Изучение взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов и концентрацией растворенного кислорода в воде

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ

1.1 Источники поступления тяжелых металлов в водные объекты

1.2 Поведение тяжелых металлов в экосистеме водоема

1.3 Факторы, влияющие на содержание тяжелых металлов в поверхностных водах

2. ОБЪЕКТ, ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект и предмет исследований

2.2 Методы исследований

3. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА НА СОДЕРЖАНИЕ МАРГАНЦА В ВОДЕ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все водные объекты испытывают в той или иной степени антропогенное влияние. Особенно оно контрастно для водоемов, находящихся на урбанизированных территориях, где наряду с глобальным поступлением токсикантов с атмосферными осадками присутствует риск локального загрязнения. Развитие промышленности и сельского хозяйства в последние десятилетия шло в основном с использованием традиционных методов без особого учета современных экологических требований. Все это привело к проблеме качества водных ресурсов, так как они наиболее подвержены антропогенному прессу. Несмотря на то, что в последние годы повсеместно наблюдается сокращение промышленного производства, данная проблема усугубляется недостаточной эффективностью водоохранных мероприятий в коммунальном хозяйстве городов. Значителен в городах смыв загрязняющих веществ ливневыми и талыми водами. Увеличение количества автотранспортных средств, а также сопутствующий этому рост числа обслуживающих предприятий (заправочных, моечных, ремонтных мастерских) ведет к усилению загрязнения атмосферного воздуха в городах и, соответственно, водных объектов. Необходимость данных исследований не вызывает сомнений, так как большинство водоемов городской зоны используются для проведения культурно-массовых, спортивных и других мероприятий [2,9,18].

Принимая активное участие в перераспределении путей миграции тяжелых металлов, поверхностные воды служат источниками вторичного загрязнения сельскохозяйственных экосистем при поливном земледелии и тем самым способствовать накоплению этих токсикантов в продуктах питания [18].

Таким образом, исследования экологического состояния водной среды региона являются актуальной задачей, так как большинство водоемов городской зоны используются для проведения культурно-массовых, спортивных и других мероприятий [4].

Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия. Поскольку такая экосистема включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы - гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов между отдельными компонентами экосистемы имеют весьма важное значение. Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций [7,19].

К сложной и многогранной проблеме, которую представляют собой химические загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и которая охватывает различные дисциплины и уже превратилась в самостоятельную междисциплинарную область знаний, профессиональный интерес проявляют не только химики-аналитики, биологи и экологи (их деятельность традиционно связана с этой проблемой), но и медики [6,10].

Целью данной курсовой работы явилось изучение взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов и концентрацией растворенного кислорода в воде.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

-определить наличие и тесноту связи между содержанием тяжелых металлов и концентрацией растворенного кислорода в воде;

-выявить зависимость изменения содержания тяжелых металлов от изменения концентрации растворенного кислорода в воде.

Объект исследований - вода Волгоградского водохранилища.

Предмет исследований - взаимосвязь между содержанием тяжелых металлов и концентрацией растворенного кислорода в воде.



1. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ

1.1 Источники поступления тяжелых металлов в водные объекты

Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжелые металлы. К ним относятся химические элементы с относительной атомной массой свыше 40 и плотностью более 5 г/см3, хотя некоторые к тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой свыше 50 и плотностью более 6 г/см3.

Термин «тяжелые металлы» заимствован с технической литературы, где металлы делятся на тяжелые и легкие. В растениях тяжелые металлы входят в группу микроэлементов наряду с физиологически необходимыми, такими как цинк, медь, железо, марганец, молибден, кобальт и др. Все без исключения микроэлементы могут оказывать отрицательное влияние на растения, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Это связано с тем, что действие любых химических веществ носит строго дозовый характер. Поэтому термин «тяжелые металлы» следует применять в негативном плане по отношению к более токсичным, не нужным растению элементам, а термин микроэлементы - по отношению к физиологически полезным [14].

В настоящее время известно значительное число источников непосредственного загрязнения водоема металлами как природного, так и антропогенного происхождения при бытовой и производственной деятельности человека. Такими источниками тяжелых металлов в водоемах являются атмосферные осадки, промышленные отходы, естественная эрозия, стоки с почв, сбросные воды ирригационных систем, городские, промышленные и бытовые стоки, добыча и выплавка металлов, ископаемое топливо, процессы горения (при котором выделяется свинец и другие металлы), рециркуляция твердых отходов [21].

При ведении сельскохозяйственного производства вымывание остатков удобрений и ядохимикатов из плодородного слоя почвы также вносит вклад в загрязнение водоемов определенными микроэлементами [17].

