Simulace plastového znečištění oceánů

Název simulace: Simulace plastového znečištění oceánů

Autor: Štěpán Kovařík - kovs04

Modelovací nástroj: NetLogo

Stav projektu: NA PROJEKTU SE PRACUJE, STRÁNKA NENÍ DOKONČENA

Definice problému

Vynálezem plastu člověk zhotovil zcela nový problém, který tkví v samotné podstatě plastových výrobků - jejich vlastnosti, které jsou pro konzumní společnost tak lákavé, jsou zároveň velkým trnem v oku přírody, jelikož rozklad takového plastu trvá neprakticky dlouho. Jedním z dopadů neschopnosti lidstva bezpečně a spolehlivě zpracovávat plastové odpady na makroekonomickém měřítku je znečištění řek a oceánů. Tato práce se pokouší pomocí simulace takového znečištění přinést užitečný vhled do problematiky jak pro laika, který nemá o základních skutečnostech povědomí, tak pro zkušené experty, kteří mohou potenciálně výsledky simulace a spojitosti v ní vytvořené použít pro podporu rozhodovacího procesu v rámci definice klíčových faktorů nejen na samotné znečištění oceánů, ale i na jeho mitigaci. Jednou z organizací, která si dala za úkol tento problém řešit, je Ocean Cleanup , z jejichž přístupu a metod tato simulace vychází. Oblast zaměření simulace je orientována na největší shluk plastu v oceánu, kterým je Great Pacific Garbage Patch (GPGP) , který se nachází západně od Kalifornie, USA.

Cílem simulace je zkoumat mitigační schopnosti úklidových lodí v oblasti Great Pacific Garbage Patch a navrhnout hrubý plán projektu, který by symbolizoval optimální počet nasazených úklidových lodí pro efektivní odbyt plastu a hlavní faktory příspívající do navyšujícího se znečištění a efektivity samotného úklidu.

Metoda

Pro zanesení myšlenky do funkčního prostředí byl využit program NetLogo , který slouží pro modelování agentních simulací. Agenti jsou jednotlivé subjekty v daném systému a prostředí, kteří spolu určitým způsobem interagují - stejně jako v oceánu interagují úklidové lodě a kusy plastu. Z důvodu podobnosti těchto jevů byl na základě autorova úsudku o vhodnosti zvolen právě tento program.

Agenti simulace:

• plastics = Jednotlivý kus plastu - v základu je staticky vygenerován, je však možné ho generovat jako přísun nového plastu.
• boats = Sběrné lodě, které sbírají kusy plastu, a odváží ho do přístavu.
• ports = Přístavy, ze kterých vyplouvají sběrné lodě, a kde vykládají svůj náklad.

Model

Mapa simulace

Simulace se odehrává v oceánských vodách pacifického oceánu mezi Havají a pobřežím Kalifornie, kde se shlukuje největší shluk oceánského plastového znečištění na světě. Měřítko mapy je 1 patch = 8km v realitě.

Výpočet měřítka:

• 1. Nejdříve byla analyzována vzdálenost mezi dvěma body na mapě pomocí nástroje FreeMapTools

• 2. V dalším kroku byly stejné vzdálenosti analyzovány pomocí XY soustavy souřadnic přímo v NetLogu, kde byly totožné body zaznamenány ve formě X/Y souřadnic. Z nich pak byla pomoc nástroje CalculatorSoup vypočítána vzdálenost, která se následně porovnala se vzdáleností v realitě. Výsledky porovnání byly pak zprůměrovány a zaokrouhleny. Pro větší kalibraci je vhodné zvolit vícero bodů, nicméně autorovi se číslo shodovalo i z předchozích iterací se starou verzí mapy, která měla velmi podobné měřítko. Veškeré vzdálenostní metriky které operují s kilometry je teda pro potřeby NetLoga, například rychlost sběrné lodě, vydělit osmi.

Nastavitelné parametry a ukazatele

Sběrné lodě

• boats-num: Nastavení počtu sběrných lodí, které se úklidu účastní. [1-10]
• Výpočet: The Ocean Cleanup počítá s plánem až 10 sběrných lodí, což určí strop počtu.

Kapacita lodě

• boat-capacity: Nastavení kapacity sběrných lodí.
• Výpočet: Každá loď má zásobník na 8 kontejnerů po 1000kg, ale viditelně je místa dostupného víc. [8 000 kg - 2 0000 kg] [8 - 20 kontejnerů]

• Ukazatel: Počet kontejnerů s kapacitou 1000 kg: Kolik kontejnerů je sběrná loď schopná pojmout
• Výpočet: [boat-capacity / 1 000]

Rychlost lodě - cestování

• boat-speed: Rychlost lodě při běžném cestování [20 - 60]km/h]
• Výpočet: Container ships dle webu Marine Insight jedou rychlostí 16 - 24 uzlů.
• 16 * 1,852 = 29,632 = ~ 30 km/h
• 24 * 1,852 = 44,448 = ~ 45 km/h
• Přidány spodní i horní rezervy pro účely simulace.

