Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 46 )

Рис.7.1. Схема розміщення розрахункових створів для прогнозу параметрів гідрохімічної системи р. Горинь

Як видно з табл. 7.3 основним забруднювачем вод р. Горинь та її притоків є сільське господарство. На його частку припадає найбільша частина стічних вод у порівнянні з іншими джерелами забруднення у 8 створах з 13. В 4 створах домінуючим забруднювачем є комунальне господарство. В одному створі (№6 - р. Устя - м. Рівне) переважають скиди хімічної промисловості (ПО “Азот”), хоча до кінця прогнозного періоду провідним забруднювачем тут стане комунальне господарство. Причина цього в поступовому зменшенні об`ємів стічних вод хімічної промисловості і збільшення об`ємів комунально-побутових вод, що відводяться в р. Устя.

Для наочності та зручності характеристики просторово-часової динаміки скидів стічних вод складена табл.7.4. В ній також наведені величини розбавляючої здатності річок. Це співвідношення сумарного річного водного стоку річки, розрахованного для даного створу за середньорічною витратою 95% забезпеченості та річного об`єму сумарного скиду стічних вод. Дана величина показує, в скільки разів річка може розбавити об`єм стічних вод при 95% забезпеченості річного стоку. Характеристики скидів та величини розбавляючої здатності наведені для сучасного рівня (1988 р.), та для кінцевого прогнозного рівня (2005 р.).

Дані цієї таблиці свідчать про те, що найбільшою навантаженістю стічними водами характеризуються створи №6 (р. Устя - м. Рівне) та №2 (р. Горинь - межа Хмельницької та Рівненської областей). У створі №6 основний внесок у сумарне скидання стічних вод вносить, як вже відмічалось, хімічна промисловість, а потім комунальне господарство. В створі №2 скиди комунального господарства є переважаючими. Цікаво відзначити, що приріст скидів стічних вод в 2005 р. очікується найменшим у таких створах: на 60,8% (створ №2) і на 8,3% (створ №6). Максимальне збільшення скидів стічних вод очікується в створах №8 - на 202%; значне збільшення скидів очікується також у створах №1, 3, 4, 5, 9, 10, 12, 13 (табл. 7.4 ).

Збільшення скидів стічних вод збільшить антропогенне навантаження на екосистеми річок, призведе до зниження їх розбавляючої та самоочисної здатності води. Розрахунки, наведені в табл. 7.4, показують, що розбавляюча здатність річок до 2005 року знизиться в порівнянні з сучасним періодом у 2-3 рази. Найгірші умови для самоочищення води від шкідливих домішок будуть спостерігатися у створах № 2, 6, 10. Більше того, у створі №2 вже в даний момент розбавлення не відбувається - річка переповнена стічними водами.

Як бачимо з аналізу витратних елементів водного балансу, навантаження стічними водами для різних створів далеко не однакова. Переважають створи з незначним навантаженням стічними водами. Річки на цих ділянках добре справляються із забрудненням. Для приведення складу скидових вод до нормативних показників часто буває достатньо лише розбавлення стічних вод річковою водою. Проте є створи, де навантаження стічними водами велике і динаміка скидів зростає в часі.

Дані особливості просторово-часової структури скидів стічних вод будуть помітні і в результатах прогнозу якості води р. Горинь та її притоків.

ТАБЛИЦЯ 7.3

НА ІНШОМУ ФАЙЛІ

ТАБЛИЦЯ 7.3

НА ІНШОМУ ФАЙЛІ

Таблиця 7.4

Характеристика просторово-часової динаміки відведення стічних вод та розбавляюча здатність річок у басейні р. Горині

№

створів

Об’єм стічних вод, млн. м3/рік

Очікуваний

приріст скидів

стічних вод, %

Розбавляюча здатність річки

Вихідний розрахунковий період (1988 р.)

Прогноз (2005 р.)

Вихідний розрахунковий період (1988 р.)

Прогноз (2005 р.)

1

1,80

4,41

145

57,5

22,5

2

19,97

32,0

60,8

14,0

8,2

3

3,22

8,58

164

37,1

13,3

4

0,88

1,97

123

545

243

5

0,25

0,67

168

1970

734

6

82,7

89,6

8,3

0,31

0,29

7

0,21

0,37

76

164

92

8

1,11

3,36

202

55,3

17,4

9

6,96

14,3

105

113

54,8

10

10,1

20,2

100

8,83

4,04

11

15,4

29,5

92

22,8

11,3

12

8,95

20,0

123

61,7

27,0

13

2,01

4,55

126

767

339

7.4. Аналіз багаторічної динаміки і

прогноз водності р. Горинь

Одним з головних факторів, що визначають гідрохімічний стан водотоку, є його водність, яка характеризується в основному середньорічними і середньомісячними витратами, а також особливості її вивчення в часі для домішок, що потрапляють у річкові води разом із скидами стічних вод. Річковий стік грає роль розбавляючого фактору, що зменшує концентрацію шкідливих речовин, які скидаються в річку. Для речовин, які вимиваються з грунту і змиваються атмосферними опадами з поверхні водозбору, річковий стік у залежності від режиму випадання утворюючих його опадів може грати роль як фактора, котрий збільшує кількість та концентрацію цих речовин, так і фактора, що розбавляє і зменшує їхню концентрацію.

Тому аналіз минулих і прогноз можливих мабутніх тенденцій зміни водності р. Горинь необхідний для прогнозу можливих тенденцій зміни характеристик її гідрохімічного режиму. Оскільки прогноз середньорічних витрат річкового стоку на конкретні роки з огляду стохастичності гідрохімічних процесів неможливий, то мова може йти лише про прогноз яких-небудь трендових (еволюторних або тривалих циклічних) змін водності, якщо вони можуть бути виявлені в існуючих гідрологічних рядах.

