Національний технічний університет України
Київський політехнічний інститут
Модульна контрольна робота
з дисципліни: «Інформаційні технології в екології»
Виконав: Потапов Д.П.
ПН-62, ПБФ
Київ 2011
Зміст
1. Антропогенний вплив на довкілля
1.1 Вплив діяльності людини на довкілля
1.2 Визначення ступеня забрудненості атмосфери
1.3 Очищення викидів в атмосферу
2. Волоконно-оптичні сенсори
2.1 Характеристики оптичного волокна як структурного елемента датчика
2.2 Волоконні світловоди і вимірювальні пристрої на їхній основі
3. Техногенне навантаження на природне середовище. Медико-демографічні проблеми сучасної України, пов’язані з цим навантаженням
Висновки
Перелік посилань
1. Антропогенний вплив на довкілля
1.1 Вплив діяльності людини на довкілля
Господарська діяльність людини зумовила пошкодження і вичерпування природних ресурсів, що призводить до деформації сформованих протягом багатьох мільйонів років природного кругообігу речовин та енергетичних потоків на планеті. Внаслідок цього почалося прогресуюче руйнування біосфери Землі, що може набути характеру незворотних процесів і навколишнє середовище може стати непридатним для існування.
Основні джерела антропогенного забруднення довкілля.
З появою людини на планеті Земля велику роль у глобальній екосистемі стали відігравати взаємовідносини суспільства і природи. Особливо швидко посилюється вплив суспільства на природу у зв'язку з розвитком машинного виробництва.
Завдяки цьому масштаби впливу суспільства на природу поширюються так швидко, що людство поступово перетворюється у потужну геологічну силу, яка впливає на природні процеси. На всі кругообіги, що здійснюються у природі, людина прямо чи опосередковано мас вплив. Під впливом антропогенних факторів відбуваються зміни у природі.
Завойовуючи природу, людство значною мірою підірвало природні умови власної життєдіяльності.
Достатньо навести деякі цифри і факти. Відомо, що за останні 100 років людство більше ніж у тисячу разів збільшило чисельність енергетичних ресурсів; за останні 35 років відбулося зростання більше ніж у 2 рази обсягів індустріальної і сільськогосподарської продукції. Загальний обсяг товарів;! послуг у розвинутих країнах через кожні 15 років зростає у 2 рази. Звідси відповідно збільшується і кількість відходів господарської діяльності, які забруднюють атмосферу, водойми, ґрунт.
Взявши у природи 100 одиниць речовини, людство використовує 3—4, а 96 одиниць потрапляє у відходи. У розрахунку на кожного мешканця індустріальне розвинутих країн, щорічно добувається близько ЗО тонн природних ресурсів, з них лише 1—1,5% набирає форми продукту, що споживається, а решта потрапляє у відходи. .
Внаслідок спалювання палива частка вуглекислого газу в атмосфері збільшилася за останні 30 років на 25—30 %. За передбаченням футурологів, це може призвести на початку XXI століття до підвищення середньої температури на 1,5-2 °С і зростання площі пустель.
Щорічно світова промисловість скидає в річки понад 160 куб. м шкідливих стоків, щорічно в ґрунти людством вноситься 500 млн. тонн мінеральних добрив і близько 4 млн. тонн пестицидів, більша частина яких осідає в ґрунтах та виноситься поверхневими водами в річки, озера, моря та океани, в дуже значних кількостях накопичується в штучних водосховищах, які живлять водою промислові центри.
Пестициди (включаючи гербіциди, інсектициди та фунгіциди) — хімічні речовини, що використовуються для знищення бур'янів, грибків, бактерій, різноманітних комах та тварин. Більшість пестицидів є синтетичними хіміка тами, що мають токсичні властивості. Головна їхня властивість і роль — знищувати різні форми життя. Всі пестициди є небезпечними.
На всіх стадіях виробництва, транспортування, зберігання та утилізації пестициди забруднюють навколишнє середовище. Вони проникають у водойми, де накопичуються у рибі та в інших водних організмах. Річки та дощі переносять пестициди в інші регіони, де вони отруюють ґрунти, джерела питної води, моря, вбивають рослин і тварин. Людина завершує цикл отруєння, страждаючи від своїх не виважених дій. Зараз на Землі не залишилося куточка, не забрудненого пестицидами. Рівень забруднення 65 % сільськогосподарських угідь країн Західної Європи перевищив допустимі норми.
Птахи, ссавці, риби та корисні комахи гинуть під час застосування пестицидів на полях, особливо при їх внесенні за допомогою авіації.
На сьогодні в Україні накопичено 11 тис. тонн застарілих пестицидів. Проблема Їхньої утилізації не вирішена. Багато сховищ, де вони зберігають ся, знаходяться в незадовільному стані.
У світі близько 25 млн. сільськогосподарських робітників щороку отруюються пестицидами. Безпосередній вплив їх на людину полягає в ураженні та зміні функцій печінки, захворюваннях центральної нервової, серцево-су динної та дихальної систем. Пестициди негативно впливають на репродуктивну функцію людини.
Дуже уразливі до дії пестицидів діти. Споживаючи продукти із залишками пестицидів та забруднену питну воду, дитячий організм реагує структур ними змінами систем та окремих органів. Накопичення пестицидів в організмі призводить до появи різноманітних захворювань, включаючи онкологічні.
Ефект спільної дії пестицидів та радіонуклідів наукою вивчений недостатньо. Для умов України, територія якої сильно забруднена внаслідок Чорнобильської катастрофи, цей фактор має особливе значення. Отруйні речовини потрапляють у навколишнє середовище. У різних областях України виявлено значне забруднення пестицидами ґрунтів. Навіть після припинення їх застосування проблема не вирішується. Ці отрути можуть зберігатися в навколишньому середовищі десятки років, продовжуючи свою згубну дію на всі ланки екосистеми.
Вся планета нині страждає від антропогенного тиску, він виявляється через забруднення навколишнього природного середовища, виснаження природних ресурсів і деградацію екосистем, ґрунтів, хижацьке винищення лісів.
До основних антропогенних забруднювачів довкілля, крім шкідливих речовин, що викидаються промисловими підприємствами, пестицидів і мінеральних добрив, що застосовуються в сільському господарстві, забруднень усіх видів транспорту, належать також транспортні та виробничі шуми, іонізуюче випромінювання, вібрації, світлові та теплові впливи, які детальніше будуть розглянуті далі.
1.2 Визначення ступеня забрудненості атмосфери
Згідно з нормативно-технічною документацією нормування якості навколишнього природного середовища здійснюється з метою встановлення гранично допустимих норм впливу на навколишнє середовище, що гарантує екологічну безпеку населення та збереження генетичного фонду, забезпечує раціональне використання і відтворення природних ресурсів за умов стійкого розвитку господарської діяльності. В Україні розроблені та діють нормативи ГДК, перевищення котрих за певних умов негативно впливає на здоров'я людини.
У табл. 8.29 наведено ГДК деяких найбільш поширених шкідливих речовин. Як видно навіть з цього невеликого переліку, нижня межа токсичності шкідливих речовин, тобто їх ГДК, сильно відрізняється.
Таблиця 8.29. Гранично допустимі концентрації (мг/м3) деяких шкідливих речовин для повітря населених місцевостей
| Речовина | ГДК с.д | ГДК м.р | К |
| Тверді речовини (пил) | 0,15 | 0,2 | 3,0 |
| Двоокис сірки | 0,05 | 0,5 | 1,0 |
| Двоокис азоту | 0,04 | 0,085 | 0,8 |
| Окис азоту | 0,06 | 0,4 | 1,2 |
| Окис вуглецю | 3,0 | 5,0 | 60 |
| Аміак | 0,04 | 0,2 | 0,8 |
| Хлористий водень | 0,2 | 0,2 | 4,0 |
| Ціанистий водень | 0,01 | — | 0,2 |
| Окис кадмію | 0,001 | _ | 0,02 |
| Свинець | 0,0003 | 0,03 | 0,006 |
| Сірководень | 0,005 | 0,03 | 0,1 |
| Бенз(а)пірен | 0,000001 | — | 0,00002 |
| Фенол | 0,003 | 0,01 | 0,06 |
| Формальдегід | 0,003 | 0,035 | 0,06 |
| Фтористий водень | 0,005 | 0,2 | 0,1 |
Примітка:На територіях, які підлягають посиленій охороні, встановлюються більш жорсткі вимоги — ГДК повинні бути зменшені на 20 %.
