Ход работы
Загружаем модуль статистика, выбирая кластерный анализ (Cluster Analysis). В появившемся окне clustering method (методы кластеризации) выбираем joining (tree clustering), нажимаем OK. Следующее окно называется Cluster Analysis: joining (tree clustering) в котором нас в первую очередь интересует количество переменных которые мы позже будем кластеризовать. Для выбора переменных необходимо нажать кнопку Variables (переменные). Где, в появившемся окне выбираем интересующие нас переменные или выбрать все (Select All). Нажать OK. Мы вернемся к последнему окну, в котором нажимаем OK.
Окно joining resylts мы можем установить вид иерархического дерева (горизонтальное или вертикальное). Кроме того, мы можем оперировать двумя мерами Rectangular branches и Scale tree to dlink/dmax*100.
Rectangular branches (Прямоугольные типы графиков дерева) представляет возможность выбирать два типа графиков дерева (дендограмм) с горизонтальным (прямоугольными) представлением кластеризации (при включенном флажке) или диагональные (без флажка).
Scale tree to dlink/dmax*100. Когда вы выбираете эту опцию, график дерева будет вычислен к стандартизированному масштабу (то есть, dlink/dmax*100). Иначе, если флажок не включен, масштаб будет основан на расстоянии соединения, избранном в Группе Запуска.
Контрольные вопросы:
В чем задача кластерного анализа?
Поясните понятие "метрика", используемое в кластерном анализе.
В чем заключается подготовка данных для кластерного анализа?
Что такое дендограмма и каковы основные приемы их чтения?
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
Кафедра геоэкологии и ландшафтного планирования
Учебно-методический комплект дисциплины: Геофизика
Специальность 020804 Геоэкология
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ К ЭКЗАМЕНУ
Задание 1. Интегральные показатели загрязнения атмосферы
Определите наиболее загрязненный район г. Снов в 1995 г. по индексу загрязнения атмосферы используя данные табл. 1.
Таблица 1 – Среднегодовые данные содержания примесей в атмосфере г. Снов в 1995 году, мг/м3
Район города |
Взвеш. веще- ства
(3)2 |
Оксид углерода
(4) |
Диоксид серы
(3) |
Диоксид азота
(2) |
Ртуть
(1) |
Пени- цилин
(3) |
Оксид азота
(2) |
Раство- римые Суль- фаты (2) |
Формаль- дегид
(2) |
1 |
0,13 |
1,01 |
0,0026 |
0,0204 |
0,00020 |
0,0082 |
0,0100 |
0,030 |
0,0100 |
2 |
0,29 |
1,28 |
0,0036 |
0,0460 |
0,00010 |
0,0039 |
0,0200 |
0,020 |
0,0100 |
3 |
0,26 |
1,30 |
0,0038 |
0,5200 |
0,00010 |
0,0090 |
0,0310 |
0,040 |
0,0110 |
4 |
0,40 |
1,08 |
0,0069 |
0,0430 |
0,00010 |
0,0110 |
0,0100 |
0,010 |
0,0200 |
5 |
0,30 |
1,25 |
0,0045 |
0,0900 |
0,00015 |
0,0055 |
0,0200 |
0,020 |
0,0300 |
ПДК ср.сут. |
0,15 |
3,0 |
0,05 |
0,04 |
0,0003 |
0,002 |
0,06 |
|
0,003 |
Задание 2. Оценка степени загрязнения атмосферного воздуха по содержанию загрязняющих веществ в снежном покрове.
По данным табл. 2 определите суммарную пылевую нагрузку в снежном покрове территории. Известно, что пробы снега были отобраны с 1 кв. м, в високосный год, 15 марта. Время установления устойчивого снежного покрова 2 декабря.
Таблица 2 – Вес пыли, осажденной снегом на территории г. Снова и его окрестностей, г
№ точки отбора пробы |
Вес пыли осажденной снегом |
|||||||||
|
Вар.1 |
Вар.2 |
Вар.3 |
Вар.4 |
Вар.5 |
Вар.6 |
Вар.7 |
Вар.8 |
Вар.9 |
Вар.10 |
1 |
4.0 |
5.0 |
6.0 |
3.0 |
7.0 |
8.0 |
2.0 |
5.0 |
2.0 |
15.0 |
2 |
10.0 |
20.0 |
30.0 |
20.0 2 |
15.0 |
21.0 |
18.0 |
44.0 |
33.0 |
25.0 |
3 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
2.0 |
3.0 |
2.0 |
50.0 |
15.0 |
45.0
|
2.0 |
4 |
30.0 |
40.0 |
50,0 |
30.0 |
40.0 |
18.0 |
30.0 |
10.0 |
19.0 |
18.0 |
5 |
15.0 |
25.0 |
50.0 |
15.0 |
25.0 |
50.0 |
20.0 |
2.0 |
15.0 |
7.0 |
6 |
5.0 |
15.0 |
30.0 |
5.0 |
15.0 |
30.0 |
15.0 |
2.0 |
10.0 |
50.0 |
7 |
3.0 |
10.0 |
20.0 |
3.0 |
10.0 |
20.0 |
10.0 |
18.0 |
25.0 |
30.0 |
8 |
4.0 |
8.0 |
16.0 |
4.0 |
8.0 |
33.0 |
28.0 |
16.0 |
10.0 |
20.0 |
Задание 3. Определить коэффициенты концентрации химических элементов в пыли осажденной снегом (табл. 2, 3).
