Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 14 )

4) сезонна варіація, що спричинена гідрологічною та біологічною циклічністю, головним чином у зв’язку із сезонною зміною кліматичного фактора (рис.2.5);

5) багаторічна зміна концентрацій, яка найчастіше характеризується однонаправленим трендом (рис.2.6, рис. 2.7).

Розвиток ГХС від моменту утворення гідросфери Землі і до наших днів відбувався за законами загальними для всього неорганічного середовища, для середовища, яке сьогодні прийнято називати навколишнім. Ці закони формувалися під впливом послідовного розвитку, ритмічного, або періодичного повторювання явищ неорганічного середовища і набули абсолютної направленості, яка пов’язана з геокосмічними (аерокосмічними, метеорологічними та фізичними) закономірностями.

Завдяки цьому ГХС набули головної ознаки послідовного розвитку – повторюваності, яка у поведінці ГХС має прояви як абсолютно стійкої, так і відносно стійкої повторюваності. З точки зору філософського аналізу ролі просторово-часової структури світу, рух матерії за послідовними, ритмічно повторюваними фазами є універсальним законом, що визначає організацію усіх природних утворень на Землі.

N-NH4+

O2

Рис.2.5. Сезонна циклічність деяких параметрів гідрохімічної системи р. Рейн у створі Вісбаден/Майнц (за даними, які були опрацьовані автором під час наукового стажування у Федеральному інституті гідрології Німеччини)

Рис.2.6. Багаторічна зміна концентрацій сульфатів та хлоридів у воді р. Тетерів – с. Макалевичі

1

2

Рис.2.7. Багаторічна зміна суми розчинених у воді солей (сума іонів): 1 - р. Тетерів біля с. Макалевичі ; 2 - р. Уж біля смт Поліське.

Повторюваність процесів у ГХС обумовлюється циклічністю природних факторів, інтегральною характеристикою впливу яких на параметри ГХС можна вважати водний стік. [77]. Численні дослідження водного стоку річок показують, що його величина не постійна, а коливається навколо певної середньої величини – норми стоку. Такі коливання викликані впливом основних стокоутворюючих кліматичних факторів, і, перш за все, безперервними коливаннями кількості опадів та температури повітря, які обумовлені зміною сонячної активності. Спеціальні дослідження багаторічного режиму водного стоку показують, що він, як і зміна кліматичних факторів, має закономірний циклічний характер [234-238] і виражений послідовним чергуванням багатоводних та маловодних періодів різної тривалості (рис.2.8, табл.2.9).

Довгий час, аж до зростання суттєвого впливу господарської діяльності людини на навколишнє середовище, водий стік залишався домінуючим фактором, який визначав стан ГХС, його коротко - і довготривалі зміни. Проте, протягом останніх 150 років, вплив водного стоку як і природних факторів у цілому почав зменшуватись, а антропогенних – збільшуватись. Серед компонентів ГХС з’явились цілі групи хімічних речовин антропогенного походження, режим яких не відповідає циклічності природних процесів.

В гідрохімії вплив водного стоку на її хімічний склад традиційно оцінюється статистичними методами і характеризується тіснотою кореляцій ного зв’язку між витратами води та хімічними компонентами [74, 69]. За характером зв’язку з водним стоком хімічні компоненти діляться на 3 групи [76, 77]:

1)компоненти, антропогенна складова концентрації яких у воді є меншою, ніж природна складова; для цих компонентів ймовірність виявлення тісних кореляційних зв’язків з водним стоком є дуже високою;

2) хімічні компоненти “змішаного” походження (органічні сполуки, сполуки азоту та фосфору, важкі метали, феноли); антропогенна частина концентрацій цих компонентів є кількісно порівняльною з їх природною концентрацією. Ймовірність визначення тісних кореляційних зв’язків між цими компонентами та витратами води не перевищує 20-30%;

3) хімічні компоненти антропогенного походження (пестициди, СПАР, нафтопродукти, хлоровані вуглеводні, поліхлоровані біфеніли, тощо); ймовірність визначення стійких кореляційних зв’язків цих компонентів з витратами води надзвичайно низька.

1) АЛЬБОМНЫЙ ЛИСТ (НА ОТДЕЛЬНОМ ФАЙЛЕ) ВТОРАЯ СТРАНИЦА

Таблиця 2.9

Характеристика багаторічних коливань водного стоку основних річок басейну Чорного моря

Річка - пункт

Строки початку – закінчення циклів

Кількість повних циклів

Тривалість циклів,

роки

Дунай - м. Рені

1928 - 1942, 1943 - 1957, 1958 – 1970, 1971 - 1982

4

15, 15, 13, 12

Дніпро - с. Лоцманська Кам’янка

1884-1897,1898-1908, 1909-1918,1919-1934, 1935-1945,1946-1959, 1960-1971,1972-1983

8

14,11,10,16,9,16,12,12

Дністер – м. Бендери

1890-1902,1903-1921, 1922-1935,1936-1949, 1950-1957,1958-1970, 1971-1982

7

13,19,14,14,8,13,12

Південний Буг - с. Олександрівка

1925-1933,1934-1942, 1943-1949,1950-1971, 1972-1981

5

9,9,7,22,10

Дон - ст. Роздорська

1900-1919,1920-1933, 1934-1948,1949-1965, 1966-1987

5

20,14,15,17,17

Кубань – м. Краснодар

1918-1926,1927-1933, 1934-1945,1946-1956, 1957-1968,1969-1987

6

9,7,12,11,12,14

Дія водного стоку проявляється у розбавленні забруднень та їх змиві з поверхні водозбору [74,76,77].

