Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Оценка, прогнозирование и улучшение качества речных вод в условиях антропогенного воздействия 10
1.1 Оценка качества речных вод в условиях антропогенного воздействия 10
1.2 Исследования химического состава рек Уфимского бассейна 14
1.3 Антропогенные факторы формирования химического состава речных вод 16
1.4 Прогнозирование химического состава речных вод 21
1.5 Очистка природных вод и активизация процессов самоочищения в русле реки 27
Выводы по первой главе 30
ГЛАВА 2 Объект и методы исследования 32
2.1 Объект исследования и исходные данные 32
2.1.1 Общая характеристика объекта исследования 32
2.1.1.1 Физико-географические факторы формирования химического состава речных вод 32
2.1.1.2 Физико-химические факторы формирования состава речных вод 40
2.1.2 Общая характеристика исходных данных 42
2.2 Методы исследования 45
2.2.1 Определение функции распределения значений показателей качества речных вод 45
2.2.2 Анализ однородности рядов значений показателей качества речных вод 49
2.2.2.1 Первичный анализ рядов значений показателей качества речных вод 49
2.2.2.2 Статистическая проверка нарушения однородности рядов значений показателей качества речных вод 49
2.2.3 Построение кривых обеспеченности 50
Выводы по второй главе 51
ГЛАВА 3 Опенка качества речных вод уфимского бассейна 52
3.1 Анализ межгодовой динамики изменения качества речных вод Уфимского бассейна 53
3.1.1 Характеристика антропогенного воздействия в пределах Уфимского бассейна 53
3.1.1.1 Характеристика организованных источников загрязнения рек Уфимского бассейна 54
3.1.1.2 Характеристика неорганизованных источников загрязнения рек Уфимского бассейна 58
3.1.2 Определение закона распределения значений показателей качества речных вод Уфимского бассейна 63
3.1.3 Выявление межгодовых изменений качества речных вод Уфимского бассейна 73
3.1.4 Исследование однородности рядов значений показателей качества речных вод Уфимского бассейна 80
3.1.4.1 Графический анализ однородности рядов значений показателей качества речных вод Уфимского бассейна 80
3.1.4.2 Анализ статистической однородности рядов значений показателей качества речных вод Уфимского бассейна 88
3.2 Оценка пригодности речных вод Уфимского бассейна для различных видов водопользования 91
3.2.1 Определение приоритетных загрязняющих веществ Уфимского речного бассейна 104
3.3 Оценка вероятности загрязнения рек Уфимского бассейна в различные фазы водного режима 110
Выводы по третьей главе 121
ГЛАВА 4 Прогнозирование химического состава речныхвод 123
4.1 Долгосрочное прогнозирование гидрохимического состава реки Уфа и реки Шугуровка с использование динамических статистических моделей 123
4.1.1 Анализ Фурье временных рядов значений показателей качества воды р.Уфы и р.Шугуровки 126
4.1.2 Определение параметров модели АРПСС временного ряда значений показателя качества речных вод 130
4.1.2.1 Определение порядка разности d моделей АРПСС временных рядов значений показателей качества воды р.Уфы и р.Шугуровки 132
4.1.2.2 Определение параметра авторегрессии р и скользящего среднего q модели АРПСС временных рядов значений показателей качества воды р.Уфы и р.Шугуровки 138
4.1.2.3 Определение сезонных параметров Ps, ds, Os модели АРПСС
временных рядов значений показателей качества воды р.Уфы и р.Шугуровки 140
4.1.3 Исследование адекватности моделей АРПСС для прогнозирования качества воды р.Уфы и р.Шугуровки 141
4.1.4 Прогнозирование качества воды р.Уфы и р.Шугуровки с использованием модели АРПСС 144
4.2 Краткосрочное прогнозирование химического состава речных вод с использованием нейронных сетей 149
Выводы по четвертой главе 152
ГЛАВА 5 Разработка технических решений по реабилитации малых водотоков в пределах урбанизированных территорий (на примере реки шугуровка) 153
5.1 Принципиальная технологическая схема очистки речной воды 154
5.2 Эколого-экономическое обоснование технологической схемы очистки речной воды в русле 160
5.2.1 Расчет экономических показателей внедрения технологической схемы очистки воды реки Шугуровка 161