Ukazatel: Rychlost lodě při běžném cestování v uzlech

• Výpočet: [boat-speed / 1.82]

Rychlost lodě - sběr plastu

boat-speed-while-harvesting: Rychlost lodě při sběru plastu [1 - 10] km/h]

• Výpočet:
• Sběrnná loď při sběru urazí tolik co člověk při chůzi.

Ukazatel: Rychlost lodě při sběru plastu v uzlech

• Výpočet: [boat-speed-while-harvesting / 1.82]

Proměnné spojené s přístavem

selected-port: Přístav [Victoria / San Francisco / Los Angeles] Důvod vybrání přístavu: Victoria je aktivním přístavem v rámci operací projektu The Ocean Cleanup

• San Francisco a Los Angeles jsou velkoměstské přístavy vhodné pro velké lodě a jsou v blízkých lokacích.

emptying-speed: Rychlost vykládky plastu v přístavu [6000 - 20000 kg/h]

• Výpočet: Odhadový výpočet, aby vykládání trvalo 3-5 minut na kontejner. [(1000 * 60) / emptying-speed]

Ukazatel: Kontejnerů odbaveno za hodinu [ks]

• Výpočet: [emptying-speed / 1000]

Vstupní hodnoty pro generování plastového shluku

number-of-plastics: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní počet plastu v shluku [Realita: 108 000 000 000 ks]

• Výpočet:
• Počet plastů v GPGP: 1 800 000 000 000
• 94% z 1 800 000 000 000 = 0,94 * 1 800 000 000 000 = 1 692 000 000 000 [počet mikroplastů - ty pro předmět simulace nejsou důležité, jelikož sběrnou lodí nejdou zachytit]
• 6% z 1 800 000 000 000 = 0,6 * 1 800 000 000 000 = 108 000 000 000 [počet makroplastů = v kontextu projektu nazývány pouze jako "plasty"]

total-plastics-weight: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní celkovou hmotnost plastů v shluku [Realita: 77 116 393 kg]

• Výpočet:
• Počet mikroplastů v oceánech: 24 400 000 000 000
• Hmotnost mikroplastů v oceánech: 82 000 000 kg až 578 000 000 kg
• Průměrná hmotnost mikroplastů v oceánech: (82 000 000 / 578 000 000) / 2 = 330 000 000 kg
• Hmotnost jednoho mikroplastu = 330 000 000 / 24 400 000 000 000 = 0,0000135 kg
• Celková hmotnost mikroplastů v GPGP = 0,0000135 * 1 692 000 000 000 = 22 883 607 kg
• Celková hmotnost makroplastů v GPGP = 100 000 000 - 22 883 607 = 77 116 393 kg

Kontrola souladu vstupních hodnot pro generování shluku s reálnými hodnotami ve světě

• Ukazatel: Shoda s realitou - počet [%] [(number-of-plastics / 108000000000) * 100]
• Ukazatel: Shoda s realitou - hmotnost [%] [((total-plastics-weight / 77116393) * 100)]
• Ukazatel: Celková shoda úvodního počtu a hmotnosti plastů s realitou [%] [(((number-of-plastics / 108000000000) * 100) + ((total-plastics-weight / 77116393) * 100)) / 2]

Přísun plastu do plastového shluku

plastic-income: Kolik plastu přibyde do shluku za hodinu. [0 - 100]

total-income-weight: Kolik celkové hmotnosti plastů přibyde do shluku za hodinu [0-100]

Obecné údaje o stavu simulace

Ukazatel: updated-plastics-count: Aktuální počet plastu v oceánu [ks]

Ukazatel: Kolik je v oceánu plastu [tuny] [updated-plastics-weight-sum / 1000]

Údaje o uražených kilometrech

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů [total-distance-traveled]

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů sběrem [total-distance-spent-harvesting]

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů cestováním [total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting]

Ukazatel: Podíl sběrné vzdálenosti k celku [%] [(total-distance-spent-harvesting / total-distance-traveled) * 100]

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů cestováním [total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting]

Ukazatel: Podíl cestovací vzdálenosti k celku [%] [((total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting) / total-distance-traveled) * 100]

Údaje o uplynulém čase

Ukazatel: Uplynulý čas [měsíce] [total-time-passed / 720]

Ukazatel: Uplynulý čas [dny] [total-time-passed / 24]

Ukazatel: Uplynulý čas [hodiny] [total-time-passed]

Ukazatel: Čas strávený sběrem [dny] [total-time-spent-harvesting / boats-num]

Ukazatel: Čas strávený sběrem [%] [(total-time-spent-harvesting / boats-num) / total-time-passed * 100]

Ukazatel: Čas strávený cestováním [DNY] [total-time-spent-cruising / boats-num]

Ukazatel: Čas strávený cestováním [%] [(total-time-spent-cruising / boats-num) / total-time-passed * 100]