Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы загрязнения малых рек в российском нечерноземье 39
1.1 Гидрологический режим осушаемых земель и водотоков водоприемников, сточных вод с этих территорий 39
1.2 Краткая характеристика лимитирующих биогенных веществ 43
1.3 Гидрохимический режим речного, дренажного и поверхностного стоков 49
1.4 Мониторинг гидрологических и гидрохимических процессов в малых реках 56
Выводы по первой главе 60
ГЛАВА 2 Цели и задачи исследования 63
2.1 Общие положения 63
2.2 Цели и задачи исследования 78
2.3 Методы и способы решения поставленной задачи 82
2.4 Математическое моделирование по методу Монте-Карло (метод статистических испытаний) 87
2.4.1 Общие положения з
2.4.2 Методика математического моделирования стохастических величин 88
2.4.3 Алгоритм математической модели 90
Выводы по второй главе 94
ГЛАВА 3 Теоретическое обоснование расширения рядов гидрологических и гидрохимических наблюдений методами математического моделирования 99
3.1 Расширение рядов наблюдений с привлечением рек-аналогов и проверкой на однородность данных наблюдений по критерию Вилькоксона 99
3.1.1 Построение кривой обеспеченности для однородных статистических совокупностей 103
3.1.2 Построение кривой обеспеченности для неоднородных статистических совокупностей 105
3.2 Расширение нерепрезентативных рядов наблюдений путем математического моделирования ПО
3.2.1.Расширение рядов данных натурных наблюдений при отсутствии внутрирядовых (автокорреляционных) связей 111
3.2.2. Расширение рядов данных натурных наблюдений при наличии внутренних корреляционных связей 119
3.3. Особенности гидрологических и гидрохимических наблюдений на малых реках 126
3.3.1. Группировка данных натурных наблюдений по сезонам 127
3.3.2 Проверка корреляционных связей в совместных хронологических гидрологических и гидрохимических данных натурных наблюдений 128
3.3.3 Проверка автокорреляционных связей в хронологических рядах данных натурных наблюдений гидрологических и гидрохимических характеристик малых рек 133
3.3.4 Проверка данных наблюдений на наличие корреляционных связей между средними арифметическими и максимальными за сезон величинами 135
3.3.5 Проверка данных наблюдений на наличие корреляционных связей между средними арифметическими и экстремальными за сезон расходами воды 138
3.4. Расширение рядов наблюдений за максимальными за сезон
гидрохимическими величинами с учетом корреляционных связей их со средними арифметическими величинами 145
Выводы по третьей главе 153
ГЛАВА 4 Первичная обработка натурной информации 156
4.1 Краткая характеристика природно-климатических условий Северо Запада РФ 156
4.2 Характеристика объектов исследования 161
4.3 Банк данных натурных наблюдений 173
4.3.1. Общие положения 173
4.3.2 Формирование электронного банка данных 174
4.4 Методика первичной статистической обработки гидрологической и гидрохимической натурной информации 178
4.4.1 Общие положения 178
4.4.2 Результаты предварительной оценки изменения концентрации биогенных веществ в зависимости от сезона 180
4.5 Анализ результатов статистической обработки натурного материала 188
Выводы по четвертой главе 202
ГЛАВА 5 Практическое применение результатов математического моделирования и расчетов концентрации биогенных загрязняющих веществ в малых реках 207
5.1 Алгоритм расширения рядов наблюдений концентрации биогенных веществ по рекам - аналогам с использованием непараметрического критерия однородности Вилькоксона 207
5.2 Подбор аналитических кривых обеспеченности по данным натурных наблюдений с помощью статистического критерия согласия Пирсона 214
5.3 Методика расчета концентрации загрязняющего вещества в сбросных водах с учетом стохастического подхода к процессу загрязнения 219
5.3.1 Основные положения предлагаемого метода расчета допустимого уровня содержания загрязняющего вещества в сбросных водах 219
5.3.2 Использование предлагаемого метода математического моделирования и расчета концентрации биогенных загрязняющих веществ в воде на примерах малых рек нечерноземной зоны России 226
5.4 Методика управления концентрацией биогенного загрязняющего вещества в сбросных водах 249
Выводы по пятой главе 254
Заключение 261
Список литературы
- Гидрохимический режим речного, дренажного и поверхностного стоков
- Математическое моделирование по методу Монте-Карло (метод статистических испытаний)
- Построение кривой обеспеченности для неоднородных статистических совокупностей
- Методика первичной статистической обработки гидрологической и гидрохимической натурной информации
Введение к работе
Загрязнение поверхностных вод суши в результате антропогенной деятельности на водосборах является одной из причин деградации естественных водотоков. Ухудшение качества поверхностных вод в последнее время носит глобальный характер. Поступление биогенных элементов в водоемы обусловлено сбросом в них недоочищенных бытовых и промышленных сточных вод, а также дренажных и поверхностных стоков с сельскохозяйственных территорий и животноводческих комплексов. Мелиоративные осушительные системы, широко используемые в гумидной зоне, увеличивают интенсивность выщелачивания питательных веществ в условиях промывного режима грунтов. Поступление высоких концентраций биогенных элементов в естественные поверхностные водотоки приводят к изменению продуктивности водных экосистем, повышая уровень трофности водоемов. Основными биогенными элементами, способствующими эвтрофированию водных объектов, являются соединения азота и фосфора.
