Показателями экологической нагрузки загрязняющих веществ на данной территории являются их удельные количества, приходящиеся на единицу площади и на душу населения в единицу времени (как правило за 1 год). Экологические нагрузки рассчитываются отдельно для каждого загрязняющего вещества, образующихся на:
(9.1)
(9.2)
Где ЭiS; ЭiН – экологические нагрузки загрязняющего вещества iна единицу площади и на душу населения соответственно; S -площадь рассматриваемой территории, га; Н - численность проживающего на данной территории населения, чел; Мi - суммарное количество загрязнителя i, образующегося при сжигании всех видов топлива на данной территории в единицу времени, тонн.
Расчет суммарного количества загрязняющих веществ, образующихся на данной территории от всех источников загрязнения, осуществляется для каждого загрязнителя отдельно, учитывая его образование при сжигании всех видов топлива:
(9.3)
где ∑Мi – суммарное количество загрязнителя i, образующегося на данной территории при сжигании N видов топлива, тонн в год.
Аналогично может быть рассчитано суммарное количество кислорода, расходуемое при сжигании всех видов топлива на данной территории, тонн в год:
(9.4)
На основе сведений по суммарным количествам потребляемого кислорода определяется удельный расход кислорода на единицу площади в единицу времени при сжигании всех видов топлива:
(9.5)
Величина удельного расхода кислорода на единицу площади также является важной характеристикой степени антропогенного воздействия промышленности и транспорта на окружающую природную среду.
Существенную роль в величине экологических нагрузок по многим загрязняющим веществам играет автотранспорт. Важно уметь оценивать этот вклад. Сложность во многом связана с тем, что при работе автотранспорта образуется одновременно множество различных загрязнителей. Поэтому при оценке роли автотранспорта в загрязнении окружающей среды можно использовать упрощенную методику, позволяющую сделать процесс оценки более эффективным. Расчет количества загрязняющих веществ, образующихся при работе автотранспорта, осуществляется на основе информации о количестве израсходованного транспортом топлива и количествах образующихся при этом вредных примесей:
(9.6)
где Мi – количество образующегося при работе транспорта i-го загрязняющего вещества; Gi – количество загрязняющего вещества i, образующегося при сжигании единицы массы топлива транспортом. Некоторые усредненные данные об образовании загрязняющих веществ при работе автотранспорта приведены в табл. 9.1
Таблица 9.1
Количества загрязняющих веществ, образующихся при работе автотранспорта. (Gi– т/1т топлива)
| Загрязняющее вещество | Вид топлива | |
| бензин | Дизельное топливо | |
| Двуокись углерода СО2 | 3,25 | 3,10 |
| Окись углерода | 0,466 | 0,021 |
| Углеводороды (Ув) | 0,023 | 0,004 |
| Окислы азота (NOx) | 0,016 | 0,018 |
| Ангидрид серной кислоты (SO2) | 0,0019 | 0,0078 |
| Сажа (Аэроз) | 0,001 | 0,005 |
| Свинец (Pb) | 0,0005 | 0 |
Зная расход топлива транспортом, на основе данных табл. 9.1 можно рассчитать количества загрязняющих веществ, поступающих при этом в атмосферу.
Как видно из таблицы 9.1 бензиновые двигатели почти в 20 раз токсичнее дизельных по выбросам окиси углерода.
При сжигании топлива всегда образуется небольшое количество оксидов азота. В масштабах функционирования одной энергетической установки это количество не столь значительно. Однако при расчетах экологических нагрузок величиной суммарного выброса оксидов азота на всей территории от всех источников уже нельзя пренебрегать.
Образование окислов азота – сложный процесс, зависящий от большого количества факторов и протекающий неодинаково при сжигании топлива в различных энергетических установках. Так как окислы азота являются одним из наиболее массовых загрязнителей атмосферы, оценка их количества необходима при решении природоохранных задач. Приблизительная оценка массы оксидов азота, образующихся при сжигании различных видов топлива в разных отраслях промышленности, может быть получена следующим образом:
(9.7)
где F – величина, показывающая количество окислов азота, образующихся при сжигании единицы массы топлива, на различна для разных видов топлива и разных условий его сжигания.Некоторые примеры значений фактора F приведены в табл.9.2
Таблица 9.2
Оценки эмиссии оксидов азота
| Вид топлива | Отрасль промышленности | F – эмиссия оксидов азота, т/1т топлива. |
| Каменный уголь | Электростанции | 0,009 |
| Промышленность | 0,006 | |
| Другие отрасли | 0,002 | |
| Бурый уголь | Электростанции | 0,004 |
| Нефтепродукты | Электростанции | 0,012 |
| Нефтеперегонка | 0,008 | |
| Промышленность | 0,008 | |
| Другие отрасли | 0,006 | |
| Газовое/дизельное топлива | Промышленность | 0,008 |
| Транспорт | 0,036 | |
| Другие отрасли | 0,004 | |
| Моторное топливо | Транспорт | 0,025 |
| Природный газ | Электростанции | 0,001 |
| Промышленность | 0,0003 | |
| Другие отрасли | 0,0002 |
Зная величины фактора F и массу сжигаемого топлива в соответствующей отрасли промышленности, транспорта или коммунального хозяйства, можно рассчитать количество образующихся оксидов азота.
Как можно видеть из приводимых в таб. 9,2 данных автотранспорт является одним из самых активных загрязнителей атмосферы оксидами азота.
Контрольное задание
Определить:
1) 
, 
, 
, Mаэрозолей(сажа), Муглеводородов, МPb, образующихся в городе за 1 год (365 дней)
2) 
, потребляемого на сжигание всех перечисленных видов топлива, в пересчете на 1 год
3) Экологические нагрузки по всем продуктам сгорания, и по потреблению кислорода
Таблица 9.3
Исходные данные для определения величин экологических нагрузок
| Топливо | Номера вариантов, массы топлива, тыс.т./сут. | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Каменный уголь | 20 | 38 | 16 | 14 | 12 | 12 |
| Мазут | 14 | 30 | 12 | 10 | 8 | 10 |
| Природный газ | 13,5 | 32 | 10 | 11 | 6 | 6 |
| Бензин | 2,5 | 4,8 | 2,0 | 2,2 | 2,0 | 2,3 |
| Диз. топливо | 2,5 | 3,9 | 2,3 | 1,8 | 1,8 | 2,0 |
| S горда, тыс. га. | 90 | 150 | 70 | 73 | 50 | 60 |
| Население, млн. чел. | 5 | 10 | 3,5 | 2,8 | 2,6 | 3,0 |
Для всех вариантов:
· Х=0,33; С=0,90;
· для каменного угля F=0,009, для мазута F=0,012, для природного газа F=0,0002
· Состав каменного угля: С=90%;H=4%; O=3,2%; N=1,5%; S=1,3%
· Состав мазута: С=88%; H=10%; O=0,5%; N=0,5%; S=1,0%.
