Протокол к работе №1 Озеро

Новомосковский институт (филиал)
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Российский химико-технологический университет
имени Д.И. Менделеева»
Кафедра «Устойчивое развитие и безопасность жизнедеятельности»
Дисциплина «Экология»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Компьютерная имитационная игра «ОЗЕРО»
Студент(ы):
Группа:
Преподаватель:
Допуск: (оценка)
Выполнение: (оценка)
Новомосковск,
уч. г.
Цель работы: познакомиться с методами управления экосистемой,
усвоить закономерности, лежащие в основе водного баланса,
превращений и деструкции веществ, насыщения воды кислородом,
влияния метеоусловий на экологические процессы; научиться
оптимальному планированию нескольких взаимосвязанных параметров
управления в условиях ограничения суммарной стоимости расходов.
1. Описание экологической системы
Моделируемая экологическая система включает в себя следующие
компоненты:
– водоем;
– прибрежные предприятия;
– станции ежедневного взятия проб воды;
– гидрометеослужбу;
– службу управления качеством воды;
– финансирующий орган.
Студент во время работы выполняет функции диспетчера по
управлению экологической системой «Озеро».
Ниже приводятся описания элементов системы:
1) Водоем размерами 300  200 м, разбитый на три одинаковые
зоны площадью 100  200 м каждая: промышленную, среднюю и
культурную. Нормальным считается уровень воды в озере 9,8-10,2 м.
2) Водопользователи: завод, фабрика, база используют воду для
своих технологических нужд и сбрасывают в озеро воду загрязненную
органическими и неорганическими веществами, ботанический сад
только забирает воду из озера. Объем забираемой воды равен
объему сбрасываемой. Концентрации органики и неорганики в
сбрасываемой воде могут меняться каждую декаду, т.е. каждые 10 дней.
Данные о деятельности предприятий заложены в программу,
моделирующую экосистему. Эти данные студент при желании может
получить во время работы. Они выводятся на экран по частям в
соответствии с рассматриваемой в конкретный момент работы декадой.
3) Станции ежедневного взятия проб воды. Две из них –
стационарные, расположены в промышленной и средней зоне, одна –
передвижная для взятия проб воды в культурной зоне.
4) Гидрометеослужба осуществляет краткосрочный метеопрогноз
(до 10 дней), который включает в себя температуру воздуха и воды,
осадки, давление и силу ветра. Данные об изменении погодных условий
заложены в программу заранее и автоматически выводятся на экран
дисплея.
5) Служба управления качеством воды осуществляет подкачку
чистой воды в промышленную зону, сброс загрязненной воды из
культурной зоны, искусственную аэрацию вод. Интенсивность аэрации
задается параметрами А1 и А2 (мг/л). Следует иметь в виду, что
искусственная аэрация не может дать концентрацию кислорода
выше предельного насыщения (эта величина зависит от температуры
воздуха и атмосферного давления)
В части водного баланса студенту следует учесть, что станции
перекачки воды переводятся автоматически на режим подъема уровня
(Р = 5000, S = 0) или его снижения (Р = 0, S = 5000) на одни сутки, если
уровень воды выходит за пределы допустимых норм. Чтобы управлять
уровнем воды, следует учитывать баланс воды (В):
B  Wg  Wu  Wc  ( P  S )
где:
(P);
(1)
Wg и P – приток воды в озеро за счет дождей (Wg) и подкачки
Wu, Wc, S – расход воды за счет испарения (Wu), забора воды
ботаническим садом (Wc) и сбросом (S).
6) Финансирующий орган. На управление экосистемой «Озеро»
в течение 2 месяцев по условию работы выделяется 300 руб. Эти
деньги расходуются на перекачку воды из расчета 50 копеек за
каждые 1000 м3 воды и на искусственную аэрацию из расчета 25
копеек за повышение концентрации кислорода в одной зоне на 1
мг/л.
В данной работе необходимо учитывать наличие денежных
средств на управление экосистемой. Как только выделенная сумма
будет израсходована, то в оставшиеся дни экологическая система
будет развиваться без управления со стороны студента и такое
развитие очень быстро приведет к ухудшению качества воды.
Экономия финансов при благоприятных условиях, разумный
расход при неблагоприятных условиях и ориентир на среднесуточный
расход 5 руб. позволят студенту сохранить свою роль диспетчера до
конца игры.
2. Оптимальная стратегия управления экосистемой
Процесс управления экосистемой имеет циклический характер.
В начале каждого цикла студент оценивает по информации не экране:
– состояние озера на текущую дату, уровень воды в озере и
концентрации ингредиентов в каждой из трех зон;
– прогноз деятельности прибрежных предприятий;
– денежную сумму, оставшуюся в его распоряжении для расхода
на перекачку воды и аэрацию.
После этого задачей студента оказывается выбор:
– продолжительности очередного цикла (от 3 до 10 суток);
– мощности подкачки чистой воды и сброса загрязненной на
каждые сутки очередного цикла (от 0 до 5000 м3 на подкачку и от 0 до
5000 м3 на сброс);
– интенсивности аэрации на каждые сутки очередного цикла (от 0
до 10).
Для обоснованного выбора студент должен опираться на
следующие рекомендации.
2.1. Длительность цикла
Выбор большой длительности цикла неэффективен по ряду
причин:
– невозможность воздействовать на систему до конца цикла;
– инерционность системы в целом;
– изменения в метеоусловиях;
– декадность прогноза деятельности предприятий.
Работающему впервые следует придерживаться выбора
длительности цикла 3-3-4 дня, с выходом на первый день каждой
декады.
