Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 5 )

Важливим кроком в розвитку системного підходу до вивчення водних об’єктів є робота [118,119]. Ним вперше виконана формалізація водойми з береговою зоною в якості складної динамічної природно-технічної системи, стан якої описується групою ознак екологічного стану (гідрологічних, гідрохімічних, радіоекологічних, морфолітодинамічних, екотоксикологічних, гідробіологічних, водогосподарських). У цій роботі вперше зустрічаємо поєднання ландшафтної берегової геосистеми з водоймою, яка проте окремо не виділяється як екосистема. Це природне утворення власне двох геосистем, суходолу та водної, розглядається в той же час у поєднанні з територіально-господарським комплексом. Таким чином, реалізується класична модель природно-господарської системи з домінуванням водогосподарських функцій.

Підводячи підсумок проаналізованих в огляді робіт та представлених в них результатів досліджень, слід зробити декілька важливих для подальших досліджень хімічного складу води з позицій системного підходу висновків:

1) впровадження теорії систем, що базується на принципах матеріалістичної діалектики – науки про загальні закони руху та розвитку природи, людського суспільства та мислення, науки про загальні зв’язки у природничі дослідження привело до розвитку геосистемної методології досліджень природних утворень;

2) поняття “геосистема” пройшло еволюційний шлях розвитку від позначення великих природно-територіальних систем до обмежених за площею ландшафтів, річкових басейнів, водойм з прибережною територією;

3) на основі численних досліджень виділено функціонально-цілісні геосистеми, основою яких є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.

1.3. Поняття “гідрохімічна система”

та його обґрунтування

Система у загальному розумінні – це сукупність елементів, які знаходяться у відносинах та зв’язках між собою і утворюють певну цілісність, єдність [120].

У фізичній хімії та геохімії термін “система” використовується для позначення групи хімічних речовин, які певним чином зв’язані між собою. Так, якщо досліджується розчинення кальциту у чистій (дистильованій воді), то мова йде про систему CaCO3 – H2O. Якщо до неї включено вуглекислий газ, то мають на увазі систему CaCO3 – H2O - CO2.

Опис результатів дослідження процесів розчинення у воді тих чи інших мінералів неодмінно супроводжується використанням терміну “система”. Можна навести приклади деяких таких систем, що були досліджені геохіміками:

- система Mn-O2 – H20 (Брікер, 1965) [ 121];

- система K2O-Na2O-Al2O3-SiO2-H2O (Гесс,1966) [122];

- система Fe(PO4)2-H3PO4-H2O (Нрайагу,1972) [123];

- система MgO – SiO2 –CO2-H2O (Крайст,1973) [124];

- система “загальна лужність - двоокис вуглецю” (Гіскіс, 1974) [125].

Слід відзначити, що переважна більшість описаних у геохімії систем є двокомпонентними типу “вода – порода”, або трикомпонентними типу “вода – порода – атмосфера”.

Американський геохімік Дж. Дривер пише [45], що термін “система” по відношенню до деяких речовин в певній мірі абстрактне, тому що реальний розчин не є сумішшю цих речовин. Лише речовина у вигляді іона, молекули, твердого осаду тощо може бути проявом хімічної суті. Наприклад, у системі CaCO3 – H2O - CO2 можливе існування хімічних речовин у таких формах: , CO2( газ), CO2 (розчинений), H2СO3 , HСO3-, , Н+, ОН-, Н2О (рідина), Н2О (газ), СаСО3 (у твердому стані).

Термін “гідрохімічна система” вперше з’явився у роботі єва та В. І. Пелешенка (1979) [126] і використовувався у подальших роботах єва [127] у зв’язку із адаптацією методів фізичної хімії та геохімії [128, 129] до гідрохімічних досліджень. Це поняття застосовувалось щодо карбонатно-кальцієвої та сульфатно - кальцієвої системи поверхневих вод і характеризувало власне динамічний взаємозв’язок розчинених у воді хімічних речовин з їх вмістом у гірських породах, донних осадах.

Поняття “гідрохімічна система” стало синонімом інших понять – “карбонатно-кальцієва система”, “сульфатно-кальцієва система” тощо і саме тому не набуло самостійного поширення у гідрохімічній літературі.

Подібні типи систем природних вод розглядаються у пункті 2.1.2 даної роботи як процесно-функціональні структури (підсистеми) гідрохімічних систем – географічних об’єктів, що вирізняються нами в певному об’ємі простору.

Суть поняття “гідрохімічна система” в тому розумінні, яке ми в нього вкладаємо, набагато ширша, ніж його аналога, згаданого вище. Це, перш за все, географічний об’єкт, а не дво-, чи трикомпонентна хімічна система, що перенесена у природне водне середовище. Цей об’єкт вирізняється в певному об’ємі простору за принципами цілісно-функціонального геосистемного підходу, описаного в попередньому розділі роботи.

Саме такий підхід до виділення систем підземних вод застосував ще в 1972 р. П. Доменіко [130]. Він застосував системний аналіз до вивчення природного тіла – підземного потоку вод. Завдяки такому підходу, на основі численних, часто суперечливих даних гідрогеологічних досліджень території були встановлені різноманітні зв’язки та залежності, що дозволили досить чітко вирізнити невидиме природне тіло – підземний водний потік.

