Комплексная характеристика качества воды водоема-охладителя БГРЭС-1

Введение. Сведения о химическом составе и биологических объектах в природной воде, которая используется во всех сферах человеческой деятельности, необходимы для знания о характере и степени загрязнения водного объекта. Список веществ, для которых установлены предельно допустимые концентрации (ПДК), включает более 1000 наименований. Систематизация качества природных вод на основе различных критериев способствовала разработке различных классификаций загрязненности вод. В настоящее время не существует единого общепринятого метода комплексной оценки загрязненности водных объектов. При этом разработаны единичные, косвенные и комплексные показатели загрязнения по гидрохимическим, санитарно-биологическим и другим показателям.

Понятие «комплексная оценка загрязненности природных вод» в настоящее время не стандартизировано, оно принято в связи с необходимостью иметь достоверную информацию об уровне совокупного загрязнения и должно давать адекватную оценку степени загрязненности водного объекта. При натурных измерениях качества воды водного объекта получают целый ряд характеристик. Совокупная оценка качества воды требует учета вклада каждой из характеристик, что часто оказывается непростой задачей. Одним из возможных путей решения этой задачи является «свертка» информации – создание глобального скалярного критерия (интегрального критерия качества).

Цель и задачи исследований . Разработать комплексный критерий качества воды водоема-охладителя БГРЭС-1 для характеристики экологического статуса водоема-охладителя в различные периоды его существования путем исследования гидрохимических и гидробиологических характеристик воды. Используя этот критерий, можно составить рекомендации по различным мелиоративным мероприятиям, способным оптимизировать характеристики качества воды для технологических целей и экологической безопасности территории топливноэнергетического комплекса.

Комплексная оценка загрязнения воды водоема-охладителя БГРЭС-1 в различные временные периоды его функционирования дает возможность обозначить закономерные фазы развития экосистемы водного объекта, начиная с периода заполнения, и разрабатывать рекомендации по улучшению качества воды.

Объекты и методы исследований. Водоем-охладитель Березовской ГРЭС-1 сооружен в 1986 г. зарегулированием стока реки Береш в районе впадения в нее рек Базыр и Кадат на территории Шарыповского района.

Мониторинг качества воды проводили в течение десяти лет - с 1987 по 1996 г.; отбор и анализ проб воды осуществляли с периодичностью 2 месяца (6 наблюдений в год); объем выборки составил 58 проб [1, 2]. На рисунке 1 представлена схема акватории водоема-охладителя, расположение и номера точек отбора проб.

Рис. 1. Водоем-охладитель БГРЭС-1 (цифрами обозначены места и номера отбора проб)

Результаты исследований и их обсуждение. При натурных измерениях качества воды получают целый ряд характеристик. Совокупная оценка качества воды требует учета вклада каждой из характеристик, что часто оказывается непростой задачей. Одним из возможных путей решения этой задачи является «свертка» информации - создание глобального скалярного критерия (интегрального критерия качества) w ( у )

w ( У ) = w ( У 1 , .- У р ),               (1)

Обычно в конкретных случаях можно сформулировать требования, которым должно удовлетворять качество воды, то есть назвать хорошие и плохие значения каждой из индивидуальных характеристик yj, а также веса этих характеристик - их сравнительную важность при оценке качества в целом. Одна из трудностей конструирования интегрального критерия качества состоит в том, что индивидуальные характеристики различаются по физической природе и измерены в разных масштабах. Эту трудность преодолевают путем перехода от натуральных значений индивидуальных характеристик yj к безразмерным нормированным величинам -частным «функциям полезности» dj dj = fj(yj); 0 ^ dj ^ 1. (2)

Переход от y j к d j осуществляют таким образом, чтобы предпочтительным значениям y ju соответствовали более высокие значения d ju . В результате преобразования любое отношение предпочтения на множестве N значений каждой j- й индивидуальной характеристики ( j = 1, 2, …, р ) в наборе проб воды 1, 2, …, и , …, N

/ 1 ^} y 2 ^} ■■■ ^} y jN                (3)

(знак «}» здесь использован вместо слов «лучше, чем») переводится в отношение сравнения dp > dj2 > ■■■ > djN ■             (4)

Функция (2) является гомоморфным образом реально измеряемых характеристик [3], поэтому на множестве значений d j определены те же математические операции, что и на множестве y j . Это позволяет заменить выражение (1) на выражение

Во многих случаях можно принять, что функции (2) линейны относительно уj во всем диапазоне изменения индивидуальных характеристик, поэтому выражение для вычисления dj может быть представлено в виде dj =

yju - j y j ⁺⁾ - y T

где y /⁺⁾ и y^ - соответственно лучшие и худшие значения индивидуальных характеристик воды в пределах выборки. В определении точных значений y^ и у^ нет необходимости; желательно только, чтобы их выбор обеспечил выполнение условия     0≤ d j ≤1.