Як показує візуальний аналіз графіків середньорічних витрат р. Горинь за період 1914-1985 рр.(рис.7.2), в їх динаміці є два характерних та приблизно однакових за тривалістю (десь 35 років) інтервали часу, в одному з яких (з 1914 по 1950 рр.) спостерігається тенденція поступового зменшення водності цієї річки, а в іншому (з 1950 по 1985 р.) - явна тенденція її збільшення.

Рис.7.2. Прояв протилежних напрямків зміни водності

р. Горинь на протязі 1914-1991 рр.

У зв`язку з характерною для всіх річок циклічністю багаторічних змін їх стоку, така циклічність характерна також зміні водності р. Горинь. Тому виявлення для проміжків 1914-1950 рр. і 1950-1985 рр. тенденції її однонаправленої зміни цілком можуть виявитись фазами спаду (1914-1950 рр.) і підйому (1950-1985 рр.) однієї з гілок довгоперіодного (120-140 років) циклу багаторічних змін цієї водності, а майбутній період, що нас цікавить (1990-2015 рр.) - фазою її чергового зменшення з усіма випливаючими з цього гідрохімічними наслідками.

З метою виявлення та прив`язки до часу меж фаз довгоперіодних циклічних змін водності р. Горинь часовий ряд її середньорічних витрат у створі с. Оженин був оброблений на персональному комп’ютері методом ковзаючого поліноміального згладжування [280], вільного від всіх недоліків, що традиційно спостерігалися у випадках використання ковзаючих n-членних середніх.

В основу цього методу покладено апроксимацію n-членних ковзаючих ділянок ряду Q(t), що досліджується згладжуючим поліномом першого, другого і третього порядків і наступне визначення для кожної точки ti цього ряду, що відповідає її згладженому значенню QF(ti). Це значення розраховується як середнє або середньозважене з апроксимованих значень Q(ti), що були отримані за згладжуючими функціями F(t), які відповідали різним n-членним ділянкам ряду Q(t), що містять в собі точку ti. Практична реалізація методу ковзаючого поліноміального згладжування полягає у послідовному виконанні наступних дій:

1.Виходячи з цілей аналізу та враховуючи особливості динаміки досліджуваного гідрологічного ряду, вибирається вид згладжуючого поліному F(t) та інтервал згладжування n. Для виділення довгоперіодної циклічної складової з періодом L доцільно як згладжуючий поліном вибрати квадратичну параболу F(t)=At2 + Bt + C, а довжину проміжку згладжування - величину n у межах L/4 ... n... L/2. У нашому випадку (для р. Горинь) n = 30.

2. За допомогою методу найменших квадратів здійснюється ковзаюча апроксимація згладжуваного часового ряду Q(t) поліномами вибраного виду F(t). Спочатку знаходимо поліном F1(t), апроксимуючий перші n точок Q1, Q2, Qn згладжуваного ряду, потім поліном F2(t) для такого ж, але зсунутого на одну точку праворуч n-членної ділянки Q2, Q3, .......Qn+1, потім поліном F3(t)для ділянки Q3, Q4 ....., Qn+2, і т. д. аж до останньої ділянки Qk, Qk+1, ....QN, який апроксимується поліномом FK(t), де K=N-n+1 , а N - довжина досліджуваного часового ряду Q(t). Всі ці поліноми мають один і той же порядок і відрізняються один від одного лише параметрами (числовими коефіцієнтами, що стоять при ступенях t). Зокрема, у випадку вибору нами апроксимуючого поліному у вигляді квадратичної параболи, утвориться набір з K=N-n+1 таких поліномів:

F1(t)=A1t2+B1t+C1

F2(t)=A2t2+B2t+C2

................................

FK(t)=AKt2+BKt+CK

за допомогою яких кожна точка Qi апроксимується деяке ціле число m раз. При цьому для перших і останніх n-1 точок ряда Q(t) це число задовольняє нерівності 1...2...n-1, а для інших N-2(n-1) точок рівняється n.

3. Для кожного члена Qi згладжуваного ряду Q1, Q2, .......QN по m його апроксимованих поліномами F(t) значенням Qij, що знайдені за різними n-членними ділянками ряду, які містять у собі цей член, розраховується його середнє згладжене значення: .

Послідовність таких значень Qi і являє собою виділений ковзаючим поліноміальним згладжуванням еволюторний тренд досліджуваної величини, який для середньорічних витрат Q(t) р. Горинь біля с. Оженин має вигляд плавного циклічного тренду, зображеного на рис. 7.3 суцільною лінією 2. З цього рисунку бачимо, що гілка підйому водності р. Горинь, яка почалася на початку 50-х років, досягла в кінці 80-х років максимуму, після якого цей підйом, зважаючи на циклічність змін Q, повинен змінитися черговою гілкою зменшення водності. Враховуючи, що в більшості випадків гілки підйому і спаду Q, які належать одній циклічній напівхвилі, як правило симетричні відносно фази максимуму, прогноз можливого розвитку поточного напівциклу зміни Q можна отримати шляхом симетричного відображення гілки підйому 1960-1987 рр. відносно 1987 р. на інтервал 1988-2010 рр., на якому таке відображення утворює зображену на рис. 7.3 пунктиром гілку спаду. Ця гілка спаду й приймається нами надалі в якості прогнозу тенденції зміни водності р. Горинь на період до 2010 р.