Имитационная модель деградации пруда

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Последние десятилетия характеризуются резким усилением антропогенной нагрузки на водоемы и водотоки. Происходит прогрессирующее ухудшение качества водной среды, что составляет угрозу экологической, продовольственной и национальной безопасности страны. Постоянно возрастающий уровень антропогенного воздействия на водные объекты приводит к их повсеместной деградации. Проявления процесса деградации водных объектов, который можно определить как утрату ими используемых человеком свойств и ресурсов, по своей природе весьма различны. К ним относятся: разрушение структурно-функциональной организации водных экосистем, снижение водохозяйственного, рыбохозяйственного и рекреационного потенциала водных объектов, значительная потеря их ресурсной базы.

Различны причины, приводящие к антропогенной деградации водных объектов: загрязнение, засорение и эвтрофирование водной среды, изменение гидрологического режима водных систем, строительство и эксплуатацию различных гидротехнических сооружений, нерациональное использование водных ресурсов. Антропогенной деградации подвержены как природные пруды и реки, так и искусственно созданные водоемы (например, водохранилища). Эксплуатация этих водных объектов возможна только при условии сохранения ими приемлемого экологического состоянии. На современном этапе многие водоемы и водотоки уже находятся в таком состоянии, когда их улучшение возможно только на основе разработки и реализации специальных программ по их экологической реабилитации. Количество подобных водных объектов неуклонно увеличивается, возрастает и степень их деградации. Деградации подвержены не только природные пруды и реки, но и искусственно созданные водоемы. Эксплуатация этих водных объектов также возможна только при условии сохранения ими приемлемого экологического состоянии.

Цель работы: составить имитационную модель процессов водного баланса пруда и привести необходимые расчёты параметров модели.

Задачи работы:

1. Рассмотреть общие характеристики водоёма;

2. Изучить основные фазы процесса деградации городских водных объектов и процесса заболачивания водоёма;

3. Установить причины деградации водоёма;

4. Произвести необходимые расчёты приходной и расходной части водного баланса водоёма.

1. Общая характеристика пруда

Рассматриваемый нами пруд характеризуется следующими основными параметрами: глубина - 2 м, площадь пруда Sп = 3010 м2; водосборная площадь пруда Sв = 17535 м2. Пруд находится в непосредственной близости от жилых домов и гаражей (рис. 1.1).

Рис.1.1. Расположение пруда.

2. Основные фазы процесса деградации городских водных объектов и заболачивание

При оценке состояния малых городских водных объектов можно выделить следующие фазы деградации:

1. Антропогенно-напряженная фаза - свойственна главным образом городским водоемам и водотокам, имеющим естественное происхождение. Качество воды в подобных объектах в целом удовлетворяет водохозяйственным нормативам. Однако наиболее чувствительные к загрязнению виды гидробионтов, в массовом количестве встречающиеся в природных водоемах данного региона, значительно снижают свою численность или полностью исчезают. Водные объекты, находящиеся в антропогенно-напряженной фазе, могут обладать высоким видеоэкологическим потенциалом без создания специальных систем их инженерно-экологического обустройства, то есть осуществления специальных технических мероприятий, направленных на поддержание экологически приемлемого состояния водной среды. Один из таких водотоков - река Сетунь. Общая длина составляет 38 км; в черте Москвы около 20 км, течет в открытом русле. Рекреационный и видеоэкологический потенциал реки в значительной мере утрачен. Русло и прибрежная территория на отдельных участках сильно замусорены, встречаются остатки многочисленных сооружений. Загрязнение реки происходит и в результате многочисленных сбросов сточных вод с различных промышленно-бытовых объектов. В нижнем течении р. Сетуни ледовый покров не образуется даже в сильные морозы. Присутствует и зоогенное загрязнение, поскольку здесь отмечена одна из наиболее крупных в Москве зимовок водоплавающих птиц. Водная растительность развита достаточно хорошо. Наиболее массовый вид рыб - плотва (Rutilus rutilus L.). Показатель рН в период наблюдений колебался в диапазоне значений, равных 7,5-7,7. Относительное содержание кислорода в большинстве случаев не опускалось ниже 70 % от насыщения при данной температуре. Концентрация фосфатов была достаточно высокой (0,64-0,80 - зимой, 0,80-1,53 мгРО43-/л - летом), что позволяет говорить об интенсивном эвтрофировании водотока. Значения бихроматной окисляемости (ХПК) колебались в пределах от 48,0 до 64,1 мг О/л в течение года; значения БПК5 (биохимическое потребление кислорода) - от 2,18 до 4,04 мгО2/л. Уровень загрязнения вод р.Сетунь в настоящее время можно считать относительно умеренным (по сравнению с другими городскими малыми реками). Однако ряд показателей находится на уровне, характерном для альфа-мезосапробных объектов. Таким образом, р.Сетунь имеет уже явные признаки перехода в следующую - «кризисную» - фазу.

