Компьютерная имитационная программа «Озеро»

Цель: Усвоение закономерностей, лежащих в основе водного баланса, превращений и деструкции веществ, насыщения воды кислородом, влияния метеоусловий на экологические процессы. Обучение оптимальному планированию в условиях необходимости обеспечить природоохранные мероприятия при ограниченности расходов.

Оборудование: персональный компьютер с обучающей имитационной программой "Озеро".

Теоретическое введение

ПДК (предельно допустимая концентрация) вредного вещества в воде – это максимальная концентрация данного вещества воде, которая еще не наносит вреда здоровью человека. О загрязненности сточных вод органическими веществами судят по их окисляемости. Она измеряется количеством кислорода, необходимого для их окисления. При естественном биохимическом разложении в течение 5 суток получают показатель БПК₅ в мг О₂/л, т.е. биохимическое потребление кислорода за 5 суток. Чем выше загрязнения, тем больше требуется кислорода на его окисление. Если кислорода в воде мало, разложение органических загрязнений прекращается. Поэтому концентрация кислорода в воде нормируется. ПДК кислорода в воде – это минимальная концентрация О₂ в воде, которая может обеспечить ее самоочистку. При большом содержании органики сточные воды перед спуском в водоемы аэрируют, т.е. обогащают кислородом путем продувания воздуха через слой стоков.

Чтобы уменьшить загрязнения среды параметры стоков и выбросов доводят до нормы с помощью очистных сооружений. Способы очистки могут последовательно сменять друг друга. Извлеченные загрязняющие вещества поступают на повторную переработку или захоронение.

Основные виды очистки:

1. Механическая – стоки процеживают (например, через гравийные и песчаные фильтры), отстаивают (твердые частицы оседают, нефтепродукты всплывают), иногда центрифугируют, газы пропускают через пылеосадочные камеры, матерчатые фильтры.

2. Химическая – на стоки действуют химическими веществами, чтобы вредные примеси выпали в осадок или окислились до менее токсичных веществ. Кислоты и щелочи нейтрализуют. Газы, например, сероводород, оксиды серы и азота пропускают через щелочной дождь для превращения их в соли.

3. Физико-химическая – применяется электрокоагуляция (образуются легко удаляемые осадки), адсорбция (поглощение активированным углем, цеолитами, ионообменными смолами), флотация (всплывание примесей с пузырьками воздуха), обратный осмос, когда вода под давлением продавливается через специальные микропленки) или сжигание в пламени мощных горелок.

4. Биологическая – в специально созданных экосистемах применяется или биоаккумуляция или разложение редуцентами. Так, диатомовые водоросли могут накапливать и осаждать тяжелые металлы и радионуклиды. Органические вещества можно разлагать в искусственных сооружениях тенках, где сточные воды обрабатываются специальными микроорганизмами. В аэротенки подается воздух, в метатенках процесс идет без доступа воздуха, но с образованием метана, который может использоваться как бытовой газ, например, для обогрева животноводческих комплексов. Подобным образом очищают стоки ферм, пищевых предприятий, коммунальные стоки. Чтобы ускорить процесс и уменьшить площадь очистных сооружений, применяют активный ил, через который постоянно продувают воздух. Для более токсичных промышленных стоков применяют биофильтры, в которых микробная пленка посажена на пористый носитель типа керамзита. Часто биологическая очистка ведется и в естественных условиях через почву на полях фильтрации или орошения и в биологических прудах.

Описание элементов системы

1)Водоем 200 Х 300 м, разбитый на три зоны одинаковой площади 200 Х 100м: - промышленную, среднюю и культурную. нормальный уровень воды в озере 9.8 - 10.2 м.

2) Прибрежные предприятия. Завод, фабрика и база - используют воду озера для своих технологических процессов, загрязняя ее органикой и неоpганикой. Объем забираемой воды равен объему сбрасываемой. Ботанический сад только забирает воду из озера. Данные о деятельности предприятий на текущую декаду можно получать во время игры, а полная информация приведена в таблице 22.

