Изучение пространственно-временной изменчивости показателей состава природных вод

В. М. Шестаков, С. А. Брусиловский

На крупных водозаборах необходимо выявлять пространственно-временные изменения качества воды, характеристика которых может повлиять на решение вопросов технологии обработки питьевой воды, например, обезжелезнения, деионизации и т.д. В связи с этим в регламентируемый нормативными документами режим опробования и выбор скважин для отбора проб могут быть внесены коррективы на основании имеющихся данных о степени пространственно-временной вариабельности химического состава подземных вод водозабора и поверхностных вод, как основного источника питания.

При описании совокупности анализов, отражающих химический состав вод определенного объекта, необходимо использовать различные статистические характеристики: характер распределения (нормальный, логнормальный, равномерный, полимодальный и т. д.), параметры распределения, соответствующие его типу (среднее арифметическое, среднее геометрическое, модальное, стандартное отклонение, стандартный множитель и т. д.) с указанием числа дат для совокупности, корреляционную матрицу, коэффициенты эмпирических уравнений регрессии для пар с значимыми коэффициентами корреляции, доверительные зоны регрессии при принятых уровнях значимости и т. д. Для явно неоднородных совокупностей нерационально давать общие характеристики распределения. Использование статистических характеристик позволяет с определенной достоверностью говорить о принадлежности анализа к совокупности, значимой разнице между двумя совокупностями, связи между отдельными параметрами, выделять аномальные по отношению к фону значения (обязательно с учетом компактности расположения точек), говорить о тенденциях изменения в пространстве и времени (прогнозе).

Принципиальную сложность для выявления пространственной и временной изменчивости химического состава подземных вод представляет, как правило, недостаточное количество первичных материалов. Для выявления многолетней изменчивости необходимо исключить возможное наложение внутригодовых изменений. При анализе внутригодовой (сезонной) изменчивости следует отбирать данные за весь многолетний ряд наблюдений по близким датам. Совершенно недостаточно требование по отбору и определению одной пробы в сезон, поскольку межгодовая изменчивость сезонных явлений достаточно велика, и, например, поводок или наступление снегового покрова в разные годы может значительно отличаться по срокам в пределах одного сезона. Кроме того, при этом следует использовать материалы наблюдений лишь по близко расположенным скважинам, чтобы исключить возможное влияние <эффекта добегания> при преимущественном питании водоносных горизонтов из поверхностных водных источников. При изучении пространственной изменчивости идеально было бы использовать лишь результаты одновременных наблюдений по всем точкам опробования. Реально приходится пользоваться лишь приближениями, группируя данные по ограниченным в пространстве и срокам наблюдения выборкам.

Общепринятое выражение пространственной изменчивости в изолиниях концентраций на гидрогеохимической карте не всегда может быть реализовано на основе имеющегося банка данных, поскольку распределение скважин по площади крайне неравномерно. Рационально характеризовать пространственную изменчивость химического состава подземных вод в табличной форме. Как пример можно привести выборку аномальных значений параметров химического состава водозаборов г. Калуги (см. материалы по мониторингу водозабора подземных вод г. Калуги), в которой представлены лишь аномальные значения параметров, резко выделяющиеся на общем фоне.

Временную изменчивость химического состава рационально характеризовать по наиболее значимым с гигиенических позиций показателям, варьирующим в достаточно широких пределах, точность аналитического определения которых достаточно высока, а ряды наблюдений продолжительны.

Для выявления многолетней изменчивости необходимо исключить возможное наложение внутригодовых изменений. При анализе внутригодовой (сезонной) изменчивости следует отбирать данные за весь многолетний ряд наблюдений по близким датам. При этом следует использовать материалы наблюдений лишь по близко расположенным скважинам чтобы исключить возможное влияние <эффекта добегания> при преимущественном питании водоносных горизонтов из поверхностных водных источников. При изучении пространственной изменчивости с учетом степени вариабельности компонентов следует использовать лишь результаты близких по времени наблюдений по всем точкам опробования.

Критически следует оценить рекомендации по периодичности производственного контроля качества воды [2]. Для количества обслуживаемого населения до 10 тыс. человек достаточно 2 проб в месяц, а от 50 до 100 тыс. необходимо уже 100 проб в месяц. Если же воспользоваться приведенной фор-мулой (число проб для количества обслуживаемого населения больше 100 тыс. человек составляет 100+1 проба на каждые 5 тыс. человек свыше 100 тыс. населения) то, например, для Москвы следует прово-дить опробование каждые 20 минут. Вместе с тем совершенно недостаточно в условиях интенсивного техногенеза проводить анализ химического состава неорганических и органических контаминантов в поверхностных водах один раз в сезон, а в подземных - раз в год. Периодичность опробования подземных вод при мониторинге должна определяться степенью вариабельности во времени конкретных показателей состава по данным контрольных замеров.

