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   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28


Тому на сучасному рівні розвитку гідрохімічних досліджень назріла необхідність застосування до вивчення цих процесів системного підходу, який би дозволив досліджувати хімічний склад води як систему взаємопов’язаних хімічних елементів, що сформувалася у різних типах природних вод під впливом певного комплексу природних і антропогенних факторів і функціонує в певних просторових межах як геосистема.


Саме обґрунтуванню цього підходу шляхом огляду та аналізу наукової літератури з теми досліджень і присвячено перший розділ представленої роботи.


1.1.Хімічний склад води як системна категорія


Інтерес до складу води як основи життя на Землі виник у людей ще в давні часи, коли зароджувалися природничі науки. Саме тому вона спершу стала об’єктом досліджень філософів. Один з них, грецький мислитель Аристотель (322 р. до н.е.), констатував, що вода така, як і породи, через котрі вона протікає. Подібні думки висловив про склад води і римський природознавець Пліній Молодший ( 23 – 79 рр. н.е.), який зробив спробу описати властивості термальних вод, що широко використовувались у Древньому Римі.


Похмура епоха середньовіччя не внесла нічого нового в пізнання складу води і лише в 1770 році французький хімік Лавуазьє зробив надзвичайно важливе відкриття про те, що вода – це сполука кисню та водню.


Лише через 100 років російським хіміком Д.І. Мендєлєєвим було зроблено наступний крок у дослідженні хімічного складу води. Він вперше у 1871 році у своїй роботі “Основы химии” заявив, що природна вода є розчином солей.


Дослідження Д.І. Мендєлєєва та інших вчених-хіміків сприяли розробці аналітичних методів дослідження води.


В цей же час у зв’язку з промисловою революцією зросла потреба у знаннях про якість води, яка почала широко використовуватися у парових котлах, технологічних процесах та для водопостачання швидко зростаючих міст.


За даними Г.А.Максимовича [12], починаючи з другої половини ХІХ сторіччя, у Росії вже вивчався хімічний склад природних вод різними фахівцями: бальнеологами, гідрологами, гігієністами, океанологами, ґрунтознавцями, геологами та інженерами. Однак ці наукові роботи проводилися незалежно і були присвячені вирішенню різних практичних задач.


Нерозуміння системного характеру формування хімічного складу води, привело до того, що гідрохімія досить пізно розпочала дослідження різних взаємозв’язаних категорій природних вод.


Прикладом доступних для вивчення опублікованих результатів тогочасних досліджень може бути монографія співробітника Київського університету Ф.Ф.Кіркора (1907 р.) про хімічний склад води р. Рось у зв’язку із проектуванням та будівництвом цукрових заводів в Україні [13].


В 1924 році у США з’являється робота Ф. Кларка “Геохімічні дані” [ 14 ], у якій були вперше узагальнені дані про вміст хімічних елементів у природних водах. Ця робота привернула до себе значну увагу світової наукової громадськості і сприяла розвитку геохімічних досліджень в інших країнах.


Згодом, на протязі 1933 - 1936 рр., російський геохімік В.І.Вернадський публікує свою “Історію природних вод” [15], у якій він теж узагальнює та аналізує дані про хімічний склад природних вод. Однак він розглядає різні види води як мінерали, а їх хімічний склад характеризує, як і Ф.Кларк, у вигляді процентів елементів.


Важливим висновком робіт В.І.Вернадського стало його вчення про єдність води в природі, про взаємозв’язок усіх компонентів гідросфери. “Будь-який прояв природи – глетчерний лід, безмірний океан, річка, грунтові розчини, гейзер, мінеральне джерело – становить едине ціле, яке прямо, або опосередковано, але глибоко зв’язане між собою” , - писав В.І.Вернадський [15].


Гідрохімічні дослідження першої половини ХХ століття носили виключно описовий характер. Хімічний склад води річок, водосховищ та інших водних об’єктів характеризувався у роботах Г.І. Долгова (1928) [16], В.П. Матвєєва (1930) [17], К.А. Макарової (1936) [18], Я.В. Ролла (1936) [19], М.К.Тарана (1936) [20], С.А. Гусинської (1936) [21], А.В. Францева та С.К. Лєбєдєва (1941) [22], Д.П. Малюги (1943) [23], Б.А. Скопінцева (1950) [24], Г.Д. Коненко (1952) [25].


