глюкозе
15 827 кг
Экспериментальные данные: интенсивность дыхания
75 кг/сут (СО2)
Дыхание: общее количество выделяемого CO2 за 100 дней роста
7 500 кг (СО2)
Эквивалент углерода в 7 500 кг СО2 (7 500 · 12/44)
2 045 кг (углерод)
Глюкоза: эквивалент 2 045 кг углерода
5 112 кг (глюкоза)
Валовой фотосинтез = NPP + дыхание
20 963 (глюкоза)
В результате лабораторных экспериментов (калориметрия)
количество энергии, необходимое для получения 1 кг глюкозы –
3 760 ккал.
Суммарная энергия, затраченная на фотосинтез 1 га кукурузы за
100 дней – 20 939 · 3 760
79 000 000 ккал
Количество солнечной энергии, приходящееся на 1 га за 100
дней
5 110 000 000 ккал
Эффективность фотосинтеза = 79 − 10 6 ⋅100
5 110 ⋅ 10 6
1,55 %
*
В данном случае общий сухой вес растений принят равным NPP, т. е.
чистой первичной продукции.
Задание
1. Законспектировать определения фотосинтеза, первичной и валовой
продукции.
2. По заданным характеристикам экосистем зерновых полей в степной
зоне (табл. 9.3) произвести расчеты и оформить их в виде таблицы
продуктивности соответственно табл. 9.1; оценить эффективность фотосинтеза
и сравнить ее с соответствующей величиной для посева кукурузы,
рассчитанной Ф. Транжо.
Пример выполнения задания
Дано: Характеристика изучаемой экосистемы:
− Подзона южных черноземов Северного Казахстана;
− Вегетационный период с 1 мая по 31 августа;
− Чистая первичная продукция (NPP) – 1 515 кг/га за сезон сухого
растительного вещества;
− Количество золы – 1 270 кг/га;
− Дыхание надземной фитомассы пшеницы – 420 г СО2/м2 в сутки;
− Дыхание корней пшеницы – 250 кг СО2/га в сутки;
− Количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м2, вычисляется с
помощью солнечной постоянной, равной двум калориям на 1 см2 в минуту
(расчет для степной зоны).
Сначала переводим значения солнечной энергии в ккал/га, затем
выполняем расчеты и записываем их в таблицу (табл. 9.2) соответственно табл.
9.1.
Таблица 9.2.Продукция и интенсивность фотосинтеза в посадках пшеницы в
расчете на 1 га
Общий сухой вес растений (NPP)
15 150 кг
Общее содержание золы (минеральный остаток после
сжигания)
1 270 кг
После вычитания золы: общее содержание органических
веществ (кг/га) (эквивалентно содержанию углеводов)
13 880 кг
Так как в среднем углеводы содержат 44,6 % углерода, то
количество С на га
6 190,5 кг
Содержание углерода, выраженное в глюкозе (коэффициент
пересчета – 2, 5)
15 476,2 кг
Интенсивность дыхания (корни + надземная часть пшеницы) за
сутки
67 кг/сут (СО2)
Дыхание: общее количество выделяемого CO2 за
вегетационный период (1мая–31августа = 123 дня)
8 241 кг (СО2)
Эквивалент углерода в 8 241 кг СО2
2 247,5 кг (углерод)
Глюкоза: эквивалент 2 247,5 кг углерода
5 618,8 кг (глюкоза)
Валовой фотосинтез = NPP + дыхание
21 095 кг (глюкоза)
В результате лабораторных экспериментов (калориметрия)
количество энергии, необходимое для получения 1 кг глюкозы
– 3 760 ккал.
Суммарная энергия, затраченная на фотосинтез 1 га кукурузы за
123 дня 21 095 · 3 760
791 062 500 ккал
Количество солнечной энергии, приходящееся на 1 га за 123
дня
354 240 000 000 ккал
Эффективность фотосинтеза* =
= 791 062 500 / 354 240 000 000 · 100
22 %
*
Эффективность фотосинтеза поля пшеницы в северном Казахстане выше
в 14 раз по сравнению с полем кукурузы.
