Упрощенный метод анализа, контроля и прогноза высокого загрязнения воды отдельными компонентами

Abstract

Assessing the risks and predicting the increased pollution of natural water bodies is especially important in the industrial regions where the instability of the monitored indicators is most significant. This article proposes methods of this activity with the use of non-parametric and more accurate parametric methods of hydro-monitoring data analysis. The results of using these methods for the Ural region have been obtained, and it has been shown that the analytical description of the “tail” parts of the probability distribution in the studied water quality indicators with the use of the Pareto distribution allows to identify the appropriate indicators for the limited volume samples and to give the projected estimates in the unobserved parts of the distributions. It has been noted that the risk of significant water pollution exists even if the situation is relatively favorable according to the hydro-monitoring. In this regard, a methodology of estimating the upper limit of the confidence interval covering the value of the monitored index with the acceptable reliability has been proposed. Practical examples show the effectiveness of this method. The special significance of the application of the proposed approaches to the predicting aspect is due to the possibility of assessing the small risks of the appearance of extreme unit values of the investigated random variables.

Оценка риска и прогноз повышенного загрязнения природных вод особенно важны в промышленных регионах, где нестабильность контролируемых показателей наиболее высока. Поскольку риск является вероятностной характеристикой степени загрязнения воды отдельными компонентами, для решения этой задачи необходимо привлечение статистических методов. В статье предложена практическая методика такой оценки с использованием непараметрических, основанных на теории порядковых статистик, и более точных параметрических методов статистического анализа данных гидромониторинга, требующих аналитического описания функции распределения концентрации загрязняющих веществ. Результаты использования методики апробированы для уральского региона, для чего обосновано и показано, что аналитическое описание «хвостовых» частей функций распределения вероятностей при больших значениях исследуемых показателей качества воды распределением Парето позволяет по выборкам ограниченного объема определять соответствующие показатели в ненаблюдаемых частях распределений, т.е. давать прогнозные оценки. Отмечено, что риск высокого загрязнения воды существует, даже если ситуация по данным гидромониторинга относительно благополучна. В связи с этим предложена методика оценки доверительного интервала, покрывающего значения контролируемого показателя с заданной доверительной вероятностью, в том числе наиболее важной его верхней доверительной границы. На практических демонстрационных примерах показана эффективность разработанной методики. Особая значимость применения предложенных подходов к прогнозной задаче обусловлена возможностью оценивания малых рисков появления экстремальных единичных значений исследуемых случайных величин.