Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мониторинг от приложений к общей теории. Монография
.pdf
минимизация затрат на проведение экологического мониторинга
при заданном уровне точности системы. В обеих постановках оптимизация осуществляется по количеству пунктов наблюдения,
их типу и местам их расположения. Для решения задачи будет
применено два подхода: имитационный и оптимизационный.
При оптимизационном подходе возможны две постановки
задачи:
а) считается заданным местоположение ряда базовых станций
(например, сеть пунктов наблюдения Росгидромета, ДБВУ)
и решается задача о расположении дополнительных пунктов
наблюдения с целью увеличения эффективности действующей
системы экологического мониторинга;
б) решается задача в общей постановке (задача построения новой
сети экологического мониторинга), т. е. решается, где необходимо расположить пункты наблюдения, их тип с целью построения
новой системы мониторинга с оптимальной точностью.
Перечислим некоторые возможные постановки задач имита-
ционного моделирования:
а) варьирование типов существующих станций, без добавления
новых станций;
б) считается, что существующие пункты наблюдений имеют вполне
определенный тип; решается задача оптимального расположения
новых пунктов и определения их типа;
в) проведение варьирования всех управляемых параметров: типа
существующих пунктов наблюдения, типа, количества и расположения новых пунктов;
г) область действия пунктов наблюдения считается не зависящей
от типа пункта, т. е. постоянной и варьируется только количество новых пунктов наблюдения и их расположение. После
решения этой задачи путем анализа статистических данных по
разным пунктам наблюдения и информации из методических
указаний по охране и проведению режимных наблюдений за
загрязнением поверхностных вод суши определяется тип каждого пункта наблюдения.
Сформулированные задачи вначале рассматриваются в упро-
щенной постановке.
31
После определения оптимального расположения пунктов
наблюдения для каждого из них должна быть определена оптимальная частота наблюдения каждого параметра. Для решения
этой задачи используются статистические данные наблюдений по
каждому параметру на каждом пункте функционирующей сети
экологического мониторинга. При определении характерного
периода времени для каждого параметра используется конечноразностная аппроксимация первой производной. Характерные периоды отбора проб установлены в соответствующих методических
указаниях [Р 52.24.309-2004]. Тем не менее, представляется весьма
интересным следующий вопрос: являются ли указанные периоды
оптимальными для различных видов измеряемых параметров?
При выводе формулы для оптимального периода отбора проб использовалось разложение функций в ряды Тейлора. Разложим некоторую функцию B в ряд Тейлора в окрестности точки t = t
и ограничимся
0
только двумя слагаемыми ряда. Получим следующее соотношение:
=+
() ( ) ( – )
Bt Bt t t
dB
00
dt
. (1.2.6)
Отсюда получим, что
τ= −
(() ())/
Bt Bt
dB
0
, (1.2.7)
dt
ãäå τ – промежуток времени между двумя значениями функции B
в точках t = t è t = t
. Если требуется, чтобы за время τ наблюда-
0
емая величина изменилась не более, чем на α (величина α характеризует, на сколько % или на какую часть изменится наблюдаемая
величина), то формула (1.2.7) примет вид:
() /
dB t
. (1.2.8)
dt
τ= α
Bt
()
Возможно использование формулы (1.2.8) в двух модификациях:
τ=α()/ max
B
ñð
τ=α()min / max
B
t
dB t
t
t
, (1.2.9)
dt
dB t
, (1.2.10)
dt
32
ãäå Â
– среднее значение функции;
ñð
изводной функции;
– минимальное значение функции на
mintB
max
t
– максимум про-
dt
()
dB t
рассматриваемом интервале времени.
Формулы (1.2.9) и (1.2.10) можно использовать для нахождения оптимального периода отбора проб в том случае, если имеется
достаточно большая статистическая выборка наблюдаемой величины за значительный промежуток времени.
Можно в формуле для расчета оптимального периода отбора
проб учесть отклонение функций от ПДК. Тогда вместо формул
(1.2.9), (1.2.10) получим формулы:
(() )
τ=α
τ=α
ñð
t
min / max
B
t
t
dBt ÏÄÊ
/ max
B
−
dt
(() )
dBt ÏÄÊ
−
dt
, (1.2.11)
, (1.2.12)
ãäå
0, ( ) 0
åñëè B t ÏÄÊ
⎧
−=
()
Bt ÏÄÊ
⎪
⎨
−
()
Bt ПДК в противном
−≤
.
Смысл введения формул (1.2.11), (1.2.12) заключается в том,
что если нет превышения ПДК по выбранному параметру, то оптимальный период отбора проб является максимально возможным,
независимо от амплитуды колебаний этой величины.
Далее при определении оптимального периода отбора проб
используются формулы (1.2.11)–(1.2.12).