У випадку присутності в атмосферному повітрі декількох речовин, які мають здатність до сумарної дії, сума їхньої Концентрації не повинна перевищувати одиниці при розрахунку за виразом:
Де— фактичні концентрації речовин в атмосферному повітрі;
— гранично допустимі концентрації тих самих речовин.
У табл. 3.29 ГДКсд — середньодобова гранично допустима концентрація забруднювача в повітрі, котра не справляє на людину опосередкованої шкідливої дії при цілодобовому вдиханні;
ГДК м.р — максимально разова гранично допустима — концентрація забруднювача в повітрі (населених місць), що не викликає рефлекторних реакцій в організмі людини.
Ефект сумації мають:
— ацетон, акролеїн, фталевий ангідрид;
— ацетон та фенол;
— ацетон та ацетофенол;
— ацетон, фурфурол, формальдегід, фенол;
— ацетальдегід та вінілацетат;
— аерозолі п'ятиокису ванадію та окисів марганцю;
— аерозолі п'ятиокису ванадію та сірчистий ангідрид;
— аерозолі п'ятиокису ванадію та триокису хрому;
— бензол та ацетофенон;
— вольфрамовий та сірчистий ангідриди;
— гексахлоран та фазолон;
— 1, 2-дихлорпропан, 1, 2, 3-трнхлорпропан та тетра-хлоретилен;
— ізобутенилкарбінол, ди метил вініл каринол;
— метил гід ропіран та метилентетра гідропірея;
— озон, двоокис азоту та формальдегід;
— окис вуглецю, двоокис азоту, формальдегід, гексан;
— сірчистий ангідрид та аерозоль сірчаної кислоти;
— сірчаний ангідрид та нікель металевий;
— сірчистий ангідрид та сірководень;
сірчистий ангідрид та двоокис азоту;
— сірчистий ангідрид, окис вуглецю, пил конверторного виробництва;
— сірчистий ангідрид, окис вуглецю, двоокис азоту та фенол;
— сірчистий ангідрид та фенол;
— сірчистий ангідрид та фтористий водень;
— сірчаний та сірчистий ангідриди, аміак та окиси азоту;
— сильні мінеральні кислоти (сірчана, соляна та азотна);
— фенол та ацетофенон;
— фурфурол, метиловий та етиловий спирти;
— циклогексан та бензол;
— етилен, пропілен, бутилен, амілен.
Ефект потенціювання притаманний таким речовинам:
— бутилакрилат та метилметакрилат з коефіцієнтом 0,8;
— фтористий водень та фторсолі з коефіцієнтом 0,8. Потенціювання — взаємне посилення впливу двох або
більшої кількості агентів навколишнього середовища, при котрому сумарний ефект їхнього взаємного впливу перевищує суму ефектів, що виникають при ізольованій дії кожного з цих агентів зокрема.
Речовини, для котрих не визначені ГДК населених місць, оцінюються за орієнтовними безпечними рівнями впливу ОБРВ.
Для того, щоб визначити стан забруднення повітря декількома речовинами, що діють одночасно, часто використовують комплексний показник — індекс забруднення атмосфери (ІЗА). Для його розрахунку, нормовані на відповідні значення ГДК, середні концентрації домішок за допомогою розрахунків приводять до концентрації двоокису сірки (коефіцієнт К в табл. 3.8), а отримані значення додають. Отриманий таким чином показник ІЗ А вказує, у скільки разів сумарний рівень забрудненості атмосфери кількома речовинами перевищує ГДК двоокису сірки.
Для кожного населеного пункту визначено конкретний перелік п'яти пріоритетних домішок, за котрими розраховується індекс забруднення атмосфери ІЗАГ).
Викиди характеризуються кількістю забруднюючих речовин, їхнім хімічним складом, концентрацією, агрегатним станом.
Промислові викиди поділяються на організовані та неорганізовані. Організовані промислові викиди — це викиди, що надходять в атмосферу через спеціально споруджені газоходи, повітропроводи та труби.
Неорганізовані викиди надходять в атмосферу у вигляді не напрямлених потоків внаслідок порушення герметизації, невиконання вимог охорони атмосфери при навантаженні та розвантаженні, порушення технології виробництва або несправності обладнання.
За агрегатним станом викиди поділяються на IV класи: І — газоподібні та пароподібні; II — рідкі; III — тверді; IV — змішані.
За величиною маси викиди об'єднані в 6 груп, т/доб: 1 група — маса менше 0,01 включно; 2 група — від 0,01 до 0,1; 3 група — від 0,1 до 1; 4 група — від 1 до 10; 5 група — від 10 до 100; 6 група — понад 100.
Викиди підлягають періодичній інвентаризації, під котрою слід розуміти систематизацію відомостей про розподіл джерел викидів на території об'єкта, їхню кількість та склад.
Метою інвентаризації (рис. 3.7) є: визначення викидів шкідливих речовин, що надходять в атмосферу від об'єктів; оцінка впливу викидів на навколишнє середовище, встановлення ГДВ або ТПВ; вироблення рекомендацій з організації контролю викидів; оцінка стану очисного обладнання та екологічності технологій і виробничого обладнання; планування черговості природоохоронних заходів.
Рис. 3.7. Схема алгоритму інвентаризації викидів в атмосферу
Інвентаризація здійснюється один раз на 5 років згідно з Інструкцією з інвентаризації викидів забруднюючих речовин в атмосферу. Джерела забруднення атмосфери визначаються на основі схем виробничого процесу підприємства. Для діючих підприємств контрольні точки встановлюються по периметру санітарно-захисної зони. Заміри параметрів викидів здійснюють працівники лабораторії підприємства або лабораторії санітарно-епідеміологічної станції.
Основними параметрами, котрі характеризують викиди забруднюючих речовин в атмосферу, є вид виробництва, джерело виділення шкідливих речовин, джерело викиду, число джерел викидів, координати розташування викиду, висота джерела викиду, діаметр устя труби, параметри газоповітряної суміші на виході з джерела викиду (швидкість, об'єм, температура), характеристика газоочисних пристроїв, види та кількість шкідливих речовин тощо.
Шкідливі речовини, що потрапляють в атмосферу від промислових та транспортних підприємств, енергетичних установок, транспортних засобів, розчиняються в повітрі та переносяться рухомими потоками повітря на великі віддалі. Розсіювання забруднень призводить до зниження концентрації шкідливих речовин в зонах їхнього викиду та до одночасного збільшення площ із забрудненими повітрям.
На характер поширення шкідливих речовин в атмосфері та на величину зон забруднення впливають метеорологічні умови (горизонтальний та вертикальний рух мас повітря, їх швидкість, температура, вологість, дощ, сніг, наявність хмар).
Крім метеорологічних факторів, на розсіювання забруднень впливає рельєф місцевості, наявність лісів, водоймищ, гір тощо. На забрудненість міст та населених пунктів впливає їхнє планування та озеленення.
Розрахунок забруднення атмосфери викидами промислових підприємств виконується згідно з Методикою розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що містяться у викидах підприємств (ОНД-86) або за Збірником методик розрахунку концентраційних викидів в атмосферу забруднюючих речовин різними виробництвами.
