24

АНОТАЦІЯ

У першому розділі курсової роботі розглянуто характеристику функціонування кисневого режиму і деструкції органічних речовин.

У другому розділі обрано оптимальне програмне середовище, та вибрано вхідні та вихідні змінні, внутрішні змінні, а також побудовано математичну модель даної екосистеми.

В останньому розділі здійснено моделювання різних режимів функціонування екосистеми.

ЗМІСТ

ЗМІСТ 2

ВСТУП 3

1 Дослідження функціонування кисневого режиму і деструкції органічних речовин 5

2 Формалізація задачі. Вхідні та вихідні змінні. Побудова математичної моделі екосистеми 9

2.1 Модель поширення забруднення підземних вод за моделлю Фелпса-Стрітера 9

2.2 Вибір програмного продукту, вхідних та вихідних змінних 13

2.3 Побудова математичної моделі Фелпса-Стрітера 16

3 Моделювання різних режимів функціонування екосистеми 19

4 Аналіз результатів моделювання. Оптимізація або оптимальне управління функціонуванням екосистеми 22

ВИСНОВКИ 23

Список літератури 24

ВСТУП

Основним джерелом кисню у воді є його проникнення з повітря та виділення фотосинтезуючими рослинами. Внаслідок фотосинтезу відбувається окиснення води з виділенням молекулярного кисню і відновлення діоксиду вуглецю.

Розчинність атмосферного кисню у воді залежить від температури, солоності і атмосферного тиску. Обмін з атмосферою має динамічний характер і включає два етапи: інвазію– надходження кисню в воду з повітря і евазію – перехід кисню в атмосферу при перенасичені ним поверхневого шару води. Обмін киснем між водним середовищем і атмосферою прискорюється при турбулентному перемішуванні водних мас, а також в умовах впливу вітру на поверхню води.

За рахунок інвазії кисень надходить у водні екосистеми разом з іншими газами повітря – вуглекислим газом, азотом і аргоном. На частку кожного з них в атмосфері припадає за об'ємом: азоту – 78,084 %, кисню – 20,946 % і аргону – 0,934 %.

Вміст кисню в воді визначається в абсолютних величинах або відносних (відсотках насичення). Під відсотком насичення розуміють відхилення у той чи інший бік від природного нормального насичення води киснем за певних умов (температура, рН). Слід підкреслити, що за рахунок інвазії атмосферного кисню максимальне насичення не може перевищувати 100 %. Більші значення вмісту кисню 100 % виникають внаслідок фотосинтетичної діяльності водоростей і вищих водяних рослин, за рахунок якої насиченість води киснем може досягати 150–200 %, або навіть більше.

Насиченість води киснем менше 100 % свідчить про несприятливі умови для його інвазії з повітря, знижене утворення за рахунок фотосинтезу та значне витрачання на окиснення та біологічний розклад (деструкцію) органічних речовин [1, 4].

Мета роботи полягає в тому, щоб здійснити моделювання кисневого режиму і деструкції органічних речовин за моделлю Фелпса-Стрітера для відкритих систем.

Об’єкт роботи: кисневий режим і деструкція органічних речовин для відкритих систем.

Актуальність роботи: визначення кисневого режиму поверхневих вод є важливою складовою оцінки стану водних екосистем та водозбірних територій. Розчинений кисень забезпечує життєдіяльність живих організмів та самоочисну функцію водної екосистеми. Участь кисню в процесах біологічного, хімічного та фізико-механічного самоочищення водних об’єктів вказує на те, що оцінка концентрації розчиненого кисню має велике практичне і загальнонаукове значення. З аналізу результатів попередніх досліджень (Ізраель Ю.А., Леонов А.В., Гопченко Е.Д., Тучковенко Ю.С., Галкін Л.М., Вінберг Г.Г., Рінальді С., Лаврик В.І.) випливає, що при розв’язання задачі моделювання процесів формування кисневого режиму не враховувались всі фактори, що формують кисневий режим як у водних об’єктах, так і в річковій системі на площі водозбору.

1 Дослідження функціонування кисневого режиму і деструкції органічних речовин

Кругообіг кисню у водних екосистемах складається з кількох пов'язаних між собою процесів, які формують прибуткову і витратну частини їх кисневого балансу. Кожна з них включає зовнішні і внутрішньоводоймні процеси.

До зовнішніх елементів прибуткової частини належить надходження кисню у водні об'єкти з водою інших джерел (наприклад, річкового стоку), атмосферних опадів та підземних вод, до прибуткової частини – інвазія його з повітря, а також внутрішньоводоймне утворення кисню в процесі фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин. Витратна частина у балансі кисню водних екосистем включає споживання гідробіонтами в процесі дихання, хімічне окиснення, винос з водним стоком та евазію в атмосферу.