У роботах Є.С. Бурксера, Н.Е.Федорової, Б.Б. Зайдіс (1952) [26] та К.К. Вотінцева (1954) [27] з’явилися перші дані про хімічний склад атмосферних опадів а у роботах В.А. Приклонського (1935) [28], М.Е. Альтовського (1950) [29], А.М. Овчинникова (1954) [30] – дані про хімічний склад підземних вод.


Зростання антропогенного впливу на воді об’єкти змусило зосередити увагу на вивченні ролі окремих джерел надходження забруднюючих речовин: промислових та господарсько-побутових вод [31], стічних вод сільського господарства [32].


Узагальнивши вітчизняний та зарубіжний досвід гідрохімічних досліджень цього періоду, О.О.Алекін публікує перші підручники з гідрохімії – “Загальну гідрохімію” (1948 р.) [33] та “Основи гідрохімії” (1953 р.) [34], у яких він вперше сформулював визначення гідрохімії як науки, що “вивчає хімічний склад природних вод та його зміни в просторі та в причинному взаємозв’язку з хімічними, фізичними та біологічними процесами, які протікають в навколишньому середовищі”.


Саме це визначення російського вченого-гідрохіміка вперше розкрило системну суть формування хімічного складу природних вод і дало підстави для розгляду хімічного складу води як системної категорії.


Невдовзі В.В.Глушков, опираючись на роботи В.В. Докучаєва, А.І.Воєйкова та використовуючи досвід О.О. Алекіна, запропонував географо-гідрологічний метод дослідження природних вод [35]. Під час його обґрунтування він розробив положення про зв’язок хімічного складу вод географічного ландшафту з кліматичними умовами, геологічною будовою та рельєфом території, грунтами та рослинністю. Розвиваючи цей принцип, П.П.Воронков [36] показав залежність хімічного складу вод місцевого стоку від умов середовища, у якому відбувалося його формування.


Таким чином, вже з початку формування гідрохімії як науки в її теоретичну основу було покладено принцип системного підходу, тобто предмет дослідження гідрохімії - хімічний склад води вважався одним із елементів великої природної системи, результатом дії різноманітних чинників навколишнього середовища.


Вчення про формування хімічного складу вод гідросфери сформульовано в працях видатних зарубіжних і вітчизняних геохіміків та гідрохіміків Р.Гаррелса [38], Р.Гіббса [39, 40], С. Девіса та Д. Цобріста [41], К. Девіса [42 ], Т.Пачеса [43], В. Штумма і Дж. Моргана [44], Дж. Дривера [45], О.О. Алекіна [46], А.І.Перельмана [47], Є.В.Посохова [48], В. І. Пелешенка [49].


Так, Р.Гаррелс (1967) дослідив особливості хімічного складу деяких річкових потоків та озер і запропонував “концепцію рівноваги (хімічної) в природних водних системах”. У його наступних роботах, які були написані з співавторами [38], досліджено природні цикли вуглецю, сірки та кисню а також виконано оцінку антропогенного впливу на них.


Р. Гіббс (1967) виконав гідрохімічні дослідження річкової системи Амазонки, в результаті яких ним вперше було виявлено фактори формування мінералізації, хімічного складу води та завислих речовин цієї річки. Дані цих та інших досліджень дозволили йому в 1970 р. виявити механізми контролю хімічного складу вод [39].


С. Девіс та Д. Цобріст (1978), використовуючи дослідження K. Девіса (1962) про асоціації іонів у природних водах [42], вивчили вплив природних та антропогенних факторів на утворення асоціативних зв’язків у природних водах [41]. Це дослідження слід розцінювати як важливий крок до вирізнення процесно-функціональних хімічних систем у природних водах.


T. Пачес (1976) дослідив кінетику хімічних реакцій у природних водних системах [ 43].


Важливою віхою на шляху до системного вивчення хімічного складу природних вод стало монографічне дослідження В.І. Пелешенка (1975) [49]. У цій роботі вперше для території України було виконано оцінку взаємозв’язку хімічного складу різних типів природних вод суші.