Таблица 2 – Фоновые значения микроэлементов в пыли осажденной снегом для территории г. Снов и его окрестностей
№ п/п |
Микроэлемент |
Сф, мг/кг |
1 |
Стронций |
0,5 |
2 |
Барий |
1,5 |
3 |
Марганец |
1,0 |
4 |
Хром |
1,5 |
Таблица 3 – Содержание химических элементов в пыли осажденной снегом в
г. Снов и его окрестностях, мг/кг
№ точки опробования |
Содержание химического элемента в снеге |
|||||||||||
1 проба |
2 проба |
3 проба |
||||||||||
|
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
1 |
0,7 |
2,0 |
1,0 |
3,0 |
0,8 |
2,4 |
1,4 |
3,6 |
0,6 |
2,8 |
1,2 |
3,4 |
2 |
1,0 |
2,6 |
1,5 |
4,0 |
1,2 |
2,8 |
2,0 |
4,5 |
1,4 |
3,0 |
2,4 |
5,5 |
3 |
0,5 |
1,0 |
1,0 |
1,2 |
0,4 |
1,5 |
0,5 |
1,3 |
0,6 |
2,0 |
1,5 |
2,0 |
4 |
5,0 |
6,2 |
6,3 |
6,5 |
5,4 |
6,0 |
6,8 |
6,8 |
5,8 |
6,4 |
7,0 |
7,2 |
5 |
1,2 |
2,8 |
1,6 |
4,2 |
1,4 |
3,0 |
1,9 |
4,4 |
1,8 |
3,2 |
2,0 |
4,8 |
6 |
1,0 |
2,2 |
1,2 |
4,0 |
1,1 |
2,3 |
1,4 |
3,5 |
1,3 |
2,1 |
1,6 |
3,3 |
7 |
1,0 |
2,2 |
1,1 |
3,6 |
1,2 |
2,1 |
1,0 |
3,8 |
1,2 |
2,0 |
0,9 |
3,8 |
8 |
0,8 |
2,2 |
1,1 |
3,2 |
0,9 |
2,3 |
1,5 |
3,4 |
0,7 |
2,9 |
1,3 |
3,6 |
Задание 4. Используя формулы химических ассоциаций (табл. 4) и результаты задания 2 определите для каждой точки опробования антропогенную нагрузку, выделите группы порогов аномальности.
Таблица 4 – Формулы геохимических ассоциаций для точек опробования снегового покрова в г. Снов
N точки опробования |
Формула геохимической ассоциации |
1 |
Zn1,0 Pb0,5 W0,3 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,1 Ni0,1 |
2 |
Zn1,5 Pb1,2 W1,0 Hg0,6 Sn0,3 Cu0,3 Ni0,2 |
3 |
Zn0,7 Pb0,5 W0,3 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,1 |
4 |
Zn10,5 Pb8,0 W5,0 Sn3,0 Hg2,0 Ni0,1 |
5 |
Pb1,5 Zn1,4 W1,2 Sn1,0 Hg0,8 Ni0,1 |
6 |
Zn1,5 Pb1,0 W1,0 Hg0,5 Sn0,3 Cu0,2 Ni0,2 |
7 |
Zn1,5 Pb0,6 W0,3 Hg0,2 Sn0,2 Cu0,2 Ni0,2 |
8 |
Zn1,0 Pb0,5 W0,2 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,2 Ni0,1 |
Задание 5. Используя данные табл. 5 и табл. 6. и данные задания 2 и 3 выявите на исследованной территории г. Снов районы: а) реликтового загрязнения; б) современного загрязнения; в) устойчивого загрязнения.
Таблица 5 – Фоновое содержание химических элементов в почве г. Снов, мг/кг
№ п/п |
Химический элемент |
Сф |
1 |
Марганец (Mn) |
700.0 |
2 |
Никель (Ni) |
46.0 |
3 |
Кобальт (Co) |
14.0 |
4 |
Хром (Cr) |
135.0 |
5 |
Молибден (Mb) |
1.8 |
6 |
Медь (Cu) |
68.0 |
7 |
Свинец (Pb) |
20.0 |
8 |
Цинк (Zn) |
45.0 |
9 |
Фосфор (P) |
300.0 |
10 |
Серебро (Ag) |
0.1 |
11 |
Олово (Sn) |
2.0 |
12 |
Стронций (Sr) |
150.0 |
Таблица 5 – Среднее содержание химических элементов в почве территории исследования, мг/кг
№ точки |
Mn |
Cr |
Sr |
Ni |
Co |
Mo |
Cu |
Pb |
Zn |
P |
Sn |
Ag |
1 |
600 |
135 |
150 |
40 |
10 |
1,8 |
60 |
20 |
40 |
250 |
2 |
0,1 |
|
300 |
20 |
35 |
15 |
1 |
0,2 |
15 |
5 |
11 |
100 |
0,1 |
0,01 |
2 |
1400 |
305 |
160 |
86 |
32 |
3,2 |
81 |
45 |
65 |
350 |
3,2 |
0,3 |
|
400 |
15 |
45 |
12 |
2 |
0,1 |
10 |
10 |
12 |
150 |
0,3 |
0,01 |
3 |
610 |
130 |
130 |
25 |
10 |
1,6 |
52 |
20 |
35 |
265 |
1,8 |
0,1 |
|
200 |
10 |
30 |
10 |
3 |
0,3 |
12 |
3 |
5 |
100 |
0,1 |
0,01 |
4 |
3500 |
600 |
750 |
350 |
42 |
4,5 |
680 |
150 |
306 |
500 |
8 |
0,3 |
|
350 |
12 |
22 |
12 |
4 |
0,1 |
15 |
10 |
25 |
150 |
0,3 |
0,01 |
5 |
3100 |
520 |
630 |
250 |
35 |
3,6 |
600 |
100 |
265 |
500 |
6,5 |
0,2 |
|
200 |
13 |
23 |
13 |
5 |
0,2 |
16 |
8 |
20 |
150 |
0,3 |
0,01 |
6 |
1300 |
300 |
150 |
80 |
25 |
2,2 |
75 |
40 |
60 |
250 |
3 |
0,2 |
|
90 |
14 |
45 |
20 |
3 |
0,1 |
8 |
5 |
5 |
100 |
0,1 |
0,01 |
7 |
710 |
135 |
150 |
50 |
20 |
2,2 |
82 |
35 |
45 |
300 |
1,8 |
0,1 |
|
160 |
16 |
30 |
21 |
1 |
0,1 |
10 |
5 |
6 |
120 |
0,1 |
0,01 |
8 |
700 |
135 |
150 |
46 |
14 |
1,6 |
60 |
20 |
40 |
250 |
1,8 |
0,1 |
|
180 |
18 |
31 |
14 |
2 |
0,2 |
12 |
3 |
6 |
120 |
0,1 |
0,01 |
В числителе – содержание микроэлемента в горизонте А.
