Geum.ru

Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   28


3.5.2. Аналіз керованості системи.


Наступною стадією третього етапу аналізу ГХС є дослідження її керованості. Для цього використовуються результати попереднього виявлення зв’язків елементів та структур систем з елементами та структурами несистеми.


На основі цих досліджень виявляються елементи системи і несистеми, які суттєво впливають на формування головних елементів ГХС – показників якості води.


Визначаються ключові (домінуючі) елементи системи, які визначають її головні функції і впливають на поведінку інших (другорядних) елементів та цілих блоків системи.


У разі виявлення впливу тих, чи інших чинників на погіршення якості води, на протікання негативних процесів її формування використовуються мультиваріаційні методи апроксимації та моделювання впливу антропогенних факторів на формування гідрохімічних систем.


Розглядається можливість штучної (примусової) маніпуляції домінуючими елементами системи задля отримання бажаних властивостей системи (оптимізація системи) чи задля створення передумов щодо протікання необхідних позитивних процесів формування системи, які направлені на збереження природного хімічного складу води (стабілізація системи) та покращення її якості.


Рис.3.4.Схема третього етапу аналізу гідрохімічної системи (моделювання та прогнозування розвитку системи)


3.5.3. Апроксимація та моделювання багатофакторного впливу природних і антропогенних факторів на формування гідрохімічних систем


Сприйняття процесу формування хімічного складу води річок як багатофакторного явища, в результаті якого утворюється багатофакторна гідрохімічна система (ГХС) [56, 141], дозволяє розглянути всю сукупність його числових характеристик через призму методів мультиваріаційної статистики. Дослідження складної структури причинно-наслідкових зв’язків процесів, які формують ГХС як всередині її (ендосистемні процеси), так і зовні (екзосистемні процеси) недоступне для простих числових чи порівняльних методів, адже комплекс факторів, що визначає стан системи, хімічний склад та якість води, включає, щонайменше, шість основних блоків ( розділ 1): гідрологічний, метеорологічний, геологічний, гідробіологічний, фізико-географічний (ландшафтний), антропогенний. Ці блоки, які враховують показники екзо- і ендосистемних процесів, є факторами регулювання якості води. Кожен із них характеризується повним набором різноманітних показників, які описують внутрішню структуру та специфічні властивості конкретного фактора.


Кількість показників може змінюватись в залежності від складності поставленої задачі, можливості інструментального виміру ряду ознак, наявності тих чи інших видів господарської діяльності, фізико-географічних особливостей території.


У останні десятиліття структура та більшість ознак регіональних гідрохімічних систем часто формується під домінуючим впливом екзосистемних антропогенних процесів, що призводить до антропогенної трансформації ГХС, яка проявляється у зростанні солоності природних вод суходолу, їх евтрофування, підкислення тощо і у загальному погіршенні споживчих властивостей води.


Саме тому питання про оцінку впливу господарської діяльності є сьогодні найактуальнішим і найскладнішим у вирішенні.


Для оцінки впливу господарських факторів з використанням мультиваріаційних методів однією із головних умов є підготовка оптимального і репрезентативного набору показників, що характеризують сукупну дію екзо- і ендосистемних факторів, характерних для регіону поширення ГХС. При його визначенні дослідник повинен керуватись, перш за все, основними двома критеріями: 1) повнота характеристики генетики процесу; 2) статистичний критерій.


Перший критерій оцінюється дослідником, виходячи із свого досвіду, глибини теоретичних знань особливостей протікання процесу.


Статистичний критерій вимагає дотримання такого співвідношення n>m між кількістю параметрів (m) та кількістю членів (n) статистичних вибірок, що характеризують ці параметри.


Коли такий набір показників сформований і повністю охарактеризований числовими значеннями, то використання мультиваріаційних методів для його дослідження стає можливим і, навіть, доцільним. Саме тому нами і була створена методика використання факторного аналізу для оцінки впливу різних факторів на формування гідрохімічних систем (див. пункт 3.4.1).


