Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Аналитические методы численного оценивания качества воды и комплексов водоохранных мероприятий

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Аналитические методы численного оценивания качества воды и комплексов водоохранных мероприятий"

ГОСУДАРСТВЕН! ¡Ш КОМИТЕТ СССР ПО ОХРАНЕ ПРИРОДУ ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ОХРАНЕ ВОД ( В Н И И В О )

На правах рукописи

УДК 628.543:669.1:681.3.06

ЗАБОЛОЦКАЯ Валентина Васильевна

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОЦЕНИВАНИЯ КАЧЕСТВА вода И КОМПЛЕКСОВ ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

II.00.II - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1990

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод (ВШИВО) Госкомприроды СССР

Научный руководитель - доктор физико-математичеоких наук,

профессор Гурарий В.И.

Официальные оппоненты -> доктор технических наук

Георгиевский В. Б. кандидат технических наук, доцент Станишевский С.А.

Ведущая организация - Ростовский государственный университет.

Защита состоится СёиТжЗрЛ 1990 г. в 14.00 на заседании специализированного совета K-099.0I.0I зо Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод (310888, Харьков, ул.Бакулина 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВШИВО.

Автореферат разослан "АР" ■¡^¡(А 1990 г.

Ученый секретарь специализированной? совета . кандидат геолого-минералогических

наук, старший научный сотрудник . Г.И.Каштан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Проблема оценивания качества вода является одной из главных при рациональном использовании и охране водных ресурсов. Несмотря на исключительную важность данной проблематики и длительный период исследований, достаточно полных конструктивных результатов по ее решению до сих пор нет. Согласно существующей у нас в стране официально утвержденной системе нормирования качество поверхностных вод оценивается на основе сравнения измеренных значвний чин, характеризующих состав и сеойстеэ вода, с допустимыми значениями. При этом фактически устанавливаются две категории качества: удовлетворительного и неудовлетворительного. В случае комплексного использования водных объектов оценка проводится по наиболее жестким из установленных норм. К числу основных недостатков рассматриваемого подхода следует отнести то, что разработанная система нормативов только для культурно-бытовых, хозяйственно-питьевых и рыбохозяйствешшх нужд не позволяет строго оценить пригодность вода для других видов водопользования. Список нормативов содержит в настоящее время свыше 1300 величин для санитарно-бытового и более 800 для рыбохозяйствен-ного водопользования, что намного меньше числа уже имеющихся в природе химических веществ, к тому же ежегодно в мйре синтезируется несколько тысяч новых соединений. Следует отметить, что контроль такого количества только нормированных веществ является технически сложной и дорогостоящей задачей. Один из главных недостатков принятой системы нормирования, учитывающей прежде всего интересы водопользователей, заключается в том, что эта система обеспечивает в основном контроль за загрязнением водоемов, а не их охрану, не оценивает водные объекты с позиции экологического благополучия. Кроме того, указанный подход к оцениванию не достаточно пригоден для решения задач планирования и управления качеством водоемов, так как не позво-

ляет обобщать информацию по всем измеряемым параметрам, сравнивать качество воды водных объектов в разные периоды времени, различных регионов и т.д., не отражает всего многообразия качественных состояний, устанавливал только указанные две категории качества. Эти обстоятельства заставляют искать иные пути к решению проблемы оценивания. Основной из этих путей состоит в аналитическом подходе, связанном прежде всего с численным оцениванием качества воды. Кроме того, особую важность приобретают в настоящее время вопросы, связанные с численным оцениванием комплексов водоохранных мероприятий. Этим определяется актуальность выбранной темы диссертация.

Цель и задачи исследования. Объект исследования данной работы -множество качественных состояний вод, описываемых набором физических, гидрохимических и гидробиологических показателей, а также комплексы водоохранных мероприятий в пределах бассейна реки, характеризуемые изменением сброса загрязняющих веществ и затратами на их реализации. Цедчми выполненной работы являлись: усовершенствование количественных подходов в критериальных проблемах охраны вод и прежде всего разработка четких процедур системы численного оценивания качества воды водных объектов, а также разработка методов количественного оценивания комплексов водоохранных мероприятий, осуществляемых на участке водотока. Эти цели достигаются в результате решения следующих задач:

- разработать математические методы конструирования индексов качества воды в зависимости от позиции оценивания и вида водопользования;

- разработать метода оценивания комплексов водоохранных мероприятий, учитывающие экологические и экономические факторы при их реализации»

- создание методов ранжирования водоохранных мероприятий на базе комплексных зколого-экономических критериев.

' ' 4

Ма то дологическую основу работа составляют концептуальные и методологические подходы и конкретные результаты из области системного анализа, теории принятия решений, теории исследования операций и прежде всего специального раздела ее - теории полезности.

