СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ
METHOD TO MEASURE CONTAMINATION OF RIVER WITH WASTE WATERS

Изобретение относится к инженерной экологии речной сети и может быть использовано при гидрологических исследованиях реки и ее притоков по водосборным бассейнам, экологическом мониторинге загрязнения речной системы и качества речной воды, а также при обосновании мероприятий ландшафтного природоохранного обустройства территорий водосборных бассейнов речной системы по отдельным притокам.
Известен способ измерения загрязнения реки (см., например, книгу: Молоков М.В., Шифрин В.Н. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок. М., Стройиздат, 1977. - 104 с.), включающий измерение концентрации загрязняющих веществ в различных створах реки и составление таблицы данных замеров. При этом качество речной воды оценивается по отношению к предельной допустимой концентрации загрязняющего (ПДК) вещества.
Недостатком этого способа является то, что результаты измерений загрязнения реки не сопоставляются с самой рекой, то есть с расположением населенных пунктов и других источников загрязнения, находящихся на реке.
Известен также способ измерения загрязнения реки сточными водами по патенту №2269775, при котором выбирают на реке створы наблюдений, осуществляют отбор проб воды, их консервацию и подготовку для анализа, затем выполняют анализ и оценку результатов измерений, при этом створы наблюдений принимают поперек реки до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника и после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа располагают в черте города или другого населенного пункта.
Недостатком является то, что результаты измерений не соответствуют естественному течению водотока и тем самым каждый водоток речной системы не получает достоверной картины загрязнения. При этом не учитываются расстояния между отдельными створами наблюдения и взятия проб воды, что не позволяет изучать динамику загрязнения речной воды вдоль реки.
Технический результат - расширение функциональных возможностей измерений загрязнения реки сточными водами и повышение точности привязки результатов этих измерений к руслу реки от истока до устья.
Этот технический результат достигается тем, что способ измерения загрязнения реки сточными водами, включающий выбор на реке створов наблюдений, отбор проб воды, их консервацию и подготовку для анализа, затем анализ и оценку результатов измерений, при этом створы наблюдений принимают поперек реки до одного или группы источников сточной воды, отличающийся тем, что на реке выбирают створы наблюдений, начиная с истока реки и закладывая, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений на территории истока реки, затем от первого створа наблюдений измеряют расстояния до последующих вдоль реки створов наблюдений, расположенных в черте, а также до и после города или другого населенного пункта, причем в устье реки также закладывают, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений, а после проведения анализа проб воды для оценки результатов измерений в динамике вдоль основного русла реки эти результаты измерений подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений.
Для повышения точности сопоставления результатов измерений загрязнения реки сточными водами створы наблюдений принимают до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника загрязнения речной воды, а также после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа наблюдений располагают в черте города или другого населенного пункта.
Количество створов наблюдений между истоком и устьем реки меняют в зависимости от потребности в учете динамики появления новых потребителей речной воды и новых источников сброса в реку сточной воды и других загрязнений от постоянных или временных антропогенных объектов.
Для повышения точности оценки динамики загрязнения реки сточными водами измерения на всех створах наблюдений проводят одновременно.
Для выявления методом идентификации биотехнических закономерностей изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений применяют обобщенную формулу:
где у - изучаемый показатель по концентрации загрязнения;
0
y - начальное значение показателя загрязнения в истоке реки;
L - нарастающее расстояние от первого створа наблюдений у истока реки до каждого створа взятия проб речной воды, км;
1
6
a…a - параметры статистической модели, характеризующей закономерность нарастающего изменения значений концентрации загрязняющих веществ в реке на заданный момент времени.
Сущность технического решения заключается в том, что около истока реки закладывается, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений за концентрацией загрязняющих веществ. Это позволяет проводить действенный контроль так называемых природных (фоновых) загрязнений из-за того, что люди все таки традиционно пытаются не сбрасывать нечистоты около истока реки.
Сущность технического решения заключается также в том, что от первого створа наблюдений измеряются нарастающие расстояния до последующих створов, расставленных не только в черте населенных пунктов, и даже не только до и после населенного пункта, а также и в промежутках между населенными пунктами, где происходит несанкционированный постоянный или временный сброс сточных вод, мусора и других отходов жизнедеятельности человека, его промышленной, строительной и сельскохозяйственной загрязняющей речную воду деятельности.