2. Кризисная фаза - процессы самоочищения и самовосстановления периодически уже не справляются с антропогенной нагрузкой, и время от времени происходит значительное ухудшение качества вод (цветение, появление у воды гнилостного запаха и др.). Однако коренного изменения рекреационной значимости водного объекта еще не происходит, поскольку через некоторое время его экологическое состояние вновь улучшается. Это улучшение может быть достигнуто путем осуществления простейших водоохранных и реабилитационных мероприятий (расчистки дна от наносов или прекращения сброса в них нечистот). Пример - пруд в усадьбе Трубецких в Хамовниках. Данная усадьба - это и охраняемый законом памятник истории и обустроенная рекреационная зона, расположенная в центральной части Московского мегаполиса. Берега пруда забетонированы и обустроены. Водный объект является регулируемым: наполнение пруда осуществляется из городского водопровода, на зиму пруд спускается. Объект подвержен значительному бытовому загрязнению и засорению: в периоды снеготаяния и обильных дождей часть загрязнителей с территории попадает в водоем. Заметную роль играет и зоогенное загрязнение (в летнее время на пруду содержатся лебеди и другие виды водоплавающих птиц). Эвтрофирование пруда идет весьма интенсивно: в летний период многие его участки заполняются водной растительностью от поверхности до дна. Наиболее массовые виды растений: рдест гребенчатый (Potamogeton pectinatus L.), элодея канадская (Elodea canadensis Michx.) и роголистник (Ceratophyllum demersum L.). Отмечено обилие зеленых нитчатых водорослей, что также является несомненным признаком весьма интенсивного эвтрофирования вод. Из рыб встречается карась (Carassius carassius L.), карп (Cyprinus carpio L.) и бычок-ротан (Perccottus glehni Dybowski). В летнее время, в период весьма интенсивной вегетации водной растительности, содержание кислорода в воде близко к насыщению. В зимний период подо льдом развивается гипоксия. Содержание органического вещества и фосфатов повышенное, что указывает на интенсивное загрязнение и эвтрофирование вод (БПК5) равно 1,79-4,92 мгО2/л; значения бихроматной окисляемости (ХПК) высокие: 64-108 мгО2/л, что обусловлено разложением отмершей водной растительности; концентрация фосфатов составляет 0,06 мгРО43-/л летом и 2,56 - зимой. Пруд в усадьбе Трубецких в настоящее время является альфа-мезосапробным и эвтрофным водоемом. Без периодических инженерно-технических мероприятий при существующем уровне антропогенной нагрузки пруд в течение короткого времени может превратиться в коллапсирующий водоем, основным источником наполнения которого будет служить поверхностный сток с городской территории.

3. Катастрофическая фаза - постоянно неудовлетворительное качество вод. Социальная привлекательность и рекреационный потенциал прибрежных территорий в значительной мере утрачиваются. Улучшение экологической ситуации может быть достигнуто только с помощью инженерно-экологического обустройства водоема или его полной ликвидацией. Пример - пруд на Феодосийской улице (расположен на территории Юго-Западного административного округа г. Москвы). Первоначально представлял собой деревенский пруд, использовавшийся в различных хозяйственно-бытовых целях. Впоследствии оказался в пределах городской застройки, однако работ по его благоустройству практически не проводилось. Акватория и прибрежная территория сильно засорены. В настоящее время в пруд, как самотеком, так и через отводящую трубу с территории, занятой автостоянками и автосервисом, поступают неочищенные поверхностные ливневые и талые воды (отвод сточных вод является несанкционированным). Наблюдается весьма интенсивное вторичное загрязнение пруда, происходящее за счет разложения скапливающегося в нем листового опада. Флора и фауна пруда отличаются крайней бедностью. Наиболее массовые виды - это ряски (Lemna trisulca L. , Lemna minor L., Lemna gibba L.), покрывающие значительную часть зеркала пруда, и стрелолист (Sagittariasagittifolia L.), что снижает социальную привлекательность территории в целом. Из представителей зообентоса были обнаружены только единичные экземпляры моллюсков и водных личинок насекомых; из рыб - только молодь бычка ротана-головешки (Perccottus glenhi Dybowski). В летне-осенний период содержание кислорода было относительно высоко. В зимнее время в пруду содержание кислорода подо льдом было низким (1,9-4,1 мг/л), наблюдаются явления гипоксии (заморы), значения ХПК колебались в пределах 76-108 мгО2/л, значения БПК5 - 6,9-10,5 мгО2/л. Пруд - сильно загрязненный (альфа-мезосапробный - полисапробный) водоем. Учитывая его мелководность, можно прогнозировать, что интенсивное накопление в нем мусора и зарастание водной растительностью уже в течение ближайших лет приведет к образованию заболоченного участка. Часто подобные водоемы становятся резервуаром возбудителей различных инфекционных и паразитарных заболеваний. В этих условиях система водооборота и аэрации представляется единственно возможной для реального поддержания качества воды в этом водном объекте.

4. Фаза развития чрезвычайной экологической ситуации. Существование водного объекта ухудшает санитарно-эпидемиологическую обстановку на городской территории и представляет собой опасность для здоровья населения.

