Рекомендации методические по выполнению лабораторных работ по курсам «Экология», «Экологический менеджмент», «Системы экологического управления» для студентов всех специальностей Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийскнй технологический институт (филиал) Г.В. Давиденко ЭКОЛОГИЯ Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам «Экология», «Экологический менеджмент», «Системы экологического управления» для студентов всех специальностей Бийск 2006 УДК 502.2 Давиденко, Г.В. Экология: методические рекомендации по выполне- нию лабораторных работ по курсам «Экология», «Экологический менеджмент», «Системы экологического управления» для студентов всех специальностей / Г.В. Давиденко. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск. Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006. – 46 с. Настоящие методические рекомендации представляют собой описание правил проведения лабораторных работ, направленных на закрепление и развитие теоретических знаний в области экологии и природопользования. Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Процессы и аппараты химической технологии». Протокол № 3 от 26.04.2005 г. Рецензент: к.т.н., академик МАНЭБ ФГУП «ФНПЦ «Алтай» С.Н. Козлов © БТИ АлтГТУ, 2006 1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИМИТАЦИОННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ИГРА «МАЛАЯ РЕКА» В компьютерной лабораторной работе «Малая река» задачей обучаемого является получение максимальной прибыли от хозяйственной деятельности антропогенных экосистем, расположенных на берегах естественной экосистемы «Малая река» за пять лет работы. При этом необходимо нанести минимальный ущерб водоему, т.е. подобрать оптимальный вариант функционирования экосистемы, эффективные методы очистки сточных вод за пять лет работы всей экосистемы. 1.1 Цель работы Приобретение умений, закрепление и развитие теоретических знаний по управлению естественными и искусственными экосистемами. Формирование представлений об эколого-экономическом ущербе, наносимом хозяйственной деятельностью. Анализ мониторинговых характеристик экологической системы «Малая река». 1.2 Предмет и содержание работы 1.2.1 Теоретическая часть Структура экологии: искусственные и естественные экосистемы, биогеоценоз, понятие о токсичности вещества. Экономический механизм природопользования: сущность, содержание, границы применения, субъекты и объекты экономического механизма, финансирование и стимулирование природоохранной деятельности. Система экологического мониторинга. Пути уменьшения попадания загрязнений в гидросферу. 1.2.2 Входные данные экологической системы «Малая река» Программа «Малая река» моделирует естественные процессы, происходящие в системе (рисунок 1.1): - участок реки; - промышленное предприятие; - животноводческий комплекс; - сельскохозяйственные угодья; - жилой поселок; - передвижная станция контроля качества воды. Рисунок 1.1 – Общая схема экологической системы «Малая река» В компьютерную игру вводится адаптация задания применительно к реке Бие и промышленным предприятиям г. Бийска, имеющим сброс сточных вод в р. Бию. Работа обучаемого с программой состоит из нескольких последовательных туров. В каждом туре студент оказывает управляющее воздействие на систему и получает соответствующие результаты. Программа рассчитана на пять туров – 5 лет. После загрузки программы на экране появится заставка программы «Малая река». Для продолжения работы необходимо нажать «Пробел». При выборе оптимальных параметров функционирования экологической системы «Малая река» использовать данные таблиц 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 и рисунков 1.1, 1.2. Таблица 1.1 – Предельно допустимые концентрации веществ (ПДК) Вид вещества ПДК В , мг/л Кислород более 4 БПК менее 6 Атразин более 0,005 Метафос более 0,02 Цинеб более 0,03 Таблица 1.2 – Мероприятия по охране чистоты реки и их стоимость Наименование мероприятия Единицы измерения Стоимость мероприятия, руб. Посадка лесополосы шириной 10 м 1000 Вспашка: - уплотненная 100 га 1000 - отвальная с микролиманами 100 га 1900 - безотвальная 100 га 1700 - отвальная глубиной 22 – 25 см 100 га 2500 - отвальная глубиной 35 – 37 см 100 га 3000 Очистка сточных вод: - механическая 1 м3 0,05 - биологическая 1 м3 0,38 - биологическая с доочисткой 1 м3 2 Искусственная аэрация (повышение содержания кислорода) на 2 мг/л 0,366 в месяц В начале тура задаются параметры функционирования системы: - интенсивность работы промышленного предприятия; - количество голов скота для выращивания на ферме (свиньи или крупный рогатый скот); - методы очистки сточных вод промышленного предприятия и фермы; - сельскохозяйственные культуры для выращивания в бассейне реки; - количество применяемых удобрений и ядохимикатов; - размещение передвижной станции контроля качества воды; - мероприятия по охране чистоты реки; - вид вспашки; - ширина лесопосадок вдоль реки; - место искусственной аэрации. Таблица 1.3 – Прибыль от ведения хозяйственной деятельности Источник прибыли Ед. изм. Прибыль, руб. Продукция промышленного предприятия 1 ед. продукции 12 Продукция животноводческого комплекса Nc, кол. свиней Nк, кол. коров 100хNc, в год 200хNк, в год Урожай пшеницы 1 ц 30 Урожай ячменя 1 ц 30 Урожай ржи 1 ц 28 Урожай кукурузы 1 ц 12 Урожай картофеля 1 ц 10 Таблица 1.4 – Затраты на внесение удобрений и ядохимикатов Что вносится Стоимость внесения, руб. Метафос (по 1 кг на 1 га) 434 Атразин (по 1 кг на 1 га) 1600 Цинеб (по 1 кг на 1 га) 600 Азотные удобрения (по 1 кг на 1 га) 400 Калийные удобрения (по 1 кг на 1 га) 400 Фосфорные удобрения (по 1 кг на 1 га) 400 Органические удобрения (по 1 т на 1 га) 2000 Известь (по 1 т на 1 га) 2000 1.2.3 Описание разделов «Меню» При выборе параметров функционирования системы можно использовать «Меню» программы. Пункт меню «ПОМОЩЬ» содержит следующие 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 при-родоохранных мероприятий и т.д.); - «СХЕМА» – схема взаимодействия блоков системы (т.е. графическое изображение связей, моделируемых в программе); - «ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ» – информация о при-родоохранных 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» дает оценку деятельности обучаемого по турам (дается сообщение о полученной прибыли и экономическом ущербе за прошедшие туры работы с программой); - « УПРАВЛЕНИЕ» задает параметры функционирования системы, перечисленные в пункте 1.2.2. - «СЧЕТ» содержит информацию о концентрации загрязнителей в водоеме по месяцам в течение года. При этом предлагается выбрать расположение передвижной станции контроля качества воды. После задания параметров на экране можно наблюдать динамику концентраций кислорода – БПК (биологического потребления кислорода), 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. 1.2.4 Описание элементов системы Участок реки длиной 8640 м, шириной 10 м, глубиной 3 м, средней скоростью течения 6 м/мин. Промышленное предприятие расположено на берегу реки на расстоянии 1800 м от начала участка. Интенсивность работы предприятия может меняться от 0 до 150 ед. продукции в сутки. Производство 1 ед. продукции дает 0,1 м3 стоков с концентрацией органического загрязняющего вещества (по БПК) 2000 мг/л. Животноводческий комплекс расположен на берегу реки на расстоянии 5400 м от начала участка. На комплексе можно выращивать свиней (в количестве от 0 до 2000 голов) или крупный рогатый скот (в количестве от 0 до 1000 голов). В сутки в расчете на одну свинью образуется 4,5 л навозной жижи с содержанием БПК 6000 мг/л, в расчете на одну корову – 14 л с содержанием БПК 8000 мг/л. Сельскохозяйственные угодья, на которых можно выращивать пшеницу, рожь, ячмень, кукурузу или картофель. Для повышения урожайности можно вносить азотные удобрения (не более 50 кг/га), калийные удобрения (не более 50 кг/га), фосфорные удобрения (не более 50 кг/га), органические удобрения (не более 20 т/га), известь (не более 2 т/га), применять ядохимикаты (метафос для борьбы с вредными насекомыми, цинеб для борьбы с болезнями растений, атразин для борьбы с сорняками). Жилой поселок, забирающий воду реки для своих нужд. Качество воды регламентируется предельно допустимыми концентрациями: БПК, атразин, метафос, цинеб, содержанием кислорода в воде. Передвижная станция контроля качества воды анализирует со-держание кислорода, БПК, атразина, метафоса, цинеба в воде в любом выбранном месте участка реки. Рисунок 2.2 – Природоохранные мероприятия Рисунок 1.2 – Природоохранные мероприятия 1.3 Оборудование, технические средства Компьютер и специальное программное обеспечение (имитационная программа «Малая река»). 1.4 Последовательность выполнения работы Лабораторная работа в виде имитационной компьютерной игры выполняется группой студентов в составе не более 2 – 3 человек. На выполнение работы отводится 4 часа, в том числе: 1 час – подготовка к работе и входной контроль, 2 часа – выполнение работы, 1 час – итоговый тестовый опрос и обсуждение результатов. Перед началом лабораторной работы студенты должны изучить и усвоить: - теоретический материал темы; - цель работы; - элементы экологической системы; - методику проведения имитационной программы «Малая река»; - правила и порядок оформления отчетов. 