· Состав природного газа: CH4-10%; C3H8-30%; C4H10-40%; CO2-20%.
· Зольность каменного угля: Z=18%
· Зольность мазута: Z=0,1%
· При сжигании бензина и дизельного топлива масса расходуемого кислорода в 4 раза больше массы топлива.
Результаты расчетов следует представлять в виде табл. 9.4
Таблица 9.4
Таблица результатов расчетов экологических нагрузок
|  
|  
|  
|  
|  
|  
|  
|  
|
| Кам. уголь | ||||||||
| Мазут | ||||||||
| Природн. газ | ||||||||
| Бензин | ||||||||
| Диз.топливо | ||||||||
| Сумма за год | ||||||||
 т/га год
| ||||||||
 т/чел год
|
Указания к решению задачи:
1) В расчетах используются формулы из некоторых ранее рассмотренных тем.
2) Ячейки таблицы, отмеченные крестом, не рассчитываются.
Работа 10
Имитационная игра «Малая река», «Озеро», «Анкос. Воздух»
10.1 Имитационная игра «Малая река»
В последние столетия человечество в огромных масштабах использует пресные природные воды для нужд промышленности, сельского хозяйства, энергетики, хозяйственно-питьевого снабжения и большую часть этих вод сбрасывает в загрязненном состоянии в виде сточных вод. Именно в загрязнении природных вод сточными водами кроется одна из причин истощения водных ресурсов. В условиях ограниченных ресурсов воды важным мероприятием по защите водных объектов от загрязнения и по сокращению объёма водопотребления является применение водооборотных схем – бессточных технологий. Однако полностью проблемы очистки сточных вод от загрязняющих веществ эти мероприятия не снимают.
В зависимости от происхождения, вида и качественных характеристик примесей сточные воды можно разделить на 3 основные категории: хозяйственно-бытовые, производственные, поверхностные (ливневые).
По характеру воздействия на природные водоемы различные сточные воды можно разделить на несколько групп.
1. Тепловое загрязнение – возникает при использовании воды для отвода избыточной теплоты. Экологическая опасность теплового загрязнения связана с интенсификацией процессов жизнедеятельности водных организмов, что может вызвать перестройку и разбалансировку экосистемы.
2. Загрязнение минеральными солями – создаетопасность для одноклеточных организмов, обменивающихся с внешней средой путем осмоса.
3. Загрязнение вод взвешенными частицами – ухудшает прозрачность вод, снижает эффективность процесса фотосинтеза.
4. Загрязнение вод тяжёлыми металлами – не только оказывает отрицательное экологическое воздействие, но и наносит значительный экономический ущерб. Источниками загрязнения воды тяжелыми металлами служат гальванические цехи, а также предприятия горнодобывающей, чёрной и цветной металлургии, машиностроительные заводы.
5. Загрязнение вод высокомолекулярными соединениями – представляет большую опасность для жителей в зоне выброса сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.
6. Загрязнение вод нефтепродуктами – создает опасность возникновения нефтяной плёнки на поверхности воды, препятствующей газообмену воды с атмосферой. Основным источником загрязнения вод нефтепродуктами являются водный транспорт и поверхностный сток с городских территорий в периоды снеготаяния и ливневых дождей.
7. Загрязнение вод органическими веществами – красителями, фенолами, ПАВ, пестицидами – создаёт опасность возникновения токсикологической ситуации в водоеме.
8. Загрязнение вод биогенными элементами – приводит к возникновению вторичных эффектов самозагрязнения водной среды.
Обычно в сточной воде присутствуют загрязняющие вещества нескольких видов, причём часто сточные воды промышленных предприятий смешиваются с городскими. Требования к очистке сточных вод тесно связаны с рассмотренными процессами самоочищения и формирования биологической полноценности природной водной среды:
- сток не должен нарушать систему самоочищения водной среды; это означает отсутствие или слабое влияние на такие параметры, как температура, прозрачность, кислотность, содержание взвешенных частиц, ионов металлов переменной валентности;
- сток не должен обладать токсичностью в отношении обитателей водной среды;
- в стоке не должно быть превышено максимально допустимое содержание биогенных элементов, стимулирующих "цветение" сине-зеленых водорослей.
Что касается исключительно производственных вод, то их делят на три категории:
- чистые воды (используемые для охлаждения);
- условно чистые (применяют для промывания готовой продукции);
- грязные воды
Такое разделение промышленных стоков отражает фактическую степень их загрязнения и позволяет проводить их раздельную очистку, что является часто оправданным экономически.
Для каждого вида сбросовых вод существует оптимальная степень очистки. С одной стороны, чем глубже очистка, тем больше экономические затраты на неё. С другой стороны, начиная с какого-то уровня очистки, сброс становится безвредным. Это обстоятельство должно приниматься во внимание при экономическом обосновании строительства и эксплуатации очистных сооружений и внедрения способов очистки.
Для обработки сточных вод в настоящее время применяют механические, физико-химические и биохимические или биологические методы отчистки.
