Разработка метода прогнозирования качества поверхностных вод Орловского региона на основе данных их контроля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Плетнева, Лариса Александровна

• Плетнева, Лариса Александровна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Плетнева, Лариса Александровна

Введение

Глава 1 Условия и методики (мониторинг) контроля качества воды

1.1 Понятие "качество воды"

1.2 Система наблюдения и контроля (мониторинг) качества поверхностных вод

1.3 Эмпирические методы контроля качества воды

1.3.1 Методика выполнения измерений массовой концентрации в водах фотометрическим методом (на примере соединений азота)

1.3.2 Методика выполнения измерений массовой концентрации в водах титриметрическим методом (на примере кислорода)

1.4 Анализ существующих способов контроля и управления качеством воды

1.4.1 Экономические способы управления качеством воды

1.4.2 Технологические способы управления качеством воды

1.5 Выводы

Глава 2 Проблемы аналитического моделирования и управления качеством воды

2.1 Математическое моделирование и выбор метода моделирования

2.2 Применение моделирования при исследовании экосистем

2.3 Анализ обработки гидрохимической информации для оперативного прогнозирования методами математического моделирования

2.4 Анализ возможности контроля качества воды методами математического моделирования

2.5 Выводы

Глава 3 Анализ исходной информации и факторов, влияющих на качество воды

3.1 Характеристика водного бассейна Орловской области

3.1.1 Географическое положение и климат Орловской области

3.1.2 Структура водного бассейна Орловской области по химическому составу поверхностных вод

3.2 Анализ сброса сточных вод и забора вод промышленными предприятиями Орловской области

3.3 Анализ загрязнения водного бассейна Орловской области в результате хозяйственной деятельности

3.4 Влияние поверхностных вод на качество подземных, как источника питьевой воды Орловской области

3.5 Пункты контроля качества поверхностных вод в Орловской области (на примере бассейна реки Ока)

3.6 Анализ программы наблюдений в пунктах контроля (на примере реки Ока)

3.7 Норма погрешности и значения характеристик погрешности при выполнении измерений

3.8 Анализ проведения работ по контролю качества гидрохимической информации

3.9 Выводы

Глава 4 Математическая модель динамики качества воды в речной системе рек Орловской области (на примере реки Ока)

4.1 Параметры модели

4.2 Система балансовых уравнений

4.2.1 Уравнения баланса загрязняющего вещества на двух участках

4.2.2 Уравнения баланса загрязняющего вещества для любого количества участков

4.3 Решение системы дифференциальных уравнений

4.3.1 Равновесное состояние системы

4.3.2 Общее решение

4.4 Обоснование полученного решения методом математической индукции

4.5 Расчет констант

4.6 Исследование метрологических характеристик методики определения концентрации загрязняющих веществ

4.7 Программная реализация математической модели

4.8 Выводы 138 Заключение 139 Список использованных источников 141 Приложение А. Градуировочные характеристики плотномера 153 Приложение Б. Сравнение концентраций для БПК5, полученные экспериментальным и расчетным путем на 8 участках 154 Приложение В. Описание алгоритма и его реализации в среде

EXCEL7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода прогнозирования качества поверхностных вод Орловского региона на основе данных их контроля»

Актуальность. За последние несколько лет в нашей стране выполнен значительный объем работ, направленных на формирование Государственной стратегии экономической безопасности Российской Федерации и разработку Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию. В ходе этих работ был сделан вывод о том, что одним из важнейших условий устойчивого и экономически безопасного развития Российской Федерации, предполагающего удовлетворение потребностей настоящего и будущего поколений россиян при обеспечении сбалансированного решения социально-экономических проблем и сохранения благоприятной природной среды является опора на независимую экономику и собственный ресурсный, производственный и интеллектуальный потенциал [1,2].

Особое значение начинают приобретать исследования проблем, связанных с оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду и вызванных прежде всего влиянием деятельности человека, а также динамических процессов, протекающих в природе. Если изучение единой системы биосферы, включающей человеческое сообщество как одного из ее активных элементов, постепенно приобретает вполне четкий практический смысл, то повышение возможности влияния на самые глубинные процессы биосферы выдвигает совершенно новые фундаментальные проблемы [3]. Главная из них - разработка стратегии использования огромного потенциала технической цивилизации для совершенствования отношений людей с окружающей средой. Эта стратегия во многом должна носить характер адаптации человеческой деятельности к естественным условиям обитания и их направленному улучшающему изменению. Она требует всесторонних знаний, объединяющих естественные, общественные и технические науки.