Базуючись на цій методиці, враховуючи досвід її застосування та користуючись результатами факторного аналізу складної структури причинно-наслідкових зв’язків процесу формування хімічного складу води, нами зроблена спроба розрахувати оптимальне співвідношення між головними факторами процесу та кінцевим результатом його дії – конкретним значенням вмісту хімічного компоненту в річковій воді.


Результати апробації методики показали, що на формування якості води, окремих характеристик її хімічного складу впливає одночасно декілька значущих факторів [55, 144, 249]. Отже, перш ніж розраховувати співвідношення між факторами, необхідно ці фактори визначити. Ідентифікація факторів формування умова необхідна, але не єдина. Додатково до цього, з допомогою кореляційного аналізу має бути досліджена внутрішня структура фактора та виявлені характерні пріоритетні показники в кожному з них. Якщо конкретно розглядати тільки фактори господарської діяльності у їх зв’язку із характеристиками якості води, то вже на першому етапі використання зазначеної методики частина другорядних факторів, вклад яких у загальну дисперсію сукупної варіації всіх характеристик незначна, відкидається і в подальшому не приймається до розгляду і для розрахунків. Відбираються пріоритетні показники господарської діяльності по кожному із виявлених факторів.


Коли така попередня підготовка проведена, то можна переходити безпосередньо до розрахунків багатофакторних рівнянь. Ці рівняння описують залежність якоїсь одної із характеристик хімічного складу води одночасно від декількох факторів, що впливають на неї. Попередній відбір таких факторів, вірніше їх пріоритетних характеристик, виконується на основі результатів розрахунків парних кореляцій між показниками хімічного складу води та цими характеристиками різних факторів. Щоб виключити при виконанні подальших розрахунків взаємовплив факторів на тісноту зв’язків та коефіцієнти регресійних рівнянь, не рекомендується включати до розрахунків дві характеристики, що тісно зв’язані між собою і належать до одного і того ж самого фактору. Вибрані характеристики повинні належати до різних факторів господарської діяльності, бути несуттєво зв’язаними між собою і суттєво з тим чи іншим показником якості води, для якого встановлюється залежність.


Для розрахунку такої багатофакторної залежності пропонується використовувати математичний апарат множинної лінійної кореляції [271]. За його допомогою та використанням стандартних програм із пакету “STATGRAF” залежність загального виду


y = f (x1, x2, x3…xn) (3.8)


може бути апроксимована багатофакторним регресійним рівнянням, поліномом


у = ао+а1х1+а2х2+а3х3+…+аnxn, (3.9)


де х1, х2, х3…хn – значення характеристик окремих значущих факторів господарської діяльності; що впливають на характеристику якості води у;


а1, а2, а3…аn – коефіцієнти рівняння.


При обов’язковому співвідношенні числа характеристик і числа спостережень за ними як m>>n таких рівнянь для кожного випадку теоретично може становить m. При m

Випадок системи рівнянь з числом їх, більшим числа невідомих параметрів, що входять до них, є основним при побудові рівнянь регресії. Питання про найкраще рішення системи рівнянь зводиться до знаходження таких значень невідомих величин, зв’язаних між собою рівняннями, при підстановці яких у ці рівняння буде отримане найменше відхилення розрахункових значень від спостережених. Завдяки наявності обчислювальної техніки, ця процедура відбору коефіцієнтів рівняння відбувається в автоматичному режимі і значно полегшує завдання досліджень.


У кореляційному рівнянні коефіцієнт регресії, що зв’язує дві змінні величини, дорівнює


(3.10)


де sу, sх – стандартні відхилення залежності (у) та незалежної (х) змінних; rxy- коефіцієнт парної кореляції між ними.


У рівнянні багатофакторної регресії величина коефіцієнта кореляції між х і у замінюється комбінацією цих коефіцієнтів, що розраховуються між кожними двома n, що входять у рівняння регресії. Для випадку трьох змінних, де у – залежна змінна (концентрація показника якості води) та х1, х2 – незалежні змінні (сталі характеристики впливу двох факторів), рівняння регресії буде мати слідуючий вигляд


(3.11)


де (3.12)


Зі збільшенням числа членів регресії розрахунок значно ускладнюється, бо в декілька разів зростає кількість повторних розрахункових процедур. Тому проведення таких розрахунків повинно виконуватися лише з використанням комп’ютерів.


