Мониторинг хлорирования воды хозяйственно-питьевого назначения и поиск путей снижения содержания галогенорганических соединений в питьевой воде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат наук Малкова Мария Александровна

• Малкова Мария Александровна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Малкова Мария Александровна

Список сокращений................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ХЛОРОМ..................9

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)........................................................................................9

1.1 Методы хлорирования воды............................................................................9

1.2 Предшественники образования тригалогенметанов...................................14

1.4 Факторы, влияющие на образование ТГМ...................................................18

1.5 Влияние ТГМ на здоровье человека.............................................................20

1.6 Описание источника водоснабжения г. Уфы...............................................25

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................28

2.1 Определение содержания летучих галогенорганических соединений

газожидкостной хроматографией........................................................................29

2.2. Методология прогнозирования ТГМ в питьевой воде...............................31

2.2.1 Ранжирование по содержанию компонентов ТГМ и временным периодам................................................................................................................. 32

2.2.2 Анализ временных рядов.............................................................................33

2.2.3 Корреляционно-регрессионный анализ.....................................................35

2.3 Оценка канцерогенного и неканцерогенного рисков..................................37

2.2.4 Содержание эксперимента по оценке возможности снижения концентрации броморганических ТГМ..............................................................41

ГЛАВА 3 МОНИТОРИНГ ХЛОРИРОВАННОЙ ВОДЫ ХОЗЯЙСТВЕННО-

ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ.............................................................................44

(РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ).............................................................44

3.1 Оценка загрязненности тригалогенметанами водоисточника....................44

3.2 Оценка загрязненности ТГМ питьевой воды...............................................48

3.2.1 Ранжирование ТГМ по временным периодам..........................................52

3.2.2 Метод сезонной декомпозиции..................................................................58

3.3 Моделирование прогнозирования концентрации ТГМ..............................63

3.3.1 Моделирование содержания ТХМ в зависимости от времени................64

3.3.2 Выявление связи между содержанием ТГМ и дозой хлора.....................71

3.3.3 Прогнозирование содержания ТГМ и компонентов на основе учета обобщенных показателей качества воды............................................................82

3.3.3.1 Прогнозирование ТГМ на основе учета обобщенных показателей качества воды (ПВ)...............................................................................................84

3.3.3.2 Прогнозирование содержания ТГМ на основе средних месячных значений обобщенных показателей качества воды (ПВ)..................................86

3.3.3.3 Зависимость концентрации ТХМ от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)...........................................................................................88

3.3.3.4 Зависимость суммарной концентрации ТГМ от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)........................................................................91

3.3.3.5 Зависимость суммарной концентрации ТГМ(С1) от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)......................................................93

3.3.3.6 Зависимость дозы хлора от мутности, цветности и окисляемости (ИВ2).......................................................................................................................95

3.3.3.7 Прогнозирование ТГМ на основе учета обобщенных показателей качества воды и расхода воды (ИВ2)..................................................................98

3.3.3.8 Прогнозирование содержания ТГМ на основе средних месячных значений обобщенных показателей качества воды (ИВ2)................................99

3.3.4 Прогнозирование ТГМ с учетом смещения временных рядов.............102

3.4 Сопоставление качества питьевой воды по содержанию

тригалогенметанов с заболеваемостью населения..........................................110

3.5 Оценка канцерогенного и неканцерогенного рисков здоровью населения, потребляющего питьевую воду.........................................................................121

3.5.1 Оценка канцерогенного риска..................................................................125

3.5.2 Оценка неканцерогенного риска..............................................................135

3.6 Оценка возможности снижения степени образования броморганических соединений...........................................................................................................137

3.6.1 Содержание и результаты эксперимента.................................................138

ВЫВОДЫ.............................................................................................................143

Список литературы.............................................................................................146

Список сокращений

ТГМ - тригалогенметаны;

ГВ - гуминовые вещества;

ГК - гуминовые кислоты;

ФК - фульвокислоты;

ПОВ - природное органическое вещество;

ООУ - общий органический углерод;

ПВХ - поливинилхлорид;

ПЭВД - полиэтилен высокого давления;

ГУК - галогенуксусные кислоты;

ТХМ - хлороформ (трихлорметан);

БДХМ - бромдихлорметан;

ДБХМ - дибромхлорметан;

ТБМ - бромоформ (трибромметан);

МАИР - Международное агентство по изучению рака;

ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения;

ВЗ - водозабор;

ИВ - инфильтрационный водозабор;

ПВ - поверхностный водозабор;

РЧВ - резервуар чистой воды;

ГСС - галогенсодержащие соединения;

ГСО - Государственные стандартные образцы;

ДЭЗ - детектор электронного захвата;

ЛГС - летучие галогенорганические соединения;

СС - среднегодовое;

СК - скользящее среднее;

СМ - среднемноголетнее;

ЗНО - злокачественные новообразования;

БК - болезни крови;

ЭЗ - эндокринные заболевания;

БСК - болезни системы кровообращения;

БОД - болезни органов дыхания;

БОП - болезни органов пищеварения;

КБ - кожные болезни;

БОДА - болезни опорно-двигательного аппарата; БМПС - болезни мочеполовой системы; ВУ - врожденные уродства; КР - канцерогенный риск.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Качество питьевой воды часто не удовлетворяет принятым в Российской Федерации нормам. Высокая антропогенная нагрузка на водные объекты приводит к ухудшению качества воды водоисточника.

Одним из наиболее важных требований к качеству воды хозяйственно-питьевого назначения относят отсутствие возбудителей инфекционных, паразитарных заболеваний и глистных инвазий. Поэтому возникает необходимость их обезвреживания. Хлорирование является наиболее распространенным и надежным методом обеззараживания питьевой воды. Однако такой способ приводит к образованию продуктов хлорирования -галогенорганических соединений, - большая часть которых приходится на тригалогенметаны (ТГМ). В эту группу соединений относят хлороформ CHQ3 (ТХМ), бромдихлорметан CHBrQ2 (БДХМ), дибромхлорметан CHBг2a (ДБХМ) и бромоформ CHBrз (ТБМ).

Компоненты ТГМ могут оказывать существенное негативное влияние на здоровье населения. Они обладают полиморфизмом токсического действия и способностью вызывать отдаленные эффекты, например канцерогенез. Большой интерес к качественному и количественному содержанию ТГМ в питьевой воде обусловлен как особенностями воздействия веществ этой группы на организм человека, так и массовостью населения в России и за рубежом, потребляющего и использующего в течение многих лет питьевую воду, технологический процесс обеззараживания которой включал стадию хлорирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке:

• РГНФ, проект «Эколого-гигиеническая оценка влияния качества воды на здоровье населения (на примере г. Уфы)» №15-16-02009/15, №15-1602009/16;

• грант Академии наук Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам в 2017 году, проект «Роль Павловского

водохранилища в формировании химического состава воды реки Уфа по некоторым показателям качества воды»;

• Государственное задание №5.12863.2018/8.9, проект «Разработка системы идентификации и количественного анализа экологических рисков, возникающих при водоснабжении крупной городской агломерации».

Целью работы является мониторинг ТГМ в воде хозяйственно -питьевого назначения (на примере поверхностного и инфильтрационных водозаборов г. Уфы).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

■ мониторинг содержания компонентов ТГМ в питьевой воде;

■ сопоставление результатов мониторинга, полученных для водозаборов поверхностного и инфильтрационного типов;

■ оценка возможности прогнозирования качества питьевой воды по содержанию ТГМ и компонентов;

■ исследование взаимосвязи между качеством питьевой воды, определяемым содержанием ТГМ, с заболеваемостью населения;

■ оценка канцерогенного и неканцерогенного рисков здоровью населения, связанных с потреблением хлорированной питьевой воды;

■ оценка образования броморганических ТГМ при хлорировании воды с использованием электролиза раствора хлорида натрия, и поиск путей снижения бромсодержащих ТГМ в питьевой воде.

Научная новизна:

На основании математической обработки данных многолетних наблюдений (1995-2017гг.) установлено, что вклад детерминированных компонент в изменчивость содержания компонентов ТГМ в питьевой воде поверхностного и инфильтрационных водозаборов г. Уфы составляет 7598%.

Найдены уравнения, которые могут быть использованы для прогнозирования содержания ТГМ в питьевой воде на основании данных о

дозе введенного для обеззараживания хлора, мутности, цветности, окисляемости воды и расхода воды на водоисточнике.

Выявлено, что наибольшую опасность в отношении канцерогенного риска здоровью человека среди компонентов ТГМ в период 1997-2013 гг. на поверхностном (ПВ) и инфильтрационном водозаборах (ИВ1) города Уфы представляет БДХМ, на инфильтрационном водозаборе (ИВ2) - ДБХМ.

На основании данных о первичной и общей заболеваемости населения г Уфы за период 2002-2013 гг., в целом, выявлено отсутствие статистически значимой связи между показателями заболеваемости населения (злокачественные новообразования, болезни крови, эндокринные заболевания, болезни системы кровообращения, болезни органов дыхания, болезни органов пищеварения, кожные болезни, болезни опорно -двигательного аппарата, болезни мочеполовой системы, врожденные уродств) и содержанием ТГМ в питьевой воде поверхностного и инфильтрационного водозаборов.

