Статистические характеристики изменчивости качества воды

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕНЧИВОСТИ КАЧЕСТВА
ВОДЫ, ПОСТУПАЮЩЕЙ НА ВОДОПРОВОДНУЮ СТАНЦИЮ
Б. М. Долгоносов, д-р техн. наук, главный научный сотрудник (Институт водных
проблем РАН); Д. Ю. Власов, начальник станции; Д. В. Дятлов, начальник отдела
АСУ; Н. О. Сураева, главный технолог; С. В. Григорьева, начальник лаборатории;
К. А. Корчагин, инженер (Западная водопроводная станция, МГП «Мосводоканал»)
ВВЕДЕНИЕ
Водопроводные станции работают в условиях непрерывного изменения качества исходной воды. Эти изменения могут носить более или менее регулярный, сезонный, характер. В то же время, происходят и резкие изменения качества, связанные с различными гидрологическими, гидрохимическими и гидробиологическими событиями. Речь идет, прежде всего, о половодьях, паводках, дождях, ветровом перемешивании, взмучивающем донные отложения, перемешивании толщи воды в водохранилищах при разрушении термоклина, нарушении кислородного режима и выхода веществ, аккумулированных в донных отложениях, цветении фитопланктона, сопровождающегося продуцированием токсичных метаболитов и другими негативными
последствиями. В настоящей статье мы рассмотрим некоторые из перечисленных
факторов на примере воды, поступающей на Западную водопроводную станцию г.
Москвы (ЗВС).
Забор воды для ЗВС осуществляется из р. Москвы в верхнем бьефе Рублевской плотины. Качество поступающей воды связано с особенностями Москворецкого
водоисточника. Москворецкая гидрографическая система включает в себя 4 водохранилища: Можайское, Рузское, Озернинское и Истринское, – вклад которых в общий сток р. Москвы по среднемноголетним данным составляет 32, 27, 23 и 18% соответственно [1, 2]. Суммарный полезный объем водохранилищ равен ~750 млн. м3,
или 83% среднегодового стока [3]. Составляющие водного баланса таковы: дождевое питание 12%, снеготаяние 61%, подземное питание 27% [4]. Основной объем
стока на 40-50% формируется в апреле.
Качество воды существенно зависит от расхода воды в реке. В паводковый
период некоторые показатели качества ухудшаются вместе с ростом расхода. Поэтому, наряду с динамикой отдельных показателей, необходимо рассмотреть изменение расхода воды в реке.
2
Из широкого спектра приоритетных показателей качества воды, по которым
назначаются дозы реагентов и определяются режимы работы очистных сооружений
в настоящей работе рассматривается весьма ограниченный набор из четырех показателей: мутность, цветность, фитопланктон, перманганатная окисляемость (далее
для краткости – окисляемость). Другие важные показатели (бактериологические показатели, запах, рН, щелочность, аммиак и др.) мы предполагаем рассмотреть в
дальнейшем.
Одна из задач данной работы состоит в выявлении особенностей поведения
указанных показателей в неблагоприятные периоды, связанные с половодьями, паводками и цветением фитопланктона. Другая задача связана с нахождением статистических характеристик, описывающих эти особенности. В качестве основы статистического описания, как известно, могут выступать плотности распределения изучаемых величин – расхода воды в реке и показателей качества воды. Знание плотностей распределения является необходимой составляющей информационного
обеспечения многих производственных задач, связанных с управлением технологическими процессами. Одной из таких задач является прогноз появления экстремальных событий, связанных с ухудшением качества воды, который крайне важен для
подготовки водопроводной станции к неблагоприятным ситуациям. Имея такой прогноз и используя возможности разработанной ранее информационно-моделирующей
системы AquaCAD [17, 18], можно заранее спланировать предстоящие изменения в
технологических режимах и, исходя из этого, определить набор необходимых реагентов, создать их запас, подготовить очистные сооружения и обучить диспетчерский персонал работе в экстремальных условиях.
Исходным материалом для анализа послужили данные многолетних наблюдений за качеством поступающей воды на ЗВС. Показатели качества измерялись в
распределительной камере водопроводной станции до подачи воды на очистные сооружения. Рассмотрим отдельно изменчивость расхода воды в реке и показателей
качества воды, поступающей на очистные сооружения.
РАСХОД ВОДЫ В РЕКЕ
Временной ряд среднесуточных расходов воды через плотину за 10-летний
период наблюдений 1994–2003 гг. представлен на рис. 1. Опишем некоторые гидрологические особенности этого ряда.
Регулярные пики половодья разной интенсивности попадают обычно на апрель. Часто до главного пика половодья появляется его предвестник в виде неболь-
3
шого пика, как это наблюдалось в марте 1995, 1997–1999 и 2001 гг. Из этого ряда
выбивается 2002 г., в котором предвестник наблюдался в феврале, а главный пик
половодья пришелся на март. Половодье тогда имело малую интенсивность и завершилось практически до начала апреля.
200
301
672
748
231
01.01.2000
01.01.2002
180
160
3
Расход, м /с
140
120
100
80
60
40
20
0
01.01.1994
01.01.1996
01.01.1998
Рис.1. Гидрограф расходов воды через Рублевскую плотину.