Для определения характерного периода отбора проб воды в
нижнем течении р. Дон, были выбраны 7 пунктов наблюдений,
находящихся вблизи г. Ростова-на-Дону, а именно:
1. Станция, находящаяся на 1 км выше по течению от места
впадения в р. Дон реки Аксай.
2. Станция, расположенная рядом с новым Ростовским водо-
забором.
33
3. Станция, находящаяся на 0,5 км ниже по течению от основного места сброса сточных вод ПУ «Водоканал» г. Ростова-наДону.
4. Станция, находящаяся на 0,5 км ниже по течению от места
впадения в р. Дон реки Темерник.
5. Станция, расположенная на 0,5 км ниже по течению от
хут. Колузаево.
6. Станция, находящаяся на 1 км выше по течению от г. Азова.
7. Станция, расположенная на 0,5 км ниже по течению от
основного места сброса канализационных вод г. Азова.
Пункты 1–4 были отнесены к категории I, в то время как
пункты 5–7 – к категории III. Из 40 загрязняющих веществ были
выбраны 8 основных, а именно: 1) сульфаты; 2) ионы магния;
3) БПК
общее; 7) нефтепродукты; 8) степень минерализации воды, определяемая суммой главных ионов.
ПДК, соответствующие санитарно-бытовой области использования
отобранной воды. В качестве статистической информации были
использованы данные, взятые из отчетов РГЦМС за 2002–2004 гг.
В случае, когда на каком-либо пункте в один день проводилось
несколько измерений одного и того же вещества, для анализа
выбирались результаты проб, отобранных в середине поверхности
реки.
ëå:
; 4) фосфор минеральный; 5) азот нитритов; 6) железо
5
Для вышеперечисленных загрязняющих веществ были взяты
Характерный период отбора проб рассчитывался по форму-
B
τα
=∗
j
ãäå j – номер загрязняющего вещества, n – количество проб, отобранных за весь период рассмотрения,
концентрация загрязняющего вещества,
концентрации вещества, получаемая по формулам численного
дифференцирования, α – допустимая погрешность оценки измерений динамики. Кроме того, был рассчитан корректирующий
34
j
f
′
max
1, ...,
=
in
j
,
– средняя по времени
B
j
′
B
– скорость изменения
j
характерный период отбора проб, учитывающий превышение ПДК
рассмотренными веществами по следующей формуле:
B
τα
f
где
веществом формулой:
и
превышений.
сания динамики загрязняющих веществ по каждому из пунктов
наблюдений может быть описана следующими параметрами:
впадения в р. Дон реки Аксай – 85,8 %.
забором – 77,4 %.
новного места сброса сточных вод ПУ «Водоканал» г. Ростова-наДону – 66,7 %.
впадения в р. Дон реки Темерник – 70,7 %.
хут. Колузаево – 92,5 %.
âà – 77 %.
основного места сброса канализационных вод г. Азова – 52,3 %.
можно сформулировать следующим образом.
ния экологического мониторинга водных объектов не позволяют
получить объективную картину их экологического состояния.
Нарастание антропогенного воздействия на окружающую среду,
описывает динамику превышений ПДК соответствующим
j
′
f
соответствующим образом описывает скорость изменения
j
В результате проведенных расчетов средняя погрешность опи-
1. Станция, находящаяся на 1 км выше по течению от места
2. Станция, расположенная рядом с новым Ростовским водо-
3. Станция, находящаяся на 0,5 км ниже по течению от ос-
4. Станция, находящаяся на 0,5 км ниже по течению от места
5. Станция, расположенная на 0,5 км ниже по течению от
6. Станция, находящаяся на 1 км выше по течению от г. Азо-
7. Станция, расположенная на 0,5 км ниже по течению от
Предварительные выводы о частоте проведения наблюдений
Осуществляемые в настоящее время программы проведе-
=∗
j
max(0, )=−
fBПДК
jjj
j
f
′
max
1, ...,
in
=
j
,
,
35
сопровождающееся сокращением финансирования природоохранной деятельности, привело к несоответствию проводимых программ экологического мониторинга потребностям современного
общества. Наблюдения проводятся неравномерно и недостаточно
часто. Оптимальные режимы отбора проб не выдерживаются. Как
результат, средняя погрешность описания загрязняющих веществ
по каждому из исследованных пунктов наблюдений составляет
около 55 %. Объективность картины, получаемой в результате про-
ведения мероприятий, связанных с экологическим мониторингом,
не превосходит 45 %.
Для повышения качества действующей системы экологического мониторинга необходимо, в частности, увеличение частоты
отбора проб в соответствии с определенными оптимальными периодами отбора.