Найбільшою водною екосистемою є Світовий океан. Хоча розчинність кисню у солоній воді знижується, але загальна кількість кисню у океанічній воді набагато перевищує його вміст у наземних екосистемах. Світовий океан забезпечує підтримання динамічної рівноваги в масштабах планетарного газообміну. Масштаби виділення кисню за рахунок фотосинтетичної діяльності морськими (океанічними) рослинами, які живуть в освітленому сонячною радіацією шарі води, досить значні. Завдяки цьому, а також внаслідок атмосферної аерації рівень кисню у поверхневому шарі Світового океану близький до повного насичення (93–97 %) [2].

В континентальних водоймах існують певні сезонні особливості кисневого режиму. Так, у найбільш теплий літній сезон провідну роль відіграє фотосинтез водоростей і вищих водяних рослин, завдяки якому вода збагачується киснем. Але в літні жаркі дні часто можна спостерігати різке падіння насиченості води киснем, що зумовлене зменшенням його поглинання з повітря, а також витрачанням на окиснення органічних речовин. Гострий дефіцит кисню може відчуватись і у водоймах з великими площами заростей вищих водяних рослин, а також при «цвітінні» води внаслідок масового розвитку водоростей, коли в нічні години різко гальмується фотосинтетична діяльність, але триває дихання рослин і водяних тварин. Взимку, коли кисень витрачається на окиснення відмерлих і дихання живих організмів, а інвазія з повітря різко обмежена внаслідок крижаного покриття водойм, його дефіцит може досягти критичного рівня і викликати масову загибель риб та інших водяних організмів. Такі явища досить часто спостерігаються в Київському водосховищі, в підльодовий період, коли з р. Прип’ять та верхнього Дніпра надходять води, збіднілі киснем. Зареєстровані непоодинокі випадки падіння концентрації кисню в зимовий період у Київському водосховищі – до 0,4–1,3 мг / дм³, або 3–9 % насичення. Особливо погіршуються умови під час тривалого льодоставу.

В річках, де більш швидка течія і відсутні застійні зони, концентрація кисню у воді значно вища порівняно з озерами та водосховищами. Особливо високе насичення киснем характерне для гірських річок з швидкою течією, де на протязі їхнього русла утворюються водоспади і відбувається додаткове перемішування води [3].

Найбільш чітко такі зміни можна простежити на прикладі р. Дністер. Водний стік Дністра формується на північно-східних схилах Карпатських гір. Основним джерелом живлення верхнього Дністра є дощові та снігові атмосферні опади. У середній частині він зарегульований трьома греблями: Дністровського, Буферного та Дубосарського водосховищ. Нижче Дубосарського водосховища, біля впадіння у Дністровський лиман, знаходяться Дністровські плавні і багато невеликих озер, проток, гребель, що формують водно-болотні угіддя. На різних ділянках ріки вміст кисню істотно відрізняється. Газовий режим верхнього Дністра та його гірських приток характеризується значним вмістом (9,1–14,0 мг/ дм³) розчиненого кисню. У нижній течії він залежить від водності та надходжень забруднюючих речовин.

Процеси формування кисневого режиму у зв'язку з водообміном можна проілюструвати на прикладі Дніпровсько-Бузької гирлової області. Кисневий режим, який великою мірою визначає стан цієї унікальної екосистеми, залежить від масштабів і режиму попусків води через Каховський гідровузол [4].

Концентрація кисню в Дніпровсько-Бузькому лимані закономірно знижується з глибиною, що обумовлено послабленням фотосинтетичної і атмосферної аерації і поглинанням кисню дном. При зменшенні попусків води через Каховський гідровузол знижується концентрація розчиненого кисню у поверхневому і особливо у придонних шарах води. Це значною мірою обумовлено проникненням солоної води з моря, що посилюється при зменшенні попусків Каховської ГЕС. Морські води, які мають більшу щільність, концентруються в придонних шарах. Чим більше надходить морської води, тим вище над дном розміщується зона стрибка щільності (пікноклин) і зв'язаної з ним зони кисневого стрибка (оксиклин).

У Дніпровсько-Бузькому лимані в період «цвітіння» води основним джерелом органічної речовини є фітопланктон. Вміст кисню в період «цвітіння» води істотно падає, бо значна його кількість витрачається на окиснення органічних речовин.

Таким чином, в екосистемах кисневий режим може істотно змінюватися в залежності від характеру водообміну, надходження солоної морської води або її витіснення річковим стоком, а також, як і в інших водних екосистемах, від фотосинтетичної діяльності водоростей та вищих водяних рослин (як джерела кисню) та від процесів біологічного і хімічного окиснення органічних ті мінеральних речовин [2-5].