Высокие пики 1998 и 1999 гг. в периоды естественного половодья (табл. 1)
обусловлены переброской больших объемов воды из Москворецких водохранилищ
через гидротехнические сооружения Москворецкой водной системы и канала им.
Москвы с целью санитарной промывки русла реки [2, 5]. В 1998 г. максимальный
среднесуточный расход воды пришелся на 24 апреля и составил 672 м3/с, а в 1999 г.
– на 14 апреля и составил 748 м3/с. Часовые расходы были существенно выше. Для
сравнения, в 1998 г. максимальный часовой расход составил 780 м3/с [2].
Дождевые паводки в летне-осеннюю межень представлены пиками малой и
средней интенсивности в случайные моменты времени. Особо интенсивные дождевые паводки наблюдались в 1998 г., когда в один из паводков (17 мая) расход воды в
реке достиг 186 м3/с. Однако надо иметь в виду, что зарегулированность существенно искажает естественный ход процессов [6]. После создания водохранилищ Москворецкой системы уровень воды в створе пос. Рублево в период весеннего половодья понизился, и несколько сократилась продолжительность половодья [3].
4
Таблица 1. Годовые максимумы среднесуточных значений величин. В скобках указаны даты появления максимумов. Прочерк – отсутствие данных
Год
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Расход, м3/с
301
92
47
80
672
748
187
231
63
123
(10.04)
(13.04)
(12.04)
(07.04)
(24.04)
(14.04)
(09.04)
(09.04)
(16.03)
(11.04)
Мутность,
мг/л
−
−
−
24.9 (10.06)
73.2 (22.04)
62.7 (12.04)
33.0 (09.04)
41.8 (08.04)
10.2 (16.03)
34.4 (11.04)
Цветность,
град ПКШ
−
−
−
48 (30.06)
72 (16.05)
63 (21.04)
86 (22.04)
72 (02.06)
35 (18.03)
83 (07.09)
Окисляемость, мгО/л
−
−
−
17.0 (13.06)
14.6 (16.05)
11.5 (12.04)
13.0 (21.04)
14.6 (02.06)
8.3 (09.07)
12.9 (10.09)
Фитопланктон, тыс.
кл/мл
−
−
49.2 (11.05)
42.9 (21.05)
98.2 (20.06)
89.4 (14.09)
41.0 (08.06)
46.9 (07.09)
96.8 (10.09)
79.8 (26.06)
Интересно отметить довольно редкое событие: экстремально низкие расходы
воды порядка 1 м3/с, которые наблюдались в маловодном 1996 г.
Характерная продолжительность пика половодья составляет 2-3 недели, иногда – до месяца. Продолжительность пиков дождевых паводков варьирует в пределах нескольких суток. Изредка наблюдаются более продолжительные паводки. Так,
в сентябре 2003 г. паводок продолжался более двух недель (см. рис. 1).
Плотность распределения расходов воды за период наблюдений на данном
участке реки изображена на рис. 2.
Статистические характеристики распределения представлены в табл. 2. Наиболее вероятный расход соответствует максимуму плотности распределения и составляет 14.8 м3/с. Средний расход заметно выше (20.8 м3/с), что свидетельствует о
сильной асимметрии распределения. Об этом говорит также то, что стандартное отклонение больше среднего. Высокое значение коэффициента асимметрии 12.1 отражает сильное смещение распределения в сторону больших расходов воды, что
проявляется в виде протяженного хвоста. Большой положительный эксцесс, равный
207, характеризует ярко выраженную остроконечность распределения по сравнению
с нормальным распределением. Высокие расходы, характерные для половодий и
дождевых паводков, которым сопутствует ухудшение качества воды, описываются
хвостовой частью распределения. Знание плотности распределения позволяет вычислять вероятность неблагоприятных событий, связанных с высокими расходами
воды в реке.
5
0.12
Плотность распределения
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
10
20
30
40
50
Расход
Рис. 2. Плотность распределения среднесуточных расходов воды в реке.
Таблица 2. Статистические характеристики распределений
Величина
Расход, м3/с
Мутность, мг/л
Цветность, град
Окисляемость, мгО/л
Фитопланктон, тыс. кл/мл
Мода
Среднее
14.8
1.7
24.0
5.0
0.6
20.8
5.0
26.2
6.0
9.1
Станд.
откл.
33.8
5.3
9.1
1.7
13.8
Асимметрия
12.1
5.2
2.0
1.7
2.4
Эксцесс
207
49.1
5.8
3.4
7.0
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Мутность
Временной ряд среднесуточных значений мутности воды за 6-летний период
наблюдений 1997–2003 гг. представлен на рис. 3. Мутность измерялась по интенсивности светопоглощения. Отметим некоторые особенности представленного ряда
в сопоставлении с гидрографом расходов воды в реке.
Половодья и дождевые паводки сопровождаются пиками мутности, причиной
которых является поступление наносов с бассейна реки и эрозия донных отложений.
