ОПИСАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Программа " МАЛАЯ РЕКА" моделирует естественные процессы, происходящие в системе:

- участок реки,

- промышленное предприятие,

- животноводческий комплекс,

- сельскохозяйственные угодья,

- жилой поселок,

- передвижная станция контроля качества воды.

Описание элементов системы:

Участок реки длиной 8640 м, шириной 10 м, глубиной 3м, средней скоростью течения 6 м/мин. Во время паводка скорость течения и расход воды в реке повышается.

Промышленное предприятие, расположенное на берегу реки на расстоянии 1800 метров от начала участка, загрязняющее воду реки стоками, содержащими органическое загрязняющее вещество (по БПК₅). Количество сточных вод зависит от интенсивности работы предприятия, которая может изменяться от 0 до 150 условных единиц продукции в сутки. Производство единицы продукции дает 0, 1 куб. метра стоков с концентрацией органического загрязняющего вещества по БПК₅ 2000 мг/литр.

2.3. Животноводческий комплекс, расположенный на берегу реки на расстоянии 5400 метров от начала участка, на котором можно выращивать свиней (количеством от 0 до 2000 голов) или крупный рогатый скот (от 0 до 1000). На животноводческом комплексе в сутки на свинью образуется 4, 5 литра навозной жижи с БПК5 - 6000 мг/л, на корову - 14 литров навозной жижи с БПК₅ - 8000 мг/л.

Сельскохозяйственные угодья, на которых можно выращивать пшеницу, рожь, ячмень, кукурузу, картофель. Для повышения урожайности есть возможность внесения азотных, калийных, фосфорных, органических удобрений, известкования почвы (почва требует известкования), применения ядохимикатов (метафоса – для борьбы с вредными насекомыми, цинеба - для борьбы с болезнями растений, атразина - для борьбы с сорняками). При использовании ядохимикатов и удобрений необходимо учитывать:

- дождевые и паводковые стоки будут загрязнять воду реки тем сильнее, чем больше внесено удобрений и ядохимикатов,

- накопление в почве веществ, неусвоенных растениями, влияет на величину загрязнения реки,

- существенное влияние на качество воды оказывают донные осаждения.

Жилой поселок забирает воду реки для своих нужд. Если вода в реке не достаточно чистая, то затрачиваются средства на ее очистку. В модели установлен предел допустимых концентраций (ПДК) в мг/л по кислороду - не менее 4 мг/л, БПК₅ - не более 6 мг/л, атразину - не более 0, 005 мг/л, метафосу - не более 0, 02 мг/л, цинебу - не более 0, 03 мг/л.

Передвижная станция контроля качества воды анализирует содержание кислорода, БПК₅, атразина, метафоса, цинеба в воде в любом выбранном месте участка реки.

УПРАВЛЕНИЕ ЭКОСИСТЕМОЙ.

Работа с программой состоит из последовательности туров, где каждый тур - управляющее воздействие на систему и получение результатов. Программа рассчитана на 5 туров, каждый из которых соответствует 1 году.

Под управляющим воздействием понимается:

- выбор интенсивности работы промышленного предприятия,

- выбор количества голов скота для выращивания на ферме (свиньи или крупный рогатый скот),

- выбор методов очистки сточных вод промышленного предприятия и фермы,

- выбор сельскохозяйственных культур для выращивания в бассейне реки,

- выбор количества применяемых удобрений и ядохимикатов,

- размещение передвижной станции контроля качества воды,

- выбор мероприятий по охране чистоты реки.

Цель работы обучаемого заключается в выборе оптимальных параметров функционирования системы для достижения максимальной прибыли от хозяйственной деятельности в бассейне реки с учетом затрат. При этом концентрации загрязняющих веществ в реке не должна превышать предельно допустимых норм. От этого зависит величина экономического ущерба.

Природоохранные мероприятия и их стоимость.

Лесополоса.

Выращивание древесной и кустарниковой растительности по берегам реки способствует уменьшению дождевого стока и выноса загрязняющих веществ. Влияние лесополосы растет с увеличением возраста лесополосы. Посадки лесополосы шириной 10 метров стоит 1000 руб.

Вспашка.

При работе с программой необходимо учесть, что разные виды вспашки обеспечивают уменьшение дождевого стока в разной степени:

- уплотненная на 16 % (стоимость вспашки 100 га - 1000 руб.),

- отвальная с микролиманами на 63 % (1900 руб.),

- безотвальная на 45 % (1700 руб.),

- отвальная глубиной 22-25 см на 62 % (2500 руб.),

- глубиной 35-37 см на 77 % (3000 руб.).

Очистка сточных вод.

