научная статья по теме ВВЕДЕНИЕ В КВАЛИМЕТРИЮ ВОДЫ Геология

Текст научной статьи на тему «ВВЕДЕНИЕ В КВАЛИМЕТРИЮ ВОДЫ»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 4, с. 418-432

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ

УДК 556.18+389+626.81+517

ВВЕДЕНИЕ В КВАЛИМЕТРИЮ ВОДЫ

© 2013 г. О. М. Розенталь*, А. И. Авербух**

*Институт водных проблем РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: orosental@rambler.ru **Институт независимых экспертиз 620010 Екатеринбург, ул.Белинского, 34-312 Поступила в редакцию 12.01.2012 г.

Рассмотрены некоторые важнейшие особенности квалиметрии воды как отрасли научных знаний о количественной оценке качества указанного важнейшего природного компонента планеты в целях встраивания водопользования в рыночную экономику и формирования рынка водохозяйственных услуг. Развита методология расчета и снижения до приемлемого уровня рисков ложных заключений о качестве воды в условиях изменчивости (естественной вариабельности) контролируемых показателей, периодичности измерений и их метрологической погрешности. Предложены принципы установления корректных водных торговых отношений на основе статистического приемочного контроля. На конкретном примере продемонстрирована необходимость апостериорной количественной оценки качества воды и уравнивания рисков поставщика и потребителя.

Ключевые слова: квалиметрия воды, периодичность контроля качества воды, нормы погрешности измерений, относительная погрешность измерений, вероятность ошибочных заключений, предельно-допустимая концентрация, вероятность ошибки 1-го рода, вероятность ошибки 2-го рода, результат измерения

DOI: 10.7868/S0321059613040111

Масштабность водных ресурсов России на протяжении десятилетий создавала иллюзию их неисчерпаемости и возобновляемости. Однако развитие новых общественно-экономических отношений в условиях устаревшей системы регулирования водопользования нарушило природное равновесие. В результате многие водные объекты из источников пресной воды превратились в аккумуляторы загрязнений, а на обжитых промышленных территориях появились "загубленные водоемы" [28]. Исправление ситуации требует встраивания водопользования в рыночные отношения [19, 20]. Но рынок невозможен без достоверной оценки показателей качества любой товарной продукции, в том числе воды. Надежная информация необходима для доказательства соответствия/несоответствия качества продукции установленным требованиям, для гарантии безошибочности водохозяйственных решений и обеспечения партнерских отношений заинтересованных сторон — водопользователей, поставщиков воды, органов власти и общества [2, 26].

Развитие методологии получения, анализа и обобщения количественной информации о каче-

стве — задача теоретической квалиметрии [1, 3, 47]. В свою очередь, прикладная квалиметрия посвящена решению задач измерения показателей качества конкретных объектов. Такова вода, повышенная социальная и практическая значимость которой, а также разнообразие и динамичность (изменчивость, вариабельность) ее состава и свойств при сопоставимости ошибок выборки и погрешности количественных измерений показателей качества — определяют потребность в развитии отдельной предметной области знаний.

Теоретической основой квалиметрии воды являются статистические модели исследования со своими областями применимости и ограничениями, а целью — решение стратегических задач управления водными ресурсами как объектом рыночной инфраструктуры.

Для введения в квалиметрию воды ниже рассмотрены проблемы количественного контроля основных показателей ее качества — содержания загрязняющих веществ.

Метрологическое обеспечение квалиметрии воды включает в себя следующее:

Я

о &

о %

т

15

о о я

а

о &

1-е

о с

&

о

Н

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

выполняется соотношение 8н =

где

а+Ь^ПДК

а = 0.035, Ь = 0.0062 для природной воды при

-3.0 -1.5 -1.3 -1.0 -0.6 -0.3 0.5 0.8 2.7 3.3 -2.3 -1.5 -1.0 -1.0 -0.5 0.2 0.7 2.3 1§(ПДК)

Рис. 1. Зависимость 5Н веществ от их ПДК в природной воде.

обеспечение единства и требуемой точности измерений [11, 34, 42];

создание и применение эталонов контролируемых показателей [8];

разработку системы метрологической просле-живаемости [29];

применение средств измерений утвержденных типов [42];

аттестацию методик измерений [9];

корректное выражение характеристик качества измерений [5, 31].

Аттестованными методиками измерений предусматривается установление границ ±Аизм приписанной погрешности, в которых искомая величина находится с известной доверительной вероятностью Р [31] и которые не должны превышать установленных норм Ан [9, 12] в заданном диапазоне концентраций С загрязняющих веществ. Анализ показывает (рис. 1), что для "приоритетных" [38, 39] веществ (бензол, мышьяк, никель, скипидар, стирол и др.), распространенных в природных водах объектов рыбохозяй-ственного назначения, нормы относительной погрешности 8Н = АН/С увеличиваются при снижении предельно-допустимой концентрации

(ПДК) в диапазоне (10-80%) (рис. 1). При этом

1

Без нарушения общности рассуждений далее по тексту ПДК используется для обозначения любого норматива качества воды, будь то ориентировочно безопасный уровень воздействия или другая согласованная между поставщиком и потребителем величина.

80 70 60 50 40 35 30 25 Нормы погрешности, %

Рис. 2. Доля и веществ в воде, измерение которых по аттестованной методике осуществляется с заданной нормой погрешности.

ПДК > 0.0005 мг/дм3 и а = 0.047, Ь = 0.0075 для питьевой воды при ПДК > 0.00005 мг/дм3.

Обратно пропорциональная в целом зависимость 8н от ПДК легко объяснима: чем меньше ПДК, тем сложнее измерение и тем выше его погрешность. Так, например, измерительный контроль высокотоксичного бенз(а)пирена необходим в диапазоне пониженных концентраций этого вещества в воде: 0.002-0.01 мкг/дм3 [14]. Поэтому приписанная погрешность и норма погрешности измерения здесь составляют соответственно 8изм = 50% [14] и 8н = 70% [12] при Р = 0.95. Следовательно, если измеренная концентрация этого вещества в воде Сизм = 0.005 мкг/дм3, то истинная скорее всего находится в диапазоне 0.0025-0.0075 мкг/дм3, ширина которого равна Сизм; отсюда - риски ошибочных заключений о качестве воды и стоимости водопользования. Пусть, например, измерения того же бенз(а)пире-на указывают, что масса его сброса в водный объект - 1 т. По "лимитным" нормативам [33], плата за такой сброс - 138 млн руб. Однако с учетом погрешности измерений истинный сброс составляет от 0.3 до 1.7 т, т.е. подлежит взысканию сумма от 41 до 235 млн руб. Подобная неопределенность приводит к разногласиям между органами власти и бизнесом.

Оценка и учет погрешности количественных измерений показателей качества воды актуальны не только в случае бенз(а)пирена, как это видно из гистограммы рис. 2, построенной по результатам анализа погрешности около тысячи загрязняющих природную воду веществ [6, 7, 30]. Распределение характеризуется хорошо выраженной од-номодальностью, причем для 73% веществ ПДК в природной воде заданы в пределах 0.001-

Таблица 1. Вероятность ложного признания соответствия воды

Границы относительной погрешности при ±5, %

Результат измерений в долях ПДК (с)

0.5

0.65

0.75

0.85

0.90

0.95

л

^-■изм

10 <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 15

20 <2.5 <2.5 <2.5 4 13 30

30 <2.5 <2.5 <2.5 12 23 36

40 <2.5 <2.5 5 19 29 40

50 <2.5 <2.5 9 24 32 42

60 <2.5 4 13 28 36 43

70 <2.5 6 17 31 38 44

С, однако он не превышает

1 - P 2

= 0.025 при Р =

= 0.95, т.е. пренебрежимо мал, если норматив ПДК не попадает в интервал [С — А, С + А]. Но если ПДК лежит внутри интервала, то, например,

К ПДК

и

л

о д

й,

и н

е р

е

ты

а т ь

уль

з е Р

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

-

- IV

III

II

I

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Значение характеристики относительной погрешности измерений

Рис. 3. Разбиение области возможных значений концентрации загрязняющего вещества на подобласти:

I - С < ПДК - А, II - ПДК - А < С < ПДК, III -ПДК + А > С > ПДК, IV - С > ПДК + А.

1.0 мг/дм3 при 8Н = 0.3-0.5 ПДК. Средняя погрешность измерений здесь - 0.4 ПДК (для питьевой воды - 0.3 ПДК), что указывает на необходимость ее оценки и учета при принятии водохозяйственных решений.

Оценка риска ошибочных заключений о качестве воды вследствие погрешности измерений определяется вероятностями ложного признания ее несоответствия установленным требованиям (р) и ложного признания соответствия (# = 1 - р). Этот риск существует при любых концентрациях

заключение о соответствии воды делается с

риском ошибки q = Ф (ПДК—С), где а = —--

\ а ! ¿0.95

среднеквадратическое отклонение, г095 = 1.96 -

2

квантиль распределения .

Из табл. 1 видно, что при увеличении 8изм и С с приближением последней величины к ПДК риск q возрастает практически до 50% - значения, при котором правильные и ложные заключения о качестве воды равновероятны. Тот же вывод справедлив и для р при приближении С к ПДК, на этот раз со стороны С > ПДК.

Пример 1. Определить вероятность ошибочного заключения о соответствии концентрации бериллия в природной воде установленным требованиям, если его измеренная концентрация С = = 0.285 мкг/дм3, 8изм = 30%, а ПДК = 0.3 мкг/дм3.

Решение. Интервал вокруг результата измерений [0.200, 0.371] включает в себя значение ПДК,

_ 0.285 мкг/дм3 _

0.3 мкг/дм3

ответствии с табл. 1 q = 36%. Как видно, вероятность ошибки здесь недопустимо высока.

причем c =

= 0.95. Поэтому в со-

В связи с обнаруженной таким образом повышенной значимостью учета погрешности количественных измерений показателей качества воды на практике полезен рис. 3. Если результат выполненных измерений попадает в подобласти I и IV рисунка, их можно принимать за истинные с заданной Р = 0.95. Но при попадании результата в подобласти II и III необходимо оценивать риски ошибок.

Пример 2. Определить границы, в которых могут быть сделаны надежные заключения о качестве вод по результатам измерения концентрации 2,4-дихлорфенокси-уксусной кислоты (2,4-Д) в питьевой воде.

Решение. ПДК 2,4-Д в питьевой воде — 0.03 мг/дм3 [38], SH = 40% [12], а 8, установленная методом жидкостной хроматографии [18], в диапазоне концентраций 0.01—0.5 мг/дм3 — 26%. Поэтому границы подобл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком