Государственный междисциплинарный экзамен

Вопрос №1. Количественные и качественные изменения природных систем под воздействием антропогенеза

Количественные изменения экосистемы возникает тогда, когда внешние по отношению к ней факторы (хозяйственная деятельность) оказывают возмущающее воздействие на ее элементы, не затрагивая природный ход биогеохимических процессов и не нарушая естественного уровня устойчивости экосистемы. При таком воздействии в качестве ответной реакции в экосистеме происходит увеличение продуктивности одних видов за счет увеличения их численности и сокращение продуктивности других видов за счет сокращения их численности. Таким образом, изменения в экосистеме происходят в количественном соотношения разных групп организмов, и не происходит ее исчезновение. Устойчивое состояние экосистемы восстанавливается на другом количественном уровне без каких-либо качественных изменений.

Пример количественных изменений: истребление волков приводит к увеличению численности популяции зайцев.

Устойчивость природных биогеоценозов определяется тем, что слагающие их виды в процессе эволюции приспособились др. к др. Чем разнообразнее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять внешним воздействиям. Пример: богатые тропические леса с необычайным многообразие; соответственно чем моложе и беднее биоценоз (небогатый видовой состав), тем он малоустойчив, т.е. равновесие в таком биоценозе нарушается при незначительном воздействиях извне.

Качественные изменения происходят в том случае, если внешнее возмущение (деятельность человека) вступает в противоречие с естественным ходом биогеохимических процессов, протекающих в этой экосистеме, а также в случае превышения порога устойчивости отдельных или целого ряда элементов биоты, приводящее к исчезновению одних видов и появлению других видов. Таким образом, происходит замена одного биогеоценоза другим. Эта замена будет происходить до тех пор, пока не возникнет качественно новая устойчивая экосистема, т.е. сукцессия.

Пример: вырубка еловых (хвойных) лесов приводит к интенсивному зарастанию территории лиственными породами (менее продуктивными);

Нерациональная распашка территории, перевыпас скота приводит к эрозионным процессам (опустынивание).

Природно-хозяйственный комплекс – представляет собой возникающие или уже функционирующие предприятия, в результате строительства и эксплуатации которых естественная (первоначальная) экосистема претерпевает количественные и качественные изменения, превращаясь в модифицированную экосистему.

Вопрос №2. Хозяйственно-природная система и их иерархия

В биосфере функционируют 2-е принципиально отличные системы:

– природные системы природные, кот. существовали до появления человека развивались и наз. экосистемами (водные, наземные);

- хозяйственные (искусственные), системы поддерживающие человеческую деятельность.

Различия между хозяйственными и природными системами в источниках энергии. Природные системы черпают энергию от внешнего источника – Солнца, отчасти внутренняя энергия Земли + гравитационная энергия (вода, движущаяся под действием силы тяжести), хозяйственные системы черпают внутреннюю потенциальную энергию компонентов биосферы – нефть, газ, вода, воздух.

Существуют эти системы в одном географическом пространстве, естественно, что они взаимодействуют друг с другом. При этом взаимодействии образуется новый тип геосистем – хозяйственно – природная система (ХПС). НЕ ПУТАТЬ ПХС и ХПС:

ПХС изучаются в экономической географии, в центре внимания стоят – ХОЗЯЙТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ (промышленные, транспортные и сельскохозяйственные). Пример: водохранилище.

ХПС изучаются как те или иные природные явления или объекты воздействуют на хозяйственные системы, в центре – ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ, пример: катастрофические явления природы (извержение вулканов, смерчи, цунами, ураганы, землетрясения).

Впервые о человеке как о геологической силе, преобразующей природную среду, высказался в начале XX в. В. И. Вернадский. Французский ученый Ленуа предложил новый термин – «ноосфера», а концепцию ноосферы разработал Вернадский, где ее составляющей явл. – биосфера. Человек, изменяя биосферу, превращает ее в ноосферу. Таким образом, ноосфера представляет собой новейший этап развития биосферы, в котором происходит ее переформирование в результате хозяйственной деятельности человека, и где наряду с деятельностью организмов, человеческая деятельность, управляемая разумом, в конце концов, приобретает глобальное значение. Ноосфера – новое состояние биосферы, где человеческая деятельность играет ведущую роль.

