Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНОВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ

Малкова М.А. 1 Кантор Е.А. 1 Вождаева М.Ю. 1, 2
1 ГОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
2 МУП «Уфаводоканал»
Подготовка питьевой воды на инфильтрационном водозаборе, как правило, включает в себя этап обеззараживания воды хлорсодержащими агентами. При хлорировании питьевой воды происходит образование тригалогенметанов (ТГМ) – галогенорганических соединений, которые могут оказывать негативное влияние на состояние здоровья человека, обладать отдаленными канцерогенным и мутагенным эффектами. Обнаруженное в ходе проведения исследования подобие в кривых изменения дозы хлора, вводимого в обрабатываемую воду с целью обеспечения бактерицидного действия, и суммарного значения концентраций компонентов ТГМ предполагает возможность существования связи между величинами этих показателей. В результате установлено, что зависимость «доза хлора – концентрация компонентов ТГМ» описывается линейным соотношением как для суммарного значения ТГМ, так и для отдельных его компонентов: хлороформа (ХФ), бромдихлорметана (БДХ), дибромхлорметана (ДБХ) с коэффициентами корреляции, равными 0,79; 0,81; 0,77 соответственно. Полученные значения коэффициентов корреляции по шкале Чеддока свидетельствуют о наличии высокой силы связи между рассматриваемыми показателями. Проведено прогнозирование суммарного содержания ТГМ и его компонентов в питьевой воде в зависимости от дозы введенного хлора с помощью пропорциональных зависимостей. Установлено, что ошибка предлагаемого прогноза составляет 11–30 % при точности аналитического определения концентраций компонентов ТГМ, составляющей 26–42 %. Таким образом, можно ориентировочно оценить суммарные содержания ТГМ и их компонентов в питьевой воде после хлорирования, используя в расчетах дозу хлора или исходя из концентрации ТГМ и его компонентов с учетом периодов, предшествующих прогнозируемому.
тригалогенметаны (ТГМ)
прогнозирование концентрации ТГМ
математическое моделирование
корреляционный анализ
1. Мифтахова К.Р., Пьянкова О.Г., Рудакова Л.В., Глушанкова И.С. Хлорирование как основной метод обеззараживания питьевой воды // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика. – 2015. – Т. 1. – С. 233–242.
2. Ивлева Г.А., Нечаев И.А., Гусев Н.Н. Проблема обеспечения населения чистой водой // Чистая вода: проблемы и решения. – 2009. – № 1. – С. 19–22.
3. Рахманин Ю.А. Качество и безопасность воды различных видов водопользования // Экологический вестник России. – 2008. – № 3. – С. 24–28.
4. Душкин С.С., Благодатная Г.И. Разработка научных основ ресурсосберегающих технологий подготовки экологически чистой питьевой воды: моногр. // Харьк. нац. акад. город. хоз-ва. – Харьков, 2009. – 95 с.
5. Холова А.Р., Вагнер Е.В., Вождаева М.Ю., Кантор Е.А., Труханова Н.В., Мельницкий И.А. Современный подход к оценке качества питьевой воды // В сборнике: Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность – 2017. Сборник статей по материалам научно-практической конференции с международным участием. Под редакцией Ю.А. Омельчук, Н.В. Ляминой, Г.В. Кучерик. – Севастополь, 2017. – С. 1463–1467.
6. Холова А.Р., Вождаева М.Ю., Вагнер Е.В., Кантор Е.А., Труханова Н.В., Мельницкий И.А. Содержание органических соединений в питьевой воде, транспортируемой по распределительной водопроводной сети г. Уфы // В сборнике: Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований материалы XI международной научно-практической конференции. НИЦ «Академический». – 2017. – С. 172–175.
7. Труханова Е.В., Вождаева М.Ю., Кантор Л.И., Кантор Е.А., Мельницкий И.А. Исследование влияния галогенуксусных кислот на результаты определения тригалометанов в воде // Экология и промышленность России. – 2011. – № 2. – С. 41–45.
8. Гладилин А.В. Эконометрика: учебное пособие / А.В. Гладилин, А.Н. Герасимов, Е.И. Громов. – М.: Кнорус, 2009. – 232 с.

При подготовке питьевой воды зачастую в качестве одного из этапов обработки применяется её обеззараживание хлорсодержащими агентами [1–3]. В зависимости от загрязненности обрабатываемой воды вводится разная доза хлора [4, 5]. Важным условием является присутствие в воде остаточного свободного хлора на уровне 0,5–0,8 мг/дм3, что обеспечивает пролонгированность обеззараживающего действия хлора в системе трубопроводов, по которым вода подается потребителю [6, 7].

Материалы и методы исследования

Объектом исследования служит инфильтрационный водозабор (ИВ) г. Уфы. Использованы данные аналитического контроля концентраций ТГМ в речной и питьевой воде за период 1995–2013 гг. [5], данные по суточной подаче воды и количеству затраченного хлора за сутки на водозаборе ИВ.

При оценке данных использовались математические методы, позволяющие на основе экспериментальных данных моделировать суммарное содержание и отдельные компоненты ТГМ в питьевой воде.

Результаты исследования и их обсуждение

Характер изменения дозы хлора на ИВ свидетельствует о существенных колебаниях и тенденции роста этого показателя (рис. 1) [8].

malkov1.tif

Рис. 1. Изменение дозы хлора (ДCl) на водозаборе ИВ за период 1995–2013 гг., мг/дм3 (х – порядковый номер измерения)

Значения коэффициентов корреляции (Кк) между дозой хлора и концентрацией суммы ТГМ составляют 0,06, ХФ – 0,30, БДХ – –0,22 и ДБХ – –0,24. Причиной таких результатов представляется то обстоятельство, что в оба параметра (доза хлора и концентрация ТГМ) значительный вклад вносит случайная составляющая [5]. Так, например, при разложении временного ряда содержания хлороформа в резервуаре чистой воды ИВ методом сезонной декомпозиции выявлено, что случайная компонента составила 62,7 % [8]. Результаты аналогичной обработки данных по дозе хлора показали, что вклад случайной компоненты составляет 52,7 %.

Оценка расчетных концентраций компонентов ТГМ с помощью линейных уравнений зависимости «концентрация ТГМ – доза хлора» выявила среднюю относительную ошибку прогноза на уровне 60 % (табл. 1).

Таблица 1

Параметры линейной зависимости вида СТГМ = k*ДCl + b «концентрация ТГМ – доза хлора»

Компонент

k

b

R2

Средняя относительная ошибка, %

ΣТГМ

2,67

4,96

0,01

37,1

ХФ

6,13

1,11

0,10

43,3

БДХ

–1,97

2,52

0,05

58,3

ДБХ

–1,50

1,32

0,06

112,7

Полученные зависимости характеризуются низким значением коэффициента детерминации (R2 колеблется в пределах 0,011 до 0,101) (рис. 2).

malkov2a.tif malkov2b.tif

malkov2c.tif malkov2d.tif

Рис. 2. Зависимости «доза хлора – концентрация ТГМ и их компонентов»

В этой связи представляется целесообразным включить в обработку экспериментально полученных результатов этапы, связанные с усреднением или сглаживанием исходных данных. Наиболее простым математическим способом является вычисление средних значений.

Данные аналитического контроля позволяют рассчитать средние величины содержания ТГМ и их компонентов и доз хлора по месяцам за период 1995–2013 гг. (табл. 2).

Таблица 2

Средние месячные значения дозы хлора, ΣТГМ, ХФ, ДБХ, БДХ, БФ на ИВ за 1995–2013 гг.

Номер месяца

Доза хлора, мг/дм3

ΣТГМ,

мкг/дм3

ХФ,

мкг/дм3

ДБХ,

мкг/дм3

БДХ,

мкг/дм3

БФ,

мкг/дм3

1

0,49

6,21

3,63

0,82

1,35

0,00

2

0,49

4,57

2,93

0,44

1,14

0,00

3

0,48

4,88

2,74

0,62

1,28

0,00

4

0,50

5,29

3,13

0,46

1,29

0,00

5

0,53

6,60

4,36

0,34

1,52

0,00

6

0,54

7,92

6,18

0,29

1,38

0,00

7

0,57

8,79

6,67

0,33

1,64

0,00

8

0,58

8,43

5,79

0,58

1,90

0,00

9

0,57

6,76

4,49

0,56

1,66

0,00

10

0,54

6,55

4,21

0,54

1,78

0,00

11

0,53

5,19

3,56

0,38

1,20

0,00

12

0,52

5,05

3,60

0,33

1,12

0,00

Подобие изменения дозы хлора и суммарного значения концентраций ТГМ (рис. 3) предполагает вероятность существования связи между величинами этих показателей. Действительно, величина Кк свидетельствует о том, что между дозой хлора и суммарной концентрацией ТГМ, ХФ, БДХ существует высокая сила связи (по шкале Чеддока) [8] (Кк – 0,79; 0,81; 0,77 соответственно). И только между дозой хлора и ДБХ связь характеризуется как слабая (Кк = –0,28) (табл. 3).

malkov3a.tif malkov3b.tif

а) б)

Рис. 3. Средние значения по месяцам в период 1995–2013 гг. (мкг/дм3): а) доза хлора б) суммарная концентрация ТГМ

Таблица 3

Параметры линейной зависимости вида у = k×ДCl + b «средняя месячная концентрация ТГМ – средняя месячная доза хлора»

Компонент

k

b

R2

Средняя относительная ошибка, %

ΣТГМ

34,28

–11,76

0,64

10,8

ХФ

31,51

–12,37

0,67

11,7

БДХ

5,88

–1,67

0,59

14,0

ДБХ

–1,28

1,15

0,07

28,7

malkov4a.tif malkov4b.tif

malkov4c.tif malkov4d.tif

Рис. 4. Зависимости «усредненная доза хлора – усредненная концентрация ТГМ и их компонентов»

При рассмотрении зависимостей усредненных концентраций доз хлора и компонентов ТГМ повышается значение коэффициента детерминации (до 0,67) (рис. 4).