Практическая значимость:

Предложены подходы, позволяющие прогнозировать концентрацию ТГМ и составляющих компонентов на основании данных о мутности, цветности и окисляемости исходной воды, а также дозы введенного для обеззараживания хлора. Разработано учебное пособие для врачей «Эколого-гигиенические риски здоровью человека при употреблении питьевых вод в условиях промышленного города»; зарегистрированы две базы данных (свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2016620652 от 23.05.2016; № 2017620028 от 10.01.2017). Сформулированы рекомендации по снижению концентраций бромсодержащих компонентов ТГМ в питьевой воде.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мониторинг хлорирования воды хозяйственно-питьевого назначения и поиск путей снижения содержания галогенорганических соединений в питьевой воде»

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на: Всероссийской научно -технической конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные исследования в технических науках в условиях перехода

предприятий на импортозамещение: проблемы и пути решения» (Уфа, 2015); IX Всероссийской научной интернет-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии» (Уфа, 2015); VIII Международной научно-практической конференции молодых учёных «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2015); 67-й Научно-Технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2016); XV международной научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2016); X Всероссийской научной интернет-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии» (Уфа, 2016); Всероссийская конференция по квантовой и математической химии (Уфа, 2017); XIX Международной молодежной научно-практической конференции (Новосибирск, 2017); 69-й Научно-Технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2018).

Публикации результатов

По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в издании, включённом в международную реферативную базу данных Scopus, 2 базы данных, 1 статья в других изданиях, 1 учебное пособие, 12 работ в материалах конференций.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, трех глав и выводов; изложена на 166 страницах текста, содержит 81 таблицу, 40 рисунков.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ХЛОРОМ

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Обеззараживание воды входит в комплекс мероприятий, проводимых для предупреждения и ликвидации инфекционных болезней, передающихся через воду [78,101,153,170,174,177]. Необходимость обеззараживания питьевой воды обусловлена тем, что на этапах, предшествующих обеззараживанию, удается удалить лишь 90-95% загрязняющих воду микроорганизмов. Среди оставшихся могут быть патогенные вирусы и бактерии [74]. Кроме того, обеззараживание способствует повышению качества питьевой воды за счет окислительного разрушения и связывания некоторых примесей антропогенного и природного происхождения.

1.1 Методы хлорирования воды

Среди существующих физических и химических методов обеззараживания воды хлорирование получило повсеместное применение. Для обеззараживания воды хлорированием применяют молекулярный хлор и активные хлорсодержащие соединения (табл.1) [74,116,170].

Таблица 1 - Содержание активного хлора в хлорсодержащих соединениях

Ш91

Вещество Содержание активного хлора, %

Молекулярный хлор 100

Гипохлорит натрия Продукта - 95,2; активного хлора в растворе 10 - 20 %

Хлорная известь 30 - 35

Гипохлорит кальция 50 - 60

Диоксид хлора 26,3

Хлорамин 26-28

Из перечисленных средств при хлорировании питьевой воды наиболее

широко применяются молекулярный хлор, хлорная известь, диоксид хлора

2

[74,116,147,149,170].

Распространенной формой использование хлора в процессе

9

водоподготовки является введение в обрабатываемую воду его водных растворов. В воде происходит превращение молекулярного хлора в соляную и хлорноватистую кислоты; последняя далее может диссоциировать до гипохлорит-иона:

CI2 + H2O г HCl + HOCl г H+ + OCl- (1)

Таким образом, в воде могут присутствовать: молекулярный хлор, хлорноватистая кислота и гипохлорит ион, соотношение которых определяется pH (табл.2) [74,116,170].

Таблица 2 - Содержание хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона в воде в зависимости от р^ %_______

pH Содержанйе.^^ % 4 5 6 7 8 9 10 11

OCl- 0,05 0,5 2,5 21,0 75,0 97,0 99,5 99,9

HOCl 99,95 99,5 97,5 79,0 25,0 3,0 0,5 0,1

Эффективность обеззараживания воды хлором и хлорсодержащими соединениями зависит от многих факторов: количества микроорганизмов и их различной резистентностью к окислителю; эффективности бактерицидного действия реагентов; состояния водной среды; условий, при которых осуществляется хлорирование [117,147-149].

В зависимости от характера загрязнений в обрабатываемой воде, вида

водоисточника и особенностей используемого оборудования методы

хлорирования классифицируют на 2 группы: прехлорирование и

постхлорирование [101,174]. Прехлорирование используется для борьбы со

значительным бактериальным заражением и проводится большими дозами

хлора, находящимися за точкой перелома остаточного хлорирования

(введение хлора до момента, пока не будет обнаружен остаточный хлор),

если она наблюдается при хлорировании природной воды [170,177].

Постхлорирование представляет собой обеззараживание воды хлором,

которое проводится после всех других этапов ее обработки и является, таким

образом, завершающим этапом очистки воды [74,116,147,149]. Если вода

10

подвергается только хлорированию и какие-либо другие этапы обработки отсутствуют, то в этом случае такая обработка считается постхлорированием. Постхлорирование может проводиться как небольшими (нормальное хлорирование), так и повышенными дозами (перехлорирование); может применяться и совместно с другими обеззараживающими веществами (комбинированное хлорирование) [117,170].

Прехлорирование воды проводится как первый этап при значительном бактериальном загрязнении воды большими дозами хлора. Избыточное количество хлора удаляется на дальнейших этапах очистки [170].

Предложена классификация способов хлорирования воды [82,88,117,130]:

1) хлорирование воды до очистки;

2) суперхлорирование (хлорирование повышенными дозами хлора);

3) хлорирование с преаммонизацией (с целью предупреждения специфических запахов в обеззараживаемую воду до хлора вводят аммиак или его соли);

4) хлорирование с учетом точки перелома кривой остаточного хлора (при хлорировании воды, содержащей аммонийные соли, образуются хлорамины. Если количество аммиака недостаточно для связывания всего свободного хлора, то последний разрушает монохлорамины и дихлорамины, поэтому уменьшается количество остаточного хлора: возникает точка перелома, после которой в воде остается только свободный хлор);

5) хлорирование в процессе очистки (при коагулировании воды в разных типах отстойников путем внесения коагулянтов в дозе, понижающей рН воды до 5,0-6,0, одновременного хлорирования хлором или хлорсодержащими средствами разработаны режимы обеззараживания воды, содержащей бактерии, вирусы, риккетсии, споры микроорганизмов, ботулинические токсины);

6) обработка воды диоксидом хлора (для длительного хлорирования

воды в колодцах разработан новый способ введения диоксида хлора в воду с помощью керамических патронов [88];

7) хлорирование воды в колодцах (при этом способе в течение месяца в воду поступает хлор в концентрации 0,3-1 мг/л, обеспечивающей эпидемиологическую безопасность колодезной воды);

8) хлорирование воды таблетированными средствами на основе хлорсодержащих соединений (для обеззараживания индивидуальных и групповых запасов питьевой воды разработаны таблетированные средства на основе хлорамина и трихлоризоциануровой кислоты) [82].

Различные хлорсодержащие дезинфектанты имеют преимущества и недостатки, которые широко обсуждаются в научной литературе [74,101,116,147,149,170,177]. Анализ опубликованных работ позволил нам просуммировать данные и сформировать таблицу, содержащую сравнительные данные по преимуществам или недостаткам того или иного метода (табл.3).

Несмотря на существования других способов обеззараживания воды (УФ-облучение, озонирование, фторирование, ультразвуковое воздействия), хлорирование воды является одним из самых надежных, поскольку главное его преимущество заключается в последействии, что обеспечивает сохранение качества питьевой воды, например, в распределительных сетях.

Обеззараживание хлорированием осуществляется на несложном и недорогом оборудовании [72,78,170]. Однако следует учитывать, что эффективность обеззараживания воды препаратами хлора зависит от интенсивности начального заражения воды бактериями и вирусами [61,140,142,153,170].