Еще один путь загрязнения вод - это самоосаждение загрязняющих веществ из воздуха, в котором содержатся выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы. Находящиеся в воздухе частицы могут увлекаться осадками на поверхность водоемов.

Также источниками загрязнения тяжелыми металлами являются предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.

Также угрозу для пресноводных водоёмов представляют стоки, сбрасываемые рыбоводческими хозяйствами, ввиду широкого применения ими фармацевтических средств борьбы с болезнями рыб.

Быстрое загрязнение подземных вод вокруг городов. Источник -- возрастающее число загрязнённых скважин вследствие неправильной эксплуатации.

Лесные хозяйства и открытый дренаж -- источники большого количества веществ, попадающих в пресную воду, в первую очередь железа, алюминия и кадмия. С ростом деревьев кислотность лесной почвы увеличивается, и проливные дожди образуют очень кислые стоки, губительные для живой природы.

Основными источниками загрязнения и засорения водоемов является:

· недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов;

· сбросы водного и железнодорожного транспорта; отходы первичной обработки льна, пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т.д.);

· в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.

Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в т.ч. и токсические, и содержащие яды.

К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

1.2 Поведение тяжелых металлов в экосистеме водоема

При оценке состояния экосистемы важно учитывать загрязненность водного объекта токсичными веществами. Наибольшую опасность среди них представляют тяжелые металлы. Известно, что в определенных концентрациях они не только влияют на качество пресных вод, но и становится токсичными для гидробионтов и аккумулируются в их тканях. По трофическим цепям металлы могут попадать в организм человека. Эти обстоятельства и обуславливают необходимость исследования загрязненности водой среды тяжелыми металлами.

Особенностью поведения тяжелых металлов в водных экосистемах является то, что они не подвержены радиоактивному распаду как радионуклиды, не разлагаются и не деградируют, как токсичные органические вещества. Металлы не исчезают из водных экосистем, а постоянно перераспределяются по отдельным компонентам, накапливаются в гидробионтах различных трофических уровней. Таким образом, донные отложения являются накопителем металлов-микроэлементов, попадающих в водоем, причем при интенсивной антропогенной нагрузке их концентрация в донных отложениях достигает больших величин [14].

В последнее время доказано, что информация о количественном содержании тяжелых металлов в природных водах недостаточно для оценки их качества и выяснения механизмов потребления водными организмами. Для решения этих вопросов крайне важным является изучение физико-химических форм металлов. Различные формы тяжелых металлов характеризуются неодинаковой степенью доступности для гидробионтов. Наиболее доступными являются незакомплексованные ионы. Следовательно, связывание тяжелых металлов в комплексные соединения с растворенным органическим веществом, как и адсорбция на взвесях, - процессы, существенно снижающие их токсичность. Первым шагом к расшифровке сложных механизмов взаимодействия металлов с органическим веществом является определение преобладающих величин молекулярной массы их комплексных соединений [15].

Рассмотрим некоторые тяжелые металлы и их влияние на экосистему водоема.

В данной курсовой работе тяжелым металлом является марганец (Mn).

В поверхностные воды марганец поступает в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительное количество марганца поступает в процессе разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых, диатомовых водорослей и высших водных растений.

Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и с шахтными водами.

Понижение концентрации ионов марганца в природных водах происходит в результате окисления Mn (II) до MnO2 и других высоковалентных оксидов, выпадающих в осадок. Основные параметры, определяющие реакцию окисления, - концентрация растворенного кислорода, величина рН и температура. Концентрация растворенных соединений марганца понижается вследствие утилизации их водорослями.

Главная форма миграции соединений марганца в поверхностных водах - взвеси, состав которых определяется в свою очередь составом пород, дренируемых водами, а также коллоидные гидроксиды тяжелых металлов и сорбированные соединения марганца. Существенное значение в миграции марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические вещества и процессы комплексообразования марганца с неорганическими и органическими лигандами.

Mn(II) образует растворимые комплексы с бикарбонатами и сульфатами. Комплексы марганца с ионом хлора встречаются редко. Комплексные соединения Mn(II) с органическими веществами обычно менее прочны, чем с другими переходными металлами. К ним относятся соединения с аминами, органическими кислотами, аминокислотами и гумусовыми веществами. Mn(III) в повышенных концентрациях может находиться в растворенном состоянии только в присутствиии сильных комплексообразователей, Mn(YII) в природных водах не встречается.

В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160 мкг/дм3, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм3, в подземных - n.102 - n.103 мкг/дм3.

Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным колебаниям. Факторами, определяющими изменения концентраций марганца, являются соотношение между поверхностным и подземным стоком, интенсивность потребления его при фотосинтезе, разложение фитопланктона, микроорганизмов и высшей водной растительности, а также процессы осаждения его на дно водных объектов.