Вопросы поступления, распределения, транзита и трансформации биогенных элементов в водных объектах изучены в настоящее время не достаточно хорошо. Наибольшую опасность представляет интенсивное загрязнение малых водотоков. Малые водотоки обладают слабо выраженной самоочищающей способностью и поэтому наиболее чувствительны к поступающим в водный объект загрязняющим веществам. Низкая гидрологическая и гидрохимическая изученность малых водотоков обуславливает актуальность научных исследований в этой области.
Актуальность темы диссертационных исследований обусловлена необходимостью поиска новых подходов к регулированию качества воды малых рек. Существующая в настоящее время методика базируется на учете средних величин гидрохимических параметров, что является косвенной причиной наблюдающегося роста загрязнения малых рек биогенными веществами. Автором предложен новый подход к решению данной проблемы, который базируется на учете стохастической природы гидрологических и гидрохимических процессов. На основе данного подхода разработана методология (методики, алгоритмы и программы) определения предельных концентраций биогенных загрязняющих веществ в сточных водах дренажных осушительных систем и в водах малых рек. Стохастический подход к проблеме загрязнения водотоков предложен автором впервые и позволяет определять расчетные гидрологические и гидрохимические характеристики, в соответствии с нормативными документами.
Цель работы. На основе многолетних данных натурных наблюдений биогенного загрязнения малых рек, проведенных в нечерноземной зоне России, разработать методологию определения предельно-допустимых концентраций биогенных загрязняющих веществ в сточных водах дренажных осушительных систем и в водах малых рек с помощью математического моделирования стохастических гидрологических и гидрохимических характеристик. В соответствии с целью поставлены и решены задачи:
сформирована база данных натурных наблюдений на малых реках в СевероЗападном регионе России;
выполнен анализ натурных наблюдений с помощью методов теории вероятности и математической статистики;
разработана математическая модель, позволяющая оценить загрязнение вод в водоприемнике биогенными веществами в створе полного смешения речных и сточных вод, поступающих с мелиорируемых территорий, а также в фоновом створе;
найдены сглаживающие кривые обеспеченности концентрации загрязняющих веществ в расчетных створах малой реки: фоновом и контрольном (полного смешения речных и дренажных вод);
по результатам математического моделирования разработана методика расчета величин предельно-допустимых сбросов биогенных загрязняющих веществ в водоприемник.
В основу методики исследования положен анализ опубликованных данных натурных наблюдений гидрологических и гидрохимических характеристик речного и дренажного стоков в бассейнах малых рек гумидной зоны. Анализ проводится с помощью методов математической статистики по алгоритму, составленному автором. Математическое моделирование процесса загрязнения водотока-водоприемника сточных вод, поступающих с сельскохозяйственных территорий, осуществляется методом Монте-Карло. За основу принята балансовая зависимость, позволяющая определять концентрацию консервативных загрязняющих веществ в створе полного смешения. Для осуществления статистической обработки натурной гидрологической и гидрохимической информации, последующего имитационного математического моделирования и анализа полученных результатов вычислительного эксперимента автором разработан ряд компьютерных программ.
Статистическая обработка преследует следующие цели: получение несмещенных выборочных статистических характеристик; проверка статистических гипотез однородности и согласия; оценка автокорреляционных и корреляционных связей, построение регрессионных зависимостей. Результатом статистической обработки является получение аналитических кривых распределения и оценка их параметров.
Для математического моделирования процессов биогенного загрязнения речного стока используется генератор случайных равномерно-распределенных чисел (ГСЧ) и сглаживающие кривые обеспеченности.