Таблица 3 - Преимущества и недостатки некоторых дезинфектантов

Наименование дезинфектанта Преимущества Недостатки

Молекулярный хлор Низкая стоимость; высокая реакционная способность; эффективность удаления неприятных вкуса и запаха; предотвращение роста водорослей; разрушение органических соединений Повышенные требования к перевозке и хранению; потенциальный риск отравления людей в случае утечки; образование продуктов дезинфекции - тригалометанов, галогенуксусных кислот

Гипохлорит натрия Высокая эффективность против большинства болезнетворных микроорганизмов; относительная безопасность при использовании; при получении на месте не требует транспортировки и хранения опасных химикатов Невысокая эффективность против цист (Giardia, Cryptosporidium); потеря активность при длительном хранении; потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении; образование продуктов дезинфекции, включая тригалогенметаны; при получении на месте требование немедленного использования, либо обеспечение возможности хранения; требование специальных мер по очистке исходной воды и соли от ионов тяжелых металлов; при хранении растворов NaClO с концентрацией активного хлора более 450 мг/л и рН более 9 - накопление хлоратов

Хлорная известь Выраженные бактерицидные и спороцидные свойства; относительная дешевизна и сравнительная простота в применении Постоянное снижение содержания активного хлора (на 1-3% в месяц); сложность хранения (в темном, сухом и прохладном месте, в закрытой таре); плохая растворимость в воде; коррозия металлов; снижение активности в присутствии органических веществ

Диоксид хлора Эффективность при пониженных дозах; отсутствие образования хлораминов, тригалогенметанов, броматов и броморганических продуктов; разрушение фенолов - источника неприятного вкуса и запаха; высокая эффективность для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусы Обязательное получение на месте применения; необходимость перевозки и хранения легковоспламеняющихся исходных веществ; образование хлоратов и хлоритов; в сочетании с некоторыми материалами и веществами появление специфического запаха и вкуса

Хлорамин Устойчивое и долговременное последействие; способствование удалению неприятного вкуса и запаха; снижение уровня образования тригалогенметанов и других хлорорганических продуктов дезинфекции Низкая эффективность против вирусов и цист (Giardia, Cryptosporidium); при дезинфекции требования высоких доз и пролонгированного времени контакта; образование азотосодержащих продуктов

1.2 Предшественники образования тригалогенметанов

Интерес к неорганическим и, в большей степени, органическим примесям природных вод обусловлен тем, что в процессе водоподготовки на стадии обеззараживания воды хлором или его соединениями образуются вещества более токсичные, чем исходные [72].

В настоящее время одной из главных проблем хлорирования молекулярным хлором является образование хлорорганических соединений, среди которых большую опасность представляют летучие хлорорганические соединения. Большими по концентрации в системах распределения питьевой воды считаются тригалогенметаны (ТГМ) и галогенуксусные кислоты. К ТГМ относят хлороформ (трихлорметан), бромдихлорметан, дибромхлорметан, бромоформ (трибромметан) [53]. В последние годы, согласно данным российских и зарубежных исследований, наблюдаются высокие концентрации именно этих органических загрязнителей в воде хозяйственно-питьевого назначения [47].

Источниками образования ТГМ являются как антропогенные, так и природные вещества [30,37,129,146]. К природным источникам, как правило, высокомолекулярным соединениям, относят водный гумус, фульвокислоты и др. [79,125,170]. Значительную опасность в плане возможности образования ТГМ представляют отходы целлюлозно-бумажной промышленности, поскольку их отходы - лигнины - по структуре во многом аналогичны гуминовым и фульвокислотам и содержат схожие структурные фрагменты в своих молекулах [69]. Источниками ТГМ могут являться отходы коксохимических производств, лакокрасочные материалы, гербициды, растворители, в т.ч. и хлорсодержащие, а также такие процессы, как золотодобыча [29,36,52,60,62,96,162,70,119].

Важным источником галогенсодержащих соединений являются бытовые и промышленные стоки, в которые галогенсодержащие соединения (ГСС) попадают как уже использованные растворители, как, например,

трихлорметан [66,86,131,173]. Кроме того, некоторые промышленные предприятия используют хлорирование для обработки своих стоков, что приводит к появлению хлорорганических соединений в воде водоисточника [34,86].

Формирование ТГМ главным образом зависит от особенностей водоисточника. Загрязнение поверхностных и подземных водоисточников зависит от ряда факторов: деятельности предприятий, расположенных в бассейне водосбора, количества и мощности очистных сооружений, а также климатических и географических условий [72].

Гуминовые вещества (ГВ) - это сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных темно-окрашенных органических соединений природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. Гуминовые вещества составляют от 60 до 80% органического вещества водных и почвенных сред [125]. Общепринятая классификация гуминовых веществ основана на их различии в растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три основные составляющие: гумин - неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) - фракция ГВ, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах; фульвокислоты (ФК) - фракция ГВ, растворимая в щелочах и кислотах [92,125].

Предложена гипотетическая структура гуминовых веществ почвы (рис.1). Структура позволяет продемонстрировать основные химические свойства ГВ, такие как кислотность, хелатирующая способность, окислительно-восстановительные и п-акцепторные свойства, а также полиэлектролитную природу ГВ [125].

Рисунок 1 - Гипотетическая структура гуминовых веществ почвы [125]

Гуминовые вещества содержат различные функциональные группы. Это карбоксильные, фенольные и спиртовые, карбонильные, хинонные, метоксильные, сложноэфирные, енольные, амино-, амидо- и имидогруппы, сульфотиольные и дисульфидные группы [27].

Присутствие в воде нитрита натрия КаЫ02 иногда рассматривается как одна из причин образования ТГМ [25]. Однако в иных исследованиях доказано, что присутствие этого соединения не оказывает существенного эффекта на формирование ТГМ [36]. В случае присутствия в исходной воде бромид-ионов, хлорноватистая кислота может реагировать с бромидом с образованием бромноватистой кислоты. Это, в конечном счете, приводит к реакции предшественников ТГМ с бромноватистой кислотой и, как результат, образованию, наряду с хлорсодержащими, и бромсодержащих ТГМ [36].

В общем случае процесс формирования ТГМ в присутствии природного органического вещества (ПОВ) описывается следующей схемой [53] (рис.2)

+ Н0С1

ШОрырОЕ ЭННЫЕ

тгм

^ Гилроф ооные

ПОВ - НОВг

оромнров энные ТГМ

Природное органическое

ЕЯПеСГБО

(ПОВ)

Гидрофильные

-НОВг-

оромиров энные ТГМ

ПОВ

Рисунок 2 - Схема формирования хлор- и бромсодержащих ТГМ [15]

Подтверждением того, что ГВ являются предшественниками ТГМ, стали результаты их прямого хлорирования [36]. Косвенное подтверждение этому факту - значительное уменьшение содержания ТГМ при хлорировании воды из подземных источников [43,67,72,73,124].

Как правило, компоненты ТГМ показывают более высокий потенциал образования при увеличении содержания ПОВ и повышении дозы хлора [56]. Так, например, высокий коэффициент корреляции (г = 0,90) характеризует связь между концентрациями ООУ и ТГМ [58].

Изучение хлорирования модельных растворов фенола, который в водных растворах легко подвергается бромированию с образованием замещенных фенолов, выявило наличие примеси брома в хлорной воде. Этот факт выявлен благодаря обнаружению бромдихлорфенола и дибромхлорфенола в исследуемых пробах после хлорирования. Причем содержание брома в образующихся продуктах увеличивалось с увеличением дозы хлора [72].

1.4 Факторы, влияющие на образование ТГМ

Одним из наиболее значимых источников формирования ТГМ является присутствие в речной воде водного гумуса [13,30,72]. Тем не менее, их количественное содержание определяется и такими факторами, как температура, состав органических соединений, материал водопроводных труб, природа и доза хлорирующего агента, рН и другие [162].

Влияние материала водопроводной трубы. Ряд исследований показал, что немаловажную роль в формировании ТГМ и ГУК играет материал, из которого изготовлены водопроводные трубы. Например, имеются результаты экспериментов, которые свидетельствуют о возможности выщелачивания летучих органических компонентов из труб, изготовленных из ПВХ. Это является потенциальной угрозой образования токсичных продуктов. Необходимо отметить, что схожие процессы имеют место в случае труб, изготовленных из ПЭВД [55].

С другой стороны, эксперименты на медных и стеклянных трубах показали, что значительной разницы между суммарным количеством ГУК и ТГМ за первые 12 часов процесса хлорирования не наблюдается [35].

Влияние температуры. Исследования показали, что концентрации продуктов хлорирования отличаются в потоках воды системы распределения и резервуарах чистой воды [14]. Повышение температуры воды увеличивает скорость образования компонентов ТГМ. Это приводит к созданию более высоких концентраций компонентов ТГМ в системах распределения питьевой воды [14].

Формирование продуктов хлорирования также зависит от сезонных изменений: летом их концентрация почти в 2 раза выше по сравнению с зимой [12,16,51]. Указанная тенденция сохраняется и в климатических зонах, где разница между «летней» и «зимней» температурами воды несущественная; считается, что это связано с возрастанием содержания планктонного гумуса в летнее время за счет отмирания гидробионтов [72].

Влияние pH. Установлено, что рН оказывает существенное влияние на образование компонентов ТГМ [19,52].

В п.1.1 описано влияние рН среды на направления и скорости процесса хлорирования воды. При рН менее 7 основная часть НС10 остается недиссоциированной, а при рН более 8 - в форме иона ОС1-[74,116,147,149,153,170].

С увеличением окислительно-восстановительного потенциала хлорсодержащей среды, количество образующихся ТГМ уменьшается [12,25,36,170].

Оказывает влияние значение рН на процесс хлорирования ГК и ФК; выявлено, что при хлорировании гипохлоритом натрия ГК и ФК увеличение рН с 4 до 10 позволяет снизить концентрацию трихлоруксусной кислоты в 6 раз, но при этом концентрация хлороформа увеличивается в 4 раза [62].