5. Экологический коллапс - водный объект не подлежит восстановлению. Возможно только создание на его месте искусственного имитационного водоема, лишь внешне напоминающего утраченный водный объект или его отдельный участок. Довольно часто городские водные объекты, находящиеся в состоянии коллапса, представляют собой опасность для здоровья городского населения. Река Жужа (Коломенский ручей) может служить примером экологического коллапса. Река является правым притоком р. Москвы, при постройке жилого массива Нагатино, а также транспортных магистралей была заключена в железобетонный коллектор диаметром 3 м. В настоящее время водоток выходит на поверхность только в районе своих истоков и в районе устья (представляет собой фрагментарно сохранившийся водный объект). Открытый участок реки, расположенный после выпуска из подземного коллектора, имеет длину около 260 м до впадения в русло р. Москвы. Каких-либо видов водной растительности или водных животных в русле р. Жужи нами не обнаружено. Исключением является только место впадения её в р. Москву: здесь встречены тростник южный (Phragmites australis Cav.) Trin. ex Steud и отдельные экземпляры широко распространенных видов брюхоногих моллюсков:живородки (Viviparus contectus Milet), прудовик (Lymnaea stagnalis L.) и катушка (Planorbis planorbis L.). В зимний период температура вод, сбрасываемых из закрытого участка р. Жужи, была значительно выше естественного уровня, что свидетельствует о том, что данный водоток в значительной мере формируется за счет различных городских стоков. Показатель рН в р. Москве в период наблюдений колебался в пределах 7,5-8,0, а в сбросе вод из закрытого участка р. Жужи в ряде случаев значение рН было выше, что весьма характерно для стоков с урбанизированных территорий. Значения показателя БПК5 достигали в отдельных пробах величины 11,6 мгО2/л. Содержание фосфатов (РО43-) в водах р. Жужи в большинстве случаев было чрезвычайно высоко (3,2-3,6 мг/л). Такой уровень концентрации скорее характерен не для речных вод, а для сточных (как показали наши исследования, качество вод в реке в отдельные периоды соответствует неочищенным сточным водам). Такие сохранившиеся участки сильно деградировавших городских малых рек (т.е. полностью утративших свой водохозяйственный и рекреационный потенциалы), расположенные в пределах парковых территорий, можно превратить в водоемы рекреационного назначения. Однако это уже будет не восстановленный водоток, а воссозданный природно-техногенный водный объект, существование которого поддерживается благодаря постоянной или периодической работе циркуляционно-восстановительной системы.

Нередко болота образуются не путем зарастания водоемов, а непосредственно на минеральном грунте. Этот процесс может осуществиться в следующих различных условиях:

1. Равнинный рельеф и наличие на поверхности или близ нее водонепроницаемого слоя (обычно глины) ведут к постоянному избыточному содержанию влаги в верхнем горизонте грунта. Благоприятным условием для развития болот в этом случае является водонепроницаемость почв, создающаяся часто залегающим под лесом непроницаемым, так называемым ортштейновым слоем, или слоем красной руды из сцементированной материковой породы. Под покровом елового и соснового леса в этих условиях на плодородном грунте появляются обычно зеленые мхи -- первый вестник начинающегося заболачивания. Зеленые мхи постепенно вытесняются сфагнумом, который, облекая стволы деревьев, и будучи насыщен водой, прекращает доступ воздуха к их корням, в результате чего лесная растительность гибнет и на месте леса оказывается сфагновое болото.

2. Часто процесс заболачивания развивается на месте вырубленного леса не только в низинах, но и на возвышенных местах. Лесосека покрывается злаками, образующими при благоприятных условиях плотную дернину, которая препятствует возобновлению древесной растительности и способствует застаиванию влаги. Этот процесс способствует развитию влаголюбивой растительности, заглушающей оставшиеся после леса растения. Через несколько лет появляется мохсфагнум и образуется моховое болото.

3. Заболачивание наблюдается также после лесного пожара. Развивающаяся на пожарище растительность образует основу, на которой затем разрастаются подушки сфагнума, постепенно сливающиеся в сплошной сфагновый ковер.

4. Низинные болота с осоковой растительностью и с малой мощностью отложений торфа могут образоваться в условиях затрудненного стока весенней воды с поймы речных долин в русло реки.

5. Заболачивание приречных низменностей происходит также вследствие поднятия уровня воды в реке в результате устройства плотин; в этом случае одновременно имеет место как затопление водой с поверхности, так и подтопление площади в результате поднятия грунтовой воды. Развивающаяся осоковая растительность способствует накоплению растительных остатков, удерживающих в себе влагу: на этой основе затем развиваются мхи.

6. Часто происходит заболачивание неширокой полосы у подножия склона речной долины вследствие выхода здесь грунтовых вод.

7. Очагами заболачивания водоразделов служат иногда мелкие впадины, возникающие как провалы на местах выноса грунтовыми водами растворимых солей, а также на участках механического выноса мелкопесчаного грунта из-под слоя глины. Образующиеся в провальной западине болота разрастаются и создают сплошные водораздельные массивы.

3. Причины деградации водоёма

Испарение воды с поверхности пруда.

Испарение -- процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твёрдой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Парообразование в объёме жидкости -- это кипение. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.

Испарение -- эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода -- теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с-м2) или кг/(с-м2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Заиление.

Загрязнение и заиление прудов происходит очень быстро. Известны случаи совершенного выполнения илом прудов площадью в 1--2 гектара в течение 50 лет. Один пруд в 4 гектара площадью в течение 25 лет покрылся слоем ила, который по осушке его, стало быть, в сухом, уплотненном виде, имел толщу в 0,7 м Это заиление прудов происходит вследствие того, что с суши сносятся в воду минеральные частицы размытой почвы и органические вещества в виде перегноя, древесных листьев и т. д. С другой стороны, водяные растения, в особенности прибрежные тростники, рогоз и др., а также планктонные животные и водоросли, ежегодно отмирая, дают громадное количество тканей, вследствие медленности перегнивания в воде, накопляющихся год от года вое в большем и большем количестве (детрит). Но заиление прудов, открыто лежащих, подверженных действию ветров, происходит обыкновенно у подветренного берега, тогда как противоположный берег постепенно делается песчаным и посему непроизводительным. Это происходит вследствие того, что прибой волны вызывает поверхностное течение, отчего берег вымывается; из почвы вымываются органические вещества и частицы глины, которые относятся нижним течением болез или менее к противоположному, подветренному берегу и здесь отлагаются, тогда как отмученный песок, более тяжелый, остается у того берега, образуя песчаные отмели. Поэтому такие водоемы полезно защищать со стороны господствующего ветра высокоствольным лесом, что, однако, может оказывать заметное влияние только на небольших прудах, скажем, в несколько гектар, С увеличением площади отложения ила разрастаются и грубые травы, камыш, тростник, рогоз, вех, осоки и т. д., ,и занимают все большее пространство водоема, чем сугубо увеличивают и ускоряют заиление его. Вместе с тем исчезают рыбы. Сперва исчезают более нежные породы, и затем, наконец, наименее прихотливее.