Предлагаемая методика назначения предельно-допустимых сбросов основана на построенных аналитических кривых обеспеченностей по конкретному ингредиенту для двух расчетных створов - фонового и полного смешения речных и сточных вод (контрольного). Концентрация загрязняющих веществ, поступающих в водоприемник, должна корректироваться в соответствии с состоянием водотока. Корректировка нормативно-допустимых сбросов (НДС) предусматривает ограничение поступления сточных вод в
водный объект для напряженных (с точки зрения загрязнения) сезонов. Выделены два напряженных сезона: весенний (март-май) и летне-осенний (август-октябрь). Деление гидрологического года на сезоны преследует цель получения однородных случайных величин.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые процесс загрязнения малых рек биогенными веществами, поступающими со сточными водами дренажных осушительных систем в гумидной зоне, рассматривается как стохастический. Впервые при удлинении рядов гидрохимических наблюдений использовался метод математического моделирования с учетом корреляционных связей между средними арифметическими гидрохимическими характеристиками и максимальными в лимитирующем сезоне, а также автокорреляционных связей между средними членами в хронологическом ряду наблюдений. Впервые получены кривые обеспеченности для средних арифметических за сезон и максимальных в сезоне гидрохимических характеристик в створе полного смешения речных и дренажных вод и в фоновом. Разработана новая методика установления предельно-допустимых сбросов загрязняющих веществ, поступающих из дренажных осушительных систем в малые реки в гумидной зоне, в основу которой положены рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик, содержащихся в действующих нормативных документах.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней дан научно- обоснованный метод назначения предельно-допустимых сбросов биогенных загрязняющих веществ, поступающих с дренажными водами осушительных систем в гумидной зоне в малые реки с учетом стохастической природы процесса загрязнения. Все разработки доведены автором до алгоритмов и соответствующих компьютерных программ, которые могут использоваться в практической деятельности соответствующих природоохранных органов. Широкое внедрение результатов диссертационной работы в практику будет способствовать оздоровлению экологической обстановки в малых реках страны.
Достоверность и обоснованность результатов работы достигаются использованием известных приемов математического моделирования гидрологических рядов, а также методов статистического анализа данных гидрологических и гидрохимических наблюдений, полученных государственными службами по стандартным методикам. Ошибки параметров кривых обеспеченностей концентрации биогенных загрязняющих веществ в створе полного смешения речных и дренажных вод и в фоновом не выходят за пределы, рекомендуемые нормативными документами.
Все полученные результаты и сделанные выводы выполнены лично автором.
Исходя из вышесказанного, диссертационные исследования можно квалифицировать как разработка научно-обоснованных технических решений для повышения надежности защиты поверхностных вод от загрязнения, внедрение которых имеет важное народно-хозяйственное значение.
На защиту выносится следующие положения.
Процесс загрязнения биогенными веществами вод малых рек - водоприемников сточных вод с сельскохозяйственных угодий рассматривается как стохастический. В соответствии с принятой в России практикой определения расчетных гидрологических характеристик максимальное содержание загрязняющего биогенного вещества в створе полного смешения речных и сточных вод и в фоновом определяется с использованием кривых обеспеченности. В диссертации рассматриваются различные методы получения соответствующих кривых обеспеченности, учитывающие ограниченное количество данных натурных наблюдений, характерное для рек 3-й и 4-й категории по классификации Росгидромета.
Предполагается группировать однородные многолетние стохастические данные гидрологических и гидрохимических наблюдений в малых реках для двух лимитирующих сезонов: весеннем (март-май) и осеннем (август-октябрь).
Предполагается метод расширения рядов натурных наблюдений в лимитирующие сезоны с привлечением данных по рекам-аналогам с использованием непараметрического критерия однородности Вилькоксона. Для неоднородных статистических совокупностей устанавливается предельный уровень неоднородности. Кривая обеспеченности для объединенных данных строится по ранжированному совместному ряду.
Рассматривается корреляционная связь между максимальной в сезоне и средней арифметической за этот сезон концентрацией биогенных загрязняющих веществ в водах малых рек.
Предполагается метод математического моделирования средних арифметических за лимитирующий сезон концентраций биогенных загрязняющих веществ в водах малых рек при отсутствии автокорреляционных связей и с учетом этих связей.
Предполагается метод математического моделирования максимальных за лимитирующий сезон концентраций биогенных загрязняющих веществ в водах малых рек с учетом корреляционной связи между средними арифметическими и максимальными величинами.
Рассматривается метод определения допустимого содержания биогенных загрязняющих веществ в сточных водах, поступающих в малые реки с осушаемых сельхозугодий, с учетом стохастической природы процесса смешения речных и сточных вод.
Предлагаются разработка мероприятий по охране природных вод малых рек от загрязнения биогенными веществами.
Апробация работы: Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-
Всесоюзной конференции «Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов», октябрь 1994 года, г. Вологда;
-
Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России», апрель 1995 года, г.Санкт-Петербург;
-
Международном экологическом форуме стран Балтийского региона «Экобалтика XXI век», октябрь 1996 года, г.Санкт-Петербург;
-
Международной конференции и выставке «AQUATERA», ноябрь 2000 года, г.Санкт-Петербург;
-
Всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактика заболеваемости и устойчивого развития», май 2004 года, г. Вологда;
-
Международной научно-практической конференции «Роль обустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК», апрель 2007 года, г. Москва;
-
I-й Всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактика заболеваемости и устойчивого развития», май 2007 года, г. Вологда;
-
Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», октябрь 2007 года, Санкт- Петербург;
-
Международном политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона», СПбГПУ, декабрь 2007 года, г. Санкт-Петербург;
-
Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов», апрель 2008 года, г. Москва;
-
VII международном молодежном экологическом форуме стран балтийского региона «Экобалтика 2008», июнь 2008 года, г. Санкт-Петербург;
-
II Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», ноябрь 2008 года, г.Санкт- Петербург;
-
Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России», апрель 2009, г.Москва;
-
Международной научно-практической конференции «Социально- экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» апрель 2010, г. Москва;
-
Ш-й Всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактика заболеваемости и устойчивого развития» май 2010 года, г. Вологда;
-
XIV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», май 2010 года, г. Санкт-Петербург;
-
Семинарах кафедр «Водохозяйственного и ландшафтного строительства» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, и «Безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии» Вологодского государственного технического университета.