Для характеристики тісноти зв’язку використовується загальний коефіцієнт кореляції, що для випадку залежності у від х1, х2 має вигляд:


(3.13)


Для оцінки міри точності отриманого рівняння регресії користуються таким рівнянням:


Sy = (3.14)


де уі – фактичні значення залежної змінної (концентрації хімічного компоненту, виміряні інструментальними методами);


– величини залежної змінної, розраховані за рівнянням регресії;


n – число членів рядів, для яких отриманих зв’язок;


m – число степенів свободи, що характеризує вид рівняння регресії та дорівнює числу його постійних членів (так для рівняння парної кореляції m=2, потрійної – m=3 і т.д.).


Частка участі кожного фактора у варіюванні прогнозованого параметру у оцінюється через коефіцієнт детермінації:


D= R2= b1ryx1 + b2ryx2+…+bkryxk (3.15)


де b1 = b1sх1/sу; b2 = b2sх2/sу і т.д.,


де b1, b2 … - коефіцієнти рівняння регресії.


Після розрахунку рівнянь багатофакторної регресії та їх оцінки можна перейти до розрахунків оптимальних параметрів характеристик антропогенних факторів на концентрацію того чи іншого хімічного компоненту. При цьому необхідно користуватися даними про гранично допустимі концентрації даного хімічного компоненту в природних водах та про можливий діапазон варіацій характеристик антропогенних факторів. Шляхом підбору змінних параметрів розрахованих рівнянь і знаходимо співвідношення між концентрацією хімічного компоненту та факторами його формування.


Представлена методика апробована під час проведення оптимізаційних розрахунків впливу антропогенних факторів на формування параметрів гідрохімічних систем річок Бутені (притока Росі) та Корабельної (притока р. Південний Буг) [145]. Розрахунки базувалися на даних експедиційних досліджень, виконаних на цих річках під керівництвом автора співробітниками Проблемної науково-дослідної лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського університету імені Тараса Шевченка.


3.5.4. Прогнозування розвитку гідрохімічної системи


Гідрохімічна система належать до відкритих динамічних систем, які чутливо реагують на будь-який вплив зовнішніх чинників, що їх формують. Реакція системи на зовнішній вплив полягає в зміні її стану внаслідок зміни розмірності її елементів. Найбільший інтерес при вивченні гідрохімічних систем привертають моменти їх дестабілізації внаслідок антропогенного впливу.


В таких випадках спостерігається зростання іноді в залежності від інтенсивності впливу, різке зростання параметрів внутрішніх елементів системи. А саме: зростають концентрації розчинених у воді речовин, що надходять із антропогенних джерел. При цьому відбувається і трансформація речовинно-енергетичної структури системи, яка може призвести до зміни її властивостей. Це може означати погіршення якості води і призвести до значних економічних збитків у споживачів води внаслідок невідповідності останньої їх вимогам.


Для передбачення подібних ситуацій та проведення упереджувальних заходів необхідно передбачувати зміну можливих станів гідрохімічної системи. Для цього використовуються класичні методи прогнозування, які є невід’ємною частиною методики дослідження гідрохімічних систем.


У практиці гідрохімічних досліджень найбільше застосування при довгостроковому прогнозуванні якості річкової води набули балансові і математичні (статистичні) методи.


В основу балансових методів покладено застосування формули водно-сольового балансу речовини у даному конкретному створі річки. Їх застосування можливо лише при наявності детальних даних про об`єми прибуткових і витратних частин водного балансу і даних про хімічний склад всіх типів вод.


Для прогнозу якості води водного об`єкта по одному або декількох заданих створах, використовуються методи, що базуються на розрахунку балансу хімічних речовин у конкретному створі [192, 243, 256].