6
Наиболее высокая мутность 73.2 и 62.7 мг/л наблюдалась в половодья соответственно 1998 и 1999 гг. (см. табл. 1) во время санитарной промывки русла реки
(при этом максимальная часовая мутность составляла 100 и 99 мг/л). В остальные
годы максимумы среднесуточных значений мутности в половодье не превышали 42
мг/л. Дождевые паводки дают прирост мутности обычно до ~10 мг/л. Из редких событий отметим сильный дождевой паводок, максимум которого пришелся на
16.05.1998 и дал рост мутности до 30 мг/л.
35
73.2
62.7
41.8
30
Мутность, мг/л
25
20
15
10
5
0
01.01.1997
01.01.1998
01.01.1999
01.01.2000
01.01.2001
01.01.2002
01.01.2003
Рис. 3. Временной ряд мутности воды, поступающей на ЗВС.
Вообще, при анализе мутности воды в реке надо иметь в виду, что она формируется двумя путями: 1) из продуктов водной эрозии, развивающейся на поверхности водосборного бассейна (продукты смыва) и 2) эрозии потока в своем русле
(продукты размыва). Часть стока взвешенных наносов, происходящая от смыва с поверхности водосборного бассейна, в большинстве случаев значительно больше других его частей, происходящих от разрушения берегов русла и от размыва руслового
аллювия [7]. Наибольшая концентрация продуктов смыва наблюдается в самом начале дождя, когда поверхность еще не пропиталась влагой. По этой причине частые
небольшие дожди с перерывами на высыхание поверхности могут внести больший
вклад в мутность реки, чем длительные непрерывные дожди. Именно этим можно
7
объяснить тот факт, что изменение мутности не всегда согласовано с изменением
расхода воды в реке. Так, в 2002 и 2003 гг. на протяжении летне-осенней межени
наблюдалась повышенная мутность при низких расходах воды, что как раз и обусловлено смывом продуктов выветривания с поверхности бассейна кратковременными дождями небольшой интенсивности, дающими малый прирост расхода воды в
реке, но большой вклад в мутность.
В пределах одного паводка величина мутности определяется не только расходом воды в реке, но и фазой паводка. В начальной фазе мутность выше, чем после прохождения пика паводка, что, как уже отмечалось, обусловлено разной влажностью земли в начале и на поздней стадии паводка.
С целью уменьшения мутности при заборе воды из реки специально создаются условия для оседания наиболее крупных частиц и уменьшения концентрации
руслоформирующих фракций взвеси в используемой воде. С этой целью на водозаборе проводятся следующие мероприятия [8]:
1) устраивается водоприемный ковш с более спокойным режимом течения;
2) проводится крепление дна реки каменной наброской;
3) забор воды в водоприемнике осуществляется через окна с наклонными тонкослойными модулями для отделения осадка;
4) вода частично отстаивается в водоприемном колодце;
5) перед попаданием в камеру всасывания насосной станции вода проходит
через сетки.
Мутность воды зависит также от места расположения водозабора в акватории
перед плотиной, поскольку наносы из крупных песчаных частиц откладываются в
верхних участках бьефа, а взвешенные наносы, состоящие из глинистых и илистых
частиц, – по всей длине бьефа и, особенно, в его приплотинном участке [5].
В результате перечисленных мероприятий из воды выпадают частицы, гидравлическая крупность которых зависит как от расхода забираемой воды (т.е. от подачи 1-го подъема водопроводной станции), так и от конструкции водоприемника. С
ростом скорости потока в реке мутность воды, прошедшей водоприемник, сначала
будет нарастать вместе с ростом мутности в реке, а затем стабилизируется на некотором уровне вследствие выпадения частиц с крупностью, превышающей несущую
способность потока в водозаборном тракте. Обычно подача 1-го подъема варьирует
в пределах ±10-15% от ее среднего значения, что вызывает соответствующие изменения в крупности частиц и в мутности прошедшей воды.
8
Плотность распределения мутности представлена на рис. 4, а статистические
характеристики распределения – в табл. 2. Распределение характеризуется высокими значениями асимметрии (5.2) и эксцесса (49.1), что свидетельствует о существенном отклонении распределения от нормальной формы. По этой причине среднее
значение (5.0 мг/л) заметно выше наиболее вероятного значения (1.7 мг/л), а стандартное отклонение сравнимо со средним значением (5.3 и 5.0 мг/л соответственно).
Плотность распределения
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
Мутность
Рис. 4. Плотность распределения среднесуточных значений мутности.
Высокие значения мутности имеют сравнительно малую повторяемость по
сравнению с более вероятными значениями, расположенными в окрестности максимума плотности распределения (см. рис. 4), однако ими нельзя пренебрегать, так как
они отражают рост мутности при паводках. Эти периоды весьма ответственны для
водопроводных станций из-за трудностей в проведении технологических процессов.
Хвост плотности распределения как раз описывает такие периоды. Знание плотности распределения позволяет найти вероятность появления высоких значений мутности и подготовить водопроводную станцию к работе в экстремальной ситуации.
Цветность
Временной ряд цветности представлен на рис. 5. Для анализа этих данных
надо учесть природу цветности воды, которая, как известно, обусловлена присутствием в ней окрашивающих веществ органического и неорганического происхожде-
9
ния. К первым относятся гумусовые вещества, таннины, хиноны, галловая, дубильная, карбоксильная и лимонная кислоты, аминокислоты, Д-глюкоза, экстрацеллюлярные продукты жизнедеятельности различных видов водорослей. Из неорганических веществ можно отметить соединения железа. В подавляющем большинстве
случаев окраска поверхностных вод вызвана наличием гумусовых соединений почвенного или торфяного происхождения или образовавшихся из растительных остатков [9].