Роль марганца в жизни высших растений и водорослей водоемов весьма велика. Марганец способствует утилизации CO2 растениями, чем повышает интенсивность фотосинтеза, участвует в процессах восстановления нитратов и ассимиляции азота растениями. Марганец способствует переходу активного Fe (II) в Fe (III), что предохраняет клетку от отравления, ускоряет рост организмов и т.д.

Важная экологическая и физиологическая роль марганца вызывает необходимость изучения и распределения марганца в природных водах.

Для водоемов санитарно-бытового использования установлена ПДКв (по иону марганца), равная 0.1 мг/дм3 [1].

Ртуть. В окружающей среде соединения ртути с различной степенью окисления металла, то есть Hg(0), Hg(I), Hg(II), могут реагировать между собой. Наибольшую опасность представляют собой органические, прежде всего алкильные, соединения. Самый емкий аккумулятор соединений ртути (до 97%) - поверхностные воды океанов. Около половины всей ртути в природную среду попадает по техногенным причинам.

Кислотность среды и ее окислительный потенциал влияют на нахождение в водной среде той или иной формы ртути. Так, в хорошо аэрированных водоемах преобладают соединения Hg(II). Ионы ртути легко связываются в прочные комплексы с различными органическими веществами, находящимися в водах и выступающими в качестве лигандов. Особенно прочные комплексы образуются с серосодержащими соединениями. Ртуть легко адсорбируется на взвешенных частицах вод. При этом так называемый фактор концентрирования достигает порой 105, то есть на этих частицах сконцентрировано ртути в сто тысяч раз больше, чем находится в равновесии в водной среде. Отсюда следует, что судьба металла будет определяться сорбцией взвешенными частицами с последующей седиментацией, то есть по существу будет происходить удаление ртути из водной системы, как это уже было описано на примере образования залежей киновари в регионе Карпат. Следует отметить, что десорбция ртути из донных отложений происходит медленно, поэтому повторное загрязнение поверхностных вод после того, как источник загрязнения установлен и ликвидирован, также имеет заторможенную кинетику.

В водных средах ртуть образует металлорганические соединения типа R-Hg-X и R-Hg-R, где R - метил- или этил-радикал. Из антропогенных источников в водные системы ртуть попадает в виде преимущественно металлической ртути, ионов Hg(II) и ацетата фенилртути. Преобладающей формой ртути, обнаруживаемой в рыбе, является метилртуть, образующаяся биологическим путем с участием ферментов микроорганизмов. В незагрязненных поверхностных водах содержание ртути колеблется в пределах 0,2-0,1 мкг/л, в морских - в три раза меньше. Водные растения поглощают ртуть. Органические соединения R-Hg-R' в пресноводном планктоне содержатся в большей концентрации, чем в морском. Из организма органические соединения ртути выводятся медленнее, чем неорганические. Существующий стандарт на предельное содержание этого токсиканта (0,5 мкг/кг) используют при контроле качества пищевых продуктов. При этом предполагают, что ртуть присутствует в виде метилированных соединений. При попадании в организм человека последних может проявиться болезнь Минимата.

Свинец. Половина от общего количества этого токсиканта поступает в окружающую среду в результате сжигания этилированного бензина. В водных системах свинец в основном связан адсорбционно со взвешенными частицами или находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. При биометилировании, как и в случае с ртутью, свинец в итоге образует тетраметилсвинец. В незагрязненных поверхностных водах суши содержание свинца обычно не превышает 3 мкг/л. В реках промышленных регионов отмечается более высокое содержание свинца. Снег способен в значительной степени аккумулировать этот токсикант: в окрестностях крупных городов его содержание может достигать почти 1 млн мкг/л, а на некотором удалении от них ~1-100 мкг/л.

Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. Иногда фитопланктон удерживает его с коэффициентом концентрирования до 105, как и ртуть. В рыбе свинец накапливается незначительно, поэтому для человека в этом звене трофической цепи он относительно мало опасен. Метилированные соединения в рыбе в обычных условиях содержания водоемов обнаруживаются относительно редко. В регионах с промышленными выбросами накопление тетраметилсвинца в тканях рыб протекает эффективно и быстро - острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1-0,5 мкг/л. В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций.

Кадмий. По химическим свойствам этот металл подобен цинку. Он может замещать последний в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов.

В рудных месторождениях кадмий, как правило, присутствует вместе с цинком. В водных системах кадмий связывается с растворенными органическими веществами, особенно если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы SH. Кадмий образует также комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Считают, однако, что само по себе присутствие высоких концентраций этих лигандов, способных связывать кадмий, еще недостаточно для понижения концентрации свободных акваионов кадмия до уровня, безопасного для живых организмов. Адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

Источников поступления кадмия в окружающую среду еще несколько лет назад было достаточно много. После того как была доказана его высокая токсичность, их число резко сократилось (по крайней мере в промышленно развитых странах).

