Гидрохимическая оценка подземных вод

Взвешенными средними называют величины, которые учитывают, что некоторые варианты значений признака могут иметь различную численность, в связи с чем, каждый вариант приходится умножать на эту численность. Иными словами, «весами» выступают числа единиц совокупности в разных группах, т.е. каждый вариант «взвешивают» по своей частоте.

Частоту w называют статистическим весом или весом средней.

Среднее взвешенное, точнее среднее арифметическое

взвешенное набора вещественных чисел x1,…,xn с

вещественными весами w1.

Если средняя арифметическая рассчитывается на основе использования всех вариантов значений признака, то медиана и мода характеризуют величину того варианта, который занимает определенное среднее положение в ранжированном вариационном ряду. Медиана и мода - структурные (распределительные) средние величины. Медиана -- это число, которое является серединой множества чисел, то есть половина чисел имеют значения большие, чем медиана, а половина чисел имеют значения меньшие, чем медиана. Как было сказано выше, является смещенной оценкой, для более совершенной оценки среднего В.Л.Павелко [19] считает возможным использовать медиану. Но медиана, по сравнению со средним арифметическим обладает тем недостатком, что плохо поддается аналитическим операциям, например, для нее не применима теорема сложения и остается неизвестной ее погрешность 13, с.77].

Мода - это число, наиболее часто встречающееся или повторяющееся в массиве или интервале данных. Мода - важная характеристика при оценке вариации какого-либо показателя (или группы показателей) за определенный интервал времени. Не случайно, именно модальный интервал - интервал, имеющий наибольшую частоту, был положен в основу анализа изменчивости

природного гидрохимического фона для рек РФ [15]. При статистической обработке гидрохимической информации среднее арифметическое, медиана и мода очень удобны для оценки временной изменчивости показателей

качества воды.

4.1.2 Экстремальные величины

Кроме средних значений содержания загрязняющей примеси распространенным статистическим показателем, как указывалось выше, является его экстремальная величина, а именно - максимальное содержание Smax и минимальное значение Smin.

Важная роль максимальных значений нашла отражение в сборнике «Малые реки в условиях антропогенного воздействия (на примере Восточного Зауралья)» [14] и в статье Л.Б. Бердавцевой и А.В. Леонова [5]. В результате анализа коэффициентов корреляции между гидрохимическими, гидрологическими и морфометрическими характеристиками рек, отличающихся антропогенной нагрузкой, было выявлено, что по максимальным значениям параметров более рельефно выявляются связи между параметрами водной среды. Сделано предположение, что максимальные значения характеризуют «жесткие» условия существования экосистем, испытывающих различные антропогенные воздействия.

Средние значения сглаживают тенденции, выявленные по максимальным величинам. Согласно выводам данных авторов, средние значения в значительной степени отражают «мягкие» условия существования экосистем, при которых эффект антропогенного воздействия выражен не в такой степени, как в случае анализа максимальных величин параметров. Максимальное и минимальное значения в ряду содержания ионов кальция, приведенного ниже, равно, соответственно 61,1 и 20,8 мг/л.

4.1.3 Относительные величины

Для оценки загрязненности воды используются и относительные величины. Наиболее распространенными из них являются кратность превышения ПДК и повторяемость случаев превышения ПДК. Кратность превышений ПДК можно отнести к одним из самых старейших характеристик для оценки загрязненности воды. Еще в 1964 году М.Н.Тарасов с соавторами в своем сборнике «Вопросы исследования и прогнозирования загрязненности рек» выделяет эту характеристику как одну из основных для оценки степени загрязненности речной воды [17]:

Спдк - предельно-допустимая концентрация вещества.

Позднее, кратность превышения ПДК (вifj) входит в расчет комплексных показателей: комбинаторного индекса загрязнения воды (КИЗВ) и удельного комбинаторного индекса загрязнения воды (УКИЗВ), рекомендуемых Росгидромет для комплексной оценки степени загрязненности воды в РД 52.24.643-2002 «Методические указания. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям».

ПДК в = - кратность превышения ПДК по i-му ингредиенту в f-м результате химического анализа для j-го створа.

Пользуясь другим приложением РД 52.24.643-2002 можно дать качественную характеристику загрязненности воды отдельными загрязнителями, в данном случае качественно охарактеризовать загрязненность воды нефтепродуктами.

Приложением Г и Инструкцией по формированию и представлению

оперативной информации об экстремально высоких и высоких уровнях

загрязнения поверхностных и морских вод, а также их аварийном загрязнении. Еще одной важной простейшей статистической характеристикой, используемой для оценки степени загрязненности воды, является повторяемость случаев превышения ПДК (П%) [14].

Как характеристика для оценки загрязненности воды, наряду с кратностью превышения ПДК, она применяется для расчета комплексных показателей качества воды: КИЗВ и УКИЗВ. М.Н.Тарасов с соавторами [15, с.40] рекомендует определять число случаев, когда содержание загрязнителя65 превышало ПДК (П1), превышало 10ПДК (П10) и превышало

100ПДК (П100).

