Розрахункова робота №4. Забруднення атмосфери аерозолями та його вплив на здоров'я людини.

Мета роботи: усвідомити небезпеку для здоров'я людини антропогенного забруднення атмосфери аерозолями.

Теоретичні відомості

Атмосферою (від грецького «атмос» - пара, «сфера» - куля) називають зовнішню газову оболонку Землі. Чисте сухе атмосферне повітря є сумішшю газів, яка складається переважно з азоту (78%), кисню (21%), аргону (0,9%), вуглекислого газу (0,03%). Склад атмосферного повітря дуже швидко змінюється за рахунок надходження в атмосферу твердих частин (попіл і пил) та різноманітних газоподібних речовин.

Існує фізичне і хімічне забруднення атмосфери. Внаслідок господарської діяльності у повітряний басейн сучасних промислових зон та великих міст надходять домішки антропогенного характеру, органічних кислот, ефірів, нітросполук, ароматичних вуглеводі тощо. Для більшості з них встановлені норми ГДК (гранично-допустимі концентрації).

Хід роботи

Відносна частка площі легень людини, яку можуть покрити тверді частинки пилу протягом років проживання на територіях з різним рівнем забруднення атмосфери аерозолями. Для проведення розрахунків вихідними умовами служать:

—вік людини, щодо якого проводимо розрахунок;

—концентрація частинок пилу в повітрі;

—середній розмір частинок пилу;

—середній об'єм повітря, яке вдихає людина за рік (див. табл. 1).

—

Таблиця 1. Середній об'єм повітря, який вдихає людина

Вік	Об'єм повітря за рік, м^З	Кількість років	Всього, м^3
до 1 року
1-2 роки
2-7 років
до 1 року
1-2 роки
2-7 років
7-12 років
12-17 років
> 17 років		п	8109 п

 

Частку площі легень, вкриту пилом, розраховують за формулою:

Р = S₁/S₂, (4)

 

де S₁- середньостатистична площа легень людини, яка при­близно рівна 125 м; S₂- площа, яку можуть вкрити одинарним шаром частинки пилу, що потрапили в легені.

Ця площа визначається за формулою:

S₂=S₀·N₀(5)

де Sо - площа, яку покриває одна частинка; N - кількість частинок, які містяться у легенях.

Площа, яку покриває одна сферична частинка пилу радіусом r, рівна

S₀ = π r ²(6)

 

а кількість частинок, які осідають у легенях, визначається за об'ємом повітря V, що вдихає людина за Т років, а саме:

N₀ = С·V·к₁(1-к₂)(7)

 

де С - концентрація частинок пилу в повітрі, шт./м; V- середній об'єм повітря, який вдихає людина протягом Т років, м (визначається за табл. 1); к₁ - коефіцієнт, що враховує, яка частка пилу, що потрапляє в легені, залишається в них (к₁=0,1); к₂ - коефіцієнт, що враховує частку пилу, яка потрапивши у легені, з часом розсмоктується (к₂=0,9).

Варіанти завдань наведені у табл. 2.

 

Таблиця 2. Варіанти індивідуальних завдань

№з/п	Радіус часточок г, мкм	Концентрація пилу С, шт./см^З	Вік людини Т, роки	Р
	0,10	0,5 103
	0,11	1,0 103
	0,12	5,0 103
	0,13	10,0 103
	0,14	30,0 103
	0,15	50,0 103
	0,16	60,0 103
	0,17	100,0 103
	0,18	200,0 103
	0,19	400,0 103
	0,20	0,5 103
	0,21	1,0 103
	0,22	5,0 103
	0,23	10,0 103
	0,24	30,0 103
	0,25	50,0 103
	0,26	60,0 103
	0,27	100,0 103
	0,28	200,0 103
	0,29	400,0 103
	0,5	0,5 103
	0,31	1,0 103
	0,32	5,0 103
	0,33	10,0 103
	0,34	30,0 103
	0,35	50,0 103
	0,36	60,0 103
	0,37	100,0 103
	0,38	200,0 103
	0,39	400,0 103

Знайти відносну частку площі легень людини, яку додатково можуть покрити частинки диму від паління цигарки протягом і років. Вихідні дані для проведення обчислень:

—кількість років, протягом яких людина палить;

—маса смоли, що утворюється при спалюванні однієї цигар­ки;

—кількість цигарки, яку в середньому випалює один курець за один день;

—середній розмір частинок диму.

Спочатку знаходимо скільки сферичних частинок смоли радіусом г, які утворюються при спалюванні однієї сигарети, за формулою:

n = M/m (8)

 

де М- маса смоли, що утворюється при спалюванні однієї цигарки; р - густина смоли, яку приймаємо рівною 110 кг/м; m - маса однієї частинки диму радіусом r.

Далі визначаємо кількість цигарки, яку випалює курець за tроків при викурюванні g цигарок за один день, за формулою:

n₁= 365gt (9)

 

Потім знаходимо кількість частинок смоли, що осідають у легенях, за формулою:

де к₁ - коефіцієнт, який враховує частку диму, що потрапляє в легені та залишається в них (к₁=0,1), і к₂ - коефіцієнт, що враховує частку диму, який, потрапивши в легені, з часом розсмоктується (k₂ =0,5).