Початок 80-х років минулого сторіччя ознаменувався появою фундаментальних узагальнюючих праць у галузі гідрохімії. Це роботи В. Штумма та Дж. Моргана (1981) [44], Дж. Дривера (1982) [45], Є.В Посохова (1981) [48], А.І. Перельмана (1982) [47], у яких, як і у переробленому виданні «Основ гідрохімії» О.О.Алекіна (1970) [46], проводиться ідея про єдність хімічних процесів, що протікають в усіх природних водах та про їх системну обумовленість складним комплексом природних та антропогенних факторів.


Ця ідея набуває все більше прихильників серед дослідників, які втілюють її у сучасних дослідженнях водних об’єктів. Так, у роботі Д. Клоу та Дж. Сьюкера (2000) [50] на прикладі дев’яти річкових басейнів США показано залежність хімічного складу води від геологічних та геоморфологічних умов , від характеру рослинності.


Подальшого розвитку системний підхід до вивчення хімічного складу природних вод набув і у працях вітчизняних вчених. Найпомітнішими роботами останнього періоду, у яких було розвинуто і поглиблено географо-гідрологічний метод у гідрохімії є результати досліджень В.К. Хільчевського [51,52]. Ним було розроблено і успішно застосовано геосистемно-гідрохімічний метод для дослідження хімічного складу і стоку різних типів природних вод (атмосферних опадів, силових, річкових, ґрунтових, підземних вод) на елементарних водозборах (геосистемах) малих річок з урахуванням впливу фізико-географічних і антропогенних факторів.


Деякі аспекти концепції багатофакторності формування хімічного складу вод та його системної природи було також розглянуто в наших роботах [53 - 62].


На основі результатів проведеного аналізу виконаних досліджень нами запропоновано графічну схему формування хімічного складу природних вод (рис.1.1). Вона характеризує складну сукупність процесів обміну хімічними речовинами природних вод з іншими природними середовищами в різних географічних умовах та при різному антропогенному навантаженні.


Тому досить коректним є подання загальної сукупності процесів формування якості води як результату впливу складного комплексу природних і антропогенних факторів (рис.1.1).


Рис.1.1. Обмін хімічними речовинами між водою та іншими середовищами.


Цифрами показані деякі потоки речовин та енергії (1 – адсорбція донними осадами (ґрунтами), 2 – десорбція із донних осадів (ґрунтів), розчинення мінералів гірських порід, 3 - виділення екскрементів водних організмів, 4 - біоакумуляція хімічних речовин у гідробіонтах, 5 - надходження речовин з опадами, 6 – випаровування з поверхні водойм і зв’язаний з ним потік речовин, 7 – внесення агрохімзасобів, меліорації, водна ерозія, що спричинена механічною деформацією структури ґрунту; 8 - скидні води, водний транспорт, зарегулювання стоку; 9 - викиди забруднюючих речовин в атмосферу).


Багатофакторність процесу формування якості води обумовлює складність його вивчення, а відсутність надійних теоретичних та методичних


розробок, інструментальних методів знецінює спроби розкриття механізму її формування, перешкоджає вивченню і розробці науково обґрунтованих підходів до управління та раціонального регулювання якості води.


Структуру причинно-наслідкових системних зв`язків процесу формування хімічного складу води обумовлює комплекс факторів, який в свою чергу характеризується великим переліком різноманітних показників (табл. 1.1) Вони відображають внутрішню структуру та специфічні властивості даного фактора. Так, гідрологічний фактор включає характеристики водного стоку (усі категорії поверхневого та підземний), коливання рівнів води в озерах та водосховищах [63, 64], твердий стік [65,66], показники руслових процесів [67], які впливають на формування хімічного складу води. Вплив цього фактора на різні аспекти формування хімічного складу води досліджувався у роботах Дж. Делфіно [68], В.В.Фадєєва, М.Н. Тарасова, В.Л. Павелко [69], Г.Хелмана [70], А. Холмеса з співавторами [71], В. Льюіса та М.Гранта [72], Дж. Гріве [73]. Подібні дослідження були проведені і в Україні за участю автора [74-77]. Дані дослідження показали, що водний стік є інтегральним показником впливу природних факторів на формування хімічного складу вод [77].