В. Штрукмайєр [131] сформулював визначення системи текучих підземних вод як обмежену взаємозв’язану єдність, що вирізняється своєю внутрішньою структурою, формою та розміром. Для визначення внутрішньої структури цього природного тіла важливо знати кількісні характеристики підземних вод та їх хімічний склад, тобто звичайні результати гідрогеологічних досліджень.

Г. Егелен [132, 133] запропонував і розвинув концепцію ієрархічно структурованої гідрологічної системи, яку він запропонував виділяти на основі морфологічних, гідрологічних, екологічних ознак. Гідрологічна система за Г. Енгеленом включає дві взаємозв’язані підсистеми: підземних і поверхневих вод. Таким чином, запропонована концепція враховує взаємозв’язок різних типів вод та вплив різних природних факторів на формування єдиного природного утворення - гідрологічної системи.

А. І. Гавришин та А. Карадіні (1994) геоекологічні системи класифікували як складні динамічні системи і вказали на неможливість їх дослідження без виділення в них квазіоднорідних частин. Справа в тому, що такі системи складаються із підсистем з різними, часто протилежно направленими процесами. Тому дослідження усієї системи без урахування особливостей та направленості протікання процесів у підсистемах, може привести до некоректних висновків [134].

Проблема вирізнення гідрохімічної системи як географічного об’єкта дуже тісно пов’язана з проблемою виділення подібних до неї за своєю суттю однорідних гідрогеохімічних об’єктів, яка вже давно досліджується геохіміками та гідрогеологами [135, 136]. Досвід гідрогеохімічних досліджень було використано також і для виділення однорідних гідрохімічних об’єктів [49].

Тому, перш ніж перейти безпосередньо до формулювання суті вказаного поняття, слід прослідкувати еволюцію підходів до вирізнення однорідних гідрохімічних об’єктів, адже термін “гідрохімічна система” характеризує саме таку частину простору, в межах якого зберігається просторово-часова однорідність параметрів хімічного складу води.

Вперше цю проблему у гідрохімії розглянув (1948). Він розробив вчення про гідрохімічні фації. Гідрохімічні фації – це надземні, наземні та підземні частини гідросфери, які в межах усього їх поширення характеризуються однаковими гідрохімічними умовами, що визначаються за переважаючими розчиненими речовинами [137]. Можна сказати, що гідрохімічні фації - це однорідні гідрохімічні об’єкти, в межах яких ( за ) зберігається переважання одних і тих же речовин, хоча концентрації їх можуть в певній мірі змінюватися.

вважав [135], що “однорідний гідрогеохімічний об’єкт” – це частина гідросфери, в межах якої компоненти хімічного складу води характеризуються однаковим закон та параметрами розподілу. Тобто, для вирішення проблеми виділення однорідних природних об’єктів було запропоновано застосування методів математичної статистики.

На протязі тривалого часу ця проблема вирішувалася шляхом ділення досліджуваної території на однорідні ділянки за кліматичними, геологічними, гідрогеологічними та іншими природними ознаками та дослідження хімічного складу природних вод у межах цих ділянок (гідрогеологічний метод).

Розвиток саме цього підходу для виявлення однорідних гідрохімічних об’єктів здійснив В. І. Пелешенко [49], використовуючи фізико-географічне районування території як найбільш комплексне та статистичну перевірку однорідності даних гідрохімічних спостережень в межах окремих районів. Завдяки цим дослідженням гідрохімічна наука збагатилася терміном “гідрохімічне поле”, трансформованим з терміну “гідрогеохімічне поле”. Цей термін використовується до цього часу для позначення однорідного гідрохімічного об’єкта, хоча, насправді, однорідним його можна вважати лише умовно, адже виділення його відбувалося на основі перевірки статистичної однорідності лише одного, того чи іншого, показника хімічного складу води.

Такий підхід непогано зарекомендував себе при створенні однокомпонентних гідрохімічних карт, які характеризували просторовий розподіл концентрацій якоїсь одної речовини у природних водах досліджуваної території, але не давав можливості виділити справді однорідний гідрохімічний об’єкт, який би був адекватний тому простору, в межах якого в певних часових рамках зберігалась би однорідність умов формування хімічного складу та якості води.

Так, наприклад, , впроваджуючи математичні методи у гідрохімічні дослідження, чи не найпершим ще в 1979 р. констатував [138,139], що складність гідрохімічних об’єктів змушує відноситися до них як до великих систем, тому вихоплюючи із множини взаємодії лише одну гілку, не можна описати цілий об’єкт. Він же підкреслював необхідність розвитку нових підходів, в тому числі системного, до дослідження гідрохімічних об’єктів.

Розвиток системного підходу до вивчення хімічного складу природних вод стримувався не тільки його недостатнім методико-теоретичним забезпеченням, а й відсутністю необхідної гідрохімічної інформації.

Лише у другій половині ХХ століття завдяки розвитку теоретичних і прикладних досліджень природних вод, науково-технічного прогресу в апаратурно-методичній базі гідрохімічних досліджень було накопичено значну кількість даних про хімічний склад водних об’єктів.