Проведем анализ двух основных сетей экологического мониторинга Ростовской области – сетей СК УГМС и ДБВУ. Была
обработана информация о загрязняющих веществах в следующих
створах: устье р. Северский Донец; р. Северский Донец, хут. Поповка (сети СКУГМС и ДБВУ). Обработка данных велась по следующим
9 показателям: кислород, магний, железо, сульфаты, нитраты,
нитриты, фосфаты, нефтесодержащие вещества, ХПК, БПК
. Íà-
5
ходились максимальное значение концентрации этих веществ за
определенный период, минимальное и среднее значения, а также
максимальная и усредненная абсолютная величина изменения. Для
каждого вещества был найден характерный период изменения величины (период, с которым рекомендуется производить измерения
данной величины – при различных параметрах надежности) по
формуле (1.2.10). Также была рассчитана величина τ
ïð õàð
ïî ôîð-
муле (1.2.12) с учетом превышения загрязнения ПДК. Величина
τ
представляет интерес в случаях, когда наблюдаются сильные
ïð õàð
колебания величины загрязнения, редко превышающие ПДК – в
этом случае представляются нецелесообразными частые измерения
данной величины. Все вычисления производились при помощи
средств электронных таблиц пакета OpenOffice 2.0.3.
Сформулируем основные полученные результаты.
Из анализа данных следует, что рекомендуемый период измерений большинства величин примерно соответствует существующей
практике на створах СКУГМС при значении параметра α равном
36
30–50 %. Однако по некоторым загрязняющим веществам (ЗВ)
характерное время их измерения было установлено в пределах нескольких дней, для некоторых створов (хут. Поповка, СКУГМС).
Характерные величины периода наблюдения по различным
створам при: α = 20 %.
• р. Северский Донец, устье (СКУГМС), в среднем по величинам
кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
, нитра-
5
тов – около 19 дней.
• В том же створе по остальным веществам (нитриты, фосфор,
нефть) – рекомендованный период наблюдений был вычислен
как максимально возможный период наблюдений.
• В том же створе, в среднем по величинам превышения ПДК
кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
– около
5
10 äíåé.
• В том же створе, по величинам превышения ПДК остальных
веществ (нитриты, нитраты, фосфор) – очень большая величина.
• р. Северский Донец, устье (ДБВУ), в среднем по величинам
кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
, нитра-
5
тов – около 25 дней.
• В том же створе, по остальным веществам (нитриты, фосфор,
нефтепродукты) – очень большая величина.
• В том же створе, в среднем по величинам превышения ПДК
кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
– около
5
15 äíåé.
• В том же створе, по величинам превышения ПДК остальных
веществ (нитриты, нитраты, фосфор) – очень большая величина.
• р. Северский Донец, хут. Поповка (СКУГМС), в среднем по величинам кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
нитратов, фосфора, нефти – около 8 дней.
• В том же створе, по нитритам – очень большая величина.
• В том же створе, в среднем по величинам превышения ПДК
кислорода, магния, железа, сульфатов, ХПК, БПК
, фосфо-
5
ра – около 4 дней.
• В том же створе, по величинам превышения ПДК остальных
веществ (нитриты, нитраты) – очень большая величина.
37
,
5
• р. Северский Донец, хут. Поповка (ДБВУ), в среднем по величинам кислорода, магния, сульфатов, ХПК, БПК
, нитра-
5
тов – около 50 дней.
• В том же створе, по остальным веществам (железо, нитриты,
фосфор, нефтепродукты) – очень большая величина.
• В том же створе, в среднем по величинам превышения ПДК
кислорода, магния, сульфатов, ХПК, БПК
– около 23 дней.
5
• В том же створе, по величинам превышения ПДК остальных
веществ (железо, нитриты, нитраты, фосфор) – очень большая
величина.
Кроме того, были обработаны первичные данные по следующим
створам: устье реки Северский Донец; ниже Белой Калитвы; выше
Белой Калитвы; выше Каменска-Шахтинска; ниже Каменска-Шахтинска; хут. Поповка; «Исток».
Сравнивались данные с 1982 по 2006 г. по двум источникам:
ДБВУ и СКУГМС.
Для обработки в каждом створе были выбраны концентрации
в воде следующих веществ: растворенный кислород; магний; сульфаты; ХПК; БПК
; нитриты; нитраты; железо; хлориды; аммоний;
5
нефтепродукты; фосфаты.
Для каждого вещества в каждом створе найдена величина
превышения ПДК. Вычислены для каждого показателя средняя
концентрация, максимальное и минимальное значения, максимальное и усредненные колебания концентраций веществ и превышения ПДК.
Также рассчитана оптимальная частота измерений каждого
вещества при различном уровне надежности α = 0,02; 0,05; 0,1;
0,2; 0,3; 0,4.
По створам, расположенным вблизи Белой Калитвы, можно
сделать следующие выводы:
1. Если по данным ДБВУ средняя концентрация кислорода
равна 8,76, то по данным СКУГМС – 10,74, что в незначительной
степени превосходит среднюю концентрацию кислорода по данным
ДБВУ. Концентрацию кислорода рекомендуется измерять один раз
в 1–2 месяца.
