Моделювання забруднення ґрунтів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ВІДКРИТИЙ МІЖНАРОДНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РОЗВИТКУ ЛЮДИНИ “УКРАЇНА”

Рівненська Філія

Кафедра комп’ютерного еколого-економічного моніторингу

Курсова Робота

З дисципліни: “Об’єктно-орієнтованний аналіз:моделювання стану навколишнього середовища”

На тему: “Моделювання забруднення ґрунтів”

Виконав:

Студент 2-го курсу

Спеціальності “Комп'ютерний

еколого-економічний моніторинг”

Марчук Олександр

Керівник:

Грицюк П.М

Рівне-2003

План

1.         Родючість ґрунтів

2.         Ґрунти і екологія

3.         Ґрунти Рівненщини

4.         Математичні моделі розрахунку і прогнозування хімічного забруднення ґрунту

5.         Моделювання забруднення ґрунту пестицидами

6.         Приклад моделі розрахунку і прогнозування хімічного забруднення ґрунту

Висновок

Література

1.   Родючість ґрунтів

Одним з основних критеріїв якісної оцінки сільськогосподарських угідь виступає родючість ґрунтів, як основа функціонування цієї категорії земель, а головним показником, за допомогою якого оцінюється родючість фунту, виступає вміст у ньому комплексу специфічних органічних речовин - гумусу. Від кількості гумусу залежить не лише врожайність рослин, але й спрямованість ґрунтових процесів, екологічний стан ґрунтів і ландшафтів, ефективність заходів по підвищенню родючості ґрунтів та охорони навколишнього середовища. Рівень гумусованості ґрунтів теж має зональну залежність. Так, якщо дерново-підзолисті ґрунти Полісся характеризуються невисоким вмістом гумусу (0,7-2,0%), а у лісостепу гумусованість зростає від 1,0-2,5% у ясно-сірих ґрунтах до 4,0-6,0% у чорноземах типових, то у чорноземному степу кількість гумусу знижується у протилежному напрямку - з півночі на південь - від 6,0 до 1,5%. Як показують матеріали Держкомзему (1998 p.), на протязі останніх десятиріч в Україні спостерігається досить стала тенденція до зниження вмісту гумусу в ґрунтах, що пояснюється як природними процесами (насамперед, ерозійно-дефляційними), так і спрацюванням гумусу в процесі інтенсифікації сільськогосподарського виробництва. За даними спостережень протягом останніх 30 років, середньорічні втрати гумусу на Поліссі становлять 0.1, у лісостепу-0,8, у степу-0,4 т/га, чим і пояснюється нагальна необхідність реалізації наукових розробок по відновленню родючості ґрунтів, запропонованих науковцями і практиками України та з успіхом апробованих у різних природних зонах та на різних ґрунтових відмінах.

Для порівняльних оцінок родючості ґрунтів за їх природними особливостями (з урахуванням рівнів інтенсифікації землеробства) проводиться бонітування ґрунтів (від лат. bonitas - доброякісність), при якому весь комплекс якісних показників ґрунту оцінюється у балах (в Україні - від 22-31 бала у дерново-підзолистих піщаних і глинисто-піщаних ґрунтах до 65-100 балів у чорноземах типових). Саме бонітування ґрунтів є однією з найважливіших підвалин головного документу, що визначає основні засади землекористування в Україні - Земельного кадастру.

2.   Грунти і екологія

На сучасному етапі надзвичайно загострюються екологічні аспекти землекористування в Україні. Більшість екологічних негараздів, пов'язаних з використанням земельних ресурсів, мають природну основу, однак їх активізація зумовлена не стільки ритмікою (циклічністю) природних явищ, скільки антропогенним впливом, точніше - наслідками нерозважливого господарювання, орієнтованого не на перспективу, а на сьогоденну віддачу.