В знаменателе - содержание микроэлемента в горизонте В.
Задание 6. Оценка качества поверхностных вод.
По данным табл. 6 постройте кривую обеспеченности общей минерализации реки Суры в летний период. Определите 5% и 95% обеспеченность общей минерализации.
Таблица 6 – Данные многолетних наблюдений минерализации воды реки Суры (средние для летнего сезона)
Год наблюдений |
1986 |
1987 |
1988 |
1989 |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
Минерализация, мг-экв/л |
100 |
200 |
230 |
215 |
330 |
250 |
285 |
275 |
300 |
Год наблюдений |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
2001 |
2002 |
2003 |
Минерализация, мг-экв/л |
260 |
310 |
290 |
305 |
280 |
290 |
285 |
265 |
270 |
Задание 7. Используя уравнение баланса вещества выполните оценку концентрации загрязняющего вещества (ЗВ) в реке ниже выпуска сточных вод. Известно, что расход воды в реке в месте оценки равен 7,5 м3/c; расход сточных вод равен 0,4 м3/с; концентрации загрязняющих веществ в сточных водах представлены в табл. 7.
Как изменится концентрация вещества в устье реки с учетом биохимических и физико-химических процессов, протекающие в водных объектах. Известно, что расстояние до устья от точки оценки равно 180 км, средняя скорость реки 0,3 м/с, расход реки в устье в два раза больше, чем в месте оценки. Определите показатель относительной нагрузки потока рассматриваемым веществом.
Таблица 7 – Гидрохимические данные источника сброса
Номер варианта |
Наименование ЗВ |
Коэффициент неконсерва- тивности |
Концентрация ЗВ в сточных водах, мг/м3 |
1 |
Азот аммонийный |
0,207 |
0,96 |
2 |
Алкилсульфанаты СПАВ |
0,47 |
2,3 |
3 |
Азот нитратный |
0,112 |
35,6 |
4 |
Азот нитритный |
10,8 |
0,1 |
5 |
БПК полн. |
0,23 |
15,5 |
6 |
Нефть и нефтепродукты |
0,044 |
0,18 |
Таблица 8 – Данные гидрохимических наблюдений реки Алатырь
|
ПДК, мг/дм3 |
Пост №1 (река Алатырь с. Гуляево) |
Пост №2 (р. Алатырь п. Тургенево) |
||||||
Дата взятия пробы |
|||||||||
14.03.96 |
11.07.96 |
03.09.96 |
26.11.96 |
14.03.96 |
11.07.96 |
03.09.96 |
26.11.96 |
||
Нефтепро- дукты, мг/дм3 |
0.05 |
0.000 |
2.000 |
0.500 |
0.025 |
0.000 |
1.000 |
0.800 |
0.030 |
БПК-5, мг/дм3 |
2.0 |
2.6 |
2.7 |
2.4 |
3.1 |
2.0 |
2.1 |
2.5 |
0.8 |
Железо, общ, мг/дм3 |
0.3 |
0.017 |
0.370 |
0.230 |
0.300 |
0.090 |
0.080 |
0.210 |
0.300 |
Раствор. О2, мг/дм3 |
6.0 |
6.0 |
5.9 |
5.8 |
5.0 |
11.0 |
9.3 |
5.9 |
5.6 |
Азот аммон, мг/дм3 |
0.39 |
0.79 |
0.40 |
0.40 |
0.31 |
0.84 |
0.38 |
0.41 |
0.36 |
Сух. ост. мг/дм3 |
1000.0 |
283,0 |
374,0 |
283,0 |
201,6 |
272,0 |
151,0 |
251,0 |
236,0 |
Азот нитрат.мг/дм3 |
9.1 |
0.00 |
3.24 |
3.00 |
2.90 |
0.00 |
3.00 |
3.10 |
2.01 |
Сульфаты, мг/дм3 |
100 |
18.6 |
114.0 |
25.6 |
40.1 |
21.3 |
85.2 |
23.3 |
30.6 |
Хлориды, мг/дм3 |
300 |
23.3 |
27.1 |
27.3 |
60.0 |
25.5 |
20.8 |
26.0 |
39.0 |
Азот нитрит, мг/дм3 |
0.02 |
0.000 |
0.020 |
0.010 |
0.015 |
0.000 |
0.010 |
0.010 |
0.010 |
Цинк, мг/дм3 |
0.01 |
0.00 |
0.03 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.02 |
0.00 |
0.00 |
Медь, мг/дм3 |
0.001 |
0.000 |
0.001 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.001 |
0.000 |
0.000 |
Задание 8. Сравните качество воды на двух гидрохимических постах в среднем за 1996 г. по комбинаторному индексу загрязнения и по индексу загрязненности воды. Используйте данные гидрохимических наблюдений на реке Алатырь (см. табл. 8)
Методические указания по выполнению практических заданий
1. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) показывает интегральное загрязнение воздушного бассейна различными вредными примесями, формула для расчета этого индекса имеет следующий вид:
, (1)
где, I – индекс загрязнения атмосферы, i – номер вредной примеси, qi – средняя суточная концентрация i-ой вредной примеси в воздухе, ПДКi – предельно допустимая концентрация i-ой примеси в воздухе, Ci – константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 для 1, 2, 3, 4 классов опасности вредных веществ соответственно. Константа позволяет привести степень вредности i-го вещества к степени вредности диоксида серы. Обычно, индекс загрязнения атмосферы (I) рассчитывается по пяти загрязнителям: пыль (взвешенные вещества), диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и формальдегид.
2. Снежный покров, осаждая и фиксируя воздушные взвеси и аэрозоли, позволяет выделить контуры загрязнения на период опробования. При изучении выпадений из атмосферы в первую очередь фиксируется пылевая нагрузка на окружающую природную среду, т.е. абсолютные массы, выпадающие на единицу площади за фиксированное время.