1.3 Очищення викидів в атмосферу
Методи та засоби очищення викидів в атмосферу.
Однією з особливостей атмосфери є її здатність до самоочищення. Самоочищення атмосферного повітря відбувається внаслідок сухого та мокрого випадання домішок, абсорбції їх земною поверхнею, поглинання рослинами, переробки бактеріями, мікроорганізмами та іншими шляхами. Садіння дерев та кущів сприяє очищенню повітря від пилу, оксидів вуглецю, діоксидів сірки та інших речовин. Найкращі поглинальні властивості стосовно діоксиду сірки має тополя, липа, ясен. Одне доросле дерево липи може акумулювати протягом доби десятки кілограмів діоксиду сірки, перетворюючи його в нешкідливу речовину. Велика роль в очищенні атмосферного повітря належить ґрунтовим бактеріям та мікроорганізмам. При температурі 15—35 °С мікроорганізми переробляють на 1 м2 до 81 т на добу оксидів та діоксидів вуглецю. Однак можливості природи щодо самоочищення мають обмеження, що слід враховувати при розробці нормативів ГДВ.
Одним з основних показників очищення викидів є ступінь їхнього очищення від шкідливих речовин К :
де М у — маса шкідливих речовин, які вловлюються в очисному пристрої;
М заг — загальна маса шкідливих речовин у викидах.
Ступінь очищення повинен визначатися за кожною забруднюючою речовиною. Ступінь очищення поділяється на проектний та фактичний, а за рівнем — на максимальний та експлуатаційний.
Для оцінки забезпеченості підприємств очищенням в часі використовується коефіцієнт забезпеченості технологічних процесів газоочищенням:
де Т то— час роботи технологічного обладнання; Т r — час роботи газоочисних установок.
За несприятливих метеорологічних умов, коли викиди із забрудненнями можуть бути шкідливими для здоров'я населення, підприємства повинні знизити викиди шкідливих речовин за рахунок технічних засобів або повної (часткової) зупинки джерел забруднення.
Сучасні вимоги до якості та ступеня очищення викидів досить високі. Для їхнього дотримання необхідно використовувати технологічні процеси та обладнання, котрі знижують або повністю виключають викид шкідливих речовин в атмосферу, а також забезпечують нейтралізацію утворених шкідливих речовин; експлуатувати виробниче та енергетичне обладнання, котре виділяє мінімальну кількість шкідливих речовин; закрити невеликі котельні та підключити споживачів до ТЕЦ; застосовувати антитоксичні присадки, перевести теплоенергетичні установки з твердого палива на газ.
Способи очищення викидів в атмосферу від шкідливих речовин можна об'єднати в такі групи:
— очищення викидів від пилу та аерозолів шкідливих речовин;
— очищення викидів від газоподібних шкідливих речовин;
— зниження забруднення атмосфери вихлопними газами від двигунів внутрішнього згоряння транспортних засобів та стаціонарних установок;
— зниження забруднення атмосфери при транспортуванні, навантаженні і вивантаженні сипких вантажів.
Для очищення викидів від шкідливих речовин використовуються механічні, фізичні, хімічні, фізико-хімічні та комбіновані методи.
Механічні методи базуються на використанні сил ваги (гравітації), сил інерції, відцентрових сил, принципів сепарації, дифузії, захоплювання тощо.
Фізичні методи базуються на використанні електричних та електростатичних полів, охолодження, конденсації, кристалізації, поглинання.
У хімічних методах використовуються реакції окислення, нейтралізації, відновлення, каталізації, термоокислення.
Фізико-хімічні методи базуються на принципах сорбції (абсорбції, адсорбції, хемосорбції), коагуляції та флотації.
Гравітаційні пилоочисні камери працюють за принципом зниження швидкості руху газів до рівня, коли пил та частинки рідини осідають під впливом сил ваги. Ефективність роботи пилоочисних камер
Гравітаційні пилоосаджувальні камери — це порожнинна або з полицями коробка з листової сталі з бункером для збирання пилу. Довжина коробки:
При зниженні висоти камери процес очищення поліпшується, тому порожнину камери розділяють полицями, котрі проектуються під кутом або з можливістю регулювання. Гравітаційні пилоосаджувальні камери придатні для осадження частинок пилу діаметром понад 50 мкм. Гідравлічний опір гравітаційних камер лежить в межах 50—150 Па. Швидкість газу — 0,2—1,5 м/с. Камери забезпечують ступінь очищення не більше 50 %, тому їх використовують як попередній ступінь пиловловлювання.
Інерційні сепаратори працюють на принципі різкої зміни напрямку потоку газів. У місцях зміни напрямку відбувається осідання твердих частинок забруднюючих речовин. Сепаратори дозволяють осаджувати частинки діаметром 25— ЗО мкм. Інерційні газоочисники мають продуктивність від 45 до 582 м3/год. До цього типу можна віднести і жалюзійні пиловловлювачі, котрі мають гідравлічний опір 100—400 Па, допускають температуру газу, що очищається, до 450 °С, швидкість на підході до решітки — 15—25 м/с.
Циклонні сепаратори працюють за принципом використання відцентрового ефекту. Відокремлення твердих частинок в них відбувається під дією відцентрових сил:
Практично використовуються такі типи циклонних сепараторів:
— горизонтальні пиловловлювачі, котрі працюють за принципом надання газам вихороподібного кругового руху за допомогою вертушки з системою невідхилюваних лопатей;
— вертикальні сепаратори, що працюють за принципом подавання газу зверху через горизонтально встановлену кільцеву крильчатку, котра надає газові обертового руху; тверді частинки осідають на дні, а очищений газ відводиться через центральну трубу;
— вертикальні сепаратори з тангенціально розташованою вхідною частиною. У цьому сепараторі затриманий газ надходить збоку або знизу і набуває тангенціального руху, котрий виносить тверді частинки до стінок, а потім в пило збирачі;
— ротаційні струменеві пиловловлювачі є різновидом відцентрового циклонного сепаратора, в котрому вихороподібність руху газу посилена тангенціальним повітряним потоком. У них пил накопичується в середині повітряного середовища і під дією гравітаційних сил падає на дно пило-збирача.
Апарати мокрого очищення газів від пилу працюють за принципом промивання газів. Ці види очисних пристроїв застосовуються на дільницях фарбування виробів, нанесення полімерних покриттів, в замкнених системах повітрокористування. Такі пристрої дозволяють очищати гази від дрібних механічних забруднень. Існує велика кількість апаратів мокрого очищення газів. Застосовуються і прості водяні завіси, через котрі пропускаються забруднені потоки повітря.
За принципом роботи апарати мокрого очищення газів поділяються на порожнинні і насадкові; барботажні та пінні; ударно-інерційні; відцентрові; динамічні та турбулентні промивачі.
Порожнинні та насадкові апарати-скрубери працюють за принципом пропускання газів через потік розпиленої розбризканої або стікаючої по насадках води. Швидкість потоку газів не перевищує 1—1,2 м/с, гідравлічний опір апаратів не перевищує 250 Па. Витрата води складає до 10 м3 на 1 м апарата. Найбільш повно скрубери видаляють частки розміром більше 10 мкм. Недоліком скруберів є часте забивання отворів розпилювачів.
При роботі барботажних та пінних апаратів забруднені гази проходять через шар рідини або піни. Апарати мають великий гідравлічний опір (до 2000 Па). Вони дозволяють вловлювати частки розміром до 2 мкм. Продуктивність апаратів конструкції ЛТІ — від 2 до 45 тис. м3/год, швидкість проходження газів — до 2 м/с, ступінь очищення — до 99 %.
Апарати ударно-інерційного типу працюють за принципом інерційного осаджування механічних забруднень під час зміни напрямку газового потоку над поверхнею рідини. Найбільшого застосування набули статичні пиловловлювачі типу ПВМ, ротоклони та скрубери ударної дії. Продуктивність ударно-інерційних апаратів — 2500—90 000 м3/год. Швидкість потоку газу — до 56 м/с, ступінь очищення — до 98 %. Витрата води — 0,8—4 м3/год на 1000 м3газу.
