Рационального природопользования. Компьютерная имитационная программа «Малая река»

Цель: Обучение рациональному управлению агропромышленными экосистемами, которое обеспечивает одновременно и охрану природы, и получение высоких прибылей.

Оборудование: персональный компьютер с обучающей имитационной программой "Малая река".

Теоретическое введение

Загрязнения, которые поступают в среду через вентиляционные и сточные трубы предприятий и могут быть очищены на очистных сооружениях, называют организованными. Неорганизованные загрязнения, стекающие с полей или просачивающиеся через щели в аппаратуре, можно только уменьшить или способствовать их естественному разложению в природе.

Загрязнение водных экосистем. Реки и озера РФ загрязняются недостаточно очищенными сточными водами коммунального хозяйства и промышленности, смывом ядохимикатов и удобрений с полей, оседающими газодымовыми выбросами и утечкой нефти и нефтепродуктов. Важнейшие загрязнители: хлориды, сульфаты, нитраты, фосфаты, нефтепродукты, СПАВ, кадмий, ртуть, фенол, диоксины, пестициды и т.д. В результате загрязнений ухудшается качество воды как питьевого ресурса, обедняется животные и растительный мир водных экосистем, происходит эвтрофикация водоемов.

Загрязнение почвы. Накопление в почве химических веществ, представляющих опасность для живых организмов, т.е. загрязнение почв, складывается из выбросов промышленных предприятий, транспорта и сельскохозяйственных загрязнений. К сельскохозяйственным загрязнениям почв относятся пестициды и нитраты. Правда, наиболее стойкие хлорорганические пестициды сейчас практически не используются, но применявшиеся ранее препараты уже многие десятилетия передаются по пищевым цепям и опять попадают в почву. Нитраты, являясь обязательным компонентом почвы, должны содержаться в ней в оптимальных количествах. Важнейший источник нитратных загрязнений – это животноводческие комплексы и поля орошения.

Описание элементов системы

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

2. Промышленное предприятие, расположенное на берегу реки на расстоянии 1800 метров от начала участка, загрязняющее воду реки стоками, содержащими органическое загрязняющее вещество. 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 обеспечивающего БПК₅ 2000 мг/литр.

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.

4. Сельскохозяйственные угодья, на которых можно выращивать пшеницу, рожь, ячмень, кукурузу, картофель. Для повышения урожайности есть возможность внесения азотных (не более 50 кг/га), калийных (не более 50 кг/га), фосфорных (не более 50 кг/га), органических удобрений (не более 20 т/га), известкования почвы (почва требует известкования, но не более 2 т/га), 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, что дождевые и паводковые стоки будут загрязнять воду реки тем сильнее, чем больше внесено удобрений и ядохимикатов, а не усвоенные растениями и неразложившиеся вещества могут сохраняться в почве и донных осадках и загрязнять реку в последующие годы.

5. Жилой поселок забирает воду реки для своих нужд. Если вода в реке недостаточно чистая, то затрачиваются средства на очистку. В модели установлены ПДК в воде: кислорода должно быть не менее 4 мг/л, стоков с предприятия с указанными БПК₅- не более 6 мг/л, атразина, метафоса и цинеба - не более 0,005, 0,02 и 0,03 мг/л, соответственно.

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

Управление экосистемой

Программа рассчитана на 5 туров, каждый из которых соответствует 1 году. Каждый тур включает управляющее воздействие на систему и получение результатов. В управляющее воздействие входят:

- 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 - достижение максимальной прибыли от хозяйственной деятельности в бассейне реки с учетом затрат. При этом концентрации загрязняющих веществ в реке не должна превышать предельно допустимых норм. Иначе возникает экономический ущерб.

Природоохранные мероприятия и их стоимость

Лесополоса. Выращивание деревьев и кустарников 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. Разные виды вспашки в разной степени уменьшают дождевой сток:

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

- отвальная с микролиманами на 53 % (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, затраты и экономический ущерб

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

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.

Порядок работы и оценка Ваших действий

После загрузки программы на экране появится заставка программы "МАЛАЯ РЕКА". Для продолжения работы необходимо нажать пробел. В начале тура задаются параметры функционирования системы с помощью клавиш "↑", "↓" и «ENTER». Числовые значения вводятся с помощью клавиш 0,1,2,...9. Дробная часть числа отделяется точкой (например, 3.5). После набора числа необходимо нажать «ENTER».

