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].
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).
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).
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 |
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
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: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36737 (дата обращения: 16.08.2024).