Таблиця 1.1


Система факторів формування хімічного складу води


Фактори


Гідрологічний та метеорологічний

Гідробіологічний

Геологіч-


ний

Фізико-географічний

Антропогенний


Характеристики факторів


Водний стік (поверхневий і підземний)


Твердий стік


Коливання рівнів води


Руслові процеси Опади


Сонячна радіація


Випаровування


Циркуляція повітряних мас

Біоакумуляція хімічних речовин під час продукційних процесів


Виділення хімічних речовин під час деструкційних процесів


Хімічний склад гірських порід


Умови залягання

Характер рельєфу


Ґрунтовий покрив


Ерозійні процеси


Лісистість


Заболоченість


Озерність


Геоландшафтні характеристики


Стічні води Добрива та засоби захисту рослин


Меліорація


Тваринництво


Регулювання стоку


Селітебне навантаження


Метеорологічний фактор характеризується перш за все кількістю опадів, які визначають не тільки величину водного стоку, а й його хімічний склад. Важливими характеристиками також є сонячна радіація, що регулює температурний режим водних об’єктів та, разом з цим, впливає на швидкість протікання фізико-хімічних процесів у воді. Процеси випаровування регулюють водно-сольовий баланс водних об’єктів. Циркуляція повітряних мас сприяє перемішуванню водних мас різного хімічного складу у озерах та водосховищах.


Найбільш дослідженим аспектом впливу даного фактора є оцінка надходження хімічних речовин з атмосферними опадами на території водозборів річок та акваторії озер і водосховищ [78-84]. В межах території України такі дослідження були проведені Є.С. Бурксером, Н.Е.Федоровою, Б.Б. Зайдіс [26], М.І. Ромасем [85], С.І.Сніжком [86]. Гідробіологічний фактор характеризується поглинанням (біоакумуляцією) хімічних речовин із водного розчину під час протікання продукційних процесів та виділенням хімічних речовин під час деструкційних процесів. Його вплив особливо відчутно позначається на формуванні хімічного складу стоячих, чи слабопроточних вод [87].


Фізико-географічний фактор описує особливості ландшафту, в якому проходить формування хімічного складу води конкретної річки. Може включати характеристики ґрунтового покриву, лісистості, заболоченості, озерності, еродованості тощо. Прикладом дослідження впливу цього фактора можуть бути наступні роботи [50, 88].


Роль антропогенного фактора у системі факторів і ступінь участі його у загальних процесах визначається наступними ознаками [89, 90]: розораність, стічні води, внесення добрив та засобів захисту рослин, меліорованість, густота населення, питома вага поголів`я великої рогатої худоби, інших тварин, зарегульованість стоку, селітебне навантаження тощо.


Кількість характеристик, що представляють ці фактори, може змінюватись в залежності від складності поставленої задачі, можливості їх інструментального визначення, наявності тих, чи інших видів господарської діяльності, фізико-географічних особливостей території.


Таким чином, в результаті виконаного аналізу літературних даних та досвіду власних багаторічних досліджень можна зробити висновок про системний характер формування хімічного складу природних вод. Він є результатом дії різноманітних природних та антропогенних факторів навколишнього середовища, одним із елементів природної системи, проявом речовинно – енергетичних зв’язків між її компонентами.


1.2. Системний підхід до вивчення природних утворень


Перш ніж знайти місце хімічного складу води в системі категорій та понять теорії природних систем, необхідно розібратися власне в сутності поняття природна система.


Український географ-ландшафтознавець М.Д.Гродзинський розуміє під природною системою певну множину елементів природного походження, існуючі зв’язки між якими зумовлюють прояв природи в таких якостях та реалізації нею таких функцій, які без взаємодії елементів були б неможливими [91].


Водні розчини розглядаються К.А. Позаченюком (1999) як компонент природної системи, що в свою чергу є складним і комплексним. Завдяки взаємодії таких компонентів створюються цілісні геосистеми, що пов’язані із зовнішнім середовищем [92].


Саме завдяки розвитку ландшафтознавства сучасна географія отримала добре розвинуту методико-теоретичну базу досліджень природних систем.


Ця методика базується на загальній теорії систем, розвинутої у роботах як західних [93, 94], так і вітчизняних філософів і природознавців [95-97]. Слід зазначити, що ця теорія є нічим іншим як творчим розвитком принципів матеріалістичної діалектики, яка формулюється як наука про загальні закони руху та розвитку природи, людського суспільства та мислення, як наука про загальні зв’язки [96].


