Geum.ru

Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   28


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 Додатку Б.


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 Додатку Б.


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).


Таблиця 4.11


Факторні навантаження внутрішніх параметрів макро-ГХС поверхневих вод Житомирської області


Показники

1 група

2 група

3 група

4 група

5 група


PH

0,182503

-0,2046

0,781642

-0,24254

-0,11335


O2

-0,39998

-0,13197

-0,36728

0,21589

0,215645


M

0,282567

0,335827

0,766684

0,03064

0,309251


H

0,128241

-0,03185

0,941044

0,038598

0,033112


NH4

0,592771

0,473643

0,02617

0,428723

0,197928


NO2

0,751331

0,033706

-0,08856

0,016914

-0,12096


NO3

0,572676

-0,19354

0,227648

-0,44093

-0,22181


P

0,719045

-0,14883

0,38725

-0,27411

-0,13327


FE

0,161756

0,356487

0,4209

-0,23353

0,024762


CU

-0,22632

0,165652

0,048843

0,798628

0,278411


MN

-0,22685

0,15116

0,001487

0,467022

0,391119


ZN

-0,17947

0,304589

0,176841

0,762981

-0,0189


CR

-0,23383

-0,1133

-0,08802

0,727952

-0,18578


PO

0,800167

0,097836

0,193377

-0,18128

0,090015


BO

0,823769

0,005978

0,178649

-0,29169

0,105898


BSK5

0,490062

-0,1097

0,304203

-0,56224

-0,14149


FEN

0,154551

-0,01475

0,269923

-0,18586

0,414548


NAFT

-0,46014

-0,16089

-0,16776

0,19063

0,444438


SPAR

0,09652

0,097968

0,088623

0,250019

0,710293


DDE

0,020749

0,949029

0,066699

0,09279

0,03376


DDT

0,024911

0,956552

-0,01209

0,087906

0,028943


PO4

0,727311

-0,12956

0,408324

-0,28854

0,003257


HCO3

0,268901

0,240178

0,760697

0,022819

0,353662


SO4

0,698134

0,095726

0,485066

-0,19041

-0,16928


CL

0,626177

0,378164

0,476559

-0,07691

0,278641


CA

0,179772

-0,09708

0,854442

0,209033

-0,21823


MG

0,334318

0,23374

0,6282

-0,37429

0,010211


NA

0,641212

0,377713

0,45367

-0,03864

0,258287


K

0,622073

-0,04134

0,485464

-0,05497

-0,11087


A_GXZH

0,015531

0,962975

0,0134

0,060555

-3,4E-05


Y_GXZH

-0,39107

0,282032

0,306446

0,103846

0,190959


B_GXZH

-0,04968

0,02847

0,029007

-0,011

0,556191


Із приоритетних показників, визначених на етапі стиснення двох інформаційних матриць, було складено вторинну інформаційну матрицю для виконання безпосередньо факторного аналізу з метою пошуку реально існуючих факторів формування ГХС, описання фізико-хімічних процесів всередині ГХС та встановлення основних напрямків речовинно-енергетичних потоків як всередині макросистеми , так і зовні її.


Проведення процедури факторного аналізу дозволило виявити факторну структуру ГХС, яка була представлена п’ятьма факторами. Фактори були ранжовані, тобто розміщені у порядку зменшення їх абсолютних величин, які виражаються величиною загальної дисперсії фактора на показниках, які він включає (рис.4.28) та значимістю фактора, яка характеризує вклад конкретного фактора у формування загальної дисперсії усіх показників, включених до факторного аналізу і виражається у процентах (рис.4.29).


Представлені вище рисунки добре ілюструють знайдені фактори кількісно, характеризують їх співвідношення, абсолютну величину, частку кожного у формуванні ГХС. Вони також добре виражають ієрархію структурної будови гідрохімічної системи.


Рис.4.28. Кількісна характеристика знайдених факторів


(загальна дисперсія фактора на показниках, які він включає)


Рис.4.29. Характеристика значимості факторів за величиною частки їх внеску у формування гідрохімічної системи


В наступній таблиці 4.13, яка власне є результуючою таблицею факторних навантажень, розрахованих після варімаксного обертання факторів визначених методом головних компонент, показано розподіл навантажень окремих факторів на ознаки тих чи інших факторів. Можна також факторні навантаження з деяким допущенням інтерпретувати як кореляцію окремих показників з виділеними факторами.


Таблиця 4.12 надає всю необхідну інформацію для дослідження функціональної структури гідрохімічної системи, виявлення та інтерпретації основних системоформуючих процесів та їх чинників.


В той же час висока інформативність цієї таблиці ускладнює процес дослідження. Щоб полегшити роботу та покращити представлення даних, було запропоновано результати факторного аналізу подавати у вигляді блок-схем.


Блок схема факторного аналізу параметрів досліджуваної ГХС подана на рис.4.30. На ній у графічній формі представлено п’ять основних факторів формування гідрохімічної системи поверхневих вод Житомирського Полісся.


Перший фактор представлений такими показниками як використання мінеральних добрив на сільськогосподарських угіддях в межах річкових водозборів, рядом гідрохімічних показників: перманганатна та біхроматна окислюваність, вміст сульфатів, хлоридів, фосфатів. Наявність лише цих параметрів як індикаторів фактору №1 недостатня для успішної ідентифікації цього фактору. Саме тому в якості додаткової інформації використані дані про кореляційні зв’язки міх параметрами гідрохімічної системи. Ці зв’язки показані на схемі стрілками з указанням коефіцієнтів парної кореляції між зв’язаними показниками.