В качестве функции (5) часто применяют средневзвешенный (среднеарифметический с весами) интегральный критерий

p

Е fi d

W = ^---■         (7)

Е S j j = 1

Множители 5j представляют собой веса соответствующих индивидуальных характеристик. Удобно (но не обязательно) выбирать значения весов в интервале 0≤δj≤1. Более важные характеристики входят в выражение (7) с наиболь- шими весами. Второстепенным характеристикам присваивают меньшие веса.

Следует подчеркнуть, что интегральный критерий качества W лишь ранжирует различные совокупности значений индивидуальных характеристик (в смысле их предпочтительности) на множестве состояний изучаемого объекта. Значения W не могут сравниваться при изменении числа индивидуальных характеристик, законов перехода y ^ d или весов 5 ■

В исследовании использовали результаты наблюдений в точках 1^8 (см. рис. 1) за 10летний период [4]. Для оценки качества воды привлекли шесть индивидуальных характеристик ( р = 6):

у i - цветность воды, градусы цветности ( у i⁽-^{) =} = 240; у i(⁺) = 0);

у 2 - прозрачность воды, см ( у 2^(-) = 20; у 2⁽⁺⁾ = =250);

у з - концентрация растворенного кислорода, мг/дм ³ ( у з^(-) = 1,2; у з⁽⁺⁾ = 18,1);

у 4 - концентрация ионов аммония, мг/дм ³ ( у 4(-) = 6,54; у 4(⁺) = 0,05);

у 5 - перманганатная окисляемость, мг/дм ³ ( у ₅ (-) = 110,2; у 5(⁺) = 5,3);

у 6 - химическое потребление кислорода, мг/дм ³ ( у 6⁽-> = 89,1; у 6⁽⁺⁾ = 1,8^

Значения интегральных критериев качества для всех проб воды (объем выборки N = 58) вычислили по формулам (6) и (7).

Характеристики W в каждой точке отбора проб - средние W c_P , минимальные W muh и максимальные W макс значения, среднеквадратичные стандартные отклонения S w - приведены в таблице 1.

На рисунке 2 показана динамика изменения величины W 1 в первой точке отбора проб (в районе устья реки Базыр), на рисунке 3 - линия тренда, полученная сглаживанием результатов наблюдений W 1 по методу проинтегрированного скользящего среднего (модель AROMA) с шириной окна 5 наблюдений [4]. На этих рисунках видно, что за время наблюдений величина W 1 дважды опускалась до своего минимального значения: в зимние месяцы конца 1989 - начала 1990 и конца 1991 - начала 1992 годов.

Таблица 1

Номер точки отбора проб	W ср	W мин	W макс	S W
1	0,774	0,677	0,855	0,00146
2	0,768	0,654	0,849	0,00165
3	0,663	0,513	0,787	0,00364
4	0,700	0,566	0,804	0,00286
5	0,609	0,429	0,745	0,00607
6	0,759	0,674	0,847	0,00158
7	0,751	0,591	0,816	0,00204
8	0,726	0,545	0,824	0,00311

Статистические характеристики интегральных критериев качества воды по точкам отбора проб

Рис. 2. Динамика изменения критерия W в первой точке отбора проб

Рис. 3. Величина критерия W (точки) и его многолетний тренд (сплошная линия) в первой точке отбора проб

Методом спектрального Фурье-анализа установлено наличие сезонной периодичности в изменении величины W1. Интенсивный пик на пе- риодограмме при частоте 0,167 (шесть отборов проб воды в течение года) (рис. 4) соответствует естественной периодичности в один год.

Рис. 4. Периодограмма критерия W в первой точке отбора проб

Аналогичный статистический анализ выполнен для остальных семи точек отбора проб [1]. Отмеченные выше закономерности характерны для всех точек, но выражены в большей или меньшей степени. Они четко проявилась в точках 1, 2, 3, 4 и 5, менее отчетливо – в точках 6, 7 и 8.

