Разработка проекта антропогенного ландшафта речного водосборного бассейна

6.3 Динамика изменения популяций ландшафта речного водосборного бассейна

Динамика ландшафта - изменение ландшафта во времени, связанное с переменами в состоянии отдельных средообразующих факторов. Вообще, под динамикой ландшафта понимают обратимые ритмичные изменения геосистем, которые имеют циклический характер, обусловленный экзогенными (внешними) процессами, при качественно неизменном состоянии его структуры.

В проектировании устойчивого ландшафта речного бассейна учитывают среднюю скорость роста (r₀=r_t) популяции, которая численно равна разности мгновенной рождаемости р_t и мгновенной смертности s_t в данный момент времени t:

r_o.t= р_t -s_t.

Обозначим удельное число погибших особей s_х в определенном возрасте, то удельная их выживаемость н_х составит:

н_х=1- s_х

Тогда общее число выживших особей

N_н.t можно представить функцией

N_н.t=f(t, н):

dN_н.t/ N_н.t= н*dt.

Отсюда после интегрирования:

N_н.t=N_н.н*е ^-нt,

где н-удельная выживаемость, отнесенная к 1000 особей,

н=1-S_t,

е-основание натурального логарифма,

S_t-удельная смертность особей в расчете на 1000 особей.

Преобразуем зависимость к виду:

dN_t/ N_t=r*dt.

Зависимость можно использовать в анализе скорости роста любого генетического вида популяции ландшафта. Установим аналитическую зависимость числа особей популяции N_t для любого времени t. Для этого интегрированием дифференциального уравнения:

?dN_t/N_t=r?dt

Получим экспоненциальную зависимость

N_t=N₀*е^rt

Или

N_t=f(t),

где N_t-число особей популяции в момент времени t;

N₀-число особей популяции в начальный момент времени отсчета при t=t₀=0;

t-текущее время.

Логарифмированием обеих частей равенства можно получить удобную форму зависимости для выполнения практических расчетов:

lnN_t=lnN₀+ rt.

Отсюда удельная скорость роста

r=( lnN_t-lnN₀)/t.

По уравнению для двух изменений N_t1, N_t2 можно вычислить показатель r роста численности популяции в определенный момент времени t=t₁-t₂. Пусть гипотетическая популяция организмов шестеро суток находилась в состоянии экспоненциального роста так, что каждые двое суток происходило десятикратное увеличение ее численности:

lnN_t2=100 особей, lnN_t1=10 особей, t=t₂-t₁= 2 суток.

Тогда

r=(ln100-ln10)/2, r=(4/60-2/30)/2, r=1.15

По уравнению можно определить время, в течении которого особи популяции будут удваиваться:

N_t/N₀= е^rt;

по условию задачи N_t/N₀=2;

2= е^rt ; ln2=lne*rt; ln2=rt,

Откуда время удвоения численности популяции

t=ln2/r, t=0,6931/r, t=0,6931/1,15=0,60 суток

Теоретические зависимости N_t=N₀*е^rt r=( lnN_t-lnN₀)/t получены в предположении, что выживание особей величиной, н=const. Если , н?const, то общее число N_{н t}, выживших особей можно представить функцией N_{н t}=ц(t, н) двух переменных t и н, н= н_t:

н_t=1-s_t,

где н_t-удельная выживаемость особей популяции в момент времени t.

Составим дифференциальное уравнение скорости роста популяции с учетом переменного выживания особей разных возрастов:

н_t*dN _{н t}/dt* N _{н t}=к.

В этом случае необходимо рассмотреть два возможных типа кривых выживания популяций:

1) наибольшая смертность приходится на конец жизни особей (кривая типа I); 2)высокая смертность отмечается в раннем периоде развития молоди (кривая II);

Решение дифференциального уравнения:

Кривая

I - N _{н t}=(N₀- е ^кt)_* н,

При

н_t =н=const N_t=N₀-е^кt

кривая

II N _{н t}=0.5N_0*е^-кt _* н,

При

н_t =н=const N_t=N_0*е^кt ,

где N₀-численность популяций в начальный момент времени, принимаем условно N₀= N_н=520 особей; N _{н t}-численность популяции в момент времени t; к - масштабный коэффициент изменения численности популяции, к= const; t - текущее время жизнедеятельности особей популяции в пределах жизни одного их поколения,0 ? t ?1.