Серед основних несприятливих факторів, що позначаються на кількісній і якісній сторонах земельних ресурсів, насамперед згадаємо про ерозійні процеси, які полягають у руйнуванні ґрунтового покриву, переміщенні, перетиранні, обточуванні та перевід-кладенні твердих частинок ґрунту під дією води, вітру або під час обробітку ґрунту. В залежності від переважаючих факторів, що зумовлюють розвиток ерозійних процесів, останні поділяються на три групи - водну, вітрову та агротехнічну ерозію. При цьому розрізняють ерозію нормальну, яка проявляється на територіях, не порушених господарською діяльністю людини, та прискорену, що розвивається під антропогенним впливом (розорювання схилів, нерегульовані випаси худоби на них, суцільне вирубування лісів тощо). Цілком зрозуміло, що в сучасних умовах ми маємо справу переважно з процесами прискореної ерозії, негативний вплив якої проявляється головним чином на основному виді сільськогосподарських угідь - ріллі, причому за ступенем еродованості виділяються слабо-, середньо- та сильноеродовані землі. Станом на 1.01.1996 p. в Україні еродовано 12,9 млн.га сільськогосподарських угідь (30,8%), у тому числі 10,6 млн. га ріллі (31.6%). При цьому кожного року площі еродованої ріллі зростають пересічно на 70 тис.га.

Другий за поширенням (після ерозії) екологічний аспект землекористування в Україні пов'язаний з інтенсивним забрудненням ґрунтів, яке виникає внаслідок господарської діяльності людини, причому діяльності, далеко не завжди безпосередньо пов'язаної з експлуатацією земельних ресурсів. Основні напрямки забруднення ґрунтів, які підлягають постійному польовому і лабораторному контролю, визначаються нагромадженням у ґрунтовому покриві залишків засобів захисту рослин (пестицидів), мінеральних добрив та важких металів. При цьому реальний вміст шкідливих речовин у ґрунті порівнюється з вже згадуваними гранично допустимими концентраціями (ГДК) - нормативне встановленим вмістом таких речовин у масі ґрунту (мг/кг), при якому гарантується відсутність негативного (прямого чи опосередкованого) впливу на здоров'я людини та санітарні умови проживання населення. На практиці одним з основних екологічних критеріїв забруднення ґрунтів виступає саме нагромадження у ґрунтах різноманітних важких металів, що потрапляють у ґрунт з повітря або через підземні води (досить згадати, що, наприклад, у одній лише вугільній золі міститься до 70 хімічних елементів, серед яких значна кількість може бути віднесена до групи важких металів). При цьому на чільні позиції виходять навіть не кількісні оцінки нагромаджуваних у ґрунтах важких металів, а їх токсичність. Однак, як зазначає С.Веремеєнко (1999), на даний час ще не розроблені чіткі критерії токсичності кожного елементу для різних сільськогосподарських культур, в зв'язку з чим при екологічних оцінках стану забруднення ґрунту можна користуватися емпіричними показниками, наприклад, коефіцієнтом токсичності (Кт), запропонованим Г.Євдокимовою:

Кт = Са + Mg / т.е., (27)

де: Са + Mg- сума обмінних основ;

m.e - вміст токсичного елементу. При цьому для кожного хімічного елементу, що забруднює ґрунт, як і для кожного типу ґрунтів повинна розроблятися своя шкала токсичності. Так, для підзолистих ґрунтів, забруднених нікелем, ця шкала має наступний вигляд: при Кт >30 ґрунт вважається нетоксичним, при Кт = 10-29 -слаботоксичним, при Кт <9 - сильнотоксичним.

В зв'язку з сказаним, надзвичайно актуальними стають проблеми визначення допустимих меж присутності важких металів у ґрунтах.

При цьому кількісними критеріями допустимого вмісту важких металів у ґрунтах виступають згадувані вже величини ГДК, а при їх відсутності (оскільки на сьогоднішній день ГДК розроблені далеко не для всіх важких металів) користуються особливим показником - клерками, які показують середній вміст хімічного елементу в незабрудненому ґрунті (табл.10).