Иерархия ХПС:

1. Ноосфера – глобальная ХПС

2. ХПС континента (материка)

3. ХПС государства

4. ХПС регионов

5. ХПС области (край, республика)

6. ХПС административного района -> ХПК -> Нообиогеоценоз

Структура глобальной ХПС

(«ноосфера» состоит из природной и хозяйственной систем)

Структура ноосферы:

1 звено – хозяйственное, представляет собой антропосферу, состоящую из орудий труда, социума и продуктов труда. Антропосфера – это сообщество людей, связанных между собой хозяйственной деятельностью, в результате которой с помощью орудий труда производятся продукты труда.

2 звено – биосферное включает в себя биотосферу (состоящую из продуцентов, консументов и редуцентов) и геосфера (которая состоит из атмосферы, гидросферы и литосферы).

Элементы антропосферы, взаимодействуя с биотосферой и геосферой, определяют существование новой модифицированной природной системы, находящейся под антропогенным воздействием. Нообиогеоценоз - ХПС, представляющая собой пространственно-ограниченную систему, функционально связанных организмов и элементов абиотической среды, находящихся под постоянным антропогенным воздействием. Самая маленькая ХПС – биогеоценоз.

Структура элементарной ХПС «нообиогеоценоз»

Вопрос №3. Функционирование хозяйственно-природных систем

В основе функционирования любых систем лежат те или иные процессы, которые связывают отдельные структурные элементы этих систем в единое целое, т.е. в саму систему. Процессы основаны на принципах обмена веществом, энергией и информацией.

Обмен веществом

Забирая природные ресурсы, перерабатывая их, а отходы и пришедшие в негодность продукты труда отправляют обратно в природную среду. При этом, учитывая постоянную мощность предприятия, а также общее количество вещества, вовлекаемого в производство и выходящие из него можно определить количественным выражением: технологические ресурсы, возвращаемые в природную среду. Это позволяет составить материальный баланс всего производственного процесса и оценить путем определения входа и выхода вещества.

Обмен энергией

Происходит путем превращения ее природных источников в энергетические ресурсы и обратного поступления в биосферу энергии в виде тепла

Обмен информацией

Информация искусственная

Информация естественная. При обмене веществом идет обмен информацией. Свойство вещества и есть информация.

Вид и характер производства определяется его технологическими процессами, которые в ХПС взаимосвязаны, т.е. взаимодействуют с природными процессами.

Функционирование ХПС происходит в результате взаимодействия технологических процессов с природными процессами.

Под взаимодействием технологических процессов с природными процессами понимается обмен веществом, энергией и информацией, в результате которого возникает при помощи труда человека полезная продукция, а так же происходят качественные и количественные изменения компонентов природной среды

Под влиянием понимается взаимодействие технических и природных процессов, когда в экосистеме происходят изменения, не превышающие предельно-допустимых значений, т.е. значений, при которых происходит в природной системе нарушение функциональных связей, но вследствие изменения этих функциональных связей не происходит коренной структурной перестройки природных систем. Т. о., если в экосистеме наблюдается применение количественного характера, то говорится о явлении техногенных процессов на природные процессы. Оценка этих изменений при влиянии техн. процессов на прир. систему производится путем сравнения количественных и качественных показателей, характеристик изучаемой экосистемы с фоновыми значениями прир. частей, т.е. характеристики и показатели э/с вне зоны антропогенного воздействия.

Другая форма взаимодействия технических и природных процессов – воздействие. Это такое взаимодействие технич. и прир. процессов, при котором в экосистеме происходят изменения, превышающие предельно-допустимые значения, т.е. изменения, носящие качественный характер, когда идет структурная перестройка э/с.

Вопрос №4. Основные методы охраны атмосферного воздуха и водных ресурсов

Основные методы охраны водных ресурсов.

ПДК загрязняющих веществ регламентируют качество воды. Они устанавливаются в зависимости от назначения водных объектов: для хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. В любом случае отношение концентрации вредного вещества к ПДК не должно превышать 1, т.е. j=Ci/ПДКi<1.