72
86
72
83
60
Цветность, град
50
40
30
20
10
01.01.1997
01.01.1998
01.01.1999
01.01.2000
01.01.2001
01.01.2002
01.01.2003
Рис. 5. Временной ряд цветности воды, поступающей на ЗВС.
К гумусовым веществам относятся гуминовые и фульвокислоты, которые
представляют собой продукты конденсации ароматических соединений с аминокислотами и протеинами. Элементный состав гумуса таков [9]: C – 45-60%, H – 4-8%, O
– 27-48%, N – 1.5-9%.
Гуминовые кислоты в кислой среде агрегируют с образованием коллоидного
раствора. Наиболее растворимы фульвокислоты, а также щелочные и щелочноземельные соли гуминовых кислот. Фульвокислоты состоят из двух фракций: креновые
кислоты (светлоокрашенные) и апокреновые кислоты (темные). Их можно рассматривать как начальные формы гуминовых кислот или продукты их диссоциации. Они
дают меньшую интенсивность окраски, чем гуминовые кислоты. По данным [10] на
1 град цветности приходится 1.5 мг/л креновых, 0.6 мг/л апокреновых, 0.03 мг/л гуминовых кислот. Следовательно, присутствие каждой из указанных групп кислот в
10
количестве 1 мг/л дает цветность 0.7, 1.7 и 33 град соответственно, т.е. цветность в
ряду креновые – апокреновые – гуминовые кислоты возрастает. Конечно, результирующая цветность зависит от состава водного гумуса. Однако для очень приблизительных оценок можно, следуя [11], принять, что в среднем на 1 град цветности приходится 0.27 мг/л природных органических веществ.
Фульвокислоты обычно преобладают над гуминовыми кислотами. Содержание
последних в большинстве поверхностных источников составляет 4 – 15% (иногда до
30%) всего гумуса и колеблется по сезонам года [10]. В периоды половодий, паводков и дождей несколько возрастает содержание гуминовых и апокреновых кислот,
вымываемых из почвы, что приводит к росту цветности. Напротив, в периоды грунтового питания (зимой, в межень) увеличивается содержание креновых кислот, и
цветность падает. В целом, можно констатировать, что цветность снижается от весны к зиме.
В половодье наблюдаются наиболее высокие пики цветности, обусловленные
поступлением органического вещества аллохтонного происхождения. Однако не
удается выявить прямой зависимости от расхода воды в реке. Так, в половодья 1998
и 1999 гг., когда расходы воды были наибольшими за рассматриваемый период наблюдения, среднесуточные значения цветности повысились до 72 и 63 град соответственно, тогда как в значительно менее интенсивное половодье 2000 г. с максимальным расходом воды 187 м3/с цветность возросла до 86 град, правда, с запозданием на 2 недели. Причина такого роста цветности кроется в поступлении высокоокрашенных гуминовых и апокреновых кислот с водосбора, а запаздывание обусловлено, с одной стороны, временем накопления вод данного генезиса в Москворецких
водохранилищах (что составляет около 1 недели, хотя время полного водообмена в
водохранилищах превышает 1 год [3]), а с другой стороны, временем добегания воды до Рублевской плотины (тоже около 1 недели). По тем же причинам дождевые
паводки также могут давать соизмеримый рост цветности. Примерами являются паводки 2001 и 2003 гг., которые давали пики среднесуточной цветности 72 и 83 град
(см. табл. 1).
Плотность распределения значений цветности, найденная по ее временному
ряду, представлена на рис. 6. Мода распределения и его среднее близки по величине (см. табл. 2). Стандартное отклонение составляет 35% от среднего. Асимметрия
меньше, чем у расхода и мутности. Положительный эксцесс свидетельствует об остроконечности формы по сравнению с нормальным распределением. Хвостовая
часть распределения описывает высокие значения цветности. Она позволяет опре-
11
делять вероятности неблагоприятных ситуаций в отношении цветности, что важно
для подготовки водопроводной станции к неблагоприятным условиям.
Плотность распределения
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Цветность
Рис. 6. Плотность распределения среднесуточных значений цветности.
Перманганатная окисляемость
Временной ряд окисляемости показан на рис. 7. Окисляемость характеризует
ту часть органических веществ, которые минерализуются при добавлении перманганата калия. Главным образом, это – гумусовые вещества, которые легко окисляются
данным реагентом. Перманганатная окисляемость составляет в разное время 20 –
40% от бихроматной окисляемости [12]. Кроме органических веществ, вклад в окисляемость могут давать и некоторые неорганические соединения. К ним относятся
некоторые соединения железа, сероводород, нитриты, аммиак. Для незагрязненных
водоисточников ход кривых цветности и окисляемости во многом совпадает, так как
оба этих показателя отражают наличие органического вещества в воде.