Далі знаходимо площу, яку покривають частинки диму, за формулою:

 

S₃= π r ² ·N1 = 274 M·g·t·k1(1-k2) / pr ³ (10)

 

Звідси, частка легень, покрита частками диму, рівна:

P=S₃/S₁ (11)

 

Варіанти завдань наведені в табл. 3. При проведенні розрахунків приймаємо, що частинки диму мають радіус 0,1 мкм.

 

№ з.п	Маса смоли, утворюється при спалювані однієї цигарки, M	Кількість цигарок, які випалює курець за один день, g	Кількість років куріння, t	Р
	0,50
	0,51
	0,52
	0,53
	0,54
	0,55
	0,56
	0,57
	0,58
	0,59
	0,61
	0,58
	0,43
	0,81
	0,63
	0,54
	0,59
	0,51
	0,50
	0,74
	0,63
	0,55
	0,49
	0,65
	0,78
	0,71
	0,52
	0,53
	0,61
	0,67

Таблиця 3. Варіанти індивідуальних завдань

Завдання:

1. Визначити відносну частку площі легень людини, яку можуть покрити тверді частинки пилу протягом років проживання на територіях з різним рівнем забруднення атмосфери аерозолями.

2. Знайти відносну частку площі легень людини, яку додатково можуть покрити частинки диму від паління цигарки протягом і років.

3. Зробити висновок про вплив запиленості атмосферного повітря на стан легенів людини, порівнявши здобуті результати розрахунків для різного ступеня запиленості атмосфери.

Контрольні запитання:

1. Опишіть складові природного середовища.

2. Назвіть основні види забруднення гідросфери.

3. Назвіть основні види забруднення літосфери.

4. Опишіть екологічні проблеми, які виникли унаслідок забруднення природного середовища.

5. Які екологічні проблеми, що пов'язані з забрудненням атмосфери, відносяться до глобальних?

а) утворення смогів та випадання кислотних дощів;

б) випадання кислотних дощів та підвищення середньої температури Землі;

в) зменшення вмісту озону в верхніх шарах атмосфери та підвищення середньої температури Землі;

г) зменшення вмісту озону в верхніх шарах атмосфери та ут­ворення смогів;

д) випадання кислотних дощів та зменшення вмісту озону в верхніх шарах атмосфери.

 

Література: [11],[12]

Розрахункова робота № 5. Визначення санітарних зон навколо водозабору.

 

Мета: навчитись розраховувати СЗЗ за різних природних умов.

Обладнання: методичний посібник, калькулятор.

Теоретичні відомості

Розраховуючи зони санітарної охорони (ЗСО), необхідно послуговуватися нормативним документом «Рекомендації з гідрогеологічних розрахунків визначення меж зон санітарної охорони підземних джерел господарсько-питного водопостачання» (М., 1983), постановою Кабінету Міністрів України № 2024 від 18.12.1998 р. і будівельними нормами ВБН 46//33-2.5-5-96. Відповідно до цих документів ЗСО має три пояси, в межах яких здійснюють спеціальні заходи, що унеможливлюють потрапляння забруднюючих речовин у водоносний горизонт в пункті водозабору. Перший пояс є зоною суворого режиму, межі якої встановлюють в радіусі ЗО м від джерела водопостачання. За сприятливих геолого-гідрогеологічних умов і за погодженням з місцевими органами СЕС відстань його можна зменшувати до 10 м. 2-й і 3-й пояси є зонами обмежень. 2-й пояс ЗСО передбачає захист водоносного горизонту від мікробного, 3-й - від хімічного забруднення. Відстань від кордону другого поясу ЗСО до свердловини на основі розрахункового часу (просування мікробного забруднення з потоком підземних вод до водозабору) повинна бути достатньою для ефективного самоочищення - втрати життєспроможності і вірулентності (отруйності) патогенних мікроорганізмів.

Контур другого поясу ЗСО визначають, вдаючись до гідродинамічних розрахунків, маючи на увазі, що забруднення, яке потрапляє у водоносний горизонт за контурами ЗСО через зону аерації (збагачення на кисень) або безпосе­редньо, не досягне водозабору.

За характером забруднюючих речовин розрізняють мікробне і хімічне забруднення підземних вод. Мікробне забруднення відбувається внаслідок потрапляння у водоносний горизонт неочищених стічних вод (господарсько- побутових, дощових і вод, що інфільтруються з територій життєвих і промислових забудов, тваринницьких і птахоферм, полів асенізації, аварійних витоків і викидів із каналізаційних мереж і споруд), а також забруднених ними річкових вод. Основними джерелами хімічного забруднення є стічні води виробництв, що потрапляють у водоносні горизонти з територій промислових підприємств, накопичувачів відходів та інших об'єктів акумуляції відходів; поверхневі води, забруднені сільськогосподарськими добривами і отрутохімікатами; скидання отрутохімікатів, мінеральних добрив, паливно-мастильних матеріалів та ін.