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).

«Esc» - выход в операционную систему. По окончании пяти лет игрового времени программа подводит оценку деятельности обучаемого по полученной прибыли и нанесенному экономическому ущербу. Оценка "отлично" выставляется за прибыль 5 млн. руб. и экономический ущерб 0 руб. При худших показателях оценка снижается.

Задания

Задание 1 Определите влияние возраста лесополосы на ее природоохранную роль. В первый год посадите лесополосу, внесите в почву удобрения и ядохимикаты. Во все годы управляющие воздействия задавайте одинаковыми и наблюдайте за концентрациями и уменьшением экономического ущерба от загрязнения воды. Дозы веществ, вносимых в почву не должны быть большими, чтобы не вызвать вторичного загрязнения.

Задание 2 Определите влияние разных доз удобрений и ядохимикатов на урожайность с/х культуры, прибыль и экономический ущерб. Для этого выберите одну из культур и выращивайте ее сначала без удобрений, затем с половинной и, наконец, с максимальной дозой удобрений. Аналогично меняйте дозы пестицидов, используя оптимальную дозу удобрений.

Задание 3 Пронаблюдайте за воздействием вторичных загрязнений. Для этого в первый год внесите в почву большие дозы удобрений и ядохимикатов, а во второй год не вносите вообще. Наблюдайте на втором году концентрации веществ, попавших в воду за счет вторичного загрязнения, т.е. за счет взмыва донных осаждений и выноса веществ, не усвоенных растениями и оставшихся в почве.

Задание 4 Определите оптимальный метод очистки сточных вод для предприятия, работающего с максимальной интенсивностью, и фермы с максимальным поголовьем скота. Каждый год задавайте разные природоохранные воздействия (например, поочередно задавайте 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 наблюдайте изменения концентраций веществ и экономических характеристик.

Задание 5 Исходя из результатов, полученных в заданиях 1-4, обеспечьте в течение 5 лет максимально эффективное управление данной экосистемой. Выставленную компьютером оценку продемонстрируйте преподавателю.

Контрольные вопросы

1. Какие вредные воздействия на реку оказывают поля, ферма и предприятия? Как нормируются содержание в воде вредных веществ?

2. Для чего нормировать содержание в воде кислорода?

3. Назовите природоохранные мероприятия, применимые в данной экосистеме.

4. Какая стратегия помогает получать высокую прибыль, нанося минимальный ущерб природе?

Библиографический список:

Акимова, Т. А. Экология. Человек. Экономика. Среда. Биота [Текст] : учеб. для студ. вузов / Т. А. Акимова, В. В. Хаскин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2007, 2008. - 495 с.

Андреева, Т. А. Экология в вопросах и ответах [Текст] : учеб. пособие / Т. А. Андреева. - М. : [ТК Велби] : Проспект, 2007. - 180 с.

Березина, Н. А. Экология растений [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. "Экология" и напр. "Экология и природопользование" : допущено УМО по образованию / Н. А. Березина, Н. Б. Афанасьева. - М.: Академия, 2009. - 400 с.

Бродский, А. К. Общая экология [Текст] : учебник для студ. вузов, обуч. по направлению подготовки бакалавров, магистров 020200 "Биология", биологич. спец. и спец. 020803 "Биоэкология" направления 020800 "Экология и природопользование" / А. К. Бродский . - М. : Академия, 2006, 2007. - 254 с

Бузмаков, В. В. Производство продукции растениеводства, свободной от тяжелых металлов и радионуклидов [Текст] : учеб.- практ. пособие / В. В. Бузмаков ; МСХ РФ, Российская акад. наук им. В.И. Вернадского, Российская акад. кадрового обеспечения АПК. - М. : РОсАКОагро, 2005. - 78 с.

Воронцов, А. П. Ресурсосбережение в АПК [Текст] : учеб. пособие / А. П. Воронцов. - М. : Юркнига, 2006. - 207 с.

Дмитриев, В. В. Прикладная экология [Текст] : учебник для студ. вузов, обуч. по спец. "Экология" / В. В. Дмитриев, А. И. Жиров, А. Н. Ласточкин. - М. : Академия, 2008. - 600 с.