Пики окисляемости сопровождают половодья и дождевые паводки. Однако так
же, как и для цветности, нет значимой связи с расходом воды в реке. Так, за рассматриваемый период наибольшая среднесуточная окисляемость 17 мгО/л наблюдалась 20.06.1997, что приурочено к дождевому паводку с максимальным расходом
40 м3/с, тогда как в наиболее интенсивные половодья 1998 и 1999 гг. окисляемость
возрастала до 14.3 мгО/л (22.04.98) и 11.5 мгО/л (12.04.99), причем синхронно с рос-
12
том мутности (см. табл. 1). Пики окисляемости в половодья, во время паводков и
дождей обусловлены смывом гумусовых веществ с поверхности почвы. Об этом
свидетельствует синхронность пиков окисляемости и цветности.
15
17.0
Окисляемость, мгО/л
13
11
9
7
5
3
01.01.1997
01.01.1998
01.01.1999
01.01.2000
01.01.2001
01.01.2002
01.01.2003
Рис. 7. Временной ряд перманганатной окисляемости воды, поступающей на ЗВС.
Вклад в окисляемость вносит и фитопланктон за счет активного продуцирования органического вещества, особенно, в периоды цветения. Известно [12], что при
интенсивном цветении синезеленых водорослей (при их численности, соответствующей содержанию сухого вещества более 100 мг/л) падает кислородная продуктивность клеток, усиливаются процессы разложения с участием кислорода, в воде
накапливаются органические вещества и продукты их распада, существенно ухудшается качество воды, выражаемое в росте перманганатной и бихроматной окисляемости, цветности, БПК, содержания взвешенных веществ.
Плотность распределения перманганатной окисляемости, построенная по ее
временному ряду, показана на рис. 8. Статистические характеристики распределения представлены в табл. 2. Повышенные значения этого показателя наблюдаются в
половодье, а также в периоды цветения фитопланктона. Хвостовая часть плотности
распределения окисляемости соответствует высоким значениям этого показателя.
13
Эта часть распределения достаточно короткая: она охватывает интервал 10 – 17
мгО/л. Вероятность появления больших значений окисляемости достаточно мала.
Плотность распределения
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Окисляемость
Рис. 8. Плотность распределения среднесуточных значений окисляемости.
Фитопланктон
Временной ряд численности фитопланктона за 7-летний период наблюдений
1996–2003 гг. приведен на рис. 9. Массовое цветение фитопланктона начинается в
мае и сопровождает весь летне-осенний период. Наблюдения показывают, что количество клеток водорослей не связано непосредственно с расходом воды в реке, а
определяется, прежде всего, такими факторами, как температура, освещенность,
концентрации азота и фосфора, численность зоопланктона, наличие зарослей погруженных макрофитов [13].
В условиях зарегулированности стока масштабы продуцирования синезеленых водорослей необычайно возросли. Эта избыточная биопродукция, заполняя
водную массу водохранилищ и попадая оттуда в речную сеть, становится настоящим бедствием [14]. Синезеленые водоросли продуцируют вещества, ингибирующие
рост других представителей альгофлоры. Начало выделения активных метаболитов
клетками совпадает с началом их интенсивного развития. Наибольшее продуцирование ингибиторов роста водорослями наблюдается в период логарифмической фа-
14
зы их роста [12]. Помимо этого, водоросли подщелачивают воду, что создает благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры.
100 000
Фитопланктон, кл/мл
80 000
60 000
40 000
20 000
0
01.01.1996 01.01.1997 01.01.1998 01.01.1999 01.01.2000 01.01.2001 01.01.2002 01.01.2003
Рис. 9. Временной ряд численности фитопланктона в воде, поступающей на ЗВС.
В отдельных случаях численность фитопланктона достигает почти 100 тыс.
кл/мл (см. на рис. 9 и в табл. 1 пики от 20.06.1998 и 10.09.2002), что осложняет работу очистных сооружений. Кроме того, в процессе своей жизнедеятельности фитопланктон выделяет токсичные продукты метаболизма. Обогащение воды прижизненными метаболитами и продуктами разложения клеток при их массовом отмирании ухудшает органолептические свойства воды (запах, привкус), а также способствует росту содержания вредных побочных продуктов хлорирования и озонирования
воды (хлорорганические соединения, альдегиды, кетоны и др.).
Особенностью Москворецкой водной системы является сочетание водохранилищ и русловых участков реки, где развиваются разные виды фитопланктона. Так, в
водохранилищах в период цветения преобладают синезеленые водоросли (до 90%
по биомассе) [15, 16]. При попадании в русло р. Москвы они элиминируются, и численность клеток падает. Далее по течению (ниже устья р. Рузы) численность фитопланктона вновь увеличивается. При этом возрастает роль хлорококковых, синезеленых и зеленых водорослей. Однако после впадения р. Истры численность клеток
вновь падает. Такие изменения численности связаны с изменением характера биотопа, главным образом, наличием погруженных макрофитов, которые конкурируют
15
за биогенные вещества и солнечный свет. В русле реки формируется автохтонный
комплекс водорослей, который описан в работе [3], тогда как аллохтонные виды, характерные для водохранилищ, плохо переносят условия потока и быстро выпадают
из планктона реки.
Плотность распределения численности фитопланктона показана на рис. 10.
