Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 28 )

Проаналізовано 23 показники хімічного складу річкових вод (головні іони – SO42-, Cl-, Ca2+, Na+, K+ та мінералізація води; біогенні речовини – NO2-, NO3-, NH4+, Pмін.; важкі метали – Cu, Zn, Mn, Fe, Cr; крім того рН, завислі речовини, О2, БСК5, ХСК, феноли, нафтопродукти та синтетичні поверхнево-активні речовини) та їх витрати. Слід зазначити, що певна кількість цих показників за санітарно-гігієнічними нормами відносяться до 2-4 класу небезпеки: високонебезпечних – Na+, NO2-; небезпечних – NH4+; NO3-; Cu, Zn, Mn, Fe, Cr6+; помірно небезпечних – SO42-; Cl-, феноли) . Також враховувалась забезпеченість та неперервність рядів спостережень, придатність вихідної гідролого-гідрохімічної інформації для подальшої комп`ютерної обробки і можливість дотримання умов, які висуваються при застосуванні тих чи інших програм.

В результаті були отримані великі масиви експериментальних даних, які на першому етапі їх обробки пройшли процедуру упорядкування і відбраковки та зведення кількості визначень по кожному показнику до спільного n окремо для кожного пункту спостережень. Для їх математико-статистичного опрацювання використовували програму “Статистика”. Було виконано графічний аналіз часової динаміки гідрохімічних параметрів, побудовані графіки часової динаміки досліджених інгредієнтів та виконано їх згладжування з метою пошуку тренду розвитку процесу. Для прикладу на рис. 4.26 наведено результати побудови таких графіків для деяких показників антропогенного забруднення річок. Результати аналізу цих та інших графіків показали доцільність розгляду та оцінки отриманої інформації з її поділом на дві частини: першу, приурочену до періоду – 1984-1990 рр. і другу, що охоплювала 1991-1996 рр. Додатковим обґрунтуванням такого поділу слугувало те, що зміна тенденцій до росту чи спаду концентрацій більшості досліджуваних речовин у річкових водах припадає саме на початок 90-тих років. Крім того, кінець 80-х років - це роки зміни багатоводного гідрологічного періоду на маловодний (за винятком деяких річок басейну Прип`яті) для більшості водотоків дніпровського басейну. Нарешті, початок і подальше поглиблення економічної кризи в Україні теж припадає на ці роки.

Таким чином, виходячи з вище наведених міркувань, часові матриці гідрохімічних параметрів були розділені на дві частини: першу – за період 1984-1990 рр. і другу, що охоплювала 1991-1996 рр. В результаті такого поділу для кожного пункту спостережень було утворено по дві розділені у часі матриці, одна з яких характеризувала період зростання концентрацій переважної більшості хімічних інгредієнтів антропогенного та змішаного походження, а друга – період їх стабілізації, або спаду. Крім того, було враховано також наявність створів вище і нижче міст. Таким чином для кожного пункту спостережень було сформовано та проаналізовано по 4 матриці параметрів. Обробку даних виконано на основі методики оцінки впливу комплексу природних та антропогенних факторів на формування гідрохімічного режиму річок та визначення пріоритетних чинників, розробленої на протязі останніх років в ПНДЛ гідроекології та гідрохімії Київського університету імені Тараса Шевченка. Вказана методика детально описана в розділі 3.

Для полегшення аналітичної роботи при дослідженні та ідентифікації знайдених факторів рекомендується кореляційні структури цих факторів зображувати графічно, з включенням до них усіх показників, на основі яких виконані розрахунки [141].

На рис.4.27 зображено внутрішню кореляційну структуру мезо-ГХС двох ділянок річки Тетерів – вище та нижче м. Житомира за період 1984-1990 рр. Обидві структурні схеми характеризують структуру цих ГХС та їх внутрішні речовинно-енергетичні потоки, зумовлені протіканням фізико-хімічних процесів у воді річки в період зростання зовнішнього антропогенного навантаження на ГХС.

Рис.4.26. Часова динаміка зміни концентрацій деяких показників хімічного складу води - індикаторів антропогенного забруднення річкових вод (фактичні середньорічні концентрації і тренди розвитку процесу)

Для локальної гідрохімічної мезосистеми “вище міста” виявлено 5 структурних груп показників, що описують характерні для даної ділянки річки процеси та речовинні потоки.

Перша група показників характеризує взаємозв’язки між компонентами переважно природного походження – головними іонами та біогенними елементами, а також марганцем. Ці показники характеризують природний стан карбонатно-кальцієвої системи, природні процеси деструкції органіки і нітрифікації.

Рис. 4.27. Фактори формування гідрохімічного режиму р.

Тетерів у пункті спостереженням. Житомир за період 1984-1990 рр. А – вище міста; Б – нижче міста

Друга група показників характеризує процеси розчинення водним стоком деяких природних солей (в результаті зменшення концентрацій іонів натрію та калію) та змив з водозборів деяких забруднюючих речовин.

Третя група показників свідчить про збагачення води сполуками фосфору, що надходить з дифузних джерел та надходження деяких металів.

Четверта група описує змив нафтопродуктів поверхнево-схиловим стоком і надходження їх до водного об’єкту.