Таблиця 4.12


Розподіл факторних навантажень між параметрами макро-ГХС поверхневих вод Житомирського Полісся


Показник

Фактор 1

Фактор 2

Фактор 3

Фактор 4

Фактор 5


M

-0,33476

-0,03434

-0,66546

0,017231

-0,16119


OTR

0,19623

0,778728

0,439

-0,0812

0,143741


DG

0,036921

0,781674

0,387936

-0,14027

0,027166


ER

0,172878

0,539843

0,204257

-0,46775

0,026428


MEL

-0,14103

-0,15577

-0,92171

0,047078

0,016576


ZAB

-0,13171

-0,42503

-0,80734

-0,02893

-0,03103


STV

0,284869

-0,1308

0,075116

0,755821

-0,06749


VYK

0,376761

-0,05758

0,279729

0,702467

-0,06646


RIL

-0,41867

0,613287

-0,04495

0,171968

-0,2464


NNAS

0,440661

0,089297

0,150307

0,755209

0,098414


LIS

0,092193

-0,29173

-0,64539

-0,36898

0,021591


LSU

0,026161

0,938732

-0,09805

0,053023

-0,02761


SUP

-0,42902

-0,59546

-0,48892

0,035553

-0,18664


VRH

-0,09782

0,434176

-0,7429

-0,26063

-0,11212


VAP

0,257635

0,550756

0,190094

-0,40943

0,365885


MIN

0,540366

0,377067

-0,01185

-0,19767

0,445587


BO

0,857767

0,0213

0,175392

0,122719

-0,04322


PO

0,82888

0,124301

0,129322

0,239407

0,040677


HCO3

0,361574

0,404217

0,53669

0,439964

0,205502


SO4

0,815145

0,125335

0,07937

0,037457

0,052114


CL

0,703639

-0,09171

0,321758

0,341289

0,347601


CA

0,417737

0,527538

-0,24621

0,133161

0,000784


NH4

0,314078

0,064189

0,020384

0,639519

0,471313


PO4

0,861384

0,103227

0,080648

0,123628

-0,19957


CU

-0,45196

-0,02676

-0,11022

0,518258

0,339197


ZN

-0,31195

0,267304

-0,36282

0,505264

0,451438


SPAR

-0,27998

-0,27238

0,499127

0,601735

0,05107


DDT

-0,0262

-0,03872

0,099294

0,073249

0,910319


A _GXZH

-0,0141

0,022347

0,124239

0,072457

0,911111


Рис.4.30.


НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ


Детальний розгляд цих зв’язків дає нам дуже багато додаткової корисної інформації, без якої не можна зробити впевнено висновок про процеси формування якості води в межах даної ГХС.


Наявність реальних кореляційних зв’язків між величиною внесення мінеральних добрив, сполуками азоту, сульфатами, хлоридами, фосфатами та кальцієм з одного боку та з показником водного стоку – модулем стоку з поверхні водозбору (М) з другого боку, свідчить про дифузне надходження продуктів розкладу мінеральних добрив з поверхнево-схиловим стоком з водозбірних територій. Вплив водного стоку підтверджується наявністю статистично значимих кореляційних зв’язків між водним стоком та вмістом сульфатів , хлоридів, іншими показниками фактору №1 – показниками, що характеризують винесення органічних речовин. Величини окислюваності у значній мірі формуються за рахунок надходження у воду отрутохімікатів (коефіцієнт кореляції rotr/po=0,62), які використовуються на сільськогосподарських угіддях у межах водозборів.


Дифузне походження сульфатів, хлоридів, фосфатів як продуктів розкладу мінеральних добрив підтверджує цілий ряд кореляційних зв’язків між ними та іншими параметрами – індикаторами саме цього речовинно-енергетичного потоку у гідрохімічній системі. Так, наприклад, зв’язок фосфатів і кальцію вказує в цьому випадку на вимивання широко вживаного мінерального добрива – суперфосфату - Ca(H2PO4)2, який добре розчиняється у воді.


Зв’язки сульфатів, хлоридів з калієм ( кореляційні коефіцієнти становлять відповідно 0,78 та 0,58) свідчать про збагачення поверхневих вод цими сполуками як продуктами розкладу найпоширенішого у сільському господарстві України мінерального добрива – хлориду та сульфату калію.


Дані досліджень Д.В.Закревського показують [282], що при використанні на сільськогосподарських угіддях калійних мінеральних добрив типу KCl.MgSO4.3H20 (каїніт), K2SO4.2MgSO4 (калімаг), KCl.MgCl2.6H2O ( карналіт), KCl.NaCl+ домішки (сільвініт), з розрахунку 90-100кг/га калію, в грунти попутно надходить в залежності від виду добрив на 1 га : Сl- - 91-160 кг, Mg2+ - 55-100 кг, SO42- - 220 –265 кг, Na+ до 53 кг, всього від 213 до 770 кг солей, які є певного роду баластом , з одного боку , і суттєвим джерелом названих іонів у ґрунтових водах, з іншого.


Кореляційна структура параметрів ГХС вказує ще на один важливий момент, який необхідно враховувати при проведенню заходів по запобіганню дифузного винесення забруднюючих речовин з поверхні водозборів. Це характер ґрунтового покриву. Глинисті та суглинисті ґрунти утримують поверхневий стік на своїй поверхні, інфільтраційні втрат добрив тут незначні , тому основна частина продуктів розкладу мінеральних добрив надходить у річкові води з поверхнево-схиловим стоком з їх водозбірних територій.


Трьохсторонні зв’язки хлоридів, органічних речовин та отрутохімікатів свідчить чітко про вимивання хлорорганічних пестицидів з ґрунтового покриву та надходження їх у річкову сітку.


Проаналізувавши характеристики фактору №1 формування ГХС можна нарешті ідентифікувати його з реально існуючими процесами і дати йому назву: “дифузне надходження мінеральних солей, біогенних та органічних речовин з поверхні водозбору”.