Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005
| Вид материала | Документы |
- Київський національний університет імені тараса шевченка герасимова світлана василівна, 682.99kb.
- Араса шевченка 175 річчю Київського університету І 75 річчю географічного факультету, 2611.19kb.
- Київський Національний університет імені Тараса Шевченка Кохановська Олена Велеонінівна, 751.92kb.
- Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка Історичний, 675.02kb.
- Текст роботи: київський національний університет імені тараса шевченка жуковська галина, 546.29kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка, 355.25kb.
- Исследование окислительно-антиокислительных процессов в крови антарктических рыб, 153kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка науково-дослідна робота, 4074.91kb.
- Програма конференції передбачає: пленарні доповіді провідних науковців та представників, 93.09kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка на правах рукопису мазур тамара, 1244.31kb.
Рис.4.22. Вміст нафтопродуктів у воді р. Гнилоп’ять нижче м. Бердичева
Концентрації СПАР переважно залишались стабільними за винятком одного випадку, коли вона досягла величини 0,4 мг/дм3 (18.03.93р.).
В створі р. Уж вище міста Коростеня коливання концентрацій нафтопродуктів відбувалися в межах від 0 до 0,6 мг/ дм3, при ГДК - 0,05. На початку періоду спостережень (1993 р.) відмічались найвищі концентрації нафтопродуктів від 0,4 до 0,6 мг/ дм3. На протязі 1994-1995 років концентрації нафтопродуктів були близькими до 0, а в 1996-1997 роках дещо підвищились до 0,1- 0,25 мг/ дм3. Концентрації СПАР змінювались від 0 до 0,38 мг/ дм3, причому у більшості випадків їх коливання були в межах від 0 до 0,1 мг/ дм3. В створі нижче міста Коростеня спостерігається практично таж сама картина сезонної динаміки розглядуваних речовин.
Для усіх пунктів спостережень концентрація фенолів залишалася стабільною на протязі року і майже не змінювалась в сезонному плані.
В зв`язку з різким зменшенням використання отрутохімікатів у сільському господарстві в останні роки у воді досліджуваних річок помітно зменшились концентрації a-, g-, b-ГХЦГ, ДДЕ, ДДТ.
Таким чином, проведені дослідження сезонної динаміки концентрацій розглянутих хімічних компонентів показали, що в характері їх сезонного розподілу проявляється вплив природних факторів та господарської діяльності людини. Природні фактори більше впливають на формування сезонної динаміки мінералізації, головних іонів, спричиняють появу високих концентрацій нафтопродуктів у повінь та дощові паводки. Господарські фактори є причиною надходження забруднюючих речовин у досліджувані річки і формують високі концентрації сполук азоту та мікроорганічних забруднювачів.
4.3.4. Багаторічна динаміка параметрів гідрохімічної системи та її основні тенденції
Для дослідження багаторічного гідрохімічного режиму були використані ряди гідрохімічних спостережень на річках Гнилоп`ять і Тетерів. Ці пункти спостережень являються найбільш забезпеченими гідрохімічною інформацією (з 1984 по 1997 р.).
Масив даних був розділений на групи показників, близьких за своїм генезисом: важкі метали, біогенні речовини, мікроорганічні забруднювачі.
За допомогою комп`ютерної програми “Stаtistika” були побудовані графіки динаміки концентрацій хімічних компонентів у воді річок Житомирської області.
Основна компонента динамічного ряду - тренд, що характеризує загальну закономірність руху, чи розвитку процесу у часі. Тренд описує фактично осереднено для періоду спостережень тенденцію розвитку процесу у часі (концентрації речовини).
При незначній тенденції досліджуваного ряду у часі і суттєвих коливаннях його рівнів (значень концентрацій) ряд може бути стаціонарним. В таких випадках, перш ніж перейти до визначення тренду, слід перевірити гіпотезу про його існування.
Найчастіше для цього використовується t-критерій Стьюдента. досліджуваний ряд розділяється на дві вибірки даних за два періоди часу, які порівнюються між собою.
При t ³ ta гіпотеза про відсутність тренду (нульова гіпотеза Но) відкидається, а при t ³ ta гіпотеза Но приймається. Тут t-розрахункове значення t-критерію, отримане для розрахункових даних, ta - табличне значення цього критерію при рівні ймовірності помилки a.
