Сравнительный анализ чувствительности интегрального показателя качества воды $wqi$ для моделей Дельфи и Бхаргава Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2013. Вып. 2. Ч.1. С. 319-325

Экология =

УДК 502.51:504.5:543.31

Сравнительный анализ чувствительности интегрального показателя качества воды WQI для моделей Дельфи и Бхаргава

Фан Чунг Канг

Аннотация. Дана оценка чувствительности методик Дельфи и Бхаргава определения WQI для рек Тиен и Као Лань, протекающих через провинцию Донг Тхап (на юге Вьетнама), построены диаграммы. По результатам каждого метода и классификации качества воды с помощью индексов WQI по разным наблюдательным пунктам данных рек установлено, что модель Бхаргава более предпочтительна для условий Вьетнама.

Ключевые слова: комплексный показатель качества воды, методы расчета показателя, чувствительность методов, Дельфи и Бхаргава индексы ШQI.

Введение

Качество воды, определяемое как совокупность физических, химических и биологических характеристик воды, во многих странах и национальных агентствах оценивается по интегральным показателям. Российское законодательство [1] устанавливает гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ), используя ряд показателей токсического действия. Интегральный показатель получается суммированием относительных показателей фактического содержания к предельно допустимому значению.

Целым рядом исследователей [2, 3] предложены аналогичные показатели. Отличительной особенностью этих методов является использование весов отдельных параметров, определяемых субъективно или с помощью экспертов.

Для юга Вьетнама, территориально расположенного в экваториальной зоне, характерно обилие воды круглый год. Использование российского метода оценки качества воды по ИЗВ не совсем удобно, т.к. этот метод устанавливает жесткие рамки в оценке качества, не учитывая особенности ведения хозяйства. С учетом гибких требований, устанавливаемых во Вьетнаме, предпочтение отдается методам Делфи [2] и Бхаргава [3].

Метод Бхаргава определяет индекс качества WQI для различных целей использования воды.

Чтобы способствовать предотвращению риска кризиса водных ресурсов, а также исправлению, улучшению и защите водных ресурсов в городе Као Лань, необходимо осуществление исследований для создания единого инструмента управления водными ресурсами в целом. Показатели качества воды и их классификация являются инструментом оценки уровня загрязнения каждого района, служат цели планирования логического использования поверхностных водных ресурсов и ориентации на контроль загрязнения, защиту окружающей среды. Это является весьма необходимой и неотложной задачей.

1. Методы исследований

Интегральный показатель WQI определяется несколькими методами, например, Дельфи [2], Бхаргава [3].

При использовании метода Делфи [2] автор построил систему вопросов, направляемых профессионалам по качестве воды, для выбора важных водных качественных параметров оценки важности данных параметров. Построение показателей качества воды можно разделить на три этапа.

Этап 1. Выбор параметров качества. Выбранные параметры должны быть наиболее важными для оценки качества системы речной воды Тиен и Као Лань.

Этап 2. Построение функций качества воды, отражающих связь между значениями важных параметров и побочных показателей.

Этап 3. Расчет показателей, оценки и классификация областей по качеству воды.

Качественный водный индекс, предложенный Бхаргавом [3] в 1983 году, был впервые применен для разделения и классификации на реке Ганг, Индия. Построение модели Бхаргава WQI включает в себя:

1) определение целей использования воды;

2) определение качественных водных параметров, выбранных для каждой конкретной цели использования воды (Хг);

3) создание чувствительной функции для выбранных параметров качества воды;

4) расчёт качественного водного индекса.

WQI рассчитывается по одной из двух формул: в виде суммы (обозначается WA — WQI) и в виде произведения (встроенной форме) (обозначается WM — WQI), в обеих формулах учитывается доля (вес) вклада

8

WA — WQI = wгqг, (1)

г=1

8

wm - wqi = Ц qwi.

