CC BY
76
КАРТОГРАФИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
УДК 614.7: 528.91
КАРТОРАФИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Лариса Анатольевна Ромашова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры картографии и геоинформатики, тел. (383)361-06-35, e-mail: [email protected]
В работе предлагается методика комплексной оценки качества воды водных объектов. В ее основе лежит использование частных оценок отдельных показателей состава и свойств воды для получения комплексной оценки качества воды в виде одного числа и переход к безразмерному показателю. В статье даны рекомендации по картографическому отображению комплексной оценки для разных уровней качества воды водных объектов в зависимости от целей научных и практических исследований.
Ключевые слова: картографирование, качество воды, показатели состава и свойств воды, частная оценка, комплексная оценка.
МАРРШО OF WATER BODIES ON THE BASIS
OF A CONTEXT ASSESSMENT OF WATER QUALITY
Larisa A. Romashova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhonogo St., Ph. D., Assoc. Prof., Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (383)361-06-35, e-mail: [email protected]
The techniques for complex assessment of water quality in water bodies are offered in this work. They are based on particular assessments of different indices of water composition and property to be used for complex assessment (as a single number). Then the transition to the dimensionless index is conducted. Recommendations on cartographic representation of the complex assessment for different quality water (of water bodies) depending on the purpose of the scientific or practical research are given.
Key words: mapping, water quality, indices of water composition and properties, particular assessment, complex assessment.
Сложность понятия качества воды, его многомерность, связанная с потребностью учитывать большое количество веществ, определяющих состав воды, и разнообразие свойств, учет которых необходим в процессе водопользо-
137
Картография и геоинформатика
вания, обусловили настойчивые поиски обобщенных показателей, позволяющих характеризовать состав и свойства воды одним числом. К недостаткам таких показателей относятся потеря информации и неоднозначность, неизбежные при замене многомерных объектов одномерными. К достоинствам относится удобство этих показателей для пользователей при принятии решений в различных водоохранных ситуациях и задачах. Такие показатели отличаются по многим свойствам друг от друга. Однако есть одно основное свойство, которое позволяет разделить все показатели на два существенно различных класса: пригодные и непригодные для практической деятельности по регулированию использования и охране вод. Таким свойством является отношение к предельнодопустимой концентрации (ПДК) - гигиеническим нормативам, устанавливающим границы пригодности водных объектов для водопользования.
Нами предлагается методика комплексной оценки качества воды водных объектов для решения водоохранных и водохозяйственных проблем при районно-планировочных, градостроительных и других видах работ. В ее основе лежит использование частных оценок отдельных показателей состава и свойств воды для получения комплексной оценки качества воды в виде одного числа и переход к безразмерному показателю.
Предлагаемая методика состоит в следующем. Известно, что все показатели состава и свойств воды имеют разные единицы измерения. Вследствие этого сравнение показателей между собой и построение комплексного показателя по ним невозможно. Поэтому первоначально все исходные показатели качества воды предлагается приводить к безразмерному виду. Учитывается, что у одних показателей (их большинство) норматив представляет собой верхний предел допустимого значения, у других - (прозрачность, растворенный кислород...) нижний предел, у третьих - (диссоциация водородных ионов.) определенный интервал. В соответствии с этим безразмерные показатели К предлагается рассчитывать в случае верхнего предела допустимого значения по формуле:
K = Фг / Си (1)
а в случае нижнего предела -
K = С / Фи (2)
где Фг - фактическое значение i-го показателя;
С - норматив i-го показателя.
Безразмерный показатель K в дальнейшем будем называть частной оценкой единичного показателя. Она показывает, во сколько раз фактическое значение показателя хуже нормативного.
Приведение к безразмерному виду показателя с интервальным нормативом следует выполнять по формуле (1), если его значение больше верхнего предела, или по формуле (2), если его значение меньше нижнего предела норматива.
138
Картография и геоинформатика
Комплексный показатель оценки качества воды водных объектов предлагается получать по разнородным частным оценкам путем их свертки.
Он моделируется формулой:
K =
V
I (K)'
n
i=1
(3)
где Ki - частная оценка единичного показателя, превышающая по величине единицу (формулы (1), (2));
n - число суммируемых в формуле (3) показателей.
В выражение (3) входят частные оценки с величиной только больше единицы. Значение комплексной оценки показывает, во сколько раз качество воды хуже нормативного. Оно увеличивается с увеличением степени загрязнения водоема. При равенстве всех частных оценок единице комплексный показатель также равен единице. Если же некоторые частные оценки меньше, а остальные равны единице, то комплексный показатель не вычисляется, а принимается равным единице. Таким образом, благоприятному состоянию водоемов всегда будет соответствовать значение комплексного показателя, равного единице.
По формулам (1), (2) могут быть найдены частные оценки всех показателей качества воды, кроме коли-индекса, значения которого представляются числами более высокого порядка, чем значения остальных показателей. В этом случае частная оценка коли-индекса не сопоставима с частными оценками других показателей. Поэтому предлагается вместо фактического значения коли-индекса и его норматива использовать их логарифмы.