Все это определяет исключительно высокие требования к развитию водного хозяйства, одного из важнейших ресурсообеспечивающих и природоохранных комплексов экономики страны, основы для успешного функционирования предприятий водопроводно-канализационного хозяйства, городов, гидроэнергетики, промышленности, водного транспорта, рыбного хозяйства, орошаемого земледелия, рекреации [4].

Составной частью водного хозяйства страны являются поверхностные воды. Поверхностные воды представляют собой важнейший компонент окружающей природной среды, возобновляемый, но ограниченный и уязвимый природный ресурс [5]. Поверхностные воды используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории, обеспечивают экономическое, социальное, экологическое благополучие населения, существование животного и растительного мира [6]. Отношения к поверхностным водам регулируются Водным кодексом Российской Федерации, который был принят 18 октября 1995 года. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию к увеличению их загрязненности. Ежегодно увеличивается количество створов рек с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и число случаев с экстремально высоким загрязнением водных объектов (свыше 100 ПДК). Проблема обеспечения населения и народнохозяйственного комплекса России водой нормативного качества с каждым годом все более обостряется. Сегодня она становится одной из главных социально-экономических проблем в осуществлении Государственной стратегии экономической безопасности страны. В водные о объекты ежегодно сбрасывается без очистки около 28 км сточных вод [7].

Высокая загрязненность водных объектов нашей страны наносит большой ущерб водопользователям (свыше 6,0 трлн. руб. в год только от сосредоточенных сбросов загрязняющих веществ). Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Около половины населения России использует для питья воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по различным показателям качества, а в ряде регионов качество воды достигло уровня, опасного для здоровья населения и продолжает ухудшаться. Более 70% наших рек и озер и 30% подземных вод потеряли питьевое значение; более 1 млн. человек каждый год страдают кишечными и другими заболеваниями от грязной воды в источниках.

Развитие хорошо формализованных моделей живой и неживой природы дает основание не только для количественного анализа процессов, происходящих в ней, но и для решения практических задач. В частности, практической задачей для города Орла и Орловской области является создание математической модели долгосрочного прогноза качества воды совместно с уже начатыми исследованиями состояния, контроля, прогноза воды в реке Ока.

Имеющая уже давнюю традицию тенденция математизации наук, глубокое проникновение математических моделей в содержательные исследования позволяет рассматривать необходимость математики как основу синтеза различных научных направлений [8].

На кафедре прикладной математики и информатики Орловского Государственного Технического Университета разработана научная программа «Устойчивое развитие Орловского региона», для решения следующих фундаментальных проблем [9]:

1. Несмотря на определенные успехи в области теоретической экологии, многие задачи здесь остаются нерешенными и сегодня. В первую очередь все острее ощущается необходимость выработки единой концепции развития региональной экологии, позволяющей на научной основе принимать организационные решения.

2. Программа устойчивого развития региона с необходимостью должно учитывать возможность выживания населения в случае экологической катастрофы (природные катаклизмы или промышленные аварии). Эта программа должна ориентироваться на самые передовые, наукоемкие технологии, снижающие материало- и энергоемкость и повышающие качество производства.

3. За последнее время в промышленно развитых странах наблюдается тенденция неуклонного перекачивания трудовых ресурсов из сферы материального производства в информационную среду. Возникла новая экономическая категория - национальные информационные ресурсы. Информационное обеспечение экологических программ, основанных на использовании автоматизированных средств сбора, обработки и передачи данных на базе компьютерных сетей, позволит значительно расширить спектр имеющихся технологий, ускорить освоение и внедрение новых идей.

4. Наблюдаемые в естественных условиях связи между антропогенными факторами и реакциями на них живых объектов, во многих случаях не могут быть выражены явными количественными показателями из-за их сложнейшего взаимодействия, поэтому интересные для экологии данные могут быть получены при математическом моделировании оптимальных и экстремальных условий. Современная теория больших систем и прогресс вычислительной техники позволяют создавать имитационные модели из разрозненных компонент и подсистем, что дает возможность объединить модели из различных областей науки. Экологический мониторинг, компьютерные сети позволят наполнить эти модели достоверной динамической информацией о состоянии региона в разных аспектах его жизнедеятельности.

Одним из основных направлений этой программы является исследование экологии водного бассейна.

Целью работы является разработка метода прогнозирования и оценки качества поверхностных вод по данным контроля гидрометеорологических служб, обеспечивающего прогноз степени загрязнения и времени добегания загрязнения в заданный пункт в штатных и нештатных ситуациях (на примере реки Оки в пределах Орловского региона).