Критерій t розраховується за формулою
(4.1)
де y1 і y2 - середні для першої та другої сукупності спостережень, (для першої та другої половини ряду);
n1 і n2 - кількість спостережень у цих вибірках;
S - середнє квадратичне відхилення різниці середніх.
Значення ta береться з числом ступенів свободи n1 + n2 - 2. Необхідне значення S можна визначити на основі середньої зваженої величини дисперсій окремих сукупностей:
(4.2)
При оцінюванні дисперсій для першої і другої сукупності i , береться число ступенів свободи, що дорівнює відповідно n1 + n2 - 2.
Найбільш поширеним і простим шляхом виявлення тенденції розвитку є згладжування, або механічне вирівнювання динамічного ряду. Суть вирівнювання полягає у тому, що фактичні рівні часового (динамічного) ряду замінюються розрахунковими, які мають менші коливання, ніж вихідні дані. Зменшення амплітуди коливань вихідного ряду дозволяє наглядніше прослідкувати його тенденцію.
Найпоширенішим прийомом згладжування є застосування ковзаючих середніх. Їх застосування дозволяє згладити періодичні і випадкові коливання і тим самим виявити тенденцію розвитку.
Нехай динамічний гідрохімічний ряд складається із рівнів (значень концентрацій) уt, t=1,..., n. Для кожних m послідовних рівнів цього ряду (m
(4.3)
де у1 - значення ковзаючого середнього для моменту t (t=1, ... , n);
у1 - фактичне значення рівня в момент і;
тут i - порядковий номер рівня в інтервалі згладжування.
Величина р визначається за формулою
(4.4)
де m - тривалість інтервалу згладжування (кількість значень).
Існують і інші формули, побудовані на основі наведених тут. Крім того, усі прикладні пакети статистичних програм до ЕОМ мають програму згладжування динамічного ряду методом ковзаючих середніх.
Оскільки ковзаюче середнє замінює центральний член кожних m рівнів, то для р початкових і кінцевих рівнів вона не може бути розрахована. Як наслідок, при згладжуванні за трьохрічною ковзаючою середньою (m=3), губиться перший і останній рівень ряду, за п`ятирічною середньою - два перших і два останніх значення і т.д.
Якщо отримані розрахункові значення у1 ще зберігають значні коливання вихідного ряду, то процес осереднення можна повторити, тобто виконати повторне згладжування.
В процесі згладжування динамічного ряду можна спостерігати певну трансформацію динаміки ряду добре відому статистикам як ефект Слуцького. Для нівелювання впливу трансформаційних процесів на результати дослідження динаміки гідрологічних і гідрохімічних рядів рекомендується застосувати спеціальну методику, розроблену М.М. Ворончуком [10 ].
Для виявлення тенденцій розвитку динамічних рядів використовується також метод зважених ковзаючих середніх, який дає можливість виявити детальніше деякі зміни в загальному ході тренду (хвилі, чи вигини), які згладжуються простою ковзаючою середньою [280, 281].
Для дослідження багаторічного гідрохімічного режиму були використані матеріали спостережень на річках Гнилоп`ять (вище і нижче міста Бердичева) і Тетерів (вище і нижче міста Житомира). Для цих пунктів спостережень по даним гідрохімічних досліджень були побудовані графіки динаміки концентрацій хімічних компонентів.
Отримані результати можна проілюструвати графіками зміни у часі концентрацій забруднюючих речовин та їх трендами (рис.4.23).
Рис.4.23. Зміна концентрацій деяких забруднюючих речовин
Рис. 4.24. Зміна вмісту розчиненого кисню, БСК5, завислих речовин ZAV та величини рН води для р. Гнилоп’ять у створі вище м. Бердичева
на протязі 1984 – 1997 рр.
На річці Гнилоп`ять спостерігаються наступні тенденції зміни концентрацій хімічних речовин у часі:
1) зростає величина БСК5, розчиненого кисню та зважених речовин (рис.4.24);
2) постійно знижується концентрація мікроорганічних забруднювачів (a-гексахлорциклогексан, ДДЕ);
3) у більшості випадків спадає концентрація таких мікроорганічних забруднювачів як нафтопродукти, ДДТ, g-гексахлорциклогексан).
