Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 15 )

Найменшою буферною здатністю характеризуються маломінералізовані води оліготрофних озер, а найбільшою – води річок з помірною та підвищеною мінералізацією води. В обох випадках особливе значення має насиченість водного розчину хімічними речовинами, які створюють своєрідний поглинаючий і нейтралізуючий комплекс для забруднюючих речовин антропогенного походження.

Прикладом гідрохімічної системи з низькою буферною здатністю може бути акваторіальна ГХС (озеро) з низькою мінералізацією та жорсткістю води (рис.2.10). Малий вміст мінеральних речовин у такому озері пояснюється відсутністю в межах його водозбору розчинних під дією води гірських порід – основних джерел надходження мінеральних речовин у водні об’єкти.

Якщо на водозбір, що складений виверженими породами - гранітами, гнейсами, базальтами і вкритий тонким грунтовим покривом та на водну поверхню такого озера надходять кислі атмосферні опади, то відсутність поглинаючого комплексу призводить до швидкої втрати гідрохімічної рівноваги і вода озера набуває кислої реакції. Підкислення вод супроводжується збільшенням концентрацій кислотних іонів – сульфатів, нітратів та гідрокарбонатів, мобілізацією алюмінію [245].

На відміну від магматичних порід, осадові породи характеризуються високою вилуговуваністю. Найяскравішим прикладом можуть слугувати вапняки та доломіти, що легко вступають в реакцію з кислотами.

Тому гідрохімічні системи з високою буферною здатністю (рис.2.11) формуються у водних об’єктах районів, де переважають кальциновані мінерали типу вапняку чи доломіту, які в результаті розчинення збагачують хімічний склад води річки, чи озера. Закислення вод не відбувається тому, що

усі кислоти, які надходять із атмосфери, нейтралізуються або в самому озері, або ще в водотоках, які в нього впадають і, навіть, на поверхні водозбору.

Таким чином, в результаті проведених досліджень були розвинуті такі теоретичні аспекти дослідження хімічного складу природних вод:

- описано основні властивості та функції гідрохімічних систем серед яких: поліструктурність, мінливість та стійкість, перенесення речовин та енергії у поверхневих водах;

- досліджено три типи структурованості гідрохімічних систем: речовинно-агрегатна, процесно-функціональна, просторова (горизонтальна та вертикальна);

- узагальнено характеристику речовинно-агрегатного та компонентного

Рис.2.10. Схематичне представлення основних іонообмінних процесів у гідрохімічних системах з низькою буферною здатністю

Рис.2.11. Схематичне представлення основних іонообмінних процесів у гідрохімічних системах з високою буферною здатністю

складу гідрохімічної системи на сучасному етапі еволюції природних вод;

- описано типові процесно-функціональні структури гідрохімічних систем;- розроблено класифікацію рівнів горизонтальних структур гідрохімічних систем, яка охоплює охоплює широкий діапазон їх розмірностей – від мікро - до макрорівня, диференціюючи їх на 6 рівнів з урахуванням відповідності розмірностей річкових басейнів, в межах яких функціонують гідрохімічні системи. геосистемній класифікації;

- розроблено класифікацію рівнів вертикальної структури функціонування гідрохімічної системи: зона стікання поверхнево-схилових вод (1 рівень), зона стікання атмосферних вод мікрорівчаковою мережею (2 рівень), зона стікання інфільтраційних вод в руслову мережу (3 рівень), зона стікання грунтових вод у водотоки (4 рівень) та зона руслового стоку (5 рівень), які діляться на тимчасові (1-3 рівень) та постійні (4 і 5 рівні);

- виконано типізацію гідрохімічних систем як процесно-функціональних речовинно-енергетичних структур гідрологічних об’єктів; виділено такі основні типи структур: гідрохімічні системи текучих вод ( річок, струмків) та стоячих вод (озера, водосховища) а також басейнові, руслові, акваторіальні та перехідні гідрохімічні системи;

- описано основні параметри горизонтального і вертикального перенесення хімічних речовин в заданих межах гідрохімічної системи;

- встановлено, що гідрохімічна система (ГХС) є своєрідною формою існування і руху матерії в певних просторово-часових рамках, тому динамічний стан системи в різних його проявах є її природною властивістю; динамічність ГХС визначається динамічністю її структури, утвореної елементами системи та зв’язками між ними, а основною причиною динамічності гідрохімічної системи як системи відкритого типу є нестабільність зовнішніх факторів, які її формують.

- виявлено циклічний характер розвитку ГХС як закономірну мінливість у часі форм існування та концентрацій хімічних речовин у водному середовищі, що обумовлюється циклічністю природних факторів, інтегральною характеристикою впливу яких на параметри ГХС є водний стік;

- охарактеризовано стійкість ГХС, що визначається як її здатність функціонувати на певному рівні, не виходячи за рамки критичних значень параметрів її компонентів під впливом збурюючих факторів; 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.