1.4.1 Вопросы для входного контроля 1. Понятие о техногенной экологической системе. 2. Антропогенные факторы, воздействующие на заданную искусственную экологическую систему. 3. Какие предельно допустимые концентрации (ПДК) устанавливаются для водоемов? 4. Понятие о ПДК (предельно допустимых концентрациях). 5. Понятие о лимитирующем показателе вредности. Что вы можете рассказать о лимитирующих показателях вредности для водоема? 6. От чего зависит эколого-экономический ущерб? Основные виды и составляющие экологического ущерба (социальный, эстетический, экономический и др.). 7. Как загрязняющие вещества попадают в поверхностные водоемы? Каковы экологические последствия? 8. Основные загрязнители водоемов. 9. Какими способами в современных условиях повышают заинтересованность природопользователя в сохранении ресурсов и их рациональном использовании? 1.5 Примеры возможных вариантов функционирования системы Если попытаться получить максимальную прибыль, мало заботясь о чистоте воды (экономя на этом), используем 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. Получаемый результат за первый год: 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. Примером служат другие параметры: - интенсивность работы промышленного предприятия – 150; - очистка сточных вод предприятия – биологическая; - поголовье скота – 2000 свиней; - очистка сточных вод фермы – биологическая с доочисткой; - сельскохозяйственная культура – пшеница; - пестициды (метафос – 15 кг/га, цинеб – 2 кг/га, атразин – 3 кг/га); - удобрения (азотные – 20 кг/га, фосфорные – 25 кг/га, калийные – 20 кг/га, органические – 5 т/га, известкование – 1 т/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. Итог говорит о том, что управление системой ведется правильно. Получена высокая прибыль, и обеспечена чистота воды в реке. 1.6 Отчет о выполненной работе Отчет о выполненной работе должен содержать: а) краткую теоретическую часть; б) цель работы; в) схему экологической системы «Малая река»; г) перечень выбираемых параметров функционирования системы; д) отчетную таблицу (таблица 1.5); е) выводы. 1.6.1 Оценка действий обучаемого По окончании пяти лет игрового времени программа подводит итог деятельности обучаемого по полученной прибыли и нанесенному экономическому ущербу. Оценка «отлично» выставляется обучаемому, если он получит прибыль не менее 5 млн. руб. и нулевой экономический ущерб. При худших показателях оценка соответственно снижается. Итоговая оценка по лабораторной работе составляет 6 баллов. Таблица 1.5 – Результаты эколого-экономической деятельности Параметры и показатели Первый год Второй год Третий год Четвертый год Пятый год Интенсивность работы предприятия Очистка сточных вод предприятия Поголовье скота Очистка сточных вод фермы С/х культура Удобрения азотные фосфорные калийные органика известь Пести-циды метафос цинеб атразин Вспашка Лесополоса Прибыль Затраты Экономический ущерб 1.7 Термины и определения Адаптация (приспособление) – соответствие между условиями окружающей среды и способностью организмов процветать в ней. Антропогенные факторы – факторы, обязанные своим происхождением деятельности человека. Аэрация – естественное или искусственное поступление атмосферного воздуха в какую-либо среду (воду, почву и пр.). Может производиться при помощи технических средств. Буферная емкость экосистемы – способность экосистемы противостоять загрязнению. Буферная емкость природных вод – способность воды к самоочищению от антропогенных загрязнителей. Гербициды – химические вещества, предназначенные для избирательного уничтожения нежелательной, главным образом сорной, растительности (атразин, цинеб, метафос). Попадая в водоемы, оказывают токсичное действие и могут вызвать гибель живых организмов. Живучесть экосистемы – способность экосистемы выдерживать нарушение баланса экологических компонентов или интенсивные антропогенные нагрузки без развития в них процессов деградации и распада. Искусственные экосистемы – созданные человеком малые замкнутые экосистемы, позволяющие смоделировать некоторые процессы. Мониторинг (напоминающий, надзирающий) – комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния окружающей природной среды под влиянием антропогенных факторов. Предельно допустимая концентрация вредного вещества в водоемах – содержание загрязняющих компонентов, при увеличении которого вода становится непригодной для водопользования или отрицательно влияет на жизнедеятельность гидробионтов. Сточные воды – воды, загрязненные различными органическими и неорганическими веществами. 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. «ОЗЕРО» Лабораторная работа предусматривает управление естественной экосистемой «Озеро», на берегах которого расположены предприятия, осуществляющие антропогенное воздействие на данную экологическую систему (сброс в водоем сточных вод и водозабор). Задача обучаемого (студента) – осуществлять контрольно-диспетчерскую деятельность до конца игры и при разумной экономии средств сохранять нормальный водный баланс у водоема. 2.1 Цели работы Закрепление, углубление и расширение знаний студентов в области экономного использования природных ресурсов в процессе управления естественными и искусственными экосистемами. Овладение практическими приёмами и современными методами контроля по эксплуатации экосистемы «Озеро» и анализу циклических закономерностей существования экосистем. Приобретение умений и навыков использования технических средств при оптимальном планировании нескольких взаимосвязанных параметров управления в условиях ограничения суммарной стоимости расходов. 2.2 Предмет и содержание работы 2.2.1 Теоретическая часть: Природопользование [4, С. 222-225]. Искусственные и естественные экосистемы [4, C. 83-98]. Круговороты веществ и энергий в природе, понятие о цикличности. Водопотребление [1, C. 307-326]. Антропогенное воздействие на гидросферу [4, C. 239-244]. Нормирование качества окружающей среды [7, C. 33-38]. Система экологического мониторинга [1, C. 513-519]. Прогрессивные методы очистки сточных вод [1, C. 307-315]. Моделирование экосистем [3, C. 235-240; 5, C. 356-364]. 2.2.2 Входные данные экологической системы «Озеро» Компьютерная программа «Озеро» моделирует естественные процессы, происходящие в системе, включающей в себя: - водоём; - прибрежные предприятия; - станции ежедневного взятия проб воды; - гидрометеослужбу; - службу управления качеством воды; - финансирующий орган. Обучаемый в игре выполняет функции диспетчера по управлению экологической системой «Озеро». Для успешного управления обучаемый должен усвоить закономерности, лежащие в основе водного баланса, превращений и деструкции веществ, насыщения воды кислородом, влияния метеоусловий на экологические процессы. 2.2.3 Описание элементов системы Водоём 200х300 м разбит на три зоны одинаковой площади 200х100 м – промышленную, среднюю и культурную (со средними глубинами 5 м, 10 м и 5 м соответственно). Нормальным считается уровень воды в озере от 9,8 до 10,2 м. Прибрежные предприятия . Среди них некоторые – завод, фабрика, база – используют воду озера для своих технологических процессов, загрязняя её органикой и неорганикой. Объём забираемой воды равен объёму сбрасываемой. Концентрации органики и неорганики в сбрасываемой воде могут меняться через каждую декаду. Ботанический сад только забирает воду из озера. Данные о деятельности предприятий заложены в программу, моделирующую экосистему. Эти данные обучаемый при желании может получить во время игры. Они выводятся на экран по частям, в соответствии с рассматриваемой в конкретный момент игры декадой. Ниже приводится полная таблица с указанными данными, заложенная в программе (таблица 2.1). Таблица 2.1 – Данные о деятельности предприятий по декадам Месяц Декада Объем загрязненной сбрасываемой воды Завод Фабрика База Б.