Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 20 )

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.