-
Выигран грант открытого конкурса Правительства Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности по направлению «экология» в 2008 году на тему «Разработка методики назначения предельно-допустимых сбросов биогенных веществ в малые водотоки с учетом стохастической природы формирования гидрологических и гидрохимических характеристик стоков для условий Северо-Запада РФ».
По тематике диссертационной работы опубликовано 35 научных статей, в том числе 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК для защит докторских диссертаций (список прилагается в разделе «Основные результаты диссертационной работы....»).
Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, заключения и библиографического списка (325 наименований, в том числе 47 иностранных). Она содержит 303 страницы машинописного текста, 50 таблиц, 47 рисунков.
Гидрохимический режим речного, дренажного и поверхностного стоков
В настоящее время основное внимание уделяется вопросам защиты окружающей среды от загрязнения, в частности, при сбросе дренажных сточных вод в водотоки с сельскохозяйственных мелиорированных территорий. Осушительные мелиорации широко распространены в гумидной зоне Северо-Западного региона РФ. Сточные воды,, поступающие с сельскохозяйственных угодий, содержат минеральные и органические удобрения, из-за чего возникает опасность биогенного загрязнения водоприемников. Кроме того, существует реальная проблема загрязнения экосистем бытовыми и промышленными сбросами.
Результатом нарушения экологического равновесия водных объектов является их эвтрофирование. Под влиянием антропогенной деятельности на водосборах скорость этого процесса существенно» возрастает, в результате появляются водные объекты по степени трофности не имеющие аналогов в естественных условиях. Основную1 опасность представляют азотные и фосфорные соединения. Азотные минеральные соединения подразделяются на1 азот аммонийный, нитритный" w нитратный. Фосфорные соединения-представлены минеральным фосфором (фосфатом) и общим фосфором. Процесс загрязнения естественных водотоков-водоприемников сточных вод с осушаемых территорий этими ингредиентами слабо изучен.
В большинстве случаев водоприемниками дренажных вод осушительных систем являются малые реки, широко распространенные на Европейской территории России. Длина малых рек не превышает 200 км, а площадь водосбора - 2000 км . Сток малых рек, как и больших, определяется климатом (географическими координатами местности) и типом подстилающей поверхности на площади водосбора (грунты, рельеф местности, степень залесенности и заболоченности, наличия или отсутствия озер и т.п.). Но малые реки Северо-Запада РФ в качестве водоприемников стоков с осушаемых территорий обладают некоторыми специфическими особенностями. Эти особенности связаны с определяющим влиянием местных (региональных) условий формирования стока: достаточно суровым климатом для формирования и развитых устойчивых экосистем, малая водность водотока, высокая извилистость русла и др. факторы. Начало функционирования дренажных систем и весеннего половодья по времени совпадают. В это время концентрация биогенных загрязняющих веществ в дренажных водах велика, так как основные их потребители - растения - пребывают на самой низкой фазе развития. Но талые воды, поступающие в реки в виде поверхностного стока, так же сильно загрязнены в силу того, что идет смыв почвенного слоя, в котором могут быть удобрения, вносимые в почву осенью, органическое вещество и частицы почвы.
Так возникает первый весенний лимитирующий сезон, в котором наблюдаются максимальные концентрации биогенных загрязняющих веществ в водах малых рек.
В летний период дренажные системы практически прекращают работу. Кроме того, идет интенсивное поглощение биогенов развивающейся растительностью и гидробионтами водоприемника. По этим причинам летний сезон не может быть лимитирующим по уровню концентрации биогенных веществ в водах малых рек. Но при этом надо учитывать, что сами ливневые воды, образующие на площади водосбора поверхностный сток в летний период, могут содержать не только биогенные вещества, но и органику и частицы почвы, вымытой из пахотного слоя.
Второй лимитирующий сезон возникает осенью, когда вновь оживают дренажные системы, а растения закончили свой жизненный путь, ассимиляция ими биогенных веществ прекращается. В это время могут вносить в почву удобрения для весенних посадок, которые при неблагоприятных погодных условиях, а также агротехнических ошибках могут поступать в водоприемник. В зимний период поступление дренажного стока с мелиорируемого участка прекращается, а также замедляются процессы трансформации биогенных веществ. Фильтрация подземного стока через грунт в водоток способствует снижению концентрации загрязняющего вещества, поступающему в водоприемник. Эти особенности стока малых рек и характера поступления в них загрязняющих веществ объясняют низкую самоочищающую способность этих рек.
Наибольшую опасность при регулировании качества воды в водоприемнике сточных вод представляет диффузный сток. Єнижение и устранение поверхностного стока на сельскохозяйственных территориях достигается культуртехническими, агротехническими, мелиоративными и др. мероприятиями. К ним относится, например, планировка поверхности с малым уклоном в сторону магистральных каналов, снегозадержание, использование лесополос и др. Из-за периодичности и кратковременности поверхностный сток является практически неизученным.
Систематические наблюдения за качеством вод поверхностных водотоков проводятся службой Росгидромета. По классификации Росгидромета малые реки относятся к четвертой категории водотоков. Наблюдения на данных водных объектах осуществляется лишь в определенные гидрологические фазы, как правило, во время весеннего половодья и в период летне-осенних паводков. Ежегодная частота отбора проб на.химический анализ не превышает десяти; В большинстве случаев на малых реках располагают один гидрометрический пост наблюдения. Как правило, лучше всего изучен речной расход; менее изучены расход дренажного стока и концентрации загрязняющих веществ в речных, дренажных и сточных водах.
При анализе сложившейся ситуации в области загрязнения малых рек биогенными веществами, прежде всего, возникает вопрос, почему наблюдается неуклонное увеличение степени загрязнения. Причиной тому может быть сложившееся традиция, согласно которой в расчетах не учитывается вероятностный характер процесса загрязнения и концентрации загрязняющих веществ в нем. В качестве расчетной обычно принимается среднее значение концентрации загрязняющего вещества. Но при средней величине, не превышающей допустимого уровня, максимальная концентрация в силу ее случайного характера может не только достигать величины ПДК, но и превышать ее. Учитывая малую самоочищающую способность малых рек, такая ситуация может способствовать накоплению загрязняющих биогенных веществ в малых реках-водоприемниках сточных вод дренажных осушительных систем.
Математическое моделирование по методу Монте-Карло (метод статистических испытаний)
В: основу настоящей диссертационной- работы, положены следующие положения:
1) Определена зона научных исследований - это Нечерноземье Северо-Западной территории РФ. Гумидная зона обуславливает промывной режим почво-грунтов. Обильные атмосферные осадки выщелачивают почвенный горизонт, обогащая- биогенными веществами естественные поверхностные водотоки. Для восполнения потерь питательных элементов почвенного горизонта, поддержания его плодородия на сельскохозяйственных территориях ежегодно вносятся органические и минеральные удобрения. Строительство мелиоративных осушительных систем, позволяющих интенсифицировать сельскохозяйственное производство, способствует увеличению выноса биогенных веществ с дренажным стоком в водоприемники. Многофакторность природных и антропогенных процессов обуславливает стохастичность явления загрязнения биогенными веществами поверхностных водотоков. Наиболее важными, приводящими к прогрессирующему эвтрофированию водоприемника, являются соединения азота и фосфора.
2) Объект исследования — малые реки. Малые реки являются потенциальными водоприемниками сточных вод, поступающих с осушаемых сельскохозяйственных территорий нечерноземной зоны РФ. Большая распространенность, низкая изученность, слабая самоочищающая способность, возрастающий уровень загрязнения поверхностных водотоков делают исследования актуальными.
3) Цель исследования — биогенное загрязнение водоприемников, принимающих стоки с мелиорируемых осушительных систем. Наиболее важными элементами, ускоряющими эвтрофицирующие процессы в водоеме, являются соединения азота и фосфора. Азотные минеральные соединения в отличие от фосфорных хорошо растворимы в воде и интенсивно выщелачиваются из почвенного горизонта. Повышение концентрации азотных соединений в водоприемнике в весенний и осенний сезоны обусловлено низким потреблением питательных элементов на водосборе, интенсивным выщелачиванием их паводковыми водами, низкой самоочищающей способностью водотока. Поступление фосфорных соединений в водоприемник осуществляется в основном за счет поверхностного стока. В водоприемнике фосфорные соединения аккумулируются в донных отложениях. Поступление соединений фосфора в верхние горизонты из донных отложений происходит в результате стратификационных процессов весной и осенью.
4) Источник получения натурной информации — Ежегодные данные качества поверхностных вод на режимных постах Росгидромета. Основной натурной информацией при изучении биогенного загрязнения поверхностных водотоков . является режимные наблюдения государственной службы Росгидромета. Натурные наблюдения на режимных постах Росгидромета за гидрохимическими характеристиками поверхностных водотоков начаты сравнительно недавно. Натурные ряды не превышают 30 лет наблюдений. 5) Обработка натурной информации основана на стандартных методах математической статистики, которая включает в себя следующие показатели. а) Получение методом моментов оценочных выборочных расчетных характеристик, которые состоят из мер положения, рассеивания и формы кривой распределения.