Оценку качества воды водных объектов проводят на всех стадиях планово-проектных работ, каждой из которых соответствует определенный уровень проработки изучаемого явления. Например, на стадии планирования освоения и развития территорий, с целью разработки крупномасштабных природоохранных мероприятий, важна обобщенная оценка качества воды. На стадии схем и проектов районной планировки, с целью определения оптимальной структуры территориально-производственных комплексов, необходима оценка качества отдельных свойств и составов воды. На стадии детальной планировки районов города для рационального размещения промышленных объектов необходима оценка качества воды по отдельным ее элементам.
Поэтому в соответствии с целями исследований предлагаются критерии нескольких уровней общности. Например, на рис. 1 выделено четыре структурных уровня системы качества воды, каждому из которых соответствуют свои показатели.
Для получения комплексных показателей различных уровней общности может быть использована формула (3). В таблице приведен расчет частных и комплексных показателей оценки качества воды различных уровней для одного створа по тринадцати исходным показателям. Комплексный показатель IV уровня может быть найден по частным или комплексным оценкам любого
139
Картография и геоинформатика
более низкого уровня. Результат во всех случаях одинаков. Предлагаемая методика оценки качества воды особенно эффективна в сочетании с картографическим методом исследования, т. е. при наглядном пространственно определенном отображении исследуемых явлений на карте. При этом могут быть составлены карты разных типов в соответствии с разными уровнями общности комплексного показателя. Например, на самом нижнем уровне может быть составлена аналитическая карта с детальной характеристикой качества воды по частным оценкам поэлементного состава и свойств воды. На втором уровне может быть составлена синтетическая карта с обобщенной характеристикой качества воды по нескольким комплексным показателям химического и минерального составов, органолептических и химических свойств. На более высоких уровнях степень обобщения показателя возрастает.
Уровни оценки
Рис. 1. Структурная модель явления «Качество воды»
140
Картография и геоинформатика
Пример расчета частных и комплексных оценок качества воды водных объектов
Таблица
Состав и свойства воды Минеральный состав Химический состав Органолеп- тические свойства Химиче- ские свойства
Показатели суль фаты хло- риды сухой оста- ток Fe Cu Zn As Se за- пах вкус цвет- ность БПК раст- ворен- ный О2
Нормативы, C 500 мг/л 350 мг/л 1000 мг/л 0,3 мг/л 1,0 мг/л 5,0 мг/л 0,05 мг/л 0,001 мг/л 2 бал- ла 2 бал- ла 20 град 3,0 мг X 4,0 экв/дм
Фактические значения, Фг- 200 мг/л 700 мг/л 2000 мг/л 4,6 мг/л 0,2 мг/л 3,0 мг/л 0,02 мг/л 0,005 мг/л 4 бал- ла 3 бал- ла 40 град 6, 0 мг X 3,0 экв/дм
Частные поэлементные оценки, К 0,4 2,0 2,0 15,3 0,2 0,6 0,4 5,0 2,0 1,5 2,0 2,0 1,3
Комплексный показатель II уровня, К 2,0 11,6 1,9 1,7
Комплексный показатель III уровня, К 9,4 1,8
Комплексный показатель IV уровня, К 5,6
На рис. 2 приведены примеры отображения частных и комплексных показателей качества воды. На рис. 2, а качество воды характеризуется частными показателями качества воды, отображенными с помощью локализованных столбиковой и векторной диаграмм. Горизонтальная черта в столбиковой диаграмме и круг векторной диаграммы передают нормативное значение показателей. На рис. 2, б качество воды характеризуется комплексными показателями химического и минерального составов, органолептическими и химическими свойствами. Рис. 2, в содержит два комплексных показателя - состав и свойство воды по отдельности. Рис. 2, г отображает качество воды в виде одного комплексного показателя. На рис. 2, а, б, в для отображения комплексных показателей качества воды используется локализованная столбиковая диаграмма. Их значения переданы высотой столбцов. Во всех случаях горизонтальная черта через столбцы передает нормативное значение качества воды, которому соответствует значение комплексного показателя, равное единице.
141
Картография и геоинформатика
Fe
Рис. 2. Отображение частных и комплексных показателей качества воды
Из приведенных примеров отображения комплексных показателей видно, что с увеличением степени обобщения показателей способ отображения упрощается. Использование комплексных показателей и соответствующих им способов отображения позволяет на карте наглядно увидеть в целом динамику качества воды во времени и пространстве, определить уровень загрязнения водоемов. Сопоставление их между собой помогает найти рациональное решение по размещению промышленных объектов и населенных пунктов, определить эффективность водоохранных мероприятий, обосновать гигиенический прогноз условий водопользования и т. д. Предложенная методика комплексной оценки качества воды проста в работе, универсальна, эффективна при картографировании [1]. Ее преимущества по сравнению с другими [2] состоят в следующем.
1. В зависимости от целей исследования предлагаемая методика позволяет проводить оценку качества воды различных уровней общности.
2. Модель (формула) для расчета оценки качества воды разных уровней одна и та же.
3. Принцип построения модели (формула (3)) обеспечивает большую чувствительность оценки явления в целом и с учетом больших отклонений показателей качества воды от норм в частности.
4. Величина оценки качества воды колеблется от единицы и более. Она сразу дает оценку качества воды относительно ее нормативного состояния. В используемых методиках оценка изменяется от нуля и возникает необходимость ее перевода в относительную меру или процент.
142
Картография и геоинформатика
5. Приведение к безразмерному виду показателей выполняется только с помощью одного действия.
6. Предложен подход к нахождению частных оценок показателей коли-индекса и диссоциации ионов водорода.
7. Сочетание комплексной оценки качества воды с картографическим методом обеспечивает наглядность и обзорность исследуемого явления в пространстве и времени.
Перечисленные преимущества позволяют рекомендовать эту методику оценки для разных уровней качества воды водных объектов в зависимости от целей научных и практических исследований [3-20].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ромашова Л. А. Комплексная оценка качества воды и ее картографическое отображение // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. VIX Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3т. (Новосибирск, 22-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. - Т. 2. - С. 119-124.
2. Обобщенный показатель для оценки загрязненности водных объектов / В. Р. Лозан-ский, В. П. Белогуров, С. А. Песина и др. // Оценка и классификация качества поверхностных вод для водопользования. - М., 1979. - С. 24-26.
3. Гаврилов Ю. В., Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Об опыте и результатах системного картографирования экологической ситуации Новосибирска // Вестник СГГА. - 2011. -Вып. 1 (14). - С. 55-61.
4. Научно-методические основы формализации процессов составления тематических карт для реализации ИСА ГИС / С. С. Дышлюк, О. Н. Николаева, Л. А. Ромашова, С. А. Сухорукова // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2011. - № 5. - С. 91-93.
5. Мазуров Б. Т., Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Интегральные экологические карты как инструмент исследования динамики экологической обстановки промышленного центра // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 203-208.
6. Николаева О. Н., Ромашова Л. А., Волкова О. А. Картографическое обеспечение экологического мониторинга // ИнтерКарто/ИнтерГИС 19: материалы Междунар. конф. (Курск, 1-3 февраля, 2013). - Курск: КГУ. - 2013. - С. 84-86.
7. Николаева О. Н., Ромашова Л. А., Волкова О. А. Применение экологических карт в мониторинге окружающей среды // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 9-13.
8. Николаева О. Н., Ромашова Л. А., Волкова О. А. О картографическом моделировании на разных этапах экологического мониторинга // Вопросы географии и геоэкологии. - 2013. -№ 2/1. - С. 23-25.
9. Николаева О. Н., Ромашова Л. А., Волкова О. А. Роль картографического место исследования в решении проблем радиационной обстановки окружающей среды // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 104-108.
10. Николаева О. Н., Ромашова Л. А., Волкова О. А. Применение картографического метода в изучении и решении проблем радиационного загрязнения территории // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 87-92.
143
Картография и геоинформатика
11. Научно-методические основы формализации процессов составления тематических
карт для реализации инструментальной справочно-аналитической геоинформационной системы / С. С. Дышлюк, О. Н. Николаева, Л. А. Ромашова, С. А. Сухорукова // Вестник
СГГА. - 2011. - Вып. 1 (14). - С. 49-54.
12. Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Применение интегральных экологических карт для эффективного ведения народного хозяйства // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА,
2010. Т. 1, ч. 2. - С. 103-105.
13. Николаева О. Н., Гаврилов Ю. В., Ромашова Л. А. Об опыте и результатах системного картографирования экологической ситуации Новосибирска // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 4, ч. 2. - С. 224-225.
14. Николаева О. Н., Николаев Н. А., Ромашова Л. А. Перспективы использования экологических карт при ведении кадастра застроенных территорий // ГЕО-Сибирь-2009. V Ме-ждунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 3, ч. 2. - С. 207-209.
15. Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Роль картографического метода исследования в экологическом мониторинге окружающей среды // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА,
2009. Т. 4, ч. 2. - С. 69-72.
16. Николаева О.Н. Некоторые аспекты создания карт экологического разнообразия территории // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3 (16). - С. 75-80.
17. Касянова Е. Л, Кикин П. М. особенности разрабатываемой справочноаналитической ГИС, возможные области ее применения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 174-182.
18. Колесников А. А, Комиссарова Е. В., Ракунов В. А. Применение WEB-ГИС и мультимедийных технологий для картографического моделирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 96-101.
19. Дышлюк С. С., Пошивайло Я. Г. ИСА ГИС - новый инструмент для решения задач
территориального управления // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. -
С. 36-40.
20. Лисицкий Д. В. Перспективы развития картографии: от системы «цифровая земля» к системе виртуальной геореальности // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). - С. 8-16.
Получено 28.10.2013
© Л. А. Ромашова, 2014
144