В залежності від вмісту важких металів існує 6 оціночних класів ґрунтів, за якими визначаються допустимі умови використання ґрунтів (табл.11)

Забруднення ґрунтів має виразний регіональний характер. Так, надмірні концентрації шкідливих речовин, пов'язаних з внесенням мінеральних добрив, відмічаються на ґрунтах Полісся і Карпатського регіону, де протягом 1985-1990 років вносилися підвищені дози таких добрив - від 210-240 до 300 кг/га (при показнику середньому по Україні -150 кг/га). Високі дози мінеральних добрив (150-200 кг/га) вносилися також в окремих областях лісостепової зони (Київська, Чернівецька). Локальні ділянки надмірного використання мінеральних добрив відмічалися і на зрошуваних землях степової зони. Головним наслідком цього процесу стало нітратне забруднення ґрунтів та вирощеної на них сільськогосподарської продукції. Підвищене забруднення важкими металами (свинцем, хромом, нікелем тощо) відмічається головним чином на територіях, прилеглих до великих промислових центрів (особливо на Донбасі та у Придніпров'ї), а також на окремих ділянках, прилеглих до напружених автомагістралей.

Як показують дослідження А.Обухова (1989), забруднення ґрунтів важкими металами більш уповільнено відбувається на чорноземах, які мають (у порівнянні з дерново-підзолистими фунтами піщаного та супіщаного гранулометричного складу) значно більше органічної речовини і високу вбирну здатність. Коефіцієнти дифузії важких металів у чорноземах у 2-3 рази нижчі, ніж у дерново-підзолистих грунтах, а відтак чорноземи страждають від наслідків забруднення значно менше, ніж підзолисті піщані і супіщані ґрунти. На чорноземах менше пошкоджується врожай і погіршується його якість, ніж на інших ґрунтах.

Окрема специфічна проблема пов'язана з масовим радіонуклідним забрудненням ґрунтів внаслідок Чорнобильської катастрофи (головним чином цезієм-137, меншою мірою - стронцієм-90). Підвищене радіоактивне забруднення відмічається не тільки в усіх областях Українського Полісся, від Волині до Сумщини, але й на окремих локаліях Вінницької, Черкаської і навіть Чернівецької областей, куди поширювалася чорнобильська "хмара" під час аварії.

Серед екологічних ускладнень, пов'язаних із земельними ресурсами України, відзначимо також процеси засолення та вторинного заболочування ґрунтів, активізація яких теж тісно переплітається з господарською діяльністю людини, про що згадувалося нами вище.

За ступенем комплексного прояву згаданих та інших аномалій розрізняють кілька основних типів екологічних ситуацій, які складаються на землях України:

Сприятлива ситуація відмічається на територіях, що не зазнають впливу радіонуклідів та шкідливих викидів промислових підприємств і характеризуються невисоким (<3 кг діючої речовини на 1 га площі) пестицидним навантаженням. При цьому вміст валових форм важких металів у ґрунті знаходиться на рівні кларків, а у рослинницькій продукції та рухомих формах у ґрунтах він не перевищує ГДК.

Задовільна ситуація складається на територіях з незначним забрудненням Cs-137 (на рівні 0,1- 1,0 Кі/км2) і Sr-90 (<0,02 Кі/км2) та пестицидним навантаженням до 3-4 кг/га діючої речовини (д.р.). При цьому залишкові кількості пестицидів у ґрунті значно менші ГДК, вміст важких металів у ґрунтах, у рослинницькій продукції та у рухомих формах не перевищує ГДК.

Передкризова ситуація характерна для територій з радіонуклідним забрудненням по Cs-137 не вище 1-5 Кі/км2 і по Sr-90 - до 0,02-1,0 Кі/км2 та пестицидним навантаженням 4-5 кг/га д.р. Залишкові кількості пестицидів та валових форм важких металів у ґрунті і в рослинницькій продукції знаходяться на рівні ПДК, а у рухомих формах у ґрунтах перевищують ГДК у 1,5-2 рази.

Кризова ситуація складається на територіях з рівнем радіонуклідного забруднення Cs-137 у межах 5-15 Кі/км2 і Sr-90 -1-3 Кі/км2, причому залишкові кількості пестицидів у ґрунтах і рослинах у 1,1-1,5 рази перевищують ГДК, вміст валових форм важких металів перевищує ГДК у 2-10 разів, а у рослинній продукції - у 1,1-1,5 рази (в рухомих формах у ґрунтах він у десятки разів перевищує ГДК).

