CC BY
18
УДК 658 DOI: 10.24411/1816-1863-2019-12038
X i_
i ПЛОДЫ УПРОЩЕНЧЕСТВА о. М. Розенталь, д. т. н, главный
^ в^пим ti/лплгиинаучный сотрудник Института водных
15 ВОДНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ проблем РАН, [email protected],
L~~ ИССЛЕДОВАНИЙ. Е- П. Серенькая, младший научный
сотрудник Института водных ПОИСК ВЫХОДА проблем РАН, [email protected]
В статье обсуждаются вопросы достоверности комплексной оценки качества вод, получаемой на основе анализа различных контролируемых показателей. Неудовлетворительные методы обработки массивов данных зачастую приводят к тому, что такие оценки дают ошибочное представление о соответствии или несоответствии качества вод установленным нормативным требованиям. В дальнейшем эти оценки становятся основанием для принятия ошибочных решений в области экологической безопасности и возникновения юридических споров между организациями-водопользователями и контролирующими органами.
Авторы приводят характерные примеры ошибочной интерпретации результатов водно-экологических исследований, связанные с неверно выбранной периодичностью измерений и недостаточным объемом данных, а также с недоучетом существующих погрешностей измерений и неверным предположением о том, что значения контролируемых показателей подчиняются нормальному закону распределения. Также указывается на ошибки, возникающие при неверном представлении данных в отчетных формах.
Указано, что существует необходимость выработки правил разрешения споров о выполнении или нарушении установленных требований к качеству воды. Основой для этого могут послужить национальные стандарты, которые предлагают алгоритмы учета погрешности результатов измерений.
The article discusses the questions of reliability of the integrated assessment of water quality based on the analysis of various controlled parameters. Unsatisfactory methods of data sets processing often lead to the fact that such assessments give an erroneous idea of compliance or non-compliance of water quality with the statutory requirements. Further, these assessments become the basis for making erroneous decisions in the field of ecological safety and the occurrence of legal disputes between water user organizations and regulatory authorities.
The authors give characteristic examples of erroneous interpretation of the results of water-ecological research related to the incorrectly chosen measurement periodicity and insufficient data volume and also to the underestimation of existing measurement errors and the incorrect assumption that the values of controlled indicators are in compliance with the standard distribution law. It is also pointed to the errors that occur when the data presentation in the reporting documents is incorrectly given. It is indicated that there is a need to develop for resolving disputes about performance or violation of the statutory requirements for water quality. The basis for this can be formed by national standards which offer algorithms for errors accounting of measurement.
Ключевые слова: водно-экологические исследования, оценка качества воды, контролируемые показатели, погрешность измерений, нарушение установленных требований.
Keywords: water-ecological studies, assessment of water quality, controlled parameters, measurement error, disturbances of statutory requirements.
Сбор, обработка и распространение информации о качестве воды водных объектов осуществляется в соответствии с международными рекомендациями по статистике водных ресурсов (МРСВР) Статистического отдела ООН [1]. В России массивы данных по качеству вод и комплексной оценке контролируемых показателей приводятся в документах Росгидромета, контрольно-надзорных органов и водопользователей. Однако достоверность такой оценки часто малоинформативна и даже сомнительна из-за неудовлетворительных методов обработки результатов измерений контролируемых показателей.
Указания об этом уже многократно звучали в литературе. Так, по [2] налицо ошибочные предпосылки и упрощенчество при обработке наблюдений за природными процессами. По [3] неверное истолкование результатов измерений приводит к ошибочным заключениям о соответствии установленным требованиям объектам, этим требованиям не соответствующим или о несоответствии соответствующих объектов. Ниже представлены наиболее характерные по данным авторов примеры ошибочной интерпретации результатов водно-экологических исследований.
Пример 1. Ошибки графического представления данных. Типичный пример приведен на рис. 1, а: в таком виде орган производственного контроля КОАО «АЗОТ», г. Кемерово, представил результаты измерения концентрации нитратов в сточных водах в 2000—2004 гг. Если исходить из этих данных, то складывается впечатление, что частота нормативных сбросов намного выше, чем сбросов сверхнормативных. Но такой вывод ошибочен потому, что неверно построена гистограмма — интервалы по оси абсцисс на рисунке непостоянны (см. подпись к рис. 1). Правильная же гистограмма (рис. 1, б) показывает, что количество сверхнормативных сбросов весьма значительно.