У найпростішому випадку змішування річкових і стічних вод (одне джерело забруднення) рівняння балансу консервативної речовини в створі практично повного змішування має вигляд


Cф Q + Cст q = Cк (Q + q) (3.16)


де Cк - концентрація розглядуваної речовини в контрольному створі річки, мг/ дм3; Сст - концентрація речовини у стічній воді, мг/дм3; Сф - концентрація речовини у фоновому створі річки, мг/ дм3; Q,q - відповідно витрати річкової і стічної води, м3/с.


Виходячи із формули (3.16), концентрацію речовини у контрольному створі можна розрахувати за наступним рівнянням


(3.17)


Статистичні методи прогнозування хімічного складу та якості води використовуються у випадках, коли відсутня надійна інформація про надходження забруднюючих речовин із різних джерел у прогнозному періоді.


Статистичні методи прогнозування орієнтуються на досить розвинутий математичний апарат, застосування якого має тривалу історію.


Суттю використання статистичних методів у гідрохімічному прогнозуванні є математичний опис зміни концентрацій хімічних інгредієнтів у воді на протязі певного часу (ретроспективного періоду) і екстраполяції виявлених закономірностей на майбутнє (на прогнозний період) (рис. 3.5).


Процес прогнозування, що опирається на статистичні методи, складається з двох етапів. Перший, індуктивний, являє собою узагальнення ретроспективних даних багаторічних спостережень за гідрологічними та гідрохімічними характеристиками, а також подання відповідних статистичних закономірностей у вигляді моделей.


Статистичну модель отримують або у вигляді аналітично вираженої тенденції розвитку, або у вигляді рівняння залежності від одного або декількох факторів - аргументів. Прикладом такої моделі може бути аналітично виражена тенденція розвитку концентрації хімічної речовини (С, мг/ дм3) у часі (t, рік)


C = f (t) (3.18)


або рівняння


C = f (Q) (3.19)


де Q - витрата води річки, м3/с.


Процес побудови і застосування статистичної моделі для прогнозування обов`язково включає вибір форми рівняння, що описує динаміку або взаємозв`язок явищ, та оцінку його параметрів з допомогою тих чи інших методів.


При прогнозуванні статистичним методом здійснюється за допомогою ЕОМ та спеціальних програм згладжування ретроспективного ряду спостережень за методом найменших квадратів з метою відшукання тренду. Якщо збільшення значень вихідного ряду йде в арифметичній прогресії, то згладжування потрібно виконувати по прямій, а якщо в геометричній, то по показниковій функції.


Рис.3.5. Схематичне зображення статистичного прогнозу


Другий етап, власне прогноз, є дедуктивним. На цьому етапі на основі знайдених статистичних закономірностей визначають очікуване значення прогнозної величини (концентрації речовини, розчиненої у воді).


Застосування того чи іншого методу залежить від мети і задач прогнозування, точності і завчасності прогнозу, якості вихідних даних, що характеризують гідролого-гідрохімічні параметри водного об`єкту і умови господарської діяльності на його водозборі.


На початковому етапі прогнозування необхідно визначити деякі питання, відповідь на які обумовлює вибір методики прогнозування. Насамперед, необхідно встановити періоди прогнозування, які зазвичай визначаються періодами планування і поділяються на ряд проміжних стоків. Потім встановлюється рівень прогнозу: басейни річки - ділянка - створ. Частіше всього прогноз виконується для якого-небудь певного створу, що робить його результати більш конкретними і такими, що застосовуються для практичної мети.


Під час вибору прогнозних створів треба враховувати результати вивчення сучасного стану якості вод даного району:


- найбільш забруднені в даний момент ділянки, в яких концентрація інгредієнтів та показників якості води перевищує 10 ГДК;


- слабозабруднені ділянки, що характеризують фонові концентрації речовин у воді;


- ділянки і створи, що мають велике народногосподарське значення і підпадають під значне забруднення;


- ділянки і створи в районі великих населених пунктів з урахуванням перспектив розвитку галузей народного господарства;


- створи, що замикають річкові басейни;


- створи, в яких вимірюються витрати води і складаються водні баланси.