Катастрофічна ситуація проявляється на територіях, де відмічається перевищення всіх нормативів, притаманних кризовим площам.

Останнім часом за такою схемою Держкомзем оцінює й протиерозійну стійкість ґрунтів (при цьому фактичний стан еродованості порівнюється з теоретичною "нормою ерозії", визначеною для різних типів ґрунтів у різних природних регіонах). Зрозуміло, що наведена методика якісної оцінки екологічних ситуацій, пов'язаних із земельними ресурсами, може бути застосована лише на основі ретельних комплексних обстежень території України. Ця робота в державі проводиться систематично, проте в умовах економічної скрути темпи її залишають бажати кращого.

За таких умов загальну уяву про екологічну стійкість земельних ресурсів України можна скласти на основі порівняння кількісних (площинних) показників описаних вище типів сільськогосподарських угідь. При цьому виходять з того, що найбільш нестійкими (в екологічному розумінні) угіддями виступають орні землі, в той час як сіножаті, пасовища, ліси, чагарники, болота розглядаються як умовно стабільні угіддя. Отже, показником екологічної стійкості ґрунтів (ПСЕГ) може виступати відношення умовно стабільних угідь до площі орних земель. Більшою екологічною стійкістю відрізняються земельні ресурси західних і північних областей України, в той час як найбільш вразливі території зосереджені на півдні та на сході держави.

3. Ґрунти Рівненщини

Складні природні умови області, і в першу чергу розмаїття приповерхневих геологічних утворень ("материнських порід"), зумовили строкатість і різноманітність ґрунтового покриву описуваної території. За даними крупно масштабних ґрунтових обстежень, у межах області було виділено 277 ґрунтових відмін (М.Кваша,1970). Новіші роботи ґрунтознавців Рівненського філіалу Інституту землеустрою, Рівненського державного технічного університету та інших наукових і проектних організацій області дозволяють виділити з цього розмаїття кілька найпоширеніших типів ґрунтів.

Дерново-підзолисті ґрунти сформувалися переважно під лісами з участю трав'яної рослинності, що зумовило одночасний прояв двох протилежних процесів ґрунтоутворення: з одного боку - підзолистого, при якому руйнуються мінеральні й органічні частини ґрунту, а з іншого - дернового, який сприяє нагромадженню органічних та мінеральних (насамперед карбонатних) речовин у ґрунтовій товщі В залежності від переважання того чи іншого процесу, особливо підзолистого, розрізняють приховано-, слабо- та середньопідзолисті грунти. Разом з тим, на складі, будові і властивостях ґрунтів відчутно позначаються особливості материнських порід, на яких протікали процеси ґрунтоутворення, в зв'язку з чим виділяються піщані, глинисто-піщані та супіщані різновиди дерново-підзолистих ґрунтів.

Зважаючи на значне поширення цих ґрунтів, особливо на межиріччях і великих борових (перших надзаплавних) терасах Полісся, дерново-підзолисті ґрунти досить інтенсивно використовуються у сільськогосподарському виробництві області, про що свідчить і відносно високий рівень їх розорювання (понад 60%).

Опідзолені ґрунти сформувалися переважно на лісовидних породах і поширені у південній лісостеповій частині області, займаючи вододільні плато та їх схили на Волинській височині. У формуванні ґрунтів цього типу проявився вплив двох основних грунтоутворчих процесів - підзолистого і чорноземного, в залежності від переважання яких виділяють кілька типів ґрунтів: ясно-сірі, сірі опідзолені, темно-сірі опідзолені та чорноземи опідзолені. Найбільше поширення у межах області мають сірі опідзолені ґрунти (близько 123 тис.га), які характеризуються значною кислотністю, а відтак - безструктурністю і розпорошенням орного шару, схильного до запливання та утворення кірки на поверхні, нарешті, незначним вмістом гумусу і зниженою родючістю. Разом з тим, ці ґрунти інтенсивно розорюються (82%) і досить ефективно використовуються при вирощуванні зернових, технічних та плодових культур, багаторічних трав тощо.

