Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005
| Вид материала | Документы |
СодержаниеНа окремому файлі Де малюнок 5.3 |
- 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.
Здійснений аналіз даних виявив п`ять головних чинників формування гідрохімічного режиму р. Бутеня. Сукупно вони описують 81% загальної дисперсії усіх ознак, що аналізуються. Решта 19% дисперсії припадають на незначні фактори, які значно не впливають на гідрохімічний режим річки. Фактори, що їх виявлено, їх внутрішня структура та взаємозв`язок між ознаками різних чинників приведені на малюнку 5.2.
Перейдемо до короткої характеристики виявлених факторів.
Перший фактор. Його назвемо впливом характеру поверхні водозбору річки, чи впливом лісистості й розораності. Цей чинник є домінуючим у регулюванні річкового стоку хімічних компонентів. На його долю припадає 34% загальної дисперсії ознак.
Розглядаючи внутрішню структуру фактора, бачимо, що між ознаками, що увійшли в нього, існує статистично значимий взаємозв’язок. Перед усім, лісистість і розораність, що складають сутність даного фактора. Вони відрізняються тісним зворотнім взаємозв’язком (r = - 0,93), оскільки зі збільшенням одного, зменшується інший і навпаки. В свою чергу вони мають протилежний вплив на елементи формування стоку речовин. Лісистість сприяє збільшенню водного стоку річки, про що говорить позитивний зв’язок між цими величинами (r = 0,85), а розораність – його зменшенню (r = - 0,80). Водний стік формує в свою чергу величину внеску головних іонів та загального азоту. Кореляційні коефіцієнти між М пов. і R пов., GN пов. відповідно складають 0,98 і 0,75. Закономірно, що сформовані за рахунок М пов. величини RН пов. і GN пов. тісно пов’язані з лісистістю (див. мал. 5.2).
Позитивний вплив лісистості відбивається і на збільшенні підземного водного стоку і пов’язаного з ним підземного іонного стоку (див. мал. 5.2).
Вплив розораності має протилежний характер. Вона зменшує поверхневий водний стік (r = - 0,80), поверхневий іонний стік (r = - 0,78) і винос загального азоту (r = - 0,63).
Другий фактор, назву якого можна сформулювати, як вплив зарегульованості на річний стік і фізико-хімічні процеси перетворення речовин у водному середовищі. Для цього чинника 18% від загальної дисперсії всіх ознак.
В басейні р. Бутеня загальна площа ставків складає 0,32 км2 чи 0,5% площі басейну. Для деяких елементарних водозборів ця величина більше 2,1-2,5%, тобто вплив зарегульованості на формування стоку речовин з цих ділянок значно більше.
Таблиця 5.1
НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ
Таблиця 5.1
НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ
Рис.5.2. Структура та системні звязки гідрохімічної макросистеми р.Бутені
Більшість ставків на р. Бутеня і її притоках мілководні, часто замулені. Це сприяє нагріванню акумульованої в них води і інтенсифікації внутрішніх процесів у водоймі. Про це свідчить наявність тісних ланцюгових зв’язків між зарегульованістю стоку і температурою води (r = 0,67), між температурою води і величиною перманганатної окислюваністі (r = - 0,70). Остання свідчить про зменшення у водному середовищі органічних речовин, що легко окислюються, внаслідок інтенсифікації процесів їх мінералізації при збільшенні температури води. Розклад органічних речовин супроводжується збільшенням у водному розчині , що важливо знати при оцінці джерел надходження цих іонів у річкову воду. Збільшення пов’язано з фотосинтезуючою діяльністю водної рослинності. Вугільна кислота, що виділяється при розкладі органічних речовин, інтенсивно застосовується водними рослинами та фітопланктоном, внаслідок чого, відбувається зміщення карбонатної рівноваги в бік гідрокарбонатних іонів та збільшується активна реакція води.
Наявність цього процесу підтверджується розрахунковими коефіцієнтами кореляції між названими величинами (див. мал. 5.2).