Когда сточные воды могут резко меняться по составу и количеству, или при наличие периодов залповых сбросов, необходимо предусматривать устройства в виде специальных регулируемых емкостей.

Для организации сброса сточных вод в водные объекты используются специальные устройства – выпуски (трубы).

По типам водных объектов они делятся на:

- речные, озерные, морские;

По месту расположения:

- береговые, русловые, глубинные.

Наиболее эффективное смешивание и разбавление сточных вод обеспечивается русловыми и глубинными выпусками.

Для контроля над водными загрязнениями в речных системах ниже по течению устанавливаются контрольные створы. Условия выпуска ПДС определяется с учетом степени смешивания и разбавления сточных вод на пути от места сброса до места контрольного створа и с учетом качества воды выше места сброса.

При определении условий выпуска сточных вод в водотоке применяются следующее правило:

«Суммарное загрязнение, по какому либо полютанту, получаемое путем сложения объемов загрязнений, содержащихся в воде до выпуска сточных вод и в сточных водах, не должно превышать его содержание во всем объеме воды, протекающем через контрольный створ. При превышении такого содержания загрязнений применяется очистка и обеззараживание сточных вод».

Сточные воды обычно отличаются большим разнообразием состава и свойств, поэтому для их очистки применяются различные способы:

1) Механический способ. Используется для удаления из сточных вод нерастворенных взвешенных частиц, которые выпадают в осадок под действием гравитации, если их плотность больше плотности воды или они всплывают, если их плотность меньше плотности воды.

Механический способ очистки осуществляется следующими методами: процеживание, отстаивание, фильтрование.

2) Физико-химический способ. Основан на изменении физического состояния поллютантов, что облегчает их удаление.

Осуществляется оно следующими методами:

- коагуляция (основан на слипании мелкодисперсных частиц со специальными добавками в сточные воды, веществами коагулянтами, в результате чего происходит увеличение размера частиц и их интенсивное осаждение, в качестве коагулянтов используют известь, соли алюминия, железа, магния. Если в качестве коагулянтов используют органические вещества, то их называют флокулянтами. ).,

- метод сорбции (поглощение вредных веществ твердым телом или жидкостью (сорбентом). В качестве сорбентов используют золу, торф, активные глины),

- флотация (основан на процессе прилипания загрязняющих веществ к поверхности раздела двух сред (воздуха и воды) при этом образуются комплексы, которые легко удаляются с поверхности).

- испарения, кристаллизация, магнитная обработка.

3) Химический способ. Использование реагентов, вступающих в контактную реакцию с загрязняющими веществами. В результате этого образуются новые вещества, которые легче удалить, по сравнению с исходными

. Методы очистки:

- нейтрализация (проведение химических реакций между веществами с кислотными и щелочными свойствами),

- окислительный метод (применение для обезвреживания токсических примесей с помощью хлоризвести, хлора, кислорода, озона).

4) Биологический способ. Окисление органических примесей с помощью микроорганизмов, которые способны разлагать их на минеральные составляющие в условиях, близких к естественным (производятся в биологических прудах и полях фильтрации), но может осуществляться и в искусственно-созданных условиях – пропускание сточных вод через биологические фильтры.

5) Термический способ. Используется для высоко-минерализированных сточных вод, а также при наличии токсичных органических веществ. Сначала производится выпаривание и получение концентрированных растворов, из которых потом выделяется сухой остаток для сжигания. Иногда, в загрязненные вод такого типа вводится специальный аппарат для сжигания остатка в распыленном состоянии.

Очистные сооружения:

- Локальные - предназначены для обработки сточных вод строго определенного состава, которые образуются на отдельных участках производства.

- Участковые - подача сточных вод от разнотипных источников загрязнения.

- Централизованные - подача сточных вод одного предприятия.

Групповые – предназначены для обработки сточных вод нескольких предприятий, поселка или города.

Охрана вод включает систему мер, направленных на предотвращение и устранение загрязнения, засорения и истощения вод. Использование водных объектов может осуществляться с изъятием либо без изъятия, следовательно: 1) установление норм охраны вод; 2) установление водоохранных зон; 3) установление прибрежно-защитных полос: 4) ПДК вредных веществ в питьевой воде и воде водоемов; 5) экономия потребления водных ресурсов; 6) установление очистных сооружений; 7) мониторинг водных объектов.