Суммарная пылевая нагрузка в снежном покрове (Рn) определяется в каждой точке опробования:
,
(2)
где: Ра – вес пыли, осажденной снегом (кг); S – проективная площадь осаждения, равная 1 кв. м; Т – временной интервал в сутках между моментом отбора пробы и датой установления устойчивого снежного покрова (Ревич, Сает, Смирнова, 1990). Для определения массы пыли, выпавшей за год необходимо полученное значение умножить на количество дней в году.
Суммарный показатель нагрузки показывает во сколько раз масса химических элементов, выпавших на данной территории больше, чем на фоновых участках. Данный показатель рассчитывается по формуле:
(3)
где Pi – масса i-того химического элемента, выпавшего со снеговой пылью на данной территории, мг/км2 сут; Pфi – масса i-того химического элемента, выпавшего со снеговой пылью на фоновых участках, мг/км2 сут.
Вес химического элемента, выпавшего на единицу площади обследуемой территории за единицу времени определяется по формуле:
Pi = Ci·Pn, (4)
где Сi – концентрация химического элемента в снеговой пыли, мг/кг; Pn – пылевая нагрузка, кг/км2 сут.
Масса химического элемента, выпавшего на фоновой территории, рассчитывалась по формуле: Рф = Сф·Рпф, (5)
где Сф – концентрация химического элемента на фоновом участке, мг/кг; Рпф – величина пылевой нагрузки на фоновой территории, кг/км2 сут.
По литературным данным фоновая пылевая нагрузка для Нечерноземной зоны Европейской части России составляет Рф = 10 кг/км2 сут.
Уровни загрязнения снежного покрова по суммарному показателю загрязнения, пылевой нагрузке и суммарной нагрузке приведены в табл. 9.
Таблица 9 – Уровень загрязнения снежного покрова
Уровень загрязнения:
|
Суммарный Показатель загрязнения, Zc |
Пылевая нагрузка Pn, кг/кг2 сут |
Суммарный показатель нагрузки, Zp |
Низкий |
32 – 64 |
100 – 250 |
< 1000 |
Средний |
64 – 128 |
250 – 450 |
1000 – 5000 |
Высокий |
128 – 256 |
450 - 850 |
5000 – 10000 |
Очень высокий |
> 256 |
> 850 |
> 10000 |
3. Прежде, чем определить коэффициент концентрации химического элемента определите его среднее содержание в снеге в каждой точке опробования. Коэффициент концентрации химического элемента вычисляется по формуле
Кс = Сср/Сф, (6)
где Сcр – среднее содержание микроэлемента в снеге (мг/кг); Сф – фоновое значение микроэлемента в снеге (мг/кг) (Василенко, Назаров, Призман, 1985).
4. Техногенные аномалии в снеговой пыли отражают загрязнение атмосферного воздуха. Для показа структуры загрязнения техногенной аномалии используется термин "геохимическая ассоциация". Ассоциация характеризует среднее содержание химических элементов в точке опробования. В состав формулы включите значения, получившиеся для Sr, Ва, Мn, Сr после выполнения второго задания. Цифры при индексах химических элементов в формуле геохимической ассоциации представляют их коэффициенты концентрации.
Для общей количественной характеристики уровня аномальности в каждой точке рассчитывается суммарный показатель загрязнения
, (7)
где Ксi - коэффициент концентрации i-го аномального химического элемента, n - число аномальных элементов, входящих в геохимическую ассоциацию (Ревич, Сает, Смирнова и др., 1982).
Для характеристики геохимических ассоциаций в точке опробования необходимо установить определенный "порог аномальности". За нижний порог аномальности приняты значения с коэффициентом концентрации, равным 1.5 (Сорокина. 1983). Выделяются следующие пороги аномальности: первый (Zс = 1.5–3.0), второй (Zс = 3.0–10.0), третий (Zс = 10.0–30.0), четвертый (Zс = 30.0–100.0), пятый (Zс = 100.0–500.0).
Оценка загрязнения почв и снежного покрова проводится согласно (Методических рекомендаций... 1987) и (Методических указаний..., 1987).
Таблица 10 – Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв и снежного покрова по суммарному показателю загрязнения
Уровень загрязнения |
Категория загрязнения |
Значение суммарного показателя загрязнения |
Изменение показателя здоровья населения в очагах загрязнения |
|
почв |
снежного покрова |
|
||
Низкий |
Допустимая |
8 – 16 |
32 – 64 |
Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости среднефункциональных отклонений |
Средний |
Умеренно опасная |
16 – 32 |
64–128 |
Увеличение общей заболеваемости |
Высокий |
Опасная |
32–128 |
128–256 |
Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы |
Очень высокий |
Чрезвыч. опасная |
> 128 |
> 256 |
Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикоза беременности, числа преждевременных родов, мертворождаемости и гипотрофии новорожденных |
5. Объединение на одной карте данных по загрязнению почв и снежного покрова позволяет провести районирование территории по динамике загрязнения (Ревич. Сает. Смирнова. 1990). При этом выделяют территории устойчивого, реликтового и современного загрязнения, а также зоны с отсутствием загрязнения. Устойчивое загрязнение определяется по совпадению очагов загрязнения на почвенной карте и на карте снежного покрова. Зона реликтового загрязнения выделяется по сильному загрязнению почв и слабому загрязнению в снежном покрове. В этих районах почвенный горизонт В отличается от А более высокой концентрацией химических элементов. Зона современного загрязнения определяется по более высокому уровню загрязнения снежного покрова по сравнению с почвой.
Выполняя задание коэффициент концентрации химических элементов в почве (Кс ) вычислите только для горизонта А.
6. Химические ингредиенты, находящиеся в речных водах, являются столь же случайными и независимыми величинами в многолетнем разрезе, как и сток рек, поскольку их изменение во времени зависит от большого числа факторов случайного характера. Поэтому для анализа распределения во времени этих характеристик с не меньшим основанием, чем для стока воды, могут быть использованы вероятностно-статистические методы.