Предварительный анализ банков данных показал, что на предварительном этапе можно исключить из рассмотрения некоторые из определяемых параметров химического состава, не информативные с экологических позиций. К ним относятся компоненты состава, концентрации которых за редкими исключениями находятся в пределах санитарно-токсикологических нормативов, компоненты , связанные жесткими коррелятивными связями, что позволяет уменьшить число независимых переменных, компоненты, концентрации которых находятся на пределе чувствительности использованных аналитических методов, что вызывает сомнения в достоверности определений, и компоненты, уровень содержания которых мало варьирует для всего массива данных. Результаты анализа содержаний наиболее значимых с экологических позиций показателей рационально представлять в форме числа анализов (в %), приходящихся на определенные интервалы концентраций, возможно выраженных в кратностях ПДК.

Приложение

Перечень показателей качества поверхностных вод, определяемых дополнительно к общим показателям для подземных и поверхностных вод, согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 согласно категории программы контроля

Выбор вида программы и периодичности наблюдений зависит от категории пункта контроля.

Пункты контроля категории I располагаются на средних и больших (допускается и малых) водоемах и водотоках, имеющих важное народно-хозяйственное значение:

в районах городов с населением свыше 1 млн. жителей;

в местах нереста и зимовья особо ценных видов промысловых организмов;

в районах повторяющихся аварийных сбросов загрязняющих веществ и заморных явлений;

в районах организованного сброса сточных вод.

Пункты контроля категории II располагаются на водоемах и водотоках с населением от 0,5 до 1 млн. жителей:

в местах нереста и зимовья особо ценных видов промысловых организмов;

на важных для рыбного хозяйства предплотинных участках рек;

в местах организованного сброса дренажных сточных вод с орошаемых территорий и промышленных сточных вод;

при пересечении реками Государственной границы Российской Федерации;

в районах со средней загрязненностью воды.

Пункты контроля категории III располагаются на водоемах и водотоках:

в районах городов с населением менее 0,5 млн. человек;

на замыкающих участках больших и средних рек;

в устьях загрязненных притоков больших рек и водоемов;

в районах организованного сброса сточных вод, в результате чего наблюдается низкая загрязненность воды.

Пункты контроля категории IV располагаются на незагрязненных участках водоемов и водотоков, а также на водоемах и водотоках, расположенных на территории государственных заповедников и природных национальных парков, являющихся уникальными природными образованиями.

Сокращенная программа 1 для пунктов контроля категории I предписывает ежедневные определения: удельная электропроводность, визуальные наблюдения, свободный кислород, БПК5; для пунктов контроля категории II - ежедневные визуальные наблюдения, и ежедекадные по программе. Кроме того определения по этой программе дополняют определения по остальным программам:

сокращенная программа 2 предписывает ежедекадные наблюдения для пунктов категории I: дополнительно к программе 1 еще определения 2 - 3 загрязняющих вещества, основных в данном пункте наблюдения;

сокращенная программа 3 предписывает ежемесячные наблюдения для пунктов категории I - III: дополнительно к программам 1 и 2 также определения ХПК, Еh;

полная программа предписывает в основные фазы водного режима для всех категорий пунктов контроля: дополнительно к програмам 1 - 3: определения: щелочность, гидрокарбонат, кальций, магний, натрий, калий, сумма ионов, аммоний, нитриты, фосфаты, кремний, нефтяные углеводороды, СПАВ, летучие фенолы, пестициды, органические соединения металлов, а также 37 гидробиологических показателей.

Периодичность проведения контроля по гидробиологическим показателям предписывает для категорий пунктов контроля I и II ежемесячные наблюдения по сокращенным программам, для пунктов контроля категории III - в вегетационный период, для всех пунктов контроля - ежеквартально.

Список литературы

Санитарные правила и нормы <Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества>.СанПиН 2.1.4.1074-01. Минздрав России, Москва, 2002 г., 103 с.

Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 <Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования>. М., 2003.

Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа воды. Изд-во <Химия>. М. 1971, 375 с.

Резников А. А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. Методы анализа природных вод. Из-во <Недра>. М. 1970. 488 с.

Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Гидрометеоиздат. Л. 1977.

Государственный контроль качества воды. М:. Изд-во стандартов, 2001. 688 с.

Фомин Г. С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. Энциклопедический справочник. 3-е издание. М:. 2000. 839 с.

Временные методические рекомендации по гидрогеохимическому опробованию и химико-аналитическим исследованиям подземных вод (применительно к СанПиН 2.1.4.1074-01). <ГИДЭК>, Москва, 2002. 63 с.

Методические указания по внедрению и применению Санитарных правил и норм СанПиН 2.1.4. 559-96 <Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества>. Минздрав России. М:. 1998. 71 с.

Солодов И. Н., Величкин В. И., Рубцов М. Г., Купер В. Я., Черток М. Б. Гидрогеохимический каротаж. Теория и практика. М:. Едиториал УРСС. 2005. 319 с.

Гавришин А. И. Оценка и контроль качества геохимической информации. М:. Недра. 1980. 287 с.

Брусиловский С. А. О миграционных формах элементов в природных водах.// Гидрохимические материалы, т. 35. М:. 1963. С. 3 - 16.

Брусиловский С. А., Канакина М. А. Расчет ионного состава ультракислых вод. В сб. "Вопросы формирования химического состава подземных вод", М:. Изд-во Московского Университета. 1963. С. 140 - 153.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://geo.web.ru/