Влияние дозы хлорирующего агента. Результаты многочисленных исследований показывают, что с увеличением доза хлора повышается концентрация компонентов ТГМ, особенно хлороформа [60,67,72,102,103]. Однако считается, что эта зависимость не носит строго линейный характер. При дозе хлора до 1,5 мг/дм3 хлороформ практически не образуется, и активный хлор расходуется на окисление неорганических примесей. Увеличение дозы хлора с 1,5 до 14 мг/дм3, приводит к резкому увеличению количества образующегося хлороформа. При этом количество остаточного активного хлора, присутствующего в воде, со временем уменьшается. Повышение дозы хлора до 24 мг/дм3 приводит к медленному повышению концентрации хлороформа. Резкое увеличение содержание остаточного хлора указывает на завершение процесса окисления находящихся в воде органических соединений [66,79]. Вполне понятно, описанные зависимости могут значительно изменяться, что будет определяться качеством исходной воды. Однако общая картина изменения остаточного хлора сохраняется, что свидетельствует о подобии протекающих процессов [79,170].

1.5 Влияние ТГМ на здоровье человека

Как указывается в документах Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), проблемы со здоровьем населения из-за микробного заражения проявляются в короткие промежутки времени [140,142]. Действие химических соединений, содержащихся в воде, является пролонгированным и проявляется в значительной степени при длительном потреблении или контакте человека с водой [53]. Опираясь на мнение экспертов МАИР (Международное агентство по изучению рака), органы здравоохранения различных стран, в том числе России, составляют национальные списки опасных соединений, подлежащих регламентированию [8]. По данным Агентства по охране окружающей среды (ЕРА) составлен список продуктов дезинфекции питьевой воды, которые могут оказывать существенное влияние на здоровье человека (табл.4). Перечисленные загрязнители сгруппированы в четыре категории и включают остатки дезинфектанта, неорганические побочные продукты, органические побочные продукты окисления и галогенизированные органические соединения.

Следует отметить, что многие страны на территории постсоветского пространства сохранили технологии обеззараживания и нормативы по контролю качества питьевой воды [135]. При этом особое внимание уделяется анализу содержания галогенсодержащих соединений [8,135,154].

Несмотря на то, что микробиологическое загрязнение является приоритетной причиной заболеваемости населения, связанной с водным фактором, присутствие в питьевой воде компонентов ТГМ даже в сравнительно малых концентрациях способны нанести вред здоровью потребителя воды (табл.5) [53].

Необходимо отметить, что потенциальный риск здоровью человека от компонентов ТГМ может представлять также попадание этих агентов в организм при использовании воды для умывания, хозяйственных нужд и рекреации [7,44,45,57,87,96,99].

Таблица 4 - Продукты дезинфекции, обладающие негативным влиянием на здоровье человека [2]

Свободный хлор Тригалогенметаны

Хлорноватистая кислота Трихлорметан

Гипохлорит-ион Трибромметан

Хлорамины Бромдихлорметан

Монохлорамин Дибромхлорметан

Диоксид хлора Галогенуксусные кислоты

Хлорат-ион Монохлоруксусная кислота

Хлорит-ион Дихлоруксусная кислота

Бромат-ион Трихлоруксусная кислота

Иодат-ион Монобромуксусная кислота

Перекись водорода Дибромуксусная кислота

Аммиак Галогенацетонитрилы

Альдегиды Дихлорацетонитрил

Ацетальдегид Бромхлорацетонитрил

Формальдегид Дибромацетонитрил

Глиоксаль Трихлорацетонитрил

Гексаналь Галокетоны

Гептаналь 1,1 - Дихлорпропанон

Карбоксильные кислоты 1,1,1 - Трихлорпропанон

Капроновая кислота Хлорфенолы

Энантовая кислота 2 - Хлорфенол

Щавелевая кислота 2,4 - Дихлорфенол

2,4,6 - Трихлорфенол

Хлорпикрин

Хлоралгидрат

Хлорциан

*Курсивом выделены дезинфектанты, непосредственно вводимые для обеззараживания питьевой воды, и классы органических соединений, образующиеся в результате взаимодействия дезинфектантов с загрязнителями воды

Для контроля качества питьевой воды в Российской Федерации приоритетными являются 82 показателя, в странах ЕС таких показателей несколько меньше - 44-48, а ВОЗ рекомендует 85 [1].

Наиболее полные сведения о химических веществах, присутствующих в воде, содержатся в монографиях ВОЗ, посвященных качеству питьевой воды [6,24], первичных материалах к этим монографиям [8,24], а также в некоторых публикациях в рамках Международной программы химической безопасности (IPCS) [157].

По классификации МАИР все химические вещества в зависимости от канцерогенного риска для человека разделены на 3 группы [75]:

I — имеются достаточные эпидемиологические доказательства канцерогенности вещества для человека;

II (подгруппы 2А и 2Б) — имеются достаточные экспериментальные доказательства канцерогенности для теплокровных животных, что дает основание считать вещество возможным канцерогеном для человека;

III — данных недостаточно, чтобы классифицировать вещество с позиции его канцерогенности для человека.

Трибромметан и бромдихлорметан принадлежат к канцерогенам группы 2Б [75].

Экспериментально изучена возможная канцерогенность как обработанной хлором, так и обработанной хлорамином питьевой воды. Образцы такой воды, деионизированной и пропущенной через угольный фильтр, крысы и мыши получали как питьевую воду. Результаты оценены как сомнительные доказательства канцерогенности [46,112].

Предполагается, что ТГМ содержатся в хлорированной воде в очень низких концентрациях (ниже 10 мкг/л) и оценить их эффект невозможно. В то же время считается, что они могут быть опасны для человека [112]. В единичных работах показана связь учащения рака мочевого пузыря и некоторых других органов (ободочной и прямой кишок, легких, кожи) при потреблении воды, содержащей эти продукты [112]. Причиной этому полагаются те обстоятельства, что необходимо учитывать не только содержание ТГМ в воде, но и другие факторы их поступления в организм человека. ТГМ проникают в организм с вдыхаемым воздухом, поскольку являются летучими соединениями, или через кожу при принятии душа или ванны, купании в бассейне, при использовании горячей воды в процессе приготовления еды, стирки или мытья посуды. Этим аспектам уделяют внимание и отечественные исследователи [66,85,99,181].

Таблица 5 - Гигиенические нормативы содержания тригалогенметанов в питьевой ^ воде и их воздействие на организм человека [143]_

Вещество Химическая формула ПДК, мкг/дм3 Показатель вредности Класс опасности Хроническая интоксикация при концентрациях, превышающих ПДК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Малкова Мария Александровна, 2019 год

- / ▲

♦

♦♦

у = 34,28х - 11,76

R2 = 0,655 1 1

0.47 0.52

Доза хлора, мг/дм3

0.57

а

р

о

-е

о р

о3

* В 5.7

д

8.7 7.7 6.7

х

5 & 4.7

В а

6 3.7

я

и

Э 2.7

я

о

Ы

у = 31.511х -12.374 R2 = 0.6717

♦ ▼

♦ ♦

0.47 0.52 0.57

Доза хлора, мг/дм3

1.8

3

Л 1.7

£

§ 1.6 £ 1.5

* § 1.4

3 £

ё 8 13 ох

§ 1.2

о р1.1

ю

♦

♦ ^

у = 5,878х -1,667

^ = 0,593

0.47 0.52

0.57

Доза хлора, мг/дм3

т 0.7 3м 0.7

/д0.65

2

§ а 0.6 I | 0.55 ^ а 0.5

| & 0.45

° 5

« Щ 0.4 а 0.35 * 0.3

: -1,282х + 1,151 R2 = 0,077

♦ ♦ ♦

0.47 0.52 0.57

Доза хлора, мг/дм3

Рисунок 28 - Зависимости «средняя месячная концентрация ТГМ и компонентов - средняя месячная доза хлора»

у

При рассмотрении зависимостей средних месячных концентраций доз хлора и компонентов ТГМ повышается значение коэффициента детерминации (до 0,6 и более) (рис.28).

Несмотря на возможность получения сравнительно успешного долгосрочного прогноза значений ТГМ в зависимости от дозы хлора, следует учитывать тот факт, что отклонения от расчетных значений могут оказаться значительными. Например, отклонение прогнозной концентрации ТХМ от истинной в декабре 2006 года составляет более 150%.

Таким образом, при анализе линейного соотношения между временными рядами истинных концентраций ТГМ и компонентов и дозы хлора наблюдается положительный тренд в парах «содержание ТГМ, ТХМ -доза хлора» и отрицательных тренд в случаях «содержание броморганических веществ (БДХМ, ДБХМ) - доза хлора».

Анализ ряда средних месячных концентраций выявил симбатность между величинами дозы хлора, суммарной концентрации ТГМ, ТХМ и БДХМ и антибатность между величинами дозы хлора и концентрацией ДБХМ.

Используя процедуру сглаживания временных рядов, можно получить достаточно высокую степень связи между параметрами «содержание ТГМ -доза хлора», «содержание ТХМ - доза хлора», «содержание БДХМ - доза хлора». Однако долгосрочный прогноз по средним месячным данным свидетельствуют о том, что прогнозные значения могут отличаться более, чем в 1,5 раза от фактически наблюдаемых.

3.3.3 Прогнозирование содержания ТГМ и компонентов на основе учета обобщенных показателей качества воды

Представляется целесообразным проведение исследования по поиску существования связи между содержанием ТГМ в питьевой воде не только в зависимости от дозы введенного хлора, но и от других показателей качества воды. В частности, такими показателями могут служить обобщенные

82

показатели: мутность, цветность и окисляемость воды водоисточника. Выбор показателей обоснован тем, что они косвенно отражают содержание в воде водоисточника основных предшественников ТГМ - гуминовых и фульвокислот [124-126].

Нами использован корреляционно-регрессионный анализ с целью получения уравнения, связывающего содержание ТХМ в питьевой воде с дозой хлора (Дс1) и некоторыми обобщенными показателями качества воды водоисточника: мутности (М), цветности (Ц), окисляемости (О) на водозаборах инфильтрационного и поверхностного типов. Помимо концентрации ТХМ, зависимыми параметрами приняты суммарная концентрация компонентов ТГМ (ТГМ) и суммарная концентрация ТГМ, пересчитанная по содержанию атомарного хлора (ТГМ(С1)).

Вклад ТГМ(С1) рассчитан по формуле 16:

ТГМ(С1) = mCHBr2Cl х 35,5 х 1 + Шснвс'2 х 35,5 х 2 + ^^ х 35,5 х 3 (16)

МСНВг 2 С1 МСНВгС1 2 МСНС13

где т - содержание компонента ТГМ, мкг/дм3;

М - молярная масса компонента ТГМ, г/моль;

1,2,3 - количество атомов С1 в молекулах СНВг2С1, СНВгС12,

СНС13 соответственно

Такой расчет позволяет определить, сколько суммарно атомарного хлора содержится в компонентах, составляющих ТГМ.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

У = f (в , X)

где X - вектор независимых переменных;

в - вектор параметров (подлежащих определению);

У - зависимая (объясняемая) переменная.

Линейное уравнение множественной регрессии имеет вид: У = во + в1Х1 + в2Х2 + ... + втХт , где в0 - свободный член, определяющий значение Y, в случае, когда все переменные X] равны 0.

В качестве исходных служили среднемесячные данные аналитического контроля указанных показателей (1997-2014 гг.). Измерение содержания ТХМ в питьевой воде проводится один раз в месяц, т.е. в году наблюдается 12 измерений.

В отличие от содержания ТХМ, мутность, цветность и окисляемость воды измеряется ежедневно, поэтому в этом случае проведен расчет среднемесячных значений показателей качества воды путем суммирования всех значений за месяц и деления получившегося значения на число измерений в месяце.

Доза хлора рассчитывалась исходя их данных по среднему месячному значению подачи воды за сутки (м3/сут) и среднему месячному количеству потраченного хлора (кг/сут). В результате получены средние значения дозы хлора для каждого месяца.

Таким образом, число наблюдений п = 216, а число независимых переменных в модели равно 4.

Уравнения значимы при значениях М - 0,5 - 60 мг/дм3, Ц - 5 - 83 0Ц, О -0,9-8,2 мг/дм3, Дс1 - 0,6 - 3,5 мг/дм3 для ПВ и М - 0,6 - 64 мг/дм3, Ц - 5 - 107 0Ц, О - 0,9-8,6 мг/дм3, Дс1 - 0,3 - 0,9 мг/дм3 для ИВ.

3.3.3.1 Прогнозирование ТГМ на основе учета обобщенных показателей качества воды (ПВ)

Поскольку поверхностный водозабор характеризуется более сложной технологией водоподготовки, представляется целесообразным для более подробного описания полученных алгоритмов расчетов выбрать водозабор инфильтрационного типа. По водозабору ПВ представлены только результаты расчетов.

Водозабор ПВ. Расчеты по водозабору ПВ выполняются аналогично описанным ниже для водозабора ИВ2.

Расчет коэффициентов корреляции выявил умеренную силу связи между дозой хлора и концентрациями ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Ц и О (табл.29).

84

Таблица 29 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1 и М,_Ц, О на ПВ __

ДС1 М Ц О

ТХМ 0,42 -0,26 0,02 0,13

ТГМ 0,45 -0,22 0,09 0,22

ТГМ(С1) 0,44 -0,23 0,05 0,16

ДС1 - 0,10 0,45 0,47

Расчет г между независимыми параметрами показывает заметную связь между рядами «Да - Ц», «Да - О», высокую связь «М - Ц», «М - О» и весьма высокую связь между параметрами «Ц - О» (табл.30).

Таблица 30 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между

независимыми параметрами ДС1 и, М, Ц, О на П В

ДС1 М Ц О

ДС1

М 0,11

Ц 0,57 0,72

О 0,68 0,71 0,98

Проведение аналогичных расчетов, использующее в качестве исходных данные аналитического контроля указанных показателей (1997-2014 гг.), выявило невысокие значения коэффициента детерминации 0,30 - 0,32 и высокие значения ошибок аппроксимации (22-55%) (табл.31).

Таблица 31 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа

между параметрами ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О (1997-201 [4гг.) на ПВ

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = 3,94 + 10,75 Дс1 - 0,98 М - 0,32 Ц + 6,30 О 0,32 22,6 17,0 56,9

ТГМ = 7,85 + 11,82 Дс1 - 1,03 М - 0,35 Ц + 5,98 О 0,30 20,8 18,7 51,0

ТГМ(С1) = 4,37 + 9,76 Дс1 - 0,88 М - 0,29 Ц + 5,53 О 0,32 11,2 19,8 54,7

Дс1 = 0,89 - 0,03 М + 0,002 Ц + 0,22 О 0,32 30,0 0,6 22,5

Введение параметра Q (расход воды на Павловском водохранилище) в

регрессионное уравнение приводит к некоторому увеличению значения

ошибки аппроксимации и снижению значения коэффициента детерминации (табл.32).

Таблица 32 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между параметрами ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Да, М, Ц, О, Q (2011-2014гг.) на ПВ

Уравнение R2 F S А,%

ТХМ = 43,05 - 94,00 Да - 1,86 М - 1,39 Ц + 12,97 О + 0,03 0 0,27 9,4 10,3 65,4

ТГМ = 54,90 + 121,00 Да - 2,49 М - 1,78 Ц + 16,22 О + 0,05 0 0,26 5,6 11,6 60,5

ТГМ(С1) = 22,64 - 27,86 Да + 0,73 М - 1,60 Ц + 6,84 О - 0,009 0 0,26 3,8 27,7 63,7

Да = 0,56 - 0,005 М - 0,003 Ц + 0,04 О + 0,000018 0 0,27 12,8 3,1 27,0

Таким образом, уравнения для ТГМ, компонентов и дозы хлора без учета расходы воды Павловского водохранилища могут быть использованы для краткосрочного прогноза, поскольку полученные значения ошибок аппроксимации соизмеримы с ошибками измерения рассматриваемых показателей (ошибка измерения для разных компонентов ТГМ составляет 26-42%).

3.3.3.2 Прогнозирование содержания ТГМ на основе средних месячных значений обобщенных показателей качества воды (ПВ)

Водозабор ПВ. Расчет коэффициентов корреляции выявляет высокую силу связи между дозой хлора и концентрациями ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), что подтверждает определяющее влияние дозы хлора на количество образующихся ТГМ (табл.33).

Таблица 33 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между

средними месячными значениями ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), ДС1 и М М, Ц, О на ПВ

Дс1 М Ц О

ТХМ 0,82 -0,37 0,04 0,19

ТГМ 0,82 -0,37 0,04 0,19

ТГМ(С1) 0,81 -0,38 0,03 0,18

ДС1 - 0,57 0,68 0,68

Умеренная связь выявлена между рядами средних месячных значений концентраций Дс1 и М, Ц, О. Остальные связи - слабые.

Расчет г между независимыми параметрами показал заметную связь между рядами «Ц - ДС1 », « О - ДС1», высокую связь между рядами «М - Ц», «М - О» и весьма высокую связь между параметрами «Ц - О» (табл.34).

Таблица 34 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между независимыми ^ параметрами ДС1 и М, Ц, О на ПВ__

ДС1 М Ц О

ДС1

М 0,11

Ц 0,57 0,72

О 0,68 0,71 0,98

Проведение аналогичных расчетов, использующих в качестве исходных данные аналитического контроля указанных показателей (19972014 гг.), рассчитанные как средние за каждый из месяцев в году, позволяет выявить высокие значения коэффициента детерминации 0,83 - 0,91 и низкие значения ошибок аппроксимации (6-11%) (табл.35).

Таблица 35 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между средними месячными значениями параметров ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О на ПВ_

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = -13,45 + 23,04 Дс1 - 0,67 М - 2,18 Ц + 18,34 О 0,96 38,6 3,8 10,6

ТГМ = -9,88 + 22,93 Дс1 - 0,77 М -2,59 Ц + 21,78 О 0,94 33,4 4,4 10,5

ТГМ(С1) = -11,22 - 20,52 Да -0,62 М -2,01 Ц + 16,87 О 0,78 12,9 7,6 19,3

Дс1 = 0,57- 0,03 М - 0,08 Ц + 1,04 О 0,90 25,9 0,2 6,5

При использовании средних месячных значений результаты расчета параметров и характеристик уравнений с введением параметра О незначительно отличаются от характеристик уравнений без этого параметра (табл.36). Однако на водозаборе ПВ уравнение зависимости ДС1 от М, Ц, О, О

имеет меньшее значение коэффициента детерминации по сравнению с уравнением зависимости ДС1 от М, Ц, О.