4. Расчётная часть

Пруд - компонент гидросферы, представляющий собой естественно возникший водоём, заполненный в пределах прудовой чаши (прудового ложа) водой. Рассматриваемый нами пруд находится на границе северо-западной части города Курска с деревней Моква. Средняя глубина - 2 м. Площадь пруда Sп = 3010 м2; водосборная площадь пруда Sв = 17535 м2. Пруд находится в непосредственной близости от жилых домов и гаражей.

Расчёт приходной части водного баланса пруда.

Расчёт объёма осадков, выпадающих на площадь зеркала пруда.

Для расчёта объёма осадков рассмотрим 2012 и 2010 годы, т.к. за последние 10 лет 2012 год был наиболее дождливым, а 2010 - наиболее засушливым.

Количество осадков (О), в мм, выпадающих на зеркало пруда (S) приведено в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Количество осадков (O) по месяцам года за наиболее дождливый (2012) и наиболее засушливый (2010) годы

Месяц	Осадки (О), мм (2012г.)	Осадки (О), мм (2010г.)
Январь	40,4	30,2
Февраль	32,2	25,9
Март	44,8	36,4
Апрель	36,9	33,1
Май	38,1	34,1
Июнь	55,7	51,7
Июль	76,6	69,9
Август	64,8	60,8
Сентябрь	38,8	34,5
Октябрь	45,1	40,2
Ноябрь	27,3	24,1
Декабрь	49,3	44,9
Итого:	550	485

Расчёт объема осадков (Q), выпадающих на площадь пруда по месяцам в м3:

Qоi = Oi · Sпруда, мз

где: Qоi - объем осадков выпадающих за i-й месяц на водную поверхность пруда, м3; О - количество осадков за i-й месяц, мм; Sпруда - площадь пруда, м2.

При расчете объема осадков необходимо привести все числовые значения к единой системе измерения - метры.

Qянв(2012) = Oянв(2012) · Sпруда = 0,0404 м · 3010 м2 = 121, 6 м3.

Qфев(2012) = Oфев(2012) · Sпруда = 0,0322 м · 3010 м2 = 96,9 м3.

Qмар(2012) = Oмар(2012) · Sпруда = 0,0448 м · 3010 м2 = 134,9 м3.

Qапр(2012) = Oапр(2012) · Sпруда = 0,0369 м · 3010 м2 = 111,1 м3.

Qмай(2012) = Oмай(2012) · Sпруда = 0,0381 м · 3010 м2 = 114,7 м3.

Qиюн(2012) = Oиюн(2012) · Sпруда = 0,0557 м · 3010 м2 = 167,7 м3.

Qиюл(2012) = Oиюл(2012) · Sпруда = 0,0766 м · 3010 м2 = 230,6 м3.

Qавг(2012) = Oавг(2012) · Sпруда = 0,0648 м · 3010 м2 = 195,1 м3.

Qсен(2012) = Oсен(2012) · Sпруда = 0,0388 м · 3010 м2 = 116,8 м3.

Qокт(2012) = Oокт(2012) · Sпруда = 0,0451 м · 3010 м2 = 135,8 м3.

Qноя(2012) = Oноя(2012) · Sпруда = 0,0273 м · 3010 м2 = 82,2 м3.

Qдек(2012) = Oдек(2012) · Sпруда = 0,0493 м · 3010 м2 = 148,4 м3.

Общий объем осадков на площадь пруда за 2012 год:

Qп = УQi, м3,

где: Qi - объем осадков за i-й месяц года, м3.

Qо(2012)= Qо янв + Qо фев + Qо мар + Qо апр + Qо май + Qо июн + Qо июл + Qо авг + Qо сен+ Qо окт + Qо ноя + Qо дек = 121, 6 м3 + 96,9 м3 + 134,9 м3 + 111,1 м3 + 114,7 м3 + 167,7 м3 + 230,6 м3 + 195,1 м3 + 116,8 м3 + 135,8 м3 + 82,2 м3 + 148,4 м3 = 1655,8 м3.

Итого приходная часть объема осадков на площадь зеркала пруда за 2012 год составляет 1655,8 м3:

Qянв(2010) = Oянв(2010) · Sпруда = 0,0302 м · 3010 м2 = 91 м3.

Qфев(2010) = Oфев(2010) · Sпруда = 0,0259 м · 3010 м2 = 78 м3.

Qмар(2010) = Oмар(2010) · Sпруда = 0,0364 м · 3010 м2 = 109,6 м3.

Qапр(2010) = Oапр(2010) · Sпруда = 0,0331 м · 3010 м2 = 99,7 м3.

Qмай(2010) = Oмай(2010) · Sпруда = 0,0341 м · 3010 м2 = 102,6 м3.

Qиюн(2010) = Oиюн(2010) · Sпруда = 0,0517 м · 3010 м2 = 155,6 м3.

Qиюл(2010) = Oиюл(2010) · Sпруда = 0,0699 м · 3010 м2 = 210,4 м3.

Qавг(2010) = Oавг(2010) · Sпруда = 0,0608 м · 3010 м2 = 183 м3.

Qсен(2010) = Oсен(2010) · Sпруда = 0,0345 м · 3010 м2 = 103,9 м3.

Qокт(2010) = Oокт(2010) · Sпруда = 0,0402 м · 3010 м2 = 121 м3.

Qноя(2010) = Oноя(2010) · Sпруда = 0,0241 м · 3010 м2 = 72,5 м3.

Qдек(2010) = Oдек(2010) · Sпруда = 0,0441 м · 3010 м2 = 132,7 м3.

Общий объем осадков на площадь пруда за 2010 год:

Qо(2010)= Qо янв + Qо фев + Qо мар + Qо апр + Qо май + Qо июн + Qо июл + Qо авг + Qо сен+ Qо окт + Qо ноя + Qо дек = 91 м3 + 78 м3 + 109,6 м3 + 99,7 м3 + 102,6 м3 + 155,6 м3 + 210,4 м3 + 183 м3 + 103,9 м3 + 121 м3 + 72,5 м3 + 132,7 м3 = 1460 м3.

Итого приходная часть объема осадков на площадь зеркала пруда за 2010 год составляет 1460 м3

Расчёт объема осадков поступающих в пруд с водосборной площади за теплый период.

Характеристика водосборной территории.

Почвы водосборной территории представлены слабо-эродированными серыми лесными почвами. Почвенный горизонт переуплотнён в результате активного и чрезмерного использования территории для рекреационных целей. Проективное покрытие травянистым фитоценозом составляет около 70%. Водосборная территория имеет уклон в центральную часть (зеркало пруда) в пределах от 17 до 25 градусов. Принимая при расчётах вышеприведенные значения, получаем коэффициент перевода поверхностного стока во внутрипочвенный равным 0,3.

Объем осадков (Qвтi), выпадающих в тёплый период на водосборную площадь пруда по месяцам года:

Qвтi = Оi · Sв, м3 (4.3)

где: Qвтi - объем осадков, выпадающих на водосборную площадь за теплый период за i-й месяц, м3; Оi - количество осадков, за i-й месяц теплого периода, мм; Sв - водосборная площадь пруда, м2.

При расчете объема осадков необходимо привести все числовые значения к единой системе измерения - метры.

Qвт апр(2012) = Оапр(2012) · Sв = 36,9 мм · 17535 м2 = 647,0 м3.

Qвт май(2012) = Омай(2012) · Sв = 38,1 мм · 17535 м2 = 668,1 м3.

Qвт июн(2012) = Оиюн(2012) · Sв = 55,7 мм · 17535 м2 = 976,7 м3.

Qвт июл(2012) = Оиюл(2012) · Sв = 76,6 мм · 17535 м2 = 1343,2 м3.

Qвт авг(2012) = Оавг(2012) · Sв = 64,8 мм · 17535 м2 = 1136,3 м3.

Qвт сен(2012) = Осен(2012) · Sв = 38,8 мм · 17535 м2 = 680,4 м3.

Qвт окт(2012) = Оокт(2012) · Sв = 45,1 мм · 17535 м2 = 790,8 м3.

Qвт ноя(2012) = Оноя(2012) · Sв = 27,3 мм · 17535 м2 = 478,7 м3.

Общий объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда за теплый период, м3:

Qвт = УQвтi , м3

где: Qвт - общий объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда за теплый период, м3; Qвтi - объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда, за i-й месяц теплого периода, м3.

Qвт(2012) = Qвт апр + Qвт май + Qвт июн + Qвт июл + Qвт авг + Qвт сен + Qвт окт + Qвт ноя = 647 м3 + 668 м3 + 976,7 м3 + 1343,2 м3 + 1136,3 м3 + 680,4 м3 + 790,8 м3 + 478,7 м3 = 6721,1 м3.

Объем осадков (Qвтi), выпадающих в тёплый период на водосборную площадь пруда по месяцам года:

Qвт апр(2010) = Оапр(2010) · Sв = 33,1 мм · 17535 м2 = 580,4 м3.

Qвт май(2010) = Омай(2010) · Sв = 34,1 мм · 17535 м2 = 597,9 м3.

Qвт июн(2010) = Оиюн(2010) · Sв = 51,7 мм · 17535 м2 = 906,6 м3.

Qвт июл(2010) = Оиюл(2010) · Sв = 69,9 мм · 17535 м2 = 1225,7 м3.

Qвт авг(2010) = Оавг(2010) · Sв = 60,8 мм · 17535 м2 = 1066 м3.

Qвт сен(2010) = Осен(2010) · Sв = 34,5 мм · 17535 м2 = 605 м3.

Qвт окт(2010) = Оокт(2010) · Sв = 40,2 мм · 17535 м2 = 705 м3.

Qвт ноя(2010) = Оноя(2010) · Sв = 24,1 мм · 17535 м2 = 422,6 м3.

Общий объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда за теплый период, м3:

Qвт = УQвтi , м3

где: Qвт - общий объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда за теплый период, м3; Qвтi - объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда, за i-й месяц теплого периода, м3.

Qвт(2010) = Qвт апр + Qвт май + Qвт июн + Qвт июл + Qвт авг + Qвт сен + Qвт окт + Qвт ноя = 580,4 м3 + 597,9 м3 + 906,6 м3 + 1225,7 м3 + 1066 м3 + 605 м3 + 705 м3 + 422,6 м3 = 6109,2 м3.

