Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 3 )

Саме обґрунтуванню цього підходу шляхом огляду та аналізу наукової літератури з теми досліджень і присвячено перший розділ представленої роботи.

1.1.Хімічний склад води як системна категорія

Інтерес до складу води як основи життя на Землі виник у людей ще в давні часи, коли зароджувалися природничі науки. Саме тому вона спершу стала об’єктом досліджень філософів. Один з них, грецький мислитель Аристор. до н. е.), констатував, що вода така, як і породи, через котрі вона протікає. Подібні думки висловив про склад води і римський природознавець Пліній Молодший ( 23 – 79 рр. н. е.), який зробив спробу описати властивості термальних вод, що широко використовувались у Древньому Римі.

Похмура епоха середньовіччя не внесла нічого нового в пізнання складу води і лише в 1770 році французький хімік Лавуазьє зробив надзвичайно важливе відкриття про те, що вода – це сполука кисню та водню.

Лише через 100 років російським хіміком Д. І. Мендєлєєвим було зроблено наступний крок у дослідженні хімічного складу води. Він вперше у 1871 році у своїй роботі “Основы химии” заявив, що природна вода є розчином солей.

Дослідження Д. І. Мендєлєєва та інших вчених-хіміків сприяли розробці аналітичних методів дослідження води.

В цей же час у зв’язку з промисловою революцією зросла потреба у знаннях про якість води, яка почала широко використовуватися у парових котлах, технологічних процесах та для водопостачання швидко зростаючих міст.

За даними [12], починаючи з другої половини ХІХ сторіччя, у Росії вже вивчався хімічний склад природних вод різними фахівцями: бальнеологами, гідрологами, гігієністами, океанологами, ґрунтознавцями, геологами та інженерами. Однак ці наукові роботи проводилися незалежно і були присвячені вирішенню різних практичних задач.

Нерозуміння системного характеру формування хімічного складу води, привело до того, що гідрохімія досить пізно розпочала дослідження різних взаємозв’язаних категорій природних вод.

Прикладом доступних для вивчення опублікованих результатів тогочасних досліджень може бути монографія співробітника Київського університету Ф. Ф.Кіркора (1907 р.) про хімічний склад води р. Рось у зв’язку із проектуванням та будівництвом цукрових заводів в Україні [13].

В 1924 році у США з’являється робота Ф. Кларка “Геохімічні дані” [ 14 ], у якій були вперше узагальнені дані про вміст хімічних елементів у природних водах. Ця робота привернула до себе значну увагу світової наукової громадськості і сприяла розвитку геохімічних досліджень в інших країнах.

Згодом, на протязі 1933 - 1936 рр., російський геохімік В. І.Вернадський публікує свою “Історію природних вод” [15], у якій він теж узагальнює та аналізує дані про хімічний склад природних вод. Однак він розглядає різні види води як мінерали, а їх хімічний склад характеризує, як і Ф. Кларк, у вигляді процентів елементів.

Важливим висновком робіт В. І.Вернадського стало його вчення про єдність води в природі, про взаємозв’язок усіх компонентів гідросфери. “Будь-який прояв природи – глетчерний лід, безмірний океан, річка, грунтові розчини, гейзер, мінеральне джерело – становить едине ціле, яке прямо, або опосередковано, але глибоко зв’язане між собою” , - писав В. І.Вернадський [15].

Гідрохімічні дослідження першої половини ХХ століття носили виключно описовий характер. Хімічний склад води річок, водосховищ та інших водних об’єктів характеризувався у роботах Г. І. Долгова (1928) [16], єєва (1930) [17], ї (1936) [18], (1936) [19], (1936) [20], ї (1936) [21], та С. К. Лєбєдєва (1941) [22], (1943) [23], інцева (1950) [24], (1952) [25].

У роботах Є. С. Бурксера, ї, іс (1952) [26] та інцева (1954) [27] з’явилися перші дані про хімічний склад атмосферних опадів а у роботах (1935) [28], (1950) [29], (1954) [30] – дані про хімічний склад підземних вод.

Зростання антропогенного впливу на воді об’єкти змусило зосередити увагу на вивченні ролі окремих джерел надходження забруднюючих речовин: промислових та господарсько-побутових вод [31], стічних вод сільського господарства [32].

Узагальнивши вітчизняний та зарубіжний досвід гідрохімічних досліджень цього періоду, ін публікує перші підручники з гідрохімії – “Загальну гідрохімію” (1948 р.) [33] та “Основи гідрохімії” (1953 р.) [34], у яких він вперше сформулював визначення гідрохімії як науки, що “вивчає хімічний склад природних вод та його зміни в просторі та в причинному взаємозв’язку з хімічними, фізичними та біологічними процесами, які протікають в навколишньому середовищі”.

Саме це визначення російського вченого-гідрохіміка вперше розкрило системну суть формування хімічного складу природних вод і дало підстави для розгляду хімічного складу води як системної категорії.

Невдовзі , опираючись на роботи єва, А. І.Воєйкова та використовуючи досвід іна, запропонував географо-гідрологічний метод дослідження природних вод [35]. Під час його обґрунтування він розробив положення про зв’язок хімічного складу вод географічного ландшафту з кліматичними умовами, геологічною будовою та рельєфом території, грунтами та рослинністю. Розвиваючи цей принцип, [36] показав залежність хімічного складу вод місцевого стоку від умов середовища, у якому відбувалося його формування.