Таблица 22 Данные о деятельности предприятий по декадам

Дека-ды	Завод			Фабрика			База			Ботан. сад
	Потр. вода, м3	Неорг., мг/л	Орг., мг/л	Потр. вода, м3	Неорг., мг/л	Орг., мг/л	Потр. вода, м3	Неорг., мг/л	Орг., мг/л	Потр. вода, м3
Июнь 1-10 11-20 21-30 Июль 1-10 11-20 21-30	1200 1200 1200 1500 1200 1200	2000 2000 2000 2000 2000 2000	200 200 200 200 200 200	700 350 350 350 350 350	1500 1500 1500 1500 1500 1500	250 250 250 250 400 250	1000 1000 1000 1000 1000 1000	2000 2000 1000 1000 1000 2000	300 300 300 300 400 300	1000 - 400 600 300 500

3. Служба управления качеством воды. Необходимо, чтобы экосистема озера нормально существовала, и людям не было бы вредно отдыхать на его берегу. Поэтому для каждой зоны озера установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) в воде кислорода, органики и неорганики (таблице 23). Обратите внимание, что ПДК кислорода определяет нижнюю границу концентраций, а ПДК органики и неорганики - верхнюю. Станции ежедневного взятия проб воды анализируют состав воды во всех зонах.

Таблица 23 ПДК растворенных компонентов, установленные

для всех зон озера

Растворенный компонент	Промышленная зона	Средняя зона	Культурная зона
Кислород, мг/л	2	4	6
Органика, мг/л	60	40	25
Неорганика, мг/л	350	300	220

Чтобы обеспечить должное качество воды, служба управления осуществляет подкачку чистой воды (Р) в промышленную зону, сброс загрязненной воды (S) из культурной зоны, искусственную аэрацию воды при помощи двух аэраторов в средней (А1) и культурной (А2) зонах. Искусственная аэрация не может поднять концентрацию кислорода в воде выше предельного насыщения (зависит от температуры и атмосферного давления). Уровень воды в озере определяется балансом поступления воды (за счет дождей и перекачки) и расхода воды (за счет испарения, забора воды ботаническим садом и сброса). Фабрика и завод при этом не учитываются, т.к. они всю взятую воду возвращают. Если уровень воды в озере выходит за допустимые пределы, то станции перекачки воды на одни сутки автоматически переводятся на режим подъема уровня (Р=5000, S=0) или его снижение (Р=0, S=5000).

4) Гидpометеослужба - осуществляет краткосрочный метеопрогноз (до 10 дней). Данные об изменениях погодных условий заложены в игру и остаются одними и теми же, поэтому все игроки оказываются в равных условиях, диктуемых внешней обстановкой.

5) Финансирующий орган. Для управления экосистемой озера на 2 месяца выделяется 300 у.е. Эти деньги расходуются на перекачку воды, включая и подкачку и сброс, (из расчета 0,50 у.е. за каждые 1000 куб.м) и на искусственную аэрацию (из расчета 0,25 у.е. за повышение концентрации кислорода в одной зоне на 1 мг/л).

Процесс управления экосистемой

После вызова программы на экране дисплея появится картинка - рабочее поле программы с зоной "меню" в верхней части. Для того чтобы войти в зону "меню", необходимо нажать на клавишу «ESC». Игроку предоставляется одна из пяти возможностей: Помощь, Управление, Состояние, Работа, Прогноз. Чтобы войти в один из этих режимов, следует подвести графический курсор к одному из этих названий с помощью клавиш → или ← и нажать клавишу «ENTER». Для выхода из любого режима нажимают на клавишу «ESC».

К режиму "ПОМОЩЬ" следует обращаться до начала и во время игры для получения справочной информации по экосистеме "ОЗЕРО".

Режим "СОСТОЯНИЕ" - предназначен для вывода на экран информации о текущем состоянии экосистемы по сравнению с величинами ПДК.

Режим "УПРАВЛЕНИЕ" предназначен для задания управляющих параметров (сброс и подкачка воды, работа аэраторов, количество суток, на которые задается данный режим работы). Для задания параметров используются следующие клавиши:

- «↑», «↓» - для перехода к тому или иному параметру;

- «↑» - для увеличения значения параметра на величину шага;

- «↓» - для уменьшения значения параметра на величину шага;

- «PgUp» - для увеличения шага изменения параметра в 10 раз;

- «PgDn» - для уменьшения шага изменения параметра в 10 раз.

Режим "РАБОТА" – осуществляет управленческие решения в течение указанного числа дней и демонстрирует результат данной деятельности.

Режим "ПРОГНОЗ" - предназначен для вывода на экран прогноза погоды на текущую декаду и режима деятельности предприятий.

С 1 июня Вы назначаетесь диспетчером в службу управления качеством воды. Общая задача игрока состоит в том, чтобы в течение июня вывести озеро из запущенного состояния, довести концентрации каждого из трех ингредиентов до уровня ПДК во всех зонах, а затем в течении июля поддерживать качество воды в озере на этом уровне.