Поверхностный сток с водосборной площади (Qст) в пруда за теплый период вычисляется по формуле:

Qст = 0,15 · Qвт, м3

где: Qст - объем поверхностного стока с водосборной площади в пруд за теплый период, м3; Qвт - объем осадков, выпадающий за тёплое время года на водосборную площадь пруда, м3; 0,15 - коэффициент поверхностного стока вод для рассматриваемого педоценоза.

Qст(2012) = 0,15·Qвт(2012) = 0,15·6721,1 = 1008,2 м3.

Qст(2010) = 0,15·Qвт(2010) = 0,15·6109,2 = 916,4 м3.

Расчёт объема осадков, поступающих в пруд за холодный период.

Объём стока с водосборной площади для пруда за холодный период (Wт) вычисляется по формуле:

Wт = Hт · Kт · Kв · Sв, м3

где: Wт - объём стока с водосборной площади для пруда за холодный период, м3; Hт - количество осадков за холодный период со средними температурами ниже 0°С, мм:

Hт = УQвхi, м3

где: Qвхi - объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда, за i-й месяц холодного периода, м3; Hт - количество осадков за холодный период со средними температурами ниже 0°С, мм.

Hт(2012)=УQвхi(2012)=Одек + Оянв + Офев + Омар = 49,3+40,4+32,2+44,8 = 166,7 мм (0,1667 м);

Hт(2010)=УQвхi(2010)=Одек + Оянв + Офев + Омар = 44,9+30,2+25,9+36,4 = 137,4 мм (0,1374 м).

Kт - коэффициент, учитывающий объем стока талых вод в зависимости от условий снеготаяния (определяется по табл. 4.2);

Kв - коэффициент, учитывающий вывоз снега с территории (т.к. на водосборной площади в зимний период не производится вывоз снега, Kв равен 1).

Таблица 4.2. Коэффициент, учитывающий объем стока талых вод в зависимости от условий снеготаяния

Зона по условиям стока талых вод	1	2	3	4
Kт	0,47	0,56	0,69	0,77

Sв - водосборная площадь пруда, м2.

Территория Курской области относится к 2 зоне по условиям стока талых вод.

При расчете объема осадков необходимо привести все числовые значения к единой системе измерения - метры.

Объём стока с водосборной площади для пруда за холодный период составит:

Wт(2012) = Hт(2012) · Kт · Kв · Sв = 0,1667 м · 0,56 · 1 · 17535 м2 = 1637 м3;

Wт(2010) = Hт(2010) · Kт · Kв · Sв = 0,1374 м · 0,56 · 1 · 17535 м2 = 1349 м3.

Итого приходная часть водного баланса (QП) пруда, м3, составит:

QП = Qo + Qст + Wт, м3

где: QП - приходная часть водного баланса пруда, м3; Qo - общий объем осадков на площадь пруда за год, м3; Qст - объем поверхностного стока с водосборной площади в пруд за теплый период, м3; Wт - объём стока с водосборной площади для пруда за холодный период, м3;

QП(2012) = Qo(2012) + Qст(2012) + Wт(2012) = 1655,8 м3 + 1008,2 м3 + 1637 м3 = 4301,0м3;

QП(2010) = Qo(2010) + Qст(2010) + Wт(2010) = 1460 м3 + 916,4 м3 + 1349 м3 = 3725,4 м3.

Расчёт расходной части водного баланса пруда.

Для расчёта расходной части водного баланса пруда нами были выбраны потери на испарение воды с поверхности пруда за счёт теплового нагревания.

Таблица 4.3. Средняя температура воздуха по месяцам года за теплый период в самый дождливый (2012) и самый засушливый (2010) годы

Месяц	Температура, 0°С (2012 г.)	Температура, 0°С (2010 г.)	El (2012 г.)	El (2010 г.)
Апрель	+14,4	+15,1	6,2	7,5
Май	+23,8	+24,2	7,2	8,1
Июнь	+26,4	26,6	7,3	7,9
Июль	+28,2	31,2	7,5	9,3
Август	+25,2	26,2	7,2	8,1
Сентябрь	+16,7	18,7	6,4	6,9
Октябрь	+12,1	14,1	6,0	7,3
Ноябрь	+5,4	7,1	5,7	6,3

Таблица 4.4. Средняя скорость ветра по месяцам года, м/с.

Месяц	Средняя скорость ветра, м/с
Январь	5,2
Февраль	5,3
Март	4,5
Апрель	4,0
Май	3,7
Июнь	3,8
Июль	3,0
Август	3,6
Сентябрь	3,8
Октябрь	4,9
Ноябрь	5,0
Декабрь	5,2

Испарение с поверхности пруда за i-й месяц (Hисп i), мм, вычисляется по формуле:

Hисп i = 11,6 · (Eli - e0) ·Bi · t, мм

где: Hисп i - слой испарения в водной чаше испаромера (3000 см2) за месяц (мм); 11,6 - коэффициент, учитывающий удельную всасывающую атмосферы; Eli - максимальная упругость водяных паров при заданной среднемесячной температуре воздуха, большей 0°С; e0 - парциальное давление водяного пара в воздухе (безразмерная постоянная величина равная 1,2); Bi - коэффициент, учитывающий силу ветра:

Bi = 1 + 0,134·Vв, м/с

где: Vв - средняя скорость ветра за месяц, м/с; t - расчётное время испарения (в месяцах).

Расчёт испарения с поверхности пруда за наиболее дождливый (2012) год.

Hисп.апр(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(6,2-1,2)·(1+0,134·4)·1=11,6·5·1,5=87мм.

Hисп.май(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,2-1,2)·(1+0,134·3,7)·1=11,6·6·1,5=104,4мм.

