ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ ПО ГЕОЭКОЛОГИИ
Задача 5.1
(типовая для выбора метода анализа)
Атмосферные осадки над г. Томском содержат в среднем Юмкг меди/л. Подберите метод (методы) анализа для мониторинга и исследования осадков в этом городе на содержание меди.
Следует ли их предварительно концентрировать? Какие объемы осадков необходимы в качестве проб для анализов?Решение. По условиям задачи средняя концентрация меди в атмосферных осадках:
10 мкг/л = 10"6 % = 1,6-10-7 моль/л.
Сравнивая эту концентрацию с пределами обнаружения различных методов анализа (табл. 3.1), получаем: Метод титрования можно применить, но после достаточного концентрирования раствора в 2-3 раза (с очевидным запасом). Метод спектрофотометрии в видимой области имеет достаточный предел обнаружения, но если концентрации меди будут ниже средней, потребуется предварительное концентрирование раствора в несколько раз. Без предварительного концентрирования можно проводить определения меди методами пламенной эмиссионной спектроскопии и атомно-абсорбционной спектроскопии. Точность этих методов одинакова, поэтому предпочтение одному из них может быть отдано в зависимости от возможностей лаборатории.
Задача 5.2 ПДК бериллия в питьевой воде - 0,0002 мг/л. Какие методы анализа могут быть применены для его определения? В воде р. Томь никель содержится в концентрациях 0,0008 + 0,0056 мг/л.
Обсудите условия применения для его определения методом атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС). Предел обнаружения никеля - 0,002 мг/л.
Задача 5.3
(типовая для расчета чувствительности
и предела обнаружения данного метода анализа)
При определении фотоколориметрическим методом бора в природных водах получены следующие результаты: мкг/мл 2,0 3,0 5,0 7,0 8,0 оптическая плотность 0,058 0,089 0,0143 0,185 0,220
При определении фона на холостых пробах оптические плотности /)ф оказались следующими: 0,007; 0,005; 0,004; 0,008 и 0,003.
Найдите чувствительность и предел обнаружения данного метода. В природных водах содержание бора обычно составляет 0,1-0,01 мг/л. Можно ли определять бор данным методом?
Решение. По исходным данным задачи строим градуировочный график, из которого согласно уравнению (4.10) вычисляем чувствительность метода Н:
Н= AD / ДС= 0,082/3,0 = 0,027 ед. опт. пл. / мкг/л.
Далее по уравнениям (4.1) и (4.3) вычисляем среднеарифметическое Д], = 0,005 и среднюю квадратическую погрешность
Оф = 0,002.
По формуле (4.11) определяем предел обнаружения Ст = 0,006 / 0,027 = 0,22 мкг/л или по (4.12) определяем:
Ашп = 0,005 + 0,006 = 0,011 ед. опт. пл. и по градуировочному графику находим:
Ст = 0,2 мкг/л.
Согласно условиям задачи концентрация бора лежит в интервале 0,01 +0,1 мг/л = 0,01 +0,1 мкг/мл.
Сравнивая эти величины с пределом обнаружения, видим, что нижний уровень концентрации в 20 раз, а верхний - в 2 раза меньше предела обнаружения, следовательно, для достижения предела обнаружения эти растворы необходимо сконцентрировать в 20 и 2 раза соответственно. А для надежного определения коэффициенты концентрирования желательно увеличить еще в 2-4 раза. Тогда, например, при концентрировании в 60 и 6 раз соответственно, бор будет надежно определяться даже в наиболее бедных им растворах.
Задача 5.4
Математическая обработка результатов измерений
В четырех пробах донного ила (каждая проба - 100 г) по результатам параллельных измерений обнаружили U3O8 (табл. 5.1).
Проведите математическую обработку этих результатов: Найдите среднее арифметическое значение. Вычислите абсолютную случайную погрешность /'-го измерения. Определите среднюю квадратическую погрешность отдельных измерений. Определите относительную квадратическую погрешность отдельных измерений. Рассчитайте среднюю квадратическую погрешность среднего арифметического и относительную квадратическую погрешность среднего арифметического. По табличному значению коэффициента Стьюдента при 4 измерениях с надежностью 0,95 составьте доверительный интервал.
Примените правило За для нахождения грубых аналитических ошибок.Если такие результаты есть, отбросьте их и найдите новый доверительный интервал.