5.2.2 Расчет предотвращенного экологического ущерба водным ресурсам 163
5.3 Экономический эффект от внедрения комплекса очистных сооружений на реке Шугуровка 165
Выводы по пятой главе 166
Выводы 168
Список литературы 170
Приложения
- Оценка качества речных вод в условиях антропогенного воздействия
- Физико-географические факторы формирования химического состава речных вод
- Анализ межгодовой динамики изменения качества речных вод Уфимского бассейна
- Долгосрочное прогнозирование гидрохимического состава реки Уфа и реки Шугуровка с использование динамических статистических моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Бассейн реки Уфа является примером территории с
высокой степенью урбанизации, развитой промышленностью, которые приводят к
качественному и количественному истощению водных ресурсов. В пределах
водосборной площади сосредоточены горнодобывающие,
горноперерабатывающие, металлургические, нефтехимические,
нефтеперерабатывающие, машиностроительные предприятия, населенные пункты, полигоны и свалки твердых бытовых отходов. Организованные сбросы, талые и ливневые воды с территорий, подверженных антропогенной нагрузке, загрязняют речную воду, приводят к изменению среды обитания гидробионтов и создают угрозу системам жизнеобеспечения людей, например, Южному и Северному питьевым водозаборам города Уфы, расположенным в устье реки Уфа. В этой связи для обеспечения рационального водопользования в пределах речного бассейна актуальным является выполнение адекватной оценки экологического состояния водных ресурсов, прогноз качества воды, используемой в питьевых, бытовых, рыбохозяйственных целях, а также разработка мероприятий по снижению ее загрязненности.
Работа выполнена по тематике, входящей в Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утв. Президентом РФ 21 мая 2006г. №Пр-843, и в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры «Безопасность производства и промышленная экология» Уфимского государственного авиационного технического университета.
Цель исследования - оценка и прогнозирование качества речных вод Уфимского бассейна с учетом антропогенной нагрузки на водосборе и гидрологических особенностей водотоков, а также разработка технических мероприятий, направленных на снижение загрязненности малых водотоков.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
анализ качества речных вод Уфимского бассейна за многолетний период для выявления закономерностей в изменении содержания загрязняющих веществ в условиях трансформации антропогенной нагрузки на водосборе;
оценка возможности использования речных вод Уфимского бассейна для рыбохозяйственного и культурно-бытового, хозяйственно-питьевого водопользования, а также выявление приоритетных загрязняющих веществ для реки Уфа и ее притоков;
оценка вероятности загрязнения речных вод в различные фазы водного режима для выявления сезонных изменений качества;
- апробация статистических динамических моделей, а также методов
интеллектуального анализа данных (искусственных нейронных сетей) для
прогнозирования химического состава воды реки Уфа и ее притоков в условиях
стохастичности природного и антропогенного воздействия;
- разработка технических решений по реабилитации малых водотоков на
техногенно-нагруженных, урбанизированных территориях для обеспечения
экологической безопасности природных вод (на примере реки Шугуровка).
Научная новизна.
Выявлены многолетние и межсезонные закономерности изменения качества речной воды, обусловленные антропогенным воздействием. Определена пригодность воды для различных видов водопользования по среднегодовым значениям показателей качества.
Определена вероятность загрязнения водотоков исследуемыми поллютантами в различные фазы водного режима.
Показана возможность использования динамических статистических моделей для долгосрочного (до 12 мес.) прогнозирования гидрохимического состава речных вод.
Показана возможность использования искусственных нейронных сетей с архитектурой многослойный персептрон и радиально-базисная сеть для краткосрочного (3 мес.) прогноза качества речных вод.