Отримані позитивні кореляційні зв’язки між температурою та вмістом підтверджують, що надходження цих іонів у водне середовище іде не тільки за рахунок мінералізації органіки, але й завдяки розчиненню хлористих, сірчанокислих та вуглекислих їх сполук, що зустрічаються у ґрунтах та донних відкладах. Зарегульованість річки та її притоків сприяє деякому зменшенню стоку води за рахунок перехоплення і затримки поверхневого схилового стоку в період повені і за рахунок випаровування з поверхні водойм. Виявлений також вплив зарегульованості на зменшення стоку загального азоту (див. мал. 5.2). Вплив зарегульованості на зменшення стоку біогенних речовин спостерігається і на інших річках басейну Дніпра.
Позитивний вплив ставків і водоймищ на зменшення стоку загального азоту сприяє очищенню води від біогенних елементів. Це відбувається завдяки їх асиміляції фітопланктоном, донними водоростями і макрофітами, акумуляції в донних відкладах. Названі процеси, що відбуваються в воді р. Бутеня, викликані впливом зарегульованості стоку і характеризують сутність другого фактора.
Третій чинник, внесок якого у формування стоку речовин оцінюється в 13% загальної дисперсії ознак, свідчить про значну роль продукційних процесів у водному середовищі у формуванні стоку речовин. Безпосередньо структура чинника має дві ознаки: вміст О2 і рН (див. мал. 5.2). Тісний зв’язок між ними – свідчення фотосинтетичних реакцій, що відбуваються у водній рослинності. Вплив третього чинника може сприяти збільшенню концентрацій і виносу його поверхневим стоком.
Вміст у даному типі води є, як відзначалось вище, переважаючим, і складає більше 40% від суми головних іонів, або 85%-екв. і більше.
Четвертий фактор можна охарактеризувати як гідродинамічний. Внесок цього фактора 9%. В його структурі дві ознаки: швидкість течії в руслі річки (V теч., м/с) і мутність води (МТ, мг/дм3). Чим більша швидкість течії, тим більша потенційна можливість протікання процесів руйнування берегів і замулювання донних відкладів, тим вища мутність води, про що свідчить позитивний зв’язок між цими ознаками (r = 0,51). Цей фактор сприяє виносу хімічних речовин у завислому стані.
П’ятий суттєвий фактор формування гідрохімічного режиму пов’язаний з негативним впливом населених пунктів на якість води. Вклад цього фактора у формування стоку всього 7%. Він включає всього одну ознаку – величину селітебного навантаження водозборів, що розглядаються, величину яка має слабкі позитивні кореляційні зв’язки з річковим стоком головних іонів та загального азоту (див. мал. 5.2).
Таким чином в результаті проведених досліджень виявлено, що у формуванні стоку хімічних речовин р. Бутеня у літню межінь, провідну роль відіграє характер поверхні водозбору, зарегульованість водного стоку річки, продукційні процеси, що обумовлюють фізико-хімічний стан і вміст хімічних компонентів у воді, гідродинамічний фактор та селітебне навантаження.
5.3. Гідрохімічна локальна мезосистема р. Іква (басейн
р. Південний Буг)
Річка Іква – ліва притока Південного Бугу, куди впадає на 659 км від гирла р. Південний Буг. Її довжина 56 км, площа басейну 514 км2.
Організація збору даних для апробації методики на р. Іква виконана за тими ж принципами, що й на р. Бутеня. Схему мережі спостережень подано на мал. 5.3.
ДЕ МАЛЮНОК 5.3
Використано наступні характеристики процесу формування гідрохімічного режиму річки: лісистість, розораність, селітебне навантаження, зарегульованість стоку ставками, вмісту .
В процесі обробки даних виявлено чотири головних фактори формування гідрохімічного режиму річки. Їх сумарний внесок в загальну дисперсію усіх ознак, що аналізувались, склав 91,1%. Матриця факторних навантажень має такий вигляд (табл. 5.2).
Таблиця 5.2
Матриця суттєвих факторних навантажень за результатами обробки даних гідролого-гідрохімічної зйомки р. Іква
Фактори (в дужках внесок фактора в загальну дисперсію показників, що аналізуються, %)
(33,7%)
(31,6%)
(16,7%)
(9,1%)
Показники (в дужках - величина факторного навантаження)
(-0,76)
(-0,89)
.