Сейчас основной источник загрязнения окружающей среды этим токсикантом - места захоронения никель-кадмиевых аккумуляторов. Как уже отмечалось, кадмий обнаружен в продуктах извержения вулкана Этна. В дождевой воде концентрация кадмия может превышать 50 мкг/л.

В пресноводных водоемах и реках содержание кадмия колеблется в пределах 20-400 нг/л.

Кадмий обычно проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям в сравнении с метилртутью и сопоставим по токсичности со свинцом.

При содержании кадмия ~ 0,2-1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Интересен следующий зафиксированный эффект: токсичность кадмия заметно снижается в присутствии некоторых количеств цинка, что еще раз подтверждает предположение о возможности конкуренции ионов этих металлов в организме за участие в ферментативном процессе.

Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием.

1.3 Факторы, влияющие на содержание тяжелых металлов в поверхностных водах

Содержание тяжелых металлов в водоемах определяется разнообразным количеством факторов. Например, концентрация медь в поверхностных водах имеет сезонные колебания: в зимний период показатели наивысшие, а летом из-за значительного роста биомассы - снижаются. При осаждении взвешенных органических частиц, которые обладают способностью адсорбировать ионы меди, последние переходят в донные отложения, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Стоит обратить внимание на то, что интенсивность этого процесса зависит от скорости седиментации взвесей, то есть косвенно от таких факторов, как размеры и заряд адсорбирующих ионы меди частиц.

Под факторами формирования химического состава природных вод понимают причины, обусловливающие течение разнообразных процессов, которые вызывают изменения минерализации и химического состава воды. Эти факторы разделяются на физико-географические, физико-химические, физические, биологические и искусственные. Уровень концентрации тяжелых металлов может также зависеть от антропогенной нагрузки на водоем.

Кроме аккумулирования металлов за счет адсорбции и последующей седиментации в поверхностных водах происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такого рода загрязнителей. Ещё одним важным фактором является возможность связывания ионов металлов в водной среде растворенными органическими веществами. При этом значения концентрации вещества в воде не меняется. Тем не менее, принято считать, что наибольшей токсичностью обладают гидратированные ионы металлов, а связанные в комплексы опасны в меньшей мере либо даже почти безвредны. Специальные исследования показали, что между общей концентрацией металла-токсиканта в природных поверхностных водах и их токсичностью нет однозначной зависимости.

Фоновая концентрация микроэлементов и тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов обусловлена многочисленными факторами. В их число входят химический и гранулометрический состав отложений, их тип, окислительно-восстановительные условия, рН среды, мощность осадков, а также сезон и метеоусловия. При этом для каждого водоема может быть свойственны свои механизмы распределения микроэлементов в водной среде при сочетании некоторых перечисленных факторов [5,21].

В природных поверхностных водах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих в воду из почв. Остальная часть органических веществ, растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Все они, конечно, претерпевают различные превращения в водной среде. Но все они в то же время являются своего рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем самым токсичность вод.

Водоемы замедленного стока (пруды, озера, водохранилища) аккумулируют стоки водосборного бассейна, промышленные, бытовые, сельскохозяйственные сточные воды, а вместе с ними разнообразные химические компоненты, в том числе соединения металлов. Внутри водоема металлы включаются в развивающиеся там сложные процессы. Все они в совокупности определяют формы нахождения металлов и их межфазовые взаимодействия, в результате которых основные запасы концентрируются в донных отложениях водоемов [5,14,21].



2 ОБЪЕКТ, ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект и предмет исследований

Объектом исследования явилась вода Волгоградского водохранилища.

Естественных водоемов в Волгоградской области немного, всего шесть. Озера Волгоградской области - это три соленых и три пресных озера, которые относятся к категории средних и малых. Но водными ресурсами регион обеспечен в достаточном количестве. Волга - главная водная артерия области.

Но есть на территории области одно искусственное озеро. Плотиной Волжской ГЭС в 1958-1961 годах было создано Волгоградское водохранилище. Оно стало третьим по величине из всех созданных на реке искусственных водоемов. На его берегах расположилось несколько городов: Саратов, Камышин, Энгельс, Дубровка, Маркс и Вольск.

Площадь этого водоема составляет 3117 кв.км. Длина этого искусственного моря 540 км, а максимальная ширина - 17 км. Глубина озера - 10,1 метра.