Практическая значимость.
Создана информационно-аналитическая система, состоящая из базы данных, содержащей сведения о химическом составе воды р.Уфы и ее притоков и компьютерной программы «Анализ гидрохимических данных», позволяющей осуществлять обработку и визуализацию данных наблюдений, получаемых на пунктах контроля, выявлять тенденции изменения качества речных вод во времени (Свидетельства о регистрации в Роспатенте: № 2007612853 и № 2007620231 от 29 июня 2007 г.).
Установленные закономерности изменения содержания компонентов химического состава речных вод используются Башкирским территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для определения качества воды при существующем уровне эколого-экономического развития региона и неизменности гидрологического режима водотоков (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 1-18-916 от 29.10.2007).
Показана возможность улучшения экологического состояния малого водотока, в который загрязняющие вещества поступают с поверхностным стоком. Предложенные мероприятия могут использоваться для реабилитации рек, протекающих в пределах урбанизированных территорий на устьевых участках. Эколого-экономический эффект от внедрения схемы снижения загрязненности воды для реки Шугуровка составляет 4 951, 65 тыс. руб.
Методы исследования и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются при подготовке специалистов по специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и по направлению 280200 «Защита окружающей среды».
Защищаемые положения.
Результаты оценки качества речных вод Уфимского бассейна.
Применимость динамической статистической модели и нейронных сетей вида MLP и RBF для прогнозирования химического состава воды рек Уфа и Шугуровка, позволяющие дать перспективную оценку гидроэкологической ситуации в устьевой зоне речного бассейна.
Технические решения по реабилитации малых водотоков от загрязнения на техногенно-нагруженных, урбанизированных территориях и обеспечению нормативов качества рыбохозяйственного водопользования (на примере реки Шугуровка).
Личный вклад автора заключается в выявлении многолетних и межсезонных закономерностей изменения качества речных вод и получении количественных оценок качества воды в виде среднегодовых значений гидрохимических показателей, позволяющих определить пригодность для различных видов водопользования; вероятностной оценке загрязнения рек в различные фазы водного режима, апробации динамических статистических моделей и искусственных нейронных сетей для определения перспективного гидрохимического состава речных вод.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII, IX международной конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ» (Новосибирск, 2003-2004), «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2006), научной конференции «Водоснабжение, водоотведение, охрана водных ресурсов, гидрогеоэкология» (Москва, 2006), II Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва, РАН, 2006), VII Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006), международной научно-практической конференции «Региональные экологические проблемы современности» (Уфа, 2006), международной научно-технической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна» (Комсомольск-на-Амуре, 2006), XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань, 2007), Всероссийской конференции «Безопасность в современном мире: теория и практика» (Чита, 2007), Конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2007-2008), I Международном экологическом конгрессе ELPIT - 2007 (Тольятти, 2007), Международных симпозиумах: «Hazards - Detection and Management» (Дрезден, Германия, 2008) и «10. Treffen junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Wasserbauinstituten» (Инсбрук, Австрия, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 работ, в том числе 3 статьи в журнале, входящем в Перечень ВАК и глава коллективной монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, включает 30 таблиц, 57 рисунков. Список использованных источников включает 176 наименований.
Оценка качества речных вод в условиях антропогенного воздействия
Работы в области исследования качества и условий формирования химического состава речных вод посвящены:
Изучению влияния гидрологического режима на химический состав речных вод [3-5]. Шикломанов И.А. [3] на примере рек Волга, Днепр, Дон, Урал показал, что изменения водности рек и их водного режима являются исключительно важными экологическими факторами. Под влиянием регулирования стока водохранилищами, изъятия его на орошение, другие нужды сельского хозяйства и промышленности происходят существенные изменения гидрологического и гидрохимического режима не только малых, но и больших рек.
