Следует отметить, что результаты экологического контроля и мониторинга достигаются в условиях наличия целого ряда неопределенностей, которые могут быть вскрыты на основе метрологических подходов [1-3, 9] и применения статистических методов анализа [4, 5].
Суммарный показатель загрязнения среды в литературе именуется по разному в зависимости от изучаемой среды и автора работы и соответственно с этим применяется его аббревиатура. Так, он именуется индексом загрязнения воды (ИЗВ), показателем химического загрязнения (ПХЗ), индексом загрязнения атмосферы (ИЗА) или комплексным индексом загрязнения атмосферы (КИЗА), показателем химического загрязнения почвы (ПХЗ), а также суммарным показателем загрязнения (СПЗ). Такое разнообразие терминов ведет лишь к их разночтению и препятствует широкой систематизации данных.
С целью их унификации может быть предложен единый термин - интегральный показатель загрязнения (ИПЗ) с одновременным указанием среды загрязнения. При оценке уровня загрязнения водоемов, атмосферы, почвы и продуктов питания он фактически определяется на базе одной и той же известной формулы:
(1)
где Сi - концентрация i - го вещества в соответствующей окружающей среде, ПДКi - предельно допустимая концентрация i - го вещества, n - число оцениваемых загрязнителей.
В общем случае рассчитывают сумму приведенных концентраций параметров к ПДК (принцип суммирования воздействий). При этом критерием качества воды является выполнение следующего неравенства
(2)
где С ф, - фактическая концентрация i-то вещества в воде водоема. [6-8]. Значение n может принимать разные значения, что ведет к произвольным результатам.
Обзор отечественной литературы показал, что ИПЗ используется лишь при учете ПДК веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности (ЛПВ).
Такой подход в ряде случаев неоправдан. После классической работы Леве, посвященной количественной оценке комбинированного действия химических веществ, прошло почти 70 лет. Вместе с тем, проблема изучения методологии оценки и гигиенической регламентации химических и физических факторов среды при одновременном и последовательном их влиянии на организм продолжает занимать одно из центральных мест в токсикологии и гигиене. Вещества 3 класса опасности с ЛПВ отличным от ЛПВ веществ 1 и 2 классов опасности при определенной концентрации могут оказывать также негативное воздействие на организм. Поэтому расчет ИПЗ для целей общей оценки можно будет вести на основе ПДК без учета класса опасности.
Точность вычисления ИПЗ зависит от количества его составляющих, оцениваемых в том или иной серии опытов. Расчет суммарного уровня загрязнения среды при относительно большом числе загрязнителей составляет также определенную трудность и требует большего времени. С другой стороны неоправданная минимизация количества составляющих ИПЗ может привести к потерям информации, и недопустимой вариабельности результатов химического анализа разных операторов. Между тем, в отечественной литературе пока отсутствует единая система определения ИПЗ. Определяют ИПЗ по 5, 6, 10 ингредиентам в зависимости от среды изучения и автора публикации [6-8].
В связи с вышеизложенным возникает необходимость решения задачи оптимизации и унификации числа ингредиентов интегрального показателя загрязнения на основе метрологических подходов [2, 3] и статических методов анализа [4, 5].
Разработка данного вопроса осуществили на основе изучения характера распределения концентрации веществ в разных водоемах Среднего Волжского региона Российской Федерации. Формирование и обработка этих данных осуществлялись следующим образом. Первоначально осуществляли определение превышения концентрации всех загрязнителей над ПДК в каждом водоеме. Полученные данные представлены в табл. 1 в порядке снижения относительных значений концентраций химических веществ.
Таблица 1. Приведенные значения концентрации разных элементов в различных водоемах в регионе Раиифского и Сараловского лесничеств (С/ПДК)
|
Название водоема |
Железо |
Марганец |
Кадмий |
Свинец |
Никель |
Цинк |
Кобальт |
Медь |
Сумма |
|
III (орг.окр) |
III (орг.окр) |
II (с-т) |
II (с-т) |
III (с-т) |
III (общ) |
II (с-т) |
III (орг.привк) |
||
|
Оз. Илантово |
37,3 |
4,28 |
0,6 |
0,116 |
0,096 |
0,07 |
0,05 |
0,007 |
42,5 |
|
Оз. Белое |
7,1 |
4,33 |
0,7 |
0,317 |
0,063 |
0,01 |
0,02 |
0,002 |
12,5 |
|
Оз. Ильинское |
0,35 |
0,33 |
0,5 |
0,12 |
0,027 |
0,003 |
0,02 |
0,001 |
1,35 |
|
Оз. Шатуниха |
4,62 |
1,31 |
0,2 |
0,077 |
0,02 |
0,006 |
0,02 |
0,001 |
6,25 |
|
Оз. Крутое |
3,91 |
0,3 |
0,3 |
0,23 |
0,046 |
0,008 |
0,01 |
0,003 |
4,81 |
|
Оз. Круглое |
15,2 |
11,2 |
0,3 |
0,15 |
0,027 |
0,06 |
0,02 |
0,001 |
27,0 |
|
Оз. Гнилое |
5,81 |
1,33 |
0,2 |
0,3 |
0,037 |
0,02 |
0,02 |
0,002 |
7,72 |
|
Оз. Карасиха |
10,8 |
5,55 |
0,3 |
0,14 |
0,038 |
0,01 |
0,02 |
0,002 |
16,9 |
|
Оз. Карстовая воронка |
1,51 |
14,2 |
0,7 |
0,19 |
0,09 |
0,01 |
0,03 |
0,003 |
16,7 |
|
Оз. Сухое болото |
5,45 |
3,3 |
0,6 |
0,33 |
0,05 |
0,027 |
0,03 |
0,06 |
9,85 |
|
Оз. Сумка |
10,9 |
0,93 |
0,5 |
0,31 |
0,07 |
0,014 |
0,03 |
0,003 |
12,8 |
|
Р. Сер-Булак |
4,69 |
0,8 |
0,2 |
0,09 |
0,01 |
0,009 |
0,01 |
0,001 |
5,81 |
|
Р. Волга в водоохранной зоне вдоль С.л. |
20,6 |
1,69 |
1 |
0,19 |
0,12 |
0,02 |
0,04 |
0,007 |
23,7 |
|
Р. Волга по руслу |
1,17 |
1,53 |
1,4 |
0,28 |
0,06 |
0,04 |
0,02 |
0,009 |
4,51 |
|
Куйбышевское вдхр. |
0,51 |
0,68 |
0,8 |
0,33 |
0,08 |
0,05 |
0,03 |
0,005 |
2,49 |
|
Куйбышевское вдхр.в р-не Костиной протоки |
0,5 |
0,62 |
0,7 |
0,19 |
0,05 |
0,006 |
0,02 |
0,002 |
2,09 |
|
Р. Кама в р-не дер.Атабаево и Саталы |
0,32 |
0,29 |
0,7 |
0,22 |
0,06 |
0,06 |
0,03 |
0,004 |
1,68 |
|
Место слияния рек Волга и Кама |
20,6 |
2,24 |
1 |
0,29 |
0,1 |
0,03 |
0,04 |
0,007 |
24,3 |
В связи с колебанием суммарного уровня загрязнения в широких пределах полученные данные обследуемых водных источников условно подразделены на три группы. В первую группу вошли водоемы, концентрация веществ в которых не превышает значений ПДК, то есть их содержание находится на уровне фона (С/ПДК<1). Во вторую группу вошли водоемы, в которых отношение С/ПДК превышало единицу, но существенно меньше 10, а в третью группу отнесены водоемы, в которых концентрация веществ значительно превышает ПДК (С/ПДК>10).
При обобщенном представлении диаграмм для разных источников с фоновым уровнем загрязнения, относительные значения концентрации химических веществ расположены в порядке убывания их величин (рис. 1).
Рисунок 1. Зависимость приведенного значения концентрации от номера ингредиента при низком уровне загрязнения поверхностных вод: а - Куйбышевское водохранилище; б - Куйбышевское водохранилище в р-не Костиной протоки; в - р. Кама в р-не дер.Атабаево и Саталы; г - озеро Ильинское
Рисунок 2. Зависимость приведенного значения концентрации от номера ингредиента при разном уровне загрязнения поверхностных вод
Для сравнительной оценки водоемов с разным уровнем загрязнения относительные значения концентрации разных веществ представлены на рис. 2 в приведенном виде. Из этих графиков видно, что распределение ингредиентов в водоемах с разным уровнем загрязнения осуществляется приблизительно по экспоненциальному закону. При фоновом содержании веществ относительное значение уже 6-го и последующих ингредиентов составляет менее 5 %, что позволяет ими пренебречь в расчетах. При средних и высоких концентрациях ряда загрязнителей практически можно пренебречь соответственно начиная уже 4-ой и 3-ей их составляющих. Вместе с тем, во избежание случайных ошибок при вычислении ИПЗ водоемов химическими веществами можно вполне ограничиться первыми 5-ю ингредиентами, расположенными в порядке убывания их относительных значений.
Таким образом, проведенный анализ распределения концентрации химических веществ в водоемах с разным уровнем загрязнения свидетельствует о целесообразности при вычислении ИПЗ ограничиться первыми 5 ингредиентами из числа проанализированных веществ. Относительная достоверность анализа будет обеспечена в том случае, если будет осуществляться анализ концентрации одного и того же перечня веществ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Мазур И.И, Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. - М: Высш. шк., 1999. - 447 с.
- Тукшаитов Р.Х. Основы динамической метрологии и анализа результатов статистической обработки. - Казань: Мастер Лайн, 2001. - 287 с.
- Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Учеб. пособие для вузов. - М.: Логос, 2001. - 408 с.
- Дёрффель К. Статистика в аналитической химии Пер. с нем. /Под ред. Ю. П. Адлера. - М.: Мир, 1994. - 268 с.
- Урбах В.Ю. Статистический анализ в биологических и медицинских исследованиях. - М.: Медицина, 1975. - 295 с.
- Инженерная экология и экологический менеджмент. /Под ред. Н.И. Иванова и И.М. Фадина. - М.: Логос, 2003. - 528 с.
- Оценка и регулирование качества окружающей природной среды: Учеб. пособ. для инженера-эколога / Под ред. А.Ф. Порядина, А.Д. Хованского. - М: Изд. дом "Прибой", 1996. - 350 с.
- Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в водных объекта хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования ГН 2.1.5.689-98. Гигиенические нормативы. Издание официальное. - М.: Изд. Минздрава России, 1998. - 171 с.
- Исаев Л.К. О неопределенности результатов измерений //Измерительная техника. - 1993. - № 8. - С. 66-67.
Работа представлена на III конференцию «Современные наукоемкие технологии», 21-28 февраля 2005г. Хургада (Египет).