Несмотря на возможность получения сравнительно удовлетворительных прогнозных значений ТГМ в зависимости от дозы хлора следует учитывать тот факт, что отношения отклонения от расчетных значений могут оказаться значительными. Например, отклонение прогнозной концентрации ХФ от расчетной в декабре 2006 г. составило более 150 %.

Можно предположить, что точность прогноза можно повысить за счет учета текущей концентрации компонентов ТГМ в период, непосредственно предшествующий прогнозируемому. Таким образом можно учесть, например, климатические изменения, которые в значительной степени влияют на качество воды водоисточника. Тогда расчет прогнозных концентраций можно провести по формуле

malk01.wmf

где Сn+1 – прогнозируемая концентрация ТГМ или компонента ТГМ;

ΣСфк – суммарное значение фактических концентраций ТГМ или компонента ТГМ за предыдущие k месяцев;

Сn – средняя многолетняя концентрация ТГМ или компонента ТГМ за предыдущий месяц;

ΣСк – сумма средних месячных значений (1995–2013 гг.) концентраций ТГМ или компонента ТГМ за предыдущие k месяцев.

Нами рассмотрены несколько периодов усреднения, равные 2, 4, 6 и 12 месяцев и проведена оценка относительных ошибок прогноза в каждом случае (табл. 4).

Таблица 4

Относительные ошибки прогноза с использованием различных периодов усреднения, предшествующих прогнозируемому, %

Компонент ТГМ

Период усреднения, месяц

2

4

6

12

ХФ

35,5

33,4

33,4

33,1

ДБХ

76,8

84,5

86,4

92,3

БДХ

47,2

42,6

46,3

53,5

Полученные результаты показывают, что относительные ошибки прогноза для разных периодов усреднения отличаются незначительно (табл. 4).

Расчет КК между фактической и прогнозируемой концентрацией компонентов ТГМ показал, что значения коэффициентов корреляции для суммы ТГМ и ХФ достигают – 0,52, ДБХ – 0,51 и БДХ – 0,47.

Следует отметить, что усредненная относительная ошибка прогноза составляет от 5,0 до 72,2 %. В качестве примера приведены значения фактических и прогнозных концентраций ХФ для 2000 г. (табл. 5).

Таблица 5

Значения фактических и прогнозных концентраций ХФ в питьевой воде ИВ за 2000 г. (период 12 месяцев)

Месяц

Фактическая концентрация,

мкг/дм3

Прогнозная концентрация,

мкг/дм3

Относительная ошибка прогноза, %

1

14,25

3,96

72,2

2

13,00

4,71

63,7

3

11,20

5,40

51,8

4

9,32

5,67

39,2

5

14,80

8,81

40,5

6

10,10

9,59

5,0

7

14,20

8,92

37,2

8

19,40

9,86

49,2

9

25,70

8,65

66,3

10

27,00

15,82

41,4

11

19,50

14,08

27,8

12

20,00

17,03

14,9

Таким образом, ориентировочно оценить содержание ТГМ и их компонентов в питьевой воде после хлорирования можно, используя в расчетах дозу хлора или исходя из концентрации ТГМ и его компонентов с учетом периодов, предшествующих прогнозируемому. Такой прогноз можно считать удовлетворительным, если учитывать тот факт, что точность анализа ТГМ и его компонентов составляет 26–42 %, т.е. сравнима с уровнем, достигаемым при прогнозе.

Заключение

Анализ возможности прогнозирования содержания ТГМ и их компонентов проведен с использованием дозы хлора, вводимой в воду для обеззараживания, или непосредственно по концентрации ТГМ и их компонентов, содержащиеся в различные по продолжительности периоды, предшествующие прогнозируемым значениям. Выявлена высокая сила связи между средними месячными значениями дозы хлора и суммарной концентрацией компонентов ТГМ. Относительная ошибка при прогнозировании ТГМ и его компонентов достигает в среднем 53,2 %. С учетом того, что точность аналитического определения ТГМ составляет 26–42 %, прогноз концентрации ТГМ и их компонентов следует считать удовлетворительным.


Библиографическая ссылка

Малкова М.А., Кантор Е.А., Вождаева М.Ю. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНОВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 4. – С. 133-138;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36737 (дата обращения: 11.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074