2.2. Искусственная аэрация
Растворенный в воде кислород как расходуется, так и пополняется
по нескольким причинам. Расход обусловлен разложением органики и
водообменом с предприятиями: забирая воду, обогащенную
кислородом, и сбрасывая воду без кислорода, предприятия уменьшают
концентрацию кислорода в воде; чем больше в воде органики и выше
температура, тем больше расходуется кислорода на ее разложение.
Пополняется кислородом вода за счет естественной и искусственной
аэрации, а также за счет дождевой воды и подкачиваемой чистой
воды. Однако есть и такой фактор: перекачка и сброс воды создают в
озере течение от промышленной зоны к культурной через среднюю
зону. Концентрацию кислорода в промышленной зоне можно
повышать за счет подкачки чистой воды. В средней и культурной
зонах это следует делать за счет аэрации, причем аэрация в средней
зоне должна быть выше, чем в культурной.
2.3. Подкачка и сброс воды
Концентрация органики растет только за счет сброса сточных вод
предприятиями, а убывает за счет деструкции. Кроме того,
концентрация органики изменяется вследствие перетекания воды из
одних зон в другие. Чем выше концентрация кислорода в воде, тем
сильнее идет разложение органики, а значит – увеличивается
концентрация неорганики.
Концентрацию
неорганики
можно
снизить
только
проточностью воды.
3. Порядок управления экосистемой.
После загрузки программы на дисплее появится картинка –
рабочее поле программы с линейкой меню в верхней части. Для того,
чтобы войти в меню, необходимо нажать на «ЕSС». Студенту
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 пунктов с помощью клавиш «» и «» и нажать
«ENTER». Для выхода из любого режима необходимо нажать «ESC».
В пункте меню «УПРАВЛЕНИЕ» для задания параметров
используются следующие клавиши:
– «» и «» – для перехода к тому или иному параметру;
– «PageUp» – увеличение шага изменения параметра в 10 раз;
– «PageDown» – уменьшение шага изменения параметра в 10 раз;
– «» – увеличение значения параметра на величину шага;
– «» – уменьшение значения параметра на величину шага.
4.Порядок выполнения лабораторной работы
1.Познакомиться с описанием имитационной игры «Озеро».
2.Войти в пункт меню «Прогноз», «ENTER» переписать данные из
соответствующего столбика в табл.1, «ESC». В этот пункт меню
заходим 1 раз в 10 дней.
3.Войти в пункт меню «Состояние», «ENTER».переписать
выделенные красным цветом данные в табл.2, «ESC».
4.Войти в пункт меню «Управление», «ENTER» и задать
управляющие параметры:
– сброс воды – 0-5000 куб. м.;
– подкачка воды – 0-5000 куб. м.;
– аэрация 1 – 0-10;
– аэрация 2 – 0-10;
– количество суток – 3-10.
Переписать заданные значения параметров в табл. 3, «ESC».
5. Войти в пункт меню «Работа», «ENTER». На экране монитора
появляются
графики,
отражающие
состояние
экосистемы
(промышленной и средней зоны) после проведения управленческих
данных, «ESC».
Чтобы перейти к следующему циклу, необходимо вновь войти в
пункт меню «Состояние» и продолжить работу согласно пунктов 2-5.
Обычный цикл работы состоит из последовательности
обращений к режимам в таком порядке: «СОСТОЯНИЕ» →
«ПРОГНОЗ»(1 раз 10 дней) →«УПРАВЛЕНИЕ» →«РАБОТА».
Задача работающего состоит в том, чтобы в течение июня вывести
экосистему «Озеро» из запущенного состояния, т.е. снизить
концентрации загрязняющих воду трех ингредиентов до уровня ПДК во
всех зонах, а затем в течение июля поддерживать качество воды в озере
на уровне этих ПДК.
5. Оценка действий студента
В течение июня, пока студент выводит озеро из запущенного
состояния, штрафные баллы не начисляются. С началом июля
студент может получить штрафные баллы (по одному за каждый день),
когда не было обеспечено качество воды в любой зоне. Итоговая оценка
выставляется за количество набранных штрафных баллов.
Критерии выставляемых оценок: «ОТЛИЧНО» – нет штрафных
баллов;
«ХОРОШО» –
штрафных
баллов не более
9;
«УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО» – штрафных баллов от 10 до 15. Если
студент получает 16 штрафных баллов, то он отстраняется от должности
диспетчера и получает оценку «НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО»
Таблица 1
Данные о деятельности водопользователей в течение декады.
Завод
Декад
а
1-10
июня
11-20
июня
21-30
июня
1-10
июля
11-20
июля
21-31
июля
Объем
сбрасыв.
воды, м3
1200
Фабрика
Конц. Конц Объем Конц Конц Объем Конц
неорг., орган., сбрасыв. неорг., орган., сбрасыв. неорг.,
мг/л
мг/л воды, м3 мг/л
мг/л воды, м3 мг/л
2000
200
700
1500
Ботан.
сад
База
250
1000
2000
Конц
орган.,
мг/л
Объем
забираем
воды
м3
300
1000
Таблица 2.
Таблица 3
Состояние озера.
Дата
1.06
Промышленная
зона
Конц.
неорган
мг/л
Конц.
орган
мг/л
Конц.
кислор.
мг/л
500
100
0,5
Средняя зона
Конц.
неорган
мг/л
450
Конц.
орган
мг/л
100
Конц.
кислор
мг/л.
1,0
Варианты управления озером.
Культурная зона
Конц.
неорган
мг/л
Конц.
орган
мг/л
Конц.
кислор
мг/л
400
100
1,5
Дата
1.06
Длительность
цикла,
дней
3
3
4
Подкачка,
м3
Сброс воды,
м3
5000
4500
Аэрация 1 Аэрация 2
мг/л
мг/л
6
5