Этапы выполнения работы и основные ее задачи:

- теоретическое обоснование целесообразности применения метода математического моделирования для контроля качества поверхностных вод;

- проведение анализа системы наблюдений и контроля (мониторинга) за загрязнением поверхностных вод;

- выбор метода моделирования;

Х- разработка методики прогноза качества воды в реке Ока в пределах Орловской области;

- создание математической модели прогноза качества поверхностных вод под воздействием антропогенной нагрузки по основным видам загрязнений при штатных и нештатных ситуациях;

- разработка алгоритма программной реализация методики и математической модели;

- метрологическое исследование полученных результатов.

Методы и средства исследования. При выполнении работы используется метод аналитического математического моделирования на основе балансового подхода, метод математической индукции, численные методы, методы теории вероятностей и математической статистики, в том числе аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решений. Разработанные алгоритмы, компьютерная программа и созданная база данных реализована средствами EXCEL 7.0.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен метод прогноза качества поверхностных вод речного бассейна реки путем учета взаимосвязи между изменениями экологических и технологических факторов на основе стандартной информации Орловской центральной гидрометеорологической службы и комитета по природным ресурсам;

- на базе предложенного метода разработана математическая модель оценки качества речных вод и последствий антропогенной нагрузки (на примере реки Оки) при штатных и нештатных ситуациях;

- проведено метрологическое исследование предложенной методики и математической модели.

Практическую ценность составляют:

- математическая модель распределения загрязнений по стоку реки и метод определения количества загрязняющих веществ в заданных пунктах с помощью этой модели;

- математическая модель прогноза качества поверхностных вод речного бассейна реки при штатных и нештатных ситуациях;

- компьютерная программа, реализующая предложенную методику прогноза качества поверхностных вод.

На защиту выносятся:

- метод прогноза качества поверхностных вод Орловского региона на основе данных контроля за состоянием указанных вод;

- математическая модель прогноза качества поверхностных вод (на примере реки Ока);

- компьютерная программа, реализующая предложенную математическую модель.

Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, подтверждены внедрением разработанного метода в процесс контроля состояния среды на Орловской ЦГМС (акт о внедрении прилагается) и введением его изучения и использованием на 2-х кафедрах ОрелГТУ: ПМиИ - в программу курса «Программирование и расчеты на ЭВМ»; Информационных Систем - в дипломном проектировании.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на 5 научных конференциях: I Международной научно-технической конференции «Экология человека и природы», Иваново, 1997; международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в экологии», Липецк, 1997; международной научно-практической конференции «Будущее России - социально-экономический, экологический аспекты», Санкт-Петербург, 1997; 1-й Российской научно-практической конференции «Актуальные проблемы медицинской экологии», Орел, 1998.

Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 24 таблицы. Она состоит из четырех глав, заключения, списка используемых литературных источников, включающего 143 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, а также 3 приложений.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Плетнева, Лариса Александровна

Основные результаты работы:

1 Анализ методов и средств измерений, существующих в настоящее время, показал, что они удовлетворяют требованиям стандартов по перечню загрязняющих факторов и по точности проведения контроля. Однако высокоточные методы и средства измерения в настоящее время практически не используются из-за высокой стоимости оборудования и необходимости для обслуживания последнего высококвалифицированного персонала. Поэтому разработка, прогнозирование и контроль должны ориентироваться, в основном, на фотометрические и титриметрические методы.

2 Анализ возможных подходов к определению концентрации загрязняющих веществ в природной среде показал необходимость разработки методов прогнозирования сложных, многокомпонентных, быстроразвивающихся систем действующих факторов и определяющих их элементов, к которым относятся поверхностные воды.

3 В работе обосновано применение математического моделирования, как наиболее целесообразного для рассматриваемой ситуации.

4 На основе методов математического моделирования установлено, что в заданных условиях выгоднее использовать аналитическое моделирование качества воды, причем, с целью упрощения описания рассматриваемых явлений, следует брать одномерную математическую модель, а при долгосрочном прогнозировании качества воды - балансовые методы расчета.

5 Построение модели должно базироваться на минимально-возможном количестве исходной информации, и при этом эта информация должна соответствовать данным получаемым Орловским ЦГМС.

6 Проведен вероятностный прогноз среднемесячного количества осадков и температуры, а также прогноз качества поверхностных вод речного бассейна путем учета взаимосвязи между изменениями экологических, экономических и технологических факторов.