(-0,98)
Селітебне
навантаження
(-0,43)
(0,17)
(0,89)
(0,87)
Лісистість (0,82)
Розораність
(-0,72)
(0,64)
(- 0,90)
(-0,79)
(-0,79)
(-0,82)
Зарегульованість (0,79)
(0,93)
Перший фактор характеризується амонійним, нітратним і мінеральним азотом. Його доля у формуванні загальної дисперсії всіх показників, що аналізуються, складає 33,7%.
Фактор може бути інтерпретований, як вплив продукційно-деструкційних процесів на формування якості води, що супроводжуються амоніфікаційно-нітрифікаційними процесами, результати яких визначає дійсний вміст різних сполук азоту і в підсумку – якість води.
Другий фактор по своїй вагомості у формуванні гідрохімічного режиму річки практично не поступається першому. Його вміст 31,6%. Інтерпретується як вплив населених пунктів. Відображається в найвищій мірі на формуванні режиму , , .
Третій фактор (16,7%). Виражається впливом стану поверхні водозбору на умови надходження в річкові води іонів , , , , .
Четвертий фактор (4,1%) відображає вплив зарегульованості річки ставками на її гідрохімічний режим.
Таким чином, застосування даної методики дозволило виявить основні фактори, що формують гідрохімічний режим р. Іква.
5.4. Гідрохімічна локальна мезосистема р. Корабельної
Річка Корабельна – ліва притока Південного Бугу. Довжина її З використанням цих даних, а також даних про водний стік річки, були розраховані модулі поверхневого і підземного стоку, показники поверхневого і підземного іонного стоку, стоку біогенних речовин.
Крім того, по картографічних та довідкових матеріалах були отримані дані про лісистість, розораність, селітебне навантаження, зарегульованість стоку річки.
Обробка даних польових досліджень з використанням даної методики дала наступні результати. Виділено 8 основних факторів формування гідрохімічного режиму річки. Їх внеску у процеси формування коливаються від 4 до 24%. Сумарний внесок виявлених факторів (за величиною загальної дисперсії ознак) склав 90%. Решта 10% припадають на другорядні фактори, які можуть не враховуватись при подальшій обробці та інтерпретації результатів досліджень. Зупинимося більш детально на виявлених факторах (табл.5.3.).
До першого фактора згрупувались ознаки , Nзаг., Mпов., стік , , Рзаг., Рмін. Це свідчить про домінуючу роль поверхневого стоку у формуванні гідрохімічного режиму річки, в першу чергу режиму біогенних речовин. Другий фактор відображає вплив характеру поверхні водозбору річки на надходження до річки речовин. Третій фактор описує протікання процесів гіпсоутворення у водному середовищі, доказом цього є тісні кореляційні зв’язки між іонів та , що вступають в асоціативні зв’язки між собою.
Четвертий фактор включає ознаки і K+ і може бути інтерпретований, як надходження у річкову мережу залишків добрив з сільськогосподарських угідь. П’ятий фактор – вплив підземного іонного стоку. Його частка 8%. Ця величина досить близька до частки підземного водного живлення малих річок степової зони України. Шостий фактор – процеси розкладу органічної речовини, надходження фосфору в водний розчин. Сьомий фактор – вплив термічного режиму річки на гідрохімічний режим. Восьмий фактор характеризує надходження з підземними водами в річкову мережу іонів та Рмін.
Така диференціація ознак процесу формування гідрохімічного режиму річки за допомогою методики, дозволяє чітко визначити групи показників, що приймають участь чи характеризують проходження тих чи інших фізико-хімічних процесів в річкових водах. Це дає можливість зосередитись на вивченні взаємозв’язків між різними факторами, поглибленому вивченні (в тому числі в лабораторних умовах) природи цих зв’язків, та їх подальшому моделюванні.
Таблиця 5.3
Результати факторного аналізу результатів
гідролого-гідрохімічної зйомки р. Корабельна
Фактори, їх внесок (%) .
