2.2 Предмет и содержание работы
2.2.1 Теоретическая часть: Природопользование [4, С. 222-225]. Искусственные и естественные экосистемы [4, C. 83-98]. Круговороты веществ и энергий в природе, понятие о цикличности. Водопотребление [1, C. 307-326]. Антропогенное воздействие на гидросферу [4, C. 239-244]. Нормирование качества окружающей среды [7, C. 33-38]. Система экологического мониторинга [1, C. 513-519]. Прогрессивные методы очистки сточных вод [1, C. 307-315]. Моделирование экосистем [3, C. 235-240; 5, C. 356-364].
2.2.2 Входные данные экологической системы «Озеро»
Компьютерная программа «Озеро» моделирует естественные процессы, происходящие в системе, включающей в себя:
- водоём;
- прибрежные предприятия;
- станции ежедневного взятия проб воды;
- гидрометеослужбу;
- службу управления качеством воды;
- финансирующий орган.
Обучаемый в игре выполняет функции диспетчера по управлению экологической системой «Озеро».
Для успешного управления обучаемый должен усвоить закономерности, лежащие в основе водного баланса, превращений и деструкции веществ, насыщения воды кислородом, влияния метеоусловий на экологические процессы.
2.2.3 Описание элементов системы
Водоём 200х300 м разбит на три зоны одинаковой площади 200х100 м – промышленную, среднюю и культурную (со средними глубинами 5 м, 10 м и 5 м соответственно). Нормальным считается уровень воды в озере от 9,8 до 10,2 м.
Прибрежные предприятия. Среди них некоторые – завод, фабрика, база – используют воду озера для своих технологических процессов, загрязняя её органикой и неорганикой. Объём забираемой воды равен объёму сбрасываемой. Концентрации органики и неорганики в сбрасываемой воде могут меняться через каждую декаду. Ботанический сад только забирает воду из озера.
Данные о деятельности предприятий заложены в программу, моделирующую экосистему. Эти данные обучаемый при желании может получить во время игры. Они выводятся на экран по частям, в соответствии с рассматриваемой в конкретный момент игры декадой. Ниже приводится полная таблица с указанными данными, заложенная в программе (таблица 2.1).
Таблица 2.1 – Данные о деятельности предприятий по декадам
| Месяц | Декада | Объем загрязненной сбрасываемой воды | |||
| Завод | Фабрика | База | Б.Сад | ||
| неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3) | неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3) | неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3) | вода, м3 | ||
| Июнь | 1 – 10 | 1200/2000/200 | 700/1500/250 | 1000/2000/300 | 1000 |
| 11 – 20 | 1200/2000/200 | 350/1500/250 | 1000/2000/300 | - | |
| 21 – 30 | 1200/2000/200 | 350/1500/250 | 1000/1000/300 | 400 | |
| Июль | 1 – 10 | 1500/2000/200 | 350/1500/250 | 1000/1000/300 | 60 |
| 11 – 20 | 1200/2000/200 | 350/1500/400 | 1000/1000/400 | 300 | |
| 21 – 30 | 1200/2000/200 | 350/1500/250 | 1000/2000/300 | 500 | |
В игре установлен предел допустимых концентраций (ПДК) в мг/л по кислороду, органике и неорганике для каждой зоны. Ниже приводится таблица, где приведены ПДК тех же показателей, причем ПДК по кислороду определяет нижнюю границу, ПДК по органике и неорганике – верхнюю (таблица 2.2).
Таблица 2.2 – Предельно допустимые концентрации загрязнителей в контролируемых зонах, мг/л
| Промышленная зона | Средняя зона | Культурная зона | |
| Кислород | 2 | 4 | 6 |
| Органика | 60 | 40 | 25 |
| Неорганика | 350 | 300 | 220 |
Станции ежедневного взятия проб воды. Две из них стационарные – в промышленной и средней зоне, одна передвижная для взятия проб воды при необходимости в культурной зоне.
Гидрометеослужба осуществляет краткосрочный метеопрогноз (до 10 дней): температуры воздуха и воды, осадков, давления и силы ветра. Данные об изменениях погодных условий заложены в игру и остаются одними и теми же, поэтому все игроки оказываются в равных условиях, диктуемых внешней обстановкой.