Научная новизна заключается в развитии в направлении более строгой обоснованности и систематичности научно-методических основ процессов оценивамя качества водных объектов и комплексов водоохранных мероприятий, базирующихся на предложенной системе регламентации этих процессов, расширении и дополнении существующих методов решения задач компромисной оптимизации этих комплексов на базе комплексных эколого-экономических критериев. Кроме того, новыми являются предложенные конкретные формулы оценивания с выделением наборов существенных показателей и параметров.

Новые теоретические результаты:

- метод статического и динамического оценивания качества воды на основе эколого-санитарного индекса, соответственно новая конкретная формула для этого индекса;

- система выбора, нормализации и усреднения показателей для оценивания качества воды о позиции экологического благополучия водоёмов;

- новый принцип введения функций штрафования на основе учета взаимодействия отдельных показателей качества вода;

- развитие аксиоматических методов получения функциональных зависимостей, выражающих экологические и экономические критерии, численные оценки комплексов водоохранных мероприятий и соответствующие конкретные виды функциональных зависимостей для указанных критериев;

- строго обоснованное на теоремном уровне решение задачи компромиссно-оптимального ранжирования комплексов водоохранных мероприятий; конкретный вид.обобщенного эколого-экономического критерия, применяемого для ранжирования указанных комплексов.

Практическая ценность определяется возможностями использования при планировании, прогнозировании и управлении качеством водных объектов следующих результатов:

- статического и динамического типа оценивания качества поверхностных проточных вод на основе эколого-санитарного индекса;

- функциональных зависимостей оценивания комплексов водоохранных мероприятий с экологических и экономических позиций;

- способа получения компромиссно-оптимального ранжирования набора водоохранных мероприятий, реализуемого на участке водотока;

- математического обеспечения указанных способов расчета.

Кроме того, важно отметить, что улучшение критериальной основы в водной проблематике имеет не только экологическое, но и непосредственно экономическое значение, так как при этом обоснованное смягчение в отдельных случаях требований к качеству воды приводит к прямому экономическому выигрышу.

Реализация работы и внедрение результатов исследований осуществлялись в рамках следующих научно-исследовательских работ: х/д 374,389 "Разработка программ для определения очередности строительства водоохранных объектов в речном бассейне", х/д M5I "Методы численного оценивания качества еоды для эколого-окономических решений, овяэанных с созданием водохранилища СЭГЭС", темы I7.M.3 "Разработать основы качественного оценивания состояния водных ресурсов, комплексов водоохранных мероприятий и применяемых в водоохране математических моделей".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на УП Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам прогнозирования, контроля качества вода водоемов и озонирования, Таллинн, 1985, на семинаре "Экономическая эффективность водоохранных мероприятий", Челябинск, 1907; на семинарах научного совота АН УССР по проблеме "Кибернетика", Харьков, I9B7-I9R8; на семинаре

6

"Современное совершенствование хозяйственного механизма охраны и. использования водных ресурсов .в промышленности", Челябинск, 1980; на научно-технической конференции "Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воз действия.", Севастополь, 1989; на Всесоюзной конференции 'Ч.;етодо".'Тия экологического нормирования", Харьков, 1990.

Публикация работа. По результатам исследований опубликовано шесть печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения, изложена на страницах машинописного текста, включая 3?- таблиц, рисунков и списка литературы из ¿47 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РА ГОТО

В первой главе дан сравнительный анализ применяемых в стране и за рубежом методов количественного оценивания качества воды и комплексов водоохранных мероприятий. Показано, что существующая система регламентации качества воды на основе предельно допустим»* концентраций нуждается в серьезном усовершенствовании потому, что она в большей мере ориентирована на контроль за загрязнением водоемов, чем на их охрану.

В последние годы накоплен значительный опыт оценивания качества поверхностных еод на основе различных классификаций. Основополага-. и щи о работа в этой области у нас в стране принадлежат Драчеву С.М., Былинкиной A.A., йцковой А.И., Вельнеру Х.А., Верниченко A.A., Ми~ цкене П., Амбразене К., Жукинскому В.Н., Оксиюк О.П., Емельяновой . В.П., Дэнилоеой Т.Н., Брагинскому Л.П. и др. В настоящее время предложено значительное количество разнообразных классификаций, различающихся по принципам построения, по объектам классификации, набору

7

используемых параметров, числу выделяемых классов и методам их градации и другим признакам. Регламентация качества водных объектов с использованием классификаций достаточно широко применяется в мире.

Наряду с классификациями для оценивания качества вод используются индексы качества воды - скалярные величины, являющиеся функцией г сох измеренных или определенным образом выбранных показателей. Существующее многообразие комплексных оценок в зависимости от вида используемой для их получения информации можно условно разделить на такие группы:

- оценки, осноганше на физико-химических или гидрохимических показателях;

- оценки, получаемые на основе гидробиологических параметров;

- оценки, использующие сметанные наборы показателей, как гидрохимические, так и гидробиологические или бактериологические.

К первым обобщенным показателям, характеризующим загрязнение воды, относятся созданные в конце 50-х годов биологические индексы: биотический индекс Века-Цуда, индекс сапробности по методу Пантле-^кка и индекс разнообразия Шеннона. Указанные работы выбраны не случайно, они являются основополагающими в рассматриваемой области исследований и характеризуют главные направления развития биологических индексов. В нашей стране и за рубежом имеется множество вариантов этих индексов, представленных в работах Макрушииа A.B., Леснияова Л.А., Строганова B.C., Россолимо Л.Л., Вудивисса Ф.С., Хеллауэла Д.М. и др.

Исследования по созданию формализованных оценок качества воды, основанных на обобщении фиэико-хмлических п смешанных показателей, проводятся уже на протяжении ряда лет, однако, несмотря на многочисленность и разнообразие, широкого использования в водном хозяйстве они не получили. Объяснить это можно многими причинами, главшш из

которых заключаются , с одной стороны, в недостаточно обоснованных научных проработках многих оценок, с другой стороны, целым рядом субъективных факторов.

Конструирование обобщенных показателей указанного типа осуществляется обычно по следующей схеме: определяется интервал изменения комплексной оценки, отыскивается набор шкальных оценок или функциональных зависимостей для преобразования отдельных показателей п частные индексы, выбирается способ усреднения частных индексов. Важное место занимают также вопросы выбора набора ингредиентов.

К первым исследователям, занимавшимся этими проблемами, следует отнести Хортона П.К., Брауна P.M., Прати Рт, Дайнингера P.A., Гура-рия В,И., Гарсия И.М., ДэннеттеД.А. и др. Большинство предложенных зарубежных индексов построено с помощью обширных аналитико-экспер'т-пых исследований и используются для оценивания качества воды с общесанитарных позиций. В нашей стране особенно многочисленны комплексные оценки, в принципе нормирования которых заложена кратность пре-. ваиения ПДК (работы Черкинского С.Н., Белогурова В.П., Зайцева Л.В., Вайсг.гана Я.И., Белоусова А.П., Завесы М.П. и др.). Всем этим оценкам естественно свойственны все недостатки, присущие системе норрлиро-вания на основе ПДК.

Подводя итог рассмотрению имеющихся методов численного оценивания качества воды можно отметить, что наличие множества предложенных различных индексов свидетельствует об актуальности проблемы. Существующие в настоящее время научные разработки не охватывают всего многообразия практических задач. В силу того, что предложенные индексы различаются по числу и составу используемых показателей, способам -их выбора-, методам преобразования в частные индексы и методам агрегирования, по интервалам изменения частных и комплексных оценок, типам водоемов, для которых они применяются, возникает необходимость

9

в создании системы для их сравнивания.

О численным оцениванием комплексов водоохранных мероприятий непосредственно связанны работы, в которых рассматриваются проблемы оптимизаций наборов мероприятий. При решении таких задач приходится разрабатывать критерии оптимизации - целевые функции, которые в какой-то мере характеризуют водоохранные комплексы и могут служить их оценкой. В значительной части исследований (работы Мечитова И.И., Еременко Е.В., Кузина А.К., Станишевского С.А., Куысиашвили Г,П., Пряжинской В.Г., Сухорукова Г.А., Цыбульника С.А., Миргородского E.II. и др.) рассматриваются аспекты данной проблемы с чисто водоохранных позиций.

В основополагающих работах £урария В.И., Горстко А.Б., Домбров-окого ¡O.A. отмечается необходимость- использования в задачах компромиссной оптимизации комплексных эколого-экономических критериев. При конструировании таких оценок с успехом применяются функции полезности (работы Гурария В.И., Науыенко Т.Н. и др.).

Вторая глава посвящена созданию индекса качества воды с позиции экологического благополучия водоема. Основу метода конструирования указанного комплексного показателя составляют аналитико-экспертные подхода к оцениванию качества вода. При построении индексов качества очень важно достигнуть соответствия их решаемой задаче, поэтому вопросам разработки требований к выбору показателей, используемых для СЕертки, а также преобразования значений исходных параметров в частные индексы и их последующего усреднения уделяется особое внимание. Основные положения, которым должны отвечать показатели, входящие в комплексную оценку, изложены в работах Красовского Г.Н., Верона П., Новикова Ю.В., Плитман С.И., Ласточкиной К.О. Главный принцип, положенный в основу выбора параметров, состоит в делении множества.показателей на обязательные, всесторонне оценивающие качество воды, и до-

полнительные, корректирующие значения комплексно!! оценки в случае, когда обычно используемые параметры не отражают реального состояния волы. При построении эколого-санитарного индекса, характеризующего экологическое состояние' водоема и условия существования водшх сообществ, в качестве основных было выбрано 12 показателей, список дополнительных содержит 16 параметров (данные табл. I и 2).

Получение безразмерных (балыих) оценок выбранных параметров осуществлялось с помощью экологической классификации качества проточных вод, предложенной экспертами стран-членов СЭВ. Для более адекватного соответствия частных индексов качественному состоянию водного объекта, опенипаемого в эколого-санитарном аспекте, в указанную классификации был внесеч ряд изменений. Класс качества воды по процентному насыщению кислородом выбирался на основе классификаций, разработанных Прати Р. и ГОСТа 17.1.2.04-77. В силу того, что значения БПК5 советскими экспертами были сильно завышены, преобразование этого параметра осуществляется с помощью широко известной экологической классификации йукинского В.Н., Оксиюк О.П. Классы качества воды по содержанию в них суммарных пестицидов составлены на осново данных Ш РиЬИс НеаМИ ЗегШе \Jaiet

Важным моментом в нахождении численных оценок качества воды яв-. ляется выбор метода свертки нормированных параметров в единый обобщенный показатель. Как показывает анализ литературных данных, среди множества существующих способов'усреднения, обычно целесообразным признается такой, при котором наибольшее влияние на окончательный результат имели показатели, важные с точки зрения обобщенной оценки воды, а также имеющие наихудиее значение. Необходимо отметить, что в большинстве предложенных методов расчета связанные показатели при комплексном оценивании качества воды учитываются как независимые, а это ведет к определенному снижению адекватности формул.

Таблица I

"Частные индексы качества воды и 'весовые "коэффициенты для осноееых параметров'

Показатели ВесоЕые коэффи- " Частные индексы

циенты 5 4 3 2 Г 0

Температура, °С 0,083 <20 25 25 30 30 >30

Насыщенность кис- <90; >75 -¿■75; 5=60 < 60; 40 с40; ¿»20 <20

лородом,£ 0,153 £90; ¿100 ¿125;>Н0 ^140;>125 ^160;>140 6 200;>160 >200

Величина рН 0,030 6,5-8,5 6,5-8,5 6,5-8,5 6,0-8,5 6,0-9,0 6,0-9,0

Общая минерали-

зация, мг/л о.оеэ ¿300 >300;-¿500 >500;< 800 >800;*1000 >Ю00;з1200 >•1200

Взвешенные вещества.

мг/л 0,074 ¿20 . >20;^30 >30^50 >50;^Ю0 >100;^ 200 >200

иьС • МГ//л 0,041 ¿0.1 >0,1;А0,2 >0,2^0,5 >0,5^2,0 >2,0;*5,0 >5,0

N0^ - мг/л 0£41 «¿1 >1;*3 >3;^5 ' >5;^Ю >10;<20 >20

ног~ • мг/л 0,041 ^0,002 >0,002; >0,005; >0,02; >0,05;<0,1 >0,1

¿0,005 ^0,02 <0,05

Общий фосфор,мг/л 0,089 ¿0,05 >0,05^0,4 >0,4;а1,0 >1,0^2,0 >2,0^3,0 >3,0

БПКд, МГО2/Л 0,097 >2; ¿4 >4; ¿6 >6; й.8 >8; ^10 >10

ХПК", мг02/л 0,097 ¿10 >Ю;^20 >20;=Й50 >50;^70 >70;АЮ0 >100

Индекс сапробности 0,122- - ¿1,0 >1,о;=*1,5->1,5;^2,5 ?3,5;£4,0 >4,0

Таблица 2

Частные индексы качества "вода и Еесовые коэффициенты для дополнительных параметров

Показатель Весовые "КОЭффЯ-' циенты 5 4 Частные индексы 3 2 I 0

Ртуть, мкг/л 0,086 ¿0,1 >0,1^0,2 >0,2;£0,5 >0,5;&Г,0 >1,0;Й5,0 >5,0

Мышьяк, мкг/л 0,069 £10 >10 ^20 >20;^50 >50; <100 ^100 ^200 >200

¡дедь, мкг/л 0,069 ¿20 >20;&50 >50;£100 >Ю0;Й200 >200500 >500

Кадмий, г.5кг/л 0,069 >3^5 >5;=£10 >10^20 >20^30 >30

Хром общий, мкг/л 0,069 • ¿20 >50,^100 >Ю0;Й200 >200^500 >500

Фенолы, мг/л 0,060 ¿0,002 ?0,002;*0,01 ?0,01;*0,05 >0,05^0,1 >1,С

Кобальт, мкг/л 0,060 ¿10 >Г0;^20 >20;й50 >50;4-Ю0 >100^500 >500

Нзкель, мкг/л 0,060 ¿20 >20;£50 >50;^100 >100;¿500 >200;<:500 >500

Свинец, ккг/л 0,060 <10 >10 ¡¿20 >20;^50 >50^100 >100200 >200

Марганец, мг/л 0,060 ¿0,05 >0,05^0,1 >0,1;«г0,3 >0,3^.0,8 >0,8^1,5 >1,5

Еелезо, мг/л 0;052 ¿0,5 . >0,5;<[,0 >1,5;&5,0 >5,0^10,0 >10,0

Цианиды, мг/л 0,052 0,0 0,0 ¿0,5 >0,5;=б1,0 >2,0

Нефть'И нефтепро- - •

дукты, мг/л 0,052 0,0 ¿0,05- >0,05^0,1 >0,1*£0;3 >0,3;б1,0 >1,0

Цинк, мг/л 0,052 ¡¿0,2 >0,2;-1,0 >1,0^2,0 >2,0;*5,0 >5,0;=б10,0 >10,0

СПАВы, мг/л 0,035 0,0 ¿0,5 >0-,5;£1,0 >1,0^2,0 >2,0^3,0 >3,0

Пестициды;мнг/л'- 0,086 "- 0,0-■- ----- 0,0 >0,02^0,04 >0,04;^!,0 >1,0

В работах З^грария В.И., Шайн A.C. в качестве метода усреднения, наиболее полно отвечающего необходимым требованиям, было предложено семейство адд-гаивно-мультипликатиЕНых функций, которые позволяют выбором штрафных функций корректировать значение исходного средневзвешенного индекса. Семейство таких функций было использовано для конструирования искомого индекса.

При построении эколого-санитарного индекса необходимо из указанного семейства выделить конкретный вид функций, определив весовые коэффициенты и штрафные зависимости для выбранных основных и дополнительных параметров. Весовые коэффициенты, учитывающие степень важности, значимости выделенных для свертки основных показателей, были установлены на основе обобщения большого опыта получения этих коэффициентов методом экспертных оценок такими исследователями как Браун P.M., Дайнингер P.A., Даннетте Д.А., Мак-КлелландН.Л., Пратй Р.,-Гарсиа И.М., Бах Е., 1^грарий В.И., Шайн A.C. При определении весовых коэффициентов дополнительных параметров исходили, прежде всего, из степени воздействия указанных веществ на соотояние гидробионтов, учитывая их степень токсичности, кумулятивное™, лабильности. Изучению этих вопросов посвящены работы Брагинского Л.П., Величко И.М., Щер-бань Э.П., Нельсон-Смит А., Беспамятного Г.П., Кротова Ю.А. и др. .Полученные значения весовых коэффициентов основных и дополнительных параметров приведены е табл. I и 2.

Вид вводимых штрафных функций зависит от учета взаимодействия выделенных параметров. Часть показателей рассматривалась в качестве независимых, для них была выбрана штрафная функция следующего вида:

где - порог штрафования, - показатель степени штрафования. Что касается биогенных элементов азота и фосфора, то при устано-

(I)

влении в этом случав'штрафншс функций учитывалась зависимость их усвоения микроорганизмами от содержания в воде легкоокисляемой органики, косвенно характеризуемой показателем ЕГО, В своих расчетах ми использовали соотношение ориентировочных подсчетов оптимальных режимов биохимической очистки, приведенное в работах Родионова А.К., Клушина В.И., Беспамятного Г.П., Кротова Ю.А.: ЕПК5 : Я : Р = 100 : 10 : 2 Штрафные футеции для соединений азота и фосфора использовались вида (I), но корректирование комплексного индекса проводилось для уменьшенных в соответствии с (2) значений указанных показателей.

Для оценки степени токсичности, а также сапробного загрязнения в воде был применен иной принцип введения штрафных функций, что связано со следующими соображениями. Обычно по ЕПКд интегрально судят о наличии в воде легко усваиваемых органических соединений, при этом ЗЗШд указывает на скорость использования кислорода бактериями при разрушении органических веществ. Однако, в присутствии токсичных элементов угнетается жизнедеятельность бактерий, а, значит, снижается и величина ШКд, несмотря на высокое загрязнение органикой. Значение ХПК в этом случае будет велико, что свидетельствует о наличии в воде токсичных и трудноокисляемых соединений. На основе работ Беспамятного Г.П., КротоЕа Ю.А., Родионова А.И., Клушина В,И., а также ГОСТа 17.1.2.04-77 был получен вид функции штрафования, учитывающей связь БГКд о ХПК. В таблице 3 представлены Есе виды используемых для штрафования функций. В силу того, что итоговая функция по соотношению ХПК и БПКд учитывает загрязнения токсичного и сапробного вида, штрафование по отдельным дополнительным показателям и индексу сапро-бности не проводилось.

В результате проведенных исследований получено аналитическое вы-

Таблица 3

Показатели

Вид функции штрафования

Температура, насыщенность кислородом, величина рН, общее количество растворенного вещества

Взвешенные иещества

Азот общий

.Фосфор общий

Отношение

ВПК.

(|Г (

и);?* и): ¿.2

¡1 , Ф?3 -

кг, *<* •

Т/ > %~'с£0

УА/?<>

>50

ражение для расчета эколого-санитарного индекса следующего вида:

'((¿¡КН.Г®^' ПЪ) (Э>

<1- У

где /а».!, весовые коэффициенты основных и дополнительных показателей, ^йа,,-, ^и^- частные индексы указанных групп показателей; -используемые штрафные функции.

На основе построеннх локально-мгновешшх оценок (3) методом пространственно-временного усреднения получены локально-пролонговые и локально-мгновенные оценки:

(4)

где ^ - индексы качества воды вида (3), ¿¿- весовые коэффициенты этих параметров. Разработаны принципы выбора весовых коэффициентов .

Апробация построенных индексов была выполнена на примера оценивания качества вода р.Енисей в средней его части и р.Кача. Результаты предварительного обследования качественного состояния указанных водных объектов, полученные с помощью сопоставления комплекса гидрохимических и гидробиологических характеристик, совпадают с оценкой, полученной на осноЕе рассматриваемых индексов.

В третьей главе изучаются проблемы численного оценивания и оптимизации водоохранных мероприятий по эколого-экономическому критерию. Осуществление комплекса водоохранных мероприятий у о одной стороны приводит к опр'-детенному качественному состоянию водного объекта, выражаемому экологическим индексом У , а с другой требует конкретных объемов финансирования, учитываемых значением В экономического критерия, т.е. выбором у однозначно задается пара Задача получения компромиссно оптимального комплекса водоохранных мероприятий, таким образом, сводится к задаче ранжирования множества пар (3 ,3 ), которые могут быть упорядочены с помощью функции полезности ( (С,3). Можно выделить следующие этапы решения этой проблемы: I) получение экологических и экономических оценок водоохранного комплекса , Э-У(/5) ; 2) определение совместно с органа!,га, принимающими решение, частичного упорядочения га конечном подмножестве пар \(ЧК,ЭК)}\ 3) получение аналитически заданного упорядочения в виде Функции полезности Р с минимальными отклонениями от указанного упорядочения; 4) решение оптимизационной задачи.

Один из основных аспектов указанной проблемы заключается в нахождении соответствующих видов функции полезности, используемых для экологических, экономических и обобщенных оценок водоохранного комплекса. Конструирование таких Функций проводится с помощью аксиоматического

метода, когда на базе априорных аксиоматических предположений с привлечением аналитических рассуждений и экспертных оценок из определенного семейства функций выделяется нужное узкое и аналитически удобное семейство функций полезности, служащих для оценивания наборов водоохранных мероприятий. При построении оценки, учитывающей экологические аспекты реализации рассматриваемых комплексов на участке реки, предполагалось, что искомая функция зависит от трех групп аргументов:

где массовый расход вещества в;-ом выпуске сточных вод, припяза-нном к^'-муконтрольному створу, (¡>{ -расход воды в / -ом створе контроля качества воды, ^ - весовой коэффициент важности (зпачимости)/-го контрольного стЕора, ^ - момент времени оценивания.

Дедуктивным путем было показано, что на аналитический вид функции Д для конкретного участка реки фактор времени t имеет малосущественное значение; наборы аргументов искомой функции Д , описывающие одни и те же створы контроля, могут быть сгруппированы для получения соответствующих постворных оценок качествешюго состояния воды, зависящих от реализации водоохранных мероприятий, при отом функция ^ записывается в виде:

.....Ц.....Ум), (6)^

где I/. = - постворные экологические оценки водоохранного

комплекса; искомая функция Д должна обладать свойствами симметрии, причем, ф(о)-0 . ¡¡а теоремном уровне строгости до1сазано, что функция /г выпукла. В работах Гурарин В.И., Кадеца М.И., Иацаева В.И., Том-чак-Ягерман Н. было доказано, что если функция нескольких переменных центрально симметрична и выпукла, то она может быть с известной сте- -

пенью точности, аппроксимирована одной из функций семейства ? --—■

У// V ■ • » /"1^'*'}, которое является представительным в классе всех симметричных функций. Поэтому, в силу установленой центральной сим-

метричности и выпуклости функции Д , она естественно может бить

представлена в следующем виде:

Было показано, что постЕорные функции с известной степенью приближения находотся среди класса I функций:

где некоторые числа в интервале 10, I].

При построении экономических оценок характеризующих водоохранные комплексы, в основу рассуждений положены принципы, аналогичные приведенным выше при получении индексов jя .

В четвертой главе рассматривается решение задачи определения очередности водоохранного строительства в речном бассейне методом ко(л-промиссной эколого-экономической оптимизации. На задашом участке речной системы определены множества створов сброса сточных вод и створов контроля качества воды. Для каждого предприятия, выпуск ко- -торого привязан к /-му створу сброса, известен набор планируемых водоохранных мероприятий I» гДе - множество всех таких допустимых наборов,, ¿-Н,Л/}. Каждое водоохранное мероприятие характеризуется двумя величинами: изменением сбрасываемого в

водоем массового расхода вещества, вызванным к -ым мероприятием на^-ом предприятии, объемом средств, необходимых для выполне-

ния этого мероприятия. Очевидно, что осуществление в речном бассейне некоторого набора намечаемых водоохранных мероприятий /у^/ЗЙтребует определенных экономических усилий - затрат приводит к известному уменьшению массового сброса загрязняющих веществ в водоток - . изменению экологической.ситуации в водоеме, определяемому о помощью комплексной оценки качества сточных вод Ус^Шщ-^в заданных створах сброса. Пара величии ( являющаяся эколого-экономической характеристикой планируемого набора мероприятий, составляет основу для при-

нятия решений. Упорядочение пар (7С ,3) задается функцией полезности В силу сказанного, задача о компромиссно оптимальном распределении средств на водоохранное строительство е пределах речной система формулируется так: найти такой набор \для которого значения критериев & и 5 образовывали бы пару, являющуюся оптимальным значением функции Р (Зс,8).

Частным случаем общей постановки рассматриваемой задачи является постановка задачи о распределении между предприятиями выделенного на водоохрану фиксированого объема финансирования 5. Заданием определенного значения величине Э выделяется из множества й некоторое множество £¡<"5^ подмножеств дая выполнения которых требуются затраты, не превышающие выделенного объема средств 3 . Набор для которого выполняется это условие, назван£-допустимым,.а само условие - условием £ -допустимости. Если добавлением хотя бы одного элемента ^¡^ из множества Я. нарушается условие ^-допустимости для выделенного набора, т.е.^({^а^У ) >3 , то такой набор определяется как 5 -насыщенный. Осуществление водоохранных мероприятий в речном бассейне приводит к улучшению качества воды прежде Есего за счет уменьшения величины массового сброса загрязняющих веществ, поэтому для комплексного оценивания качества сточных вод п системе выпусков в простейшем случае монет быть принят критерий: & . В принятых терминах задача для частного случая формулируется так: при заданном значении 3 найти ^-насыщенный набор для которого критерий достигал бы СЕоего максимального значения.

г 1 1*

Для решения задачи построим множество , , элементами ко-

торого являются величины Е^ = Расположим величины с порядке убывания. Упорядочение элементов ^ порождает упорядочение соответствующих им водоохранных мероприятий Обозначим так упорядоченную цепочку через Построим также коночное множество ^

элементы которого имеют гид: ~

затраты на осуществление соответственно мероприятий. Если

величина S фиксирована, то найдется такой пороговый номеру'«, что ¿¡¡с-З, т.е. последовательность juf,... является S-насыщенной последовательностью. Назовем такую последовательность канонической. Если значение заданной величины S совпадает со значением одного из элементов множества f&}, т.е. SjfS, то значение S будет называться точным, а если не совпадает - неточным. Предлагаемые алгоритмы оптимизации основаны на следующей полученной с четвертой главе теореме.

Теорема. Для точного значения каноническая последовательность /<,.•■,/}. является оптимальной : (/• //* > ' ^f^

Если значение б> является неточным, , то набор

ïj'ifjt строго говоря, может уже и не быть оптимальным, хотя в определенном смысле близок к оптимальному, причем тем ближе, чем меньше разность ¿S"- S - Sj,. Разработан алгоритм улучшения оптимальности решения, на теоремпок уровне строгости оценена погрешность такого решения.

В более общем случае рассматриваемой задачи величина £ задается в некотором интервале ■ Обозначим через Jj и ^'/'-пороговые номе-

ра элементов упорядоченного распределения /ДЙ лля которых

-v J/o'j "7 J?

Выделим множество /Д Т, , которое порождает множество Для ука-

^v/r ; I I*

эанногр набора построим последовательность, значений индекса -Ус : • • •. ^¡'"'^f^- Множество пар .....( является ос-

новой для поиска решения поставленной задачи. Упорядочение пар (<£,$) предлагается задавать еде дующей функцией полезности:

FUcAЙ.Ш^Э. (9)

SfijUijf)

В заключение главы приведено репенио задачи определения компромиссно оптимальной очередности осуществления водоохранного строительства на предприятиях черной металлургии в бассейне реки Днепр.

В приложении приводятся документы, подтверждающие использование полученных результатов.

вывода

1. Имеющиеся в настоящее время научные разработки по численному оцениванию кач^отва вод не охватывают всего множества практических задач, решаемых с их применением. Несмотря на значительное число индексов, характеризующих качественное состояние водоема с общесанитарной позиции! а также учитывающих отдельные вида водопользования, достаточно обоснованных комплексных показателей для характеристики водоема с позиции экологического благополучия практически нет.

2. В силу того, что"предложенные индексы различаются по числу и составу используемых показателей, способам их выбора, методам как преобразования их в частные индексы, так и агрегирования, по интервалам изменения частных и комплексных оценок и, главное, по типам водоемов, для которых они применяются,.возникает потребность в ооз-дания системы для их сравнения. Такая система может эффективно использовать паспорт оценивания с описанием свойств оценок и условий

их применения по определенной рубрикации.

3. При рассмотрении комплексов водоохранных мероприятий, состав которых зависит от характера, условий, источника загрязнения и других причин, необходимо их оценивать не только с позиции охраны конкретного водного объекта, но и о учетом интересов водопользователей, экономических ограничений, перспектив развития технологий производства и очистки, социальных факторов, т.е. с позиций, учитывающих систему экологических и социально-экономических критериев.

4. Для построения локально-мгновенной оценки качества поверхностных проточных вод с позиции экологического благополучия целесообразно использовать ограниченный набор параметров. В группу обязательных включаются показатели, описывающие физические свойства, санитарное состояние, минеральный и солевой состав, биогенные.элементы и продуктивность, содержание органических вещестЕ, жизнь водных со-

обществ и уровень антропогенной нагрузки на водный объект. К группе дополнительных параметров, используемых для повышения степени соответ^ ствия общей оценки реальному оостолнию водоема, относят показатели, несвойственные природному качеству воды, токсичные для водных сообществ, достаточно часто встречающиеся во многих водоемах. Преобразование выбранных показателей в частные индексы может быть успешно осуществлено с помощью модифицированной экологической классификация качества поверхностных, проточных вод, разработанной экспертами отран-членов СЭВ.

5. В качестве метода усреднения нормализованных отдельных параметров может быть выбрана средневзвешенная функция с использованием штрафных функций понижения значения основного индекса. Относительные Евсовые коэффициенты целесообразно получать на основе аналитико-экспертных процедур. Принцип построения функций штрафования должен исходить из,учета взаимосвязи исходных параметров.

6. Подход к решению задачи оценивания комплекса водоохранных мероприятий может быть основан на обобщенной эколого-экономической оценке, получаемой в виде функций полезности.

7. Аксиоматический метод может быть успешно применен для получения и строгого обоснования экологических и экономических критериев, необходимых для оценки изменения качественного состояния учаотка водотока в результате реализации комплекса водоохранных мероприятий

и учета определенных экономических усилий на его осуществление.

8. Получение и обоснование решения задачи компромиссно оптимального или квазиоптимального ратаирования водоохранных мероприятий в зависимости от условий выделения финансирования на их реализацию может быть проведено на теоремном уровне строгости. В оценке различных альтернатив может быть использовано численное выражение комплексного эколого-экономического- критерия в виде функции полезности.

Список работ, опубликованных по тема диссертации ,

I ■

1. Гурарий В.И, Заболоцкая В.В., Любимов В.Е. Численные оценки качества элементов водоохранных комплексов речных бассейнов при управлении качеством вода// Современные проблемы прогнозирования, контроля качества воды водоемов и озонирования. I секция. Прогнозирование

и регулирование качества воды водоемов: Тез. докл. УП Всесоюз. симп., Таллинн, 19-21 нояб. 1985 г/ТПИ. - Таллинн, 1985. - С. 57-59.

2. Гурарий В.И., Науменко Т.Н., Заболоцкая В.В. Выбор компромисо-но-оптимального комплекса водоохранных мероприятий с учетом изменения технологии производства и способов очистки// Водоохранные комплексы речных бассейнов: сб. науч.тр./ВПШВО.- Харьков, 1985.- С. 15-21.

3. 1урарий В.И., Заболоцкая В.В., Кашуба А.И. Выбор компромиссно-оптималышх комплексов водоохраншх мероприятий на предприятиях по

■ эколого-экономическому критерию// Экономическая эффективность водоохранных мероприятий: Тез, докл. семинара/В1Ш1ЧЕРМЕТЭНЕРГ00ЧИСТКА, , Уральский дата- - Челябинск, 1987. - С. 14-19.

■4. Кашуба А.И., Гурарий В.И., Заболоцкая В.В. Задача определения очередности строительства водоохранных объектов в речном бассейне// Совершенствование хозяйственного механизма охраны и использования водных ресурсов в промышленности: Тез. докл. семинара/НПО "Энерго-'сталь", Уральский ДШ. - Челябинск, 1988. - С. 39-43.

5. Гурарий В.И., Заболоцкая В.В., Львов В.А. Аналитические подходы к установлению численных оценок качества воды// Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия: Тез. докл. науч.-техн.конф..Севастополь, 27 ф0вр.1989г.-Харьков, 1989,- С.88-89.

6. Заболоцкая В.В. Покомпонентные зависимости и весовые коэффициенты параметров для получения эколого-санитарного индекса// Методология экологического нормирования: Тез.докл.Всесоюз.конф«-,Харьков,17-19 апр. 1990г.,ч.2, секция З./ВНИИВО.-Харьков,1990.-С.31-32.

м- . 24 ■