Важливе значення для виконання якісного прогнозу має і вірний вибір показників, що прогнозуються, які відбираються на основі загальних і специфічних вимог водокористувачів і водоспоживачів у даний момент і в перспективі.


До загальних показників, що прогнозуються відносять показники, які характеризують властивості води і речовини, що підпадають під фізичні перетворення і біохімічне окислення, і нормовані [194]. Серед таких показників - мінералізація, температура води, рН, О2, БСК5. До специфічних відносяться показники, які характеризують речовини, що підлягають складним хімічним перетворенням (феноли, СПАР, нафтопродукти, біогенні речовини, пестициди). Більшість цих показників характеризують речовини невластиві природній воді і які є продуктом господарської діяльності людини.


Вибір прогнозних показників, що характеризують специфічні речовини і речовини, вміст яких у воді лімітується ГДК, визначається наявністю їх у значних концентраціях у воді на ділянках, що розглядаються, у створах в даний момент, надходженням із стічними водами в перспективі, вимогами водокористувачів і водоспоживачів.


Вихідними даними для складання прогнозу змін хімічного складу поверхневих вод є перспективні плани розвитку народного господарства у зв`язку з очікуваним приростом населення, розвитком водомістких виробництв, територіальним розміщенням виробничих сил, збільшенням населених пунктів.


Для прогнозу параметрів гідрохімічної системи можна застосувати також методи, що базуються на розрахунках балансу хімічних речовин. Як правило, основою таких розрахунків служить рівняння водного балансу водного об`єкту, щодо даного прогнозного створу, або ділянки річки, в межах якої функціонує локальна гідрохімічна мезосистема.


Балансові методи найкраще підходять для прогнозування змін локальних, невеликих за розміром гідрохімічних систем. Чим більша система (регіональна, чи планетарна), тим важче для неї виконати оцінку усіх можливих речовинно-енергетичних “входів” і “виходів” і тим більшою буде похибка розрахунків, що в кінцевому результаті призведе до абсурдності такого прогнозу взагалі.


Даний метод прогнозування базується на водному балансі гідрохімічної системи. Чим точніше розрахунок водного балансу та чим більше прибуткових і витратних статей він відбиває, тим точніше і докладніше будуть результати прогнозу якості води. Суть прогнозу хімічного складу води в заданому створі складається з встановлення сумарної концентрації по кожному показнику, що визначається надходженням забруднюючих речовин із стічними водами різних галузей народного господарства.


Розрахунки виконуються за формулою:


(3.20)


де Сі - концентрація прогнозної речовини у всіх джерелах забруднення, у водах бокової приточності, фонова концентрація речовини;


Qi - об`єми надходження забруднень із різних джерел, витрати води 95% забезпеченості головної річки та її бокових притоків;


rt - коефіцієнт редукції, що враховує самоочищення на ділянці між розрахунковими створами в межах поширення гідрохімічної системи, визначається за формулою


(3.21)


де - коефіцієнт швидкості трансформації домішок у річковій воді при розрахунковій температурі T°C;


t - час проходження води між створами, діб.


Значення визначають за виразом


(3.22)


де - коефіцієнт швидкості трансформації речовини при температурі 20°С, діб


Значення величини приймається відповідно до таблиці 3.2.


Щоб виконати прогноз параметрів гідрохімічної системи на віддалену перспективу, необхідно мати прогноз надходження забруднюючих речовин до водного об`єкту, який цією системою характеризується, із різних джерел (підприємств різних галузей народного господарства). Прогноз надходження будь-якої речовини складається із окремих прогнозів надходження цієї речовини зі скидними водами різних галузей господарства.


Таблиця 3.2.


Значення коефіцієнта швидкості трансформації ( ) [256]


Речовина


Органічні речовини

0,10


СПАР

0,17


Нафтопродукти

0,07


N (NH+4)

0,007-0,120


N (NO-2)

0,040 - 0,080


N(NO-3)

0,075-0,101


P( )