Таким чином, вже з початку формування гідрохімії як науки в її теоретичну основу було покладено принцип системного підходу, тобто предмет дослідження гідрохімії - хімічний склад води вважався одним із елементів великої природної системи, результатом дії різноманітних чинників навколишнього середовища.

Вчення про формування хімічного складу вод гідросфери сформульовано в працях видатних зарубіжних і вітчизняних геохіміків та гідрохіміків Р. Гаррелса [38], Р. Гіббса [39, 40], С. Девіса та Д. Цобріста [41], К. Девіса [42 ], Т. Пачеса [43], В. Штумма і Дж. Моргана [44], Дж. Дривера [45], іна [46], А. І.Перельмана [47], Є. В.Посохова [48], В. І. Пелешенка [49].

Так, Р. Гаррелс (1967) дослідив особливості хімічного складу деяких річкових потоків та озер і запропонував “концепцію рівноваги (хімічної) в природних водних системах”. У його наступних роботах, які були написані з співавторами [38], досліджено природні цикли вуглецю, сірки та кисню а також виконано оцінку антропогенного впливу на них.

Р. Гіббс (1967) виконав гідрохімічні дослідження річкової системи Амазонки, в результаті яких ним вперше було виявлено фактори формування мінералізації, хімічного складу води та завислих речовин цієї річки. Дані цих та інших досліджень дозволили йому в 1970 р. виявити механізми контролю хімічного складу вод [39].

С. Девіс та Д. Цобріст (1978), використовуючи дослідження K. Девіса (1962) про асоціації іонів у природних водах [42], вивчили вплив природних та антропогенних факторів на утворення асоціативних зв’язків у природних водах [41]. Це дослідження слід розцінювати як важливий крок до вирізнення процесно-функціональних хімічних систем у природних водах.

T. Пачес (1976) дослідив кінетику хімічних реакцій у природних водних системах [ 43].

Важливою віхою на шляху до системного вивчення хімічного складу природних вод стало монографічне дослідження В. І. Пелешенка (1975) [49]. У цій роботі вперше для території України було виконано оцінку взаємозв’язку хімічного складу різних типів природних вод суші.

Початок 80-х років минулого сторіччя ознаменувався появою фундаментальних узагальнюючих праць у галузі гідрохімії. Це роботи В. Штумма та Дж. Моргана (1981) [44], Дж. Дривера (1982) [45], Є. В Посохова (1981) [48], А. І. Перельмана (1982) [47], у яких, як і у переробленому виданні «Основ гідрохімії» іна (1970) [46], проводиться ідея про єдність хімічних процесів, що протікають в усіх природних водах та про їх системну обумовленість складним комплексом природних та антропогенних факторів.

Ця ідея набуває все більше прихильників серед дослідників, які втілюють її у сучасних дослідженнях водних об’єктів. Так, у роботі Д. Клоу та Дж. Сьюкера (2000) [50] на прикладі дев’яти річкових басейнів США показано залежність хімічного складу води від геологічних та геоморфологічних умов, від характеру рослинності.

Подальшого розвитку системний підхід до вивчення хімічного складу природних вод набув і у працях вітчизняних вчених. Найпомітнішими роботами останнього періоду, у яких було розвинуто і поглиблено географо-гідрологічний метод у гідрохімії є результати досліджень В. К. Хільчевського [51,52]. Ним було розроблено і успішно застосовано геосистемно-гідрохімічний метод для дослідження хімічного складу і стоку різних типів природних вод (атмосферних опадів, силових, річкових, ґрунтових, підземних вод) на елементарних водозборах (геосистемах) малих річок з урахуванням впливу фізико-географічних і антропогенних факторів.

Деякі аспекти концепції багатофакторності формування хімічного складу вод та його системної природи було також розглянуто в наших роботах [53 - 62].

На основі результатів проведеного аналізу виконаних досліджень нами запропоновано графічну схему формування хімічного складу природних вод (рис.1.1). Вона характеризує складну сукупність процесів обміну хімічними речовинами природних вод з іншими природними середовищами в різних географічних умовах та при різному антропогенному навантаженні.

Тому досить коректним є подання загальної сукупності процесів формування якості води як результату впливу складного комплексу природних і антропогенних факторів (рис.1.1).

Рис.1.1. Обмін хімічними речовинами між водою та іншими середовищами.

Цифрами показані деякі потоки речовин та енергії (1 – адсорбція донними осадами (ґрунтами), 2 – десорбція із донних осадів (ґрунтів), розчинення мінералів гірських порід, 3 - виділення екскрементів водних організмів, 4 - біоакумуляція хімічних речовин у гідробіонтах, 5 - надходження речовин з опадами, 6 – випаровування з поверхні водойм і зв’язаний з ним потік речовин, 7 – внесення агрохімзасобів, меліорації, водна ерозія, що спричинена механічною деформацією структури ґрунту; 8 - скидні води, водний транспорт, зарегулювання стоку; 9 - викиди забруднюючих речовин в атмосферу).