Еще одна из наиболее распространенных причин ошибок — предположение о нормальном законе распределения значений контролируемых показателей. Для простой проверки приемлемости этого закона достаточно выяснить, является ли линейной зависимость между исследуемой характеристикой и нормированной стандартной переменной на сетке нормального распределения.
Пример 2. Из рис. 2 видно, что приведенные на нем результаты плохо ложатся
на прямую, что означает неприменимость нормального закона в данном случае. Так, е согласно рис. 2, б концентрации хлори- э дов 160 мг/дм3 соответствует нормиро- о ванная стандартная переменная, пример- о но равная 4,2, а реальные данные, для я получения которых необходимо провести прямую по эмпирическим точкам, дали бы ориентировочно 2,4. Поэтому при использовании функции Гаусса Ф^) вероятность получить значение концентрации больше 160 мг/дм3 в первом случае равна 1-Фф = 1-Ф(4,2) = 0,000013, а во втором — 1-Ф(2,4) = 0,0082. Это превышает предыдущее число в 631 раз! Использование функции Гаусса в подобной ситуации — дело бессмысленное.
Не менее серьезные ошибки связаны с принятием гипотезы о том, что данные периодических измерений контролируемых показателей являются истинными (действительными). Такова почти общепринятая практика: представлять результаты периодического контроля проб воды как заключение о ее соответствии/несоответствии установленным требованиям без учета непостоянства ее состава.
Пример 3. Экспериментальные данные приведены на рис. 3. Здесь, судя по ре-
Количество случаев 80 -, 60 40 20 0
Количество
2 3 4 5 Концентрация в единицах ПДК <0
случаев
30 -|
20 -
10 -
0 -
д
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Концентрация в единицах ПДК б)
Рис. 1. Распределение значений содержания нитратов (в единицах ПДК) в сбросах сточных вод
по результатам 184 случаев контроля качества: а) - в интервалах: 1 - 0,1-0,7 ПДК; 2 - 0,7-1,0 ПДК; 3 - 1,0-1,2 ПДК; 4 - 1,2-1,3 ПДК; 5 -1,3—1,4 ПДК; 6 - 1,4-1,5 ПДК; б) - равные интервалы шириной 0,1 ПДК
. г
-4- ■
2 4 6
Концентрация, мг/дм3
а)
10
Концентрация, мг/дм3 б)
Рис. 2. Функции распределения концентраций для нитратов (а) и хлоридов (б) в воде 1-й промышленно-ливневой канализации КОАО «АЗОТ» в 2004 г.
О ^
т О ш
мкг/дм3
ежемесячные наблюдения; наблкщения 2 раза в месяц; еженедельные наблюдения
7 9 11 13 15 17 19 21 Количество наблюдений
Рис. 3. Концентрация меди (ПДК = 1 мкг/дм3) в воде р. Тагил (Иртышский бассейновый округ), створ на водозаборе Нижнетагильского металлургического комбината, лето—осень 2001 г.
зультатам ежемесячных наблюдений, качество воды соответствует установленным требованиям, а судя по результатам еженедельных наблюдений — не соответствует (12 случаев из 21). Из результатов же наблюдений через каждые полмесяца следует, что такие несоответствия возможны (3 случая из 11).
Учет непостоянства показателей качества воды необходим, например, для разработки нормативов допустимых сбросов (НДС). Поскольку при отсутствии сверхнормативного загрязнения НДС определяются исходя из нормативов качества воды, а при наличии такого загрязнения — из условий соблюдения в контрольном пункте сформировавшегося природного фонового качества воды, то здесь ошибки выборочного (периодического) контроля имеют принципиальное значение.
Уровень надежности результатов наблюдений зависит от объема данных. Так, ежемесячных измерений (рис. 3) недостаточно для формирования заключения на основе выборочного контроля, вопрос же о достаточности 21-го еженедельного измерения (там же) требует отдельного ис-
следования. Водно-экологические и экономические потери вследствие недостаточной периодичности измерений могут быть огромны, прежде всего, в промышленных зонах с высоким уровнем водопользования. Такова, например, ситуация для воды реки Исеть (приток р. Тобол) на створе ниже г. Екатеринбурга, где величина концентрации меди и бенз(а)пи-рена за сутки изменяется в несколько раз, азота и фтора — от 0 до 2 мг/дм3, значение минерализации — от 100 до 400 мг/дм3, при этом контрольные измерения осуществляются только один раз в месяц.
Учет погрешности измерений усложняет процедуру оценивания качества воды [4]. Так, согласно рис. 4, а можно предположить, что если бы исследования проводились на 6-й, 13-й или 14-й день, то было бы признано соответствие воды установленным требованиям по бенз(а)пирену, а в другие дни — несоответствие.
Если же принять во внимание погрешность измерений (рис. 4, б), то тогда ни одному результату нельзя доверять полностью. Тем не менее в ряде нормативных документов [5, 6] разрешено «при принятии административных решений по оценке превышения результатов определения содержания контролируемого показателя» не учитывать характеристики погрешности. Хотя установленные в [5] нормы погрешности измерений большинства токсичных загрязняющих воду веществ превышают ±40 %.
Пример 4. Пусть концентрация бенз(а)пирена в воде постоянна и составляет 0,8 ПДК. Следуя стандартам [5, 6] заключаем, что вода отвечает установленным требованиям по данному загрязняющему веществу. Однако этот вывод не является точным, так как установленная
—I—I—г 4 7 10 13 Количество измерений
а)
—I—I—г 4 7 10 13 Количество измерений б)
40
Рис. 4. Результаты ежедневных измерений концентрации бенз(а)пирена (в единицах ПДК) в воде р. Исеть, створ 4 км ниже Екатеринбурга, август 1998 г.: а) — без учета, б) — с учетом погрешности измерений
Рис. 5. Данные лаборатории Ревдинского завода по обработке цветных металлов (ОЦМ) о содержании бенз(а)пирена в сточной воде (август 2001 г.). Представлены результаты экспертных ежечасных измерений с 01:00
до 12:00 ч, в том числе выполненных в соответствии с регламентом (маркеры □) и на час раньше (маркеры ■)
норма погрешности измерений здесь ±70 %, и можно лишь констатировать, что истинная концентрация вещества находится в диапазоне от 1,36 до 0,24 ПДК.
Возникающие вследствие этого ошибочные заключения о качестве воды исправить обычно не удается, а исследования, выполненные по аттестованным методикам, становятся бессмысленными.
Неоднозначность выводов наиболее высока при одновременном учете погрешности и ошибки выборочных измерений. Так, из рис. 5 видно, что результаты периодических определений проб воды, отобранных в соответствии с регламентом предприятия в 2 часа ночи и в 12 часов, свидетельствуют о ее соответствии установленным требованиям.
При этом если бы пробоотбор осуществлялся на час раньше, то были бы даны заключения о несоответствии. Если же учесть также и погрешность измерений (±70 %), ситуация становится еще менее определенной, и большая часть результатов уже не позволяет дать гарантированного заключения о соответствии/несоответствии содержания загрязняющего вещества в воде.
Заметим в заключение, что корректный вывод о выполнении или нарушении установленных требований возможен, если результатом измерения являются точки А или Б на рис. 6. В точке А гарантируется выполнение требований нормативного документа (НД), а в Б — его нарушение. В точках же В и С каких-либо гарантий дать невозможно.
Международные правила разрешения споров, связанных с учетом погрешностей
результатов измерений, изложены в стандарте [7], разработанном на основе международного стандарта ИСО 4259. Этот стандарт распространяется на нефть и продукты ее переработки, однако он вполне применим и при разрешении водных споров, что в упрощенном виде заключается в следующем:
— если значение контролируемой характеристики ниже норматива на величину, превышающую погрешность измерения, установленные требования выполняются;
— если значение контролируемой характеристики выше норматива на величину, превышающую погрешность измерения, установленные требования нарушаются;
— расхождение в результатах измерений качества воды, не превышающее установленной в стандарте погрешности, не является предметом юридического спора между водопользователем и органом контроля;
— расхождение в результатах измерений, превышающее погрешность, является предметом юридического спора;
— спор между водопользователем и органом контроля разрешается путем привлечения арбитражной лаборатории.
Имеется также стандарт [8], где предложен алгоритм учета погрешностей измерений при оценке соответствия. Основные положения этого документа сводятся к следующему:
— в случаях В и С (рис. 6) проводятся повторные измерения; при этом уменьшается погрешность результата, что позволяет принять корректное решение;
— если и после уменьшения погрешности принять решение не удается, орган контроля имеет право написать заключе-
Тв - верхнее допустимое значение по НД
Рис. 6. Иллюстрация к оценке риска ошибочного заключения о качестве объекта вследствие погрешности измерений
Ш О
ф ^
О
О -1
IK S
О ^
m
О ф
ние о невозможности установления качества воды.
К сожалению, правила разрешения споров по [7, 8] в практике регулирования водно-экологических отношений не используются. Кодексом РФ об административных правонарушениях предусматривается, что «аккредитованная испытательная лаборатория (центр), эксперты в соответствии с законодательством Российской Федерации и договором несут ответственность за недостоверность или необъектив-
ность результатов исследований (испытаний) и измерений». При этом никакой ответственности за то же самое, допущенное на стадии обработки этих результатов, не предусмотрено. Об этом приходится сожалеть, поскольку из представленного материала видно, что именно на стадии обработки повышены риски установления фактов выполнения нормативных требований при их фактическом нарушении или нарушения при фактическом выполнении.
Библиография
1. Water in a Changing World. The U. N. World Water Development Report 3: UNESCO 2009. ISBN 97892-3-104095-5
2. Rémy Chauvin Le monde des insects. Paris: Hachette, 1967. 240 p.
3. Львова И. В. Примеры нарушения достоверности оценки соответствия // Методы оценки соответствия. — 2011. — № 9. — С. 9—11.
4. Веницианов Е. В., Виниченко В. Н., Гусева Т. В. и др. Экологический мониторинг: шаг за шагом. — М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. — 252 с.
5. ГОСТ 27384—2002 Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств.
6. ГОСТ Р 51232—98 Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества.
7. ГОСТ Р 8.580—2001 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Определение и применение показателей прецизионности методов испытаний нефтепродуктов.
8. ГОСТ Р ИСО 10576-1—2006 Статистические методы. Руководство по оценке соответствия установленным требованиям. Часть 1. Общие принципы.
RESULTS OF SIMPLIFICATION OF WATER-ECOLOGICAL STUDIES. SEARCHING А WAY OUT
O. M. Rozental, Ph. D. (Engineering), Dr. Habil., Senior Researcher, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, [email protected],
E. P. Seren kaya, Research Associate, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, [email protected]
References
Water in a Changing World. The U. N. World Water Development Report 3: UNESCO 2009. ISBN 97892-3-104095-5.
Remy Chauvin Le monde des insects. Paris: Hachette, 1967. 240 p.
Lvova I. V. Primery narusheniya dostovernosti otsenki sootvetstviya. Metody otsenki sootvetstviya [The examples of contravention of conformity assessment reliability. Conformity assessment methods]. 2011. Vol. 9. P. 9—11. Available at: http://ria-stk.ru/mos/adetail.php?ID=52507, date of access 18.08.2018. [in Russian]
Venitsianov E. V., Vinichenko V. N., Guseva T. V. et al. Ekologicheskij monitoring: shag za shagom [Environmental monitoring: step by step]. Moscow: RHTU im. D. I. Mendeleeva, 2003. 252 p. [in Russian] GOST 27384—2002 Voda. Normy pogreshnosti izmerenij pokazatelej sostava I svojstv [Interstate standard specification 27384—2002 Water. Rates of measurement error of characteristics of composition and properties]. [in Russian]
GOST R 51232—98 Voda pit'evaya. Obshhie trebovaniya k organizacii i metodam kontrolya kachestva [State standard specification 51232-98. Drinking water. General requirements for organization and quality control methods] [in Russian]
GOST R 8.580—2001 Gosudarstvennaya sistema obespecheniya edinstva izmerenij (GSI). Opredelenie I primenenie pokazatelej precizionnosti metodov ispytanij nefteproduktov [State standard specification 8.580 — 2001 State system for ensuring the uniformity of measurements. Determination and application of precision data in relation to petroleum products tests methods] [in Russian]
GOST R ISO 10576-1—2006 Statisticheskie metody. Rukovodstvo po ocenke sootvetstviya ustanovlen-nym trebovaniyam. Chast' 1. Obshhie principy [State standard specification ISO 10576-1—2006 Statistical methods. Guidelines for the evaluation of conformity with specified requirements. Part 1. General principles] [in Russian]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
42