Механическая очистка служит, в основном, для извлечения из сточных вод минеральных примесей, а также является предварительной очисткой. В этом случае применяют такие методы как процеживание, отстаивание, осветление в гидроциклонах и фильтрование. При механических методах отчистки из сточных вод удаляют загрязнения, находящиеся в нерастворенном и частично коллоидном состоянии. Отбросы, имеющие большие размеры (тряпки, бумага, остатки овощей и фруктов, и т. д.), а также крупные фракции промышленных отходов задерживаются решетками и направляются затем в дробилки для их дальнейшего измельчения. Основная масса нерастворимых остатков минерального происхождения, плотность которых значительно выше плотности воды (обычно это песок) улавливается песколовками. Загрязнения органического происхождения, находящиеся во взвешенном состоянии, проходят отчистку в отстойниках. Суть работы отстойников очень проста: вещества, плотность которых ниже плотности воды (масла, жиры, нефть и нефтепродукты, смолы), всплывают на поверхность, и их с помощью насосов отделяют от воды. После такой механической отчистки и проведения дезинфекции сточные воды можно спускать в естественный водоем, если они будут удовлетворять санитарным нормам. Однако, чаще всего, механическая отчистка является предварительной.
За механической очисткой обычно следует биохимическая, которая разрушает и удаляет органические загрязнения. Биохимические методы очистки сточных вод основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов, окисляющих органические вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном и растворенном состояниях.
Физико-химические или химические методы очистки воды целесообразно применять для устранения, например, загрязнения воды ионами тяжелых металлов или токсичными отходами. При химических методах очистки загрязнения удаляются в результате химических реакций между загрязнителями и вводимыми в воду химическими реагентами. В результате как правило образуются соединения, выпадающие в осадок. Процессами химической очистки называют процессы, в которых происходит коагулирование, нейтрализация, химическое окисление, включая процесс озонирования. Физико-химическими методами очистки сточных вод являются методы, использующие экстракцию, коагуляцию, флотацию, электролиз, эвапорацию, ионный обмен, кристаллизацию. В настоящее время стремятся применять такие методы очистки сточных вод, при которых из стоков удается извлечь находящиеся там ценные вещества. Такой способ очистки называется регенеративным.
При очистке промышленных сточных вод накапливается большое количество осадков, которые необходимо обрабатывать. Для их обработки на очистных сооружениях традиционно предусматривают специальные сооружения: септики, двухъярусные отстойники и осветители – перегниватели, а также метантенки, в которых осадок перегнивает. Для обработки некоторых видов промышленных и бытовых осадков в настоящее время начинают применять новую технологию – сжигание в псевдосжиженном слое.
Качество воды природного водоема (водной экологической системы), куда осуществляют сброс или куда поступает вода после антропогенного пользователя, определяют на основе анализа численных значений прежде всего таких показателей как количество растворенного кислорода, биохимическое потребление кислорода (БПК), окисляемость и многих других (в зависимости от характера использования воды). Эти показатели также применяют и для оценки эффективности очистки сбрасываемых вод.
Важнейшей характеристикой для оценки состояния водоемов является количество растворенного кислорода в воде. Снижение этого параметра указывает на резкое изменение биологических процессов в водоеме и на загрязнение воды веществами, легко биохимически окисляющимися. Концентрация кислорода, растворенного в водоемах санитарного водопользования в пробе отобранной до 12 часов дня должна быть не менее 4 мг кислорода/л в любой период года.
Окисляемость – общее количество содержащихся в воде восстановителей (неорганических и органических), реагирующих с сильными окислителями, например, с бихроматом или перманганатом калия и другими. Результаты определения окисляемости приводят в миллиграммах кислорода на 1 л воды(мг кислорода/л).наиболее полного окисления достигают с помощью бихромата калия, до 95 – 100%. Поэтому бихроматную окисляемость часто называют «химическим потреблением кислорода» (ХПК). Нормативы ХПК воды водоемов хозяйственно-питьевого водопользования 15 мг кислорода/л, культурно-бытового – 30 мг кислорода/л.
БПК – биохимическое потребление кислорода – показатель загрязнения воды, характеризуемый количеством кислорода, которое за установленное время (обычно за 5 суток, БПК5) в аэробных (в присутствии кислорода) условиях затраченного на окисление в одном литре воды органических веществ в результате протекающих в воде биохимических процессов при 20оС. При этом благодаря жизнедеятельности бактерий органические остатки - фрагменты белков, ДНК, РНК и пр. – окисляются до анионов или оксидов, например, до 
, , 
, СО2,. Н2О. Единицы измерения БПК: мг кислорода/л. Установлено, что БПК5 составляет 70% от полного БПК. Величина полного БПК регламентируется в зависимости от категории водоема: не более 3 мг кислорода/л для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг кислорода/л для водоемов хозяйственно-бытового и культурного назначения.
Лабораторная работа "Малая река" посвящена организации мероприятий по охране водных ресурсов на ограниченной территории с помощью рационального ведения производственной деятельности с учетом взаимосвязи многих природных и антропогенных факторов.
Цель работы заключается в выборе оптимальных параметров функционирования производственной системы для достижения максимальной прибыли от хозяйственной деятельности при минимальном ущербе (а лучше при отсутствии его) для природы и людей. Лабораторная работа осуществляется в виде имитационной игры, небольшими (2-4 человека) группами (командами) студентов.
Решение подобного рода задач закрепляет у студентов теоретический материал дисциплины "Природопользование и экологическая безопасность" и развивает навыки планирования и руководства при осуществлении производственной деятельности.
Следует отметить, что объекты хозяйственной деятельности, представленные в игре "Малая река", следует рассматривать чисто условно. На их месте могут быть предприятия любой отрасли: химической, машиностроительной, транспорта, энергетики и т.п.
Здесь важен сам подход к осуществлению хозяйственной деятельности при необходимости учёта целого ряда факторов, включая экологическую защиту.
Условия и правила игры.
В программе имитационной компьютерной игры "Малая река" моделируются процессы в экосистеме, включающей:
- участок реки;
- промышленное предприятие;
- животноводческий комплекс (ферму);
- сельхозугодия;
- жилой посёлок;
- передвижную станцию контроля качества воды (ПСК).
На экране монитора представлена схема размещения элементов экосистемы.Участок реки имеет определённую глубину, ширину, скорость течения. Во время паводка скорость течения и расход воды в реке повышаются (это можно наблюдать в режиме работы по месяцам).
Промышленное предприятие расположено в верхней части реки. При своем функционировании оно сбрасывает в реку промышленные стоки, содержащие органические вещества. Количество сточных вод зависит от объема производимой продукции, которая может изменяться от 0 до 150 единиц в сутки. Производство единицы продукции дает 0.1 м3 стока при БПК 2000 мг. /литр.