Скакальский Б.Г. в работе [4] исследовал влияние антропогенных изменений климата на качество речных вод и показал, что одним из последствий глобального потепления климата в отношении качества вод являются последствия, связанные с изменениями гидрологического режима водных объектов. Установлено, что при увеличении годового стока от 3-5 до 15% минерализация воды не снижается, а возрастает на 4-10% при возрастании концентрации хлоридов до 30%.
Бреховских В.Ф. в монографии [5] рассмотрел основные элементы гидрохимического и гидрологического режимов реки Северная Двина, ее притоков и дельты. Показал их пространственно-временную изменчивость и связь с гидрометеорологическими процессами. Особое внимание уделено кислородному режиму реки в период ледостава, который является наиболее критическим для экосистем.
Оценке воздействия агротехнических мероприятий и поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий на гидрохимический режим речных вод [6-11]. В частности, в работе Андрейчик М.Ф. [11] исследованы предприятия сельского хозяйства как основные источники загрязнения водоемов. Показано, что расположение животноводчесішх хозяйств в санитарной зоне рек (500м от берега) приводит к загрязнению береговой полосы навозом, который складируется в непосредственной близости от уреза воды. Приведены данные, характеризующие гидроэкологическую опасность распашки береговой зоны.
Трансформации химического состава речных вод под влиянием промышленных стоков [12-15]. Фащевской Т.Б. [15] исследовано изменение химического состава реки Белая в створе города Стерлитамак в результате ввода в эксплуатацию таких предприятий химической отрасли промышленности как «Сода», «Каустик». Показано, что в результате сброса сточных вод с этих объектов произошло преобразование химического состава реки по морскому типу, в настоящее время во все фазы водного режима содержание хлоридных ионов превышает содержание сульфатных. Исследователем отмечается, что в существующей системе мониторинга качества поверхностных вод Российской Федерации недостаточное внимание уделяется учету неточечных (рассредоточенных по территории водосбора) источников загрязнения.
Изменению состояния водотоков в пределах урбанизированных территорий [16-28]. Анализ влияния урбанизации на химический состав поверхностных вод бассейна реки Верхняя Обь, выполненный Парфеновой Г.К. [16], свидетельствует о перестройке ионного состава воды, увеличении концентрация в речных водах ионов магния, натрия, сульфатов, хлоридов и снижении концентрация ионов кальция и гидрокарбонатов.
Оценка загрязнения реки Нева биогенными веществами в районе города Санкт-Петербург выполнена Шелутко В.А. и Тороповой Н.М. [2]. Знаменским В.А. в работе [17] установлено нарушение гидрохимического режима нижнего участка р.Невы в результате осушения и канализирования территории г.Санкт-Петербурга, неэффективности работы городской канализации и поступления загрязнений с прилегающих территорий, ухудшение условий перемешивания, разбавления и выноса загрязнений, понижение качества воды у городских водозаборов. Васильевой Н.В. и Суббето Д.А. [19] исследовано влияние города Великого Новгорода на поверхностные водные объекты. Шилькрот Г.С., Ясинский СВ. [20] выявили пространственно-временную изменчивость потока биогенных элементов для реки Истра, протекающей по территории Московской области. Яценко Е.С. [21] дана характеристика состояния реки Обь на основании химического состава воды; выявлено увеличение значений показателей качества речной воды: общей минерализации, содержания взвешенных веществ, нитратов и нитритов, жесткости, БПК в связи с влиянием сточных сбросов предприятий города Барнаул. Аналогичная оценка осуществлена Ясинским СВ. и др. [22] для реки Москва.
