Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 38 )

Таблиця 5.6

Залежність деяких компонентів хімічного складу води р. Бутені та показників їх стоку від головних характеристик виявлених факторів формування гідрохімічного режиму

Показник хімічного стоку

Характеристики факторів

(в дужках коефіцієнт кореляції)

Nзаг.

Лісистість (0,65), модуль стоку (0,75), зарегульованість (-0,61), розораність (-0,56)

Рзаг.

Лісистість (-0,54), розораність (0,61), зарегульованість (-0,58)

Rі

Модуль водного стоку (0,98), розораність (-0,78), селітебне навантаження (0,48)

Для гідрохімічного режиму р. Корабельної визначальними являються такі фактори: 1) вплив поверхневого стоку (24%); 2) вплив характеру поверхні водозбору (16%); 3) процеси гіпсоутворення (14%); 4) надходження решток добрив (13%); 5) вплив підземного живлення (8%).

Якщо для кожного фактора виявити його визначальні характеристики та прокорелювати їх з показниками хімічного складу води, то можна виявити структуру причинно-наслідкових зв’язків процесу формування гідрохімічного режиму р. Корабельної (табл. 5.7).

Виявлення наявності зв’язку між показниками гідрохімічного режиму, якості води дає змогу до розрахунку рівнянь багатофакторної регресії, що описує залежність показників якості води дає змогу перейти до розрахунку рівнянь багатофакторної регресії, що описує залежність показників якості води від декількох факторів одночасно.

Таблиця 5.7

Залежність деяких показників гідрохімічного режиму р. Корабельної від характеристик факторів його формування

Показник хімічного складу

Характеристики факторів (в дужках коефіцієнти кореляції)

Рмін.

Поверхневий стік (0,56), розораність (-0,61), селітебне навантаження (0,53)

NO3

Залісеність (0,52), розораність (-0,58), селітебне навантаження (0,60)

Nмін.

Залісеність (0,62), розораність (-0,59), селітебне навантаження (0,60), зарегульованість (-0,71)

åі

Поверхневий стік (0,66), селітебне навантаження (0,62)

В перелік хімічних компонентів і по р. Бутені, і по р. Корабельній (див. табл. 5.6 та 5.7) включені тільки ті показники, які, по-перше, дійсно знаходяться під впливом певних об’єктивно існуючих в межах водозбору факторів, а отже можуть бути регульованими, по-друге, надходячи до поверхневих вод можуть дестабілізувати рівновагу в водних об'єктах.

Кореляційний аналіз результатів польових досліджень показав, що для окремих показників якості води спостерігається одночасний зв’язок з декількома факторами, вірніше характеристиками цих факторів. Це свідчить про складний процес формування і гідрохімічного режиму річки і якості її води, який відбувається під впливом одночасної дії цілого комплексу чинників.

Використовуючи математичний апарат факторного та кореляційного аналізу ми зробили спробу виявити основну структуру цього процесу та систему кореляційних зв’язків між показниками якості та характеристиками факторів формування.

Для апроксимації цих складних залежностей, їх математичного описання, використано багатофакторні регресійні моделі, розрахунки яких виконувались на персональному комп’ютері.

Результати розрахунків для р. Бутені представлені у вигляді таких рівнянь

Nзаг. = 0,43-0,0027 Fрозор. + 0,059 0,005 Fліс. (5.1)

Рзаг. = 0,00024 Fрозор. + 0,00006 Fліс. – 0,0043 (5.2)

Рзаг. = 0,0003 Fрозор. – 0,008 Fзарег. + 0,00023 Fміс. – 0,0011 (5.3)

Rі = 52,4 + 40,9М –0,79 Fліс. -0,48 Fрозор. – 0,05 Fнос. (5.4)

Rі = 2,97 Fліс. + 1,10 Fрозор. + 1,76 Fнас. - 68,2 (5.5)

де Nзаг., Рзаг. – показник стоку загального азоту та загального фосфору в кг/км2;

Rі – показник іонного стоку, кг/км2;

Fрозор. – частка розораної площі водозбору, %;

Fзарег. – частка площі, занята ставками, водосховищами, що розміщені безпосередньо на річці та її притоках, %;

Fліс. – частка залісеності площі водозбору, %;

Fнас. – частка площі водозбору, зайнята населеними пунктами, %;

М – модуль стоку річки, л/с з км2.

Для випадку р. Корабельної отримані такі рівняння:

Рмін. = 0,41 + 0,0007Q – 0,0043 Fроз. + 0,005 Fнас. (5.6)

NO3 = 11,8 + 0,04 Fнас. – 0,42 Т + 0,99 Fліс. (5.7)

Nмін. = 0,18 Fліс. + 0,32 Fрозор. + 0,73 Fнас. + 2,8 Fзарег. – 30,1 (5.8)

åі = 1083,0 + 0,90Q + 253,4 Fзарег - 17,2 Fнас. (5.9)

де Рмін., NO3, Nмін. , åі – концентрації відповідно мінерального фосфору, нітратного азоту, мінерального азоту та величина мінералізацій.

Q – витрата води, м3/с.

Для оцінки точності цих рівнянь проведені розрахунки, результати яких показано в табл. 5.8.

Таблиця 5. 8

Точність розрахунків за оптимізаційними рівняннями

Характеристика

№ рівняння

Помилка розрахунків для замикаючого створу, %

Помилка розрахована за формулою 4.14

Nзаг.

5.1

2,7

10,2

Рзаг.

5.2

31

15

Рзаг.

5.3

28,5

80

Ri

5.4

5,3

32

Ri

5.5

1

14

Рмін.

