Имитационная игра 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):

 (1)

где:  Wg и P – приток воды в озеро за счет дождей (Wg) и подкачки (P);

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.

 

Декада	Завод			Фабрика			База			Ботан. сад
	Объем сбрасыв. воды, м3	Конц. неорг., мг/л	Конц орган., мг/л	Объем сбрасыв. воды, м3	Конц неорг., мг/л	Конц орган., мг/л	Объем сбрасыв. воды, м3	Конц неорг., мг/л	Конц орган., мг/л	Объем забираем воды м3
1-10 июня	1200	2000	200	700	1500	250	1000	2000	300	1000
11-20 июня
21-30 июня
1-10 июля
11-20 июля
21-31 июля

 

 

Таблица 2.

Состояние озера.

 

Дата	Промышленная  зона			Средняя зона			Культурная  зона
	Конц. неорган мг/л	Конц. орган мг/л	Конц. кислор. мг/л	Конц. неорган мг/л	Конц. орган мг/л	Конц. кислор мг/л.	Конц. неорган мг/л	Конц. орган мг/л	Конц. кислор мг/л
1.06	500	100	0,5	450	100	1,0	400	100	1,5