Основные методы охраны атмосферного воздуха.

Метеорологические факторы играют огромную роль в рассеивании загрязняющих веществ. От них зависит во многом качество атмосферного воздуха и опасность его загрязнения. Существует такое понятие как неблагоприятные метеорологические условия (НМУ) – это такие условия, при которых рассеивание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе затруднено и возникает максимальные изменения концентрации загрязняющих веществ.

Одним из метеорологических факторов, определяющих НМУ является ветер:

1. Опасная скорость ветра при которой в приземном слое атмосферы возникают максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ от организованных выбросов. Эта скорость ветра определяется параметрами источника выброса, т.е. трубы и газовоздушные смеси, выбрасываемые ими. Эти параметры следующие – расход газовоздушной смеси м³\с, высота источника выброса в метрах и температура газовоздушной смеси.

2. Опасное направление ветра: факел выброса направлен от источника выброса на жилой массив.

3. Вертикальное движение масс воздуха – это сложный природный процесс который можно характеризовать изменениями температуры воздуха с высотой. В реальных условиях в атмосфере м.б. любое распределение температуры воздуха по высоте, в зависимости от этого распределения выделяют 4 типа состояния атмосферы:

- безразличное состояние характеризуется снижением температуры воздуха на каждые 100 метров высоты на 1⁰. С точки зрения рассеивания загрязняющих веществ такое состояние атмосферы не самое худшее и не особо благоприятное. В безразличном состоянии факел имеет форму конуса и размеренно поднимается вверх.

- наиболее активно рассеиваются вещества в атмосфере при неустойчивом состоянии. Факел выброса имеет клубообразную форму и стремительно поднимается вверх.

- устойчивое состояние возникнет в том случае, когда на каждые 100 метров температура падает меньше чем на 1⁰. Такое состояние атмосферы неблагоприятное для рассеивания загрязняющих веществ. Для устойчивого состояния при опасной скорости ветра характерно его перемещение без разрывов параллельных земле.

4. Высокая температура воздуха – т.к. на распространение загрязняющих веществ оказывает влияние температура атмосферы в момент выброса и температура газовоздушной смеси.

Охрана атмосферного воздуха от загрязнений заключается в двух задачах:

1. Оценка загрязнений поступающих в воздушную среду

2. Мероприятия по охране воздушного бассейна.

1. Оценка загрязнения производится по параметрам источника загрязнений, к этим параметрам относятся:

- параметры источника выброса (высота, диаметр устья);

- интенсивность выделения газовоздушной смеси;

- общий объем выбрасываемой смеси;

- скорость движения смеси по источнику выброса;

- температура газовоздушной смеси;

- концентрация загрязняющих веществ в выбросах.

Эти параметры определяют по технологическим картам, имеющимся на предприятии, по паспортам или проектным документам, а также аналитический расчет, балансовым методом или в результате инвентаризации источников выбросов путем натурных измерений. Затем определяют концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы или путем натурных измерений или расчетными методами. Расчеты ведется для неблагоприятных метеоусловий.

2. Мероприятия по охране воздушного бассейна: выбор и обоснование мероприятий производится в следующей последовательности:

1. выбор вариантов главных задач по охране воздушного бассейна.

- сохранение состояния воздушного бассейна и степени улавливания ценных компонентов на достигнутых уровнях (если рассеивание загрязняющих веществ не превышает санитарных норм как для рабочей зоны, так для рекреационных объектов и коммунально-бытового звена);

- улучшение состояния воздушного бассейна в зоне действия предприятия до санитарных норм (если получено превышение ПДК в рабочей зоне или в жилом массиве);

- улучшение состояния возд. бас. для повышения продуктивности с/х, лесных угодий в зоне действия предприятия. Этот вариант используется, если предприятие находится достаточно далеко от объектов коммунально-бытового звена, но в зону действия предприятия попадают объекты аграрного звена;

- повышение эффективности улавливания ценных компонентов, не представляющих опасности по загрязнению атмосферы. Выбирается в том случае, когда предприятие выполняет все санитарные нормы охраны воздушного бассейна, но имеются потери ценных компонентов.