Таблица 5.1
Исходные данные для статистической обработки
Номер варианта | Содержание U308 |
1 | 0,0217; 0,0261; 0,0235; 0,0225 |
2 | 0,0215; 0,0256; 0,0234; 0,0226 |
3 | 0,0218; 0,0257; 0,0233; 0,0227 |
4 | 0,0219; 0,0258; 0,0232; 0,0228 |
5 | 0,0216; 0,0259; 0,0231; 0,0229 |
6 | 0,0220; 0,0260; 0,0230; 0,0251 |
7 | 0,0221; 0,0261; 0,0236; 0,0252 |
8 | 0,0222; 0,0262; 0,0236; 0,0253 |
9 | 0,0223; 0,0263; 0,0237; 0,0254 |
0 | 0,0224; 0,0264; 0,0238; 0,0255 |
Задача 5.5
Математическая обработка результатов измерений
В водоем с турбулентными условиями непрерывно сбрасывается некоторый загрязнитель с известной концентрацией Со. Варианты загрязнителей приведены в табл. 5.2. На каком расстоянии от места сброса концентрация загрязнителей достигнет их ПДК при заданном времени и известной исходной (в сбросе) концентрации?
Сбросы, по существу, являются источником загрязнителей водной среды. В геоэкологии и экологической безопасности роль перемещений в рассеивании загрязнителей считается основной и подлежит обязательному учету.
В механизмах перемещения загрязнителей основное внимание должно уделяться течениям и турбулентной диффузии, так как молекулярная диффузия в водной среде характеризуется весьма малой скоростью. Осаждение поллютантов в депонирующие среды становится существенным в зимнее время в результате вмерзания в ледовое покрытие.
Например, так произошло с масштабными выбросами китайским предприятием высокотоксичного нитробензола (C6H5N02 с ГТДКрх = 0,01 мг/л) зимой 2006 г. в реку Амур, выше по течению г. Хабаровска. Другой вариант осаждения возможен при заметной концентрация в выбросах твердой (песчано-глинистой) фазы, что случается очень редко.Течения играют существенную роль в переносе загрязнителей в реках и отдельных районах морей и океанов, причем более значимым и всеобщим фактором является турбулентная ДИффуЗИЯ (Дурб).
Коэффициенты турбулентной диффузии зависят от «масштаба длины», поэтому их следует выбирать в соответствии с масштабами расстояния. В данной задаче можно использовать значение А-урб, Для 10 км оно равно 4-105 см2/с.
Исходные данные для расчетов представлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Исходные данные (по вариантам)
Вариант | Загрязнитель | ПДК, мг/м3 | Время, ч | С0, мг/л |
1 | Соли хрома | 0,1 | 10 | 50 |
2 | Соли хрома | 0,1 | 5 | 100 |
3 | Соли хрома | 0,1 | 24 | 20 |
4 | Аммиак | 0,05 | 10 | 50 |
5 | Аммиак | 0,05 | 24 | 20 |
6 | Аммиак | 0,05 | 10 | 30 |
7 | Фенол | 0,001 | 24 | 0,2 |
8 | Фенол | 0,001 | 48 | 0,4 |
9 | Цианиды | 0,05 | 24 | 10 |
0 | Цианиды | 0,05 | 12 | 30 |
Используя вышеприведенное значение коэффициента турбулентной диффузии, можно оценить рассеяние Лх загрязнителей в водоемах по уравнению
где Ах - расстояние, на которое распространяется фронт поллютантов за время t, с. Точные расчеты переноса загрязнителей от точки выброса можно провести, решив уравнение 2-го закона Фика.
Однако это уравнение не имеет общего решения, а может быть решено лишь при определенных граничных условиях.Если имеется выброс загрязнителя, концентрация которого в выбросе постоянна и равна Со, а концентрация С в начальный момент в любых точках, кроме точки выброса, равна нулю, то граничные условия принимают следующий вид:
1) С = 0 при t = 0; 2) при х = О, С = Со = const и не зависит от времени.
Решение уравнения 2-го закона Фика при этих граничных условиях имеет вид
где второй член, стоящий в скобках, - интеграл вероятностей (трансцендентная функция Крампа), определяемый по специальным таблицам.
Из условий задачи и этого уравнения
С /Со =1,0,
т. е. интервал вероятностей равен 1,0, а верхний предел интегрирования z по табличным данным равен 3,23 (табл. 5.3). Тогда в уравнении
Все переменные известны, и можно рассчитать значения х для каждого поллютанта.