Животноводческий комплекс расположен в середине течения реки и предназначен для выращивания свиней (от 0 до 2000 голов) или крупного рогатого скота (от 0 до 1000 голов). При выращивании животных в сутки образуется с каждой свиньи 4.5 литра навозной жижи с БПК 6000 мг/литр и по 14 литров навозной жижи с каждой коровы с БПК 8000 мг/литр.
На сельхозугодиях можно выращивать пшеницу, рожь, ячмень, кукурузу и картофель. Для повышения урожайности можно вносить удобрения, известковать почву и применять ядохимикаты. Предельные дозы внесения удобрений и ядохимикатов:
- азотные, калийные, фосфорные удобрения - не более 50 кг/га для каждого вида;
- органические удобрения - не более 20 т/га:
- известкование - не более 2 т извести на гектар:
- метафоса (средство борьбы с вредителями) – не более 30 кг/га;
- цинеба (средство борьбы с болезнями) - не более 3.5 кг/га;
- атразина (средство борьбы с сорняками) - не более 6.0 кг/га.
Жилой поселок производит забор воды из реки для снабжения населения.
В программе установлены определенные значения ПДК для ядохимикатов, БПК, концентрации кислорода в воде. При загрязнении реки возможна очистка воды с затратой дополнительных средств.
Передвижная станция контроля качества воды производит определение содержания кислорода и органических веществ, поступающих в результате хозяйственной деятельности в воду, а также величину БПК. Место расположения станции выбирают сами участники игры.
Из характеристики элементов природно-хозяйственной системы очевидны источники вредного воздействия на ее экологическое состояние, которое оценивается в данном случае по степени загрязнения речной воды. Работа промышленного предприятия и фермы может быть причиной сброса в реку органических веществ. При использовании удобрений и ядохимикатов следует учитывать не только загрязнение реки за счет смыва их дождевыми и паводковыми водами, но и возможность накопления в почве веществ, внесенных в избыточных количествах и не усвоенных растениями. Впоследствии они также попадают в реку и загрязняют как воду, так и донные отложения (вторичное загрязнение). У играющих имеется возможность оказывать управляющее воздействие на хозяйственные объекты с тем, чтобы изменять величину вредного влияния, оказываемого на природу.
Игрок имеет возможность:
- выбрать интенсивность работы предприятия,
- вид и количество животных на ферме (один раз и только в начале игры),
- выбрать сельскохозяйственную культуру для выращивания и необходимые для достижения урожая удобрения и ядохимикаты,
- выбрать методы очистки стоков с предприятия и фермы,
- определить место расположения ПСК на реке,
- применить другие природоохранные мероприятия.
В число последних входят лесонасаждения, вспашка, искусственная аэрация.
Насаждение лесополос по берегу реки уменьшает дождевой сток, и, следовательно, вынос загрязняющих веществ. При этом влияние лесополосы растет с ее возрастом. По условиям игры возможно создание лесополосы в один, два или три ряда шириной каждый по 10 метров вдоль всей реки.
Применение различных видов вспашки также обеспечивает уменьшение стока с полей дождевой воды. При этом применение уплотненной вспашки уменьшит сток на 16%, безотвальной вспашки – на 45%, отвальной с микролиманами – на 63%, отвальной глубиной в 22-25 см – на 72%, отвальной глубиной в 35 - 37 см – на 77 %.
Безусловно необходимой является очистка стоков предприятия и фермы. Механическая очистка позволяет снизить концентрацию загрязняющих веществ примерно на 50%, биологическая очистка – на 80%, биологическая с доочисткой на 98%. Высокая концентрация кислорода в воде снижает содержание загрязняющих органических веществ за счет их более быстрого разложения путем окисления. Увеличить содержание кислорода возможно путем аэрации (нагнетания воздуха в воду через аэраторы).
Важным критерием оценки результатов игры являются экономические показатели имитируемой в игре хозяйственной деятельности.
Затраты складываются из затрат на реализацию природоохранных мероприятий, обработку сельхозугодий, внесение удобрений и ядохимикатов. Прибыль от ведения хозяйственной деятельности складывается из прибыли, полученной от реализации произведенной продукции. Экономический ущерб зависит от качества воды в реке и включает затраты на дополнительную очистку воды для нужд поселка, потери от заболеваний населения, затраты учреждений здравоохранения в связи с болезнями населения, возникающими из-за загрязнения окружающей среды, собственные затраты населения, связанные с поездками на отдых в другие места. Основные данные о затратах на вспашку, внесение удобрений и ядохимикатов, а также очистку сточных вод различными методами можно получить с помощью функциональной клавиши П. Из остальных статей отметим: затраты на повышение концентрации кислорода на 1мг/куб. метр при аэрации составляют 0.25 руб. Прибыль получается при реализации произведенной продукции в следующих размерах:
за единицу продукции предприятия – 12 руб.
за одну голову свиньи за год – 100 руб.
за одну голову крупного рогатого скота – 200 руб.
за пшеницу (за один центнер) – 30 руб.
за ячмень (за один центнер) – 30 руб.
за рожь (за один центнер) – 28 руб.
за кукурузу (за один центнер) – 12 руб.
за картофель (за один центнер) - 10 руб.
Задача играющих – получить максимальную прибыль при нанесении минимального ущерба природе. В программе заложена оценка участникам игры по итогам пяти лет работы. Для получения оценки "отлично" необходимо получить прибыль не менее пяти миллионов рублей и при этом не нанести никакого экологического ущерба реке.
Работа с программой осуществляется в диалоговом режиме и не требует какой-либо особенной подготовки. В игре можно реализовать два режима работы программы - "по годам" или "по месяцам". В режиме "по годам" игра осуществляется в пять туров, то есть в пятилетнем рабочем цикле, подводятся ежегодные промежуточные результаты работы, а затем итоговый результат за весь цикл.
В режиме "по месяцам" тур длится один месяц.