Відцентрові апарати мокрого очищення газів працюють за принципом завихрення газів спеціальними лопатками або за рахунок тангентального підведення газу з одночасним зрошенням з форсунок. їх використовують для очищення димових газів з великим вмістом сірчаних газів, забезпечуючи ступінь очищення до 90 %. Використовуються також динамічні та турбулентні промивачі.
При роботі електростатичних установок очищуванні гази пропускають через електростатичне поле високої напруги (до 50 кВ), створюване спеціальними електродами. При проходженні через електричне поле частинки набувають негативного заряду і притягуються до електродів, котрі з'єднані із землею, тому мають позитивний заряд відносно частинок. Для очищення електродів передбачена спеціальна механічна система. Електростатичний метод очищення газів дозволяє вловлювати частинки розміром до 0,1 мкм. Початкові видатки на створення електростатичних фільтрів вищі, ніж для апаратів інших типів, однак експлуатаційні видатки нижчі. Споживання енергії цими пристроями складає 0,8—0,6 кВт на 10 000 м3 газу.
У пористих фільтрах забруднені гази пропускають через тканину, сукно, повсть, синтетичні матеріали (нітрон, лавсан, хлорин), металеві сітки, гравій тощо. Ці фільтри забезпечують високу якість очищення. Основний їхній недолік — зниження тиску газу після фільтрації, висока вартість експлуатації, часта заміна фільтрувальних елементів.
Найбільш поширеними апаратами для очищення газів від механічних частинок е рукавні фільтри, основним елементом котрих є рукавоподібний мішок, натягнений на трубчасту раму. При проходженні газів через мішок пилові частинки залишаються на тканині. Видалення пилу з мішків здійснюється механічним витрушуванням, продуванням його в зворотному напрямку, очищенням струменями повітря, використанням низькочастотних акустичних генераторів для відокремлення твердих частинок від мішка.
Використовуються також зернисті фільтри, в тому числі з металокераміки, а також тканинні рулонні фільтри, котрі забезпечують високу якість очищення. Однак їхнім недоліком є невисока пилоємність та швидке засмічування.
У технологічних вентиляційних та енергетичних викидах на підприємствах найбільш часто зустрічаються діоксид сірки, оксиди азоту, оксиди та діоксиди вуглецю, мінеральні речовини від виробництва будівельних матеріалів, сполуки металів, феноли, синтетичні матеріали, лакофарбові матеріали тощо.
Методи очищення викидів від газоподібних речовин за характером фізико-хімічних процесів з очищуваними середовищами поділяються таким чином:
— промивання викидів розчинниками, що не сполучаються із забруднювачами (метод абсорбції);
— промивання викидів розчинами, що вступають в хімічне з'єднання з забруднювачами (метод хемосорбції);
— поглинання газоподібних забруднювачів твердими активними речовинами (метод адсорбції);
— поглинання та використання каталізаторів;
— термічна обробка викидів;
— осаджування в електричних та магнітних полях;
— виморожування.
Метод абсорбції базується на розділенні газоповітряної суміші на складові частини шляхом поглинання шкідливих компонентів абсорбентом. В якості абсорбентів вибирають рідини, здатні поглинати шкідливі домішки. Для видалення з викидів аміаку, хлористого та фтористого водню використовується вода. Один кілограм води здатен розчинити сотні грамів хлористого водню та аміаку. Сірчисті гази у воді розчиняються погано, тому витрата води у цьому випадку дуже велика. Для видалення з викидів ароматичних вуглеводнів, водяної пари та інших речовин застосовується сірчана кислота. Для здійснення процесу очищення газових викидів
методом абсорбції застосовуються плівкові, форсункові, трубчасті апарати — абсорбери. Об'ємна витрата рідини
де m — маса домішок, що підлягають видаленню;
— початкова і кінцева концентрації шкідливої домішки в рідині.
Площа контакту газу з рідиною
Значенняє вищим при зустрічному русі газу та рідини, ніж при русі в одному напрямку. Процес абсорбції повинен обов'язково передбачати застосування десорбції — регенерації рідини з метою вилучення розчинених домішок.
Метод хемосорбції базується на поглинанні газів та пари рідкими і твердими поглиначами з утворенням хімічних сполук. Цей метод використовується при очищенні викидів через вентиляції гальванічних дільниць. При цьому розчинником для очищення викидів від хлористого водню є 3 %-й розчин їдкого натру. Цей метод використовується також для очищення викидів від окисів азоту.
Метод адсорбції базується на селективному вилученні з газових сумішей шкідливих домішок за допомогою твердих адсорбентів. Найбільш широко як адсорбент застосовується активоване вугілля, іонообмінні смоли тощо.
Необхідна маса адсорбента:
Геометричні параметри адсорбента вибираються та розраховуються за номограмами або за аналітичними залежностями.
Каталітичний метод базується на перетворенні токсичних компонентів викидів у менш токсичні або нешкідливі за рахунок використання каталізаторів. Швидкість каталітичних реакцій можна визначити згідно з рівнянням
В якості каталізаторів використовують платину, метали платинового ряду, окиси міді, двоокис марганцю, п'ятиокис ванадію тощо.
Каталітичний метод використовується для очищення викидів від окису вуглецю за рахунок його окислення до двоокису вуглецю.
Термічний метод базується на допалюванні та термічній нейтралізації шкідливих речовин у викидах.
Цей метод використовується тоді, коли шкідливі домішки у викидах піддаються спаленню. Термічний метод ефективний у випадку очищення викидів від лакофарбових та просочувальних дільниць. Системи термічного та вогневого знешкодження забезпечують ефективність очищення до 99 %.
Загалом послідовність вибору типу очисних пристроїв та фільтрів така:
— виявлення характеристик викидів (температура, вологість, вид та концентрація домішок, токсичність, дисперсність тощо);
— визначення типу очисного пристрою або фільтра за витратою газу, необхідним ступенем очищення, можливостями виробництва та іншими факторами;
— знаходження робочої швидкості газів;
— техніко-економічний аналіз можливих варіантів очищення;
— розрахунок параметрів очисного пристрою;
— проектування та вибір очисного пристрою або фільтра. При виборі засобів очищення викидів в атмосферу слід
керуватися такими рекомендаціями:
сухі механічні способи та пристрої не ефективні при видаленні дрібнодисперсного та липкого пилу;
— мокрі методи не ефективні при очищенні викидів, в котрих містяться речовини, що погано злипаються і утворюють грудки;
— електроосаджувачі не ефективні у випадку видалення забруднень з малим питомим опором і котрі погано заряджаються електрикою;
— рукавні фільтри не ефективні для очищення викидів з липкими та зволоженими забрудненнями;
— мокрі скрубери не можна застосовувати для роботи поза приміщеннями в зимових умовах.
Зниження забруднення атмосфери вихлопними газами від двигунів внутрішнього згоряння
У викидах двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) міститься понад 100 шкідливих сполук, котрі умовно можна поділити на шість груп:
— діоксид вуглецю, водяна пара, водень, кисень;
— оксид вуглецю;
— окиси азоту;
— вуглеводні;
— альдегіди;
— сажа.
При використанні в ДВЗ етилованих бензинів з вихлопними газами в атмосферу викидаються сполуки свинцю.
При згорянні 1 тонни бензину в атмосферу викидається, кг: оксидів вуглецю — 39,5; вуглеводнів — 34; окисів азоту — 20; діоксид у сірки — 1,55; альдегідів — 0,93. При згорянні 1 тонни дизельного пального в атмосферу викидається, кг: оксиду вуглецю — 21; вуглеводнів — 20, окисів азоту — 34; альдегідів — 6,8; сажі — 2.