Сад неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3 ) неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3 ) неорг., (мг/л)/ орг., (мг/л)/ вода, (м3 ) вода, м3 Июнь 1 – 10 1200/2000/200 700/1500/250 1000/2000/300 1000 11 – 20 1200/2000/200 350/1500/250 1000/2000/300 - 21 – 30 1200/2000/200 350/1500/250 1000/1000/300 400 Июль 1 – 10 1500/2000/200 350/1500/250 1000/1000/300 60 11 – 20 1200/2000/200 350/1500/400 1000/1000/400 300 21 – 30 1200/2000/200 350/1500/250 1000/2000/300 500 В игре установлен предел допустимых концентраций (ПДК) в мг/л по кислороду, органике и неорганике для каждой зоны. Ниже приводится таблица, где приведены ПДК тех же показателей, причем ПДК по кислороду определяет нижнюю границу, ПДК по органике и неорганике – верхнюю (таблица 2.2). Таблица 2.2 – Предельно допустимые концентрации загрязнителей в контролируемых зонах, мг/л Промышленная зона Средняя зона Культурная зона Кислород 2 4 6 Органика 60 40 25 Неорганика 350 300 220 Станции ежедневного взятия проб воды . Две из них стационарные – в промышленной и средней зоне, одна передвижная для взятия проб воды при необходимости в культурной зоне. Гидрометеослужба осуществляет краткосрочный метеопрогноз (до 10 дней): температуры воздуха и воды, осадков, давления и силы ветра. Данные об изменениях погодных условий заложены в игру и остаются одними и теми же, поэтому все игроки оказываются в равных условиях, диктуемых внешней обстановкой. Служба управления качеством воды осуществляет подкачку чистой воды в промышленную зону, сброс воды из культурной зоны, искусственную аэрацию вод. Интенсивность аэрации задается величинами А1 и А2 мг/л – на сколько можно поднять аэрацию воды без учета других факторов поступления и расходования воздуха. Следует, однако, иметь в виду, что искусственная аэрация, сколь бы сильной она ни была, не может дать концентрацию кислорода выше предельного насыщения (эта величина зависит от температуры воздуха и атмосферного давления). В части водного баланса обучаемому следует учесть, что станции перекачки воды переводятся автоматически на режим подъёма уровня (Р=5000, S=0) или его снижение (Р=0, S=5000) на одни сутки, если уровень воды выходит за пределы допустимых норм. Чтобы управлять уровнем воды, следует учитывать баланс воды: B = Wg – Wu – Wc + (P - S), где Wg и P – приход воды в озеро за счёт дождей и перекачки; Wu, Wc, S – расход за счёт испарения, забора воды ботаническим садом и сброса. Финансирующий орган . Для управления озером на два месяца выделяется 300 рублей. Эти деньги расходуются на перекачку воды из расчёта 50 коп. за каждую 1000 куб. м и на искусственную аэрацию из расчета 25 коп. за повышение концентрации кислорода в одной зоне на 1 мг/л. В игре денежные расходы не выведены на первый план, однако отсутствие их учета будет со стороны обучаемого большой ошибкой. Как только выделенная сумма будет израсходована, в оставшиеся дни экологическая система будет развиваться без управления со стороны обучаемого. А такое развитие очень быстро приводит к ухудшению качества воды. Таким образом, разумная экономия при благоприятных условиях, свободный расход в условиях неблагоприятных и ориентир на среднесуточный расход 5 руб. позволяют обучаемому сохранить свою роль диспетчера до конца срока игры. 2.3 Оборудование, технические средства Компьютер и специальное программное обеспечение (имитационная программа «Озеро»). 2.4 Последовательность выполнения работы Лабораторная работа выполняется группой студентов в составе не более 2–3 человек. На выполнение работы отводится четыре академических часа, в том числе: подготовка – 1 час, выполнение – 2 часа, итоговый опрос – 1 час. 2.4.1 Подготовка к работе и входной контроль. Студенты выполняют конспект теоретической части, формулируют ответы на общие вопросы по теме. Вопросы для входного контроля: 1. Понятие об экологической системе. Виды экосистем. 2. Антропогенное воздействие. Реальные и потенциальные опасности как последствия антропогенной деятельности. 3. Какие виды норм и нормативов относятся к производственно-хозяйственным, какие – к санитарно-гигиеническим? 4. Для чего устанавливаются лимитирующие показатели вредности? 5. Для чего применяют экологические модели (экологическое моделирование и экологическое прогнозирование)? 6. Классификация вод. 7. Что такое мониторинг? Чем занимается служба мониторинга? 8. Основные методы очистки сточных вод. 9. Что понимается под лимитирующими факторами среды? Затем изучают основные сведения о закономерностях функционирования экосистемы «Озеро». 2.4.2 Выполнение работы. При выборе параметров управления обучаемый должен усвоить основные закономерности экологической системы и учитывать складывающуюся ситуацию. Процесс управления экосистемой имеет циклический характер. В начале каждого цикла обучаемый оценивает по информации кадра дисплея: - состояние озера, т.е. на текущую дату уровень воды в озере, концентрации ингредиентов в каждой из трёх зон; - прогноз погоды на текущую декаду; - оставшуюся в его распоряжении денежную сумму для расхода на перекачку воды и аэрацию. После этого его задачей оказывается выбор: - продолжительности очередного цикла (от 3 до 10 суток); - мощности подкачки чистой воды и откачки загрязнений на каждые сутки очередного цикла (от 0 до 5000 на подкачку и от 0 до 5000 на откачку). Ниже даются рекомендации для обоснованного выбора параметров управления. 2.4.2.1 Длительность цикла Выбор большой длительности цикла не эффективен по ряду причин: невозможность воздействовать на систему до конца цикла, инерциальность системы в целом, изменения в метеоусловиях, декадность прогноза. Начинающему следует придерживаться выбора длительности цикла от 3 до 4 суток с выходом на первый день каждой декады. 2.4.2.2 Искусственная аэрация Обучаемый должен понять, что растворенный в воде кислород как расходуется, так и пополняется ввиду нескольких причин. Расход обусловлен разложением органики и водообменом с предприятиями: забирая воду, обогащенную кислородом, и сбрасывая воду без кислорода, предприятие уменьшает концентрацию кислорода в воде; чем больше в воде органики и выше температура, тем больше расходуется кислорода на её разложение. Пополняется кислородом вода за счёт 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 через среднюю в культурную. Вывод: концентрацию кислорода в промышленной зоне можно повышать за счёт перекачки чистой воды, тогда как в средней и культурной зонах это следует делать за счёт аэрации, причём аэрация в средней зоне должна быть выше, чем в культурной. 2.4.2.3 Подкачка и сброс воды Концентрация органики растёт только за счёт сброса сточных вод предприятиями, а убывает за счёт деструкции (4 %) и разложения. Кроме того, концентрация органики изменяется вследствие перетока воды из одних зон в другие. Следует иметь в виду, что чем выше концентрация кислорода в воде, тем сильнее идёт разложение органики, а значит, увеличивается концентрация неорганики. Концентрацию неорганики можно понизить только проточностью воды. 2.4.3 Стратегия в процессе игры Обычный игровой цикл состоит из последовательности обращений к режимам в таком порядке: «Состояние – Прогноз – Управление – Работа». Общая задача игрока состоит в том, чтобы в течение первого месяца (июня) вывести озеро из запущенного состояния до уровня ПДК во всех зонах по каждому из трёх ингредиентов, а затем в течение второго месяца (июля) поддерживать качество воды в озере на уровне этих ПДК. Как решить эту задачу? В начале каждого игрового цикла следует проанализировать текущие концентрации кислорода, органики, неорганики, получив все сведения с помощью режима «Состояние». Затем необходимо оценить прогноз погоды и прогноз деятельности предприятий (режим «Прогноз»). На основании проведенного анализа игрок должен выбрать параметры управления – величины Р, S, А1, А2, а также Т – количество суток очередного цикла. Эти величины вводят в режиме «Управление». Для набора значений используются клавиши управления курсором (стрелка влево, стрелка вправо, стрелка вниз, стрелка вверх). После нажатия клавиш (стрелка вниз, стрелка вверх) совершается переход от одной строки к другой (на каждой строке – свой параметр). Увеличение или уменьшение на 1 единицу каждого разряда числа производится нажатием клавиш: PageUp – увеличение в 10 раз, а Page Down –уменьшение в 10 раз. 2.4.4 Итоговый опрос и обсуждение результатов В течение июня, пока игрок выводит озеро из запущенного состояния, штрафные баллы не начисляются. В течение июля обучаемому начисляются штрафные баллы по одному за каждый день, когда не было обеспечено качество воды в любой зоне. Итоговая оценка выставляется только за количество набранных штрафных баллов. Итоговыми могут быть следующие оценки: «Отлично» – нет штрафных баллов; «Хорошо» – штрафных баллов не более 10; «Удовлетворительно» – штрафных баллов от 11 до 15. Если обучаемый получает 16 штрафных баллов, то он отстраняется от должности диспетчера (неудовлетворительно). Студент может повысить свой рейтинг, получив дополнительный балл при правильном оформлении выполненной лабораторной работы, проанализировав свою деятельность в качестве диспетчера. Также на итоговую оценку влияет качество ответов на вопросы и участие в обсуждении результатов. 2.4.5 Вопросы для самоконтроля знаний и умений, полученных в результате выполнения работы 1. Какие факторы влияют на процесс естественной самоочистки экосистемы «Озеро»? 2. Перечислите на примере игры «Озеро», что является естественными, а что – искусственными экосистемами? 3. Органы управления в области природопользования. 4. Основные положения Федерального закона об Охране окружа-ющей среды. 2.5 Отчёт о выполненной работе Отчет о выполненной работе должен содержать: а) краткую теоретическую часть; б) цель работы; в) схему экологической системы «Озеро»; г) перечень выбираемых параметров функционирования системы; д) отчётную таблицу; е) выводы. 2. 