Волгоградское водохранилище - относительно молодой водоем. За полвека своего существования водохранилище обрело свой растительный и животный мир, который сделал его настоящим объектом живой природы. Сегодня в нем насчитывается около 160 видов различных сосудистых растений, которые принадлежат к 90 родам. Ученые, изучая водный мир этого водоема, отметили, что исчезли 37 видов растений, которые ранее произрастали на этом участке Волги, но появилось 67 новых.

Животный мир Волгоградского водохранилища - это, прежде всего, рыба. тяжелый металл водохранилище экосистема

Здесь осуществляется сезонное регулирование стока (колебания уровня до 3 м). Используется в целях энергетики, водного транспорта, ирригации и водоснабжения.

Волгоградское водохранилище - очень важный рекреационный ресурс, место туризма и отдыха. В плотине Волжской ГЭС эксплуатируется один из крупнейших в России рыбоподъёмников [15].

Предметом исследований явилась взаимосвязь между содержанием тяжелых металлов и концентрацией взвешенных веществ.

2.2 Методы исследований

Характеристику абсолютного изменения зависимой переменной результативного признака y при изменении независимой переменной факторного признака x реализовали путем составления и решения уравнения регрессии, описывающего регрессионную связь:

y = a0 + a1Чx

?y = a0Чn + a1Ч?x

?xy = a0Ч?x + a1Ч?x2,

где n - количество измерений (n = 30).

Таблица 1 - Вычисление уравнения прямой yx = a0 + a1 Ч x

№	Значение признака	x2	y2	xЧy
	x	y
1	8,92	0,005	79,5664	0,000025	0,0446
2	9,95	0,023	99,0025	0,000529	0,22885
3	8,36	0,01	69,8896	0,0001	0,0836
4	10,1	0,019	102,01	0,000361	0,1919
5	8,81	0,009	77,6161	0,000081	0,07929
6	9,81	0,018	96,2361	0,000324	0,17658
7	10,5	0,027	110,25	0,000729	0,2835
8	8,36	0,013	69,8896	0,000169	0,10868
9	9,31	0,01	86,6761	0,0001	0,0931
10	8,7	0,017	75,69	0,000289	0,1479
11	10,7	0,019	114,49	0,000361	0,2033
12	8,72	0,008	76,0384	0,000064	0,06976
13	10,9	0,03	118,81	0,0009	0,327
14	9,24	0,021	85,3776	0,000441	0,19404
15	11,3	0,029	127,69	0,000841	0,3277
16	8,39	0,017	70,3921	0,000289	0,14263
17	9	0,023	81	0,000529	0,207
18	9,1	0,007	82,81	0,000049	0,0637
19	8,67	0,015	75,1689	0,000225	0,13005
20	9,8	0,027	96,04	0,000729	0,2646
21	9,53	0,016	90,8209	0,000256	0,15248
22	8,37	0,014	70,0569	0,000196	0,11718
23	9,7	0,01	94,09	0,0001	0,097
24	9,51	0,026	90,4401	0,000676	0,24726
25	9	0,028	81	0,000784	0,252
26	8,35	0,003	69,7225	0,000009	0,02505
27	11,15	0,027	124,3225	0,000729	0,30105
28	9,13	0,018	83,3569	0,000324	0,16434
29	10,3	0,024	106,09	0,000576	0,2472
30	8,61	0,01	74,1321	0,0001	0,0861
?	282,29	0,523	2678,6753	0,010885	5,05744
Ср. знач.	9,40966667	0,0174333	89,2891767	0,000362833	0,16858133

Используя итоговые данные таблицы 1:

0,523 = 30Ча0 + 282,29Ча1;

5,05744 = 282,29Ча0 + 2678,6753Ча1

Разделим обе части каждого из уравнений на свой коэффициент при а0, т.е. в первом уравнении на 30, а во втором - на 282,29. Тогда получим два новых уравнения:

0,0174 = а0 + 9,4097Ча1

0,0179 = а0 + 9,4894Ча1

Вычитая из второго уравнения системы первое, освобождаемся от коэффициента а0 и находим коэффициент а1:

0,0005 = 0,0797Ча1

а1 = 0,0005/0,0797 = 0,0063.

Подставив значение коэффициента а1 = 0,0063 в исходное уравнение, получим коэффициент а0:

0,0174 = а0 + 9,4097Ча1

0,0174 = а0 + 9,4097Ч0,0063

0,0174-0,0593 = а0

а0 = -0,0419.

Таким образом, уравнение прямой имеет вид:

yx = -0,0419+0,0063x.

Из уравнения видно, что при увеличении концентрации кислорода в воде на 1мг/дм3 содержание марганца увеличится в среднем на 0,0063 мг/дм3.