Построим кривые выживания популяции для Богатовского района

Функции е^кt ,е^-кt

Таблица 5

t	0,00	0,20	0,40	0,60	0,80	1,00
к	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2
кt	0,00	0,64	1,28	1,92	2,56	3,2
екt	1,0	2	4	6,82	12,9	24,53
е-кt	1,0	0,53	0,2 8	0,15	0,08	0,04

Функции N_t и N _{н t} для построения кривой I

Таблица 6

t	0,00	0,20	0,40	0,60	0,80	1,00
Nt	1600	1598	1596	1593	15871	1
Удельная смертность s	0,00	0,20	0,25	0,30	0,15	0,10
н кривая I	1,00	0,80	0,55	0,25	0,10	0,00
N н t	1600	1279	878	398	159	0
ln N н t	7,4	7,15	6,8	6,0	5,07	-

Функции N_t и N _{н t} для построения кривой II



Таблица 7

t	0,00	0,20	0,40	0,60	0,80	1,00
Nt	1600	848	448	240	128
Удельная смертность s	0,00	0,80	0,05	0,03	0,02	0,10
н кривая II	1,00	0,20	0,15	0,12	0,10	0,00
N н t	1600	84,8	18	7,68	3,2	0,00
ln N н t	7,4	4,44	3,0	1,8	-1,61	-

6.4 Оценка возможности сооружения тепловой и гидроэлектрической энергии

Оценку возможности сооружения ТЭС и ГЭС выполняют с учетом технических и экологических показателей и использования результатов расчетов.

Анализ исходных данных показывает, что ландшафт проектируемого Богатовского района относится к лесному (лесные ресурсы -4,0%, лесопосадки 4,5%).

Техническая оценка строительства ТЭС и ГЭС.

Фактическая общая мощность теплоэлектростанций (N_ТЭС.ф =222МВт)

в 0,63 раза меньше предельно допустимой величины (N_ТЭС.пр =580 МВт), которая соответствует безопасному функционированию экосистем речного ландшафта района. Для размещения и эксплуатации фактической энергетической мощности требуется 0,16% (0,33*0,49) территории района.

Предельно допустимая мощность гидроэлектростанций, которые можно построить на малых реках Богатовского района составляет

N_{ГЭС п}=9,4МВт; требуемая площадь территории А_т.ГЭС=37,6км² (0,37 %).

Данная мощность ГЭС определена с учетом использования экономически эффективной части водных ресурсов. Гидроэнергия речного стока в район фактически используется на 10% имеющейся мощности, т. е. примерно 0,3 МВт.



7. Экологическая оценка строительства и эксплуатации ТЭС

Фактический коэффициент устойчивости лесо-агроэкосистемы ландшафта района меньше критического коэффициента: к_кр=0,6>к_ф=0,63 и меньше расчетного предельного коэффициента устойчивости к_ф=0,63 <[к_у]=0,65 , что указывает на деградационные процессы в биоценозах.

Для ликвидации отрицательных экологических последствий в эксплуатации антропогенного ландшафта района необходимо разработать и выполнить следующие природоохранные мероприятия:

1. снизить техногенную химическую нагрузку промышленных и энергетических на ландшафт до предельной (допускаемой) величины ([к_д.х.]=350 т/км²*год);

2. увеличить посадки леса с 28% до 36,5% ,восстановить растительный покров лугопастбищных угодий, а также продуктивность плодородных почв земель сельскохозяйственного назначения, осушить болота;

3. использовать основные сведения по динамике популяций для улучшения видового их состава, оздоровления экологической обстановки как в естественной, так и искусственных экосистемах ландшафта речного бассейна;

4. не допускать в проектировании антропогенного ландшафта наступление порогового уровня в функционировании экосистем, обоснованно подходить к назначению предельно допустимых концентраций вредных веществ и техногенных воздействий в компонентах окружающей среды ландшафта.



7.1 Общий показатель геодинамического потенциала территории района

Геодинамический потенциал ландшафтной геосистемы есть вероятностная площадь территории, на которой деградационные динамические процессы естественного или антропогенного происхождения не изменяют структуру и функции экосистем ландшафта или биосферы в целом.

Геодинамический потенциал антропогенного ландшафта речного бассейна можно представить общей зависимостью:

G_р.ф.=G_ес.л-G_ан.л,

где G_р.ф-фактический (остаточный) геодинамический потенциал (ГДП) территории;

G_ес.л-ГПД естественной территории ландшафтной геосистемы до начала развития деградационных процессов;

G_ан.л- территория антропогенного ландшафта, измененная деятельностью человека.