При построении эмпирических кривых обеспеченности целесообразно учитывать соотношение расходов воды и числа ингредиентов в рассматриваемую фазу стока. Так, обычно наименьшему расходу воды в реке соответствует ее наибольшая минерализация. Поэтому при построении эмпирических кривых обеспеченности лучше использовать значение минерализации (число анионов, катионов), обратное естественному. Например, 1/Mg+, или 10/Са+, или 100/и – чем больше значение ингредиента или их суммы, тем больше числитель, что удобно при построении кривых обеспеченности. Это сохраняет естественное соотношение характеристик количества и качества воды при их равной обеспеченности.
Обеспеченность эмпирических точек рассчитывается по формуле
,
(8)
где m – порядковый номер членов ранжированного ряда рассчитываемой гидрохимической характеристики, расположенного в убывающем порядке; n – общее число членов ряда. При определении обеспеченных значений минерализации или жесткости (и других характеристик, возрастающих с уменьшением расхода воды) члены ряда ранжируются по величине, обратной естественной.
7. Оценка качества воды в определенной точке (створе водного объекта) выполняется путем сопоставления максимальной концентрации загрязняющего вещества с предельно допустимой концентрацией этого же вещества (ПДК), нормируемой «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1975).
Максимальная
концентрация лимитируемого загрязняющего
вещества в реке ниже выпуска сточных
вод изменяется в пределах
,
где Sп – средняя концентрация того же
вещества в потоке, определяемая из
уравнения баланса вещества:
,
(9)
где Qр – расход воды в реке, м3/c; Qcт – расход сточных вод, м3/с; Sp – концентрация рассматриваемого вещества в воде реки, мг/л или г/м3; Sст – концентрация этого же вещества в сточных водах, мг/л или г/м3.
Наряду с разбавлением сточных вод в водотоках и водоемах к снижению концентрации загрязняющих веществ приводят биохимические и физико-химические процессы, протекающие в водных объектах.
Процесс биохимического превращения может быть описан уравнением:
,
(10)
где: So и St — концентрации вещества соответственно в начальный момент и в момент t; kn – коэффициент неконсервативности.
Общая нагрузка потока консервативными веществами или суммой веществ выражается (в потоке) концентрацией Sn этих веществ, определяемой из условия баланса вещества (3.1). Показатель относительной нагрузки потока конкретным загрязняющим веществом находится путем сопоставления расчетного значения Sп с предельно допустимой концентрацией (ПДК) данного вещества. При этом возможны два случая: Sn ПДК (вода грязная), Sn ПДК (вода чистая). Подставив в эти неравенства значения Sn по формуле (3.1) и преобразуя их, получим
,
(11)
обозначим левую часть неравенства через ’:
(12)
Отношение (3.20) получило название показателя относительной нагрузки потока загрязняющим веществом, Здесь, как и для Sn, если ’> 1 — вода грязная, если ’< 1 — вода чистая; ’=l – отвечает предельным условиям нагрузки водоема загрязняющим веществом.
8. Индекс загрязненности воды (ИЗВ) рассчитывается на основе наблюденных концентраций в j-ом контрольном створе в t-ый период времени – C[j,i,t] ,где i =1,N – индекс ингредиентов, N – количество ингредиентов, наблюдаемых в контрольном створе в t-ый период времени. Расчет ИЗВ в j-ом створе реки, Iz , проводится по формуле:
, (13)
где: N1 = 6 – количество выбранных для расчета ингредиентов, из которых обязательными являются растворенный О2 и БПК-5, а остальными – четыре первых ингредиента из ранжированного (по кратности превышения ПДК) убывающего ряда концентраций; T – количество значений i-го ингредиента за расчетный период; Cпдк[i] – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента.
Принадлежность качества воды водотока конкретному классу определяется сопоставлением значения соответствующему интервалу изменений значений ИЗВ. При этом различают следующие 7 классов:
Расчет значений удельного комбинаторного индекса загрязненности (УКИЗ) в j -ом створе реки проводится по следующей формуле:
, (14)
где Cпдк[i] – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента; N[j,i] – количество превышений i-ой концентрацией Cпдк[i] за период наблюдений Т , т.е. количество раз выполнения неравенства:
(15)
Т – общее количество наблюдений в j-ом створе за i-ой концентрацией ингредиента.
Рассчитанное значение УКИЗ соответствует различным классам качества воды, приведенными в табл. 12.
Таблица 11 – Классификация качества воды по критерию ИЗВ
Iz |
Класс качества воды |
Характеристика уровня загрязненности |
[0,0 ; 0,3) |
1 |
ОЧЕНЬ ЧИСТАЯ |
[0,3 ; 1,0) |
2 |
ЧИСТАЯ |
[1,0 ; 2,5) |
3 |
УМЕРЕННО-ЗАГРЯЗНЕННАЯ |
[2,5 ; 4,0) |
4 |
ЗАГРЯЗНЕННАЯ |
[4,0 ; 6,0) |
5 |
ГРЯЗНАЯ |
[6,0 ; 10,0) |
6 |
ОЧЕНЬ ГРЯЗНАЯ |
>=10,0 |
7 |
ЧРЕЗВЫЧАЙНО-ГРЯЗНАЯ |
Таблица 12 – Классификация качества воды по критерию УКИЗ
Класс качества воды |
Описание класса |
Величина УКИЗ |
1 |
2 |
3 |
2 |
Очень чистая |
( 0.1 ) |
3 |
Чистая |
1 |
4 |
Умеренно- загрязненная |
( 1.3 ] |
5 |
Загрязненная |
( 3.4 ] |
6 |
Грязная |
( 4.10 ] |
7 |
Очень грязная |
> 10 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.П. ОГАРЕВА»
Кафедра геоэкологии и ландшафтного планирования
Учебно-методический комплект дисциплины:
Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана и вод суши
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ
Саранск
2007
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ
А.Теоретические вопросы
Объект, задачи курса. Исторический обзор исследований по проблемам загрязнения окружающей среды.
Природа, свойства, пространственно-временные характеристики различных загрязняющих веществ.
Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный и животный мир.
Особенности метеорежима городов. Температурный режим городов. Изменение ветра, турбулентности, влажности воздуха, облачности и осадков в городах.
Упорядоченный и диффузный перенос примесей в атмосфере.
Закономерности распространения загрязняющих веществ (примесей) в турбулентной среде. Численные модели загрязнения атмосферы.
Численные модели загрязнения атмосферы. Уравнение переноса примесей в турбулентной атмосфере. Факторы, определяющие изменение концентрации примесей во времени.
Уравнение баланса атмосферных примесей. Анализ отдельных членов уравнения.
Наблюдения за качеством атмосферного воздуха в населенных пунктах и за фоновым загрязнением. Прогноз фонового загрязнения воздуха в городе.
Проблема атмосферного озона.
Потенциал самоочищения атмосферы. Прогноз фонового загрязнения воздуха в городе.
Основные методы анализа веществ, загрязняющих атмосферу.
Загрязнения атмосферы подвижными источниками выбросов
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в водной среде. Виды нормирования ПДК. Принципы экологического нормирования ПДК.
Гидрологические факторы формирования и методы оценки качества поверхностных вод.
Классификация водотоков и водоемов применительно к их охране. Формирование качества вод.
Основные метеорологические, гидрологические величины и гидравлические элементы, необходимые для расчета разбавления сточных вод. Их определение.
Оценка качества воды в реках и водоемах в условиях антропогенного воздействия.
Классификация водотоков и водоемов применительно к их охране. Формирование качества вод.
Интегральные показатели оценки качества воды загрязненности рек и водоемов.
Прогнозирование качества водных ресурсов. Определение допустимого количества сбрасываемых вод. Статистические методы анализа и прогноза загрязнений.
Определение допустимого количества сбрасываемых вод.
Антропогенное воздействие на почву. Оценка и анализ загрязненности почв и снежного покрова по геохимическим показателям.
Основные понятия природной индикации и методики использования некоторых природных индикаторов.
Геохимические принципы эколого-географической систематики городов.
Эколого-геохимическая классификация городских ландшафтов.
Закономерности распространения загрязняющих веществ в
Картографирование загрязнения окружающей среды.
Интегральные показатели оценки качества поверхностных водотоков, атмосферного воздуха, почвы.
Устойчивость гео(эко)логической среды к антропогенному воздействию.
Геоинформационные системы как инструмент для контроля качества природных сред.
Глобальные проблемы загрязнения.
Глобализация и проблемы загрязнения ОС. Экономические аспекты загрязнения окружающей среды.
Картографирование загрязнения окружающей среды.
Б. Практические задачи и задания.
Задание 1. Интегральные показатели загрязнения атмосферы
Определите наиболее загрязненный район г. Снов в 1995 г. по индексу загрязнения атмосферы используя данные табл. 1.
Таблица 1 – Среднегодовые данные содержания примесей в атмосфере г. Снов в 1995 году, мг/м3
Район города |
Взвеш. веще- ства
(3)3 |
Оксид углерода
(4) |
Диоксид серы
(3) |
Диоксид азота
(2) |
Ртуть
(1) |
Пени- цилин
(3) |
Оксид азота
(2) |
Раство- римые Суль- фаты (2) |
Формаль- дегид
(2) |
1 |
0,13 |
1,01 |
0,0026 |
0,0204 |
0,00020 |
0,0082 |
0,0100 |
0,030 |
0,0100 |
2 |
0,29 |
1,28 |
0,0036 |
0,0460 |
0,00010 |
0,0039 |
0,0200 |
0,020 |
0,0100 |
3 |
0,26 |
1,30 |
0,0038 |
0,5200 |
0,00010 |
0,0090 |
0,0310 |
0,040 |
0,0110 |
4 |
0,40 |
1,08 |
0,0069 |
0,0430 |
0,00010 |
0,0110 |
0,0100 |
0,010 |
0,0200 |
5 |
0,30 |
1,25 |
0,0045 |
0,0900 |
0,00015 |
0,0055 |
0,0200 |
0,020 |
0,0300 |
ПДК ср.сут. |
0,15 |
3,0 |
0,05 |
0,04 |
0,0003 |
0,002 |
0,06 |
|
0,003 |
Задание 2. Оценка степени загрязнения атмосферного воздуха по содержанию загрязняющих веществ в снежном покрове.
По данным табл. 2 определите суммарную пылевую нагрузку в снежном покрове территории. Известно, что пробы снега были отобраны с 1 кв. м, в високосный год, 15 марта. Время установления устойчивого снежного покрова 2 декабря.
Таблица 2 – Вес пыли, осажденной снегом на территории г. Снова и его окрестностей, г
№ точки отбора пробы |
Вес пыли осажденной снегом |
|||||||||
|
Вар.1 |
Вар.2 |
Вар.3 |
Вар.4 |
Вар.5 |
Вар.6 |
Вар.7 |
Вар.8 |
Вар.9 |
Вар.10 |
1 |
4.0 |
5.0 |
6.0 |
3.0 |
7.0 |
8.0 |
2.0 |
5.0 |
2.0 |
15.0 |
2 |
10.0 |
20.0 |
30.0 |
20.0 2 |
15.0 |
21.0 |
18.0 |
44.0 |
33.0 |
25.0 |
3 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
2.0 |
3.0 |
2.0 |
50.0 |
15.0 |
45.0
|
2.0 |
4 |
30.0 |
40.0 |
50,0 |
30.0 |
40.0 |
18.0 |
30.0 |
10.0 |
19.0 |
18.0 |
5 |
15.0 |
25.0 |
50.0 |
15.0 |
25.0 |
50.0 |
20.0 |
2.0 |
15.0 |
7.0 |
6 |
5.0 |
15.0 |
30.0 |
5.0 |
15.0 |
30.0 |
15.0 |
2.0 |
10.0 |
50.0 |
7 |
3.0 |
10.0 |
20.0 |
3.0 |
10.0 |
20.0 |
10.0 |
18.0 |
25.0 |
30.0 |
8 |
4.0 |
8.0 |
16.0 |
4.0 |
8.0 |
33.0 |
28.0 |
16.0 |
10.0 |
20.0 |
Задание 3. Определить коэффициенты концентрации химических элементов в пыли осажденной снегом (табл. 2, 3).