6 Один из вариантов управления «Озером» Таблица 2.3 – Пример варианта управления Дата Дата Длительность цикла Т Подкачка воды Р Сброс воды S Аэрация А 1 Аэрация А 2 1.06 3 2000 -- 6 6 4.06 4 2000 500 5 3 8.06 3 3000 1500 4 3 11.06 3 3500 3100 4 3 14.06 4 3250 3000 5 5 18.06 3 3500 3300 4 4 21.06 3 4000 3500 3 3 24.06 4 4000 3000 1 1 28.06 3 4000 3000 1 1 Продолжение таблицы 2.3 Дата Дата Длительность цикла Т Подкачка воды Р Сброс воды S Аэрация А 1 Аэрация А 2 1.07 3 5000 4000 2 2 4.07 4 4500 3500 3 3 8.07 3 4500 3500 2 1 11.07 3 4500 3500 1 1 14.07 4 5000 4000 3 3 18.07 3 5000 4500 2 3 21.07 3 5000 4000 3 4 24.07 4 3500 2500 1 1 28.07 3 -- -- 1 1 2.7 Термины и определения Антропогенные факторы – факторы, обязанные своим происхождением деятельности человека. Водопотребление – потребление водных ресурсов для удовлетворения нужд населения, промышленности, сельского хозяйства и т.д. Гидросфера – водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озёра, ледники), подземные воды. Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных, физико-химических, биологических веществ, агентов, оказывающих вредное воздействие на природные экосистемы и на человека. Лимитирующий фактор – экологический фактор (свет, температура, почва, биогенные вещества), который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает какие-либо проявления жизнедеятельности организмов. Прогнозирование экологическое – научное предвидение возможного состояния природных экосистем и окружающей среды, определяемого естественными процессами и антропогенными факторами. ны и определения воды. мы "имикатовти Предельно допустимый c брос (ПДС) – максимально допустимая масса загрязняющего вещества в окружающей среде, определяемая в соответствии с установленным режимом в данном месте в единицу времени с целью обеспечения норм качества среды в контрольном пункте. Устойчивость экосистемы – способность экосистемы и её отдельных частей противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Экосистема – это устойчивые системы неживых и живых компонентов, в которых происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергий. Эфтрофикация – повышение биопродуктивности водоёмов в результате накопления в воде биогенных веществ под воздействием природных и, главным образом, антропогенных факторов. 3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. «ТОЛЬКО ОДНА АТМОСФЕРА» 3.1 Цели работы Закрепление, углубление и расширение знаний студентов в области глобальных изменений, происходящих в атмосфере Земли. Развитие теоретических знаний об основных видах загрязняющих веществ и о влиянии загрязнения воздуха на озоновый слой стратосферы и на климат. Изучение основных биогеохимических циклов с акцентом на глобальный круговорот углерода и осознание важности этих циклов для людей. Анализ мер, предпринимаемых для снижения темпов глобального потепления. 3.2 Предмет и содержание работы Лабораторная работа посвящена глобальным изменениям на планете, разъяснению того, каким образом деятельность людей вызвала эти процессы и какие ответные меры должны быть предприняты. Рассматриваются изменения, происходящие в атмосфере Земли, оценивается их значение для общества в настоящем и в будущем. Изучаются также загрязнители, предположительно являющиеся причиной разрушения озонового слоя и глобального потепления, и предлагаются необходимые меры, которые должны быть приняты для сохранения устойчивости биосферы. Подробно изложен механизм образования «парникового эффекта» вследствие накопления парниковых газов и разрушение озонового слоя и последствия этого процесса. 3.2.1 Теоретическая часть 3.2.1.1 Основные принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды Необходимость международного сотрудничества в области охраны окружающей среды диктуется тем обстоятельством, что в настоящее время государства оказались в экологической зависимости друг от друга. Разрушение озонового слоя Земли, загрязнение воздуха, Мирового океана, влияние ядерных взрывов оказывают глобальное влияние на экосистемы биосферы. Поэтому государства под эгидой ООН или на двусторонней основе взаимодействуют с целью охраны среды обитания человека, растительного и животного мира. В основу сотрудничества положен ряд общепризнанных мировым сообществом принципов человеческой деятельности в области использования окружающей среды. Они закреплены в межгосударственных актах, в нормативных документах международных организаций и скон-центрированы в решениях наиболее значительных международных конференций, полностью или частично посвященных охране окружающей среды и регулированию сотрудничества государств и народов в этой области. Впервые принципы международного сотрудничества были обобщены и кодифицированы в Декларации стокгольмской конференции ООН по проблемам окружающей человека среды (1972). Принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды изложены в Декларации по окружающей среде и развитию, которая была принята единодушно участниками конференции ООН в июне 1992 г. (Рио-де-Жанейро, Бразилия), [6, С. 390-393]. Под устойчивым развитием подразумевается модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений. В широком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми (друг с другом) и между обществом и природой [1, C. 535-536]. В Декларации провозглашены следующие принципы: - принцип защиты окружающей среды на благо нынешнего и будущего поколений; - принцип недопустимости трансграничного ущерба; - принцип экологически обоснованного, рационального использования природных ресурсов; - принцип недопустимости радиоактивного загрязнения; - принцип защиты экологических систем Мирового океана; - принцип запрета военного или любого иного враждебного использования средств воздействия на окружающую среду в концентрированном виде; - принцип обеспечения экологической безопасности; - принцип контроля за соблюдением международных договоров по охране окружающей среды; - принцип международно-правовой ответственности государств за ущерб. «Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» была утверждена Указом Президента от 1 апреля 1991 года. В 1977 году одобрена на заседании правительства «Государственная стратегия УР РФ». В этих документах изложены принципы и рекомендации, руководствуясь которыми представляется возможность осуществить в РФ последовательный переход к устойчивому развитию, обеспечивающий сбалансированное решение социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной среды обитания и природно-ресурсного потенциала. Решение этих задач возможно лишь в рамках такого экономического развития страны, при котором не будет происходить разрушения естественного механизма регуляции окружающей природной среды, а улучшение качества жизни людей будет обеспечиваться в пределах хозяйственной емкости биосферы [1, C. 536]. Охрана окружающей среды Российской Федерации осуществляется на нескольких международных уровнях, в том числе: - с другими странами СНГ; - со странами Балтии; - восточноевропейскими странами; - индустриально развитыми государствами; - развивающимися странами [2, С. 202-205]. Международные аспекты охраны природы включают: - обмен опытом реализации национальных программ природопользования; - создание и функционирование межгосударственных программ и соглашений; - учреждение международных органов или организаций по контролю за состоянием природной среды и выполнению принятых соглашений. В настоящее время практически во всех развитых странах мира разработаны, приняты и действуют национальные программы охраны окружающей среды. Меры, предусмотренные в них, касаются негативных итогов производственной деятельности и почти не касаются первопричин деградации окружающей среды. Во многих странах приняты комплексные программы природопользования по всем средам, подкрепленные законодательной базой. В них закреплена ведущая роль государства по регулированию природосберегающей деятельности, определены права и обязанности природопользователей. В основу проведения экологической политики и ее финансирования в большинстве развитых стран положен принцип нормативного качественного состояния окружающей среды, который реализуется путем установления стандартов на загрязнения различного вида. Переход к этим стандартам обеспечивается соответствующей налоговой политикой, носящей как карательный, так и щадящий (стимулирующий) характер; использованием дотаций, льготного кредитования, введением в практику систем торговли загрязнениями или платежей за их нормативный или сверхнормативный уровни, штрафы. К числу внешнеэкономических рычагов можно отнести прямые запреты на производство, административные решения по закрытию предприятий, а также привлечение к уголовной ответственности. Переход к более активной политике охраны окружающей среды характерен в настоящее время для развивающихся стран и стран с переходной экономикой, где деградация природных экосистем вызывается не столько ростом объемов производства, сколько отсталостью техники и технологий, функционированием большого количества «грязных» производств. В России (с переходной экономикой) некоторый опыт в природоохранной деятельности был накоплен в период планового, централизованного хозяйствования. Принят целый ряд природоохранных законов, создана система государственного управления природопользованием, осуществляется экологический мониторинг, создаются инструменты экономического воздействия на природопользователей, экологические фонды [2, С. 206-210]. С целью защиты окружающей среды в городе Киото в 1997 году был составлен так называемый Протокол Киото, направленный на ограничение выбросов в атмосферу углекислого газа, метана и других газов, создающих парниковый эффект. В Протоколе были указаны сроки сокращения выбросов этих газов (2008 – 2012 г. г.) Протокол вступает в силу лишь при ратификации его не менее 55 % стран, совокупный объем выбросов которых составляет не менее 55 % от общего. Доля США составляет 25 % от общемирового объема выбросов парниковых газов. Однако США отказались ратифицировать этот договор. По мнению экологических экспертов, такая позиция США привела к тому, что в настоящее время Протокол Киото не имеет смысла. Ориентируясь на США, ряд других стран также отказались от ратификации Протокола [8, С. 20-22; С. 37-49]. 