Итоги представлены в виде экономических показателей по статьям затрат и прибыли, по экономическому ущербу. В начале каждого года задаются рабочие параметры функционирования системы:
- интенсивность работы предприятия,
- вид и количество голов скота на ферме (только в первый год),
- методы очистки сточных вод предприятия и фермы,
- вид выращиваемой культуры,
- количество вносимых удобрений и ядохимикатов,
- тип вспашки,
- использование лесонасаждений (посадка возможна только в первый год),
- расположение ПСК,
- расположение станции аэрации (если она применяется).
После каждого года есть возможность изменить параметры функционирования системы.
Оценка "отлично" выставляется при получении прибыли 5 миллионов рублей без нанесения ущерба реке. Максимально возможная прибыль превосходит 5.5 миллионов рублей.
10.2 Имитационная игра «Озеро»
Имитационная компьютерная игра «Озеро» способствует закреплению теоретических знаний по дисциплине «Природопользование и экологическая безопасность», развивает навыки управления экосистемой. В отличие от других имитационных компьютерных игр, также посвященных охране водных ресурсов, в игре «Озеро» рассмотрены вопросы охраны водоема небольшого объема при ограниченном финансировании природоохранных мероприятий. Конечной целью является не получение максимально возможной прибыли, а выведение водоема из состояния загрязнения и поддержание его в нормальном состоянии с минимальными финансовыми затратами.
Моделируемая в игре управляемая экосистема содержит:
- водоем размером 200х300 м, условно разбитый на три зоны одинаковых размеров (200х300 м): промышленную, среднюю и культурную;
- прибрежные предприятия (завод, фабрика и база используют воду для своих нужд и сбрасывают загрязненную сточную воду, ботанический сад только забирает воду для полива);
- систему контроля качества воды (две стационарные станции контроля, по одной в промышленной и в средней зонах, одна передвижная станция используется при необходимости в средней зоне);
- служба управления качеством воды (осуществляет подкачку чистой воды в промышленную зону, сброс воды из культурной зоны, искусственную аэрацию в средней и культурной зонах);
- финансирующий орган.
Игра охватывает временной отрезок продолжительностью в два месяца (условно с 01.06 по 30.07). Задача играющих состоит в том, чтобы вывести озеро из состояния загрязнения в течение 1-го месяца и поддерживать его в нормальном состоянии в течение следующего месяца. На все природоохранные мероприятия выделяется условно 300 рублей. В том случае, если эта сумма будет досрочно израсходована, экосистема будет развиваться без управления, что быстро приводит к ухудшению качества воды. За каждый день второго месяца, в течение которого состав озерной воды не будет соответствовать нормам, начисляется один штрафной балл.
Управляющее воздействие заключается в возможности изменения следующих параметров:
- объема поступления чистой воды;
- объема откачки загрязненной воды;
- производительности станций аэрации;
- продолжительности развития экосистемы при заданных параметрах.
Процесс управления осуществляется в игровых промежутках, имеющих продолжительность, задаваемую играющими.
Установлены ПДК по кислороду (нижний предел), органических («органика») и неорганических («неорганика») веществ (верхний предел).
Гидрометеослужба дает прогноз на каждые 10 дней (температура воздуха и воды, осадки, давление, сила ветра).
Нормальным принят уровень воды в озере 9.8 – 10.2 м. В круговороте воды учитывается приход воды за счет дождей и перекачки, а расход – за счет сброса, забора ботаническим садом, испарения.
При снижении уровня воды ниже 9.8 м или превышения уровня 10.2 м, по условиям, автоматически на полную мощность включается соответственно станция перекачки (при отключении сброса) или станция сброса (при отключении перекачки) на одни сутки.
Содержание неорганических веществ возрастает за счет стоков и разложения органики. Около 4 % их выпадает на дно. Остальная часть очищается только за счет протока воды.
Органика прибавляется при сбросе в озеро сточных вод. Скорость ее разложения пропорциональна концентрации кислорода в воде и температуре воды. Уменьшению концентрации органических веществ способствует также проточность водоема. Кислород расходуется в основном на разложение органики, а пополняется при искусственной или естественной аэрации: при поступлении свежей воды за счет притока и осадков. Естественная аэрация тем эффективнее, чем выше скорость ветра и больше объем осадков. Следует также учитывать, что содержание кислорода в воде зависит от температуры воды и величины атмосферного давления. Концентрация кислорода в воде ограничена насыщением при данных условиях, так что искусственная аэрация не может дать концентрацию выше этого предела.
Перекачка и сброс воды создают в озере течение от промышленной в культурную зону через среднюю зону. В промышленной зоне концентрацию кислорода можно повышать за счет перекачки свежей воды, а в средней и культурной зоне это следует делать с помощью аэрации.
Расценки за работы по перекачке и откачке воды установлены 50 коп. за 1000 м3, работа станций аэрации оценивается в 25 коп. в сутки за повышение кислорода на 1 мг/л.
Игра осуществляется в диалоговом режиме и не требует специальной подготовки играющих.
Меню программы позволяет детально ознакомиться с экологической системой, закономерностями ее функционирования и осуществлять управление.
В режиме «Помощь» можно получить информацию о программе, условиях и правилах игры.
Режим «Управление» предназначен для задания управляющих параметров:
- мощность подкачки воды на каждые сутки очередного цикла (в пределах от 0-5000 м3);
- то же для откачки воды (в пределах от 0-5000 м3);
- интенсивность I станции аэрации (в пределах от 0-10 мг/л);
- интенсивность II станции аэрации (в пределах от 0-10 мг/л);
- продолжительность очередного игрового промежутка (3-10 суток).
Интенсивность аэрации означает величину (мг/л), на которую можно поднять концентрацию кислорода без учета других факторов поступления и расходования воздуха.
Клавиша PgUp позволяет увеличивать шаг изменения параметра в 10 раз за одно нажатие. Клавиша PgDn уменьшает значение параметра в 10 раз. Изменение параметров осуществляется с помощью клавиш «увеличение» и «уменьшение».
Режим «Состояние» дает возможность оценивать сложившуюся в экосистеме ситуацию по выводимой на экран информации о содержании кислорода, неорганике и органике во всех трех зонах, уровне и температуре воды, оставшейся в распоряжении играющих. Начало работы (начало игры) соответствует 01.06, а затем первому дню следующего цикла.