Служба управления качеством воды осуществляет подкачку чистой воды в промышленную зону, сброс воды из культурной зоны, искусственную аэрацию вод. Интенсивность аэрации задается величинами А1 и А2 мг/л – на сколько можно поднять аэрацию воды без учета других факторов поступления и расходования воздуха. Следует, однако, иметь в виду, что искусственная аэрация, сколь бы сильной она ни была, не может дать концентрацию кислорода выше предельного насыщения (эта величина зависит от температуры воздуха и атмосферного давления).
В части водного баланса обучаемому следует учесть, что станции перекачки воды переводятся автоматически на режим подъёма уровня (Р=5000, S=0) или его снижение (Р=0, S=5000) на одни сутки, если уровень воды выходит за пределы допустимых норм. Чтобы управлять уровнем воды, следует учитывать баланс воды:
B = Wg – Wu – Wc + (P - S),
где Wg и P – приход воды в озеро за счёт дождей и перекачки;
Wu, Wc, S – расход за счёт испарения, забора воды ботаническим садом и сброса.
Финансирующий орган. Для управления озером на два месяца выделяется 300 рублей. Эти деньги расходуются на перекачку воды из расчёта 50 коп. за каждую 1000 куб. м и на искусственную аэрацию из расчета 25 коп. за повышение концентрации кислорода в одной зоне на 1 мг/л.
В игре денежные расходы не выведены на первый план, однако отсутствие их учета будет со стороны обучаемого большой ошибкой. Как только выделенная сумма будет израсходована, в оставшиеся дни экологическая система будет развиваться без управления со стороны обучаемого. А такое развитие очень быстро приводит к ухудшению качества воды.
Таким образом, разумная экономия при благоприятных условиях, свободный расход в условиях неблагоприятных и ориентир на среднесуточный расход 5 руб. позволяют обучаемому сохранить свою роль диспетчера до конца срока игры.
2.3 Оборудование, технические средства
Компьютер и специальное программное обеспечение (имитационная программа «Озеро»).
2.4 Последовательность выполнения работы
Лабораторная работа выполняется группой студентов в составе не более 2–3 человек. На выполнение работы отводится четыре академических часа, в том числе: подготовка – 1 час, выполнение – 2 часа, итоговый опрос – 1 час.
2.4.1 Подготовка к работе и входной контроль. Студенты выполняют конспект теоретической части, формулируют ответы на общие вопросы по теме.
Вопросы для входного контроля:
1. Понятие об экологической системе. Виды экосистем.
2. Антропогенное воздействие. Реальные и потенциальные опасности как последствия антропогенной деятельности.
3. Какие виды норм и нормативов относятся к производственно-хозяйственным, какие – к санитарно-гигиеническим?
4. Для чего устанавливаются лимитирующие показатели вредности?
5. Для чего применяют экологические модели (экологическое моделирование и экологическое прогнозирование)?
6. Классификация вод.
7. Что такое мониторинг? Чем занимается служба мониторинга?
8. Основные методы очистки сточных вод.
9. Что понимается под лимитирующими факторами среды?
Затем изучают основные сведения о закономерностях функционирования экосистемы «Озеро».
2.4.2 Выполнение работы. При выборе параметров управления обучаемый должен усвоить основные закономерности экологической системы и учитывать складывающуюся ситуацию. Процесс управления экосистемой имеет циклический характер. В начале каждого цикла обучаемый оценивает по информации кадра дисплея:
- состояние озера, т.е. на текущую дату уровень воды в озере, концентрации ингредиентов в каждой из трёх зон;
- прогноз погоды на текущую декаду;
- оставшуюся в его распоряжении денежную сумму для расхода на перекачку воды и аэрацию.
После этого его задачей оказывается выбор:
- продолжительности очередного цикла (от 3 до 10 суток);
- мощности подкачки чистой воды и откачки загрязнений на каждые сутки очередного цикла (от 0 до 5000 на подкачку и от 0 до 5000 на откачку).
Ниже даются рекомендации для обоснованного выбора параметров управления.
2.4.2.1 Длительность цикла
Выбор большой длительности цикла не эффективен по ряду причин: невозможность воздействовать на систему до конца цикла, инерциальность системы в целом, изменения в метеоусловиях, декадность прогноза. Начинающему следует придерживаться выбора длительности цикла от 3 до 4 суток с выходом на первый день каждой декады.
2.4.2.2 Искусственная аэрация
Обучаемый должен понять, что растворенный в воде кислород как расходуется, так и пополняется ввиду нескольких причин.