3.2.1.2 Влияние загрязнений на атмосферу и их последствия. Атмосферное загрязнение является причиной и других изменений в окру-жающей среде, что влечет за собой всеобщую угрозу деградации природы и диктует необходимость совместных подходов к решению проблемы сохранения естественной среды человеческого обитания. Солнечный свет – излучение со сложным спектром. Именно коротко-волновое излучение в ультрафиолетовом диапазоне частот из-за своего более мощного энергетического уровня является наиболее разрушительным для биологических систем. Опасные последствия ультрафиолетового излучения известны: солнечные ожоги, шелушение кожи, повреждение органов зрения или появление злокачественных новообразований на коже, о которых студенты могут знать из личного опыта или по рассказам знакомых [4, С. 115-117]. Жесткое ультрафиолетовое излучение наиболее интенсивно поглощается нуклеиновыми кислотами, которые являются биохимическими соединениями, принимающими участие в передаче генетической информации во всех живых организмах. Обычно наиболее опасное (с точки зрения энергетической мощности) ультрафиолетовое излучение Солнца задерживается тонким слоем стратосферного озона на высоте около I2 миль над поверхностью Земли. Не следует путать имеющийся на больших высотах озон со слоем околоземного озона, являющегося основным компонентом смога, образование которого подробно рассматривается в фильме «Только одна атмосфера». В I985 году British Antarctic Survey впервые опубликовала сообщение о том, что содержание озона в подвижных массах холодного воздуха над Антарктикой существенно снизилось за прошедшее десятилетие. Это собщение привлекло внимание мировой общественности к пресло-вутой дыре в озоновом слое. Именно миграция этой дыры и появление ее над Австралией привели к ультрафиолетовой «бомбардировке» I987 года. Лучше ли жить с помощью химии? Гипотеза о том, что синтетические галогенные органические соединения, известные как хлорфторуглероды, могут привести к уничтожению слоя стратосферного озона, была впервые выдвинута в I974 году. Обнаружение дыры в озоновом слое над Антарктикой одновременно со свидетельствами наличия в ее стратосфере хлорфторуглеродов явилось убедительным доказательством того, что эти химические вещества оказывают сильное отрицательное воздействие на экологию планеты. Хлорфторуглероды, более широко известные как фреоны, по­лученные в I930 году, применяются во всевозрастающих количествах в самых различных сферах. Список коммерческого использования хлорфторуглеродов, приведенный ниже, иллюстрирует ежедневное их использование студентами: - холодильники, морозильные камеры и кондиционеры воздуха в жилых домах, магазинах и автомобилях; - аэрозольные упаковки, применение которых было запрещено в США с I978 года, хотя в других странах эти товары производятся во всевозрастающих масштабах; - растворители, используемые для чистки электронного обо­рудования; - медицинские антисептические препараты; - пенообразующие реагенты для изготовления изоляционных и упаковочных пенопластов; - огнетушители (бромные углеводороды). Важнейшим обстоятельством является тот факт, что с момента создания хлорфторуглеродов до осознания вреда, наносимого ими озоновому слою, прошло 40 лет. Принимая это во внимание, а также учитывая, что ежегодно разрабатываются все новые и новые синтети-ческие вещества, можно ли поручиться, что к середине ХХI века не обнаружим, что выброс какого-то нового химического соединения наносит ущерб одному из жизненно важных для нас компонентов атмосферы. Не очень ли жарко для этого времени года? Явление, также являющееся следствием антропогенной деятель­ности и имеющее куда более значительные последствия для жизни на нашей планете, чем разрушение озонового слоя, – парниковый эффект. Представьте такую ситуацию: галлон бензина весит 3,5 кг, 80 % его веса составляет углерод. При полном сгорании бензина в машине, оборудованной каталитическим конвертером, образуются двуокись углерода и вода. Объем двуокиси углерода, получаемой в результате полного окисления 1 кг углерода, составляет 1,87 л при нормальном атмосферном давлении и средней летней температуре. Какой объем двуокиси углерода образуется при сгорании топлива автомобиля за пробег в 1 милю при удельном расходе галлона топлива на 25 миль? Каким будет этот показатель, если при сгорании 1 галлона топлива автомобиль пройдет всего 12 миль? Задача может быть изменена по Вашему усмотрению, однако вывод останется прежним: использование ископаемых видов топлива приводит к выбросам в атмосферу огромных объемов углекислого газа, вызывающего парниковый эффект. В аудитории можно попытаться определить вероятные последствия повышения средней температуры у поверхности Земли всего на 2-3 о С. Как минимум, должны быть назва­ны следующие последствия: - изменения в количестве и характере осадков (дождь и снег), имеющих решающее значение для сельского хозяйства (что, возможно, и вызвало сильную засуху на американском Среднем Западе в I988 году); - таяние льдов в полярных районах, что приведет к повышению уровня моря и последующему затоплению прибрежных районов и проник-новению соленой воды в грунтовые воды; - изменения морских и пресноводных организмов и пищевых цепей; - изменения лесного покрова; - рост энергетических потребностей для кондиционирования воздуха, что требует производства дополнительной электроэнергии, получаемой за счет сжигания ископаемого топлива; - возросшие темпы испарения воды с поверхности океанов и прес-новодных водоемов, ведущие к еще большим изменениям климата; - усиление ураганов, особенно в тропиках и субтропиках; - изменения численности и распределения различных видов жи-вотных и растений по мере изменения среды их обитания. Как мы узнаем, что произойдет глобальное потепление? Прогнозы, касающиеся повышения средней температуры Земли, осно-вываются отчасти на экстраполяции тенденций, выявлен­ных в ходе измерений температуры на протяжении более чем ста последних лет, но в основном на результатах, полученных с помощью компьютерных моделей атмосферы. Расчеты выполнялись, исходя из известного объема двуокиси углерода и других «парниковых» газов, выбрасываемых в атмосферу, главным образом за счет сжигания иско­паемого топлива. Куда входят экосистемы? Температура и солнечный свет являются жизненно важными природными компонентами всех или практически всех земных экосистем, атмосферные газы в равной степени являются необходимыми химическими компонентами тех же экосистем. Лишь некоторые изменения способны иметь столь же да­леко идущие последствия для экосистем, что и изменения средней температуры планеты. Повышение средней температуры влияет на живые организмы в рамках экосистемы, и значительным является вторичное воздействие глобального потепления, выражающееся в повышении уровня моря, в уменьшении запасов пресной воды в приливно-отливных береговых зонах. Как мы можем предотвратить разрушение озонового слоя и гло­бальное потепление? Еще можно предпринять меры, чтобы предотвратить деградацию озонового слоя и замедлить (если не полностью предот-вратить) ожидаемое потепление на планете. Катастрофическое разру-шение озонового слоя может быть предотвращено, если полностью прекратится (или, по крайней мере, значительно сократится) выброс в атмосферу хлорфторуглеродов. В данной ситуации будет уместно напомнить, что в этом случае, как и при решении всех экологических проблем, не­достаточно решать их в рамках национальных программ; необходимо проявить политическую волю на самом высоком международном уровне и принять смелые политические решения. Что касается проблемы гло­бального потепления, то эксперты пришли к общему мнению: из-за того, что мы выбрасывали и продолжаем выбрасывать в атмосферу «парниковые» газы в количествах, которые природа не в состоянии переработать, в настоящее время уже не стоит вопрос о том, прои­зойдет глобальное потепление или нет. Pечь идет о том, когда оно наступит и каковы будут его параметры. Меры, которые необходимо предпринять для того, чтобы снизить темпы глобального потепления: необходимо бе­режно относиться к энергии, особенно получаемой при сгорании ископаемых видов топлива; беречь и вос-станавливать леса, располо­женные в регионах с умеренным климатом; а также прекратить унич­тожение влажных тропических лесов [9]. 3.3 Оборудование, технические средства Телевизор, видеомагнитофон, видеокассета с фильмом «Только одна атмосфера». 