Таблица 9.3. Исходные данные для расчета эффективности фотосинтеза поля
пшеницы
Район
исследования
Краснодарский
край
Краснодарский
край
Краснодарский
край
Казахстан
Общий сухой
Дыхание: общее
Вегетацио
Общее
Наименова
вес растений,
количество
нный
содержан
ние
включая корни,
выделяемого СО2 за
ие золы
период в
культуры
листья, NPP
сутки в кг/га (корни
сутках
(кг/га)
(кг/га)
+ надземная часть)
Яровая
100
1 040
380
67
пшеница
Озимая
100
1 370
558
66
пшеница
кукуруза
100
1 850
911
94
Яровая
пшеница
Казахстан
Озимая
рожь
Казахстан
Яровая
пшеница
Восточная
Яровая
Сибирь
пшеница
Западная
Яровая
Сибирь
пшеница
Курская область Яровая
пшеница
Западная
Яровая
Сибирь
пшеница
Краснодарский Яровая
край
пшеница
Краснодарский Яровая
край
пшеница
Восточная
Яровая
германия
пшеница
Ставропольский
край
Ставропольский
край
Ставропольский
край
Красноярский
край
Ставропольский
край
Украина
Краснодарский
край
Западная
Сибирь
Красноярский
90
850
364
69
90
1 430
701
55
90
1 560
617
67
80
1 180
489
54
90
790
259
67
90
1 370
703
75
90
1 280
396
59
100
1 560
617
77
100
1 480
711
77
90
1 620
822
79
100
1 590
727
67
100
1 403
627
67
100
1 370
690
77
80
850
368
57
100
1 550
811
67
Озимая
пшеница
Яровая
пшеница
Озимая
пшеница
Озимая
пшеница
Яровая
пшеница
Озимая
пшеница
Кукуруза
100
1 409
723
77
100
2 050
1113
105
Ячмень
100
1 210
582
84
Яровая
80
1 190
489
67
край
Западная
Сибирь
Ставропольский
край
Ставропольский
край
Красноярский
край
Украина
Западная
Сибирь
Западная
Сибирь
Западная
Сибирь
пшеница
Овес
90
1 580
811
93
Озимая
пшеница
Яровая
пшеница
Ячмень
100
1 660
933
82
100
1 330
650
67
80
1 490
813
56
Яровая
пшеница
Озимая
рожь
Яровая
пшеница
Яровая
пшеница
100
1 540
116
77
90
1 270
593
84
90
1 130
585
67
90
1 220
624
67
Контрольные вопросы (ответить письменно)
1. Что образуется в процессе фотосинтеза?
2. Какое количество солнечной радиации, достигающей поверхности
земли, может быть использовано для фотосинтеза?
3. Как определяется первичная продукция?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ПОТОКИ ЭНЕРГИИ И ТРОФИЧЕСКИЕ
УРОВНИ В ЭКОСИСТЕМЕ
Цель: научиться выполнять расчеты по определению экологической
эффективности использования солнечной энергии, запасенной в органическом
веществе автотрофами, трофическим уровнем в рамках темы «Образование и
перемещение вещества в биосфере, потоки энергии и биогеохимические
циклы».
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Поток солнечной энергии распространяется с уровня автотрофов,
создающих чистую первичную продукцию (NPP), на другие вышележащие
трофические уровни. Как и зеленые растения, усваивающие лишь часть
приходящей энергии, травоядные могут использовать только некоторую долю
энергии, запасенную в тканях растений. То же относится и к хищникам
различных порядков. Эффективность переноса энергии с уровня на уровень
никогда не достигает 100 %. Обычно она лежит в пределах 10–20 %
в зависимости от конкретного организма, стадии его жизненного цикла и типа
экосистемы. Эффективность ассимиляции и роста (отношения внутри
трофических уровней) имеет порядок 10–50 %. Организмы, потребляющие
очень питательную пищу, могут ассимилировать до 100 % съеденного.
Различные типы экологической эффективности
Отношения внутри трофических уровней:
1. Pt / At – эффективность роста тканей;
2. Pt / It – экономическая эффективность;
3. At / It – эффективность ассимиляции,
где Р – продукция биомассы; I – поступление энергии; R – дыхание; A –
ассимиляция; t – трофический уровень.
Отношения между трофическими уровнями:
Экологическая эффективность
Выделение энергии на первом трофическом уровне Р1 / Выделение энергии
на другом трофическом уровне Р2: Р1 / Р2.
Задание
Рассчитать коэффициенты экологической эффективности, экономической
эффективности, эффективности роста ткани и эффективности ассимиляции для
диплопод (двупарноногие многоножки), питающихся подстилкой (табл. 10.1,
табл. 10.2).
Таблица 10.1. Потоки энергии через трофические уровни (на примере лосей и
волков)
Параметры
Лоси
Волки
Общая продуктивность в год
123 321 825 ккал
600 439 ккал
Годовое дыхание
910 349 091 ккал
12 789 382 ккал
Выделение энергии на
1 033 670 916 ккал
13 386 821 ккал
трофическом уровне
Экологическая эффективность волков: 13 386 821 / 1 033 670 916,100 = 1,3 %
Пример расчета
В листопадном лесу в подстилке обитает 80 экземпляров диплопод на 1 м2,
масса одного экземпляра 100 мг. Годичное поступление опада в подстилку 300
г/м2 обеззоленного органического вещества с концентрацией углерода 48 %.
Активность диплопод продолжается 6 месяцев.
Энергетические показатели пищевой активности диплопод, ккал/г сутки
Потребление подстилки
256,7
Ассимиляция (А)
13,3
Продукция (Р)
1,1
Дыхание (R)
12,2
Экскрекция
243,4
Таблица 10.2. Исходные данные к заданию
Экосистема
Березовый лес
Осинник
Смешанный лес
Опушка леса
Лиственничный
лес
Ельник
Березово-еловый
лес
Кедровник
Листопадный лес
Тополевая роща
Елово-пихтовый
лес
Березовая согра
Светло-хвойная
тайга
Березовый колок
Дубовый лес
Листопадный лес
Темнохвойная
тайга
Пихтовоберезовый лес
Кедроволиственничный лес
Сосновоберезовый лес
Сосняк
Осиново-пихтовый
лес
Осиновоберезовый лес
Смешанный лес
Осино-березовый
колок
Дубовая роща
Березовая роща
Тополевник
Сосновоберезовый лес
Пихтово-кедровый
лес
Количество
диплопод
на 1м2
100
100
95
120
80
100
100
150
200
80
Количество
подстилки
в г/м2
300
450
300
560
400
60
80
80
80
200
250
40
45
5
5
50
90
110
60
100
100
150
80
150
300
550
200
40
50
55
40
5
6
7
5
45
80
100
80
350
400
48
45
6
6
100
120
100
60
120
100
110
80
450
600
300
200
51
55
50
42
6
7
6
5
45
100
350
48
5
50
90
250
40
5
80
100
470
45
5
60
95
80
110
280
460
40
55
5
7
100
120
500
50
7
100
110
150
100
380
550
48
48
6
7
120
100
140
80
130
130
180
90
500
350
670
360
55
48
50
45
7
6
7
5
45
140
300
40
5
Масса одного
экземпляра
Процент
углерода
Активность
диплопод
48
52
45
50
45
6
6
6
7
5
Ход работы
1. Переводим общее содержание обеззоленного органического вещества
подстилки в углерод. Содержание углерода С в подстилке – 48 %, количество
подстилки – 300 г/м2.
Количество углерода – 144 г/м2.
2. Для расчета калорийности подстилки переводим содержание С
в глюкозу, используя коэффициент пересчета К равным 2,5. Запас подстилки,
выраженной в глюкозе равен 144 · 2,5 = 360 г/м2.
3. Количество энергии, необходимой для получения 1 г глюкозы – 3 760
ккал.
4. Для определения количества энергии в подстилке запас, выраженный в
глюкозе (360 г) умножим на 3 760 ккал получится 1 353,6 ккал (I1).
5. Общая масса диплопод на 1 м2 оставляет 80 экз. · 100 мг = 8 000 мг
(или 8 г).
6. Потребление подстилки диплоподами в калориях за 180 суток:
256,7 · 180 · 8 = 369,7 ккал.
7. Выделилось
энергии
с
экскрементами
за
180
суток:
243,4 · 180 · 8 = 350,5 ккал.
8. Ассимилировалось энергии за 180 суток: 13,3 · 180 · 8 = 19,1 ккал.
9. Энергия, которая затрачена на построение тела диплопод (продукция Р):
1,1 · 180 · 8 = 1,6 ккал.
10. Энергия, выделившаяся с дыханием 12,2 · 180 · 8 = 175,68 ккал;
экономическая эффективность Pt / It, где Р = 1,6; t = 2; Iс – потребленное
количество подстилки = 369,7 ккал; 1,6 · 2 / 369,7 · 2 ·100 = 0,4 %.
11. Эффективность роста тканей Pt / At, где Р = 1,6; t = 2; A = 19,1:1,6 · 2 /
19,1 · 2 · 100 = 8,3 %.
12. Эффективность ассимиляции At / It, где А = 19,1 ккал; I = 369,7; t = 2:
19,1 · 2 / 369,7 · 2 · 100 = 5,1 %.
13. Экологическая эффективность R + P / I1:
R = 17,6; P = 1,6; I1 = 1 353,6: 17,6 + 1,6 / 1 353,6 · 100 = 1,4 %.
Контрольные вопросы
1. Какие тропические уровни существуют в экосистеме?
2. Какую функцию выполняют многоножки в лесу?
3. Какой процент энергии переносится с одного трофического уровня на
другой?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богатырев Ю.Н. В помощь потребителю. – Новосибирск:
Новосибирское кн. изд-во, 1991.
2. Крылов В.А., Юченкова Т.В. Защита от электромагнитных излучений. –
М.: Радио, 1992.
3. Маккавеев А.А. Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии. –
М.: Недра, 1971. – 216 с.
4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. Для студентов вузов и
специалистов экологов. – М.: ПРИОР, 1999.
5. Николайкин Н.И. Экология: учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2003.
6. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. – М.: Гранд,
1998.
7. Программа по улучшению экологического состояния г. Новосибирска
на 2000–2005 гг. (решение от 11.05.2000 г. № 325). – Новосибирск, 2000.
8. Протасов
В.Ф.,
Молчанов
А.В.
Экология,
здоровье
и
природопользование в России. – М.: Финансы и статистика, 1995.
9. Родзевич Н.Н. Геоэкология и природопользование. – М.: Дрофа, 2003.
10. Шустов С.Б. Химические основы экологии / С.Б. Шустов, Л.В. Шустова.
– М.: Просвещение, 1994.
11. СН-389-74. Указания по расчету рассеивания вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий. Изд. офиц. (Срок введ. 01.01.1975). – М.:
Стройиздат, 1975.
12. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в
атмосферном воздухе населенных мест. – Л.: Химия, 1999.