Таблица 36 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между средними месячными значениями параметров ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О, 0 на ПВ_

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = 6,57 + 7,29 Да - 2,31 М - 7,84 Ц + 38,7 О + 0,12 0 0,93 11,2 2,6 11,5

ТГМ = 9,62 + 7,33 Да - 2,54 М - 8,79 Ц + 43,02 О + 0,14 0 0,93 5,3 2,4 11,1

ТГМ(С1) = 6,49 + 6,49 ДС1 - 2,11 М - 7,16 Ц + 35,23 О + 0,11 0 0,93 5,3 4,7 11,2

Да = 0,94 + 0,06 М - 0,005 Ц + 0,83 О - 0,009 0 0,39 11,4 7,6 21,0

Таким образом, полученные уравнения могут быть успешно использованы при долгосрочном прогнозировании концентрации ТГМ и дозы хлора.

3.3.3.3 Зависимость концентрации ТХМ от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)

Водозабор ИВ2. В качестве зависимой переменной принята истинная концентрация ТХМ в питьевой воде, независимыми переменными служили следующие: доза хлора (мг/дм3); мутность воды в реке (мг/дм3); цветность воды в реке (0Ц); окисляемость воды в реке (мг/дм3).

Анализ корреляционной матрицы между временными рядами показателей качества воды и концентрацией ТХМ показывает, что умеренная сила связи наблюдается между дозой хлора и концентрацией ТХМ (табл.37).

Таблица 37 - Коэффициенты парной корреляции / наблюдаемые значения 1-статистики для ТХМ, ДС1, М, Ц, О

Показатель ТХМ Дс1 М Ц О

ТХМ

Дс1 0,34/5,29

М -0,13/1,85 -0,12

Ц 0,12/1,80 -0,13 0,60

О 0,26/3,93 0,12 0,56 0,61

Заметная связь наблюдается между временными рядами М - Ц, М - О и Ц - О. Важно отметить, что полученные значения 1-статистики между независимыми и зависимыми параметрами указывают на статистическую значимость коэффициентов корреляции. Об отсутствии мультиколлениарности факторов свидетельствуют значения парных г менее 0,7 (табл.37).

Помимо коэффициентов парной корреляции проведен расчет коэффициентов частной корреляции (17).

"ух^

гухj х

(17)

|(1-Г2ухрх(1-Г2х^)

где г - коэффициенты линейной корреляции между указанными в нижних индексах параметрами.

Коэффициент частной корреляции отличается от коэффициента линейной парной корреляции тем, что он измеряет парную корреляцию соответствующих признаков при условии, что влияние на них остальных факторов устранено. На основании частных коэффициентов можно считать, что включение переменных в регрессионную модель обоснованно.

Ниже представлены промежуточные данные и результаты расчета коэффициентов частной корреляции на основе парных коэффициентов корреляции с учетом всех возможных комбинаций зависимой и независимых переменных (табл.38).

Таблица 38 - Коэффициенты частной корреляции между параметрами ТХМ,

Комбинация переменных гуч гу^ Сила связи

у X! Х1

ТХМ ДС1 М 0,34 -0,125 -0,119 слабая

ТХМ ДС1 Ц 0,34 0,122 -0,133 слабая

ТХМ ДС1 О 0,34 0,262 0,124 слабая

ТХМ М ДС1 -0,125 0,34 -0,119 слабая

ТХМ М Ц -0,125 0,122 0,603 слабая

ТХМ М О -0,125 0,262 0,564 слабая

ТХМ Ц ДС1 0,122 0,34 -0,133 слабая

ТХМ Ц М 0,122 -0,125 0,603 слабая

ТХМ Ц О 0,122 -0,262 0,612 слабая

ТХМ О Дс1 0,262 0,34 0,124 слабая

ТХМ О М 0,262 -0,125 0,564 слабая

ТХМ О Ц 0,262 0,122 0,612 слабая

Дс1 М Ц -0,119 -0,133 0,603 слабая

Дс1 М О -0,119 -0,124 0,564 слабая

Дс1 Ц М -0,133 -0,119 0,603 слабая

Дс1 Ц О -0,133 0,124 0,612 слабая

Дс1 О М 0,124 -0,119 0,564 слабая

Дс1 О Ц 0,124 -0,133 0,612 слабая

М Ц Дс1 0,603 -0,119 -0,133 умеренная

М Ц О 0,603 0,564 0,612 слабая

М О Дс1 0,564 -0,119 0,124 умеренная

М О Ц 0,564 0,603 0,612 слабая

Ц О Дс1 0,612 -0,133 0,124 умеренная

Ц О М 0,612 0,603 0,564 слабая

Умеренная межфакторная сила связи обнаружена между временными рядами «М - Ц», «М - О» и «Ц - О» без учета влияния дозы хлора, что является ожидаемым. Между остальными параметрами связь характеризуется как слабая.

В результате расчетов получено уравнение множественной регрессии: ТХМ = -0,90 + 7,11 Дс1 - 0,10 М + 0,03 Ц + 0,56 О (18)

У Ь0 ДС1 М Ц О Я2 Б Б А,%

ТХМ -0,90 7,11 -0,10 0,03 0,56 0,25 18,0 2,2 48,9

1-статистика (1кр = 1,65) 0,98 4,41 5,01 2,34 4,00

Интересно отметить, что свободный член и мутность воды водоисточника снижают, согласно полученному уравнению, концентрацию ТХМ. Определяющими величинами являются доза хлора (50%) и окисляемость речной воды (20%).

Индекс множественной корреляции (Я) использован для оценки тесноты совместного влияния факторов на концентрацию ТХМ. В рассматриваемом случае коэффициент множественной корреляции равен 0,5,

что свидетельствует о существенном влиянии рассматриваемых параметров

90

на концентрацию ТХМ. Коэффициент детерминации регрессионного уравнения равен Я2 = 0,25, что указывает на неудовлетворительное описание изменения поведения концентрации ТХМ в зависимости от изменения параметров (дозы хлора, мутности, цветности, окисляемости). Средняя ошибка аппроксимации с использованием полученного уравнения регрессии составила 48,9%.

Оценка значимости уравнения множественной регрессии осуществлена с помощью критерия Фишера путем проверки гипотезы о равенстве нулю коэффициента детерминации, рассчитанного по данным генеральной совокупности: R2 или Ь1 = Ь2 =... = Ьт = 0 (гипотеза о незначимости уравнения регрессии, рассчитанного по данным генеральной совокупности). В результате фактическое значение F > Fкp, что свидетельствует о статистической значимости и коэффициента детерминации и статистической надежности уравнения регрессии (т.е. коэффициенты Ь совместно значимы).

3.3.3.4 Зависимость суммарной концентрации ТГМ от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)

Водозабор ИВ2. В качестве зависимой переменной принята суммарная концентрация ТГМ в питьевой воде, независимыми переменными служили следующие: доза хлора (мг/дм3); мутность воды в реке (мг/дм3); цветность воды в реке (0Ц); окисляемость воды в реке (мг/дм3).

Суммарная концентрация компонентов ТГМ слабо связана с выбранными независимыми параметрами, о чем свидетельствует низкое значение коэффициента корреляции (табл.39).

Таблица 39 - Коэффициенты парной корреляции/наблюдаемые значения 1-статистики для ТГМ, Дс1, М, Ц, О (водозабор ИВ2)

Показатель ТГМ

ДС1 0,22/3,34

М -0,09/1,28

Ц 0,007/0,1

О 0,129/1,91

Полученные значения 1-статистики между независимыми и зависимыми параметрами указывают на статистическую значимость коэффициентов корреляции. Отсутствие мультиколлениарности факторов доказывают значения парных коэффициентов корреляции менее 0,7.

Ниже представлены результаты расчета коэффициентов частной корреляции с учетом всех возможных комбинаций зависимой и независимых переменных (табл.40).

Таблица 40 - Коэффициенты частной корреляции между параметрами ТГМ,

Дс1, М, Ц, О (ИВ2)

Комбинация переменных гуч сила связи

у X!

ТГМ Дс1 М 0,223 -0,087 -0,119 слабая

ТГМ Дс1 Ц 0,223 0,007 -0,133 слабая

ТГМ Дс1 О 0,223 0,130 0,124 слабая

ТГМ М Дс1 -0,087 0,223 -0,119 слабая

ТГМ М Ц -0,087 0,007 0,603 слабая

ТГМ М О -0,087 0,13 0,564 слабая

ТГМ Ц Дс1 0,007 0,223 -0,133 слабая

ТГМ Ц М 0,007 -0,087 0,603 слабая

ТГМ Ц О 0,007 0,130 0,612 слабая

ТГМ О Дс1 0,130 0,223 0,124 слабая

ТГМ О М 0,130 -0,087 0,564 слабая

ТГМ О Ц 0,130 0,007 0,612 слабая

Полученные частные коэффициенты корреляции свидетельствуют о слабой силе связи между исследуемыми параметрами и суммарной концентрацией компонентов ТГМ.