3.4 Последовательность выполнения работы На выполнение лабораторной работы отводится 3 академических часа, в том числе: подготовка – 1 час; просмотр – 1 час; опрос – 1 час. 3.4.1 Подготовка к работе и входной контроль Студенты выполняют конспект теоретической части, формули-руют ответы на общие вопросы по теме. Вопросы для входного контроля: 1. Объясните взаимосвязь между использованием человечеством хлорфторуглеродов и разрушением озонового слоя стратосферы, а также обсудите опасность, которую представляет для людей разрушение озонового слоя. 2. Разъясните механизм парникового эффекта и перечислите основ-ные причины его возникновения. 3. Опишите наиболее вероятные последствия глобального изме-нения климата и меры, которые могут быть предприняты для замедле­ния темпов этого изменения. 4. Почему для эффективного снижения опасности изменения климата потребуется международное сотрудничество? 5. Каковы основные преимущества и недостатки устойчивой мировой экономики? Выступаете ли Вы за постепенный переход к такой системе? 3.4.2 Просмотр видеофильма «Только одна атмосфера» 3.4.3 Итоговый тестовый опрос и обсуждение результатов 3.4.3.1 Заполните пропуски: 1. Химические соединения, вызывающие разрушение озонового слоя, следующие: ________________. 2. Озоновый слой имеет большое значение для жизни на Земле, так как он поглощает большую часть ____________ до того, как она достигнет поверхности Земли. 3. Злокачественная меланома и саркома – формы __________, которые проявляются все чаще в результате разрушения озонового слоя. 4. Двуокись углерода, метан, хлорфторуглероды и озон известны как __________________. 5. Первым проявлением парникового эффекта будет __________. 6. Основное коммерческое название одного из хлорфторуглеродов, запрещенного в США, ____________________. 7. Дыры в озоновом слое впервые были обнаружены над _________________. 8. Экстремально низкие температуры в полярных регионах ____ ________________ темпы разрушения озона хлорфторуглеродами. 9. ______________ полярных льдов является одним из вероятных последствий глобального потепления. Это приведет к ______________. 3.4.3.2 Выберите правильный ответ 1. В настоящее время ученые считают, что разрушение озонового слоя вызвано: а) возросшим ультрафиолетовым излучением Солнца; б) хлорфторуглеродами и галогенами; в) двуокисью углерода и метаном; г) «зимними вихрями» над Южным полюсом; д) правильными являются несколько вариантов. 2. Ученые озабочены истончением озонового слоя в арктическом регионе, так как: а) в Арктике используется наибольшее количество хлорфторугле-родов, а также других газов; б) в Северном полушарии живет больше людей; в) предусматривается промышленное развитие арктического региона; г) разрушение озонового слоя в этом регионе вызвано теми же причинами, что и над Южным полюсом, д) правильными являются несколько вариантов. 3. Некоторые развивающиеся страны не собираются немедленно отказываться от использования хлорфторуглеродов, так как: а) не считают потерю озонового слоя серьезной проблемой; б) производят наибольшее количество хлорфторуглеродов в мире; в) не применяют их в настоящее время; г) химические заменители хлорфторуглеродов стоят дороже. 4. Темпы роста и параметры глобального потепления, являющегося следствием парникового эффекта: а) не поддаются влиянию человека; б) можно остановить, если незамедлительно принять меры; в) могут быть полностью спрогнозированы с помощью компью-терных моделей; г) уже вышли из-под контроля. 5. По оценкам ученых, средняя температура на Земле начиная с I980 года: а) повысилась на 30 %; б) выросла на 1,1 о С; в) явно определяется парниковым эффектом; г) возможно, зависела от парникового эффекта; д) правильными являются несколько вариантов. 6. Что из перечисленного не может быть следствием удвоения концентрации двуокиси углерода? а) большее количество осадков (дождей) над территорией России; б) более частые и интенсивные бури; в) более жаркие и сухие летние месяцы в США; г) быстрое естественное расширение лесных массивов; д) частые затопления многих прибрежных районов. 7. Ученые проверяют точность климатических моделей путем: а) исследования возможности воссоздать какое-либо климатическое изменение, имевшее место в прошлом, данные о котором имеются; б) исследования точности составляемых ими прогнозов погоды; в) использования их для прогнозирования удвоения концентраций двуокиси углерода; г) сопоставления своих прогнозов с прогнозами лучших метео- рологов. 8. Парниковый эффект представляет опасность для решения про-довольственной проблемы, так как: а) продовольствие будет портиться быстрее при более высоких температурах; б) некоторые рисоводческие районы будут затоплены вследствие повышения уровня моря; в) может сократиться урожай кукурузы, так как при повышении температуры не происходит опыления; г) сельское хозяйство многих стран определяется климатом; д) правильными являются несколько вариантов. 9. Если урожаи кукурузы в США сократятся из-за высоких летних температур, то: а) нехватка кукурузы будет без труда возмещена Канадой; б) пострадают лишь некоторые страны, так как кукуруза не является основной зерновой культурой; в) голод в первую очередь будет ощущаться в США; г) пострадают многие страны, так как кукуруза является для них основной зерновой культурой; д) американские фермеры быстро перейдут на выращивание других культур. 10. Климатолог Стивен Шнайдер отмечает, что после ледникового периода потребовалось I0 тыс. лет, чтобы на Земле восстановилась современная температура. Аналогичное повышение температуры, вероятно, произойдет: а) за 500 лет; б) к 2000 году; в) примерно за 1000 лет; г) в ближайшие I00 лет. 11. Облака осложняют прогнозирование процесса глобального потепления, так как: а) ученые не понимают, как облака воздействуют сегодня на температуру Земли; б) различные типы облаков либо усиливают, либо ослабляют парниковый эффект; в) ученые предполагают, что в связи с потеплением климата количество облаков уменьшится; г) ученые связывают увеличение облачности с потеплением климата; д) правильными являются несколько вариантов. 12. Если мир в настоящее время обеспокоится проблемой глобального потепления, можно будет: а) решить эту проблему и сохранить климат Земли неизменным; б) замедлить темпы потепления и выиграть время для корректи-ровки этого процесса; в) только отсрочить дату катастрофического изменения климата; г) сберечь средства за счет принятия необходимых мер уже сегодня; д) продолжать использовать имеющиеся источники энергии. 13. Необходимость международных усилий для решения проблем, вызванных процессом глобального потепления очевидна, так как: а) многие страны, вероятно, выиграют от перемены климата; б) страны, несущие основную вину за этот процесс, не могут самостоятельно решить эту проблему; в) все страны практически в равной степени выбрасывают «парниковые» газы в атмосферу; г) более бедным странам потребуется помощь в освоении новых технологий; д) развитые страны будут вынуждены серьезно взяться за решение этой проблемы. 14. Значительное глобальное потепление выразится: а) в уничтожении лесов в тропической зоне; б) увеличении количества осадков; в) снижении уровня моря; г) изменении характера осадков во многих районах мира. 15. Доля «парниковых» газов в атмосфере может быть уменьшена: а) за счет сокращения количества сжигаемого ископаемого топлива; б) сокращения темпов роста населения; в) расширения лесных площадей; г) предотвращения утечки фреонов из холодильников и конди-ционеров; д) правильными являются несколько вариантов. 16. Галогены – это химические вещества, применяемые: а) в производстве упаковочных материалов из пенопласта; б) огнетушителях; в) бытовых строительных материалах; г) производстве удобрений; д) текстильной промышленности. 17. Наиболее вероятная причина появления озоновой дыры над Антарктикой заключается: а) в изолированности этого региона от человеческой деятельности; б) низких температурах и наличии кристаллического льда; в) воздействии магнитного поля; г) выбросах пестицидов в Южном полушарии; д) загрязнении воздуха в Бразилии и Аргентине. 18. Можно ли определить содержание двуокиси углерода в воз­духе 10 тыс. лет назад с помощью: а) изучения темпов роста коралловых рифов; б) анализа содержания карбоната кальция в месторождениях полезных ископаемых; в) анализа содержания двуокиси углерода в пузырьках газа в полярных льдах; г) радиоуглеродного анализа морских ископаемых соответству­ющего возраста; д) анализа количества углерода, обнаруженного в глубоковод­ных океанических осадках. 19. Основная проблема, связываемая с парниковым эффектом: а) определение величины прогнозируемого увеличения температуры; б) определение относительной скорости изменения температуры; в) осознание людьми неспособности влиять на климат; г) вымирание организмов, подверженных воздействию темпера-турных изменений; д) нарушение экологической сукцессии. 20. В каком из указанных регионов, по прогнозам, сделанным с помощью климатических моделей, ожидается улучшение условий для выращивания культур, вызванное парниковым эффектом? а) в Африке; б) Бразилии; в) Китае; г) России; д) Центральной части Северной Америки. 