Менш яскраво проявлявся підзолистий процес при формуванні темно-сірих опідзолених ґрунтів, в зв'язку з чим вони відрізняються більшим вмістом гумусу (2,2-3,0%), зменшенням кислотності, поліпшенням фізичних властивостей (простежується, хоч і слабо виявлена, зернисто-грудкувата структура, зменшується схильність до запливання тощо). Все це зумовлює кращу родючість, а відтак і високий рівень розорювання (понад 92%) темно-сірих опідзолених ґрунтів, загальна площа яких в області перевищує 72 тис. га.

Ще менше виявлений підзолистий процес у чорноземів опідзолених, площа яких охоплює майже 62 тис. га. За своєю морфологією, фізико-хімічними властивостями і родючістю вони наближаються до чорноземів типових.

Високі рівні розорювання опідзолених ґрунтів в умовах хвилястої поверхні вододільних просторів та схилів лесового плато, сприяють інтенсивному розвитку ерозійних процесів, що проявляються через втрату природної родючості ґрунту (площинний змив), а часом і через повне руйнування ґрунтового покриву (яркова ерозія). За даними Рівненського філіалу Інституту землеустрою, майже 43% площ поширення опідзолених ґрунтів характеризуються різними ступенями змитості ґрунтового покриву. Чорноземи типові складають найцінніші земельні угіддя області, що формувалися під трав'яною рослинністю (луки, степи) на лесових відкладах Волинської височини, займаючи площі понад 42 тис.га. Ці грунти характеризуються легко-суглинковим складом з високим вмістом пилу і мулу, зернисто-грудкуватою структурою орного шару, слабокислою або нейтральною реакцією ґрунтового розчину.

За вмістом гумусу чорноземи області поділяються на слабогумусовані (1,7-3,0%) та малогумусовані (3,0-4,5%), а за потужністю гумусової частини профілю - на неглибокі (80-110 см) та глибокі (до 120-130 см).

Розміщення на високих гіпсометричних рівнях та інтенсивне розорювання чорноземів (по окремих різновидах розорано від 92 до 100% площ) сприяють поширенню ерозійних процесів, в зв'язку з чим на початок 90-х років майже 40% площ, вкритих грунтами цього типу, мають явні ознаки різних ступенів змитості (від слабо- до сильнозмитих).

Чорноземи та дерново-карбонатні ґрунти, що утворилися на елювії карбонатних порід, мають в області фрагментарне поширення (зокрема, у Малому Поліссі), хоч їх загальна площа (понад 39 тис.га) мало поступається перед описаними вище чорноземами типовими.

Характерною рисою грунтів цієї групи є відчутне зменшення потужності гумусованої товщі (рідко перевищує 20-30 см) і різкий перехід до корінної породи (тріщинуваті мергелі, вапняки). Ці грунти мають дещо гірші, порівнюючи з чорноземами типовими, фізико-механічні та водні властивості, відрізняються переважно лужною реакцією ґрунтового розчину. Найбільш ефективно використовуються для вирощування озимої пшениці, особливо за умови підживлення фосфорними добривами. Розораність перевищує 95%, проте змитість відчутно зменшується, що пояснюється відносно незначними перевищеннями ареалів розвитку цих грунтів над місцевими базисами ерозії.

Дещо кращі властивості мають дерново-карбонатні грунти, що утворилися на елювії карбонатних порід (перегнійно-карбонатні або рендзини). На цих грунтах можуть вирощуватися непогані врожаї різноманітних сільськогосподарських культур, особливо за умови забезпечення посівних площ калійними добривами. Рендзини фрагментарне зустрічаються у Малому Поліссі та у Костопільському районі. Дернові грунти поширені переважно у південній частині Рівненського Полісся, а також на заплавах річкових долин у межах Волинської височини, займаючи загальну площу понад 130 тис.га. Утворилися переважно на пісках (часом на супісках), в зв'язку з чим характеризуються легким механічним складом, малим вмістом органічних речовин, незначним насиченням основами. Зустрічаються розвинені (глибокі) дернові глейові грунти, де потужність гумусового горизонту сягає 20 см, та нерозвинені (неглибокі) різновиди, з потужністю гумусового горизонту до 8-10 см.