Масовий склад викидів
На збільшення витрати пального та шкідливих речовин у вихлопних газах карбюраторних двигунів найістотніше впливають зношеність жиклерів карбюратора, порушення регулювання системи холостого ходу та регулювання рівня пального в карбюраторі, зношеність деталей прискорювального насоса, підвищення гідравлічного опору повітряного фільтра, неправильна установка запалювання, неправильна величина зазору в контактах переривача та їхнього забруднення, нагар на свічках запалювання, знижена температура охолоджувальної рідини, зношеність деталей кривошипно-шутунного механізму, порушення регулювання між клапанами та штовханами тощо.
Згадані несправності збільшують витрату пального на 10 %, а кількість шкідливих речовин у викидах — на 15—50 %.
У дизельних ДВЗ на збільшення витрати пального та складу вихлопних газів впливають наступні несправності: зменшення тиску вприскування, покриття голки форсунки смолистими відкладеннями, закоксовування сопел розпилювачів, зношеність плунжерних пар паливного насоса, засмічування повітроочищувача, зміна кута вприскування, зниження температури охолоджувальної рідини, зношеність деталей паливного насоса, газорозподілу та шатунно-кривошипного механізму.
Залежно від виду несправності витрата пального в дизельних двигунах може збільшуватися до 20 %, а кількість викидів шкідливих речовин — на 20—100 %.
Зниження викидів шкідливих речовин ДВЗ можна досягти застосуванням таких методів: рідинної та полум'яної нейтралізації; ежекційного допалювання; використанням каталізаторів; подачею повітря у випускний колектор; застосуванням антидимових фільтрів тощо.
Зниження вмісту шкідливих речовин у викидах ДВЗ можна забезпечити і за рахунок застосування присадок до пального — метанолу, водню, скрапленого газу та емульсій.
2. Волоконно-оптичні сенсори
2.1 Характеристики оптичного волокна як структурного елемента датчика
довкілля забрудненість викид
Перш ніж оцінювати значимість цих характеристик в даній області застосування, відзначимо загальні переваги оптичних волокон [1]:
- широкосмужність (передбачається до декількох десятків терагерц);
- малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);
- малий (близько 125 мкм) діаметр;
- мала (приблизно 30 г/км) маса;
- еластичність (мінімальний радіус вигину 2 мм);
- механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7кг);
- відсутність взаємної інтерференції;
- безіндукційність (практично відсутній вплив електромагнітної індукції, а отже, і негативні явища, зв'язані з грозовими розрядами, близькістю до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовій мережі);
- взривобезопасність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);
- висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно довжиною 20 смвитримує напруга до 10000 B);
- висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників, олії, води.
У практиці використання волоконно-оптичних датчиків мають найбільше значення останні чотири властивості. Досить корисні і такі властивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкосмужність же і малі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеко не завжди ці переваги усвідомлюються розроблювачами датчиків. Однак, із сучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостей волоконно-оптичних датчиків у найближчому майбутньому ця ситуація потроху виправиться.
Як буде показано нижче, у волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чуттєвого елемента датчика. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного полю (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформаціям (наприклад, до вигину). Багато з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, у датчиках же їхня поява вважається скоріше перевагою, яку варто розвивати.
2.2 Волоконні світловоди і вимірювальні пристрої на їхній основі
Волоконний світловод (рис.1.1, а) складається із серцевини й оболонки, що виконуються зі спеціального кварцового скла [2]. Показник заломлення оболонки вибирається трохи більш низьким, ніж у серцевини. Тому світлові промені, що падають під досить великими кутами із серцевини на границю з оболонкою, будуть зазнавати повного внутрішнього відбивання.
У результаті ці промені,що називаються направляючими, будуть поширюватися по світловоду по зиґзаґоподібній траєкторії так, як це показано на рис.1.1, а. Сучасна технологія побудови оптичних волокон настільки досконала, що промені, що направляючі промені можуть поширюватися по світловодам на десятки кілометрів без істотних втрат енергії. В даний час волоконні світловоди широко застосовують для оптичного зв'язку (телеграф, телефон і т.п.). Іншим, більш важливим напрямком є використання оптичних волокон як чуттєві елементи приймачів фізичних величин.
Загальні відомості про хімічні сенсори.
Протягом всієї історії аналітичної хімії одна з найважливіших її задач складалася і полягає в тому, щоб установлювати зв'язок між складом і якою-небудь легко вимірюваною властивістю і використовувати виявлені закономірності, тобто ці зв'язки, для розробки способів визначення концентрації і відповідних пристроїв. До цих пристроїв відносяться і датчики, або хімічні сенсори, що подають пряму інформацію про хімічний склад середовища (розчину), у яку занурений датчик, без добору аналізованої проби і її спеціальної підготовки. Термін "хімічний сенсор" з'явився порівняно недавно. Успіхи в суміжних областях (фізика твердого тіла, мікроелектроніка, мікропроцесорна техніка, матеріалознавство) привели до появи нового напрямку в аналітичній хімії - хімічних сенсорів (ХС). Сенсорні аналізатори можуть працювати автономно, без втручання оператора, причому передбачається, що вони зв'язані із системами нагромадження й автоматизованої обробки інформації. Значення ХС і створених на їхній основі аналізаторів у контролі стану середовища існування й охороні здоров'я людини важко переоцінити.
Принципи роботи і пристрій хімічних сенсорів.
ХС складається з хімічного селективного шару датчика, що дає відгук на присутність обумовленого компонента і зміна його змісту, і фізичного перетворювача (трансдьюсера) [6]. Останній перетворить енергію, що виникає в ході реакції селективного шару з обумовленим компонентом, в електричний або світловий сигнал, що потім вимірюється за допомогою світлочутливого і/або електронного пристрою. Цей сигнал і є аналітичним, оскільки подає пряму інформацію про склад середовища (розчину). ХС можуть працювати на принципах хімічних реакцій, коли аналітичний сигнал виникає внаслідок хімічної взаємодії обумовленого компонента з чуттєвим шаром, або на фізичних принципах, коли виміряється фізичний параметр (поглинання або відображення світла, маса, провідність). У першому випадку чуттєвий шар виконує функцію хімічного перетворювача.
Для підвищення вибірковості на вхідному пристрої ХС (перед хімічно чуттєвим шаром) можуть розміщатися мембрани, що селективно пропускають частки обумовленого компонента (іонообмінні, діалізні, гідрофобні й інші плівки). У цьому випадку обумовлена речовина дифундує через напівпроникну мембрану до тонкого шару хімічного перетворювача, у якому формується аналітичний сигнал на компонент. На основі ХС конструюють сенсорні аналізатори - прилади, призначені для визначення якої-небудь речовини в заданому діапазоні його концентрацій. Ці аналізатори можуть мати малі габарити (іноді наближаються до розмірів калькулятора або авторучки). Оскільки в їхній конструкції відсутні деталі, що перетерплюють механічний знос, пристрої характеризуються досить тривалим терміном експлуатації (до року і більш). Об'єднані в батарею і підключені до комп'ютера, ХС здатні забезпечити аналіз складних сумішей і дати диференційовану інформацію про зміст кожного компонента. У сенсорних аналізаторах вбудовані мікросхеми дозволяють вводити виправлення на зміну температури, вологості, враховувати вплив інших компонентів середовища, проводити градуюровку і настроювання нульового значення на шкалі показів.
Оптичні ХС працюють на принципах поглинання світла, або відображення первинного світлового потоку, або виникаючої люмінесценції. Ці сенсори не чуттєві до електромагнітних і радіаційних полів і здатні передавати аналітичний сигнал без спотворення на великі відстані. Крім того, вони мають невисоку вартість у порівнянні з електрохімічними сенсорами (ЕХС) і можуть конкурувати з останніми, особливо у випадках, коли застосування ЕХС неефективне. З оптичних ХС перспективні сенсори на основі волоконної оптики.