Таблица 5.3
Интервал вероятностей (трансцендентная функция Крампа)
Z | Ф | Z | Ф |
0,01 | 0,01128 | 2,40 | 0,99931 |
0,05 | 0,05637 | 2,50 | 0,99959 |
0,1 | 0,11246 | 2,60 | 0,99976 |
0,5 | 0,52050 | 2,70 | 0,99987 |
1,00 | 0,84270 | 2,80 | 0,99992 |
1,50 | 0,0,96611 | 2,85 | 0,99994 |
2,00 | 0,99532 | 2,90 | 0,99996 |
2,10 | 0,99702 | 3,00 | 0,99998 |
2.20 | 0,99814 | 3,07 | 0,99999 |
2,30 | 0,998865 | 3,23 | 1,00000 |
Примечание.
Ф = 2 Je у dy/\fn .О
Сравните результаты, полученные двумя способами.
Контрольные вопросы и задания На основе какого признака классифицируются выбросы загрязняющих веществ? Что такое время жизни поллютанта в атмосфере? Приведите примеры загрязнителей, относящихся к разным классам. Какие законы описывают процесс диффузии? Как рассчитывается смещение границы загрязнения? Как решается уравнение, являющееся 2-м законом Фика? Чем определяется диффузия в почвах и донных осадках? Какие факторы влияют на распространение загрязнителей при выбросе из дымовых труб?
Голубев, Г.Н. Геоэкология / Г.Н. Голубев. - М. : МГУ. - 1999.-300 с. Инженерная экология и экологический менеджмент / М.В. Буторина, П.В. Воробьев, А.П. Дмитриева [и др.] ; под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина. - М. : Логос, 2003. - 528 с. Мананков, А.В. Экология : учеб, пособие / А.В. Манан- ков. -Томск : Изд-во ТГАСУ, 2003. - 142 с. .Нормы радиационной безопасности (НРБ -99/2009): Гигиенические нормативы. - М. : Центр СЭН, ГСиЭ Минздрава России, 2009. - 116 с. .Рихванов, Л.П. Радиоактивные элементы в окружающей среде и проблемы радиоэкологии : учеб, пособие / Л.П. Рихванов. - Томск : STT, 2009. - 430 с. Самарский, А.А. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. Изд. 3-е / А.А. Самарский, П.Н. Вабищевич. - М. :УРСС, 2004.-248 с. Сапожников, Ю.А. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика / Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков. - М. : Бионом, 2006. - 286 с. Старков, В.Д. Основы радиационной экологии / В.Д. Старков. - Тюмень : Изд-во «Тюмень», 2001. - 208 с. Тарасов, В.В. Мониторинг атмосферного воздуха / В.В. Тарасов, И.О. Тихонова, Н.Е. Кручинина. - М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. - 97 с. Титяева, Н.А. Ядерная геохимия / Н.А. Титяева. - М. : Изд-во МГУ, 2000.-336 с. Хомич, В.А. Экология городской среды : учеб, пособие / В.А. Хомич. - М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. - 240 с. Язиков, Е.Г. Геоэкологический мониторинг / Е.Г. Язи- ков, А.Ю. Шатилов. - Томск : Изд-во ТПУ, 2004. - 276 с.
Анализ объектов окружающей среды. Инструментальные методы / под ред. Р. Сониасси. - М. : Мир, 1993. - 80 с. Афанасьев, Ю.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды : учеб, пособие. Ч. 1 / Ю.А. Афанасьев, С.А. Фомин. - М. : Изд-во МНЭПУ, 1998. - 208 с. Мананков, А.В. Научная рациональность в проблеме устойчивого развития / А.В. Мананков // Методология науки. Вып. III. Становление современной научной рациональности. - Томск : Изд-во ТГУ, 1998. - С. 120-126. Мананков, А.В. Краткий словарь по геоэкологии и экологической безопасности : учеб, пособие / А.В. Мананков, В.П. Парначев. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 2006. - 77 с. Перегуд, Е.А. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы / Е.А. Перегуд, Д.О. Горелик. - Л. : Химия, 1981. - 384 с. Потапов, В.В. Киотский протокол как механизм дискриминации России / В.В. Потапов // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2004. - № 3. - С. 73-85. Руководство Р 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. - М. : Минздрав России, 2005. - 152 с. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. - Л. : Гид- рометеоиздат, 1986. - 135 с. Экология и экономика природопользования / под. ред. проф. Э.В. Гирусова. - М. : Единство, 2002. - 519 с. Ясачанов, Н.А. Основы геоэкологии : учеб, пособие / Н.А. Ясаманов. - М. : ИЦ «Академия», 2003. - 352 с.