Ознаки
F 1
(24%)
F 2
(16%)
F 3
(14%)
F 4
(13%)
F 5
(8%)
F 6
(6%)
F 7
(5%)
F 8
(4%)
1.
0,93
2.
-0,63
3. Cl-
4.
-0,94
5.
0,74
6. Na+
7. K+
0,92
8. t˚
0,94
9. O2
0,66
10.
0,89
11.
-0,63
12.
0,68
13. Fe заг.
14. P мін.
-0,60
15. ПО
-0,86
16. М пов.ю
0,77
17. М пов.
0,61
18. RU под.
0,85
19. RU пов.
0,54
20. G
0,79
21. G
0,62
22. G
0,79
23. G P заг.
0,81
24. G P мін.
0,89
25. Лісистість
-0,86
26. Розораність
0,93
27. Селітебне навантаження
-0,93
28. Зарегульо-ваність
-0,58
5.5. Гідрохімічна локальна мезосистема р. Росава
Річка Росава має довжину 90 км, а площа її басейну становить 1720 км2 . Вона є лівою притокою Росі і впадає в неї за 20 км від гирла.
У верхів’ї Росави розташоване м. Кагарлик, де є цукрозавод, маслозавод і інші підприємства місцевої промисловості, нижче – м. Миронівка з такими самими підприємствами. Усі ці підприємства є потенційними забруднювачами річкових вод.
Басейн річки розташований на Придніпровській височині, є рівниною, розсіченою глибоко врізаною річковою і рівчаково-балочною мережею. Басейн складений товщею третинних пісків, глин і мергелів, що залягають на фундаменті стародавніх кристалічних порід. Четвертинні відклади представлені лесами і лесовидними суглинками, ґрунтовий покрив – чорноземами.
Заплава річки лучна, заболочена, торф’яниста. Заливається під час весняної повені. Русло річки слабо звивисте, завширшки 3-5 м, місцями розширюється до 28 м. Середня глибина річки 0,3 – 0,8 м, найбільша – 2,5 м.
У 1987 р. у зв’язку з розробкою проекту експериментального водоохоронного полігону на р. Росава Українським філіалом Центрального НДІ комплексного використання водних ресурсів (УФ ЦНДІКВВР) із залученням фахівців Інституту гідробіології АН України та Київського національного університету імені Тараса Шевченка було виконано комплекс натурних гідроекологічних досліджень та їх наступна обробка за запропонованою автором методикою.
Під час проведення натурних гідрохімічних досліджень визначались наступні показники: t˚, pH, O2, , іонів , , Na++ , , Cl-, Σi, ПО, , , , , БСК5. Інститут гідробіології АН України виконав визначення деяких санітарно-бактеріологічних показників у відібраних пробах води: загальне число бактерій, алохтонні водорості, гетеротрофи, амоніфікатори, оліготрофи, колі-індекс. Крім того, були зібрані дані про характер поверхні водозбору, внесення мінеральних та органічних добрив, водний стік.
Обробка цих даних показала, що гідрохімічний режим р. Росави формується під впливом 7 головних факторів, чи 7 груп процесів, що протікають як у водному середовищі так і в контактуючих з ним середовищах.
Результати обробки наведені в табл. 5.4. Проведений її короткий аналіз. Перший фактор (35%) дуже характерний для малих річок лісостепової зони в період літньої межені. Він характеризує собою ознаки розкладу органічної речовини та її амоніфікації. Другий фактор (19%) свідчить про алохтонне походження нітратів в річковій воді та ідентифікуються як надходження нітратів з поверхневим та підземним стоком. Третій фактор характеризує собою вплив внеску добрив і зарегульованості на формування режиму головних іонів хімічного складу та іонів амонію. Четвертий фактор – гідрологічний. Регулює добові, сезонні, річні цикли змін хімічного складу річкових вод. П’ятий фактор – вплив поверхні водозбору на надходження в річку хімічних речовин. Шостий фактор – вплив населених пунктів. Сьомий фактор – надходження в річку і . Судячи з даних розрахунків, джерелом можуть бути стічні господарсько-побутові води.
Виявлені 7 факторів пояснюють 94% сумарної дисперсії усіх ознак, що приймають участь в аналізі.