Для поверхневих водойм і річок встановлюють аналогічні санітарно-захисні зони (СЗЗ) - місцевості певної площі, в межах якої не допускається ведення господарських робіт, здатних погіршити якість води у підземному джерелі.

Геометричні параметри СЗЗ залежать від гідродинамічних характеристик у водоносному горизонті за встановленого режиму водозабору, геологічних і гідрогеологічних умов території та ін.

Ширину області захоплення водозабірної споруди визначають величиною 2d.

 

d=2TQ/m_ьn (R + r),

 

де d - підширина області захоплення, м; Q - добова продуктивність водозабірних споруд, м³/добу; n - активна пористість ґрунту, що складає водоносний шар; m_ь - потужність водоносного пласта; Т - розрахунковий час просування осередку забруднення до водозабірної споруди, діб; R - величина основного захоплення (в напрямку руху води), м; г - протяжність ЗСО вниз по потоку; q - одинич­на витрата потоку; N - водороздільна точка; L - довжина СЗЗ (рис. 1).

Рис. 1. Основні параметри розрахунку ЗСО (лініями на рисунку показано основні маршрути надходження води при водозаборі)

 

Одиничну витрату на 1 м ширини потоку підземних вод у місці розташування водозабору в природних умовах виз­начають за формулою:

де і - величина нахилу водної поверхні; К_ф - коефіцієнт фільтрації.

Віддаль від водозабору до вододільної точки становить:

Величину основного захоплення емпірично описують рівнянням:

R=((q×T)/ ( m_ь×n))+3×X_p

 

Величина другорядного захоплення дорівнює: r~X_p

Загальна протяжність СЗЗ в довжину становить: а = R + r.

Послуговуючись наведеними формулами, можна розрахувати основні геометричні характеристики СЗЗ для водозабірного майданчика з кількох відносно незалежних свердловин, неподалік якого є малопотужне джерело мікробіологічного забруднення. Час міграції забруднювачів від межі СЗЗ до водозабірної свердловини становить 200 діб, а дані геологічних та гідрогеологічних досліджень такі:

а) одинична витрата становить:

б) віддаль від водозабору до вододільної точки:

в) величина основного захоплення:

г) величина другорядного захоплення:

д) загальна протяжність СЗЗ:

Отже, СЗЗ повинна мати таку ширину:

 

Тобто для належного захисту водозабору необхідно спроектувати СЗЗ шириною 394,13 м і загальною довжиною 448,33 м (364,82 м проти і 83,51 м в напрямку потоку).

Завдання

1. Розрахувати СЗЗ для проектного водозабору (варіанти завдань наведено у таблиці).

2. Зробити висновок.

 

Таблиця.

№	Продуктивність, тис. м^3/добу	Потужність водоносного горизонту, м	Коефіцієнт фільтрації, м/добу	Активна пористість порід	Нахил водного дзеркала	Час міграції вірогідних забруднень. доба
	1,0		9,5	0,2	0,002
	1,0		7,3	0,1	0,002
	2,0		5,6	0,3	0,014
	2,0		8,2	0,8	0,012
	0,5		1,6	0,2	0,001
	0,8		4,3	0,6	0,001
	0,7		2,6	0,4	0,003
	0,1,2		8,7	0,2	0,004
	1,6		9,6	0,1	0,012
	0,8		4,6	0,9	0,02
	0,79		8,5	0,2	0,06
	1,26		6,7	0,4	0,014
	1,56		8,4	0,3	0,002
	2,0		8,1	0,6	0,003
	3,68		3,6	0,2	0,004
	4,56		9,6	0,7	0,005
	3,2		9,5	0,5	0,024
	5,6		6,8	0,4	0,002
	4,2		7,3	0,2	0,002
	2,8		5,4	0,2	0,001
	2,1		6,3	0,8	0,003
	3,5		4,9	0,75	0,001
	3,9		7,7	0,15	0,001
	2,8		5,2	0,26	0,005
	2,6		6,4	0,35	0,003
	2,2		9,1	0,86	0,012
	2,1		9,0	0,14	0,023
	1,6		7,6	0,18	0,015
	1,85		5,8	0,32	0,016
	1,92		4,3	0,31	0,017

 

Розрахунковий період експлуатації водозабору - 25 років.

Виконання практичної роботи дасть змогу переконатися у тому, що обчислені параметри СЗЗ забезпечать довготривале використання підземних вод для питного водопостачання без проникнення вірогідного забруднювача. Аналогічні розрахунки студент повинен здійснювати для різних природних умов.

Контрольні запитання:

1. Що таке ЗСО?

2. Що таке СЗЗ?

3. На які нормативні документи необхідно опиратись, розраховуючи ЗСО?

4. Охарактеризуйте поняття «пояси ЗСО».

5. Від чого залежать геометричні параметри СЗЗ?

6. На які групи поділяють забруднюючі речовини за характером?