Режим «Прогноз» позволяет получить прогноз на 10 дней о деятельности предприятий (объем используемой воды, содержание загрязнений и кислорода в стоках), а также метеосводку.
Режим «Работа» предназначен для запуска программы. Вход в этот режим возможен только непосредственно из режима «Управление». При этом можно не менять значение управляющих параметров, они сохраняются на новый игровой промежуток, но вход в режим «Управление» обязателен.
В режиме «Работа» экономическая ситуация развивается в течение заданного игрового промежутка (игрового цикла), вмешиваться в этот процесс нет возможности. Изменение в содержании кислорода и загрязняющих веществ демонстрируется на экране дисплея.
По завершении очередного игрового промежутка (игрового цикла) вновь оценивается состояние системы, получают прогноз (при наличии работы в начале новой декады), и программа запускается в работу на новый цикл.
Командам необходимо вести записи по ведению игры, которые затем помогут воспроизвести найденный оптимальный режим функционирования экосистемы.
В первый месяц следует устанавливать игровые промежутки в 3-4 дня, лучше таким образом, чтобы играющие могли в первый день каждой декады вносить изменения в управляющие факторы с учетом изменения метеоусловий и работы предприятий. В противном случае можно не учесть изменение режимов работы предприятий в начале очередной декады и не установить управляющие параметры на соответствующем уровне.
При выборе объема притока и сброса воды следует обязательно учитывать высоту уровня озера, а также прогноз осадков, прогноз работы предприятий и степень загрязнения сточных вод, потребности ботанического сада.
Уровень мощности станций искусственной аэрации следует устанавливать с учетом текущего состояния воды, объема сточных вод и содержания органики в них.
Все природоохранные мероприятия проводить с учетом остающейся в распоряжении играющих денежной суммы.
Оценка: оценку «отлично» получают игроки, не набравшие штрафных баллов, «хорошо» – набравшие не более 10 штраф баллов, 11- 15 штрафных баллов оцениваются оценкой «удовлетворительно», Набравшие 16 баллов и больше получают оценку «неудовлетворительно».
10.3 Имитационная игра «АНКОС, воздух»
Большая часть природных процессов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность живых организмов, в том числе и человека, протекает в биосфере. Биосфера включает в себя гидросферу (водную оболочку Земли), нижний слой атмосферы — тропосферу (высотой до 15 км), и литосферу (верхнюю твердую земную оболочку). Однако в жизни Земли как космического объекта роль атмосферы не ограничена только участием в кругообороте замкнутого биосферного цикла. Исключительно велика роль атмосферы в защите Земли от внешних космических излучений и метеоритов, сохранении теплового баланса планеты. Рассмотрим роль основных компонентов атмосферы, каждый из которых занимает свое место в природных процессах.
Кислород О 2. Содержание кислорода в атмосфере около 21%. Кислород постоянно взаимодействует с органическими и неорганическими веществами. Обеспечивает живые организмы энергией за счет процессов окисления. На высоте 20÷25 км кислород образует слой с повышенным содержанием его аллотропного видоизменения озона О3. Озоновый слой защищает Землю от губительного воздействия ультрафиолетового излучения.
Диоксид углерода СО 2. При среднем содержании в атмосфере всего около 0,034% диоксид углерода играет важную роль в превращении энергии и обороте веществ в природе. Углерод (С) входит в состав живых организмов, почв, горных пород. Газ СО2 хорошо пропускает большую часть солнечной энергии к земной поверхности, однако удерживает собственное тепловое излучение Земли, подобно пленке в парнике (отсюда название явления – «парниковый эффект»). Учитывая малое содержание СО2 в атмосфере, даже незначительное изменение его концентрации вызывает заметные изменения в тепловом балансе Земли.
Азот N 2. Содержание азота в атмосфере около 78%. Инертное химическое вещество, поэтому большая часть организмов не может использовать азот напрямую. Между тем существование живых организмов без участия соединений азота невозможно. В природе «связанный» азот (т.е. входящий в состав каких-либо химических соединений) образуется в результате атмосферных и фотохимических реакций и деятельности специфических микроорганизмов.
Даже краткие сведения, изложенные выше, о роли атмосферы подтверждают необходимость пристального внимания к любым изменениям химического состава и физических свойств атмосферы.
В силу ограниченности своих возможностей человек на протяжении длительного периода своего существования не мог активно влиять на окружающую среду. Однако в ХХ столетии это влияние резко усилилось, прежде всего за счет выбросов в атмосферу огромных количеств воды, пыли, аэрозолей, оксидов серы и азота, аммиака, тяжелых металлов, углеводородов и их производных, галогеносодержащих соединений, радиоактивных веществ. Результатом таких выбросов стало заметное увеличение содержания в атмосфере диоксида углерода, загрязнение ее оксидами серы и азота, а также веществами, разрушающими озоновый слой. В атмосфере над крупными промышленными центрами содержание загрязняющих компонентов особенно велико.
Постоянные многолетние наблюдения за состоянием атмосферы позволили обнаружить резкое снижение концентрации озона в озоновом слое над некоторыми районами Земли (так называемые «озоновые дыры»). Основной причиной появления «озоновых дыр» стало повышение содержания оксидов азота и появление галогеносодержащих углеводов (фреонов), используемых в качестве хладоагентов в промышленных и бытовых холодильниках и рабочего тела в аэрозольных упаковках. Даже присутствие чрезвычайно малых количеств оксидов азота и в особенности фреонов способствует быстрому распаду химически активных молекул озона. При сжигании органических топлив при производстве черных и цветных металлов, кислот, минеральных удобрений образуются оксиды серы и азота. После ряда химических превращений оксиды серы и азота образуют с атмосферной водой кислоты. Образовавшиеся кислоты с дождями выпадают на поверхность Земли, нанося огромный ущерб растениям, животным, почве, водным ресурсам, вызывают коррозию металлоконструкций.
При этом воздушные потоки разносят оксиды за сотни километров от мест выброса, поэтому поражаемые кислотными дождями площади огромны, а экономический ущерб от их выпадений очень велик.
Загрязнение атмосферы прямо влияет на здоровье людей, вызывая увеличение заболеваний, в том числе хронических, изменение наследственности, ухудшение качеств пищи, воды и т.д.