2. Расхождения по содержанию магния немного больше: по
данным ДБВУ средняя концентрация магния равна 49,88, а по
38
данным СКУГМС – 55,89. Концентрацию магния рекомендуется
измерять один раз в полгода.
3. Значительно расходятся данные по сульфатам: средняя концентрация их по данным ДБВУ – 314,58, а по данным СКУГМС –
430,05. Количество сульфатов в створе рекомендуется измерять
один раз в 3–4 месяца.
4. Концентрация ХПК по данным ДБВУ больше, чем по
СКУГМС (38,41 и 28,55 соответственно). Концентрацию этого вещества рекомендуется измерять один раз в 20–40 дней.
5. Концентрация БПК
, по данным ДБВУ и СКУГМС, срав-
5
нима (3,05 и 3,67 соответственно). Концентрацию этого вещества
рекомендуется измерять один раз в 15–30 дней. Данные по хлоридам также сходятся, и их рекомендуется измерять один раз в
2–3 месяца.
6. Почти в 3 раза концентрация фосфатов, азотистых нитритов и нитратов по данным СКУГМС превышает данные ДБВУ. Эти
вещества рекомендуется измерять один раз в 20 дней.
7. Содержание азотистого аммония по данным СКУГМС в
1,5 раза меньше, чем по данным ДБВУ. Измерять это вещество
рекомендуется один раз в 10 дней.
8. Содержание металлов по данным СКУГМС значительно
меньше, чем по данным ДБВУ, что можно объяснить тем, что по
данным СКУГМС железо в данном створе мерилось за весь период
данных только раз. Металлы рекомендуется измерять один раз в
6–12 месяцев.
По створам, расположенным вблизи устья Северского Донца,
можно сделать следующие выводы:
1. Если по данным ДБВУ средняя концентрация кислорода
равна 8,23, то по данным СКУГМС – 10,64, что в незначительной
степени превосходит среднюю концентрацию кислорода по данным
ДБВУ. Концентрацию кислорода рекомендуется измерять один раз
в 2–3 месяца.
2. Расхождений по содержанию магния нет: по данным
ДБВУ средняя концентрация магния равна 47,95, а по данным
СКУГМС – 48,48. Концентрацию магния рекомендуется измерять
один раз в полгода. Очень небольшие расхождения по хлоридам,
которые рекомендуется измерять один раз в 2 месяца.
39
3. Значительно расходятся данные по сульфатам: средняя концентрация их по данным ДБВУ – 379,01, а по данным СКУГМС –
330,10. Количество сульфатов в створе рекомендуется измерять
один раз в 3–5 месяцев.
4. Концентрация ХПК и БПК
по данным ДБВУ больше, чем
5
по СКУГМС (48,28 и 31,33 соответственно по ХПК и 3,15 и 2,88
соответственно по БПК
), а также по фосфатам. Концентрации этих
5
веществ рекомендуется измерять один раз в 2–3 месяца.
5. Почти в 3 раза концентрация азотистых нитритов и нитратов по данным СКУГМС превышает данные ДБВУ. Эти вещества
рекомендуется измерять один раз в 20–30 дней.
6. Содержание азотистого аммония по данным СКУГМС в
2 раза меньше, чем по данным ДБВУ. Измерять это вещество рекомендуется один раз в 10 дней.
7. Содержание металлов по данным СКУГМС значительно
меньше, чем по данным ДБВУ, что можно объяснить тем, что по
данным СКУГМС железо в данном створе измерялось за весь период
данных только 2 раза. Металлы рекомендуется измерять один раз
в год.
Проведенный анализ позволяет сделать следующие общие
выводы.
В целом, измерения в каждой сети проводятся реже, чем
необходимо для получения достоверной картины экологической
обстановки в Ростовской области. В СКУГМС измерения проводятся примерно один раз в 2–3 месяца, а в ДБВУ – в 4–6 месяцев.
В СКУГМС измерения проводятся примерно в 2 раза чаще, чем
в ДБВУ. Достоверность получаемых данных в СКУГМС – около
30–40 %, а в ДБВУ – 20 %.
В системах СКУГМС и ДБВУ используются разные методики
измерений концентраций веществ, из-за чего некоторые данные
значительно разнятся. По ряду загрязняющих веществ – например,
ХПК, БПК
, хлоридов, магния – данные, предоставленные обеими
5
сетями, могут быть объединены без какой-либо предварительной
обработки.
Сеть Росгидромета более эффективна, чем сеть ДБВУ, ее данные создают более объективную картину сложившейся в области
экологической обстановки. К сожалению, каждая из этих двух
сетей функционирует сама по себе. Из-за отсутствия координации
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]