Процесс управления экосистемой имеет циклический характер. В начале каждого игрового цикла следует проанализировать наличные концентрации кислорода, органики, неорганики, получив все сведения с помощью режима "Состояние". Затем ознакомьтесь с прогнозом погоды и прогнозом деятельности предприятий (режим "Прогноз"). На основании проведенного анализа игрок выбирает параметры управления - величины P, S, A1, A2, а также Т - количество суток очередного цикла. Эти величины сообщаются машине в режиме "Управление" и осуществляются в режиме «Работа». По завершении одного игрового цикла вновь оценивается состояние экосистемы и все повторяется.

В течение первого месяца, пока диспетчер выводит озеро из запущенного состояния, он не наказывается за несоответствие норме концентраций загрязняющих веществ или кислорода. В следующем месяце диспетчеру начисляются штрафные баллы - по одному за каждый день, когда не было обеспечено качество воды хотя бы в одной зоне озера. К концу июля компьютер выставляет ему оценку, исходя из количества набранных штрафных баллов:

- "Отлично" - нет штрафных баллов.

- "хорошо " - штрафных баллов не более 10.

- "удовлетворительно" - штрафных баллов от 11 до 15.

диспетчер, получающий 16-й штрафной балл, отстраняется от должности (оценка «неудовлетворительно»).

Оптимальная стратегия управления экосистемой

Отсутствие учета стоимости работ будет большой ошибкой. Как только выделенная сумма будет израсходована, системы перекачки и аэрации воды остановятся, и в оставшиеся дни экосистема будет развиваться без поддержки, что быстро приведет к ухудшению качества воды. То есть свободный расход в неблагоприятных условиях должен сочетаться с разумной экономией в условиях благоприятных. Ориентироваться следует на среднесуточный расход 300 у.е. : 60сут .= 5 у.е.

Выбор большой длительности цикла (6-10 сдут.) не эффективен по ряду причин:

- невозможность воздействовать на систему до конца цикла,

- инеpциальность системы в целом,

- изменения в метеоусловиях,

- декадность прогноза.

Искусственная аэрация должна использоваться разумно. Расход кислорода обусловлен разложением органики и водообменном с предприятиями: забирая воду, обогащенную кислородом, и сбрасывая воду без кислорода, предприятие уменьшает концентрацию кислорода в воде; чем больше в воде органики и выше температура, тем больше расходуется кислорода на ее разложение. Пополняется запас кислорода в воде за счет естественной и искусственной аэрации, а также за счет дождевой воды и подкачиваемой чистой воды. Перекачка и сброс воды создают в озере течение от промышленной зоны через среднюю в культурную. Следовательно, концентрацию кислорода в промышленной зоне можно повышать за счет перекачки чистой воды, тогда как в средней и культурной зонах это следует делать за счет аэрации, причем аэрация в средней зоне (А1) должна быть выше чем в культурной (А2).

Подкачка и сброс воды существенно влияют на концентрацию растворенных примесей. Концентрация органики растет только за счет сточных вод предприятий, а убывает за счет разложения. Кроме того, загрязнения с водой перетекают из одних зон в другие. Чем выше концентрация кислорода в воде, тем сильнее идет разложение органики. При этом концентрация неорганики растет. Таким образом, концентрация неорганики увеличивается за счет сточных вод и разложения органических веществ, а понижается только за счет проточности воды.

Задания

Задание 1 Сделайте вывод о влиянии объема подкачки и сброса воды на параметры озера. Для этого смоделируйте разные режимы управления (Р>S, Р=S,Р<S) для больших и малых объемов перекачки воды. Для ускорения работы осуществляйте их при максимальной продолжительности цикла (Т=10 суток).

Задание 2 Сделайте вывод о влиянии аэрации на параметры озера. Для этого смоделируйте режимы сильной и слабой аэрации с использованием А1, А2 и обоих аэраторов совместно (Т=10 суток).

Задание 3 Исходя из результатов, полученных в заданиях 1-2, обеспечьте максимально эффективное управление данной экосистемой в течение 2 месяцев. Выставленную компьютером оценку продемонстрируйте преподавателю.

Контрольные вопросы

1. Что такое ПДК? Для чего используются эти показатели?

2. Что такое аэрация? Чем естественная аэрация отличается от искусственной?

3. За счет каких процессов может происходить самоочищение водной экосистемы?

Лабораторная работа № 6 Экономические механизмы