Результати даних досліджень були опубліковані нами у наступних роботах [61, 74, 76, 77, 147, 211, 237] .

РОЗДІЛ 3

МЕТОДОЛОГІЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

ГІДРОХІМІЧНИХ СИСТЕМ

3.1. Історична довідка про створення методології дослідження гідрохімічних систем

Поштовхом до розвитку методології дослідження гідрохімічних систем, яку автор тривалий час розробляв в рамках завдань держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних робіт у Проблемній науково-дослідній лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, стала необхідність подальшого розвитку прикладного застосування статистичних методів у гідрохімічних дослідженнях з метою більш об’єктивного вирізнення однорідних гідрохімічних об’єктів.

В середині 80-х років минулого століття перед науковим колективом лабораторії, яка в той час у партнерстві з інститутами “Укрдіпроводгосп” та УФ ЦНДІКВВР займалася широкомасштабними дослідженнями малих річок України, їх районуванням та картографуванням [246], постала проблема створення сучасної методики виділення однорідних гідрохімічних полів.

Опираючись на досвід гідрохімічного картографування з застосуванням ймовірностно-статистичних методів, яке на початку 70-х років було розвинуте й впроваджене в практику гідрохімічних досліджень науковим колективом лабораторії під керівництвом проф. В. І. Пелешенка [247], автором у творчому співробітництві з проф. В. І. Пелешенком, докт. геогр. наук та канд. геогр. наук М. І. Ромасем було розроблено нову методику картографування хімічного складу річкових вод на основі однофакторного дисперсійного аналізу [248].

В основу цієї методики вперше було покладено концепцію про багатофакторність процесу формування хімічного складу природних вод, розглянуту в підрозділі 1.1 даної роботи.

Спроба застосування нових, більш складних статистичних методів оправдовувалась намаганням надолужити відсутність супутньої інформації про фактори формування та кількісні характеристики їх впливу на концентрації розчинених у воді речовин.

Впроваджуючи новий метод у гідрохімічні дослідження, було отримано можливість досліджувати дисперсію, або розсіювання концентрацій хімічних елементів. Величина ж дисперсії є відображенням міри впливу комплексу як природних, так і антропогенних факторів на формування концентрацій хімічного елемента у природній воді.

Величини концентрацій хімічних речовин у воді та їх мінливість у часі, або просторі вже є першими ознаками дії тих чи інших факторів на формування гідрохімічних систем.

Вплив множини цих факторів може бути представлений моделлю ймовірностного процесу, що складається з наступних головних частин [248]:

- детермінована частина, яка характеризує вплив провідних факторів на вміст хімічних елементів;

- випадкова частина, яка характеризує вплив другорядних факторів;

- випадкова частина, яка характеризує вплив помилок при відборі, транспортуванні та проведенні хімічного аналізу проб води.

Методика з використанням однофакторного дисперсійного аналізу дає можливість розкласти результуючу варіацію багатьох спостережень на компоненти (факторну і залишкову дисперсії), які обумовлені дією різних факторів. Вона була успішно застосована в гідрохімічному картографуванні для виділення одномірних гідрохімічних полів - площі водозборів, в межах яких факторні компоненти дисперсії для рядів концентрацій того чи іншого елементу у різних пунктах відбору проб є статистично однорідними, тобто формуються під впливом одного і того ж фактора.

Однак дана методика не надавала можливості об’єктивно ідентифікувати однорідний гідрохімічний об’єкт в його багатомірному статистичному полі, кількісно оцінити фактори формування концентрацій, в повній мірі реалізувати системний підхід до ідентифікації та вирізнення, а лише дозволяла встановити статистичну достовірність впливу гіпотетичного фактора на просторові чи часові зміни гідрохімічних характеристик.

В той же час постійне збільшення надходження забруднюючих речовин з різних джерел у поверхневі води, повсюдне погіршення якості води і відсутність реальних даних про його причини спонукало до подальшого розвитку методології дослідження процесів формування поверхневих вод на основі варіаційних методів.

Спочатку була виконана спроба безпосереднього застосування окремих методів мультиваріаційної статистики для дослідження умов формування стоку біогенних [57] та інших хімічних речовин [249]. Це дозволило статистично виявляти фактори формування гідрохімічних процесів, оцінювати їх кількісно, виконувати комплексне гідрохімічне районування території.

Набутий досвід дозволив створити перший варіант методики дослідження процесів формування хімічного складу води [56], яка згодом була успішно реалізована під час обробки та інтерпретації результатів Міжнародної екологічної експедиції “Голубий Дунай-З цього моменту розроблена методика вдосконалювалася та апробувалася на різних водних об’єктах України [88, 143, 144, 250-254, 306], використовувалася для вирішення складних екологічних проблем [255], в результаті чого і набула нинішнього вигляду як методологічна основа дослідження гідрохімічних систем поверхневих вод [141, 142].