6) Проверка статистических гипотез на однородность. Она позволяет наращивать ряд натурных наблюдений на основе отрывочных данных по рекам аналогам. Предпочтение при обработке данных натурных наблюдений отдается непараметрическим критериям однородности. в) Автокорреляционный анализ данных натурных наблюдений позволяет учесть внутрирядовые связи для более точного воспроизведения имитационного процесса при математической моделировании концентрации загрязняющего вещества. Автокорреляционный анализ гидрохимических характеристик выполнен для учета наличия взаимосвязи г между соседними величинами хронологического ряда натурных наблюдений (простая цепь Маркова). Существенность автокорреляционных связей оценивалась с помощью методов: Неймана, Адерсона, Стьюдента. г) Корреляционный анализ данных натурных наблюдений учитывает междурядные связи и позволяет выявить взаимосвязанные ряды натурной информации. Для определения существенности корреляционных связей используется средняя квадратическая ошибка коэффициента корреляции. д) Принадлежность эмпирических распределений гидрологических и гидрохимических параметров к сглаживающим кривым выполнена с использованием статистических критериев согласия. Для этого используются кривые обеспеченности эмпирических и соответствующие им математических распределений. б) Способы решения задачи — математическое моделирование методом Монте-Карло.
Математическое моделирование концентрации загрязняющего вещества позволяет удлинять натурные ряды данных гидрохимических наблюдений до сколь угодно длинной по объему выборке. Для осуществления имитационного процесса используются генератор равномерно-распределенных случайных чисел. Преобразование равномерно-распределенных случайных чисел в требуемый закон распределения выполняется при помощи сглаживающей кривой обеспеченности. Для более точного получения искомых величин применяется интерполяция. Математическое моделирование концентрации биогенных загрязняющих веществ в малых реках методом Монте-Карло позволяет значительно увеличить размеры экспериментальных рядов наблюдений, что качественно увеличивает возможность оценки состояния, анализа и прогноза качества воды, дает возможность принимать взвешенные управленческие решения.
7) К основным результатам настоящего исследования относится разработка методики назначения концентрации загрязняющего вещества в дренажных водах, поступающих в водоток-водоприемник с учетом предельно-допустимого содержания его в замыкающем створе на основе стохастического-подхода.
Методика оценки.загрязнения поверхностных водотоков основывается на балансовой- зависимости, учитывающей разбавление консервативного; загрязняющего вещества в, створе полного смешения. Контрольный створ является замыкающим, в котором должны быть соблюдены требуемые величины концентрации контролируемого загрязняющего вещества. Методика оценки концентрации загрязняющего вещества в контрольном створе основывает на таких понятиях как контрольный, фоновый и устьевой створы, а также расходы и концентрации загрязняющих веществ в них. Наиболее изученным в балансовой зависимости является расход речного стока, остальные составляющие требуют дополнительных исследований.
В настоящее время при определении уровня загрязнения речных вод преобладает детерминистический подход. В существующих предложениях, основанных на вероятностном подходе, выбор вероятности превышения уровня загрязнения не обосновывается. Единой методологии в решении этой проблемы не существует. Проблема осложняется тем, что наблюдения за состоянием водотоков и осушительных систем носят не регулярный, отрывочный характер. Согласованные данные натурных наблюдений за гидрологическими характеристиками и концентрацией загрязняющих биогенных веществ, поступающих с мелиорируемых сельскохозяйственных угодий, как правило, охватывают короткие временные промежутки. Для получения достоверной информации о законах распределения соответствующих случайных величин требуется объединение натурных рядов по рекам-аналогам с помощью критериев однородности с учетом того, что данные наблюдений получены в сходственных климатических, почвенных, гидрологических условиях с идентичным сельскохозяйственным производством. Учитывая, что при практическом использовании результатов исследований данные натурных наблюдений могут быть ограничены, предполагается расширить ряды наблюдений с помощью математического, моделирования, методом Монте-Карло. Получив, соответствующие законы распределения и построив кривую обеспеченности, можно по ней при заданном уровне превышения определять допустимую концентрацию загрязняющих биогенных веществ в створе полного смешения речных и, дренажных вод, а также допустимый сброс загрязняющих веществ, содержащихся в дренажном стоке. По значениям предельно-допустимого содержания загрязняющих веществ в контрольном створе определяются предельно-допустимые сбросы сточных вод в реки из закрытых и открытых мелиоративных осушительных сетей.
Построение кривой обеспеченности для неоднородных статистических совокупностей
Выбор рек-аналогов для малых водотоков выполняется по правилам, принятым в гидрологии: одна географическая зона, однотипность площади водосбора и её хозяйственного использования и др. Дополнительно к этому, для уверенного объединения натурных данных гидрологических и гидрохимических аналогов в настоящей работе, используются статистические методы оценки. Эти методы предусматривают выполнение проверки статистических гипотез на однородность.