3.4.3.3 Вопросы для общего обсуждения: 1. Какие товары повседневного спроса, которые Вы покупаете или регулярно используете, содержат хлорфторуглероды или подразу­мевают их применение в процессе изготовления? 2. Согласны ли Вы установить показатели своего термостата на 15…18 о С в зимние месяцы для того, чтобы уменьшить объем выбросов двуокиси углерода в атмосферу? 3. При производстве электроэнергии на атомных электростан­циях не происходит выбросов «парниковых» газов в атмосферу. Считаете ли Вы, что необходимо заменить электростанции, использующие ископаемое топливо, атомными электростанциями или альтернативными источ-никами энергии? 4. Объясните, как ученые используют компьютерные климати­ческие модели для оценки риска перемены климата. 5. Назовите, какие неточности или недостатки имеются в сов­ременных компьютерных моделях климата Земли. 6. Cогласны ли Вы со следующим утверждением: споры вокруг процесса глобального потепления сводятся к обсуждению вопросов о масштабах и темпах данного процесса, а не о сроках его наступле­ния? Обоснуйте свой ответ. 7. Проблемы разрушения озонового слоя и глобального потеп­ления являются комплексными проблемами, которые только начали осознавать ученые. Объясните, почему первую проблему легче ре­шить, чем вторую. 8. Назовите пять мероприятий, которые необходимо провести, чтобы снизить риск изменения климата, и обсудите их актуальность. 9. Изложите основные требования Федерального Закона «Об охране окружающей среды 2002 г.», предъявляемые к природопользователям. 10. Почему для решения экологических проблем недостаточно даже самых «чистых» и самых совершенных средозащитных средств? 3.4.4 Итоговая оценка за лабораторную работу выставляется по нескольким критериям, при этом результаты выполненной работы суммируются. Краткий конспект теоретической части – 1 балл. Ответы на вопросы входного контроля – 1 балл. Тестовый опрос по фильму – 3 балла максимально. Участие в обсуждении общих вопросов – 1 балл. Таким образом, максимальная оценка составляет 6 баллов. 4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ДЕЛОВАЯ ИГРА «ПЛАНИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ» В деловой игре «Планирование и управление природопользованием» бригады студентов представляют собой Правительства различных государств. Данная игра предполагает такое управление и международное сотрудничество, при котором сохранение или повышение уровня благосостояния народа страны не ухудшает благоприятное экологическое положение страны. Для этого нужно выбрать и расположить отрасли промышленности так, чтобы обеспечить ежегодные потребности населения страны в нужной продукции, учитывая при этом степень экологической вредности отрасли промышленности. 4.1 Цели работы Закрепление, углубление и расширение знаний студентов в области международного сотрудничества по решению экологических проблем. Развитие у студентов умения применять практические приемы взаимосвязи между промышленным производством и экологическими принципами. Формирование навыков личной ответственности за экологическое равновесие окружающей среды. 4.2 Предмет и содержание работы 4.2.1 Теоретическая часть Международный опыт и сотрудничество в решении экологических проблем [2, С. 205–210]. Международные и национальные программы в решении экологических проблем. Перспективы международного сотрудничества [1, С. 550–558]. Антропогенные воздействия на биосферу. Основные виды загрязнения [1, С. 276–285]. Основные загрязняющие отрасли [1, С. 286–289]. Основные источники загрязнения [1, С. 289]. Последствия загрязнения окружающей среды [1, С. 374–384]. 4.3 Описание деловой игры Бригады студентов представляют собой правительства различных государств, которые заинтересованы в повышении уровня благосостояния своего народа и в сохранении экологии страны. Всем странам необходима продукция названных ниже отраслей промышленности, так как населению необходимы продукты питания (пищевая промышленность), обувь и одежда (легкая промышленность), дома и школы (строительная промышленность), электроэнергия (энергетика). Но ни дома, ни одежда, ни продукты не могут быть созданы без оборудования и машин (машиностроение), оборудование – без металла (черная металлургия), строительные материалы – без дерева (деревообрабатывающая промышленность). Таким образом, все эти отрасли промышленности нужны и они должны функционировать. Но где их размещать? Где строить металлургические заводы и химические комбинаты, где сооружать гидро- и атомные электростанции, где строить фабрики и деревообрабатывающие комплексы? Все эти вопросы должны решить сами страны-участницы международного сообщества. При этом нужно учитывать следующие экологические нормативы (таблица 4.1). Таблица 4.1 – Степень экологической вредности Название отрасли промышленности Ущерб (% в год) Черная металлургия Машиностроение Энергетическая промышленность Химическая промышленность Строительная промышленность Деревообрабатывающая промышленность Легкая промышленность Пищевая промышленность 10 7 5 10 6 8 3 2 В течение очередного года (один год длится 5 минут реального времени) правительство должно принять решение о том, каким образом оно будет поддерживать или повышать уровень благосостояния граждан, как оно будет заниматься сохранением экологии, будет ли оно размещать промышленные предприятия на своей территории или приобретать их продукцию у своих соседей и т.д. При принятии решения нужно учитывать ежегодные потребности населения страны (в условных единицах) (таблица 4.2). Таблица 4.2 – Ежегодные потребности населения страны, усл. ед. Уровень благосостояния Продукция отраслей промышленности Итого черная металургия машино-строи-тельная химическая энергетическая строительная дерево-обрабаты-вающая легкая пищевая Высокий 3 3 3 3 3 3 3 3 24 Средний 2 2 2 2 2 2 2 2 16 Низкий 1 1 1 1 1 1 1 1 8 Чтобы обеспечить определенный уровень благосостояния населения страны, члены правительства должны принимать решения о размещении на своей территории промышленных предприятий той или иной отрасли или заключать международные соглашения с другими странами на поставку необходимой продукции. Если страна решает разместить на своей территории какую-то отрасль промышленности, это означает, что она ежегодно выпускает продукцию этой отрасли промышленности в 3 раза больше, чем необходимо для нужд населения по высшему уровню благосостояния. Запись учета продукции заносится в соответствующую ведомость (таблица 4.3). Например, страна «Муравия» решила разместить на своей территории предприятия черной металлургии и машиностроения. Таблица 4.3 – Ведомость учета продукции Отрасли промышленности Произведено (приобретено) Израсходовано для обмена (нужд населения) Остаток Черная металлургия 9 единиц - Машиностроение 9 единиц - В графе «Произведено (приобретено)» бригады записывают то количество продукции каждой отрасли промышленности (в условных единицах), которое страна сама производит (если эта отрасль промышленности размещена по решению правительства на территории этого государства) или обменяла с другой страной на свою продукцию. В графе «Израсходовано для обмена (нужд населения)» записывается то количество продукции этой отрасли промышленности, которое потребовалось для обмена на необходимую продукцию с другими странами и пошло на нужды населения в соответствии с нормативом уровня благосостояния (этот уровень определяется решением правительства). В графе «Остаток» записывается остаток продукции данной промышленности после каждого случая приобретения или расходования. Целесообразно вести две отдельные ведомости (по каждой отрасли промышленности). Таким образом, страна «Муравия» полностью обеспечивает нужды своего населения продукцией черной металлургии и машиностроения, но ежегодно в этой стране ухудшается экологическая обстановка в соответствии с таблицей вредности на 17 % (на 10 % ухудшает экологическое состояние черная металлургия и на 7 % – машиностроение). Соответствующая запись делается в экологическом бюллетене (таблица 4. 4). Таблица 4.4 – Экологический бюллетень Порядковый номер года Исходное экологическое состояние Экологический ущерб (в%) Итоговое экологическое состояние черная металургия машино-строи-тельная химическая энергетическая строительная дерево-обрабаты-вающая легкая пищевая Первый 0 10 7 -17 Второй 17 В графе «Исходное экологическое состояние» записывается первичный показатель – 0 (нуль), который обозначает нормальное экологическое состояние. В графе «Экологический ущерб» записываются проценты ущерба, который приносит соответствующая отрасль промышленности, которую государства размещают на своей территории. Затем эти проценты суммируются и определяется итоговое экологическое состояние. В случае с государством «Муравия» суммарный ущерб равен 17 % (10 % + 7 %). Результат записывается в графу «Итоговое экологическое состояние» и затем переносится на следующий год в графу «Исходное экологическое состояние», т.