Физико-географические факторы формирования химического состава речных вод
Геоморфологические условия. Бассейн реки Уфа по геологическому строению является платформенной областью и представлен Уфимским плато и Юрюзанско-Айской холмисто-увалистой равниной [7]. Уфимское плато расположено на северо-востоке башкирской части Предуралья и представляет собой плоскую возвышенность, вытянутую в меридиональном направлении, уходящую к северу за пределы Республики Башкортостан. Поверхность плато (со средней высотой 380 - 460 м), густо расчленена долинами рек: Уфа, Юрюзань и Ай. Днища узких и извилистых речных долин врезаны на глубину 150 - 200 м, склоны крутые, часто скалистые, с многочисленными обнажениями карбонатных пород. Широкое распространение карбонатных пород (известняков и доломитов) является причиной развития карста. В связи с этим на плато поверхностный сток и местная речная сеть развиты очень слабо. Поверхностные воды быстро переводятся в подземные карстовые. Прорезающие плато реки получают усиленное питание карстовыми водами, что сказывается в повышении естественной зарегулированности речного стока.
Юрюзанско-Айской холмисто-увалистая равнина расположена между Уфимским плато и западным склоном Урала. Западная часть равнины отличается выровненным рельефом. Здесь с широким распространением гипсоносных песчаников связаны карстовые явления, оказывающие влияние на качество речных вод и гидрологический режим рек. Средние высоты поверхности Юрюзанско-Айской равнины в пределах водосборной территории составляют 250 - 400 м, увеличиваясь от 180 м на водосборе реки Ай до 530 м на северо-востоке равнины (Белокатайская возвышенность) [7, 40].
Геоморфологические условия Уфимского водосборного бассейна благоприятствуют развитию карстовых явлений. Карст относится к числу наиболее характерных азональных факторов, сильно влияющих на гидрологический режим рек и качество речных вод. Для бассейна реки Уфа характерно распространение карбонатного карста [132]. Так, например, в химическом составе вод рек: Уфа, Ай, Юрюзань, по данным Государственного водного кадастра за 1988-2005гг. преобладают гидрокарбонатные ионы [147] (рис.2.1).
Климатические условия территории Уфимского водосборного бассейна определяются его физико-географическим положением в умеренном климатическом поясе и внутри материка Евразии вдали от океанов. Климат отличается резко выраженной континентальностью, т. е. характеризуется продолжительной суровой зимой, теплым, иногда жарким летом, большой амплитудой колебания температуры воздуха. Уральские горы затрудняют поступление западных воздушных масс, несущих влагу с Атлантического океана, в пределы Сибири, создавая тем самым благоприятные условия для выпадения осадков в Предуралье. Зимой морские воздушные массы приносят оттепели, летом - прохладу. Вторжения арктического воздуха летом и континентального воздуха из Сибири зимой вызывают резкое похолодание. Среднегодовая температура воздуха в бассейне реки Уфа составляет 0,7 - 2,5 С. Самый холодный месяц года январь, самый жаркий - июль. Средняя продолжительность безморозного периода 80-130 дней [30].
Распределение осадков и их количество в первую очередь зависит от характера атмосферной циркуляции, при этом отчетливо проявляется влияние Уральских гор. Годовые суммы осадков изменяются по территории в пределах 550-800 мм (рис.2.2). При этом основная часть осадков (60-70% годовой суммы) выпадает в теплый период года - с апреля по октябрь. IS годовая сумма осадков, мм __ . __ границы административных Несмотря на довольно сложную картину образования осадков внутри года, в формировании годовых сумм атмосферных осадков обнаружены четко выраженные закономерности. Минимальные суммы осадков отмечаются метеостанциями Башкирского УГМС в феврале, максимальные -в июле. Сильные дожди выпадают преимущественно в июле и августе [30].
В распределении твердых осадков на территории бассейна реки Уфа наблюдается значительная неравномерность. Первое проявление снежного покрова отмечается на равнинных территориях в конце, а в горах к середине октября месяца. Установление снежного покрова происходит 5-10 ноября. В пределах Уфимского плато наблюдаются наибольшие значения высоты снежного покрова (200-250 мм), Юрюзанско-Айское понижение отличается наименьшими показателями (100-150 мм) (рис. 2.3). Глубина промерзания почв составляет 110-120 мм [30].