140

7 Использование аналитической модели, позволило оценить качество речных вод и последствия антропогенной нагрузки (на примере реки Ока), уменьшив среднеквадратическую погрешность с 36 мг/л (современное состояние) до 23 мг/л (по разработанной методике).

8 Показано, что на основании разработанной методики можно прогнозировать степень загрязнения и время добегания загрязнения в заданном пункте при нештатных ситуациях.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Плетнева, Лариса Александровна, 2000 год

1. Государственный контроль за использованием и охраной водных объектов//ЭкосИнформ.-1997.-№2.-с. 11-21

2. Государственный мониторинг водных объектов.//ЭкосИнформ.-1997.№8.-с.81-87

3. Моисеев Н.Н. Экология человечества глазами математика.

4. Водное хозяйство и экологическая безопасность.//ЭкосИнформ.-1997.-№5.-с.42-45

5. Положение о государственном комитете по охране окружающей среды.//ЭкосИнформ.-1997.-№6.-с.5-15

6. Водный кодекс Российской Федерации.//ЭкосИнформ.-1996.-№ 1-2.-с.36-128

7. Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам рек. //Собрание постановлений правительства, 1991,№9- 263с.

8. Моиссеев Н.Н. Алгоритмы развития.-М.:Наука, 1987-302с.

9. Казанцев Э.Ф. Технологии исследования биосистем.-М.: Машиностроение,! 999,177с.

10. Резников А.А., Муликовская Е.П. Методы анализа природных вод.-М.гГосгеолтехиздат, 1954-236с.

11. Беспамятнов Г.П.,Кротов Ю.А. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. -Л.: Химия, 1985-528с.

12. Чеботарев А.И. Гидрологический словарь, Л.: Гидрометеоиздат, 1964, с.222

13. Охрана окружающей среды:Справочное пособие.-М.:Изд-во Стандартов, 1991 -127с.

14. Трофимов Г.А., Счастливцев Д.Ф. Концепция современного естествознания: Словарь терминов и определений. -С.П.: С.П. Университет Экономики и финансов, 1997.-126с.

15. Крапивин В.Ф. Проблемы мониторинга. М.: Знание, 1991-62с.

16. Игнатович Н.И. Нормативное обеспечение природопользования. Аналитический обзор.-М.:Наука, 1993-23с.

17. Временные методические указания по организации и проведению на сети Гидрометслужбы систематических исследований процессов загрязнения и самоочищения водоемов и водотоков/Сост. В.Т. Каплин,- Чита: отпечатан на множит, аппарате, 1970,-75с.

18. Усовершенствованные методические рекомендации по оперативному прогнозированию распространения зон опасного аварийного загрязнения в водотоках и водоемах, а также уровней содержания в воде основных загрязняющих веществ.С.-П.:Гидрометеоиздат, 1992,-45с.

19. Алексеев В.В, Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды.М. :МНЭПУ, 1998-77с.

20. Вопросы контроля загрязнения природной среды. Сб. статей//Институт прикладной геофизики. Под ред. Иохельсон БС.Б., Колоскова И.А.

21. JI. :Гидрометеоиздат, 1981-194с.

22. Вельнер Х.А. Прогнозирование качества воды водоемов в хозяйственных исследованиях. Автореф. дисс. На соискание учен, степени канд. хим. наук.-Таллин, 1968-32с.

23. Географическое прогнозирование и охрана природы. Сб. статей под ред. Звонкова Т.В., Касимова Н.С.-М.:Изд-во МГУ, 1990-174с.

24. Фриндлянд С.А. Санитарная охрана водоемов от загрязнений промышленными сточными водами.-М.:Медгиз,1960.-227с.

25. Минх А.А. Справочник по санитарно-гигиеническим исследованиям. М. Медицина, 1973 .-400с.

26. Алехин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши.-JI. :Гидрометеоиздат, 1973 .-270с.

27. Временные инструкции по определению загрязняющих веществ в природных водах. Новочеркасск, ГХИ, 1973 ,№26,с. 11-16.

28. Longwell J.A., Maniece W.D. Determination of anion detergents in sewager effluents and river water.-The Analyst, 1955, vol.80, N 948, p.167-171

29. Ramamoorthy S., Kushner D.J. Heavy metal binding component of river water.- J. Fish. Res. Board ca. Vol. 32, N 10, 1975, p. 1755-1766.