Уже сейчас природа не справляется с нейтрализацией огромного количества загрязняющих веществ, и продолжающееся загрязнение Земли в тех же масштабах способно привести к катастрофе.
Наиболее эффективными средствами снижения выбросов в атмосферу является использование новых технологий с низкой материало- и энергоемкостью, высокоэффективными системами улавливания выбросов, переход на новые технологии в сельском хозяйстве, использование научных разработок по поиску новых источников энергии. Очевидно, что это требует огромных материальных затрат и определенного времени на их реализацию. Тем не менее существуют возможности немедленного снижения количества выбросов – это жесткий контроль за предприятиями, отказ от некоторых технологических процессов и от использования особо опасных для устойчивости природных экосистем веществ.
Глобальное значение необходимости охраны природы подтверждает создание международных органов контроля за состоянием окружающей природной среды, межгосударственное согласование допустимых уровней загрязнений, разработка и внедрение новых технологий, международная помощь в ликвидации аварий и катастроф.
Степень опасности воздействия загрязненного воздуха определяется природой и количеством содержащихся в нем вредных примесей. Основным показателем, который используют для оценки степени загрязнения воздуха, являются предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ.
В имитационных играх «АНКОС» и «Воздух» рассмотрены ситуации, которые могут возникнуть вследствие загрязнений атмосферы выбросами промышленных предприятий. Уровень загрязнений атмосферы даже при нормальной работе предприятий в сильной степени зависит от внешних условий. Целью предлагаемых студентам имитационных игр «АНКОС» и «Воздух» являются научить их на конкретном примере, пользуясь необходимой информацией, анализировать сложившуюся ситуацию, определять причины, приведшие к загрязнению атмосферы, принимать правильные решения и выбирать рациональный путь их реализации, используя имеющиеся возможности. Следует отметить, что в имитационных играх «АНКОС» и «Воздух» результаты работы студентов не оцениваются экономическими показателями, т.к. в них решаются только вопросы управления качеством атмосферы. Экономические показатели появляются при решении последующих задач, связанных с управлением производственной деятельностью при одновременном учете проблем экологии. В конечном итоге задачей лабораторных занятий с использованием данных имитационных игр является развитие навыков управления промышленными объектами, что напрямую связано с качеством подготовки специалистов в области экономики и менеджмента.
Название игры образовано начальными буквами полного названия системы Автоматизированное Наблюдение и Контроль Окружающей Среды.
Деловая игра «АНКОС» предлагает сравнительно несложную задачу: при анализе предоставленной информации определить причины загрязнения атмосферного воздуха, принять решение и наблюдать дальнейшее развитие обстановки.
Группа студентов разбивается на команды по 3-4 человека, и каждая из команд в дальнейшем действует в роли диспетчера независимо друг от друга. По условиям игры рассматривается состояние атмосферы в населенном пункте (городе) в течение трех дней (условно 12, 15 и 20 марта). В городе расположены во всех его районах промышленные предприятия, имеются 5 автоматических станций контроля загрязнений атмосферы АСКЗА. Для оперативного контроля за выбросами на предприятиях предусмотрена возможность использования передвижной лаборатории контроля загрязнений атмосферы ПЛКЗА. В распоряжении диспетчера имеются паспорта промышленных предприятий, в которых приведены качественные и количественные характеристики возможных выбросов в атмосферу. Полномочия диспетчера ограничены, он не имеет права вмешиваться в работу предприятий, но обязан информировать их об аварийной обстановке, а также рекомендовать их руководителям принимать меры к снижению выбросов.
В каждый из дней на 9, 15 и 21 час от всех АСКЗА диспетчеру поступает полная информация о степени загрязнения атмосферы (в абсолютных единицах и относительно ПДК), метеосводка на текущее время и суточный прогноз. При необходимости можно воспользоваться картой города с указанием расположения АСКЗА и предприятий.
В первый день, 12 марта, превышения ПДК загрязнений не отмечено. Следует проанализировать метеоусловия и связать степень загрязнения атмосферы с влажностью, температурой и ее изменением по высоте, силой и направлением ветра. По условиям задачи необходимо составить прогноз возможных изменений состояния атмосферы и дать рекомендации о мерах по сохранению чистоты атмосферы. Свои выводы и рекомендации на каждый час наблюдений (9, 15 и 21 ч) команде полезно записать, чтобы затем иметь возможность сравнить их с теми, что приведены в тексте работы. Командам надо также помнить, что последующая информация ЭВМ о состоянии атмосферы такова, какой она станет в случае принятия правильного решения.
В другой день наблюдений, 15 марта, в 9 часов одной из АСКЗА отмечено многократное превышение ПДК по некоторым веществам, причем метеоусловия не способствуют накоплению вредных выбросов в атмосфере. Учет всей информации позволяет предположить, что выброс произошел вследствие аварии. Выявить возможных источников выбросов команда должна сама логическим путем, используя всю информацию. Команды могут выбрать один из двух возможных путей установления конкретного загрязнителя атмосферы:
1. Направить ПЛКЗА последовательно на каждый из возможных источников загрязнений;
2. Воспользоваться паспортными данными предприятий, сузить круг «подозреваемых» и уже тогда ПЛКЗА посылать по конкретным предприятиям.
Выбор варианта следует определять путем логических рассуждений, учитывая время, которое необходимо для определения в обоих случаях источника выбросов, а также экономические и социальные последствия, которые могут вызвать задержки в реальной обстановке. Вновь командам рекомендуется сделать запись о выводах и рекомендациях и продолжать наблюдать за состоянием атмосферы.
В третий день, 20 марта, на 9 часов все станции контроля отметили почти по всем веществам превышение ПДК, хотя и незначительные. Причину этого явления можно понять, если тщательно изучить все данные, которыми располагает диспетчер. Особое внимание следует обратить на метеосводку и прогноз метеоусловий. Правильная оценка обстановки позволит принять возможные в данной обстановке меры для предотвращения усиления загрязнения атмосферы.
По окончании игры командам предлагается сверить свои записи с выводами и рекомендациями, которые приведены в текстовом комментарии к игре, и совместно с преподавателем оценить уровень своей компетентности.