Разделим обе части уравнения на общую площадь А_т.р.=2020,0 км² территории Ставропольского района:

G_р.ф./ А_т.р.= G_ес.л/ А_т.р.- G_ан.л/ А_т.р.,

(G_р.ф./ А_т.р.)*100%=S_пр-

удельная площадь, % природного ландшафта;

(G_ан.л/ А_т.р.)*100%= S_пр

удельная площадь, % антропогенного ландшафта;

(G_ес.л/ А_т.р.)*100%=S,

Где

S= S_пр+S_ан-

удельная площадь, % первоначального природного естественного ландшафта,

S=51,5+48,5=100%

Тогда можно представить в виде

S_пр=S-S_ан

Разделим обе части уравнения на S и обозначим:

S_ан=S_а; S_пр/ S=G_p-

удельная площадь, на которой сохраняется ГПД природного ландшафта:

G_p=1- S_а/S.

Если S_а/S=0, то G_p=1; при S_а/S=1 G_p=0. Пределы изменения G_p: 0? G_p ?1

Фактический ГПД удельной допустимой территории антропогенного ландшафта Богатовского района:

G_p=1-48,5/100, G_p=0,515.

Коэффициент вариации по продуктивности лесо-агроэкосистемы:

С_vx=у/х₀.

Между деградационными процессами антропогенного ландшафта и продуктивностью лесо-агроэкосистемы речного ландшафта существует обратная тесная связь. Тогда по методу аналогии:

С_vx=у/S.

Пусть природный ландшафт, в случае отсутствия лимитирующих экологических факторов, соответствует оптимальным условиям развития экосистем. Границами оптимума являются точки перегиба а, b нормальной кривой распределения у=f(x). Границам оптимума соответствует амплитуда вариации А_оп=2,0_*у с отклонением ± у: у=1.71балла, х₀=4,98балла. Коэффициент вариации:

С_vx=1,71/4,98=0,34

В заменим у= S_а, х₀=S, получим:

С_vx= S_а /S.

Отсюда при С_vл =С_vx=0,34 S_а=0,34 _*S. При отсутствии опасных деградационных процессов в антропогенном ландшафте, оптимальный ГПД будет равен:

[G_р] _опт=1- S_а /S, [G_р] _опт=1-0,34 =0,66.

Величина [G_р] _опт=0,73 является предельной - соответствует оптимальной устойчивости ландшафта, когда отсутствует необходимые деградационные процессы.

Определим предельно допустимый геодинамический потенциал антропогенного ландшафта района, если известно, что одному стандарту (±1,0 у) соответствует ландшафт, численно равный S_а=0,34 S. Из пропорции

1,0 у>0,34 S

2.15 у> S_а.х

Имеем

1,0_* у/(2,15_* у)=0,34 _*у/(г_n* S_а.х);

S_а.х=2,15_*0,34 S/ г_n=0,73 / г_n

где г_n-коэффициент надежности по устойчивости ландшафтной геосистемы,

г_n=2,15*у/1,95*у=1,1

Предельная удельная площадь антропогенного ландшафта

S_а.пред=0,73 S/1,1=0,66 S.

Отсюда предельно допустимая величина геодинамического потенциала антропогенного ландшафта, при которой будут отсутствовать необратимые деградационные процессы, составит:

[G_р] _пред=1- S_а.пред/S, [G_р] _пред=1-0,66 =0,34

Следовательно, геодинамический потенциал устойчивого антропогенного ландшафта определяется пределами:

[G_р] _пред?G_р?[G_р] _опт.

0,34<0,63 < 0,66

Расчетные предельные величины геодинамического потенциала Богатовского района: на границах оптимума-[G_р] _опт.=0,66 на границах пределах устойчивости экосистем ландшафта-[G_р] _пред=0,34.

Отсюда следует, что фактический геодинамический потенциал (G_р=0,52) антропогенного ландшафта экосистем является достаточным для безопасного функционирования в данный момент времени, так как соблюдается условие.

Количественная оценка деградационных процессов антропогенного ландшафта может быть выполнена по формуле

R_y=1/ G_р.

При G_р=1, R_y=1-деградационные процессы отсутствуют>идеальный ландшафт; G_р=[G_р] _опт.=0,66 > R_y=1/0,66 =1,51 - оптимальный ландшафт;

G_р=[G_р] _пред=0,34 > R_y=1/0,34 =2,94 - предельный ландшафт.

Пределы изменения устойчивости антропогенного ландшафта в практическом ограничении развития в нем деградационных процессов:

1,51 ?R_y?2,94 ,

Теоретически деградационные процессы могут изменяться в пределах устойчивости

1,0?R_y??.