Она обладает сильной асимметрией (см. табл. 2). Действительно, начиная примерно
с 2 тыс. кл/мл, отмечается протяженный, медленно спадающий хвост, который говорит о том, что вероятность появления высокой численности фитопланктона достаточно велика. Знание плотности распределения позволяет вычислять эту вероятность.
Плотность распределения
0.0005
0.0004
0.0003
0.0002
0.0001
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Фитопланктон
Рис. 10. Плотность распределения среднесуточной численности фитопланктона.
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ВЕЛИЧИНАМИ
Взаимосвязь между изучаемыми величинами задается коэффициентами корреляции, результаты вычислений которых представлены в табл. 3. Рассмотрим полученные результаты отдельно для каждой пары величин.
Окисляемость – цветность. Оба показателя характеризуют содержание органического вещества в воде, а также некоторые неорганические соединения, что
отмечалось выше. Среди органических соединений вклад в цветность вносят только
окрашенные, тогда как окисляемость учитывает ту часть окрашенных и неокрашенных соединений, которые минерализуются при добавлении перманганата (т.е. лег-
16
коокисляемых в этом смысле). Столь высокое значение коэффициента корреляции
этой пары величин (0.83) говорит о том, что: 1) среди легкоокисляемых органических
веществ доминируют окрашенные: гумусовые и дубильные вещества, а также часть
продуктов жизнедеятельности и распада водорослей (в периоды их цветения); 2) неокрашенные легкоокисляемые неорганические соединения (аммиак, нитриты, сероводород и др.) не вносят большого вклада в окисляемость; 3) окрашенные неорганические вещества, например, соединения двух- и трехвалентного железа, которые
дают вклад в цветность и частично в окисляемость, присутствуют в небольшом количестве. Что касается последнего пункта, то действительно наибольшее содержание железа, наблюдаемое в период паводка, составляет ~1 мг/л, что на порядок ниже содержания органического вещества в воде.
Таблица 3. Коэффициенты корреляций
Расход
Мутность
Цветность
Окисляемость
Фитопланктон
Расход
Мутность
Цветность
1
0.67
0.42
0.44
–0.04
1
0.47
0.61
0.24
1
0.83
–0.03
Окисляемость
1
0.26
В связи с высокой корреляцией цветности (Ц) и перманганатной окисляемости
(ПО) имеет смысл рассмотреть их отношение К = Ц/ПО, которое в литературе носит
название коэффициента цветности и измеряется в единицах град/(мгО/л). За время
наблюдения эта величина изменялась в интервале 2.2 – 8.2 (расчет проводился по
среднесуточным значениям Ц и ПО). Плотность распределения коэффициента цветности представлена на рис. 11. Среднее значение и стандартное отклонение составляют: К = 4.5 ± 0.8. Распределение имеет небольшую асимметрию (0.6) и эксцесс (0.5).
Окисляемость – мутность. Достаточно высокий уровень корреляции (0.61 за
весь период наблюдения) свидетельствует о том, что дисперсная фаза содержит,
кроме минеральной части, еще значительное количество органического вещества.
Коэффициенты корреляции по временам года таковы: лето (включая сентябрь) 0.48,
осень – зима (с октября по февраль) 0.67, весна (с марта по май) также 0.67. Летом
наблюдается наименьшая согласованность в изменении окисляемости и мутности,
вероятно, потому, что в этот период минеральная и органическая составляющие
мутности слабо связаны между собой из-за вегетации фитопланктона, выделяющего
17
органическое вещество в процессе метаболизма и при лизисе клеток, которое присутствует в воде, главным образом, в растворенном состоянии. В другие сезоны содержание РОВ относительно невелико, а основная часть органического вещества
находится в виде взвеси, которая дает вклад в мутность и тем способствует повышению коэффициента корреляции.
0.6
Плотность распределения
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Коэффициент цветности
Рис. 11. Плотность распределения среднесуточных значений
коэффициента цветности.
Цветность – мутность. Наблюдаемый уровень корреляции между этими показателями (0.47) ниже, чем у пары окисляемость – мутность. Это можно объяснить
тем, что цветность включает не все органическое вещество, входящее в состав
взвеси, а только окрашенную его часть.
Мутность – расход. При высоких расходах воды в реке дальнейший рост
расхода вызывает повышение мутности за счет эрозионных процессов на водосборе
и в ложе реки. Однако при малых расходах явной зависимости нет. Это связано с
тем, что мутность во многом зависит от влажности поверхности водосбора перед началом дождя. При одной и той же интенсивности дождя большая мутность достигается при сухой поверхности, а меньшая – при влажной. В связи с этим, корреляция
не столь высока (0.67), как можно было бы ожидать.
18
Цветность – расход. Основной вклад в цветность вносит смыв гумусовых и
дубильных веществ с ландшафтов. Размыв донных отложений является менее значимым фактором из-за меньшего содержания в них гумуса по сравнению с почвой.
Невысокая корреляция между рассматриваемыми величинами (0.42) связана с тем,
что содержание окрашенных веществ в склоновом стоке зависит не только от интенсивности дождя, но и в значительной мере от влажности поверхности.
Окисляемость – расход. Для этой пары величин невысокий уровень корреляции (0.44) объясняется примерно теми же причинами, что и для пары цветность –
расход.
Фитопланктон – окисляемость. Увеличение численности фитопланктона
должно приводить к росту окисляемости за счет выделения продуктов метаболизма
в процессе жизнедеятельности и поступления органического вещества в воду при
отмирании клеток. Однако это органическое вещество весьма лабильно и быстро
разлагается, в том числе и бактериопланктоном. Поэтому основной вклад в окисляемость дают не водоросли, а аллохтонное органическое вещество, смываемое с
водосбора. В связи с этим, корреляция между рассматриваемыми показателями невысока (0.26).
Фитопланктон – мутность. Клетки фитопланктона находятся во взвешенном состоянии и поэтому вносят определенный вклад в мутность. Однако на фоне
доминирования аллохтонной взвеси, поступающей со склоновым стоком, фитопланктон мало заметен, что и объясняет весьма низкий уровень корреляции (0.24).
Фитопланктон – расход. Увеличение расхода воды в водотоках обычно приводит к снижению численности фитопланктона. Однако в нашем случае такого снижения не происходит, что можно объяснить несколькими причинами. Прежде всего,
это может быть связано с поступлением в реку аллохтонного фитопланктона из водохранилищ. Кроме того, действуют и многие другие разнонаправленные факторы,
влияющие на развитие водорослей, такие, как концентрация биогенных веществ,
температура, освещенность, численность зоопланктона, наличие макрофитов и пр.
Это отражается на значении коэффициента корреляции, который для указанной пары величин близок к нулю.
Фитопланктон – цветность. В этом случае коэффициент корреляции также
близок к нулю. Как и для пары фитопланктон – окисляемость, это обусловлено лабильностью и быстрым распадом органического вещества, выделяемого при жизни и
после отмирания клеток, так что решающую роль в цветности должно играть аллохтонное органическое вещество, не связанное с фитопланктоном.
19
МЕТОДИКА ПРОГНОЗА НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ПЕРИОДОВ И РАСЧЕТА
РЕАГЕНТНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Неблагоприятные периоды характеризуются высокими значениями ряда показателей качества воды. Вероятность появления высоких значений какого-либо показателя может быть рассчитана по известной плотности распределения его значений.
Плотности распределения для 4-х показателей были найдены выше. На примере
одного из них – мутности – покажем, как рассчитать вероятность неблагоприятных
событий и как использовать эту информацию для расчета реагентных режимов обработки воды в неблагоприятные периоды.
В качестве типичных неблагоприятных событий будем рассматривать весеннее половодье или дождевые паводки, при которых мутность исходной воды может
резко возрастать. Как было показано выше, при весеннем половодье мутность иногда достигает значений от нескольких десятков до 100 мг/л, при дождевых паводках
– до 10-30 мг/л. Нас интересуют экстремальные события, когда мутность М превышает некоторое, достаточно высокое, пороговое значение М*. Вероятность P{M > M*}
появления таких событий находится следующим образом:
∞
P{M > M *} =
∫ p(M )dM ,
M*
где p(M) – плотность распределения значений мутности. Поскольку плотность распределения известна (см. рис. 4), эта вероятность легко находится численным интегрированием. Используем то обстоятельство, что вероятность P{M > M*} = q можно
интерпретировать как долю времени q, в течение которого M > M*. Если рассматривается годовой интервал времени, то среднесуточная мутность, превышающая М*,
будет наблюдаться в течение времени Т = 365·q суток. Результаты вычислений суммарной длительности неблагоприятных событий в течение года представлены в
табл. 4. Приведенные значения длительности надо рассматривать как среднемноголетние. В конкретных реализациях, естественно, будут происходить случайные отклонения от этих значений в большую или меньшую сторону.
По описанной методике можно получить аналогичные результаты и для других
показателей качества воды, для которых построены плотности распределения. Кроме уже рассмотренного показателя мутности, выше были найдены плотности распределения также для цветности, окисляемости и фитопланктона, что открывает
возможность прогноза неблагоприятных периодов и для этих показателей подобно
тому, как это было сделано для мутности.