Таблиця 5.4
Головні фактори формування якості води р. Росави в період літньої межені (за даними гідролого-гідрохімічної та гідробіологічної зйомки 1987р.)
Фактори, їх внесок (%)
Ознаки
F 1
(35%)
F 2
(19%)
F 3
(13%)
F 4
(10%)
F 5
(7%)
F 6
(5%)
F 7
(4%)
1. Водний стік
-0,86
2. Зарегульованість
0,54
3. Лісистість
-0,85
4. Розораність
0,96
5. Селітебне навантаження
-0,70
6. Внесення мінеральних добрив
0,59
7. Внесення органічних добрив
0,61
8. t˚
-0,77
9. pH
10. O2
0,60
11.
0,93
12. Ca2+
0,81
13.
0,66
14. Cl-
0,72
15.
0,88
16. Na++K+
0,74
17. Σi
0,93
18. ПО
0,91
19.
0,76
20.
0,90
21.
-0,96
22. N мін.
0,91
23.
-0,63
24. БСК5
0,91
25. Загальна чисельність бактерій
0,91
26. Алохтонні водорості
0,60
27. Гетеротрофи
0,62
28. Амоніфікуючі бактерії
0,88
29. Оліготрофи
0,60
5.6. Гідрохімічна регіональна макросистема
басейну р. Південний Буг
Розроблену методику можна застосовувати не тільки при вивченні окремих малих річок, але й великих річкових басейнів. Для її апробації обрано р. Південний Буг, водозбірна площа якого розміщена на Подільській і Придніпровській височинах та Причорноморській низовині в межах Вінницької, Київської, Кіровоградської, Миколаївської, Одеської, Хмельницької та Черкаської областей. Площа басейну становить 63700 км2, довжина річки – 806 км.
Басейн Південного Бугу характеризується високим рівнем господарської освоєності території. Тут розміщено 70 адміністративних районів, 35 міст, в яких проживає 4,2 млн. чоловік, що складає 8% населення України. Водозбір річки характеризується високим ступенем сільськогосподарської освоєності. Сільськогосподарські угіддя складають 74 – 90%, а розораність території річкових басейнів – в середньому 70%, що перевищує екологічну межу [292].
Господарська діяльність призвела до зменшення площ природних ландшафтів, в результаті чого активізувалися ерозійні процеси. Площа еродованих земель в окремих басейнах перевищує 50 – 70%, а щорічний змив ґрунту з 1 га досягає 10-30 тонн [292].
Незважаючи на значне скорочення обсягів водокористування, безповоротні втрати води і скид забруднюючих стоків залишаються досить високими, що також обумовлює значне антропогенне навантаження на водні ресурси басейну.
Для проведення досліджень та збору інформації були обрані створи Державної гідрометеорологічної служби України на 22 річках басейну Південного Бугу. Для характеристики процесів формування гідрохімічного режиму річок басейну Південного Бугу використано 28 показників, серед яких дані про хімічний склад річкових вод, характеристики стану поверхні водозбору, дані про стічні води, підземний та поверхневий водний стік (табл.5.5.).
Аналіз цих ознак виявив 7 головних факторів формування гідрохімічного режиму річок басейну. Перший з них – це формування хлоридно-натрієвого складу води, процеси накопичення біогенних елементів. Другий фактор – вплив стічних вод, третій – поверхні водозбору. Четвертий фактор оцінює вплив підземних вод на формування гідрохімічного режиму річок. П’ятий фактор – вплив озерності та заболоченості. Шостий фактор характеризує вплив рельєфу на формування водного стоку, а сьомий - особливу роль К+ в гідрохімічному режимі річки, яка пояснюється тим, що останній надходить головним чином із антропогенних джерел (стічні води, добрива). Виявлені 7 факторів охоплюють 87,3% загальної дисперсії ознак, що характеризує гідрохімічний режим.
Таблиця 5.5
Результати факторного аналізу даних по басейну р. Південний Буг
Показники
Фактори, та їх сумарна вага (%)
F 1
37,8
F 2
51,3
F 3
61,6
F 4
70,1
F 5
78,1
F 6