При выборе критериев однородности для статистического анализа гидрологических и гидрохимических характеристик поверхностных водотоков предпочтение следует отдавать непараметрическим критериям. Непараметрические критерии однородности в, отличие от параметрических позволяют оценить однородность рассматриваемых натурных выборок без учета свойств конкретного закона распределения.
В результате анализа литературных источников был выбран непараметрический критерий однородности Вилькоксона. Сущность этого критерия заключается в определении суммы инверсий (и). Инверсия это количество величин одного ряда, находящихся перед каждой величиной другого в общем ранжированном ряду. Гипотеза однородности рассматриваемых рядов оценивается сопоставлением расчетного и критического значений критерия однородности Вилькоксона. Критическое значение определяется на выбранном уровне значимости. Уровень значимости характеризует вероятность принятия ошибочного решения. Для практических расчетов уровень значимости принимается равным 0.05. Если расчетное значение не превышает критическое, то рассматриваемые ряды на выбранном уровне значимости считаются однородными [Бронштейн, 1980]. Расчетное (Wras) и критическое (Wkr) значения критерия Вилькоксона определяются по формулам:
Если гипотеза однородности подтверждается, то данные наблюдений объединяются, по ним строится кривая обеспеченности, используя методы, рекомендуемые нормативными документами.
Для проведения статистического анализа натурных рядов наблюдений автором разработан алгоритм вычислений и составлена программа расчетов на ПЭВМ. Статистический анализ на однородность данных натурных наблюдений непараметрическим критерием однородности Вилькоксона выполняется по двум выборкам. В программу расчета входит: построение совместного ранжированного ряда, определения суммы инверсий, расчетного и критического значений, а также вывод результата об однородности сравниваемых выборок. Удобством критерия является то, что возможно сравнивать выборки различной длины. Если критерий Вилькоксона подтверждает однородность сравниваемых выборок, то они объединяются в один ряд.
Результаты статистического анализа при проверке на однородность гидрологических и гидрохимических характеристик рек Верхняя Ерга и Кичменьга приведены в таблице 3.1.1. Обе реки протекают по территории Вологодской области. Верхняя Ерга является притоком реки Сухоны, а Кичменьга - реки Юг. На реках установлено по одному водометному посту Росгидромета, результаты многолетних наблюдений с которых положены в основу расчетов. Общая характеристика водотоков и гидрометрических створов приведена в четвертой главе. В таблице 3.1.1 анализ рядов на однородность выполняется для трех вариантов данных натурных наблюдений. В столбец «Сезон» по каждому реципиенту входят составляющие, характеризующие определенный период наблюдений: «Весна» характеризует весенний сезон -это многолетние данные натурных наблюдений за период март — май, «Осень» -осенний сезон - август-октябрь, «Весь» - означает совокупность данных натурных наблюдений за весь период исследования, а также в строке «Весна-осень» представлены результаты проверки статистических гипотез на однородность между сезонами (верхняя строка по реке Верхней Ерге, нижняя — реке Кичменьге). Жирным шрифтом в столбце «Расчетное значение» выделены расчетные значения критерия Вилькоксона, которые оказались меньше своих критических значений, при этом сравниваемые ряды однородны.
Построение кривой обеспеченности для однородных экспериментальных рядов выполняется согласно установленным в нормативном документе СПЗЗ-101-2003 требованиям по сгруппированному экспериментальному ряду. Группировка экспериментальных временных рядов выполняется путем соединения однородных совокупностей в один ряд. При использовании непараметрического критерия Вилькоксона проверка на однородность выполняется для двух рядов (попарно). Сгруппированный1 ряд далее может быть проверен на однородность с новыми рядами натурных данных и увеличен многократно. Согласно нормативному документу СПЗЗ-101-2003 эмпирическая кривая обеспеченности строится по ранжированному ряду путем определения величины обеспеченности каждой величины.
Результаты статистической обработки натурных данных по аммонийному азоту за весенний сезон для малых рек Верхняя Ерга и Кичменьга, а также для сгруппированного ряда сведены в таблицу 3.1.2. Определение оценок статистических характеристик выполняется по классическим формулам метода моментов.
Методика первичной статистической обработки гидрологической и гидрохимической натурной информации
Основными потенциальными источниками биогенного загрязнения естественных (природных) поверхностных водотоков являются сельскохозяйственные объекты, расположенные на водосборе. Комплексных наблюдений по изучению влияния сельскохозяйственных территорий на качество воды водоприемника не проводилось. Начатые научно-исследовательские работы по оценке влияния осушительных мелиорации на качество воды водоприемника в разных районах европейского Нечерноземья в конце 80-х годов были остановлены из-за прекращения финансирования.