У волоконно-оптичних сенсорах (ВОС) на торці світловода закріплюється реагентвміщуюча фаза (РВФ). При описі таких пристроїв іноді використовують термін "оптрод", що є комбінацією слів "оптика" і "електрод". Цим підкреслюється, що ВОС по своєму призначенню близький до електродів, у тому числі і до тих, на основі яких функціонують ЕХС. Однак по природі сигналу і механізмові відгуку вони зовсім відмінні. Характеристика матеріалу світловода визначає оптичний діапазон і відповідно аналітичні можливості всього пристрою. Якщо оптичне волокно виготовлене з кварцу, то такий оптрод працює в широкій області спектра, включаючи ультрафіолетову його частину. Для скловолокна область довжин хвиль охоплює лише видиму область спектра. Якщо оптоволокно виготовлено з полімерного матеріалу (такі пристрої мають невисоку вартість), то діапазон довжин хвиль, у якій працює ВОС, перебуває за межами >450 нм.
Оптосенсори можуть бути оборотними і необоротними [6]. Сенсор оборотний, якщо РВФ не руйнується при її взаємодії з обумовленою речовиною. Якщо частина реагенту споживається в ході визначення, сенсор працює необоротно. На рис.3.2 приведена схема формування відгуку оборотного ВОС для визначення pН середовища, заснованого на поглинанні світла. Пристрій такого сенсора є досить простим: два пластикових волокна вмонтовані в целюлозну трубочку, що містить барвник фіолетовий червоний, іммобілізований за допомогою ковалентного зв'язування на поліакриламідних мікрокульках. Крім цих мікрокульок усередину трубочки поміщені такого ж розміру кульки з полістиролу для кращого розсіювання світла. Через одне волокно світло від вольфрамового джерела випромінювання входить, а через інше виходить. Інтенсивність вихідного потоку світла вимірюється детектором, настроєним на відповідну область довжин хвиль. Пробка на торці трубочки утримує РВФ механічно і перешкоджає її взаємодії з обумовленим компонентом у торцевій частині. Подібний оптрод може бути використаний і для визначення концентрації O2. У цьому випадку сигнал зв'язаний з гасінням флуоресценції реагенту при взаємодії з киснем. Такого типу оптроди можуть бути використані і для визначення pН у живому організмі.
3 Техногенне навантаження на природне середовище. Медико-демографічні проблеми сучасної України, пов’язані з цим навантаженням
Унаслідок забруднення природного середовища хімічною, металургійною і гірничодобувною галузями промисловості, атомними і тепловими електростанціями, цукровими заводами, автотранспортом, меліоративними системами відбувається техногенне навантаження на ландшафти України. Промисловість впливає на ландшафти переважно шляхом їх безпосередньої руйнації, особливо видобувна (кар'єри, відвали, терикони), та в результаті викидів в атмосферу й гідросферу забруднювальних речовин, які через атмосферу розносяться на великі відстані та потрапляють майже у всі ландшафти. У районах з високою концентрацією паливно-енергетичних підприємств формуються техногенні геохімічні аномалії, зокрема, радіоактивні, також забруднюються ґрунти, поверхневі та підземні води, відчужуються значні площі родючих сільськогосподарських земель.
Основні джерела та фактори техногенного впливу на природне середовище в умовах техногенезу.
Один із важливих факторів, що визначають ступінь екологічної безпеки території, — антропогенна перетвореність сучасних ландшафтів України та її окремих природно-господарських регіонів. Певний вид антропогенного впливу на ландшафти визначається множиною параметрів, кожен з яких безпосередньо характеризує ступінь антропогенного навантаження. Такими параметрами, наприклад, є:
— для впливу землеробства — кількість внесених добрив, пестицидів на одиницю площі за рік, кількість проходів сільськогосподарської техніки полем за рік, питомий тиск сільськогосподарських машин на фунт, глибина його обробітку, маса ґрунту, яка щороку втрачається зі збиранням коренеплодів тощо;
— для промислових впливів — обсяги викидів різних забруднень в атмосферу та поверхневі води (середні разові, максимальні разові, загалом за рік), шумове і теплове забруднення, об'єми води, що вводяться в технологічні цикли тощо;
— для впливу рекреації — чисельність відпочиваючих на одиницю площі протягом року, максимальна кількість відпочиваючих за один день (пікове одночасне завантаження), кількість наметів, вогнищ на одиницю площі, витоптування трав'яного ярусу (кількість проходів рекреантів за одиницю часу на одиницю площі) та ін.
У процесі аналізу антропогенних навантажень на природні комплекси потрібні узагальнені показники, щоб з'ясувати загальні закономірності формування та змін екологічної ситуації під впливом основних груп антропогенних факторів. Територія України надзвичайно різноманітна щодо ландшафту. Але корінні рослинні угруповання, які генетично визначають ландшафт, на більшій частині території зведені, строкатість ґрунтового покриву спрощена їх розоренням, меліорацією та ін. Унаслідок цього природне ландшафтне різноманіття України суттєво змінене.
Антропогенна перетвореність ландшафтів України.
Особливу загрозу природному середовищу становлять викиди та відходи хімічної промисловості, найрізноманітніші за складом. Підприємства цієї галузі — джерела забруднення речовинами першого та другого класу небезпеки (бенз(а)пірев, фосген, вінілхлорид, аміак, хлористий водень тощо). Рівень забруднення повітря в промислових містах такими сполуками досягає 4—10 ГДК.
Комплексний негативний вплив на природне середовище здійснюють також об'єкти військово-промислового комплексу (ВПК), особливо у зв'язку з недотриманням технології зберігання та транспортування паливно-мастильних матеріалів й експлуатації військових об'єктів.
Головним забруднювачем атмосфери в містах і вздовж автошляхів є автомобільний транспорт, він викидає в повітря 39 % загальної кількості оксидів вуглецю, діоксидів азоту, сірки та важких металів.
Але основний внесок у трансформацію ландшафтів робить сільське господарство з надмірним використанням мінеральних добрив і засобів захисту рослин, у результаті чого майже всюди змінюється фізико-хімічний склад ґрунтів і спостерігається деградація земель. Наприклад, унаслідок розораності території України (35—60 % на Поліссі, 75—85 % — у Лісостепу та 90—95 % — у степовій зоні) посилюються площинна і лінійна ерозії, інтенсифікується яружна діяльність, зменшуються родючість земель і площі сільськогосподарських земель. Лише в Поліссі кожного року втрати гумусного шару становлять майже 5 млн. т. У зв'язку з осушенням та зрошенням змінюється природний водний режим; такі процеси зумовлюють або активізують несприятливі фізико-географічні явища (вивітрювання торфовищ, підтоплення та засолення ґрунтів). У зонах впливу промислових підприємств (у радіусі 8—-30 км) сільськогосподарські землі забруднюються промисловими токсикантами. Особливо несприятливим щодо цього є Донецько-Придніпровський регіон.
Після аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. виникла ще одна проблема — радіаційне забруднення території України.