7.2 Природоохранные мероприятия рационального использования природных ресурсов района

Природоохранные мероприятия

С цель сохранения и улучшения окружающей среды, с учетом фактических исходных данных экологического состояния экосистем антропогенного ландшафта Богатовского района и полученных результатов расчета, планируются следующие мероприятия:

-увеличить поэтапно площадь леса (лесозащитных полос на плодородных землях, вдоль автодорог и на лесных массивах);

-новое строительство промышленных и энергетических объектов вести исключительно на непродуктивных землях;

-увеличить использование нетрадиционных, экологически чистых источников энергии до 5% от общего объема потребляемых энергоресурсов;

- более широко использовать биологические методы защиты растений леса поля, для чего на основе мониторинга провести паспортизацию диких животных, птиц, полезных и вредных насекомых, обитающих на территории района;

- обустроить овраги на площади 131 га, принять эффективные меры против ветровой и водной эрозии почв;

-выполнить учет накопленных объемов и ежегодно образующихся твердых отходов производства и быта; разработать программу их утилизации переработки и обезвреживания;

-не допускать сброса неочищенных сточных вод в реки, озера, водохранилища, для чего ввести жесткий контроль за балансом в использовании водных ресурсов и внедрением замкнутого оборотного водоснабжения.



Заключение

В результате разработки проекта антропогенного ландшафта речного водосборного бассейна Богатовского района Самарской области на основе учета экологических требований территориального размещения, эксплуатации энергетических и производственных предприятий, а также рационального использования природных ресурсов получены следующие результаты:

· общая площадь территории района А_т.р.= 820,2км2

· общая численность населения N_р= 16000 человек;

· расчетный предельный коэффициент устойчивости лесо-агроэкосистемы ландшафта [к_у] = 0.65;

· критический коэффициент устойчивости функционирования экосистем к_д.мин= 0.60;

· фактический коэффициент устойчивости по продуктивности лесо-агроэкосистемы к_ф = 0,63;

· коэффициент вариации по продуктивности лесо-агроэкосистемы С_vx = 0,34;

· расчетная предельная мощность ТЭС N_ТЭС = 590МВт;

фактически используемая общая мощность ТЭС N_тэсф = 222МВт

· расчетная предельная мощность ГЭС N_ГЭС = 9,5МВт;

· фактически используемый гидроэнергетический потенциал ЭГЭП =20 %:

· разведанные и используемые природные ресурсы: плодородные земли - 1049,1 км², лесные ресурсы - 618,2 км²;

· фактическая химическая нагрузка на территории к_н.х.=1171 т/год*км²

· расчетная допускаемая химическая нагрузка к_д.х. = 400 т/годкм2

· оптимальный геодинамический потенциал антропогенного ландшафта [G_р] _опт.=0,66

· предельный геодинамический потенциал ландшафта [G_р] _пред.= 0,34;

· фактический геодинамический потенциал ландшафта G_р =0,41;

· допустимый показатель экологической устойчивости ландшафта с точки зрения развития деградационных процессов [R_y] = 2;

· фактический показатель экологической устойчивости антропогенного ландшафта R_y = 1,5< [R_y] = 2-- устойчивость антропогенного ландшафт обеспечена.



Используемая литература

1. Воронцов А.П. Рациональное природопользование: Уч. пос. - М.: "Тандем", ЭКМОС, 2010. - 304 с.

2. Демина Т.А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды: Уч. пос. - М.: Аспект Прес, 2008. - 143 с.

3. Казаков Л.К. Ландшафтоведение: Уч. пос. - М.: Изд-во МНЭПУ, 1999. -100с.

4. Никаноров А.М., Хоружная Т.А. Экология. - М.: "ПРИОР", 1999. - 304 с.

5. Общая экология: Учебник для вузов /А.С. Степановских. - М.: ЮНИТИ, 2000о.-510 с.

6. Орлов Д.С. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении: Учебн. пос. /Д.С. Орлов и др. - М.: Высш. шк., 2002. - 334 с.

7. Охрана окружающей среды: Уч. для вузов /А.С. Степановских. - М.:

ИНИТИ-ДАНА, 2010. - 559 с.

8. Природопользование: Учебник /Под ред. Э.А. Арустамова. 3-е изд. - М.:

Изд. дом "Дашков и К°", 2009. - 284 с.

9. Экология: Учебник для техн. вузов /Л.И. Цветкова и др. - СПб.: Хим-изадт,1999.-488с.

10. Экологические основы природопользования: Учебн. пос. /В.Г. Еремин и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Высш. шк., 2012. - 253 с.



Приложение

Размещено на Allbest.ru

...