Кореляційний аналіз даних спостережень виявив (табл.2.10) наявність обернених зв’язків між витратами (рівнями) води та концентраціями розчинених у воді солей (розчинення забруднень) та прямих зв’зків з концентраціями сполук азоту, фосфору, заліза, мікроелементів, нафтопродуктів, фенолів (свідчення змиву цих речовин з поверхні водозбору під час паводків).

Висока частота зміни стокових характеристик річок та значна амплітуда коливань стоку за короткі часові інтервали, що може бути обумовлено сезонними коливаннями водного стоку, або його добовими змінами внаслідок гідроенергетичних попусків, тощо може обумовлювати високу динамічність ГХС, швидку зміну її станів[239,240].

Внаслідок цього може спостерігатися значна зміна параметрів ГХС, що проявляється у погіршенні якості води у ті чи інші фази водного режиму:

а) в першу чергу при мінімальних витратах води, коли надходження забруднень не розбавляється повністю річковим стоком;

б) при максимальних і катастрофічних витратах, коли шкідлива дія вод полягає ще й у змиві з поверхні водозбору забруднюючих речовин.

Прояв циклічності розвитку ГХС – це закономірна мінливість у часі форм існування та концентрацій хімічних речовин у водному середовищі, яка може бути оцінена такими параметрами як частота повторюваності, тривалість, стійкість, мінливість.

Таблиця 2.10

Взаємозв’язок між концентраціями хімічних речовин та водним стоком деяких річок

Річка/місце відбору проб

HCO3-

Ca2+

Cl -

NH4-

NO2-

БО

Нафто-продукти

Fe

Zn

Cu

Чорна Тиса/Ясиня

-0,78

-0,77

0,60

0,50

Тиса/Рахів

-0,68

-0,57

0,51

0,70

0,56

Біла Тиса/Луги

0,64

0,48

Ріка/Міжгір’я

-0,56

-0,45

Латориця/Підполоззя

-0,47

0,47

Латориця/Чоп

-0,58

0,56

0,52

0,46

0,51

Стійкість системи визначається як її здатність функціонувати на певному рівні, не виходячи за рамки критичних значень параметрів її компонентів під впливом збурюючих факторів [100].

Стійкість гідрохімічної системи полягає в збереженні її рівноважного стану на протязі того чи іншого проміжку часу при умові стабільності впливу природних та антропогенних факторів її формування. Рівноважним станом, згідно другого закону термодинаміки, є найбільш імовірний стан, до якого прямує будь-яка термодинамічна система [ 127].

У випадку впливу на ГХС того, чи іншого антропогенного фактора вона відреагує на нього у відповідності до фізико-хімічного закону Ле-Шательє, тобто у ній будуть розвиватися процеси нейтралізації наслідків антропогенного впливу на систему та відновлення стану рівноваги, у якому система перебувала до моменту впливу.

На рис. 2.9 показано приклад порушення та самовідновлення рівноважного стану локальної гідрохімічної системи під впливом скидання стічних вод у річку.

За умови урівноваженого впливу системоформуючих факторів ГХС набуває в певний проміжок часу рівноважного стану, який описується певним набором характерних для даної ГХС компонентів. Середні, або медіанні концентрації цих компонентів за ці обмежені проміжки часу і будуть виражати кількісну характеристику цього рівноважного стану.

Опираючись на закони статистичного розподілу випадкових величин, слід вважати рівноважним станом гідрохімічної системи такий її стан, за якого переважна більшість її параметрів буде знаходитися в області нормального розподілу відповідних їм концентрацій. Цією зоною слід вважати область розсіювання випадкових величин концентрацій параметрів ГХС навколо середньої величини параметра в межах трьох середньоквадратичних відхилень (x±3δ).

SO42-, Cl-

Скид стічних вод

Відстань, км

О2

NH4+

NO3-

PO43-

Відстань, км

Рис.2.9. Порушення та самовідновлення рівноважного стану ГХС [233]

Часто під впливом антропогенних факторів нормальний розподіл концентрацій параметрів ГХС порушується. Внаслідок цього система може втратити стан рівноваги на період дії цих факторів. Проте припинення негативного зовнішнього впливу на систему приводить її до попереднього рівноважного стану. Це свідчить про можливість просторово-часового самовідновлення параметрів ГХС, якщо тільки внаслідок проведення природоохоронних заходів, чи впливу природних факторів відбувається відновлення екзосистемних умов формування ГХС.

Стійкість гідрохімічної системи безпосередньо залежить від її буферної здатності [241, 242]. Вже давно було помічено, що однаковий антропогенний вплив на різні водні об’єкти може дати протилежні результати: в одному з них спостерігається різке погіршення якості води, а в іншому якість води залишається стабільною.

Причина цього пояснюється різною асимілюючою спроможністю водних об’єктів [243]. Асимілююча спроможність водного об`єкта - здатність водного об`єкта приймати певну масу речовини в одиницю часу без порушення норм якості води в контрольних створах (пунктах) водокористування. Асимілююча спроможність визначається з урахуванням процесів змішування, розбавлення і самоочищення домішок у водному об`єкті.

Асимілююча спроможність в свою чергу найбільше залежить від самоочисної здатності водного об’єкта. У загальному смислі під самоочисною здатністю розуміють сукупність природних гідрологічних, хімічних та біологічних процесів, які протікають в забруднених водних об’єктах і направлені на відновлення вихідних властивостей і складу води [244].