В результате расчетов получено уравнение множественной регрессии:

ТГМ = -0,68 + 10,46 Дс1 - 0,11 М + 0,85 О (19)

У Ь0 ДС1 М Ц О Я2 Б Б А,%

ТГМ -0,68 10,46 -0,11 н/з 0,85 0,08 6,33 5,7 47,0

1-статистика 0ч> = 1,65) 0,29 2,53 2,28 2,59

Доза хлора и окисляемость, согласно уравнению, увеличивают значение суммарной концентрации ТГМ, в то время как мутность его снижает. Цветность является незначимым фактором.

В рассматриваемом случае коэффициент множественной корреляции снизился практически в 2 раза по сравнению с предыдущим анализом (см. п. 3.3.3.3) и равен 0,288, что свидетельствует о несущественном влиянии рассматриваемых параметров на суммарную концентрацию ТГМ.

Низкое значение коэффициента детерминации регрессионного уравнения равен Я2 = 0,08 указывает на неудовлетворительное описание изменения поведения кривой суммарной концентрации ТГМ в зависимости от изменения параметров (дозы хлора, мутности, цветности, окисляемости). Средняя ошибка аппроксимации при использовании полученного регрессионного уравнения составляет 47,0%.

С помощью критерия Фишера установлена статистическая значимость коэффициента детерминации и статистическая надежность уравнения регрессии (т.е. коэффициенты Ь совместно значимы).

3.3.3.5 Зависимость суммарной концентрации ТГМ(С1) от дозы хлора, мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)

Водозабор ИВ2. Представляется интересным поиск уравнения зависимости не только истинной суммарной концентрации ТГМ от показателей качества воды, но и суммарной концентрации ТГМ, рассчитанной по молекулярному хлору.

Зависимой переменной выступает суммарная концентрация ТГМ(С1) в питьевой воде, независимыми переменными служили следующие: доза хлора (мг/дм3); мутность воды в реке (мг/дм3); цветность воды в реке (0Ц); окисляемость воды в реке (мг/дм3).

Анализ коэффициентов парной корреляции показывает низкую силу связи между временными рядами показателей качества воды и суммарной концентрацией ТГМ(С1) (табл.41).

Таблица 41 - Коэффициенты парной корреляции/наблюдаемые значения 1-статистики для ТГМ(С1), Да, М, Ц, О (водозабор ИВ2)_

Показатели ТГМ(С1)

Дс1 0,17/2,55

М -0,12/1,72

Ц 0,02/0,027

О 0,17/2,53

Полученные значения 1-статистики между независимыми и зависимыми параметрами указывают на статистическую значимость коэффициентов корреляции. Об отсутствии мультиколлениарности факторов свидетельствуют значения парных коэффициентов корреляции менее 0,7.

Ниже представлены результаты расчета коэффициентов частной корреляции с учетом всех возможных комбинаций зависимой и независимых переменных (табл.42).

Таблица 42 - Коэффициенты частной корреляции между параметрами ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О (ИВ2) ____

Комбинация переменных гуч Сила связи

у X!

ТГМ(С1) ДС1 М 0,172 -0,117 -0,119 слабая

ТГМ(С1) ДС1 Ц 0,172 -0,002 -0,133 слабая

ТГМ(С1) ДС1 О 0,172 0,17 0,124 слабая

ТГМ(С1) М ДС1 -0,117 0,172 -0,119 слабая

ТГМ(С1) М Ц -0,117 -0,002 0,603 слабая

ТГМ(С1) М О -0,117 0,17 0,564 слабая

ТГМ(С1) Ц ДС1 0,002 0,172 -0,133 слабая

ТГМ(С1) Ц М 0,002 -0,117 0,603 слабая

ТГМ(С1) Ц О 0,002 0,17 0,612 слабая

ТГМ(С1) О ДС1 0,17 0,172 0,124 слабая

ТГМ(С1) О М 0,17 -0,117 0,564 слабая

ТГМ(С1) О Ц 0,17 0,002 0,612 слабая

Полученные значения частных коэффициентов корреляции свидетельствуют о слабой силе связи между исследуемыми параметрами и ТГМ(С1) (табл.42).

В результате расчетов получено уравнение множественной регрессии:

ТГМ(С1) = 0,84 + 4,36 ДС1 - 0,13 М + 0,97 О (20)

У Ь0 ДС1 М Ц О Я2 Б Б А,%

ТГМ(С1) 0,84 4,36 -0,13 н/з 0,97 0,10 11,3 4,2 51,4

1-статистика (1кр = 1,65) 4,37 2,17 -3,96 4,39

В рассматриваемом случае коэффициент множественной корреляции равен 0,32, коэффициент Я2 = 0,10. Средняя ошибка аппроксимации с использованием уравнения регрессии составляет 51,4%. По критерию Фишера выявлена статистическая значимость коэффициента детерминации и статистическая надежность уравнения регрессии (т.е. коэффициенты Ь совместно значимы).

3.3.3.6 Зависимость дозы хлора от мутности, цветности и окисляемости (ИВ2)

Водозабор ИВ2. Приведенные выше результаты показывают, что прогнозирование содержания ТГМ и компонентов на основе параметров, характеризующих качество исходной воды (М, Ц, О), является затруднительным. В опубликованных данных и по результатам, приведенным в данной работе, можно считать, что в первую очередь на концентрацию ТГМ и компонентов оказывает влияние доза хлора. Так, например, в уравнениях (17) и (18) основной вклад в концентрацию ТХМ и ТГМ вносит именно доза хлора. Поэтому представляется целесообразным проанализировать зависимость дозы хлора от параметров качества воды. В этом случае можно предположить возможность с помощью правильного выбора дозы хлора управлять качеством питьевой воды в отношении содержания ТГМ и компонентов.

Таким образом, в качестве зависимой переменной выбрана доза хлора, независимые переменные - это мутность воды в реке (мг/дм3); цветность

воды в реке (0Ц); окисляемость воды в реке (мг/дм3).

Анализ корреляционной матрицы показывает слабую силу связи между временными рядами показателей качества воды и дозой хлора (табл.43).

Полученные значения 1-статистики между независимыми и зависимыми параметрами указывают на статистическую значимость коэффициентов корреляции. Об отсутствии мультиколлениарности факторов свидетельствуют значения парных коэффициентов корреляции менее 0,7.

Таблица 43 - Коэффициенты парной корреляции/наблюдаемые значения 1-статистики для Да, М, Ц, О_

Показатели ДС1

Дс1

М -0,12/1,76

Ц -0,133/1,97

О 0,124/1,83

Ниже представлены результаты расчета коэффициентов частной корреляции с учетом всех возможных комбинаций зависимой и независимых переменных (табл.44).

Таблица 44- Коэффициенты частной корреляции между параметрами Дс1, М, Ц, О (ИВ2)_______

Комбинация переменных ГУЧ ГУ^ Сила связи

у X!

ДС1 М Ц -0,119 -0,133 0,603 слабая

ДС1 М О -0,119 -0,124 0,564 слабая

ДС1 Ц М -0,133 -0,119 0,603 слабая

ДС1 Ц О -0,133 0,124 0,612 слабая

ДС1 О М 0,124 -0,119 0,564 слабая

ДС1 О Ц 0,124 -0,133 0,612 слабая

М Ц О 0,603 -0,564 0,612 слабая

М О Ц 0,564 0,603 0,612 слабая

Ц О М 0,612 0,603 0,564 слабая

Значения частных коэффициентов корреляции свидетельствуют о слабой связи между исследуемыми параметрами и дозой вводимого для обеззараживания хлора.

В результате расчетов получено уравнение множественной регрессии: _ Дс1 = 0,52- 0,002 М - 0,002 Ц + 0,023 О (21)

У Ь0 М Ц О Я2 Б Б А,%

ДС1 0,52 -0,002 -0,002 0,023 0,11 8,3 0,1 14,0

1-статистика (1кр = 1,65) 33,52 2,12 2,90 4,51

В рассматриваемом случае коэффициент множественной корреляции равен 0,32, коэффициент детерминации - 0,11, средняя ошибка аппроксимации с использованием уравнения регрессии составила 14,0 %.

С помощью критерия Фишера выявлена статистическая значимость коэффициента детерминации и статистическая надежность уравнения регрессии (т.е. коэффициенты Ь совместно значимы).

Сводная таблица полученных результатов показывает, что наименьшая ошибка аппроксимация наблюдается в случае, когда в роли зависимого параметра выступает доза вводимого для обеззараживания хлора, а независимыми параметрами являются мутность, цветность и окисляемость воды в реке (табл.45).

Таблица 45 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между параметрами ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О (ИВ2)

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = -0,90 + 7,11 Дс1 - 0,10 М + 0,03 Ц + 0,56 О 0,25 18,0 2,2 48,9

ТГМ = -0,68 + 10,46 Дс1 - 0,11 М + 0,85 О 0,08 6,3 5,7 47,0

ТГМ(С1) = 0,84 + 4,36 Дс1 -0,13 М + 0,97 О 0,10 5,3 6,2 50,1

Дс1 = 0,52-0,002 М -0,002 Ц + 0,023 О 0,11 8,3 0,1 14,0

С другой стороны, коэффициент детерминации в 2,6 раз выше, когда зависимым параметром является концентрация ТХМ, а независимыми - доза хлора, мутность, цветности и окисляемость.