Таблица 2 – Фоновые значения микроэлементов в пыли осажденной снегом для территории г.Снов и его окрестностей
№ п/п |
Микроэлемент |
Сф, мг/кг |
1 |
Стронций |
0,5 |
2 |
Барий |
1,5 |
3 |
Марганец |
1,0 |
4 |
Хром |
1,5 |
Таблица 3 – Содержание химических элементов в пыли осажденной снегом в
г. Снов и его окрестностях, мг/кг
№ точки опробования |
Содержание химического элемента в снеге |
|||||||||||
1 проба |
2 проба |
3 проба |
||||||||||
|
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
Sr |
Ва |
Мn |
Сr |
1 |
0,7 |
2,0 |
1,0 |
3,0 |
0,8 |
2,4 |
1,4 |
3,6 |
0,6 |
2,8 |
1,2 |
3,4 |
2 |
1,0 |
2,6 |
1,5 |
4,0 |
1,2 |
2,8 |
2,0 |
4,5 |
1,4 |
3,0 |
2,4 |
5,5 |
3 |
0,5 |
1,0 |
1,0 |
1,2 |
0,4 |
1,5 |
0,5 |
1,3 |
0,6 |
2,0 |
1,5 |
2,0 |
4 |
5,0 |
6,2 |
6,3 |
6,5 |
5,4 |
6,0 |
6,8 |
6,8 |
5,8 |
6,4 |
7,0 |
7,2 |
5 |
1,2 |
2,8 |
1,6 |
4,2 |
1,4 |
3,0 |
1,9 |
4,4 |
1,8 |
3,2 |
2,0 |
4,8 |
6 |
1,0 |
2,2 |
1,2 |
4,0 |
1,1 |
2,3 |
1,4 |
3,5 |
1,3 |
2,1 |
1,6 |
3,3 |
7 |
1,0 |
2,2 |
1,1 |
3,6 |
1,2 |
2,1 |
1,0 |
3,8 |
1,2 |
2,0 |
0,9 |
3,8 |
8 |
0,8 |
2,2 |
1,1 |
3,2 |
0,9 |
2,3 |
1,5 |
3,4 |
0,7 |
2,9 |
1,3 |
3,6 |
Задание 4. Используя формулы химических ассоциаций (табл. 4) и результаты задания 2 определите для каждой точки опробования антропогенную нагрузку, выделите группы порогов аномальности.
Таблица 4 – Формулы геохимических ассоциаций для точек опробования снегового покрова в г. Снов
N точки опробования |
Формула геохимической ассоциации |
1 |
Zn1,0 Pb0,5 W0,3 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,1 Ni0,1 |
2 |
Zn1,5 Pb1,2 W1,0 Hg0,6 Sn0,3 Cu0,3 Ni0,2 |
3 |
Zn0,7 Pb0,5 W0,3 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,1 |
4 |
Zn10,5 Pb8,0 W5,0 Sn3,0 Hg2,0 Ni0,1 |
5 |
Pb1,5 Zn1,4 W1,2 Sn1,0 Hg0,8 Ni0,1 |
6 |
Zn1,5 Pb1,0 W1,0 Hg0,5 Sn0,3 Cu0,2 Ni0,2 |
7 |
Zn1,5 Pb0,6 W0,3 Hg0,2 Sn0,2 Cu0,2 Ni0,2 |
8 |
Zn1,0 Pb0,5 W0,2 Hg0,2 Sn0,1 Cu0,2 Ni0,1 |
Задание 5. Используя данные табл. 5 и табл. 6. и данные задания 2 и 3 выявите на исследованной территории г. Снов районы: а) реликтового загрязнения; б) современного загрязнения; в) устойчивого загрязнения.
Таблица 5 – Фоновое содержание химических элементов в почве г. Снов, мг/кг
№ п/п |
Химический элемент |
Сф |
1 |
Марганец (Mn) |
700.0 |
2 |
Никель (Ni) |
46.0 |
3 |
Кобальт (Co) |
14.0 |
4 |
Хром (Cr) |
135.0 |
5 |
Молибден (Mb) |
1.8 |
6 |
Медь (Cu) |
68.0 |
7 |
Свинец (Pb) |
20.0 |
8 |
Цинк (Zn) |
45.0 |
9 |
Фосфор (P) |
300.0 |
10 |
Серебро (Ag) |
0.1 |
11 |
Олово (Sn) |
2.0 |
12 |
Стронций (Sr) |
150.0 |
Таблица 5 – Среднее содержание химических элементов в почве территории исследования, мг/кг
№ точки |
Mn |
Cr |
Sr |
Ni |
Co |
Mo |
Cu |
Pb |
Zn |
P |
Sn |
Ag |
1 |
600 |
135 |
150 |
40 |
10 |
1,8 |
60 |
20 |
40 |
250 |
2 |
0,1 |
|
300 |
20 |
35 |
15 |
1 |
0,2 |
15 |
5 |
11 |
100 |
0,1 |
0,01 |
2 |
1400 |
305 |
160 |
86 |
32 |
3,2 |
81 |
45 |
65 |
350 |
3,2 |
0,3 |
|
400 |
15 |
45 |
12 |
2 |
0,1 |
10 |
10 |
12 |
150 |
0,3 |
0,01 |
3 |
610 |
130 |
130 |
25 |
10 |
1,6 |
52 |
20 |
35 |
265 |
1,8 |
0,1 |
|
200 |
10 |
30 |
10 |
3 |
0,3 |
12 |
3 |
5 |
100 |
0,1 |
0,01 |
4 |
3500 |
600 |
750 |
350 |
42 |
4,5 |
680 |
150 |
306 |
500 |
8 |
0,3 |
|
350 |
12 |
22 |
12 |
4 |
0,1 |
15 |
10 |
25 |
150 |
0,3 |
0,01 |
5 |
3100 |
520 |
630 |
250 |
35 |
3,6 |
600 |
100 |
265 |
500 |
6,5 |
0,2 |
|
200 |
13 |
23 |
13 |
5 |
0,2 |
16 |
8 |
20 |
150 |
0,3 |
0,01 |
6 |
1300 |
300 |
150 |
80 |
25 |
2,2 |
75 |
40 |
60 |
250 |
3 |
0,2 |
|
90 |
14 |
45 |
20 |
3 |
0,1 |
8 |
5 |
5 |
100 |
0,1 |
0,01 |
7 |
710 |
135 |
150 |
50 |
20 |
2,2 |
82 |
35 |
45 |
300 |
1,8 |
0,1 |
|
160 |
16 |
30 |
21 |
1 |
0,1 |
10 |
5 |
6 |
120 |
0,1 |
0,01 |
8 |
700 |
135 |
150 |
46 |
14 |
1,6 |
60 |
20 |
40 |
250 |
1,8 |
0,1 |
|
180 |
18 |
31 |
14 |
2 |
0,2 |
12 |
3 |
6 |
120 |
0,1 |
0,01 |
В числителе – содержание микроэлемента в горизонте А.