Таблица 2 - Расчетное содержание тяжелых металлов по уравнению регрессии

№	Факторное содержание марганца, yi	Отклонения	Объем вариации
		под влиянием всех факторов (yi-yср)	под влиянием изучаемого фактора (yx-yср)	под влиянием остаточного фактора (yi-yx)	Общий (yi-yср)2	Воспроизведение (yx-yср)2	Остаточное (yi-yx)2
1	0,005	-0,01243	-0,00313	-0,00933	0,0001546	0,0000098	0,0000864
2	0,023	0,00556	0,00335	0,00221	0,0000310	0,0000112	0,0000049
3	0,01	-0,00743	-0,00666	-0,00077	0,0000553	0,0000444	0,0000006
4	0,019	0,00156	0,00429	-0,00273	0,0000025	0,0000185	0,0000075
5	0,009	-0,00843	-0,00383	-0,00460	0,0000711	0,0000147	0,0000211
6	0,018	0,00056	0,00246	-0,00190	0,0000003	0,0000061	0,0000036
7	0,027	0,00956	0,00681	0,00275	0,0000915	0,0000465	0,0000076
8	0,013	-0,00443	-0,00666	0,00223	0,0000197	0,0000205	0,0000050
9	0,01	-0,00743	-0,00068	-0,00675	0,0000553	0,0000652	0,0000167
10	0,017	-0,00043	-0,00452	0,00409	0,0000002	0,0000193	0,0000424
11	0,019	0,00156	0,00807	-0,00651	0,0000025	0,0000872	0,0000254
12	0,008	-0,00943	-0,00439	-0,00504	0,0000890	0,0000013	0,0000104
13	0,03	0,01256	0,00933	0,00323	0,0001579	0,0001406	0,0000220
14	0,021	0,00356	-0,00112	0,00468	0,0000127	0,0000419	0,0000001
15	0,029	0,01156	0,01185	-0,00029	0,0001338	0,0000069	0,0000365
16	0,017	-0,00043	-0,00647	0,00604	0,0000002	0,0000040	0,0000672
17	0,023	0,00556	-0,00263	0,00820	0,0000310	0,0000222	0,0000711
18	0,007	-0,01043	-0,00200	-0,00843	0,0001089	0,0000058	0,0000052
19	0,015	-0,00243	-0,00471	0,00227	0,0000059	0,0000005	0,0000513
20	0,027	0,00956	0,00240	0,00716	0,0000915	0,0000436	0,0000046
21	0,016	-0,00143	0,00070	-0,00214	0,0000021	0,0000032	0,0000100
22	0,014	-0,00346	-0,00660	0,00316	0,0000118	0,0000003	0,0000848
23	0,01	-0,00743	0,00177	-0,00921	0,0000553	0,0000069	0,0000638
24	0,026	0,00856	0,00057	0,00798	0,0000734	0,0000453	0,0001742
25	0,028	0,01056	-0,00263	0,01320	0,0001117	0,0001190	0,0000594
26	0,003	-0,01443	-0,00672	-0,00771	0,0002083	0,0000033	0,0000018
27	0,027	0,00956	0,01091	-0,00135	0,0000915	0,0000309	0,0000057
28	0,018	0,00056	-0,00181	0,00238	0,0000003	0,0000259	0,0000010
29	0,024	0,00656	0,00555	0,00101	0,0000431	0,0000222	0,0000055
30	0,01	-0,00743	-0,00509	-0,00234	0,0000553	0,0000058	0,0000456
?	0,523	-1,68268	-0,00157	0,00157	0,0017674	0,0008900	0,0009413
Ср. знач.	0,0174333	-5,60894	-0,0000524	0,0000524	0,0000589	0,0000297	0,0000314

Общая дисперсия содержания марганца в воде

у2 общ = ?(yi-yср)2/n; (1)

у2 общ =0,00157/30=0,00005.

Отклонения значений факторного содержания от средней величины обусловлены всеми факторами, которые в данной совокупности влияют на содержание данного тяжелого металла в воде.

Колебания фактического содержания тяжелого металла в воде обусловлены частично вариацией концентрированного кислорода в воде, частично другими факторами. Подставив в уравнение регрессии вместо x фактические значения концентрированного кислорода (взвешенного вещества), получим содержание марганца в воде, обусловленного влиянием концентрированного кислорода.

Воспроизведенная дисперсия:

у2воспроизв. = ?(yx-yср)2/n; (2)

у2воспроизв.= 0,00089/30 = 0,00002.

Остаточная дисперсия:

у2остаточн. = ?(yi-yx)2/n; (3)

у2остаточн. = 0,00094/30 = 0,00003.

у2 общ = у2воспроизв. + у2остаточн. (4)

0,00005 = 0,00002 + 0,00003.