П’ята група досить чітко характеризує антропогенне навантаження на ГХС. Про це свідчать вибрані в результаті аналізу показники цієї групи –сульфати, амонійний азот, залізо та хром.

Структура другої мезосистеми “нижче міста“ різко відрізняється від попередньої. Перша група показників описує забруднення ділянки річки біогенними та органічними речовинами. Друга група теж характеризує антропогенне забруднення на ділянці річки а саме - змив нафтопродуктів поверхнево-схиловим стоком і надходження їх до водного об’єкту.

Третя група – свідчить про відчутний вплив на процеси формування якості води детергентів – пральних порошків.

Четверта група показує компоненти сольового обміну ГХС, а п’ята – компоненти природних сульфатної та кальцієвої підсистем. Тобто у випадку

мезосистеми “нижче міста “ природні процеси формування якості води не мають вирішального значення. Переважають процеси забруднення природних вод та позитивний речовинно-енергетичний баланс забруднюючих речовин у даній ГХС.

Структура цих двох ГХС показана лише у короткому викладі без деталізації зв’язків та процесів як всередині мезосистеми, так і зовні її. Проте навіть на основі цих досліджень вже можна зробити висновок про мінливість внутрішньої структури ГХС та зміну процесів формування якості води в залежності від величини антропогенного навантаження на ГХС.

4.4.2. Дослідження структури і процесів формування гідрохімічної макросистеми природних вод Житомирського Полісся

Для виконання дослідження використано повний перелік параметрів, що характеризують природні та антропогенні фактори формування ГХС (Додаток Д). Як індикатори прояву дії тих чи інших зовнішніх факторів формування ГХС застосовано просторові ряди репрезентативних гідрохімічних параметрів річкових вод, які були складені на основі

Таким чином, для вивчення даної макро-ГХС була сформована вихідна просторова матриця даних, що включала 87 параметрів характеристик зовнішніх чинників формування і функціонування ГХС та параметрів внутрішньої структури ГХС згрупованих по 32 пунктам гідролого-гідрохімічного моніторингу.

Керуючись викладеною в розділі 3 методикою проведення системного аналізу, було виконано процедуру “стиснення інформаційної матриці”. Потім, використовуючи метод головних компонент, з кожної групи показників були виділені приоритетні показники, які найкращим чином можуть характеризувати групу чи окремі структурні підрозділи даної групи антропогенних, природних, чи гідролого-гідрохімічних параметрів. Виділення цих показників проводилося на основі матриці факторних навантажень (табл.4.10).

У цій таблиці зафарбовано ті величини факторного навантаження на окремі показники, які вважаються статистично значимими. Саме ці показники з величинами значимого факторного навантаження будемо вважати значимими і використаємо в подальших дослідженнях як приоритетні показники природно-антропогенних зовнішніх зв’язків гідрохімічної макросистеми.

Як видно із таблиці, всього було виділено 5 функціональних груп показників. Після аналізу із 29 первинних показників для подальшого аналізу було рекомендовано лише 12: кількість внесених отрутохімікатів (OTR), площі еродованих земель в межах водозбірних басейнів (ER), площі дефляційних проявів (DG), кількість стічних вод (STV) , викиди забруднюючих речовин (VYK), густота населення (NNAS), лісистість (LIS), заболоченість (ZAB), меліорованість водозборів (MEL), площа ріллі (RIL), площа поширення легкосуглинистих ґрунтів (LSU), кількість внесених мінеральних добрив (MIN), кількість площ охоплених вапнуванням (VAP), супіщані ґрунти (SUP).

Наступним етапом було виконання процедури “стиснення інформаційної матриці” про гідрохімічні параметри вказаних вище ГХС. Ця матриця була створена на основі даних таблиці

Процедура стиснення проводилася за методом головних компонент, завдяки якому були виділені гідрохімічні показники, які найкращим чином характеризують ті фізико-хімічні процеси, які є домінуючими в гідрохімічній мезосистемі. Результати стиснення представлені в табл. 4.11 у вигляді факторних навантажень головних системоформуючих факторів на гідрохімічні показники.

Чим більше факторне навантаження на даний показник, тим чутливіше даний показник реагує на дію того чи іншого фактора і може вважатися репрезентативним показником, щодо його подальшого використання для описання процесів всередині ГХС, визначення факторів впливу, їх ідентифікації та моделювання. Завдяки методу головних компонент 32 гідрохімічні показники із вихідної інформаційної матриці даних були розділені на 5 генетично однорідних груп показників. В таблиці 4.12 кольором виділені репрезентативні показники для кожної із цих груп.

Всього виділено 21 репрезентативний показник. Кожен із цих показників є характерним представником кожної виділеної групи і може служити індикатором для пошуку та інтерпретації чинників та процесів формування ГХС.

Проте, враховуючи методичні вимоги щодо розміру вихідної матриці для подальшого факторного аналізу, це число показників було дещо редуційоване. Для подальшого аналізу використано лише 13 показників: перманганатна (PO) та біхроматна окислюваність (BO), фосфати(PO4), сульфати (SO4) амонійний азот (NH4), хлорид(Cl), ДДТ (DDT), а-ГХЦГ (GXZH), гідрокарбонат (HCO3), кальцій(Ca), мідь (Cu), цинк (Zn), СПАР (SPAR).