30. Бабко A.K., Пилипенко A.T. Фотометрический анализ. Методы определения неметаллов, М.: Химия, 1974, с.235

31. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим и спектрофотометрическим методам анализа, Л.:Химия, 1976,с.189

32. Сендел З.Е. Колориметрические методы определения следов металлов, М.: Мир, 1964, с.456

33. Справочник химика T.IV, М.: Химия, 1965,с.409-442

34. Крешко А.П. Основы аналитической химии, т.З.- М.: Химия, 1970, с.495

35. Денеш З.И. Титрирование в неводных средах, М.: Мир, 1971, с.237

36. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник, Л.: Химия,1977, с.376

37. Гейровский Я., Кута Я. Основы полярографии, М.: Мир, 1965, с.290

38. Крюкова А., Синякова С.И., Орефьева Т.П. Полярографический анализ, М.: Госхимиздат, 1963, с.420

39. Полякова А.А., Хмельницкий Р.А. Масс- спектрометрия в органической хими, Л.: Химия, 1972, с.317

40. Чупахин М.С., Крючкова О.И., Рамендик Г.И. Аналитические возможности искровой масс- спектрометрии, М.: Атомиздат, 1972, с.321

41. Будзикевич З.Г., Джерасси К., Уильяме Д. Интерпретация масс-спектров органических соединений, М.: Мир, 1966, с.520

42. Руководящий документ. Методические указания. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитратов в водах фотометрическим методом с реактивом Грисса после восстановления в кадмиевом редукторе. С-П.: Гидрохимический НИИ, 1995,12с.

43. Временная инструкция по определению нефтепродуктов МК-спектрофотометрическим методом в природных водах.- Новочеркасск: Отпеч. на множит, аппарате ГХИ, ГОИН, 1975.-23с.

44. Руководящий документ. Методические указания. Методика выполнения измерений массовой концентрации растворенного кислорода в водах титриметрическим методом. С-П.: Гидрохимический НИИ, 1995,-33с.

45. ГОСТ 17.1.1.02-77 Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов. -М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1977,-15с.

46. ГОСТ 17.1.3.13-86 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных вод от загрязнений. -М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1986,-20с.

47. ГОСТ 17.1.1.03-86 Охрана природы. Гидросфера. Классификация водопользований. -М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1986, -17с.

48. ГОСТ 17.1.5.05-85 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. -М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1985,-21с.

49. ГОСТ 17.1.4.01-80 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к методам определения нефтепродуктов в природных и сточных водах.-М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1980,-11с.

50. Эколого-экономические системы: модели, эксперимент.Гурман В.И.

51. Дыхта В.А., Кашина Н.Ф.-Новосибирск: Наука, 1987-213с.

52. Система учета природоохранной деятельности предприятия. Сб.статей.//Под редакцией С.Б. Иохельсон, И.А. Колоскова-Л: Гидрометеоиздат, 1981,-194с.

53. ГОСТ 17.1.3.07-82 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране подземных вод.-М.: Гос. Ком. СССР по стандартам, 1982-14с.

54. Катюшина Г.Н. Очистка природных и сточных вод: Аналитический обзор. М.:Наука, 1993.- 35с.

55. Обезвреживание и утилизация сточных вод городских очистных сооружений.// Экология и промышленность России.-1998.-№8.-с.15-19.

56. Моделирование переноса вещества и энергии в природных системах. сб.ст./АН СССР Сиб. Отделение. Отв. Ред. В.К. Аргученцев, Новосибирск: Наука, 1984, с.43-50

57. Вронский В.А. Прикладная экология: Учебное пособие для ВУЗов.-Р-н-Д: Феникс, 1996.-512с.

58. О безопасности гидротехнических сооружений Федеральный закон. //ЭкосИнформ.-1998.-№1.-с.11-25

59. Волков JI.C., Воронов Ю.В., Волков B.JI. Компактные блочные установки для очистки сточных вод. -М.: Известия академии промышленной экологии №3, 1998,-34с.

60. М. Страшкраба, А. Гнаук Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М.: Мир, 1989. Перевод с английского В.А. Пучкина.

61. Математическое моделирование пресноводных экосистем. Труды Советско-американского симпозиума. -Л.: Гидрометеоиздат, 1981,-404с.

62. Дж. Джефферс Введение в системный анализ: применение в экологии. .-М.: Наука, 1989,-155с.

63. Математическое моделирование сложных биологических систем.-М.: Наука, 1988,-243с.

64. Н. Бейли Статистические методы в биологии. .-М.: Наука, 1975,-189с.65