Чем больше удельный вес занимает воспроизведенная дисперсия в общей дисперсии, тем сильнее фактический признак (x) влияет на результативный признак (y). В данной работе воспроизведенная дисперсия имеет меньший удельный вес в общей дисперсии, поэтому концентрированный кислород не влияет на содержание марганца в воде.

Находим коэффициент детерминации (отношение воспроизведенной дисперсии к общей дисперсии):

r2 = у2воспроизв. / у2 общ. (5)

r2 = 0,00002/0,00005 = 0,4.

Если долю вариации содержания марганца представить в процентном содержании, то получим 0,4*100% = 40%.

Можно сделать вывод о том, что 40% вариаций содержания марганца в воде обусловлено влиянием концентрированного кислорода, а остальные 60% - влиянием остаточных, неучтенных в уравнении регрессии, факторов.

Вычисляем коэффициент корреляции:

r = ? у2воспроизв. / у2 общ. ; (6)

r = v0,4 = 0,6325.

Связь между содержанием марганца и концентрацией кислорода в воде умеренная (средняя). Подтверждено с помощью коэффициента корреляции, что связь существует.

Оценка на достоверность коэффициента корреляции.

Для оценки на достоверность коэффициента корреляции выдвинули две теории:

1. Коэффициент корреляции равен 0;

2. Коэффициент корреляции не равен 0.

H0: r=0

H1: r?0.

Фактическое значение критерия Стьюдента определяем по формуле:

tфакт. = r/mr; (7)

где mr - средняя ошибка коэффициента корреляции.

tфакт. = 0,63/0,11 = 5,73.

Среднюю ошибку коэффициента корреляции вычисляем по формуле:

mr = 1-r2/vn-2; (8)



где n - число выборки (n=30);

r2 - коэффициент детерминации.

mr = 1-0,4/v28 = 0,6/5,3 = 0,11.

По числу степеней свободы (г = n-2 = 30-2 = 28) определяем табличное значение критерия Стьюдента: tтабл. = 2,1(при уровне значимости л = 0,05).

Фактическое значение критерия больше, чем табличное (5,73>2,1), следовательно нулевую гипотезу можно отвергнуть и принять альтернативную гипотезу о достоверности ненулевого значения коэффициента корреляции.

Коэффициент корреляции показывает достоверную тесноту связи при вероятности суждения 0,95.

Проведем оценку на достоверность коэффициента регрессии.

Сформулируем нулевую гипотезу коэффициента регрессии в генеральной совокупности, т.е. регрессионная связь отсутствует. Альтернативная гипотеза - коэффициент регрессии не равен нулю.

H0: а1 = 0

H1: а1 ? 0.

Фактическое значение критерия:

tфакт. = а1/mа1; (9)

где mа1 - средняя ошибка коэффициента регрессии.

mа1 = vу2ост./?(xi-xср)2/(n-2); (10)

где у2ост. - остаточная дисперсия;

у2общ. - общая дисперсия.

mа1 = v0,00003/22,421/28 = 0,00064.

tфакт. = 9,81.

Фактическое значение критерия t больше табличного, следовательно принимаем альтернативную теорию с вероятностью 0,95 о достоверности ненулевого значения коэффициента регрессии между концентрированным раствором кислорода и содержанием марганца в воде Волгоградского водохранилища.



3. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА НА СОДЕРЖАНИЕ МАРГАНЦА В ВОДЕ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

В ходе курсовой работы была доказана умеренная связь между концентрированным раствором кислорода и содержанием марганца в воде Волгоградского водохранилища.

При увеличении концентрации кислорода содержание марганца незначительно увеличивается.

Как показывает коэффициент регрессии (а1 = 0,0063), при увеличении концентрации кислорода на 1 мг/дм3 содержание марганца в воде увеличивается на 0,0063 мг/дм3.

Понижение концентрации ионов марганца в водах происходит в результате окисления Mn (II) до MnO2 и других высоковалентных оксидов, выпадающих в осадок. Основной параметр, определяющий реакцию окисления, - это концентрация растворенного кислорода.

Для установления тесноты связи между содержанием марганца и концентрацией растворенного кислорода в воде Волгоградского водохранилища вычислили коэффициент корреляции, который характеризует линейную корреляционную связь. В результате вычислений получили коэффициент корреляции, равный r = 0,63, основная ошибка которого составила mr = 0,11. Таким образом, коэффициент корреляции с основной ошибкой равен r±mr = 0,63±0,11. По оценке достоверности, коэффициент корреляции оказался достоверным t = 5,73. Поэтому можно считать доказанным, что между содержанием марганца и концентрацией кислорода в воде Волгоградского водохранилища существует умеренная (средняя) связь.