У географії системний підхід набув великої популярності з 60-х років ХХ століття, коли географи та екологи почали трактувати предмети своїх досліджень як системи.


Вперше це поняття було введено в географію в 1963 р. В.Б. Сочавою [98], коли він застосував термін “геосистема” як синонім поняття “природний комплекс”. Під нею він розумів природно-територіальний комплекс, який як об’єкт, що має основні властивості систем, повинен досліджуватися як система.


Дефініцію геосистеми В.Б. Сочава сформулював надто загально [91], проте її ключові елементи виділені ним досить чітко: геосистема – матеріальний об’єкт; її складають природні елементи, а антропогенні та людина розглядаються як зовнішнє середовище; геосистемою вважається як елементарна ландшафтна одиниця (фація), так і геосфера в цілому; геосистема виділяється як об’єм простору , в межах якого геокомпоненти мають специфічний характер усіх типів зв’язків; існує тільки один об’єктивний варіант поділу простору на геосистеми; геосистема – категорія динамічна і проявляється за деякий проміжок часу.


Усі наступні міркування щодо поняття “геосистема” мали натуралістський (матеріальний) характер. Спільними рисами натуралістського бачення геосистеми є [99]:


1) геосистема – це матеріальне утворення ;


2) геосистеми можуть бути різного змістовного наповнення;


3) геосистеми – ієрархічні структури (від географічної оболонки до ландшафтної фації);


4) найбільша за рівнем організації геосистема не тотожна землі як планеті та Всесвіту, а охоплює лише невеличку частину просторово-часового континууму;


5) геосистеми – земні утворення;


6) визначаються геосистеми емпірико-індуктивним методом.


В наш час традиційні об’єкти географічних досліджень все більше розглядаються з точки зору загальної теорії систем. З позицій системного підходу аналізуються питання функціонування, саморегулювання, стійкості природних систем тощо [97, 100 - 109]. На думку багатьох дослідників [110,111], серед безлічі природних систем існують і функціонально-цілісні геосистеми, виділення яких базується на принципі динамічного спряження та функціональної цілісності. Системоутворюючою основою цих геосистем є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.


С.Д Муравейський [112] запропонував використовувати особливості речовинно-енергетичних полів у ландшафтах для визначення територіальних меж геосистем: “ ... встановлення меж географічних комплексів визначається головним чином різкою зміною шляхів міграції солей (елементів), їх якісного складу, порушеннями кругообігу речовин”.


Аналогічні ідеї належать також Б.Б.Полинову про виділення елементарних ландшафтів за геохімічними ознаками [113].


М.А. Глазовська [114, 115] називає елементарні ландшафти Б.Б. Полинова елементарними ландшафтно-геохімічними системами (ЕЛГС).


Розвиваючий цей введений М.А. Глазовською, але не визначений термін, українська вчена-ландшафтознавець Л.Л. Малишева [116] дає йому визначення: “Ландшафтно-геохімічні системи (ЛГС) – це будь-які структурні одиниці географічної оболонки (геосистеми різних рангів), утворення і розвиток яких пов’язані з певним хімічним складом їх компонентів і міграцією хімічних елементів між ними, що й забезпечує цілісність системи”.


Застосовуючи принцип функціональної цілісності геосистем, О.В. Кадацька запропонувала розглядати річковий водозбір як геосистему, а гідрохімічні показники використати в якості індикаторів цієї геосистеми [117]. Головною функцією цієї геосистеми є генерація односторонньо направленого водного потоку, який формується в результаті сукупного впливу фізико-географічних факторів.


Ввівши поняття гідрохімічної підсистеми, вона вважає її центральною в геосистемі річкового водозбору.


Аналізуючи вищеназвані роботи, слід зауважити, що всі вони характеризують більш, або менш вдалі спроби реалізації геосистемних методів для аналізу природних утворень (ландшафтів, річкових водозборів тощо) як геосистем. Проте власне водні об’єкти в них не розглядаються як природні системи.


В.К. Хільчевський [8, 51, 52] сформулював необхідність застосування системного підходу до вивчення процесів формування хімічного складу води та успішно застосував запропонований ним геосистемно-гідрохімічний метод для дослідження хімічного складу і стоку різних типів природних вод .


Важливим кроком в розвитку системного підходу до вивчення водних об’єктів є робота В.М. Самойленка [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.