Ухудшение качества воды в зимние месяцы 1989–1990 и 1991–1992 годов отмечено почти по всей акватории водоема. В наибольшей степени это проявилось в устьях рек (точки отбора проб 1, 2 и 3), а также в районе устья сбросного канала и на приплотинном участке (точки отбора проб 4 и 8). Наихудшее качество воды стабильно сохранялось в течение всего периода наблюдений в районе основного торфяного месторождения (точка отбора проб 5). В этой части акватории зафиксированы самые низкие значения критериев: W ср = 0,609; W мин = 0,429; W макс = 0,745 (см. табл. 1). Резкое нарастание неблагополучной экологической ситуации возникло из-за негативных процессов при всплывании торфа в начальном периоде заполнения водоема.

Тенденция к ухудшению качества воды после 1994 г. (рис. 2, 3) особенно заметно проявилась в точках отбора проб 4, 5 и 6. Ухудшение экологической обстановки в районе сбросного канала и в центральной части водоема совпало с началом работы одновременно двух тепловых блоков электростанции, что привело к значительному повышению температуры воды, в первую очередь в районе точек 4 и 6.

Поскольку в пределах водоема имеет место перемещение и перемешивание воды и усреднение ее свойств, естественно проявление корреляционных связей между критериями W в разных точках отбора проб. Матрица коэффициентов парной линейной корреляции приведена в таблице 2. Почти все коэффициенты корреляции статистически значимы (при уровне значимости 5 %), однако в большинстве случаев относительно невелики по абсолютной величине.

Анализ структуры корреляционной матрицы методом многомерного факторного анализа [5– 7] выявил существование единственного латентного фактора, обусловливающего 77,0 % суммарной дисперсии свойств воды W по всем точкам отбора проб.

В динамике изменений и в других характеристиках этого фактора прослеживаются те же особенности, которые были отмечены выше в характере изменений критерия W . За время наблюдений величина фактора дважды достигала своего максимального значения – в зимние месяцы 1989–1990 и 1991–1992 годов и проявляла тенденцию к увеличению после 1994 г. По-видимому, с достаточно высокой степенью вероятности, природу этого фактора можно отождествить с антропогенным воздействием на водоем.

Матрица парных линейных корреляций свойств воды

Таблица 2

W j	W 1	W 2	W 3	W 4	W 5	W 6	W 7	W 8
W 1	1	0,829	0,545	0,682	0,489	0,532	0,598	0,594
W 2	0,829	1	0,466	0,622	0,340	0,441	0,633	0,491
W 3	0,545	0,466	1	0,634	0,350	0,256	0,428	0,562
W 4	0,682	0,622	0,634	1	0,622	0,514	0,665	0,635
W 5	0,489	0,340	0,350	0,622	1	0,738	0,493	0,481
W 6	0,532	0,441	0,256	0,514	0,738	1	0,703	0,625
W 7	0,598	0,633	0,428	0,665	0,493	0,703	1	0,796
W 8	0,594	0,491	0,562	0,635	0,481	0,625	0,796	1

На долю других латентных факторов, а также случайных воздействий («шумового фона») приходится только 23 % дисперсии W . Для рассмотрения второго и последующих латентных факторов нет оснований, так как связанные с каждым из них собственные числа матрицы корреляций оказались меньше единицы.

Выводы. Нормативы и методы оценки качества водной среды, разработанные для водоемов с естественным температурным режимом, на водоемах-охладителях могут иметь лишь ограниченное применение.

Комплексная оценка загрязнения воды водоема-охладителя БГРЭС-1 в период от начала заполнения водоема до периода стабилизации характеристик, т.е. в различные временные периоды его функционирования, дает возможность определить закономерные фазы развития экосистемы водного объекта, начиная с периода заполнения, разрабатывать рекомендации по улучшению качества воды.

Интегральная экологическая характеристика, основанная на гидрохимических и гидробиологических показателях качества воды, отражает сложный характер взаимодействий в природнотехногенной системе «теплоэлектростанция – окружающая среда», она позволяет объективно оценить общее направление изменения гидрохимических и гидробиологических параметров качества воды водоема-охладителя в период заполнения, становления и изменения его экологического статуса.