Незначний вміст гумусу, а відтак нестача азоту і фосфору, зумовлює низьку природну родючість дернових грунтів. Особливо це стосується піщаних та зв'язно-піщаних відмін, де на додаток до сказаного відчувається і нестача калію.

Лучні та чорноземно-лучні грунти зустрічаються по всій території області, займаючи низькі (часом і високі) рівні заплав, днища балок і фрагментарно - окремі ділянки надзаплавних річкових терас та знижених вододілів (особливо на Поліссі). Формуються переважно під трав'янистою рослинністю на алювіальних та делювіальних відкладах в умовах надмірного тимчасового зволоження.

За глибиною залягання грунтових вод і рівнем оглеєння розрізняють лучні глейові та лучно-болотні грунти. У перших рівні ґрунтових вод залягають на глибинах 50-100 см, а у других грунтові води підходять безпосередньо до поверхні. На окремих ділянках високих заплав, надзаплавних терас та знижених вододілів поширені лучно-чорноземні грунти (загальна площа близько 7 тис.га), які теж формуються під трав'янистою рослинністю в умовах високого залягання рівнів ґрунтових вод. Ці грунти одночасно поєднують ознаки лучних грунтів (часто навіть мають оглеєння у нижній ділянці профілю) і чорноземів, хоча у порівнянні з останніми вони більш зволожені і гумусовані.

Лучні, лучно-болотні і особливо лучно-чорноземні грунти мають порівняно високу потенційну родючість і використовуються переважно як природні кормові угіддя. Значні площі таких грунтів розорані і призначаються під польові сівозміни, а особливо - для вирощування кормових і овочевих культур. Щодо районування грунтів на території області можна сказати наступне.

РАДИВИЛІВСЬКИЙ район. Переважають дерново-глейові карбонатні та чорноземно-лучні карбонатні грунти характеризуються відсутністю торфового шару і являють собою чорну землисту масу, яка світлішає з глибиною. Загальна потужність рідко перевищує 50-70 см.

Аналіз водно-фізичних та фізико-хімічних властивостей ґрунтового покриву показує, що переважна більшість ґрунтових різновидів може досить ефектив використовуватися у сільськогосподарському виробництві лише за умови штучного поліпшення, тобто вимагає застосування науково обгрунтованої системи гідротехнічних хімічних меліорацій. За особливостями літології материнських порід, провідних проце грунтотворення, морфології та водно-фізичних властивостей і природної родючості груш у межах Рівненщини виділяють (С.Вознюк, П.Кузьмич та ін., 1976) вісім грунто- меліоративних районів, які характеризуються не тільки домінантним поширенн тих чи інших типів грунтів, але й особливостями господарського використання і поліпшеї ґрунтового покриву території. Болотні грунти поширені головним чином у Поліссі, займаючи різні за генезисом і розмірами зниження у алювіальних та озерно-льодовикових відкладах. Фрагментарне зустрічаються у межах Волинської височини та Малого Полісся, особливо на заплавах Ікви, Свитеньки, Вілії та інших приток Стиру і Горині.

ЗАРІЧНЕНСЬКИЙ. Переважають болотні (50%), дерново-підзолисті (29%) та дернові грунти.

ВИСОЦЬКО-РАФАЛІВСЬКИЙ. Переважають болотні грунти.

ПЛАВ-ГОРИНСЬКИЙ. Найбільш розвинені торфовища (50%), дерново-підзолисті (30%), лучні (12%) та дернові грунти.

САРНЕНСЬКИЙ. Переважають дерново-підзолисті (на підвищеннях) і дерново-карбонатні (у зниженнях) грунти.

РОКИТНІВСЬКИЙ. Найбільш поширені дерново-підзолисті оглеєні грунти.

КОСТОПІЛЬСЬКИЙ. Основу грунтового покриву складають дерново-слабопідзолисті карбонатні та лучні грунти з окремими низинними торфовищамц.

РІВНЕНСЬКИЙ. Найбільш розвинені сірі опідзолені грунти на лесовидних суглинках та чорноземи.