Педагогические науки/5. Современные методы преподавания

К.геол.н. Мохонько В.И.

Технологический институт Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля (г. Северодонецк), Украина

Использование модельного представления

процесса карстообразования при подготовке экологов

В ходе обучения студенты-экологи часто сталкиваются с задачами междисциплинарного содержания. К ним относится решение эколого-геологических задач, связанных с проблемой оценки и прогнозирования состояния геосистем и протекающих в них процессов в условиях техногенной нагрузки.

В современной экологии при изучении геосистем используют три основных метода исследований – полевые наблюдения, эксперименты в полевых и лабораторных условиях и моделирование [1]. Наибольшего эффекта при изучении геосистем в условиях антропогенной нагрузки можно достичь, когда методы исследований (наблюдение, эксперимент, моделирование) интегрируются в едином процессе, который может быть разбит на этапы, последовательно сменяющие друг друга или совпадающие по времени: 1. Постановка задачи. 2. Концептуализация. 3. Спецификация. 4. Наблюдения. 5. Идентификация. 6. Эксперименты. 7. Реализация модели. 8. Проверка модели. 9. Исследование модели. 10. Оптимизация. 11. Заключительный синтез. При исследовании геосистем проведение всех этапов затруднительно. Однако использование отдельных этапов, в частности, сочетания эксперимента и моделирования, позволяет достигнуть эффективно решать поставленные в процессе обучения задачи.

Модель является эффективной формой научной интерпретации теоретических представлений. Стратегия моделирования состоит в том, чтобы путем упрощения получить модель, свойства и поведение которой можно было бы изучать с достаточной эффективностью. Наибольшее значение при моделировании геосистем имеют две разновидности моделей − концептуальные и математические. Формирование объективных имитационных моделей в данном случае связано с определёнными трудностями проверки их адекватности исследуемому объекту. При изучении динамики геосистем более эффективны методы математического моделирования. Алгоритмизация факторов и условий протекания геологических процессов, составление базы данных позволяет в достаточной мере объективно отразить исследуемые процессы в рамках сформированной модели.

Нами рассматривалось использование метода моделирования при изучении карбонатного карстового процесса как экзогенного процесса, наиболее распространенного во времени и пространстве, испытывающего значительную активизацию под воздействием техногенных факторов. В естественных условиях карстовый процесс протекает очень медленно. Однако под воздействием техногенных факторов скорость карстогенеза может возрасти в десятки, а то и в сотни раз, что переводит его из неблагоприятных экологических процессов в разряд катастрофических. В этом случае задачи мониторинга, оценки и прогнозирования процесса являются чрезвычайно актуальными.

Карбонатный карстовый процесс можно рассматривать как физико-химический процесс, связанный с растворением карбонатных пород под воздействием поверхностных и подземных вод. Термином «растворение» обозначают гетерогенные реакции, протекающие между твердым веществом и жидкостью и сопровождающиеся переходом этого вещества в раствор [2]. Знание кинетики растворения позволяет перейти к построению математической модели процесса и его оптимизации.

В упрощенном варианте в качестве основного кинетического уравнения для математической модели процесса карбонатного карстообразования может быть использовано уравнение

, (1)

где ∆C/∆τ – прирост концентрации ионов Са²⁺ в объеме раствора за время ∆τ, г/м³;

К – константа процесса растворения;

V – объем загрязнённой воды в карстовой зоне, м³;

S – площадь контакта карстующейся породы с загрязнённой водой, м².

Применение уравнения (1) позволяет рассчитать поправку на увеличение скорости карстообразования при изменении состава растворяющей воды, в частности, при поступлении в подземные горизонты загрязнённых сточных вод промышленных предприятий.

Изучение карстового процесса студентами начинается с постановки задачи и проведения экспериментальных исследований кинетики растворения карстующихся пород в лабораторных условиях. Из образцов мела вырезаются пластины диаметром 0,33 дм (по диаметру стеклянного стакана) высотой 0,05 дм. Затем готовятся растворы из смеси воды из водоносного карстового горизонта и промышленных сточных вод. Пластины опускаются в термостатированные стаканы, в которые затем приливаются исследуемые растворы объемом 0,05 дм³. Через равные промежутки времени (15 мин) растворы перемешиваются, из растворов отбираются пробы, в которых определяется концентрация ионов Са²⁺ по известной титриметрической методике [5].

Результаты измерений обрабатываются с построением кинетических кривых в Microsoft Еxcel. По начальным участкам кинетических кривых рассчитываются приращения концентрации ионов Са²⁺ в единицу времени ∆C/∆τ и удельная скорость растворения К по формуле

, (2)

где: ∆C – количество вещества, переходящее в объем раствора за время ∆τ;

S – поверхность растворения;

V – объём раствора.

Полученные данные позволяют оценить степень влияния состава исследуемых растворов на скорость карстообразования. На основании сходимости результатов экспериментов по моделированию процессов растворения и расчётных данных делается вывод о возможности применения исходной кинетической формулы для расчета процесса растворения в качестве основы для математической модели процесса карстообразования в заданных условиях.

Использование при обучении студентов-экологов сочетания экспериментального метода и моделирования дает достаточно эффективные результаты при решении таких проблем, как повышение вероятности прогнозирования эволюции геологического объекта, развития карстовых процессов, исследования динамики геосистем. В ходе проведения предлагаемых экспериментов студенты осваивают методики лабораторных исследований, учатся строить и оценивать модели, использовать компьютерных программы.

делает возможным решение таких проблем, как повышение вероятности прогнозирования эволюции геологического объекта, развития карстовых процессов, исследования динамики эколого-геологических систем.

Литература:

1. Чистик О.В. Экология. / О.В. Чистик. – 2-е изд. – Минск: Новое знание, 2001. – 248 с.

2. Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ. / Г.А. Аксельруд Г.А., А.Д. Молчанов. – М.: Химия, 1977. – 272 с.

3. Гвоздецкий Н.А. Карстовые ландшафты. / Н.А. Гвоздецкий. – М.: МГУ, 1988. – 112 с.

4. Мохонько В.И. Подбор механизма и кинетического уравнения для моделирования процессов техногенного карстообразования / В.И. Мохонько // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – К.: НПЦ «Екологія. Наука. Техніка.», 2006. – № 4 (34). – С. 71-76.

5. Унифицированные методы анализа вод. – М.: Химия, 1971 – 376 с.