В знаменателе - содержание микроэлемента в горизонте В.
Задание 6. Оценка качества поверхностных вод.
По данным табл. 6 постройте кривую обеспеченности общей минерализации реки Суры в летний период. Определите 5% и 95% обеспеченность общей минерализации.
Таблица 6 – Данные многолетних наблюдений минерализации воды реки Суры (средние для летнего сезона)
Год наблюдений |
1986 |
1987 |
1988 |
1989 |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
Минерализация, мг-экв/л |
100 |
200 |
230 |
215 |
330 |
250 |
285 |
275 |
300 |
Год наблюдений |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
2001 |
2002 |
2003 |
Минерализация, мг-экв/л |
260 |
310 |
290 |
305 |
280 |
290 |
285 |
265 |
270 |
Задание 7. Используя уравнение баланса вещества выполните оценку концентрации загрязняющего вещества (ЗВ) в реке ниже выпуска сточных вод. Известно, что расход воды в реке в месте оценки равен 7,5 м3/c; расход сточных вод равен 0,4 м3/с; концентрации загрязняющих веществ в сточных водах представлены в табл. 7.
Как изменится концентрация вещества в устье реки с учетом биохимических и физико-химических процессов, протекающие в водных объектах. Известно, что расстояние до устья от точки оценки равно 180 км, средняя скорость реки 0,3 м/с, расход реки в устье в два раза больше, чем в месте оценки. Определите показатель относительной нагрузки потока рассматриваемым веществом.
Таблица 7 – Гидрохимические данные источника сброса
Номер варианта |
Наименование ЗВ |
Коэффициент неконсерва- тивности |
Концентрация ЗВ в сточных водах, мг/м3 |
1 |
Азот аммонийный |
0,207 |
0,96 |
2 |
Алкилсульфанаты СПАВ |
0,47 |
2,3 |
3 |
Азот нитратный |
0,112 |
35,6 |
4 |
Азот нитритный |
10,8 |
0,1 |
5 |
БПК полн. |
0,23 |
15,5 |
6 |
Нефть и нефтепродукты |
0,044 |
0,18 |
Таблица 8 – Данные гидрохимических наблюдений реки Алатырь
|
ПДК, мг/дм3 |
Пост №1 (река Алатырь с. Гуляево) |
Пост №2 (р. Алатырь п. Тургенево) |
||||||
Дата взятия пробы |
|||||||||
14.03.96 |
11.07.96 |
03.09.96 |
26.11.96 |
14.03.96 |
11.07.96 |
03.09.96 |
26.11.96 |
||
Нефтепро- дукты, мг/дм3 |
0.05 |
0.000 |
2.000 |
0.500 |
0.025 |
0.000 |
1.000 |
0.800 |
0.030 |
БПК-5, мг/дм3 |
2.0 |
2.6 |
2.7 |
2.4 |
3.1 |
2.0 |
2.1 |
2.5 |
0.8 |
Железо, общ, мг/дм3 |
0.3 |
0.017 |
0.370 |
0.230 |
0.300 |
0.090 |
0.080 |
0.210 |
0.300 |
Раствор. О2, мг/дм3 |
6.0 |
6.0 |
5.9 |
5.8 |
5.0 |
11.0 |
9.3 |
5.9 |
5.6 |
Азот аммон, мг/дм3 |
0.39 |
0.79 |
0.40 |
0.40 |
0.31 |
0.84 |
0.38 |
0.41 |
0.36 |
Сух. ост. мг/дм3 |
1000.0 |
283,0 |
374,0 |
283,0 |
201,6 |
272,0 |
151,0 |
251,0 |
236,0 |
Азот нитрат.мг/дм3 |
9.1 |
0.00 |
3.24 |
3.00 |
2.90 |
0.00 |
3.00 |
3.10 |
2.01 |
Сульфаты, мг/дм3 |
100 |
18.6 |
114.0 |
25.6 |
40.1 |
21.3 |
85.2 |
23.3 |
30.6 |
Хлориды, мг/дм3 |
300 |
23.3 |
27.1 |
27.3 |
60.0 |
25.5 |
20.8 |
26.0 |
39.0 |
Азот нитрит, мг/дм3 |
0.02 |
0.000 |
0.020 |
0.010 |
0.015 |
0.000 |
0.010 |
0.010 |
0.010 |
Цинк, мг/дм3 |
0.01 |
0.00 |
0.03 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.02 |
0.00 |
0.00 |
Медь, мг/дм3 |
0.001 |
0.000 |
0.001 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.001 |
0.000 |
0.000 |
Задание 8. Сравните качество воды на двух гидрохимических постах в среднем за 1996 г. по комбинаторному индексу загрязнения и по индексу загрязненности воды. Используйте данные гидрохимических наблюдений на реке Алатырь (см. табл. 8)
Заведующий кафедрой Ямашкин А. А.