Для снижения концентрации загрязняющих веществ в сточных водах необходимо применять очистку. Использование механической очистки позволяет снизить концентрацию загрязняющих веществ, примерно, на 50 %, биологической очистки - на 80 %, биологической с доочисткой - на 98 %. Стоимость механической очистки 1 куб. м сточных вод - 0, 05 руб., биологической - 0, 38 руб., биологической с доочисткой – 2 руб.

Искусственная аэрация.

Искусственная аэрация позволяет увеличить содержание кислорода в воде путем нагнетания воздуха в воду через аэраторы. Место искусственной аэрации можно изменять. При работе необходимо учесть, что концентрация кислорода зависит от концентрации органики (чем больше в воде органики, тем больше расходуется кислорода на ее разложение) и от температуры воды (чем выше температура, тем ниже концентрация кислорода). Повышение содержания кислорода в воде на 2 мг/л с помощью искусственной аэрации стоит 366 руб. в месяц.

Прибыль.

Прибыль от ведения хозяйственной деятельности складывается из прибыли полученной от реализации условной продукции предприятия - 12 руб. за единицу, животноводческого комплекса - (100*количество свиней) или (200*количество коров) руб. в год, урожая пшеницы - 30 руб. за центнер, ячменя - 30, ржи - 28, кукурузы - 12, картофеля - 10.

Затраты.

Затраты складываются из затрат на осуществление природоохранных мероприятий (см. выше) и затрат на внесение удобрений и ядохимикатов. Стоимость внесения метафоса (на каждый гектар по 1 кг) - 434 руб., атразина - 1600, цинеба - 600, азотных удобрений - 400, калийных - 400, фосфорных - 400, органических (на каждый га по 1 т) - 2000, известкования - 2000.

Экономический ущерб.

Экономический ущерб зависит от качества воды в реке и складывается из потерь, связанных с ухудшением функционированием основных фондов промышленного предприятия; дополнительных затрат на очистку воды для жилого поселка; потерь из-за заболеваемости населения; затрат учреждений здравоохранения в связи с заболеваемостью населения; собственных затрат населения, связанных с поездками на отдых в другие места.

ВВОД ДАННЫХ В ПРОГРАММЕ.

В программе предусмотрено два вида ввода данных:

- ввод числовых значений осуществляется с помощью клавиш 0, 1, 2,...9. Дробная часть числа отделяется точкой (например, 3.5). После набора числа необходимо нажать клавишу ENTER.

- выбор с помощью клавиш " стрелка вверх", " стрелка вниз" и «ENTER».

ПОРЯДОК РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ.

После загрузки программы на экране появится заставка программы " МАЛАЯ РЕКА". Для продолжения работы необходимо нажать пробел.

В начале тура задаются параметры функционирования системы:

- интенсивность работы промышленного предприятия,

- поголовье скота для выращивания на ферме,

- методы очистки сточных вод предприятия и фермы,

- полевая культура для выращивания на прибрежных полях,

- количество применяемых удобрений и пестицидов,

- вид вспашки,

- ширина лесопосадок вдоль реки,

- искусственная аэрация.

После задания параметров на экране можно наблюдать динамику концентраций кислорода, БПК₅, атразина, цинеба, метафоса в речной воде и изменение уровня воды в реке. Шаг вычислений один месяц. Можно посмотреть динамику концентраций веществ после дождя в течение 72 часов, а также изменение концентраций веществ не только в месте нахождения передвижной станции контроля качества воды, но и вдоль реки в выбранном месяце (клавиши F8 и F9 соответственно).

После окончания 5 лет игрового времени программа дает оценку деятельности обучаемого.

Описание разделов меню.

«ПОМОЩЬ» - имеется подменю:

ПРАВИЛА - правила работы с программой (на экран выдается информация о моделируемой экологической системе, о цели игры, о возможных управляющих воздействиях на систему, о стоимости природоохранных мероприятиях и т.д.);

СХЕМА - схема взаимодействия блоков системы (т.е. графическое изображение связей, моделируемых в программе);

ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ - информация о природоохранных мероприятиях, моделируемых в программе (т.е. информация об эффективности разных методов очистки сточных вод, о влиянии разных видов вспашек на уменьшение дождевого стока, о влиянии лесополосы и искусственной аэрации);

«ТЕКУЩАЯ ОЦЕНКА» - оценка деятельности обучаемого по турам (дается сообщение о полученной прибыли и экономическом ущербе за прошедшие туры работы с программой);

«УПРАВЛЕНИЕ» - имеется подменю:

ПРЕДПРИЯТИЕ - задается интенсивность работы предприятия (0-150) и способ очистки сточных вод;

ФЕРМА - задается поголовье скота (свиньи или крупный рогатый скот) для выращивания на ферме и метод очистки сточных вод;

УРОЖАЙ - выбирается сельскохозяйственная культура для выращивания на полях и дозы применяемых удобрений и пестицидов;

ВСПАШКА - выбирается вид вспашки;

ЛЕСОПОЛОСА - выбирается ширина защитной лесополосы;

АЭРАЦИЯ - выбирается место искусственной аэрации;

«СЧЕТ» - вычисление концентраций кислорода, БПК_5, атразина, цинеба и метафоса по месяцам в течении года. Перед этим предлагается выбрать расположение передвижной станции контроля качества воды (клавиши " влево", " вправо" и Enter).