(2)

i= 1

Часть доли вклада в ^г) из 8 выбранных параметров располагается в соответствии с уменьшением значения следующим образом: общее содержание взвешенных твердых частиц (55) — 0,12; растворенный кислород (ДО) — 0,17; фекальные кишечные палочки (^С) — 0,12; pH —

Побочные показатели qi параметров построены следующим образом:

55 (у) : у = 0, 0011ж2 — 0, 6468ж + 101, 36;

pH (у) : у = 0, 416ж4 — 11, 609ж3 + 110,15ж2 — 409, 46ж + 539, 31;

ДО (у) : у = —0, 7061ж2 + 17,179ж + 3, 7855;

БПК5 (у) : у = 0, 0068ж2 — 2,1089ж + 100, 34;

ХПК (у) : у = 0, 0039ж2 — 1,157ж + 94, 001;

Сумма N (у) : у = 0,1213ж2 — 8, 318ж + 99, 233;

Сумма Р (у) : у = —14, 4431п (ж) + 33,146;

(у) : у = —8, 8991п (ж) + 132, 04.

По модели Бхаргава [3] WQI для каждой цели использования воды (или WQI для специфического пользования) расчет ведется по формуле:

1/га

Здесь ^ — значение чувствительной функции г-го параметра; п — число выбранных параметров. Результаты расчета показаны на рис. 1.

Обобщенный WQI (для многоцелевого использования) может быть рассчитан средним значением WQI для разных целей использования воды с предположением важности использования воды. Если важность целей использования воды различна, можно вводить различные коэффициенты на каждый WQI, каждой цели использования при расчете обобщенного WQI.

На основе рассчитанного WQI классифицируют и оценивают качество воды по установленной шкале. Существует много разных классификаций качества воды, но обычно выделяются 5 категорий или 5 уровней качества воды для WQI со шкалой от 0-100, которые показаны в табл. 1.

2. Оценка качества рек Тиен и Као Лань по показателю

Применением регулируемой модели NSF — WQ/ по методу Дельфи и Бхаргава с 8 выбранными параметрами (pH, DO, SS, BOD5, COD, сумма

0,09; БПК5 — 0,16; сумма N — 0,11; сумма P — 0,09; ХПК — 0,14.

х 100.

(3)

WQI

Рис. 1. Чувствительность функции выбранных параметров для конкретных целей

Классификация качества воды в ^д/ [2,3]

Таблица 1

Тип ^д/ (обобщенный) Примечание

МБЕ Bhargava

I 91 Ф 100 9 0 •1* 1 о о Очень хорошо

II 71 Ф 90 65 Ф 89 Хорошо

III 51 Ф 70 35 Ф 64 Средний

IV 26 Ф 50 11 Ф 34 Плохо

V 0 Ф 25 0 Ф 10 Очень плохо

N, сумма Р и ) определяют обобщенный ^д/ (для многоцелевого использования) реки Тиен и Донгтхап. Результаты расчета показаны на рис. 2.

По полученным результатам можем считать, что качество воды реки Тиен находится в области средних значений (для многоцелевого использования). Большинство показателей ^д/ соответствует категориям III — средний и IV — плохой (ниже допустимого).

3. Тестирование чувствительности модели WQI

Для выбора модели , применяемой к рекам Тиен и Као Лань,

должна быть выполнена проверка чувствительности по модели

Бхаргава — регулируемой модели (^^/в с 8 параметрами отбора: pH,

БПК 5, ХПК, общего N, общего Р и ). С другой стороны, для сравнения

чувствительности модели N5^ — (обозначаемая WQІN) включены 8

Рис. 2. Ситуация качества воды реки Тиен и Као Лань в течение 2008-2010 гг. по методам Дельфи и Бхаргава

выбираемых параметров: рН, БПК 5, бактерий, нитратов, фосфатов, общего объема твердых. Для тестирования чувствительности осуществлялся расчет WQI в 3 случаях, результаты которого приведены в табл. 2.

1. Имеется один самый худший параметр, у которого = 0 (или дг = 0), для остальных ^ = 1 (или дг = 100).

2. Аналогично первому варианту, но у самого худшего параметр ^ = 0.01 (или дг = 1).

3. Для всех параметров ^ = 0.5 (или дг = 50).

Таблица 2

Результаты тестирования чувствительности по модели ВЬатдауа — WQI

и Дельфи (+)

Вариант WQIв WQIN1 WQІN 2

1 0 (Очень плохой) 78 (хороший) 0 (Очень плохой)

2 57 (средний) 78 (хороший) 40 (плохой)

3 50 (средний) 50 (плохой) 50 (плохой)

(+) WQIB — определяется по формулам (1), (3) при п = 8; WQIN1 — QIN

8

определяется по формуле в виде суммы: WA — WQI = ^ ЩгСг при п = 8;

І=1

WQІN2 — WQІN определяется по формуле в виде умножения:

8

WM — WQI = П с^і при п = 8

І=1

Результаты определения WQIв и WQІN в трех случаях показывают, что в первом случае модели WQIв и WQІN2 более чувствительны, чем WQІNь По модели WQІN і (WQІN і = 78), показатель качества соответствует хорошему уровню по классификации ЫБГ — WQI . Очевидно, что WQІNі неправильно отражает практику, другими словами, WQІNі скрывает самый худший параметр.

Во втором случае модели WQIв и WQІN2 также более чувствительны, чем WQІN1. Однако WQIв лучше отражает результат, чем WQІN2.

В третьем случае модель WQIв более чувствительна, чем WQІN1 и WQІN 2.

Сравнив три данные модели, заключаем, что WQІN2 и WQIв более чувствительны, чем WQІN1. Однако WQІN2 менее чувствителен при добавлении выбранных параметров. Другими словами, недостатком WQІN2 является большая жесткость модели. Хотя WQІN2 менее чувствительна, но она достаточно хорошо реагирует на изменение одного из худших параметров.

Заключение и рекомендации

Модель с регулируемым индексом WQI Бхаргава более чувствительно способствует оценке изменения качества речной воды в реках Тиен и Као Лань. Она лучше подходит, чем модель Фонда по улучшению гигиены жизни WQI США [2]. Можно сказать, что WQIв является жизнеспособным инструментом обеспечения удобного мониторинга тенденций эволюции качества воды, возможностям характера использования воды и служит информацией для общественности и разработчиков политики.

По итогам расчета WQI индекса качество речной воды реки Тиен и Као Лань может оказаться низким через год, из-за, например, увеличения численности населения, развития городов и промышленности. Таким образом, учреждения экологического менеджмента должны применять технические и управленческие меры для поддержания качества пресной воды, обеспечения чистоты реки. На основе результатов этого исследования у нас есть несколько следующих рекомендаций:

1) необходимо сосредоточиться на немедленных мерах для очистки промышленных сточных вод: горнодобывающей промышленности, деревень и населенных мест;

2) уделять больше внимания управлению, мониторингу и оценке качества поверхностных вод, особенно в районах сосредоточения жилых и промышленных центров;

3) периодически использовать земснаряды и другую технику для расчистки русел каналов и рек, приемных ковшей сточных вод;

4) осуществлять эффективную эксплуатацию системы очистки сточных вод в промышленном секторе, рынке, торговом центре и густонаселенных районах;

5) исключить размещение твердых отходов на берегах рек и каналов;

6) более эффективно инспектировать состояние экологической среды, строго наказывать предприятия за загрязнение окружающей среды;

7) использовать возможности централизованного управления природопользованием для управления окружающей средой на местах;

8) повышать образовательный уровень путем интегрирования с другими программами и мероприятиями по защите окружающей среды, чтобы заставить людей понять важность для жизни источников чистой воды и вреда при использовании загрязненной воды путем изменения плохих привычек в области обращения с отходами и сточными водами людей, проживающих в крупных жилых массивах и находящихся в других общественных местах.

Список литературы

1. Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Приказ МПР РФ от 17 декабря 2007 г. № 333.

2. Linstone H.A, Turoff M. The Delphi Method: techniques and applications. Boston: Addison-Wesley, Reading, Mass, 1975. 632 p.

3. Bhargava D.S. Water quality variations and control technology of Yamuna river // Environmental Pollution (Series A). 1985. V. 37. P. 355.

Фан Чунг Канг (cangtrungphan@gmail.com), аспирант, кафедра аэрологии, охраны труда и окружающей среды, Тульский государственный университет.

Comparative analysis of the sensitivity of the integral index WQI with different methods and the choice of model

Phan Trung Cang

Abstract. Investigated the sensitivity of the assessment methods of Delphi and Bhargava WQI definition for rivers Tien and Cao Lanh flowing through the province of Dong Thap (in theSouth of Vietnam) are graphs. According to the results of each method and classification of water quality by WQI indices for various observatories these rivers found that the model Bhargava is preferable for the conditions of Vietnam.

Keywords: composite index of water quality, methods of calculating, sensitivity of the methods, Delphi and Bhargava WQI index.

Phan Trung Cang (cangtrungphan@gmail.com), postgraduate student, department of aerology, health and the environment, Tula State University.

Поступила 17.06.2013