е. он характеризует экологическую обстановку в этом государстве в начале следующего года. Государства могут улучшать экологическое состояние, остановив на год (или больший срок) выпуск продукции тех отраслей промышленности, которые расположены на их территории. В этом случае прироста продукции не происходит, но население обеспечивается этой продукцией хотя бы по минимуму, для чего предварительно делаются государственные запасы (или приобретаются у других государств). Остановка выпуска продукции на один год восстанавливает экологию на количество процентов, равное ущербу, который приносит эта отрасль промышленности экологии. Например, остановка выпуска продукции черной металлургии на 1 год восстанавливает экологическую ситуацию на 10 %, а машиностроения – на 7 % и т.д. Государство может закрыть (ликвидировать) уже имеющуюся отрасль промышленности, если сделан достаточный государственный запас. О ликвидации отрасли промышленности ставится в известность международное содружество. В этом случае происходит разовое улучшение экологической обстановки в государстве в двойном размере от нормативного. Игра заключается в том, что участники, работая в группах, принимают решения, ведут переговоры, подписывают контракты и т.д. Страны могут обмениваться имеющейся продукцией, но только той, которая производится соответствующими отраслями промышленности, расположенными на их территории. Каждый год они принимают решения, ведут ведомости учета продукции и экологический бюллетень. Предполагается цикл игры, равный пятилетнему плану. 4.3.1 Этапы проведения 4.3.1.1 Участники делятся на бригады. Задача каждой бригады, представляющей правительство одной из стран, – обеспечить страну производимой продукцией, нанося при этом минимальный вред экологической обстановке. Какую продукцию страна будет производить, а какую закупать, правительство решает в процессе выработки пятилетнего плана. 4.3.1.2 Проведение международного совещания Правительства (бригады) проводят координацию продажи и запасов промышленных товаров и в соответствии с этим делают корректировку планов на первый год. 4.3.1.3 После обмена продукцией за 1 год подводятся итоги – заполняются «Ведомость учета продукции» и «Экологический бюллетень». Итоги обсуждаются в бригадах. Вырабатывается план на следующий год. 4.3.1.4 Проводятся международные переговоры по координации закупок (переговоры могут быть двусторонними, предварительными). После обмена информацией о международных закупках и выпуске промышленных товаров в отдельных отраслях подводятся итоги следующего года и вновь заполняются «Ведомость учета продукции» и «Экологический бюллетень». Цикл повторяется несколько раз. 4.3.1.5 После реализации пятилетнего плана подводятся окончательные итоги и руководителем заполняется итоговая ведомость (таблица 4. 5). Таблица 4.5 – Итоговая ведомость Название государства Продукция Экология Итого население гос. запас ухудшение улучшение 4.4 Последовательность выполнения работы На выполнение лабораторной работы отводится 4 академических часа, в том числе: подготовка к работе и входной контроль; проведение деловой игры. 4.4.1 Подготовка к работе и входной контроль Студенты выполняют краткий конспект теоретической части, формулируют ответы на общие вопросы по теме. Вопросы для входного контроля: 1. Какие реальные опасности в воздействиях на природную среду таит в себе хозяйственная деятельность человека в современных условиях? 2. Основные причины современного экологического кризиса. 3. Назовите основные принципы международного сотрудничества в сфере охраны окружающей среды. 4. Обоснуйте необходимость гармонизации международных экологических отношений. 4.4.2 Проведение деловой игры Порядок проведения деловой игры «Планирование и управление природопользованием» приведен в таблице 4.6. Таблица 4.6 – Порядок проведения деловой игры Этап работы Время, мин 1. Вступительное слово ведущего 2. Разбивка на бригады 3. Разработка бригадами плана и экологической стратегии 4. Проведение международного совещания 5. Обсуждение итогов «продаж и закупок» и выработка нового плана 6. Переговоры, обсуждение результатов (с заполнением ведомостей) 7. Подведение итогов игры руководителем 10 20 20 20 70 20 20 4.4.3 Обсуждение результатов Вопросы итогового контроля: 1. Дайте определение загрязнению окружающей среды. Укажите его виды, объекты и масштабы. 2. Оцените роль различных отраслей хозяйства в загрязнении биосферы. 3. Факторы, которые следует учитывать при размещении промыш-ленных объектов. 4. Почему в различных странах предъявляются различные требования к качеству окружающей среды, и от каких параметров зависит качество среды? 5. Какова роль России в международном экологическом сотруд-ничестве? 4.4.4 Критерии итоговой оценки Итоговая оценка выставляется по нескольким критериям, при этом результаты выполненной работы суммируются: - краткий конспект теоретической части – 1 балл; - ответы на вопросы входного контроля – 1 балл; - бригаде, получившей минимальный экологический ущерб от хозяйственной деятельности, выставляется максимальная оценка – 3 балла; - участие в обсуждении результатов игры – 1 балл. Таким образом, максимальная оценка по лабораторной работе составляет 6 баллов. 5 ОБЩИЕ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1. Текст работы пишется аккуратно от руки в ученической тетради или на сброшюрованных листах формата А4 (допускается оформление работы в виде принтерных распечаток). 2. На первой странице пишется заглавие, указывается цель и объем работы в часах, Ф.И.О. студента, группа, дата выполнения. 3. При оформлении работы не допускается: сокращать наименования единиц физических величин, если они употребляются без цифр; применять сокращения слов, кроме установленных правилами русской орфографии. 4. Каждая работа должна содержать отчетную таблицу и выводы. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Коробкин, В.И. Экология / В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. –Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 2001. – 575 с. 2. Федцов, В.Г. Экология и экономика природопользования: учебно-методическое пособие / В.Г. Федцов, Л.А. Дрягилев; под ред. П.В. Забелина. – М.: Изд-во РДЛ, 2002. – 230 с. 3. Гирусова, Э.В. Экология и экономика природопользования: учебник для вузов / Э.В. Гирусова, В.Н. Лопатина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:ЮНИТИ-ДАНА, Единство, 2002. – 285 с. 4. Акимова, Т.А. Экология: учебник для вузов / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин.– М.: ЮНИТИ, 1998. – 454 с. Дополнительная 5. Чистик, О.В. Экология: учебное пособие / О.В. Чистик. – М.: «Новое знание», 2000. – 245 с. 6. Гучков, В.В. Экологическое право: учебник для вузов / В.В. Гучков. – М.:ЮНИТИ-ДАНА, Закон и право, 2000. – 519 с. 7. Денисов, Ю.Н. Экологический менеджмент: учебное пособие/ Ю.Н. Денисов: Бийский технологический институт, Алт. ГТУ. – Бийск: Изд-во БТИ, 2001. – 115 с. 8. Вранский, В.А. Прикладная экология: справочник / В.А. Вранский. – Ростов н/Д: «Феникс», 1996. – 509 с. 9. Электронный учебник «Спешите спасти планету». СОДЕРЖАНИЕ 1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИМИТАЦИОННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ИГРА «МАЛАЯ РЕКА»……………………...3 1.1 Цели работы……………………………….….…………..…...3 1.2 Предмет и содержание работы……………..…………..…….3 1.3 Оборудование, технические средства……….………….........8 1.4 Последовательность выполнения работы…………………...8 1.5 Примеры возможных вариантов функционирования .……..9 1.6 Отчет о выполненной работе……..…………………………10 1.7 Термины и определения ….…………………………….…...11 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. «ОЗЕРО»….………..….…....13 2.1 Цели работы………………………………………………….13 2.2 Предмет и содержание работы……………..…………..…...13 2.3 Оборудование, технические средства………………………16 2.4 Последовательность выполнения работы………………….16 2.5 Отчет о выполненной работе…….……………………..…...19 2.6 Один из вариантов управления озером……….………..…...19 2.7 Термины и определения …………………………………….20 3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. «ТОЛЬКО ОДНА АТМОСФЕРА»…………………………….......22 3.1 Цели…………………….………………..……………………22 3.2 Предмет и содержание работы…………………….….…….22 3.3 Оборудование, технические средства……………………....29 3.4 Последовательность выполнения работы……………….....29 4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ДЕЛОВАЯ ИГРА «ПЛАНИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ»……………………………………36 4.1 Цели работы……….…………………….…………………...36 4.2 Предмет и содержание работы……………………………...36 4.3 Описание деловой игры…………..…………………….…...36 4.4 Последовательность выполнения работы……………..…...41 5 ОБЩИЕ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ РАБОТ………………….43 Литература………………………….…………………………..…44 ДАВИДЕНКО ГАЛИНА ВЛАДИМИРОВНА ЭКОЛОГИЯ Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам «Экология», «Экологический менеджмент», «Системы экологического управления» для студентов всех специальностей Редактор Идт Л.И. Технический редактор Сазонова В.П. Подписано в печать 17.07.06. Формат 60х84 1/16. Усл. п. л. 2,67. Уч.-изд. л. 2,88. Печать – ризография, множительно-копировальный аппарат «RISO ТR-1510» Тираж 50 экз. Заказ 2006- 59. Издательство Алтайского государственного технического университета, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ. Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ.