Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 12 )

Вертикальна структура. Вертикальна структура гідрохімічної системи пов’язана з поширенням вод зони активного водообміну, які розміщуються вище місцевого базису ерозії і є генетично однорідними і близькими за хімічним складом.

Хімічний склад води мікропотоків та малих річок нерідко схожий з хімічним складом атмосферних опадів та ґрунтових вод. Генетична однорідність названих категорій природних вод пояснюється надзвичайно тісним характером взаємозв’язку різних категорій вод [214], що утворюють гідрохімічну систему.

Основне живлення дрібні водотоки з неглибоким ерозійним урізом отримують виключно за рахунок атмосферних опадів.

Здійснення транспортно-розподільчої функції гідрохімічної системи відбувається в товщі грунтів та осадових порід зони активного водообміну, де відбуваються фізико-хімічні, біохімічні процеси формування гідрохімічних параметрів вертикально і горизонтально направленого водного потоку. Вертикальний розріз гідрохімічної системи можна умовно представити наступним чином (рис. 2.3).

АЛЬБОМНЫЙ ЛИСТ (НА ОТДЕЛЬНОМ ФАЙЛЕ) САМАЯ ПЕРВАЯ СТРАНИЦА

Представлений рисунок показує, що верхньою межею простору, у якому формується генетично і речовинно однорідний водний потік, тобто гідрохімічна система, є поверхня ґрунтового покриву водозбірного басейну.

Нижня межа поширення системи збігається з нижньою межею поширення ґрунтових вод, що формуються як і поверхневі води, за рахунок атмосферних опадів і гідравлічно тісно зв’язані з поверхневими водами.

Що стосується грунтових вод, то глибина їх залягання значно змінюється. Так, наприклад, в межах низовин річкових заплав та перших надзаплавних терас річкових долин вони залягають на глибині до 5 м і надзвичайно тісно зв’язані з поверхневими водами.

В межах височин глибина їх залягання збільшується до 5 -15 м, а в зоні недостатнього зволоження до 10-20 м. Відповідно змінюється і нижня межа гідрохімічної системи та її вертикальна потужність.

Формування параметрів локальної гідрохімічної системи, втім як і систем інших порядків, розпочинається ще у атмосфері, де утворюються атмосферні опади, які при наступному контакті з поверхнею водозбору та послідуючих перетвореннях дещо трансформуються: зростає їх мінералізація та вміст біогенних речовин [ 214].

Хімічний склад атмосферних опадів може змінитися ще на шляху до ґрунтового покриву, захоплюючи, наприклад, розчинні речовини рослин [215], що вже на цій стадії сприяє нейтралізації кислотних компонентів.

В ґрунтовій товщі існує два протилежних за напрямками рухи води:

1) інфільтрація – від поверхні в глибину під дією сил гравітації та капілярності;

2) підняття води вгору під впливом випаровування та капілярного підняття.

Співвідношення цих процесів залежить від кліматичних умов. В зонах гумідного клімату, де надходження опадів переважає випаровування, формуються інфільтраційні потоки вологи, що сприяють добрій промитості товщі грунтів і утворенню гідрокарбонатно-кальцієвих маломінералізованих вод.

В південних регіонах з аридним кліматом випаровування ґрунтових розчинів та капілярний підйом приводять до підвищення мінералізації вод місцевого стоку, в основному за рахунок найбільш розчинних сульфатних та хлоридних солей. Таким чином, зволоженість території вважається вирішальним фактором, від якого залежить хімічний склад води верхньої зони [46].

Відомо, що характер взаємозв’язку різних типів природних вод зони активного водообміну характеризується сезонними змінами. Ці зміни в значній мірі обумовлюють процеси зміни типів водного живлення річкових вод.

Детальне дослідження хімічного складу води малих водотоків виконав [216]. Він прийшов до висновку, що атмосферні опади, проходячи завдяки інфільтрації товщу грунтів і порід, змінюють свій склад. Під час проходження атмосферних опадів через шар грунту і зону інфільтрації концентрація в них органічних речовин суттєво знижується (внаслідок бактеріального розкладу та адсорбції), а концентрація елементів, які присутні у формі органічних комплексів, (особливо заліза та алюмінію) зменшується [217].

, враховуючи трансформацію хімічного складу атмосферних опадів у товщі водопроникних грунтів та порід на їх шляху від поверхні водозбору до ґрунтових вод, виділив 4 генетичні категорії вод місцевого стоку, які в певній мірі можуть характеризувати вертикальну структуру гідрохімічної системи.

Враховуючи класифікацію [216] та результати ряду інших робіт [217-220], можна представити вертикальну структуру гідрохімічної системи наступним чином:

1 вертикальний рівень: зона стікання поверхнево-схилових вод. Охоплює приземний шар атмосфери з найбільшим рівнем концентрації атмосферних аерозолей, тобто шар, в якому закінчується остаточне формування хімічного складу власне атмосферних опадів і починається його трансформація на поверхні ґрунтового покриву водозбору. Цей рівень функціонування ГХС має тимчасовий сезонний характер і прослідковується у періоди повного насичення ґрунтового покриву вологою.

2 вертикальний рівень: зона стікання атмосферних вод мікрорівчаковою мережею. У цій зоні відбувається змішування поверхнево-схилових вод і вод, які дренуються з верхнього перезволоженого шару грунту (грунтово- поверхневі води).

3 вертикальний рівень: зона стікання інфільтраційних вод в руслову мережу. Ця зона теж має тимчасовий характер і має місце лише в періоди надмірного зволоження внаслідок дренування ерозійним урізом водоносних шарів грунтово-підгрунтової товщі.

4 вертикальний рівень: зона стікання грунтових вод в водотоки. Цей рівень існує постійно і в генетичному аспекті характеризує останній етап трансформації хімічного складу атмосферних вод, які шляхом інфільтрації досягли горизонту ґрунтових вод.

5 вертикальний рівень: зона руслового стоку. Цей рівень можна назвати рівнем постійного, або руслового функціонування ГХС. Хімічний склад вод змінюється внаслідок сезонної зміни характеру вертикальної зональності системи.

В. К.Хільчевський пропонує поверхнево-схилові та грунтово-поверхневі води як близькі за генезисом об’єднати однією назвою – схилові води [52]. Саме вони забезпечують поверхневе живлення річок і вимивають з верхнього шару грунту розчинні і нерозчинні речовини як природного походження, так і внесені з агрохімічними засобами (добрива, пестициди), радіоактивні елементи, що випали з атмосфери після аварії на Чорнобильській АЕС

Матеріали гідрохімічних спостережень дозволяють впевнитися [214], що схилові води в найбільш чистому вигляді заповнюють руслову мережу малих водозборів в період проходження піку повені (паводка). Після проходження весняної повені кількість силових вод у русловій мережі зменшується, а грунтово-підгрунтових збільшується. Після повного сходу снігового покриву надходження схилових вод в руслову мережу припиняється, а надходження грунтово-підгрунтових вод досягає максимуму. Стійке збільшення мінералізації води свідчить про переважання у русловій мережі вод ґрунтового походження.

Сказане вище характеризує нестабільність вертикальної структури гідрохімічної системи і зміну потужності вертикальної товщі водозбірного басейну, у якій вона функціонує.

Вертикальні рівні функціонування ГХС можна розділити таким чином на тимчасові (1-3 рівень) та постійні (4 і 5 рівні).

Постійні рівні функціонування гідрохімічної системи зберігаються на протязі всього гідрологічного року, характеризуючись стабільним хімічним складом води та типовими гідрохімічними процесами для даного регіону і тісним гідравлічним зв’язком. Розширення вертикальної товщі функціонування ГХС спостерігається під час весняної повені та літньо-осінніх дощових паводків. В цей час відбувається активізація гідрохімічних процесів на усіх рівнях ГХС, що призводить до сезонної зміни параметрів компонентів гідрохімічної системи.

2.4. Перенесення речовин та енергії у гідрохімічній системі

Вже у визначенні поняття “гідрохімічна система” розкривається функціональність останньої як специфічної функціонально цілісної геосистеми. Головною її функцією є здійснення речовинно-енергетичного обміну між природними водами та компонентами навколишнього середовища завдяки наявності динамічного просторово-часового та специфічного комплексу хімічних речовин та процесів у природних водах.

Гідрохімічна система формується і функціонує під впливом зовнішніх по відношенню до неї факторів навколишнього середовища в певних просторових межах головним чином як односторонньо направлений водний потік. В межах саме цього потоку і здійснюється реалізація функцій ГХС.

Гідродинамічна неоднорідність водних мас є передумовою горизонтального та вертикального перенесення речовин та енергії у гідрохімічних системах. Головним чинником транспорту речовин вважається течія води, яка формується під впливом сил гравітації.

Поширення хімічних речовин у водному середовищі здійснюється в основному за рахунок двох процесів. Перший із них – це конвекція (в літературі зустрічається ще й термін адвекція), за рахунок якої хімічні речовини переносяться струменем текучої води у потоці. У гідрологічних тривимірних моделях вважається, що потік води поширюється у трьох напрямках x, y, z відповідно з швидкостями Vx, Vy, Vz, тобто і конвекційне переміщення речовин здійснюється у горизонтальному, вертикальному напрямку і перпендикулярно до напрямку основного потоку (рис. 2.4).

Поруч з конвекційними процесами велике значення має також дифузне переміщення речовин, у якому бере участь турбулентна дифузія та в меншій мірі також молекулярна дифузія (броунівський рух молекул речовин).

Турбулентна дифузія це поширення речовини в потоці під впливом турбулетного перемішування водних мас.

Цей процес описується рівнянням турбулентної дифузії, яке для консервативної речовини у загальному випадку має такий вигляд:

, (2.1)

де x, y, z - координатні осі відповідно вздовж потоку (х), нормально до напрямку потоку в горизонтальній площині, наприклад від лівого берега до правого (у) та у вертикальній площині (z), наприклад від поверхні води до дна;

Vx, Vy, Vz - компоненти швидкості течії за відповідними координатами ( напрямками);

D - коефіцієнти турбулентної дифузії; в загальному випадку Dx ¹ Dy = Dz, розмірність ï L2 Т-1 ï (віддаль / час);

С - концентрація компонента.