Hисп.июн(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,3-1,2)·(1+0,134·3,8)·1=11,6·6,1·1,5=106,1мм.

Hисп.июл(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,5-1,2)·(1+0,134·3)·1=11,6·6,3·1,4=102,3мм.

Hисп.авг(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,2-1,2)·(1+0,134·3,6)·1=11,6·6·1,5=104,4мм.

Hисп.сен(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(6,4-1,2)·(1+0,134·3,8)·1=11,6·5,2·1,5=90,5мм.

Hисп.окт(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(6,0-1,2)·(1+0,134·4,9)·1=11,6·4,8·1,7=94,7мм.

Hисп.ноя(2012)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6· (5,7-1,2)·(1+0,134·5)·1=11,6·4,5·1,7=88,7мм.

Общее количество испарений за теплый период с поверхности пруда, мм 4.(11):

Hисп = УHисп i, мм

где: Hисп - общее количество испарений за теплый период с поверхности пруда, мм.; Hисп i - слой испарения в водной чаше за i-й месяц теплого периода, мм.

Общее количество испарений за теплый период с поверхности пруда составит:

Hисп(2012)=Hисп апр+Hисп май+Hисп июн +Hисп июл+Hисп авг+Hисп сен+Hисп окт+Hисп ноя= 87+104,4+106,1+102,3+104,4+90,5+94,7+88,7=778,1 мм.

Объем испарения с поверхности пруда, м3, за теплый период (Qисп) найдем по формуле:

Qисп = 10033,3·Hисп, м3

где: Qисп - объем испарения с поверхности пруда за теплый период, м3; 10033,3 - коэффициент перевода площади чаши испаромера (3000 см2) к площади пруда Sв (17535 м2).

При расчете объема осадков необходимо привести все числовые значения к единой системе измерения - метры:

Qисп(2012) = 10033,3·Hисп(2012) = 10033,3·0,7781 =7806,9м3.

Расчёт испарения с поверхности пруда за наиболее засушливый (2010) год.

Hисп.апр=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,5-1,2)·(1+0,134·4)·1=11,6·6,3·1,5=109,6мм.

Hисп.май(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(8,1-1,2)·(1+0,134·3,7)·1=11,6·6,9·1,5=120мм.

Hисп.июн(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,9-1,2)·(1+0,134·3,8)·1=11,6·6,7·1,5=116,6мм.

Hисп.июл(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(9,3-1,2)·(1+0,134·3)·1=11,6·8,1·1,4=131,5мм.

Hисп.авг(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(8,1-1,2)·(1+0,134·3,6)·1=11,6·6,9·1,5=120мм.

Hисп.сен(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(6,9-1,2)·(1+0,134·3,8)·1=11,6·5,7·1,5=99,2мм.

Hисп.окт(2010)=11,6·(El-e0)·B·t=11,6·(7,3-1,2)·(1+0,134·4,9)·1=11,6·6,1·1,7=120,3мм.

Hисп.ноя(2010)=11,6·(El-e0) ·B·t=11,6· (6,3-1,2)·(1+0,134·5)·1=11,6·5,1·1,7=100,6мм.

Общее количество испарений за теплый период с поверхности пруда, мм:

Hисп(2010)=Hисп апр+Hисп май+Hисп июн +Hисп июл+Hисп авг+Hисп сен+Hисп окт+Hисп ноя= 109,6+120+116,6+131,5+120+99,2+120,3+100,6=917,8 мм.

Объем испарения с поверхности пруда, м3, за теплый период (Qисп) найдем по формуле:

Qисп = 10033,3·Hисп, м3.

Qисп(2010) = 10033,3·Hисп(2010) = 10033,3·0,9178 =9208,6м3.

Расчёт объемов заиления пруда.

В качестве основного источника процесса заиления нами был выбран процесс водной эрозии водосборной площади пруда и перенос смытой части почвенного профиля на дно рассматриваемого водоема. Откладываемая на дне минеральная и органическая часть смытой почвы приводит к уменьшению уровня воды в водоеме за счет поднятия уровня дна и развитию начальных стадий болотообразования в пруду.

Смыв почвенного горизонта с водосборной площади пруда за теплый период (Эт(л)) рассчитывается по формуле:

Эт(л) = 0,57 · Кт(л) · Rоб · П · Qвт, т/га

где: Эт(л) - потенциальный смыв от стока вод (т/га); 0,57 - коэффициент перевода единиц измерения Qвт (м3) для водосборной площади (Sв) в используемые в (12) м3/га. Для этого необходимо значение Qвт разделить на Sв и умножить на 10000 (количество м2 в 1 га), соответственно получим 0,57. Кт(л) - эродирующая способность стока вод (т/га) (0,03 (т/га)); Rоб - обобщённый коэффициент эрозионного потенциала рельефа (0,175); П - коэффициент относительной смываемости почв (0,1); Qвт - общий объем осадков, поступающих на водосборную площадь пруда за теплый период, м3.

Смыв почвенного горизонта с водосборной площади пруда за теплый период 2012 года составит:

Эт(л) = 0,57 · Кт(л) · Rоб · П · Qвт(2012) = 0,57 · 0,03 · 0,175 · 0,1· 6721,1= 2 (т/га).

Смыв почвенного горизонта с водосборной площади пруда за теплый период 2010 года составит:

Эт(л) = 0,57 · Кт(л) · Rоб · П · Qвт(2010) = 0,57 · 0,03 · 0,175 · 0,1· 6109,2= 1,8 (т/га).

Объем смытой почвы (Vп), вызывающей заиливание пруда рассчитаем по формуле:

Vп = 0,1·Эт(л) · Sв / сп , м3

где: Vп - объем смытой почвы, вызывающей заиливание пруда, м3; 0,1 - коэффициент перевода смыва т/га в кг/м2; Эт(л) - смыв почвенного горизонта с водосборной площади пруда за теплый период, т/га; Sв - водосборная площадь пруда, м2; сп - плотность твердой фазы почвы, кг/м3. Плотность твердой фазы переуплотненных серых лесных почв составляет 1,8 г/см3, или 2600 кг/м3.

Объем смытой почвы за 2012 год, вызывающей заиливание пруда составит:

Vп = 0,1·Эт(л)(2012) · Sв / сп = 0,1 · 2 · 17535 / 2600 = 1,35 м3.

Объем смытой почвы за 2010 год, вызывающей заиливание пруда составит:

Vп = 0,1·Эт(л)(2010) · Sв / сп = 0,1 · 1,8 · 17535 / 2600 = 1,2 м3.

Расчёт изменения объема пруда.

Изменение объема пруда будет отражаться на высоте водного зеркала над поверхностью дна. Изменение уровня водного зеркала пруда происходит в результате взаимодействия факторов, вызывающих как его поднятие, так и его опускание.

Факторы, вызывающие увеличение водного объема пруда - это объем осадков, выпадающих непосредственно над поверхностью пруда (Qo), поверхностный сток с водосборной площади (Qст) в пруд за теплый период, объём стока с водосборной площади для пруда за холодный период (Wт).

Факторы, вызывающие уменьшение водного объема пруда - это общий объем испарений за теплый период с поверхности пруда (Qисп).

Общее уравнение водного баланса пруда j-го года:

Bоj = QП j - Qисп j, м3

где: Bоj - величина, обозначающая размер изменения водного баланса пруда; QПj - приходная часть водного баланса (QП) пруда, м3; Qиспj - общий объем испарений за теплый период с поверхности пруда.

Bо(2012) = QП(2012) - Qисп(2012) = 4301-7806,9 = -3505,9м3.

Bо(2010) = QП(2010) - Qисп(2010) = 3725,4-9208,6 = -5483,2м3

Изменение уровня водного зеркала пруда за j-й год можно рассчитать по формуле:

ДНj = (Bоj - Vпj) / Sвj, м

где: ДН - изменение уровня водного зеркала; Bоj - величина, обозначающая размер изменения водного баланса пруда; Vп - объем смытой почвы, вызывающей заиливание пруда; Sв - водосборная площадь.

ДН(2012) = (Bо(2012) - Vп(2012) / Sв(2012) = (-3505,9 - 1,35) / 17535 = -0,2 м;

ДН(2010) = (Bо(2010) - Vп(2010) / Sв(2010) = (-5483,2 - 1,2) / 17535 = -0,31 м.

Итого: изменение уровня водного зеркала пруда составит: -0,2 м за дождливый год; изменение уровня водного зеркала пруда составит: -0,31 м за засушливый год.

Среднее значение изменения уровня водного зеркала за год составит:

(-0,2+(-0,31)) / 2 = -0,25 м.

Рассчитаем время полной деградации водоёма при его глубине 2 м:

2 м / 0,25 м = 8 лет.

Итого: время полной деградации рассматриваемого водоёма составит 8 лет.

Заключение

В данной работе были произведены расчёты и установлены причины, из-за которых происходит деградация рассматриваемого объекта - пруда. Основной причиной деградации пруда является превышение объёмов испарения, и заиления над объёмом приходной части воды в водоём. Изменение уровня водного зеркала пруда происходит в результате взаимодействия факторов, вызывающих как его поднятие, так и его опускание. Уровень воды в водоёме определяется водным балансом пруда и почвенными наносами, поступающими в пруд в тёплый период в результате смыва почвенного слоя во время выпадения обильных осадков.

Проявления процесса деградации водных объектов, который можно определить как утрату ими используемых человеком свойств и ресурсов, по своей природе весьма различны. К ним относятся такие события, как разрушение структурно-функциональной организации водных экосистем, снижение водохозяйственного, рыбохозяйственного и рекреационного потенциалов водных объектов, снижение видеоэкологических свойств, определяюших социальную привлекательность территории проживания людей.

Рассмотрев общую характеристику водоёма и изучив основные фазы процесса деградации городских водных объектов и заболачивание, установлено, что в недалёком будущем данный пруд прекратит своё существование. Если сложившаяся тенденция изменения уровня воды в данном водоёме не изменится в ближайшее время, то для его полного исчезновения потребуется около 8 лет.

водный заболачивание пруд

Список используемой литературы

1. Баренбойм, Г.М. Совершенствование системы экологического мониторинга / Г.М. Баренбайм. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2012. - С. 446-477.

2. Безносов, В.Н. Инженерно-экологический мониторинг и реальные пути экологического обустройства малых рек / В.Н. Безносов, В.Б. Родионова, А.А. Суздалева. - М.: ОАО НИИЭС, 2004. - С. 206-220.

3. Богословский, Б.Б. Озероведение / Б.Б. Богословский. - М.: Издательство ФГУП «Типография Россельхозакадемии», 2012. - 320 с.

4. Винберг, Г.Г. Общие основы изучения водных экосистем / Г.Г. Винберг. - СПб.: Наука, 2004. - С. 114-119.

5. Горюнова, С.В. Основные этапы развития чрезвычайной ситуации в прибрежной зоне морского курорта / С.В. Горюнова. - М.: РУДН, 2004. - С. 114-122.

Размещено на Allbest.ru