4.1.4 Показатели вариации величин

Для оценки изменчивости статистических рядов загрязненности используются абсолютные и относительные показатели вариации. К распространенным в гидрохимии абсолютным показателям вариации относятся размах вариации и среднее квадратическое отклонение (стандарт).

Размах вариации R. Это самый доступный по простоте расчета абсолютный показатель, который определяется как разность между самым большим и самым малым значениями признака у единиц данной совокупности:

R = Хmax - Xmin (3.9)

В области исследования изменчивости параметров водных экосистем данный показатель известен еще как абсолютная величина изменчивости параметра за рассматриваемый период времени [40]:

Sа = Рmax-Pmin (3.10), где Sа - абсолютная величина изменчивости параметра за рассматриваемый период времени; Рmax и Pmin - соответственно наибольшая и наименьшая величины параметра за рассматриваемый отрезок времени. Размах вариации (размах колебаний) - важный показатель колеблемости признака, но он дает возможность увидеть только крайние отклонения, что ограничивает область его применения [7].

Среднее квадратическое отклонение (стандарт) показывает абсолютное отклонение измеренных значений от

среднеарифметического. Известно, что средние квадратические отклонения рядов, которые образованы из существенно различающихся показателей загрязненности, оказываются несопоставимыми.

Так, мы не можем сравнить между собой изменчивость ряда цветности воды (измеряемой в град. ПКШ) и изменчивость ряда минерализации воды (измеряемой в мг/л). Поэтому сравнение изменчивости подобных рядов необходимо осуществлять с помощью коэффициента вариации Cvs. Коэффициент вариации относится к относительным показателям изменчивости параметров и характеризует относительную меру отклонения измеренных значений от среднеарифметического.

Чем больше коэффициент вариации приближен к нулю, тем меньше вариация значений исследуемого признака. Коэффициент вариации часто представляют не в долях единицы, а в процентах. Чем больше значение коэффициента вариации, тем относительно больший разброс и меньшая выравненность исследуемых значений. Если коэффициент вариации меньше 10%, то изменчивость вариационного ряда принято считать незначительной, от 10% до 20% относится к средней, больше 20% и меньше 33% к значительной и если коэффициент вариации превышает 33%, то это говорит о неоднородности информации и необходимости исключения самых больших и самых маленьких значений. Однако, данное деление по значению коэффициента вариации относится для распределений близких к нормальному, хотя, как уже указывалось выше, распределение гидрохимических показателей не всегда бывает нормальным.

4.2 Комплексные показатели и оценка качества воды

В последние годы многие специалисты в области охраны и контроля качества вод отдают предпочтение именно интегральной оценке качества.

4.2.1 Проблема разработки комплексных показателей качества воды

Разработка методов оценки качества воды с помощью условных показателей, комплексно учитывающих различные свойства поверхностных вод, является одной из важнейших проблем. Проблема комплексных оценок является

исключительно трудной, требующей одновременного учета самых разнообразных свойств водного объекта.

Со времени появления первых комплексных показателей и по настоящее время четко прослеживается тенденция, с одной стороны, усиления дифференциации проблемы комплексных оценок с целью более детального изучения ее составляющих, характеризующих качество воды по отдельным показателям, и с другой стороны - интеграции этих составляющих, позволяющих

получить обоснованные выводы о качестве воды в целом. В связи с этим наметились две группы методов, различающихся между собой в первую очередь по принципам их разработки [42].

К первой группе относятся методы, позволяющие оценить качество воды в виде набора различных характеристик, дающих оценку качества воды по гидрохимическим, гидробиологическим, микробиологическим, гидрологическим показателям. Они не дают однозначной оценки качества воды и относят одно и то же состояние воды водного объекта по отдельным показателям к различным классам загрязненности. Невозможность отнесения рассматриваемого состояния воды водного объекта к определенному классу загрязненности ограничивает рамки широкого распространения этих методов в практической работе.

Ко второй группе относятся методы, позволяющие однозначно оценить качество воды. И хотя никакое единственное число не может передать всю информацию о сложной многокомпонентной системе, какой являются поверхностные воды, эти методы находят широкое распространение и применение. Прежде всего, они относительно просты в применении. Кроме того, эти методы позволяют решать различные задачи по установлению уровня загрязненности в пространственно-временном аспекте и принимать однозначные решения в различных водоохранных ситуациях.

В зависимости от цели, которую преследуют эксперты, предложены различные системы оценок. Условно их можно подразделить на три большие группы в зависимости от того, учитываются ли при анализе требования отдельных видов водопользования, условия функционирования экосистем или то и другое одновременно. Следует отметить, что большинство разработанных к настоящему времени комплексных характеристик состояния водных объектов так или иначе связано с использованием существующих ПДК. Это разработки ВНИИВО (Всесоюзный научно-исследовательский институт по охране вод), ГГИ (Государственный гидрологический институт), ГХИ

(Государственный гидрохимический институт)….[12].

Одним из наиболее важных при разработке комплексных оценок качества вод является вопрос о критериях, положенных в основу оценок.