5.6

13,8

40

NO3

5.7

24

32

Nмін.

5.8

40

45

åі

5.9

20

36

В таблиці приведено два види розрахункових помилок. Перша розраховувалась шляхом порівняння розрахункової величини концентрації, чи показника стоку хімічного компоненту з її фактичною величиною в замикаючому створі річок Бутені та Корабельної. Для таких випадків величина помилки розрахунків коливалась від 1 до 40%, що цілком задовільно, враховуючи кількість включених у рівняння факторних характеристик та складну природу їх формування. Друга помилка розраховувалась за рівнянням 4.14 і дає загальну оцінка точності розрахункових рівнянь. На більшу амплітуду точності (від 10,2 до 80%) вплинула значна варіація фактичних даних спостережень у кожному пункті відбору проб води. Для розрахунку Рзаг. У воді р. Бутені запропоновано дві формули: двофакторна (5.2) та трифакторна (5.3). Більшу точність розрахунків показала формула 5.2. Аналогічні результати отримані із застосуванням формул для розрахунку Rі: чотирифакторну (5.4) та трифакторну (5.5). Точнішою виявилась формула 5.5.

Із аналізу отриманих рівнянь та результатів їх апробацій та даних фактичних вимірів концентрацій хімічних компонентів можна зробити висновок, що, по-перше, подібного типу рівняння можна успішно використовувати для проведення гідрохімічних розрахунків; по-друге, по можливості треба вибирати рівняння з меншою кількістю характеристик факторів формування (бажано дво-, або трифакторне).

Багатофакторні регресійні рівняння залежності концентрацій хімічних компонентів, чи показників їх стоку від характеристик двох-, трьох і більше факторів являють собою своєрідні математичні моделі, що описують процес формування якості води, точніше деяких її невід’ємних компонентів. Знаючи співвідношення між деякими характеристиками ландшафту водозбірної території та показниками якості води, що ув’язані між собою факторним рівнянням, можна виконувати розрахунки для оптимізації співвідношення формуючих факторів у їх вплив на якість води. Такі розрахунки повинні проводитись шляхом підбору можливих характеристик, таких величин, які можна реально встановити у ландшафті водозбору, шляхом перепланування функціональної структури ландшафту. При цьому, перш за все, повинні бути поставлені високі вимоги до розрахункових рівнянь. Критеріями для використання їх повинна служити достатньо висока точність розрахунків (помилка розрахунків не повинна перевищувати середнє квадратичне відхилення ряду фактичних спостережень за тим чи іншим показником). По-друге, треба мати на увазі, що рівняння багатофакторної регресії, хоч і охоплюють одночасно декілька чинників процесу формування якості води, але все ж вони являють собою занадто схематичну, далеко не досконалу модель цього процесу. Отже, при відборі таких залежностей необхідно враховувати ступінь повноти їх опису процесів формування. В той же час слід запобігати ускладненню рівнянь зайвими характеристиками тих факторів, що не вносять суттєвого вкладу у формування якості води, бо це приводить до значних помилок при подальших розрахунках.

Слід також мати на увазі, що застосування багатофакторних рівнянь дає досить задовільні результати лише у межах певного діапазону коливань концентрацій показників хімічного складу води. Так, скажімо, якщо рівняння 5.2 розраховане для концентрацій від 0,05 до 0,18 мг/дм3, то використання його для розрахунків з метою оптимізації впливу фосфору у воді до 0,01 мг/дм3 (практично концентрація початку евтрофікації) не дасть бажаного результату. Рівняння 5.2, як і інші, розраховані вище для біогенних елементів, описує сучасний евтрофований стан річкової екосистеми. Отже його використання обмежене. За його допомогою можна лише розрахувати незначну зміну співвідношення елементів ландшафту, яке втім не дасть бажаного кінцевого результату, оскільки не описує стан переходу водної системи з евтрофного на оліготрофний. Однією з причин недосконалості таких рівнянь для оптимізаційних розрахунків є те, що на причинно-наслідковий зв’язок концентрацій хімічного компоненту у воді річки з факторами формування накладається у значній мірі вплив процесів фізико-хімічної трансформації речовини у водоймі, процеси вторинного забруднення. Тому це питання потребує ще додаткового вивчення за умови наявності необхідного матеріального забезпечення для проведення досліджень.

Використання встановлених рівнянь для оптимізації впливу різних факторів на вміст названих хімічних речовин можливе вже зараз. Це можна показати на прикладі рівняння 5.9. Послідовний підбір характеристик чинників, що входять до рівняння, показує слідуюче. При витраті 10 л/с, зарегульованості стоку 0,5% та селітебному навантаженні всього 1% мінералізація води буде досягати 1201,5 мг/дм3, що на 201,5 мг перевищує гранично-допустимий вміст солей у воді, яка використовується для пиття. При зміні співвідношення чинників формування (витрата 100 л/с), зарегульованість без змін, селітебне навантаження 16% вміст розчинених солей у воді може знизитись до 1000 мг/дм3.

В завершення можна зробити висновок, що використання при гідрохімічних дослідженнях багатофакторних регресійних рівнянь, що описують залежність показників гідрохімічного режиму та якості води від декількох, одночасно діючих факторів є досить перспективним напрямком. Однак остаточні науково-методичні рекомендації з цього питання можуть бути розроблені лише при проведенні тривалих гідрохімічних дослідженнях на малих річках України з різним рівнем антропогенних навантажень та різним станом евтрофованості їх водних екосистем. Такі дослідження повинні ґрунтуватися, головним чином, на експериментальних експедиційних дослідженнях в умовах польових стаціонарів і повинні бути добре матеріально і технічно забезпечені.