Распределение величины испарения с поверхности водосбора реки Уфа подчиняется законам географической зональности [40]. Величина испарения оказывает влияние не только на водный режим рек, но и сказывается на тепловом режиме водосбора. Среднегодовое испарение с поверхности водосбора 460-480 мм. Распределение величин годового испарения в пределах Уфимского водосборного бассейна представлено нарис.2.4.
Анализ межгодовой динамики изменения качества речных вод Уфимского бассейна
Организованные источники загрязнения речных вод представлены сточными водами с объектов промышленности, животноводческих комплексов, хозяйственно-бытовыми стоками.
Сточные воды с объектов промышленности преимущественно содержат в своем составе органические и неорганические примеси, также могут иметь в своем составе токсичные соединения, специфические виды микроорганизмов, используемых в промышленности [162].
Контроль водоотведения организаций осуществляется в виде обязательного ежегодного оформления форм экологической статистической отчетности №2тп (водхоз). Формы №2тп (водхоз) содержат сведения об объемах водоотведения, составе сточных вод, отводимых в водные объекты отчитывающейся организации. На территории Республики Башкортостан контроль осуществляет Федеральное государственное управление по мониторингу водных объектов бассейна рек Белой и Урала (ФГУ МВО БУ).
Выявлены следующие группы источников антропогенного загрязнения - организации, осуществляющие водоотведение в реки Уфимского бассейна [52,54,163]: 1) промышленные предприятия и объекты энергетики, 2) предприятия нефтегазоперерабатывающей промышленности, 3) предприятия пищевой промышленности, 4) предприятия коммунального хозяйства, 5) медицинские учреждения и санатории.
В р.Уфу сточные воды поступают с предприятий Челябинской области (Уфалейский завод «Уралэлемент»), Свердловской области («Михайловский завод обработки цветных металлов», МУЛ «Тепловые сети г.Красноуфимска») и Башкортостана (Домостроительный комбинат-2 АО Крупнопанельного домостроения, ДП Железобетонных изделий АО «Башнефтезаводстрой», Уфимская ТЭЦ-2, Специализированное управление ремонта и строительства искусственных сооружений, ОАО «СТЕКЛОНиТ» (г.Уфа), Нуримановская центральная районная больница, Нуримановское ГУЛ ЖКХ (с.Красная Горка), ОАО «Газпром» ООО «Баштрансгаз» Полянское ЛПУ). Сточные воды содержат никель, мышьяк, медь, хром (III, VI), цинк, сульфаты, ртуть, фенолы [52,54,163].
В р.Юрюзань в пределах Челябинской области поступают сточные воды с Усть-Катавского вагоностроительного завода, Приборостроительного завода г.Трехгорного, а также подотвальные воды Бакальского рудоуправления. Сточные воды предприятий преимущественно содержат медь, цинк, хром (III, VI), железо (II, III) и нефтепродукты. На территории Республики Башкортостан сброс сточных вод в р.Юрюзань осуществляет Малоязовский маслозавод [52,54].
В р.Ай сточные воды, содержащие свинец, сульфаты, железо (II, III), цинк, хром (III, VI), поступают с металлургических заводов г.Златоуста и г.Сатки [52].
В табл.3.1 приведены организации, осуществляющие водоотведение в реки Уфимского речного бассейна. Следует отметить, что наибольший вклад в загрязнение реки Уфа нефтепродуктами, сульфатами, азотом аммонийным, взвешенными веществами вносит ОАО «СТЕКЛОНиТ», наибольшее количество хлоридов и фосфатов поступает со сточными водами Нуримановского МУП ЖКХ. Качество воды реки Ай обусловлено поступлением сточных вод от таких предприятий, как АО «Кигинский маслодельный завод», Мечетлинский МУП ЖКХ, расположенных на притоках реки Ай - реке Карамалы и реке Ик, соответственно. В реку Юрюзань наибольшие объемы загрязняющих веществ: нефтепродуктов, азота аммонийного, нитритов, нитратов, фосфатов, а также взвешенных веществ поступают в составе сточных вод ГУЛ Санаторий «Янгантау» [54,163].
Как видно из рис. 3.1, с 1990г. по 2004г. поголовье крупного рогатого скота сократилось с 373,2 до 199,6 тыс. голов, свиней - с 176,4 до 86,4, овец и коз - с 248 до 103,7, лошадей - с 26 до 20,2 тыс. голов. Общее сокращение поголовья скота за этот период составило 413,7 тыс. голов. Однако в 2003г. отмечался рост поголовья скота.
В хозяйственно-бытовых сточных водах от кухонь и туалетных комнат, бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений, жилых и общественных зданий, бытовых помещений промышленных предприятий основную часть органических загрязнений составляют белковые вещества, жиры, углеводы и продукты их разложения. Неорганическую часть загрязнений составляют соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организме человека. К неорганическим примесям сточных вод относятся также песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые сточные воды от мытья овощей и фруктов, уборки помещений и т.д. Загрязнения органической природы составляют 45 58% общей массы загрязнений бытовых сточных вод. Особенностью хозяйственно-бытовых сточных вод является относительно постоянный состав [162]. Хозяйственно-бытовые стоки в реки Уфимского бассейна поступают с очистных сооружений городов: Усть-Катава, Юрюзани, Златоуста, Красноуфимска, Нязепетровска, населенных пунктов: р.п. Павловка, Караидель, Малояз [52,54].
Неорганизованные источники загрязнения представлены поверхностными стоками с промплощадок предприятий, территорий городов, свалок, полигонов ТБО, сельскохозяйственных угодий, мест массового отдыха людей, а также аварийными сбросами в водные объекты.
Поверхностные стоки образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним относятся также талые воды, образующиеся при таянии льда и снега. Отличительной особенностью поверхностного стока является эпизодичность и резкая неравномерность по расходу и качеству воды.
Зимой снег аккумулирует загрязнения из воздуха, с автодорог и противогололедные реагенты, содержащие хлориды, фосфаты, нитраты, сульфаты и другие вещества. Собранный на городских улицах снег складируется, в основном, на неорганизованных свалках, которые, как правило, размещаются в пойменной части водоемов.
Снежный покров в техногенных зонах города, такого как, например, Уфа, является природным накопителем загрязняющих веществ. В пределах таких зон, как показывают результаты исследований, отмечается превышение уровня рыбохозяйственной ПДК содержания следующих ингредиентов в талом снеге: цинка, марганца и меди [164]. Вместе с талыми водами в водные объекты попадает в среднем 40% загрязняющих веществ из снежной массы, размещаемой на неорганизованных площадках, а остальные 60% вредных веществ загрязняют почвенный покров [165]. В табл.3.2 представлены сведения о содержании различных загрязняющих веществ в снеге на неорганизованных свалках г.Уфы.
Свалки являются источником интенсивного загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Химические вещества, содержащиеся в фильтрате от свалок твердых бытовых отходов (ТБО) поступают в поверхностные воды. Часто ореол загрязнения от полигонов распространяется по линиям тока подземных вод в сторону населенных пунктов, влияет на качество воды действующих водозаборов [166, 167].
Долгосрочное прогнозирование гидрохимического состава реки Уфа и реки Шугуровка с использование динамических статистических моделей
Для осуществления долгосрочного 12-ти месячного прогноза использована динамическая модель АРПСС (Авторегрессии Проинтегрированного скользящего среднего, АШМА), рассматривающая Анализ Фурье (определение величины сезонного периода Т) значения показателей качества речной воды за многолетний период как функцию тенденции, Определение порядка разности модели ( и ) Определение параметров стационарной модели (параметры авторегрессии р и скользящего среднего О ) Определение сезонных параметров модели (параметры Ps, ds и Qs) периодических (сезонных) и случайных колебаний, как показано в литературном обзоре, хорошо зарекомендовавшая себя при прогнозировании значений Tt АРПСС (p,d,q){Ps,ds,Qs)
Последовательность определения параметров модели АРПСС нестационарных временных рядов. Последовательность определения параметров математической модели АРПСС представлена на рис. 4.1.