Сущность технического решения заключается также и в том, что в реке каждый вид загрязнения ведет себя наподобие живой популяции, частично вымирая от самостоятельного очищения речной растительностью и илистым дном. Поэтому, как это не покажется на первый взгляд хаотичным, в одно и то же время загрязнения вдоль реки от ее истока до устья, то есть точнее говоря от первого до последнего створа наблюдений, ведут себя по одной и той же обобщенной закономерности, но с большим разнообразием частных проявлений, которые определяются значениями параметров двухчленной биотехнической закономерности.
Положительный эффект достигается тем, что изучение одномоментным образом измеренных во всех точках наблюдений на реке от ее истока до устья позволяет создавать картину поведения загрязнений в речной воде, а многократные измерения в разное время года позволяет определить пространственно-временную динамику поведения реки и людей.
Новизна технического решения заключается в том, что створы наблюдений закладываются и на территории истока реки, а также вне черты населенного пункта в местах появления новых источников загрязнения речной воды, причем не только сточными водами, но мусором и другими видами источников загрязнения речной воды.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
5
На фиг.1 приведена гидрографическая схема реки Большая Ошла, притока реки Малая Кокшага; на фиг.2 показаны экспериментальные точки и график изменения по течению реки Б. Ошла от истока до устья температуры воды; на фиг.3 - то же на фиг.2 водородного показателя; на фиг.4 - то же на фиг.2 концентрации меди; на фиг.5 - то же на фиг.2 концентрации нитритов; на фиг.6 - то же на фиг.2 концентрации азота аммонийного; на фиг.7 -то же на фиг.2 концентрации железа общего; на фиг.8 - то же на фиг.2 концентрации марганца; на фиг.9 - то же на фиг.2 концентрации нитратов; на фиг.10 - то же на фиг.2 концентрации сульфатов; на фиг.11 - то же на фиг.2 концентрации хлоридов; на фиг.12 - то же на фиг.2 химического потребления кислорода (ХПК); на фиг.13 - то же на фиг.2 сухих остатков; на фиг.14 - то же на фиг.2 концентрации фосфатов; на фиг.15 - то же на фиг.2 биологического потребления кислорода (BПK); на фиг.16 - то же на фиг.2 концентрации взвешенных частиц в речной воде; на фиг.17 - то же на фиг.2 по показателю индекса загрязняющих веществ (ИЗВ).
Способ измерения загрязнения реки сточными водами, например на притоке малой реки, включает следующие действия.
На реке выбирают створы наблюдений, начиная с истока реки и закладывая, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений на территории истока реки. Затем от первого створа наблюдений измеряют расстояния до последующих вдоль реки створов наблюдений, расположенных в черте, а также до и после города или другого населенного пункта.
Причем в устье реки также закладывают, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений.
После проведения биохимического анализа проб воды для оценки результатов измерений в динамике вдоль основного русла реки эти результаты измерений подвергают статистическому моделированию. Этим выявляют биотехнические закономерности изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений.
Для повышения точности сопоставления результатов измерений загрязнения реки сточными водами створы наблюдений принимают до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника загрязнения речной воды, а также после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа наблюдений располагают в черте города или другого населенного пункта.
Количество створов наблюдений между истоком и устьем реки меняют в зависимости от потребности в учете динамики появления новых потребителей речной воды и новых источников сброса в реку сточной воды и других загрязнений от постоянных или временных антропогенных объектов.
Для повышения точности оценки динамики загрязнения реки сточными водами измерения на всех створах наблюдений проводят одновременно.
Для выявления методом идентификации биотехнических закономерностей изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений применяют обобщенную формулу:
где у - изучаемый показатель по концентрации загрязнения;
0
y - начальное значение показателя загрязнения в истоке реки;
L - нарастающее расстояние от первого створа наблюдений у истока реки до каждого створа взятия проб речной воды, км;
1
6
a…а - параметры статистической модели, характеризующей закономерность нарастающего изменения значений концентрации загрязняющих веществ в реке на заданный момент времени.