«Esc» - выход в операционную систему.

С помощью программы " МАЛАЯ РЕКА" можно наблюдать ряд процессов и решать ряд задач:

ВТОРИЧНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ.

В первый год внести в почву большие дозы удобрений и ядохимикатов, во второй год не вносить вообще. Наблюдать на втором году концентрации веществ, попавших в воду за счет вторичного загрязнения, т.е. за счет взмыва донных осаждений и выноса веществ, неусвоенных растениями и оставшихся в почве).

УРОЖАЙНОСТЬ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР.

Задавать разные дозы удобрений и ядохимикатов, и наблюдать за изменениями урожайности.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИРОДООХРАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

Каждый год задавать разные природоохранные воздействия (например, поочередно задавать методы очистки сточных вод: 1-й год без очистки, 2-й год механическая очистка, 3-й год биологическая, 4-й биологическая с доочисткой), оставляя без изменения другие управляющие воздействия, и наблюдать изменения концентраций веществ в реке и экономических характеристик.

Определить оптимальный метод очистки сточных вод предприятия, работающего с максимальной интенсивностью, и фермы с максимальным поголовьем скота.

ВОЗРАСТ ЛЕСОПОЛОСЫ.

В первый год посадить лесополосу, внести в почву удобрения и ядохимикаты. В первый и последующие годы управляющие воздействия задавать одинаковыми и наблюдать за концентрациями и уменьшением экономического ущерба от загрязнения воды. Дозы веществ, вносимых в почву не должны быть большими, чтобы не вызвать вторичного загрязнения.

ВЫНОС ВЕЩЕСТВ С ПОЛЕЙ ДОЖДЕВЫМИ СТОКАМИ.

Вносить разные дозы удобрений и ядохимикатов и наблюдать за изменением концентраций веществ в воде.

Примеры возможных вариантов функционирования системы.

Если попытаться получить максимальную прибыль, мало заботясь о чистоте воды (экономя на этом), то можно задать следующие параметры:

- интенсивность работы промышленного предприятия - 150;

- очистка сточных вод предприятия - механическая;

- поголовье скота - 2000 свиней;

- очистка сточных вод фермы - механическая;

- сельскохозяйственная культура - картофель;

- удобрения (азотные - 50 кг/га, фосфорные - 45 кг/га, калийные - 45 кг/га, органические - 10 т/га, известкование - 1 т/га);

- пестициды (метафос - 30 кг/га, цинеб - 3 кг/га, атразин - 6 кг/га);

- вспашка - уплотненная;

- лесополоса шириной 30 м.

Результатом за первый год будет:

- прибыль - 1442 тыс.руб.

- затраты - 123 тыс.руб.

- экономический ущерб - 400.8 тыс. руб.

Слишком большой экономический ущерб говорит о том, что необходимо больше внимания уделять природоохранным мероприятиям. Необходимо улучшить очистку сточных вод, применять меньшее количество удобрений и пестицидов.

Если на природоохранные мероприятия затратить средств немного больше, то можно достичь нулевого экономического ущерба.

Пример:

- интенсивность работы промышленного предприятия - 150;

- очистка сточных вод предприятия - биологическая;

- поголовье скота - 2000 свиней;

- очистка сточных вод фермы - биологическая с доочисткой;

- сельскохозяйственная культура - пшеница;

- удобрения (азотные - 20 кг/га, фосфорные - 25 кг/га, калийные - 20 кг/га, органические - 5 т/га, известкование – 1 т/га);

- пестициды (метафос - 15 кг/га, цинеб - 2 кг/га, атразин - 3 кг/га);

- вспашка - глубиной 35-37 см;

- лесополоса шириной 30 м.

Результат за первый год:

прибыль - 1096, 4 тыс.руб.

- затраты - 185, 9 тыс.руб.

- экономический ущерб - 0 тыс. руб.

Нулевой ущерб говорит о том, что управление системой ведется правильно. Получена высокая прибыль и обеспечена чистота воды в реке.

ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЙ ОБУЧАЕМОГО.

По окончании пяти лет игрового времени программа подводит оценку деятельности обучаемого по полученной прибыли и нанесенному экономическому ущербу.

Оценка " отлично" выставляется обучаемому если он получит прибыль 5 млн. руб. и экономический ущерб 0 руб.

При худших показателях оценка соответственно снижается.