Еремченко, О. З. Учение о биосфере [Текст] : учеб. пособие для студ., обуч. в магистратуре по напр. 510600 "Биология" / О. З. Еремченко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Академия, 2006. - 234 с

Ерофеев, Б. В. Экологическое право России [Текст] : учебник для вузов / Б. В. Ерофеев. - 20-е изд., перераб. и доп. - М. : Эксмо, 2007. - 463 с

Каплин, В. Г. Основы экотоксикологии [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. 110102 "Агроэкология" и 110203 "Защита растений" / В. Г. Каплин ; Межд. ассоциация "Агрообразование". - М. : КолосС, 2006. - 232 с.

Колпакова, В. П. Основы экологии [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов по с.-х. спец. / В. П. Колпакова, Н. Д. Овчаренко ; МСХ РФ, Алтайcкий ГАУ. - Барнаул : АГАУ, 2005. - 195 с.

Коробкин, В. И. Экология [Текст] : учебник для студ. вузов / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. - 10-е изд. - Ростов н/Д : Феникс, 2006, 2007, 2008. – 571, 602, 602 с.

Красная книга Республики Башкортостан :редкие и исчезающие виды высших сосудистых растений, мохообразных, водорослей, лишайников и грибов, редкие и исчезающие виды животных: объединенный том /М-во природопользования, лесных ресурсов и охраны окружающей среды РБ, Ин-т биологии УНЦ РАН, Башкирский гос. ун-т; редкол. А.А.Фадхутдинов и др.- Уфа: Полипак, 2007. – 525 с.

Маврищев, В. В. Общая экология [Текст] : курс лекций / В. В. Маврищев. - Минск : Новое знание, 2005. - 298 с

Передельский, Л. В. Экология [Текст] : учебник / Л. В. Передельский, В. И. Коробин, О. Е. Приходченко. - М. : Проспект, 2009. - 507 с

Прохоров, Б. Б. Экология человека [Текст] : учебник для студ. вузов, обуч. по спец. 013100 "Экология" и 013600 "Геоэкология" / Б. Б. Прохоров. - 3-е изд., стер. - М. : Академия, 2007. - 319 с.

Ручин, А. Б. Урбоэкология для биологов [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. 020803 "Биоэкология" и напр. 020200 "Биология" : допущено УМО по образованию / А. Б. Ручин, В. В. Мещеряков, С. Н. Спиридонов. - М. : КолосС, 2009. - 195 с.

Садовникова, Л. К. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении [Текст] : учеб. пособие для студ., обуч. по химическим, химико-технологическим и биологическим спец. / Л. К. Садовникова, Д. С. Орлов, И. Н. Лозановская. - 3-е изд., перераб. - М. : Высш. шк., 2006. - 334 с.

Степановских, А. С. Прикладная экология. Охрана окружающей среды [Текст] : учебник для студ. вузов по экологическим специальностям / А. С. Степановских. - М. : ЮНИТИ-Дана, 2003. - 752 с.

Общая экология [Текст] : учебник для студ. вузов по экологическим спец. / авт.-сост. А. С. Степановских. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2001, 2002. - 510 с.

Хотунцев, Ю. Л. Экология и экологическая безопасность [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. 033300 - Безопасность жизнедеятельности / Ю. Л. Хотунцев. - 2-е изд.,перераб. - М. : Академия, 2004. - 480 с.

Экологическое право [Текст] : учебник / [Т. С. Бакунина и др.] ; отв. ред.: Г. Е. Быстров, Н. Г. Жаворонкова, И. О. Краснова ; М-во образования и науки РФ, Московская гос. юридическая академия. - М. : Проспект, 2008. - 646 с

Экология [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов / [А. И. Ажгиревич и др.] ; под ред. В. В. Денисова. - 3-е изд., испр. и доп. - М. ; Ростов н/Д : МарТ, 2002, 2004, 2006. – 640, 672, 767 с.

Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Башкортостан в 2007 году /Мин-во природопользования, лесных ресурсов и охраны окружающей среды РБ.- Уфа, 2008.-217с.

Периодические издания: Экологическая безопасность АПК, Экология и промышленность России, Экология, Табигат, Проблемы региональной экологии, Безопасность жизнедеятельности.

Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0261 от 10 апреля 1998 года.

Подписано в печать __5. 04____2010г. Формат 60х84. Бумага типографская. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. ____________. Усл. изд. л.____________.

Тираж 30 экз. Заказ № _________.

Издательство Башкирского государственного аграрного университета.

Типография Башкирского государственного аграрного университета.

Кафедра БЖД и экологии.

Адрес издательства и типографии: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.