Способ измерения загрязнения реки сточными водами реализуется, например, с использованием результатов измерений концентрации у загрязнений речной воды в прошлом до и после населенных пунктов вдоль притока малой реки по расстояниям от его истока до устья впадения в основное русло реки следующим образом.
На карте отмечают исток и устье реки, а затем также на местах расположения населенных пунктов выбирают створы наблюдений. После этого проводят рекогносцировку территории истока реки и водозащитной полосы вдоль реки и отмечают места с источниками загрязнения речной воды.
Затем на реке выбирают и закладывают в натуре множество створов наблюдений, начиная с истока реки и закладывая, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений на территории истока реки. Затем от первого створа наблюдений измеряют расстояния до последующих вдоль реки створов наблюдений, расположенных в черте, а также до и после города или другого населенного пункта.
Причем в устье реки также закладывают, по крайней мере, один постоянный или временный створ наблюдений.
После проведения биохимического анализа проб воды для оценки результатов измерений в динамике вдоль основного русла реки эти результаты измерений подвергают статистическому моделированию. Этим выявляют биотехнические закономерности изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений.
Для повышения точности сопоставления результатов измерений загрязнения реки сточными водами створы наблюдений принимают до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника загрязнения речной воды, а также после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа наблюдений располагают в черте города или другого населенного пункта.
Количество створов наблюдений между истоком и устьем реки меняют в зависимости от потребности в учете динамики появления новых потребителей речной воды и новых источников сброса в реку сточной воды и других загрязнений от постоянных или временных антропогенных объектов.
Для повышения точности оценки динамики загрязнения реки сточными водами измерения на всех створах наблюдений проводят одновременно.
Для выявления методом идентификации биотехнических закономерностей изменения концентрации загрязняющих веществ в речной воде в зависимости от расстояния от первого створа наблюдений на истоке реки, по значениям нарастающего к устью реки с каждым учтенным в измерениях створом наблюдений применяют обобщенную формулу:
где у - изучаемый показатель по концентрации загрязнения;
0
y - начальное значение показателя загрязнения в истоке реки;
L - нарастающее расстояние от первого створа наблюдений у истока реки до каждого створа взятия проб речной воды, км;
1
6
a…а - параметры статистической модели, характеризующей закономерность нарастающего изменения значений концентрации загрязняющих веществ в реке на заданный момент времени.
Пример. На территории Республики Марий Эл река Большая Ошла, как правый приток реки Малая Кокшага, в свою очередь впадающей в Волгу чуть ниже плотины Чебоксарской ГЭС, протекает по землям семи землепользователей Медведевского района.
Река берет начало на северо-западном склоне Марийско-Вятского увала в лесах Кировской области, затем в 1,5 км севернее п.Майский на отметках 140-150 м течет в южном направлении. После этого около д. Б. Люльпаны резко поворачивает на юго-восток и впадает в реку М. Кокшага с правого берега на 135 м от устья (фиг.1).
Река Б. Ошла является 21-м правым притоком Малой Кокшаги.
Общая длина от истока до устья равна 73,9 км, по территории Республики Марий Эл она находится длиной 66,9 км, а по землям сельскохозяйственных предприятий протекает 36,7 км.
2
Суммарная длина реки с ее притоками первого порядка равна 188,4 км. Площадь водосбора составляет 662 км, средний уклон равен 0,9%, лесистость водосборного бассейна достигает около 60%.
Качество реки Б. Ошлы, притока реки М. Кокшага, от трансграничного пункта наблюдения до устьевого участка сохраняется в основном на уровне «умеренно-загрязненные» (3 класс). Исключением является участок реки ниже сброса с очистных сооружений населенного пункта Турша, где вода отнесена к категории «загрязненные» (4 класс).
Концентрация химических веществ приведена в данных табл.1 по измерениям на 22.05.2007. Здесь видно увеличение вдоль реки таких загрязняющих веществ, как меди, марганца, хлорида, а также происходит увеличение температуры, что может быть вызвано сбросом теплых бытовых и промышленных сточных вод в реку. Это неблагоприятно сказывается на флоре и фауне реки Большая Ошла.
Из данных табл.1 видно, что многие химические вещества достигают максимальных значений в деревне Головине, а также в деревнях Турша и Люльпаны ниже биологических очистных сооружений (БОС). Данные по некоторым веществам недостоверны, так как загрязнение реки до сброса вод с очистных сооружений не может быть выше после сброса, например, концентрация хлоридов в д. Турша выше БОС и равна 4,62 мг/л, а ниже БОС составляет 2,84 мг/л. Поэтому нижеприведенные статистические модели имеют только трендовые закономерности без учета волновых составляющих.
Общая закономерность загрязнения реки имеет вид уравнения
где у - изучаемый показатель загрязнения;
0
y - начальное значение показателя загрязнения в истоке реки;
L - нарастающее расстояние от истока реки до створа взятия проб речной воды около населенных пунктов, км;
1
6
a…а - параметры статистической модели, описывающей общую закономерность нарастающего изменения измеренных и расчетных значений концентрации загрязняющих веществ в реке на заданный момент времени.
По данным измерений из табл.1 в табл.2 приведены значения параметров модели (1) по различным видам загрязняющих веществ.
Таблица 2
Параметры биотехнических закономерностей изменения концентрации загрязняющих веществ по длине реки от истока до устья по данным измерений на 22.05.2007
Вид загрязнения
Значения параметров статистической модели (1)
r
Y<sub>0</sub>
а<sub>1</sub>
a<sub>2</sub>
a<sub>3</sub>
a<sub>4</sub>
a<sub>5</sub>
a<sub>6</sub>
Температура
24,26
0,02343
1
0,02504
1,70497
0
1
0,999
pH
9,014
0
1
-0,010525
1,98330
0,076752
1
0,952
Медь
0
0
1
1,7507е-7
2,73596
-0,21891
1
0,989
Фенолы
0
0
1
0,0001865
0,6015
0,02036
1,0376
0,169
Нитриты
0
0
1
0,007867
0,8248
0,04010
1,0021
0,642
Нефтепродукты
0,1330
0,03887
1
0
1
0
1
0.448
Алюминий
0,08675
0,005706
1
0
1
0
1
0,365
Азот аммоний
0
0
1
0,0002498
3,15275
0,11774
1,00465
0,965
Железо общее
1,4967
0,016878
0,87508
0
1
0
1
0,913
Марганец
0,0003641
-0,11197
1,00063
0
1
0
1
0,746
Нитраты
0
0
1
0,032506
2,8006
0,22026
0,90543
0,668
Сульфаты
23,2782
-9,3834е-6
2,58298
0
1
0
1
0,799
Хлориды
1,36621
-0,015807
1,27464
0
1
0
1
0,891
Цинк
0
0
1
1,9493е-5
2,25894
0,05027
1,0123
0,537
ХПК
22.096
0
1
0,004582
4,6392
0,28023
1
0,934
Сухой остаток
183.19
0
1
2,968le-7
7,7682
0,29896
1
0,735
Фосфаты
0
0
1
0,0012729
2,71138
0,15909
1
0,683
БПК<sub>5</sub>
0
0
1
0,0052797
4,12330
0,17321
1
0,924
Взвешенные вещества
45,569
0,078879
0,65291
0
1
0
1
0,675
Магний
8,180
0,003259
1
0
1
0
1
0,047
Кальций
42,476
-0,0044126
1
0
1
0
1
0,204
Гидрокарбон
3,233
0,0008349.
1
0
1
0
1
0,335
ИЗВ
0
0
1
0,05134
2,0623
0,07041
1,0688
0,703
Примечание: г - коэффициент корреляции выявленной закономерности.
По принципу «от простого к сложному» можно предложить (табл.3) «кирпичики» для построения по ходу структурно-параметрической идентификации биотехнического закона.
В табл.3 приведены все «нормальные» фрагменты, у которых впереди могут быть оперативные константы в виде знаков «+» или «-». При этом при моделировании временных рядов (расстояния вдоль реки также относятся к временным рядам при средней скорости течения реки) тренд нужно вначале искать по закону экспоненциального роста или гибели (спада).
Все шесть устойчивых законов распределения, приведенные в табл.3, являются частными случаями биотехнического закона. Именно это обстоятельство позволяет применять обобщенную модель (1) в данном примере при моделировании концентрации загрязнений вдоль реки от ее истока до устья.
Уровни коэффициента корреляции. Теперь можно определиться с уровнями коэффициента корреляции. Это позволит затем ранжировать биотехнические закономерности изменения концентрации загрязняющих веществ вдоль реки от ее истока до устья.
Таблица 3
Математические конструкты для построения статистической модели
Фрагменты без предыстории изучаемого явления или процесса
Фрагменты с предысторией изучаемого явления или процесса
y=ax - закон линейного роста или спада (при отрицательном знаке перед правой стороной приведенной формулы)
y=а - закон невлияния принятой переменной на показатель, который имеет предысторию значений
у=ax<sup>b</sup> - закон показательного роста (закон показательной гибели у=ax<sup>-b</sup> не является устойчивым из-за бесконечности при нулевом значении объясняющей переменной)
у=а ехр(±сх) - закон Лапласа (Ципфа в биологии, Парето в экономике, Мандельброта в физике) экспоненциального роста или гибели, относительно которого создан метод операторных исчислений
y=ax<sup>b</sup> exp(-cx) - биотехнический закон в упрощенной форме
у=a exp(±cx<sup>d</sup>) - закон экспоненциального роста или гибели, по автору
у=ax<sup>b</sup> ехр(-cx<sup>d</sup>) - биотехнический закон, предложенный проф. П.М. Мазуркиным (Мазуркин П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие / П.М. Мазуркин, А.С.Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.<sup>1</sup>)
Всего рассмотрим шесть уровней, начиная от коэффициента корреляции, равного 0,500. При этом рекомендуемые в существующей теории регрессионного анализа зависимости с коэффициентами корреляции от 0,3 до 0,5 отбрасываем.
Как известно, грубая классификация уровней коэффициента корреляции следующая: а) до 0,3 - нет связи между факторами; б) от 0,3 до 0,7 - есть связь между двумя факторами; в) выше 0,7 - имеется сильная связь между переменными факторами.
Предложенные нами шесть уровней адекватности следующие:
а) коэффициент корреляции не меньше 0,500;
б) значение коэффициента корреляции не менее 0,600;
в) интервал изменения коэффициента корреляции от 0,700 и выше;
г) интервал коэффициента корреляции от 0,800 и более;
д) коэффициент корреляции изменяется от 0,900 и более;
е) коэффициент корреляции равен 1,000.
Для гидрологических и инженерно-экологических исследований рекомендуется принять уровень в 0,6. На фиг.2 - 17 приведены те графики выявленных биотехнических закономерностей, которые имеют коэффициент корреляции выше 0,600. Эти графики характеризуются уравнением (1) при подстановке значений параметров модели из данных табл.2.
Таким образом, предложенный способ можно реализовать и при существующей последовательности измерений до и после очистных сооружений населенных пунктов, расположенных вдоль реки. Однако эксперименты показали, что для повышения точности сопоставления результатов измерений загрязнения реки сточными водами створы наблюдений лучше всего принимают по прототипу. Поэтому пробы воды следует брать в створах наблюдений до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника загрязнения речной воды, а также после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа наблюдений располагают в черте города или другого населенного пункта.
0
Кроме того, точность измерений и сопоставления результатов анализа проб речной воды повысится при условии одновременности взятия проб речной воды и обязательного анализа проб воды непосредственно на истоке реки. В последнем случае появляется возможность точного определения параметра y у статистической модели (1).
Предлагаемый способ обладает простотой параметрического описания речной сети створами в местах взятия проб речной воды на каждом водотоке около населенных пунктов. Он значительно повышает точность соотнесения данных измерений загрязнения с гидрографической сетью реки от истока до устья каждого притока и самой реки. Поэтому предлагаемый способ позволяет составлять геоинформационные системы по отдельным сериям измерений концентрации загрязнения речной воды различными видами загрязняющих веществ, причем с территориальной привязкой загрязнения от истока до устья отдельных притоков малой реки.
При применении предложенного способа особое значение приобретает территориальный экологический мониторинг загрязнения тех водотоков речной сети, на которых расположены населенные пункты.