Республика Беларусь обладает значительными запасами подземных вод, однако примерно на 70 % скважинах отмечается превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) для питьевой воды по показателю железо общее, которое составляет 0,3 мг/дм3 [1]. Особенно актуальна эта проблема для территории Полесья, где превышение наблюдается на 90 % скважин [2].
Железо – это важнейший элемент, принимающий участие в кроветворении, дыхании, окислительно-восстановительных реакциях и иммунобиологических процессах. Чрезвычайно важная роль в организме человека определяется тем, что железо входит в состав крови и более чем сотни ферментов [3, 4]. Ежедневная норма потребления железа составляет около 20–25 мг [5]. Однако избыток этого элемента негативно сказывается на здоровье человека и может стать причиной нарушения функции печени, зуда, шелушения и сухости кожи, болезней кровеностной системы, диабета, атеросклероза [6–8].
Железо общее – показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание железа во всех его формах. Железо является самым распространенным из всех d-элементов в земной коре (четвертое место среди всех элементов), распространено во многих породах и встречается почти во всех типах почв, поверхностных и подземных водах [9]. В больших количествах присутствует в различных глинах, в осадочных породах встречается только в виде незначительных примесей. Известно около 300 минералов, содержащих этот металл.
Цель исследования: анализ изменения содержания железа общего в исходной и питьевой воде и оценка эффективности очистки исходной воды по этому показателю на инфильтрационных водозаборах (ИВ1, ИВ2) юго-восточной части Республики Беларусь.
Материалы и методы исследования
Исходными данными послужили ежеквартально определяемые концентрации железа общего в воде 52-х скважин до и после процесса водоподготовки, за периоды времени с 2001 по 2016 гг. и с 2004 по 2016 гг., для ИВ 1 и ИВ 2 соответственно [10].
Скважины на ИВ 1 обеспечиваются водой преимущественно из среднесеноманско-маастрихтского карбонатного водоносного горизонта, а на ИВ 2 – туронск-маастрихтского водоносного горизонта. В настоящее время на ИВ 1 эксплуатируются 40 скважин, на ИВ 2 – 12.
Нами сформированы временные ряды концентрации железа общего в воде из скважин до процесса водоподготовки на ИВ 1 и ИВ 2. Определены уравнения линейных трендов.
Эффективность очистки по железу общему определена по формуле
(1)
где Сисх. – концентрация железа общего в исходной воде, мг/дм3,
Спит. – концентрация железа общего в питьевой воде, мг/дм3.
С целью обеспечения требуемого качества воды [8], на ИВ 1 и ИВ 2 предусмотрено обезжелезивание методом упрощенной аэрации на скорых фильтрах с загрузкой из кварцевого песка. Контролю подлежит качество воды на входе на скорые фильтры и в резервуарах чистой воды.
С целью определения вклада детерминированной и случайной компоненты временных рядов концентраций по железу общему в исходной и питьевой воде на ИВ 1 и ИВ 2, проведена сезонная декомпозиция. Декомпозиция выполнялась по аддитивной математической модели
F = T + S + E, (2)
где T – тренд-циклическая компонента,
S – сезонная компонента,
E – случайная компонента.
Для оценки изменения концентрации железа на скважинах ИВ 1 и ИВ 2 были построены 
и R-карты Шухарта. Для оценки тенденции изменения содержания железа временные ряды разбивались на три временных интервала (для ИВ 1: 2001–2005, 2006–2010, 2010–2016 гг.; для ИВ 2: 2004–2008, 2008–2012, 2012–2016 гг.). Построение контрольных карт (КК) проводилось в программе Statistica 10.0. Для построения 
карт собирались однородные выборки с определенным количеством измерений. В качестве выборок были рассмотрены концентрации железа общего для скважин ИВ 1 с 2001 по 2016 гг. (по 20 значений), а для скважин ИВ 2 с 2004 по 2016 гг. (по 16 значений). Для каждой выборки определялись выборочные средние 
, которые наносились на карту. В последующем на карту наносились контрольные границы, на расстоянии три среднеквадратических отклонения выборочных средних значений генеральной совокупности σ. Для построения R-карты по каждой выборке вычислялись размах, равный разности максимального и минимального значения выборки. Результаты вычислений наносились на карту, определенными для нее контрольными границами. Непопадание точек в контрольные границы, свидетельствовало о том, что процесс находился в статистически неуправляемом состоянии.
Формулы определения контрольных пределов карт Шухарта представлены ниже. Верхний контрольный предел для 
-карты:
(3)
где 
– среднее значение для всех выборок,
A2 – коэффициент для вычисления контрольных границ (табл. 2) [11].
Нижний контрольный предел для 
-карты:
(4)
где 
– среднее значение для всех выборок,
A2 – коэффициент для вычисления контрольных границ (табл. 2) [11].
Верхний контрольный предел для R-карты:
(5)
где D4 – коэффициент для вычисления контрольных границ (табл. 2) [11].
Нижний контрольный предел для R-карты:
(6)
где D3 – коэффициент для вычисления контрольных границ (табл. 2) [11].
Результаты исследования и их обсуждение
За весь период наблюдения на ИВ 1 значения концентрации железа общего находятся в пределах от 3,1 до 18 ПДК (ПДК составляет 0,3 мг/дм3 [12] (рис. 1)). В воде из 70 % скважин среднее значение содержания железа общего за весь период наблюдения составляет менее 3 мг/дм3. Превышение ПДК с 2001 по 2016 гг. зафиксировано на 29 скважинах. Большинство показаний находятся в интервале от 1 мг/дм3 до 7 мг/дм3; 41 раз зафиксирована концентрация больше 6 мг/дм3, а 13 раз – больше 8 мг/дм3. Для оценки тенденции в изменении содержания железа общего в скважинной воде временной ряд разбит на 2 временных интервала: с 2001 г. по 2008 г. и с 2009 г. по 2016 г. Судя по изменению линии тренда, среднее значение концентрации по железу общему за первый и второй временной период в исходной воде увеличилось на 0,5 и 0,1 мг/дм3 соответственно.
ИВ 1 ИВ 2
Рис. 1. Изменения содержания железа общего в воде до процесса обезжелезивания на ИВ 1 в 2001–2016 гг. и на ИВ 2 в 2004–2016 гг. Примечания: [Fe] – концентрация железа общего, мг/дм3, x – номер измерения. СР1, СР2 – среднее значение содержания железа общего за первый, второй временной интервал соответственно, ТР, ТР1, ТР2 – линии трендов всего временного ряда, первого и второго временного интервала
Концентрация железа общего в исходной воде на ИВ 2 находится в пределах 9/13 ПДК (ПДК составляет 0,3 мг/дм3 [12]) (рис. 1). Превышение ПДК наблюдается на всех скважинах. Наиболее часто концентрация железа общего находится в интервале 0,5/5,5 мг/дм3; 18 раз концентрация превысила 5,5 мг/дм3, а 6 раз – 7 мг/дм3. Для оценки тенденции в изменении содержания данного показателя, временной ряд разбит на 2 интервала: 2004–2008 гг. и 2008–2016 гг. Судя по изменению линии тренда, среднее значение концентрации железа за первый временной интервал увеличилось на 0,9 мг/дм3, а на втором временном интервале уменьшилось на 0,6 мг/дм3.
Таким образом, на первых временных интервалах (2001–2008 гг. для ИВ 1 и 2004–2008 гг. для ИВ 2) отмечается рост содержания железа общего, в то время как на вторых временных интервалах (2009–2016 гг. для ИВ 1 и 2009–2016 гг. для ИВ 2) концентрация железа общего изменяется незначительно. Вероятно, долгосрочная эксплуатация ИВ 1 и ИВ 2 привела к некоторой стабилизации скорости прироста концентрации железа общего в скважинной воде. То есть несмотря на то, что концентрация данного соединения в подземной воде остается на достаточно высоком уровне, дальнейшего значимого его увеличения не ожидается. В целом среднее значение концентрации железа на ИВ 2 на 29 % меньше, чем на ИВ 1 (2,5 мг/дм3 для ИВ2 и 3,2 мг/дм3 для ИВ 1).
Среднее многолетнее значение содержания железа общего в воде до и после обезжелезивания на ИВ 1 на первом временном интервале составляет 2,8 мг/дм3 и 0,1 мг/дм3, на втором временном интервале – 3 мг/дм3 и 0,2 мг/дм3 соответственно (рис. 2). Эффективность очистки с 2001 г. по 2008 г. составляет 81,2–100 % и в среднем – 94,0 %, с 2009 по 2016 г. составляет 78,5–97 % и в среднем – 92,8 %. Превышение ПДК по железу в питьевой воде ИВ 1 с 2001 по 2016 гг. отмечено 4 раза (один раз в 2011 г., три раза в 2014 г.).
ИВ 1 ИВ 2
Рис. 2. Изменение концентрации железа общего на ИВ 1 в 2001–2016 гг. и на ИВ2 в 2004–2016 гг. Примечания: 1 – изменение концентрации железа в питьевой воде ИВ 1, 2 – в исходной воде, 3 – величина ПДК [1]
Среднее многолетнее значение содержания железа общего в воде до и после обезжелезивания на ИВ 2 на первом временном интервале составляет 2,7 мг/дм3 и 0,2 мг/дм3, на втором временном интервале – 3,5 мг/дм3 и 0,2 мг/дм3 соответственно (рис. 2). Эффективность очистки с 2004 г. по 2008 г. составляет 75,9–97,2 % и в среднем – 92,6 %, с 2009 по 2016 г. составляет 90,1–97,1 % и в среднем – 93,6 %. Превышение ПДК за исследуемый период отмечается 2 раза (по одному разу в 2004 и 2013 гг.).