3.3.3.7 Прогнозирование ТГМ на основе учета обобщенных показателей качества воды и расхода воды (ИВ2)

Водозабор ИВ2. На территории Республики Башкортостан сток реки зарегулирован Павловским водохранилищем. Водохранилища оказывают значительное влияние на водный режим рек, а значит и на качественный состав воды в реке. В свою очередь, качество питьевой воды существенно зависит от расхода и качества речной воды.

Вышеизложенное служит основанием для проведения поиска уравнений, связывающих рассмотренные ранее зависимые параметры (ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), ДС1) от независимых (М, Ц, О), включая параметр О (расход воды на Павловском водохранилище). Исходными служили данные по указанным параметрам за 2011-2014 гг.

Сравнительный анализ характеристик полученных уравнений показывает, что на водозаборе ИВ2 введение параметра О в регрессионное уравнение увеличило значение ошибки аппроксимации и снизило значение коэффициента детерминации (табл.46).

Таблица 46 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между параметрами ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О, О (ИВ2)

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = -20,21 + 30,10 Да - 0,80 М - 0,41 Ц + 3,12 О + 0,03 Q 0,22 22,0 10,2 75,4

ТГМ = -27,43 + 41,99 Да - 0,96 М - 0,56 Ц + 3,98 О + 0,03 Q 0,20 8,7 7,7 63,5

ТГМ(С1) = 23,09 - 33,26 Да - 0,36 М + 0,07 Ц + 2,43 О - 0,005 О 0,13 6,2 8,2 49,9

Да = 0,57 - 0,005 М - 0,002 Ц + 0,03 О + 0,000012 Q 0,22 12,3 5,1 5,73

Наоборот, если в качестве зависимого параметра выступает ДС1, введение в регрессионное уравнение параметра О увеличивает значение коэффициента детерминации и снижает ошибку прогноза (табл.46).

В целом, полученные уравнения свидетельствуют о нецелесообразности введения в уравнения в качестве дополнительного параметра расход воды на Павловском водохранилище, поскольку это практически не улучшает качество уравнения.

3.3.3.8 Прогнозирование содержания ТГМ на основе средних месячных значений обобщенных показателей качества воды (ИВ2)

Водозабор ИВ2. Представляется интересным поиск модели для долгосрочного прогнозирования ТХМ, суммарной концентрации компонентов ТГМ, суммарной концентрации ТГМ(С1) и дозы хлора.

В качестве исходных служили данные аналитического контроля указанных показателей (1997-2016 гг.), рассчитанные как средние за каждый из месяцев в году. Так, измерение содержания ТХМ в питьевой воде проводят один раз в месяц, т.е. в году наблюдается 12 измерений. Среднемноголетние значения рассчитываются как сумма концентраций хлороформа за январь, февраль, март и т.д., деленная на 20 (число лет в анализируемом периоде).

В отличие от ТХМ, мутность воды измеряется ежедневно. В этом случае первоначально проведен расчет среднемесячных значений мутности путем суммирования всех значений за месяц и деления получившегося значения на число дней в месяце. Далее расчет проводится по описанному выше алгоритму. Таким же образом рассчитываются исходные данные для цветности и окисляемости.

Доза хлора рассчитывается исходя из данных по среднему месячному значению подачи воды за сутки (м3/сут) и среднему месячному количеству потраченного хлора (кг/сут). В результате получены средние значения дозы хлора для каждого месяца. Дальнейший расчет проводится аналогично ТХМ.

Таким же образом получали исходные данные по остальным показателям (доза хлора, мутность, цветность, окисляемость). Описанный алгоритм сглаживания позволяет исключить из исследования воздействие

99

изменчивых сезонных факторов, сохраняя при этом общую тенденцию и динамику процесса.

Таким образом, число наблюдений п = 12, а число независимых переменных в модели равно 4.

Расчет коэффициентов корреляции выявил высокую силу связи между дозой хлора и концентрациями ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), что подтверждает определяющее влияние дозы хлора на количество образующихся ТГМ (табл.47).

Таблица 47 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1 и М, _Ц, О на ИВ2 __

Дс1 М Ц О

ТХМ 0,79 -0,20 0,18 0,33

ТГМ 0,81 -0,24 0,10 0,27

ТГМ(С1) 0,79 -0,21 0,16 0,31

Дс1 - -0,15 0,17 0,35

Интересно отметить, что значения коэффициентов корреляции выбранных параметров с мутностью имеют отрицательное значение. Слабая связь характерна для параметров М и Ц с ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1. Умеренная связь обнаружена между О и ТХМ, ТГМ(С1) и ДС1 (табл.47).

Расчет г между независимыми параметрами показал высокую связь между рядами «М - Ц», «М - О» и весьма высокую связь между параметрами «Ц - О» (табл.48).

Таблица 48 - Результаты расчета парных коэффициентов корреляции между

независимыми параметрами ДС1 и, М, Ц, О на И В2

Дс1 М Ц О

Дс1

М -0,15

Ц 0,17 0,79

О 0,35 0,79 0,96

Проведение аналогичных расчетов, в которых в качестве исходных используются данные аналитического контроля указанных показателей (1997-2014 гг.), рассчитанные как средние за каждый из месяцев в году выявлено, позволяет выявить высокие значения коэффициента детерминации 0,81 - 0,85 и невысокие значения ошибок аппроксимации при использовании полученных уравнений регрессии (2-15%) (табл.49).

Таблица 49 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между средними месячными значениями параметров ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О на ИВ2_

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = -0,58 - 0,34 М + 2,57 О 0,69 10,2 1,4 17,5

ТГМ = 0,80 - 0,40 М + 2,89 О 0,64 8,1 1,8 13,4

ТГМ(С1) = 2,11- 8,66 Дс1 -0,32 М - 0,28 Ц + 5,07 О 0,62 6,3 2,9 20,3

Дс1 = 0,46 - 0,004 М - 0,005 Ц + 0,07 О 0,83 12,7 0,1 14,2

Сравнительный анализ характеристик полученных уравнений показывает, что на водозаборе ИВ2 введение параметра Р в регрессионное уравнение увеличивает значение ошибки аппроксимации и снижает значение коэффициента детерминации (табл.50).

Таблица 50 - Основные результаты корреляционно-регрессионного анализа между средними месячными значениями параметров ТХМ, ТГМ, ТГМ(С1), Дс1, М, Ц, О, О на ИВ2_

Уравнение Я2 Б Б А,%

ТХМ = 43,05 - 94,00 Дс1 - 1,86 М - 1,39 Ц + 12,97 О + 0,03 О 0,79 12,4 2,3 30,5

ТГМ = 54,90 + 121,00 Дс1 - 2,49 М - 1,78 Ц + 16,22 О + 0,05 О 0,79 6,2 2,2 31,2

ТГМ(С1), = 22,64 - 27,86 Дс1 + 0,73 М - 1,60 Ц + 6,84 О - 0,009 О 0,71 5,3 23,1 33,6

Дс1 = 0,56 - 0,005 М - 0,003 Ц + 0,04 О + 0,000018 О 0,42 11,4 0,9 2,5

Таким образом, высокие значения коэффициентов детерминации и низкие значения ошибки аппроксимации позволяют использовать

полученные регрессионные уравнения для долгосрочного прогнозирования концентрации ТГМ и компонентов, а также дозы хлора.

3.3.4 Прогнозирование ТГМ с учетом смещения временных рядов

Водозабор ПВ. Нами построены временные ряды средних месячных значений выбранных независимых параметров - мутность, цветность, окисляемость и расход воды (по Павловскому водохранилищу), а также временной ряд средних месячных значений суммарной концентрации ТГМ (рис.29).

Рисунок 29 - Свернутые временные ряды М, Ц, О, Р, ТГМ в воде водозабора ПВ

Представляется целесообразным поиск связи между значениями временного ряда суммарной концентрации ТГМ с выбранными параметрами. В этой связи в качестве зависимой переменной принята концентрация ТГМ в питьевой воде, независимыми переменными служили следующие: доза хлора, (мг/дм3); мутность (мг/дм3), цветность (0Ц), окисляемость (мг/дм3).

Анализ полученных зависимостей выявил, что максимум суммарной концентрации ТГМ в годовом периоде приходится на июль, в то время как для рядов окисляемость, цветность и расхода воды - на май, мутности - на апрель (рис.29). Таким образом, среди анализируемых параметров максимум концентрации ТГМ приходится на более поздний месяц в годовом цикле.

Остальные параметры опережают этот показатель на 1 -3 месяца. Общее подобие кривых позволяет воспользоваться ими для прогнозирования содержания ТГМ. При этом стоит учитывать, что может существовать только математическая связь между анализируемыми параметрами и отсутствовать обоснование взаимосвязи этих показателей с концентрацией ТГМ в связи с природой этих объектов и явлений. При поиске математической связи между параметрами учтено их запаздывание по отношению к суммарной концентрации ТГМ (1,2,3 месяца) (рис.30).

1.0 0.5

-0.5 -1.0

И1И

Q