Наряду с установлением тесноты связи подобрали аналитическое уравнение. Во второй главе описана методика получения уравнения. В ходе вычислений получили следующее уравнение:



yx = -0,0419+0,0063x.

В данном уравнении 0,0063 - коэффициент регрессии, который показывает, на сколько изменится содержание марганца, если концентрация растворенного кислорода в воде Волгоградского водохранилища изменится на 1 мг/дм3. Величина -0,0419 означает уровень регрессии. Основная ошибка коэффициента регрессии ma1 составила 0,00064. Таким образом, коэффициент регрессии с основной ошибкой равен a1± ma1 = 0,0063±0,0006.

По оценке достоверности , коэффициент регрессии оказался достоверным:

t = 9,81.



ВЫВОДЫ

В курсовой работе были решены следующие задачи:

1. Между содержанием марганца и концентрацией растворенного кислорода в воде Волгоградского водохранилища установлена зависимость.

2. Составлено уравнение регрессии, проведен анализ. Зависимость между содержанием марганца и концентрацией растворенного кислорода в воде выражается уравнением:

yx = -0,0419+0,0063x.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Артомонова, В.Т. Неотложная помощь при профессиональных интоксикациях / В.Т. Артомонова. - Л.: Мысль, 1981. - 192 с.

2. Бериня, Дз.Ж. Вредные вещества выбросов автотранспорта / Дз.Ж. Бериня, И.М. Латыня. - М.: Наука, 1989. - 250 с.

3. Беспамятков, Т.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде / Т.П. Беспамятков, Ю.А. Кротов. - Л.: Наука, 1985. - 528 с.

4. Брень, Н.В. Использование беспозвоночных для мониторинга загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами // Гидробиологический журнал / Н.В. Брень. - 1999. - Т. 35, № 4. - С. 75-88.

5. Брера-Левенсон, Т.Л. Очистка и использование природных и сточных вод / Т.Л. Брера-Левенсон. - М.: Наука, 1973. - 250 с.

6. Грушко, Я.М. Вредные соединения в промышленных сточных водах / Я.М. Грушко. - Л.: Наука, 1979. - 161 с.

7. Грушко, Я.М. Ядовитые металлы и их неорганические соединения в промышленных сточных водах / Я.М. Грушко. - Л.: Наука, 1972. - 250 с.

8. Денисова, А.И. Формирование гидрохимического режима водохранилищ Днепра и методы его прогнозирования / А.И. Денисова. - Киев: Наук. думка, 1979. - 290 с.

9. Евтушенко, Н.Ю. Проблемы комплексной оценки качества природных вод / Н.Ю. Евтушенко. - М.: Наука, 1989. - 144 с.

10. Котова, Л.И. Биологический контроль качества вод / Л.И. Котова, Л.П. Рыжикова. - М.: Наука, 1989. - 240 с.

11. Курзо, Б.В. Состав современных осадков озер как индикатор природных и техногенных процессов / Б.В. Курзо и др. // Природные ресурсы. Межведомственный научный бюллетень НАН РБ. - 1998. - № 1. - С. 98-108

12. Лакин, Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. - М.: Высш. школа, 1980. - 293 с.

13. Лейбович, П.З. Закономерности пространственного распределения растворенных форм железа и марганца в донных отложениях Байкала / П.З. Лейбович. - Лимнол. ин-т СО АН СССР. Листвиничное на Байкале. - 1980. - 20 с.

14. Лукин, Н.А. Очистка сточных вод / Н.А. Лукин. - М.: Наука, 1965. - 141 с.

15. Метелев, В.В. Водная токсикология / В.В. Метелев, А.И. Канаев, Н.Г. Дзасохова. - М.: Пищевая промышленность, 1971. - 248 с.

16. Моисеенко, Т.И. Оценка экологической опасности в условиях загрязнения вод металлами / Т.И. Моисеенко // Водные ресурсы. - 1999. - Т. 26, № 2. - С. 186-197.

17. Мур, Дж. В. Тяжелые металлы в природных водах. Контроль и оценка влияния / Дж. В. Мур, С.П. Рамамурти. - М.: Мир, 1987. - 285 с.

18. Патин, С.А. Загрязнение мирового океана и его биологических ресурсов / С.А. Патин. - М.: В.ч.. 1978. - 248 с.

19. Удод, В.М. Охрана водоемов от загрязнения сточными водами / В.М. Удод, В.И. Писоренко. - Киев: Мир, 1990. - 118 с.

20. Христофорова, Н.К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами / Н.К. Христофорова. - Л.: Наука, - 1989. - 192 с.

21. Forstner, U. Sediment oxygen demand chemical substances / U. Forstner // Water Res. - 1983. - Vol. 9. № 17. - P. 1081-

Размещено на Allbest.ru

...