Зонально-провінційні відмінності природних умов є фактором не лише економічної спеціалізації регіонів, а й фактором диференціації прийомів ведення господарства та заходів з поліпшення стану довкілля. Але, як це часто буває, добрі наміри призводять до негативних наслідків*176:
*176: {Трофимович Е.М. Особенности гигиенического картографирования окружающей человека среды // Бюллетень СО АМН СССР. – 1985. - № 5. – С. 24. }
— на Поліссі у результаті осушувальних меліорацій інтенсифікувалися процеси дефляції ґрунтів (охоплюють майже 28 % території), збільшилися втрати родючого шару ґрунту у зв'язку з його змивом і мінералізацією, а зменшення площі лісів і запасів торфу зумовило дисбаланс водного режиму не лише поверхневих вод, а й агроландшафтів, що відобразилося і на врожайності сільськогосподарських культур;
— у лісостеповій зоні внаслідок водної лінійної та площинної ерозій зменшився гумусний шар, збільшилася еродованість ґрунтів, агротехнічні заходи зумовили забруднення ґрунтів залишковою кількістю пестицидів (особливо на лівобережжі), забруднення промисловими токсикантами, насамперед, у результаті розробки родовищ корисних копалин (нафти і газу). Виникнення техногенних ландшафтів на Поділлі потребує розробки нових сільськогосподарських технологій;
— у степовій зоні погіршення стану земель пов'язане, насамперед, з вітровою ерозією, забрудненням залишковими кількостями добрив і пестицидів, похованням промислових відходів (твердих, рідких, особливо в Донецько-Придніпровському регіоні), зрошенням, забрудненням промисловими токсикантами, промисловими і тваринницькими стоками річкових вод, пиловими бурями, а також вторинним засоленням і заболочуванням, особливо в зонах впливу зрошувальних систем.
Отже, нині не змінених господарською діяльністю ландшафтів в Україні практично не залишилося. Малозмінені ландшафти становлять 15—20 % її території, це здебільшого вторинні лісові насадження заболочені ділянки, території заповідників. За оцінками фахівців, для компенсації загального антропогенного впливу таких ландшафтів має бути від 40 до 60 %.
Аналіз техногенного впливу на природне середовище — складний процес, зумовлений різноманітними формами впливу людини. При цьому відчуваються неповнота і різна якість вихідної інформації, брак єдиних методик та оцінювання. Хоча в цьому плані накопичений цінний матеріал, але результати досліджень часто неможливо зіставити.
Дослідження цієї проблеми передбачає низку етапів з обов'язковим картографуванням. Спочатку виконується інвентаризація всіх можливих для вивчення джерел і факторів техногенного впливу на природне середовище. Для цього вони поділяються на дві групи залежно від способів картографування: фонові (площинні) та точкові. Перші пов'язані переважно з тим, як використовуються землі (сільськогосподарське виробництво, в тому числі штучне зрошення, внесення добрив, пестицидів тощо) і відображаються в масштабі карти контурами. Точковими впливами вважають ті, що відображаються на карті у вигляді крапки; пов'язані з урбанізацією, промисловим виробництвом, будівництвом тощо. Сюди також належать лінійні техногенні аномалії, виникнення яких зумовлене впливом транспорту, зокрема, нафто- і газопроводів тощо.
Фоновий і точковий впливи на природне середовище за характером поділяються на прямий та опосередкований. Прямий вплив здійснюють господарські об'єкти і системи під час безпосереднього контакту з природним середовищем у процесі природокористування. Територіальна зона прямого впливу майже збігається з межею дії відповідних господарських систем. Опосередкований техногенний вплив на природне середовище зумовлюється природними зв'язками і взаємодією між елементами та компонентами ландшафту. Наслідки прямого й опосередкованого впливів називають техногенезом.
Різноманітні види природокористування і пов'язані з ними засоби впливу на природне середовище у межах певного регіону історично формувалися протягом тривалого часу у визначені системи, що дають змогу розглядати господарську діяльність як чинник, котрий закономірно перетворює природний ландшафт. Глибина техногенного впливу на ландшафти залежить від часу становлення виду природокористування в кожному конкретному регіоні. На початковому етапі освоєння природних ресурсів ландшафт зазнає різних впливів, які у більшості випадків спричинюють корінне його перетворення, особливо в процесі меліорації заболочених земель, гідротехнічного будівництва, перетворення лісових масивів в агроландшафти та ін.
Високий загальний фон антропогенного перетворення території України визначається, насамперед, її значним землеробським освоєнням. Порівняно з такими країнами, як США, Англія, ФРН, Японія, Україна має набагато більше орних земель у складі сільськогосподарських угідь. Землеробський вплив, крім механічного застосування, передбачає хімічне (добрива, пестициди та ін.), фізичне (землеробська техніка), агротехнічне (чергування культур, технологія їхнього оброблення), а також вів виявляється шляхом осушення і зрошення земель, терасування схилів, за допомогою контурного і полосного землеробств, лісових насаджень тощо. Землеробський вплив — один із найтриваліших. Вирішальними чинниками впливу є технологія опрацювання ґрунтів за допомогою сільськогосподарських знарядь, технологія вирощування і чергування культур у сівозмінах.
Для землеробської освоєності України властиві добре виражені зональні ознаки. В зонах мішаних і широколистяних лісів орні землі займають близько 40 % земельного фонду, лісостепові та степові ландшафти розорані на 75—80 % і більше. Інша ситуація спостерігається з поширенням лісових угідь: на Поліссі вони займають 33,7 % території, різко зменшуючись у Лісостепу (11,9 %) і степу (5,6—3,0 %). Меншим за площею є землеробський вплив у гірських країнах: в Українських Карпатах площа ріллі становить 16,8 %, а в гірському Криму — 21,4 % земельного фонду. Розорювання степів, зникнення природних акумуляторів талих і дощових вод (блюдець), руйнація дернини, що може затримати сніг та воду і захищає ґрунт від морозів і вітру, втрата зернистої структури, властивої цілинному чорнозему — все це сприяло тому, що степові природні комплекси стали ерозійно-чутливими. Наслідками такої чутливості є:
— посилення випаровування з поверхні ґрунту;
— збільшення нічного охолодження степу;
— зниження рівня ґрунтових вод;
— бурхливе і коротке весняне та дощове водопілля;
— зменшення загальних запасів вологи, збіднення водних джерел;
— посилення несприятливого вітрового впливу як літом, так і взимку.
Землеробство в степовій зоні України спричинило втрату значної кількості гумусу. Наприклад, якщо до розорення степів його було 8—10%, то на сьогодні залишилося тільки 4—5 %, що зумовило зниження родючості й стійкості ґрунтів і, як наслідок, посилення впливу води і вітру. За останні 20—30 років чорноземи звичайні потужні (Кіровоградська область) втратили 1,6—2,5 % гумусу.
Один із найголовніших впливів землеробства на ландшафт виявляється в одноаспектній відчуженості поживних речовин із зібраним врожаєм, що потребує безупинного відшкодування їх у виді добрив. Екстенсивне землеробство, внесення середніх і підвищених доз мінеральних добрив сприяють посиленню біологічного збіднення гумусу чорноземних ґрунтів, оскільки надземної маси рослин після збирання врожаю не залишається. Для протидії цьому в степових районах в останні 15—20 років заміняють плуги плоскорізами, проводять оранку без обороту шару, що дає змогу регулювати водний баланс орного угіддя і зменшувати поверхневий стік, збільшувати запаси вологи в ґрунті, створювати умови для інтенсивнішого розвитку кореневої системи рослин, накопичення органічної речовини і структурування гумусового шару ґрунтів, підвищуючи їхню стійкість до ерозії.
Меліоративний вплив на природне середовище України характеризується тенденцією до зростання, що пов'язано як зі збільшенням площ і темпів зрошення, іригації, осушення, так і з удосконаленням техніки поливу, дренажу, застосуванням машин для планування угідь, оброблення сільськогосподарських культур. Найбільший вплив осушувальних меліорацій у зонах мішаних і широколистяних лісів, а також у долинних комплексах північної частини лісостепової зони. Так званий меліоративний болотний фонд України оцінюється приблизно у 4465,9 тис. га. Осушувальні меліорації перетворюють структуру природних комплексів шляхом зміни рівнів ґрунтових і підземних вод, характеру ґрунтоутворювальних процесів, рослинності й тваринного світу, стійкості ландшафтів до господарських навантажень. Осушувальні меліорації помітно впливають на болотні комплекси, у тому числі унікальні.