Для каждого из 4-х вариантов разрабатывается свой комплексный план охраны воздушного бассейна. Конечным итогом плана является снижение концентрации загрязняющих веществ и установление соответствующих предельно допустимых выбросов.

2. обоснование плановых показателей при реализации комплексного плана охраны воздушного бассейна; Исходя из требований к качеству атмосферного воздуха в различных структурных звеньях ПХК.

3. выбираются возможные инженерные (совершенствование/замена источника загрязнения), экологические (создаются ветрозащитные полосы) и организационные (график работы предприятия при НМУ, перенос предприятия) мероприятия по каждому источнику загрязнения и с учетом метеорологических условий, определяющих эффективность рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

Вопрос №5. Формы взаимодействия технологических процессов с природными системами

Функционирование ПХС определяется количественными и качественными показателями использования природных ресурсов, что всегда подразумевает загрязнение окружающей среды. Вид и характер конкретного производства определяется его технологическими процессами.

Взаимодействие техногенных и природных процессов заключается в обмене веществом, энергией и информацией, в результате которых при помощи труда человека возникает полезная продукция (продукт труда), а также происходят количественные и качественные изменения в компонентах природной среды, т.е. в экосистемах.

Интенсивность взаимодействия определяется количеством ресурсов, которыми обмениваются элементы производства и компоненты природной среды, в процессе своего функционирования. Взаимодействие техногенных процессов с природными компонентами осуществляется путем влияния или воздействия – формы связи технологических и природных процессов.

Под влиянием технических процессов на природные системы понимается такое взаимодействие природных и технических процессов (процессы обмена веществом, энергией и информацией), при котором происходят количественные изменения, не превышающие предельно допустимых значений, т.е. таких значений, когда в природной системе происходит нарушение функциональных связей, но когда вследствие изменения этих функциональных связей не происходит коренной структурной перестройки природной системы.

Воздействие – такое взаимодействие технических и природных процессов, при котором в экосистеме происходят изменения, превышающие предельно допустимые значения, т.е. изменения, носящие качественный характер, когда происходит структурная перестройка экосистемы. Для характеристики воздействия используются такие показатели, как интенсивность, степень, опасность воздействия. Все изменения, происходящие в экосистеме при взаимодействии технических и природных процессов, делятся на 2 группы: нарушения (ландшафтно-деструкционные) и загрязнения (эммисионные и фоново-параметрические). Воздействие выражается 3-мя параметрами:

1. Интенсивность воздействия – характеризует величину нарушения или загрязнения в единицу времени. Для загрязнений интенсивность воздействия измеряется в [г/сек], [кг/час], [т/год]. Для нарушения единицами измерения являются [м²/сек], [га/год]. Именно этим показателем нормируются выбросы предприятий в воздушный бассейн или сбросы в водную среду, а также площади нарушения земель. (Абсолютная величина).

2. Степень воздействия технологических процессов на экосистемы характеризует относительную величину поступления загрязняющих веществ в природную систему от общего объема выделившихся веществ или выброса, или сброса, а также нарушенность основного компонента экосистемы от общей его площади или количества. Степень воздействия определяется в процентах и используется, например, при оценке или планировки эффективности работы очистных сооружений, а также для оценки рекультивации земель.

3. Опасность воздействия технологического процесса на экосистему характеризует в относительных единицах соотношение между реальной (фактической) интенсивностью воздействия и нормативной, т.е. j=Ci/ПДЗi≥1, где Ci – интенсивность воздействия, ПДЗi – предельно допустимое значение i-го вещества. Если j≥1 – существует опасность воздействия того или иного технологического процесса на экосистему. Если j<1 – считается, что технологический процесс не воздействует на экосистему. В качестве нормативов используются разработанные предельно допустимые величины – предельно допустимый выброс (ПДВ), предельно допустимый сброс (ПДС), предельно допустимые концентрации (ПДК), предельно допустимая нагрузка (ПДН) и временно согласованный выброс (ВСВ).