В разделе приведена характеристика электронных массивов данных натурных наблюдений. По выбранным малым рекам в Северо-Западной зоне РФ, пользуясь натурными данными с постоянно действующих постов наблюдения Росгидромета из периодических ежегодников, сформированы следующие массивы в электронном виде: общий массив многолетних хронологических данных натурных наблюдений; массивы натурных данных многолетних наблюдений, относящихся к лимитирующим сезонам; массивы средних и максимальных величин за сезон. Электронный банк данных натурных наблюдений составлен автором для статистического анализа полученной информации и осуществления математического моделирования концентрации биогенного загрязнения в малых реках Северо-Западной зоны РФ. В собранный натурный материал по гидрологическим и гидрохимическим характеристикам вошли следующие показатели: дата отбора, расход воды водотока; азот: аммонийный, нитритный, нитратный; фосфор минеральный и общий.
Статистическая обработка натурной информации выполнена в программном комплексе Microsoft Office Excel 2003 для общего ряда многолетних наблюдений за конкретным гидрологическим или гидрохимическим показателем, а также для рядов в пределах одного сезона с выделением рядов средних арифметических и максимальных величин в сезоне по пяти малым рекам и шести показателям. Статистическая обработка реализована по сформированному автором электронному банку данных натурных наблюдений.
В первичную обработку экспериментальных гидрологических и гидрохимических данных входит выбор основных статистических характеристик, позволяющих оценить натурный материал. В ней осуществляются следующие процедуры: определение объема выборки, мер
179 положения, рассеивания и формы кривой распределения; оценка экстремумов и размаха отклонений от нормы кривой распределения с расчетом погрешностей. Статистические оценки получены методом моментов. Используя отрывочные данные натурных наблюдений с целью удлинения статистических рядов, в работе выбран непараметрический критерий однородности Вилькоксона. При подборе сглаживающих эмпирических распределений используется широко применяемый в практических расчетах критерий согласия Пирсона, а при малых объемах выборок результат дополнительно проверяется критерием Колмогорова-Смирнова. Для проверки статистических гипотез критериями однородности и согласия автором разработаны специальные программы. При подборе сглаживающих при прочих равных условиях предпочтение отдается кривой трехпараметрического гамма-распределения. С учетом больших погрешностей при определении коэффициента асимметрии для подбора оптимальных параметров кривой трехпараметрического гамма-распределения экспериментальные ряды проверяются критерием Пирсона с различными параметрами сглаживающих. С этой целью сформирован электронный банк данных координат кривых трехпараметрического гамма-распределения с отношением коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации от 1 до 4, при этом коэффициент вариации изменяется от 0.1 до 2 с шагом 0.1. Параметры кривых распределений выбираются по наименьшим отклонениям от их эмпирических данных с учетом оценочных характеристик.
Проводится оценивание автокорреляционных связей в хронологических рядах наблюдений. В качестве оценки внутрирядовых связей используется простая цепь Маркова, которая показывает наличие взаимосвязи между соседними величинами в хронологическом ряду наблюдений. Наличие существенности автокорреляционной зависимости оценивается тремя способами.
Выполнен корреляционный анализ, который заключается в определении линейного коэффициента корреляции между гидрологическими и гидрохимическими параметрами водотока. Оценка существенности коэффициента корреляции делается также тремя способами.
Результаты предварительной оценки изменения концентрации биогенных веществ в зависимости от сезона
Изучение сезонных колебаний концентрации загрязняющего вещества в водотоке позволяет выделить напряженные с точки зрения загрязнения сезоны. Высказанное предположение о деления общего ряда наблюдений на сезоны преследует цель формирования однородных данных, полученных под влиянием аналогичных природных и антропогенных факторов. В большинстве случаев авторы, выделяет лимитирующие сезоны в летние и зимние периоды, считая, что условия разбавления загрязняющих веществ в меженные периоды самые неблагоприятные. Однако следует учитывать специфику загрязняющих ВЄЩЄСТВІ и источники поступления их в водоприемник. Что касается осушительных систем, то летний период не может быть лимитирующим, так как расход дренажных вод в этот период не велик, зачастую вообще отсутствует, а также идет активное потребление биогенных веществ культурной растительностью на сельскохозяйственных площадях. В водоемах в этот период наблюдается наибольшая активность потребления биогенов флорой и фауной водоема. С наступлением осени интенсивность потребления биогенов снижается, что увеличивает вероятность поступления их в водоприемник с дренажными водами. Снижение самоочищающей способности водотока приводит к увеличению концентрации биогенных веществ в водоприемнике. В зимний период дренажный, сток отсутствует, магистральные каналы осушительных систем завалены снегом. В весенний сезон возобновляются дренажный и поверхностный стоки с сельскохозяйственной территории. Вегетационный период в это время только начинается, что способствует биогенным загрязняющим веществам в значительных количествах поступать в водоприемник.