Найбільше вплив зрошувальних меліорацій виявляється в степовій і лісостеповій зонах. Вплив зрошення відображається, насамперед, на зміні водно-теплового балансу, рівня ґрунтових вод, сольового режиму і прояві супутніх несприятливих процесів. Наприклад, плями солонців поступово перетворюються в солончакові зміни лучно-каштанових ґрунтів різного ступеня засолення.
Лісомеліоративний вплив здійснюється, як правило, на еродованих територіях. Загальну площу лісозахисних насаджень в Україні передбачається збільшити до 711,5 тис. га, включаючи полезахисні та прибалкові лісосмуги, лісосмуги на схилах пасовищ, суцільне залісення еродованих балкових і гірських схилів, ярів, лісів навколо водойм, каналів, суцільне і кулісне залісення пісків та ін. Лісомеліоративні заходи проводять майже на всіх еродованих землях. Проте площа тільки діючих яруг становить понад 320 тис. га. Пасовищні впливи виявляються у всіх зонах рівнинної частини й Українських Карпатах, насамперед, на луках. Випас худоби безпосередньо впливає на рослини (ушкодження паростків і коренів), ґрунти (ущільнення, зміна водного режиму тощо), потрапляння поживних речовин, поширення насінь, зміну загальної фітомаси та її видового складу. Розвиток пасовищного господарства супроводжується новими видами впливу на ландшафт: обводнювання пасовищ, їх поверхневе і корінне поліпшення. Також посилюється вплив скотарства на природне середовище.
Промисловий вплив на природне середовище, хоча і локальний, але відрізняється більшою інтенсивністю і має тенденцію до збільшення. Загальна площа змінених ним ландшафтів в Україні становить у середньому 800 тис. га, у тому числі кар'єрів — понад 122 тис. га, відвалів і териконів — 38,6 тис. га, промислових площадок — 77,3 тис га.
Вплив гірничорудної промисловості спричинює утворення нових елементів у ландшафті. Це різні за площею, глибиною та обсягами виробітки, відкриті кар'єри, техногенні просідання, техногенні акумулятивні форми (терикони, відвали, шламосховища та ін.). Їхньою властивістю є виведені на поверхню токсичні породи. Рослинний покрив на них розвивається дуже повільно, біоценози збіднілі та нестійкі. Під час повної рекультивації (усунення токсичних порід, створення ґрунтового покриву, поновлення фітоценозів і, таким чином, природного функціонування компонентів) тут формуються повторні ландшафти.
Будівельний вплив на середовище супроводжується зрізанням позитивних і засипанням негативних форм рельєфу, намивом ґрунтів, повною руйнацією рослинного і ґрунтового покривів на будівельних майданчиках. Підрізка схилів у процесі будівництва активізує ерозійні та зсувні процеси, що спричинює необхідність відповідних стабілізуючих захисних заходів. Це, у свою чергу, потребує впровадження в ландшафт нових техногенних елементів.
Сильний перетворювальний вплив на природне середовище має містобудування, що здійснюється шляхом суцільної забудови, планування території, гідронамиву тощо. Характер, сутність та інтенсивність техногенного впливу на природний ландшафт можуть бути відносно постійними або збільшуватися (наприклад, меліорація, містобудування). Компоненти ландшафту і власне ландшафт змінюються відповідно до особливостей технології одного або декількох видів природокористування. У процесі експлуатації об'єктів господарювання вони ніби пристосовуються до форм природокористування. Процес перетворення ландшафту здійснюється безупинно; впливи накладаються один на одного, у зв'язку з чим визначити етапи, що відрізняються за силою вияву і наслідків, досить проблематично.
Водогосподарський вплив проявляється у процесі створення нових об'єктів (водоймища, канали, випрямлені русла, антропогенні озера, заповнені улоговини техногенно-ерозійного походження та ін.), яких раніше у природних комплексах не було, у зміні гідрологічного та гідрохімічного режимів водойм, переформуванні ландшафтної структури територій, розташованих поряд, упровадженні в ландшафти техногенних елементів.
Гідроенергетичний вплив зумовлює помітні зміни параметрів аквальних і територіальних комплексів, розміщених поряд. Серед основних негативних наслідків цього впливу вирізняють такі:
— утворення водойм, параметри яких визначаються як висотою гребель, так і ландшафтною структурою долин;
— зміни руслового режиму, створення передумов для розвитку таких процесів, як "цвітіння води", замулення та ін.;
— переформування ландшафтної структури прибережних територій у зв'язку з їх затопленням, переробленням берегів, утворенням болотних комплексів і підтопленням у смузі гідрогеологічного впливу;
— зміни рослинності заплавних комплексів у нижніх б'єфах водоймищ, пов'язані з тим, що немає режиму долин;
— зміни умов існування та відтворення риб і ведення рибного господарства.
Містобудівний вплив відображається на горизонтах підземних вод, що залягають глибоко, та вищих, ніж у сільських і природних ландшафтах, шарах атмосфери. Вертикальний профіль урбанізованого ландшафту визначається глибиною споживаного горизонту підземних вод і висотою промислових викидів в атмосферу. В межах цього вертикального профілю розміщені такі яруси:
— природних і намивних порід, де розташовані фундаменти будинків, промислових підприємств, підземні комунікації;
— ярус наземних малоповерхових будівель, доріг, зелених насаджень, водойм, міських шумів, що характеризуються найбільшою концентрацією, а також викидів автомобільного транспорту й інтенсивного прогрівання поверхні;
— середньо- і високоповерховий яруси, в межах яких вплив зазначених вище чинників зменшується, але істотнішу роль відіграють метеорологічні фактори (вітровий режим та ін.).
Отже, з метою створення синтезованої карти, яка відображає сучасний стан антропогенно-техногенного навантаження на природне середовище України, потрібно використовувати компонентні карти. Шляхом їх послідовного синтезу й створюється подібна карта.
Шкала оцінювання для карти розрахована за допомогою методів математичної статистики і має якісну та кількісну оцінки: величина техногенного навантаження на природне середовище нижча середнього значення (від -0,40 і менше), середня (від -0,39 до +0,45), вища середнього (від +0,46 до +1,26), висока (від +1,25 до +2,10), дуже висока (+2,11 і більше). Шкала оцінювання має плюсові та мінусові значення: знак плюс означає більше, мінус — менше, ніж аналогічні середні значення в Україні. За цією шкалою оцінюються синтетичні величини потенціалу техногенного навантаження на природне середовище. Поділ території згідно з такою оцінювальною шкалою — зонування території за цим картографічним показником.
На карті чітко простежується декілька регіонів техногенної аномалії. Насамперед, це Донецько-Придніпровський регіон, Автономна Республіка Крим, район впливу Чорнобильської аварії, а також території навколо обласних центрів України. У центральній, західній і північно-східній частинах України переважають незначні (вище середнього) техногенні аномалії.
Висновки
Отже, можна зробити такий висновок. Екологічна безпека в Україні не може забезпечуватися лише за допомогою природоохоронних заходів без урахування соціальних, економічних, політичних і демографічних проблем. Усі вони настільки взаємопов'язані, що розв'язання кожної окремо потребує загального їх розгляду. В країні, де велику частину території займають сильно перетворені ландшафти, всі техногенні й переважна більшість природних катастроф пов'язані, як правило, з негативними екологічними наслідками таких несприятливих процесів, як забруднення ґрунтів, погіршення якості води, повітря, збіднення біорізноманіття тощо, що зумовлюють деградацію природного середовища загалом. Несприятливе навколишнє середовище, як і інші чинники, однозначно призводить до погіршення суспільного здоров'я та, як наслідок, до загострення медико-демографічних проблем.
Перелік посилань
1. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон.- Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
2. Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Мировицкий Д.И. Мультиплексированные системы волоконно-оптических датчиков // Измер. техника. 1992. № 1. С. 40-42
4. Екологія - Джигирей B.C.