При многоцелевом использовании водных объектов задача о выборе критериев благополучия водного объекта осложняется. Система критериев, ориентация на которую была бы обязательным условием при построении комплексных оценок качества воды и разработке правил их классификации

должна отвечать следующим требованиям:

- система должна включать критерий экологического благополучия водного объекта по признаку удовлетворения утилитарных требований отдельных видов водопользования и по признаку сохранения механизмов, ответственных за формирование качественных характеристик водной экосистемы;

- для оценок качества вод многоцелевого назначения обязателен учет критерия социальной и экономической значимости отдельных видов водопользования;

- условия интеграции (свертывания) критериев экологического благополучия водного объекта и критерия социальной и экономической значимости отдельных видов водопользования в единый критерий при построении

комплексной оценки качества вод должны адекватно отражать осуществляемую в стране водоохранную политику.

Основное внимание при разработке комплексных показателей должно уделяться именно комплексности, т.е. поискам того, как численно оценить процессы, изменяющиеся во времени, характеризуемые многими показателями состава и свойств воды и определяющие качество воды во многих пунктах водного объекта. Эта «трехмерность» понятия «качество воды» (время-показатели-пространство) которая должна быть преодолена при разработке рассматриваемой второй группы показателей [3].

4.2.2 Комплексные показатели качества воды и особенности их расчетов

Все предложенные к настоящему времени обобщенные показатели получены путем объединения и свертывания многочисленных частных показателей в один интегральный, позволяющий однозначно характеризовать различные состояния водного объекта. Остановимся подробнее на анализе некоторых из них.

Список использованных источников

1. Белогуров, В.П. Применение обобщенных показателей для оценки уровня загрязненности водных объектов [Текст] /В.П.Белогуров, В.Р. Лозанский, С.А. Песина // Комплексные оценки качества поверхностных вод. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1984.- С. 33-43.

2. Бердавцева, Л.Б. Анализ гидрохимических данных для оценки состояния и качества речных вод [Текст] / Л.Б. Бердавцева, А.В. Леонов // Водные ресурсы. - 1992. - № 5. - С. 95 - 109.

3. Верниченко, А.А. Классификации поверхностных вод, основывающиеся на оценке их качественного состояния [Текст] /А.А.Верниченко // Комплексные оценки качества поверхностных вод. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1984. - С. 14-43.

4. Временные методические указания по комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям, введены в действие указанием Госкомгидромета №250-1163 от 22.09.86.

5. Гагарина, О.В. Обзор методов комплексной оценки качества поверхностных вод [Текст] / О.В. Гагарина // Вестник Удмуртского университета. - 2005. - №11. - С. 45-58.

6. Гелашвили, Д.Б. Интегральная оценка экологического состояния водных объектов по гидрохимическим и гидробиологическим показателям [Текст] / Д.Б. Гелашвили [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2002. - №2. - С.270-275.

7. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03"Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования". Утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27.04.2003 №78, введ. 15.07.2003. М.: Минздрав РФ, 1998. 77 с.

8. Гольд, З.Г Оценка качества вод по химическим и биологическим показателям: пример классификации показателей для водной системы руч. Черемушный-Енисей [Текст] / З.Г. Гольд [и др.] // Водные ресурсы. - 2003.- Том 30. - №3. - С. 335-345.

9. ГОСТ 17.1.1.01-77 Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения.

10. ГОСТ 27065-86 (CT СЭВ 5184-85) Качество вод. Термины и определения.

11. Емельянова, В.П. К методике расчета индекса качества воды [Текст] / В.П.Емельянова, Г.Н.Данилова // Вопросы методологии гидрохимических исследований в условиях антропогенного влияния: Материалы XXVII Всесоюзного гидрохимического совещания, 11-13 мая, 1978. - С. 83-84.

12. Игнатов, А.В. Индексы и классификация качества воды при определении дифференцированной платы за водопользование [Текст] / А.В.Игнатов, В.В. Кравченко, В.Н. Федоров // География и природные ресурсы. - 2002. - №2. - С.127-132.

13. Караушев, А.В. Вопросы практического использования интегральных показателей для оценки качества воды и состояния загрязненности водных объектов [Текст] / А.В. Караушев, Б.Г.Скакальский // Вопросы методологии гидрохимических исследований в условиях антропогенного влияния: Материалы

XXVII Всесоюзного гидрохимического совещания, 11-13 мая, 1978.

14. Кичигин, В.И. Комплексная оценка качества природных вод /В.И.Кичигин, Е.Д. Палагин. // Водоснабжение и санитарная техника. -

2005. - №7. - С.11-15.

15. Левич, А.П. Теоретические и методические основы технологии регионального контроля природной среды по данным экологического мониторинга [Текст] / А.П. Левич, Н.Г. Булгаков, В.Н. Максимов. - М.: НИА-Природа. - 2004. - 271 с.

16. Молчанова, Я.П. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды: справочные материалы [Текст] / Я.П.Молчанова [и др.] // под ред. Т.В. Гусевой. - М.: Издательство «ФОРУМ-ИНФРА-М». - 2011. - 190 с.

Размещено на Allbest.ru