Динамические модели временных рядов значений показателей качества речных вод являются частными случаями общей линейной модели (ОЛМ). В основе ее определения лежат понятия стационарного временного ряда и «белого шума». Временной ряд значений гидрохимического показателя является стационарным, если на протяжении всего периода наблюдений средняя величина значения показателя качества остается постоянной.
На химический состав речных вод оказывает влияние большое число случайных факторов (например, залповые и аварийные сбросы сточных вод). Если совокупное случайное воздействие на водоток в момент времени t обозначить как gt, то «белым шумом» называется последовательность {gt } независимых одинаково распределенных величин gt. Так как «белый шум» состоит из независимых значений, то прогнозировать временной ряд, являющийся «белым шумом», не представляется возможным [68].
ОЛМ временного ряда значений Xt гидрохимического показателя определяется как линейная комбинация текущего и прошлых значений случайных воздействий gt на химических состав речных вод: X = gt + Y\ "g(M)+ 2 -g(/-2)+ 3 -3)+-.., (4.1) где Wt - параметры ОЛМ временного ряда. В теории ОЛМ рассматривается обратная форма уравнения (4.1): Xt = gt+ 7Гі- g(M) + 7г2 git-2) + Щ g(t-3) + -, (4.2) где щ = Vі - параметр обратной модели ОЛМ (обратная функция от параметра V) [68].
В действительности наблюдаемые значения гидрохимических показателей обнаруживают нестационарный характер, что связано с изменением условий формирования химического состава речных вод. Нестационарных временных рядов описываются моделями типа: Xt=0x -Х{,Л)+ ... + Фр Xit.p) + gt-01 g(M)- ... - Qq g(t-q),. (4.3) у которых d корней уравнения Xt-0i- Х(м) -...-Фр x(t.p) = 0 (4.4) равны единице.
Модель временного ряда значений гидрохимического показателя, описываемая уравнением (4.4), называется моделью авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС). При этом, если входящая в состав АРПСС модель АР (авторегрессии) имеет порядок р, а модель СС (скользящего среднего) - порядок q, то модель АРПСС записывается как АРПСС (р ,d ,q ), а величина d называется порядком разности модели.
Математическое описание и параметры моделей, входящих в состав модели АРПСС, приведено далее. В ОЛМ временного ряда значений показателя качества речных вод число случайных факторов gh оказывающих воздействие на химический состав воды, бесконечно. Однако качество речных вод формируется под влиянием конечного числа факторов. Если на водоток воздействует q случайных факторов, то линейная модель временного ряда значений гидрохимических показателей, в соответствии с формулой (4.4), выглядит следующим образом: Xt gt 0\ g(/-l) - 02 g(t-2) - ... -Oq g(t-q), (4.5) где коэффициенты (-0,-) являются параметрами линейной модели ряда значений гидрохимического показателя.
Уравнение (4.5) является моделью скользящего среднего временного ряда значений показателя качества речной воды (модель обозначается как СС( q )). Число q определяет порядок модели скользящего среднего.
Авторегрессией значения гидрохимического показателя называется линейная зависимость его величины (Xt) от множества собственных значений, предшествующих моменту времени t, плюс значение «белого шума» gt. Если число значений показателя качества речной воды, фиксируемых до момента времени t равно р, то обратная форма уравнения (4.5), в соответствии с уравнением (4.2), имеет вид:
X, = Ф, Х(М) + Ф2 X{t.2) +... + 0 -X(t. + gt, (4.6) где коэффициенты ФІ являются параметрами частной линейной модели ряда значений гидрохимического показателя. 126 Уравнение (4.6) является моделью авторегрессии временного ряда значений показателя качества речной воды (обозначается как АР( р )). Число р определяет порядок модели авторегрессии [68].