Найбільші середні темпи зміни концентрацій гідрохімічних показників у воді річок Тетерів та Гнилоп`ять - це зростання концентрацій зважених речовин, цинку, марганцю та спадання концентрацій a-ГХЦГ і ДДЕ.
Найбільше зростання концентрації цинку помічено в створі нижче міста Житомира, що пов`язано, на нашу думку, з зростанням об`єму промислових та комунально-побутових стічних вод міста. Ця думка підтверджується ще й тим, що вище міста зростання концентрації цього металу незначне.
Що стосується марганцю, то його збільшення помічено в створі вище міста Житомира (темп росту 325%). Це, очевидно, пов`язано з надходженням цього металу в складі гумусових речовин, змив яких з сільськогосподарських угідь в районі цього створу в останні роки значно збільшився (темп росту зважених речовин 760%). Зростання концентрацій марганцю на річці Гнилоп`ять в створі нижче міста Бердичева пов`язано з скидами стічних вод цього міста.
Зменшення концентрацій a-ГХЦГ та ДДЕ на протязі періоду спостережень пов`язано з припиненням використання звичайно прийнятої кількості пестицидів на сільськогосподарських угіддях. Це можна проілюструвати слідуючим рисунком (рис. 4.25).
Рис.4.25. Зменшення концентрацій пестицидів у воді
р. Тетерів на протязі 1984-1997 рр.
Що стосується нафтопродуктів, то помічено зменшення їх концентрацій в створі р. Тетерів - м. Житомир - на 44%, а в створі р. Гнилоп`ять - м. Бердичів, навпаки, помічена тенденція до зростання - на 100%. Очевидно, це пов`язано з надходженням нафтопродуктів з поверхнево-схиловим стоком з території міста.
Помічені тенденції до зростання СПАР в створах річок нижче міст. Концентрації фенолів не мають тенденцій ні до спадання, ні до зростання, залишаються стабільними на всьому протязі періоду спостережень.
Аналіз графічних матеріалів з метою систематизації часових трендів концентрацій забруднюючих речовин у воді річок Гнилоп`ять і Тетерів показано у табл.4.9.
Таблиця 4.9
Систематизація часових трендів концентрацій забруднюючих речовин у воді річок Житомирського Полісся (“ä“ - зростаючий тренд, “à“ - стабільний тренд, “æ“ - спадаючий тренд) та відносні показники їх зміни
Пункти спостережень
Хімічні показники
р. Тетерів - м. Житомир
р. Гнилоп`ять - м. Бердичев
вище міста
нижче міста
вище міста
нижче міста
тренд
DС, %
тренд
DС, %
тренд
DС, %
тренд
DС, %
Зважені речовини
ä
760
ä
750
ä
260
ä
200
рН
à
0
à
0
à
0
à
0
О2
ä
31
ä
71
ä
25
ä
25
Сума іонів
à
11
ä
38
à
20
à
21
Cu
à
0
à
13
à
0
à
0
Mn
ä
325
ä
100
ä
150
ä
340
Zn
ä
133
ä
450
ä
79
ä
66
Біхроматна окислюва-ність(ХСК)
ä
66
ä
120
ä
100
à
12
БСК5
à
0
æ
-33
ä
80
ä
33
Феноли
à
0
à
0
à
0
à
0
Нафто-
продукти
à
-20
æ
-44
æ
-100
ä
100
СПАР
à
22
ä
30
à
0
ä
20
a-ГХЦГ
æ
-84
æ
-100
æ
-100
æ
-66
g-ГХЦГ
æ
-100
æ
-100
à
-10
à
-4
ДДЕ
æ
-100
æ
-115
æ
-100
æ
-146
ДДТ
ä
50
æ
-100
æ
-100
æ
-100
Представлена таблиця є результатом проведених досліджень зміни у часі концентрацій забруднюючих речовин у воді річок та виявлення тенденцій зміни у часі цих речовин (табл.4.10).
Таблиця 4.10
Факторні навантаження зовнішніх параметрів макро-ГХС поверхневих вод Житомирської області
Показники
Група 1
Група 2
Група 3
Група 4
Група 5
M
-0,68785
0,218046
0,310652
0,313469
0,009334
SG
-0,38036
0,077514
0,015309
0,334609
-0,6004
LIS
0,131124
0,114066
0,933684
-0,20664
0,083761
MEL
-0,62949
0,028448
0,707421
0,172779
-0,02398
ZAB
-0,4402
-0,01987
0,825099
-0,05691
0,169628
STV
0,018131
-0,84168
-0,00532
-0,15857
0,155609
VYK
0,035537
-0,8988
-0,25325
-0,11032
-0,0331
RIL
-0,1569
0,091063
-0,28641
0,835926
0,284013
SIN
-0,23055
0,169277
0,900033
-0,09386
0,13485
PAS
-0,75217
0,214388
0,49058
0,163097
0,191123
BUD
0,308606
-0,65286
0,325591
0,250946
0,351727
SSU
0,126446
-0,13574
-0,43312
0,44997
-0,49001
LSU
0,265205
-0,11777
-0,06319
0,834982
-0,20213
SUP
-0,53686
0,137186
0,464188
-0,16602
0,568338
ZP
-0,12154
0,131596
0,007748
-0,71384
0,519054
P
-0,64875
0,334817
0,009683
-0,24357
0,175253
KYS
-0,05359
0,285464
0,393478
0,48084
0,485059
DG
0,683845
-0,04094
-0,24044
0,561105
-0,07274
ER
0,838856
0,167633
0,116663
0,31256
-0,13889
VRH
-0,03591
0,232228
0,635747
0,628838
0,018226
SW
0,160795
0,241918
0,000198
0,879771
-0,24807
NSH
0,317013
0,239652
-0,84998
-0,06646
0,116858
BEN
0,048482
-0,93781
-0,0022
0,08352
0,165502
DIS
0,082584
-0,91973
-0,07427
-0,12667
-0,22409
NNAS
0,01693
-0,89551
-0,16719
-0,04216
-0,21279
VAP
0,435923
0,207575
-0,09866
0,300687
-0,72218
MIN
0,297952
-0,05729
0,079214
0,008828
-0,77661
ORG
0,208204
0,450943
0,749725
-0,22375
-0,0996
OTR
0,663134
-0,14308
-0,32782
0,467617
-0,32442
Ця таблиця складена для наочного показу основних тенденцій розвитку гідрохімічних процесів у воді річок. Різнонаправленими стрілками вказано зростання, спадання і стабільність концентрацій хімічних компонентів. В таблиці 4.10 також показані середні темпи зміни концентрацій гідрохімічних показників у воді річок (DС). Середні темпи зміни концентрацій розраховані за формулою.
(4.5)
де Ск і Сn - кінцева і початкова концентрації гідрохімічних показників.
Аналізуючи таблицю 4.10 можна зробити такі висновки:
1. постійно зростають концентрації зважених речовин, цинку, марганцю та хімічне споживання кисню (ХСК), а також вміст розчинного кисню;
2. переважно зростає концентрація суми іонів та концентрація СПАР;
3. в стабільному стані знаходиться концентрації фенолів та міді;
4. БСК5 на річці Тетерів (вище міста Житомира) знаходиться в стабільному стані, а нижче міста Житомира спадає.
При побудові графіків багаторічної динаміки концентрацій хімічних компонентів у воді річок Житомирської області були використані такі позначення: Sum - сума іонів; ВО - біхроматна окислюваність; ZАV - завислі речовини; О2 - розчинений кисень; BSК5 - БСК5; Cu - мідь; Zn - цинк; Mn - марганець; AGXZG - a-ГХЦГ; YGXZG - g-ГХЦГ; ДДЕ; ДДТ.
4.4. Дослідження факторів формування гідрохімічної системи методами системного аналізу
4.4.1. Дослідження структури гідрохімічних
систем шляхом аналізу
їх часових інформаційних матриць.
Концентрації хімічних речовин у річкових водах характеризуються значною мінливістю у часі і у просторі. Ця мінливість є результатом прояву дії тих чи інших природних та антропогенних чинників, під впливом яких формуються зовнішні і внутрішні речовинно-енергетичні зв’язки гідрохімічних систем (ГХС).
Для дослідження механізмів формування та функціонування ГХС була зроблена спроба виявити основні фактори формування гідрохімічних процесів на основі дослідження часових матриць гідрохімічних параметрів. Такі матриці були сформовані на основі даних спостережень Гідрометслужби України та частково доповнені даними з інших джерел та результатами інших досліджень, що виконувалися в ПНДЛ гідроекології та гідрохімії і охоплювали період 1984-1996 рр.
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.