20
Таблица 4. Суммарная длительность неблагоприятных событий в течение года при
заданном значении q (неблагоприятное событие – это превышение порогового значения мутности, M > M*)
Вероятность превышения пороговой мутности, q
0.1
0.05
0.01
0.005
Длительность неблагоприятных событий
в течение года, Т, сут
36
18
3.6
1.8
Пороговая мутность
М*, мг/л
7.7
12
35
54
Рассмотрим теперь пути применения полученных результатов для расчета
реагентных режимов очистки воды в экстремальных условиях. Прежде всего, отметим, что необходимость в подобных расчетах возникает в задачах прогноза запасов
реагентов на определенный период времени, характеризующий длительность неблагоприятный событий. Осуществляются эти расчеты с использованием программного комплекса AquaCAD [17, 18] по следующей методике:
1) выбирается наиболее вероятное время года, характерное для возникновения неблагоприятных событий рассматриваемого типа. Например, если рассматривается весеннее половодье, то выбирается апрель как наиболее вероятный период
прохождения половодья; если речь идет о дождевых паводках, то им соответствует
довольно широкий временной интервал: май – сентябрь;
2) устанавливается один или несколько приоритетных показателей качества
воды, по которым могут назначаться реагентные режимы в найденные неблагоприятные периоды;
3) из имеющихся в базе данных временных рядов для приоритетных показателей выбирается типовой участок, соответствующий наиболее вероятному времени
года и наиболее вероятному сценарию протекания рассматриваемого неблагоприятного события (например, сценарию половодья или сценарию дождевого паводка);
4) с помощью программного комплекса AquaCAD производится серия сценарных и оптимизационных расчетов по исходным данным, соответствующим выбранному типовому участку временных рядов. Методика проведения расчетов детально
описана в работах [17, 18]. В результате этих расчетов находятся рекомендуемые
дозы реагентов, необходимые для достижения требуемой степени очистки воды;
5) по найденным рекомендуемым дозам реагентов рассчитываются запасы
реагентов на весь неблагоприятный период;
21
6) в целях дальнейшего совершенствования прогнозных возможностей информационно-моделирующей системы AquaCAD необходимо дополнить базу данных водопроводной станции полным комплексом показателей, оказывающих влияние на процесс коагуляции и эффективность обработки воды.
Таким образом, знание вероятностных характеристик показателей качества
исходной воды позволяет проводить прогнозные расчеты режимов очистки воды и
определять минимально необходимые запасы реагентов на весь неблагоприятный
период, что является важным элементом информационного обеспечения процессов
управления и позволяет эксплуатационному персоналу повысить надежность оперативного управления технологическими режимами водоподготовки.
ВЫВОДЫ
Проведен анализ временной изменчивости расхода воды в реке и 4-х показателей качества воды: мутности, цветности, перманганатной окисляемости и фитопланктона. Выявлены особенности поведения указанных величин в неблагоприятные периоды, связанные с половодьями, паводками и цветением фитопланктона.
Найдены плотности распределения расхода воды в реке и показателей качества воды. Главная особенность этих распределений состоит в их асимметрии, которая
проявляется в наличии протяженного хвоста, показывающего, что вероятность появления высоких значений величин достаточно велика. Знание плотности распределения позволяет найти вероятность появления неблагоприятных событий, связанных с
ухудшением качества воды, и подготовить водопроводную станцию к работе в экстремальных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горшков Ю.Н., Конева Л.И., Морозов М.А. и др. Экология Москвы. М., 1995. 205 с.
2. Колесников Ю.М., Храменков С.В., Волков В.З., Медведев Л.И. Промывка русла
р. Москвы и ее воздействие на экологическую обстановку // Водные ресурсы.
2000. Т. 27. № 4. С. 449-456.
3. Водохранилища Москворецкой водной системы. М.: Изд-во МГУ, 1985. 266 с.
4. Алексеевский Н.И., Жук В.А., Иванов В.Ю., Фролова Н.Л. Особенности формирования и расчета притока воды к тракту Москворецкого водоисточника // Водные
ресурсы. 1998. Т. 25. № 2. С. 146-151.
22
5. Волков В.З., Кузьмина Н.П., Ищенко И.Г. Влияние регулирования весеннего половодья на экологическое состояние р. Москвы // Водоснабжение и сан. техника.
1999. № 8. С. 6-8.
6. Раткович Д.Я., Выручалкина Т.Ю., Соломонова И.В. Изменение режима колебаний
речного стока при его регулировании // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. № 2. С.
133-141.
7. Лопатин Г.В. Наносы рек СССР. М.: Географгиз, 1952. 367 с.
8. Николадзе Г.И. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1989. 496 с.
9. Шевченко М.А. Физико-химическое обоснование процессов обесцвечивания и дезодорации воды. Киев: Наукова думка, 1973. 151 с.
10. Гороновский И.Т. Физико-химическое обоснование автоматизации технологических процессов обработки воды. Киев: Наукова думка, 1975. 216 с.
11. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. 356 с.
12. Сиренко Л.А., Гавриленко М.Я. «Цветение» воды и эвтрофирование. Киев: Наукова думка, 1978. 232 с.
13. Harris G.P. Phytoplankton Ecology: Structure, Function and Fluctuation. London:
Chapman and Hall, 1986. 375 p.
14. «Цветение» воды. Киев: Наукова думка, 1968. 387 с.
15. Левшина Н.А. Фитопланктон Можайского водохранилища // Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 2. М.: Изд-во МГУ, 1973. С. 50-55.
16. Левшина Н.А. Фитопланктон // Комплексные исследования водохранилищ.
Вып. 3. Можайское водохранилище. М.: Изд-во МГУ, 1979. С. 262-270.
17. Долгоносов Б.М., Дятлов Д.В., Сураева Н.О., Богданович О.В., Громов Д.В., Корчагин К.А. Информационно-моделирующая система AquaCAD – инструмент по
управлению технологическими режимами на водопроводной станции // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 6. С. 26-31.
18. Долгоносов Б.М., Дятлов Д.В., Богданович О.В., Громов Д.В., Корчагин К.А. Гидроэкология: система поддержки принятия решения по управлению качеством
воды на водопроводных станциях // Инженерная экология. 2003. № 6. С. 2-21.