Таким образом, на ИВ 1 на первом временном интервале (2001–2008 гг.) по сравнению со вторым временным интервалом (2008–2016 гг.) наблюдается снижение средней эффективности на 1,2 %, а на ИВ 2 на втором временном интервале (2009–2016 гг.) по сравнению с первым временным интервалом (2004–2008 гг.) наблюдается увеличение средней эффективности на 1 %.
Для выявления вкладов тренд-циклической, сезонной и случайной компоненты в значения ряда содержания железа общего в исходной и питьевой воде на ИВ1 и ИВ 2 проведена сезонная декомпозиция.
Значения случайной компоненты после процесса водоподготовки увеличиваются, а тренд-циклической уменьшаются; сезонная компонента вносит незначительный вклад в формирование концентрации железа общего (таблица). Фактор случайности вносит наибольший вклад в формирование концентрации железа общего в очищенной воде, что, возможно, связано с нестабильностью процесса обезжелезивания.
Значение вклада компонент в изменение показаний по железу общему на ИВ 1 и ИВ 2
|
Железо общее |
ИВ 1 |
ИВ 2 |
||||
|
Вклад компоненты, % |
||||||
|
Тенденция |
Сезонная |
Случайная |
Тенденция |
Сезонная |
Случайная |
|
|
В исходной воде |
51,96 |
0,93 |
47,11 |
43,29 |
2,93 |
53,78 |
|
В питьевой воде |
25,74 |
1,25 |
73,02 |
0,33 |
6,50 |
93,18 |
С целью оценки изменения содержания железа общего в воде из скважин ИВ 1 и ИВ 2 были построены и проанализированы 
и R-карты Шухарта (рис. 3). Пример построения 
и R-карты Шухарта на содержание железа общего в скважинах ИВ 1 за 2001–2006 гг. представлен на рис. 4.
ИВ 1 ИВ 2
Рис. 3. Количество скважин, в воде которых концентрация железа общего находится в статистически управляемом и неуправляемом состоянии в различные периоды. Примечания: 1 – в статистически управляемом состоянии, 2 – в статистически управляемом и в статистически неуправляемом, 3 – в статистически неуправляемом
Рис. 4. Контрольные карты Шухарта (
-R карты) на содержание железа общего в скважинах ИВ 1 за 2001–2006 гг.
В результате анализа изменения 
и R-карт Шухарта выявлено отсутствие тенденций в разбросе концентрации железа общего в скважинной воде ИВ 1 (рис. 3). На 7 скважинах (№ 138, 139, 142, 147, 153, 154, 162) содержание по железу общему в течение всего периода наблюдения находится в статистически управляемом состоянии, на одной скважине (№ 166) – в статистически неуправляемом. На ИВ 2 наблюдается рост числа скважин, концентрация железа общего в воде которых находится в статистически управляемом состоянии (рис. 3). На 3 скважинах (№ 2, 5, 10) величина данного показателя в исходной воде находится в статистически управляемом состоянии. Учитывая тенденцию к увеличению концентрации железа общего в воде из скважин на ИВ 2 и количества скважин находящихся в статистически управляемом состоянии, можно предположить увеличение вымывания пород и минералов моренного и флювиогляциального комплекса ледниковых отложений [12]. В целом количество скважин, концентрация железа общего в воде из которых находится в статистически управляемом и статистически неуправляемом состоянии, изменяется, что может быть связано с изменением интенсивности эксплуатации (дебита) скважин.
Выводы
1. Использование методов математической статистики, в частности метода анализа временных рядов и карт Шухарта, оказалось высокоинформативным для оценки эффективности очистки подземных вод по показателю железа общего на инфильтрационных водозаборах.
2. Выявлено, что, несмотря на то, что концентрация данного соединения в подземной воде обоих водозаборов достаточно высокая и имеет некоторую тенденцию к увеличению за счет вымывания подземных пород, скорость прироста значений концентраций при этом за последние восемь лет снизилась. Последнее обусловлено стабилизацией работы грунтов при долгосрочной эксплуатации рассматриваемых в работе водозаборов. Полученные выводы подтверждаются увеличением числа скважин, находящихся в статистически управляемом состоянии.
3. При декомпозиции временного ряда содержания железа общего в питьевой воде обоих водозаборов выявлено превалирование вклада случайной составляющей, что скорее всего обусловлено нестабильностью процесса обезжелезивания. Однако при этом эффективность очистки питьевой воды остается достаточно высокой на уровне 92–94 % и превышения ПДК для питьевой воды носят эпизодический характер, что согласно [13] не должно приводить к существенному увеличению рисков для здоровья населения.