Учебная имитационная игра «Воздух» является логическим продолжением игры «АНКОС». Команды также выступают в роли диспетчеров-экологов, но действуют в гораздо более сложных условиях: диспетчер не только фиксирует, но в состоянии управлять экологической обстановкой на контролируемой территории, на которой действуют 15 предприятий, часть из которых имеет непрерывный цикл производства. Наблюдения проводятся непрерывно, необходимо быстро оценивать обстановку и принимать решения, а потом отслеживать результаты. Диспетчеру необходимо анализировать и держать в памяти большой объем текущей непрерывно обновляющейся информации и информации за смену в целом. Результаты работы, по условиям задачи, следует с максимальной точностью отразить в отчете, а также дать прогноз на следующие сутки. Вся работа проходит в условиях жесткого лимита времени, т.к. 12-ти часовой рабочий день диспетчера укладывается в 45-минутный отрезок игрового времени (так построена программа игры).
Автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера позволяет ему очень быстро получить по многим параметрам всю необходимую информацию на любой момент времени текущих суток с 0 часов до момента работы, метеоусловия на текущие сутки, прогноз на следующие сутки, на третьи и шестые сутки. АРМ дает возможность установить связь с любым предприятием для получения информации или передачи сообщений, управлять передвижными станциями контроля (ПСК) и ремонтными бригадами, иметь информацию об авариях на предприятиях и о выходе из строя автоматических стационарных станций контроля (ССК).
Значительно облегчает работу диспетчера выводимая на экран дисплея карта, на которой контролируемая территория условно разделена на квадраты A, B, C, D, E, F, и на которой имеется координатная сетка. На карте отмечено расположение всех предприятий и ССК.
Практика показала, что по мере приобретения опыта команды начинают достаточно быстро принимать правильные решения, однако при их реализации допускают много ошибок, являющихся результатом неумения правильно организовать свою работу. Наиболее распространенные ошибки связаны с потерей времени, чего можно избежать, если реже обращаться к памяти АРМ. Для этого можно рекомендовать перед началом игры, когда еще не запущен отсчет времени, внимательно изучить карту контролируемой территории и выполнить ее копию, пусть и достаточно приближенную. Кроме этого, работу диспетчера в значительной степени облегчит таблица ПДК, перенос которой на лист бумаги можно сделать с помощью служебной программы (раздел «Справка»). Карта и таблица будут постоянно использоваться на протяжении игры.
Работа командой позволяет одному из студентов постоянно вести записи, которые необходимы при составлении сводки. В записях следует отмечать время в момент наблюдения, степень загрязнения атмосферы на этот момент, сведения об авариях на предприятиях или их ликвидации (каждое предприятие имеет свой порядковый номер). В случае превышения ПДК рекомендуется указать, во сколько раз содержание загрязняющего компонента превышает ПДК. Удобна, например, следующая табличная форма записи:
| Время получения информации | Номер ССК | Содержание загрязняющих веществ (превыш. ПДК) | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 8-45 | 1 2 | — — | — — | 2 — | — — | 3 — | 2 — |
| 3 | — | Станция неисправна | |||||
| 4 | — | — | — | — | — | — | |
| 10-15 | 1 2 | 2 — | 3 — | 2 — | — — | 4 — | 5 — |
| 3 | Станция неисправна | ||||||
| 4 | — | — | — | — | — | — | |
| Авария на предприятии №5. Она может быть ликвидирована в 13 часов. Возможны выбросы предприятием №11. | |||||||
Впрочем, команды сами могут выбирать для себя форму записи, которая может быть для них более удобной и информативной.
Отметим одно обстоятельство, которое может вызвать несогласие команды с оценкой их отчета о работе за рабочую смену. По условиям игры, ССК могут выдавать информацию через каждые 0,5 часа рабочего (не игрового!) времени. Однако из-за сложности создавшейся обстановки команда может потратить много времени на анализ, принятие и реализацию решений, так что очередную сводку команда может получить спустя больший промежуток времени. В течении этого времени обстановка не контролируется, могут возникать или устраняться аварии, возникать кратковременные выбросы, изменяться метеоусловия и т.д. В отчете эти обстоятельства команда, естественно, не отражает, а они учитываются ЭВМ при оценке работы диспетчера.
Еще раз напоминаем: диспетчер не имеет права вмешиваться в работу предприятий! Например, диспетчер при аварии на предприятии пытается направить туда ремонтные бригады. Это ошибка! Ремонтные бригады предназначены только для ремонта ССК. Следует помнить, что при направлении ремонтных бригад или ПСК на объект, или точку на территории, нельзя ожидать немедленного результата. Так, информация от ПСК с объекта начинает поступать только через 3 часа.
Рабочий день диспетчера продолжается с 7.00 до 19.00. Логично предположить, что полезно познакомиться с состоянием дел на начало смены. АРМ позволяет установить, были ли ночью аварии и есть ли предприятия, которые могут дать вредные выбросы в атмосферу. В первом случае следует выяснить, имеют ли место выбросы (авария не обязательно сопряжена с выбросами загрязнений), и если это имело место (по информации предприятия или данным ССК), диспетчер обязан предупредить предприятие о необходимости прекращения загрязнения. Необходимо также выяснить, когда можно ожидать ликвидацию аварии. Далее следует получить информацию от ССК, метеосводку, прогноз на сутки, данные о ПСК и ремонтных бригадах. Все полученные данные записать, а остальные (прогноз, местонахождение ПСК и ремонтных бригад) легко запомнить. Метеосводку рекомендуется получать через каждые 1-1,5 часа рабочего времени (не игрового!) или даже при каждом наблюдении за атмосферой, если загрязнения намного превышают ПДК.
Какими средствами контроля располагает диспетчер? Информацию, связь, руководство диспетчер реализует с помощью служебной программы. При работе в верхней части на экране дисплея постоянно воспроизводится строка с названием разделов служебной программы. Каждый раздел позволяет либо получать информацию, либо реализовывать какое-то действие. Диспетчер (команда) уже до начала игры должен иметь представление о том, как пользоваться сервисной программой. От этого зависит скорость принятия решений.
Работа 11
