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

Вид материала

Документы

Содержание Характеристика гідрохімічної системи перехідного типу (на прикладі шельфової гхс джарилгацької затоки чорного моря)

Подобный материал:

• 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.

83,2

F 7


87,3


1.Модуль стоку


-0.88


2. Густота руслової мережі


0,74


3.Ухил річки


0,66


4.Озерність


-0,71


5.Заболоченість


-0,73


6..Лісистість


0,95


7. Селітебне навантаження


0,61


8. Опади,мм


-0,61


9. Підземний стік


0,61


10. Завислі речовини

-0,93


11. (стік)


12.


0,74


13. Ca2+


0,70


14.

-0,79


15. Na+

0,73


16. K+


0,91


17. СПАР


18.

-0,86


19.

0,93


20. Р мін.

0,98


21. Р заг.

0,98


22. Fe заг.

0,84


23. Sі


24. Сu

0,97


25. Zn


0,87


26.Стічні води

-0,63


27.Розораність


0,96


28. Cl-

0,77


5.7. Оптимізаційні розрахунки впливу антропогенних факторів на формування параметрів


гідрохімічних басейнових систем


Представлена в розділі 3 методика оптимізації системоформуючих факторів апробована під час проведення оптимізаційних розрахунків впливу антропогенних факторів на формування параметрів гідрохімічних систем річок Бутені (притока Росі) та Корабельної (притока р. Південний Буг). Розрахунки базувалися на даних експедиційних досліджень, виконаних на цих річках співробітниками Проблемної науково-дослідної лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського університету імені Тараса Шевченка під керівництвом автора.


У формуванні гідрохімічного режиму та якості води р. Бутені, як показали результати розрахунків, приймають участь п’ять головних факторів:


1. вплив характеру поверхні водозбору (43%);


2. вплив зарегульованості на річковий стік та протікання фізико-хімічних процесів у водному середовищі (18%);


3. продукційно-деструкційні процеси (13%);


4. гідродинамічний фактор (9%);


5. вплив населених пунктів (селітебне навантаження) – 7%.


Для проведення подальших досліджень у напрямку відшукання причинно-наслідкових кореляційних зв’язків окремих показників гідрохімічного режиму з факторами його формування було проведено кореляційний аналіз масиву даних спостережень. Найбільш цікаві для подальшого ходу досліджень кореляційні зв’язки між головними характеристиками виявлених факторів та показниками якості води зведені у таблиці 5.6. Оскільки досліджувались показники стоку всіх хімічних компонентів, то приводяться результати розрахунків зв’язків між стоковими характеристиками та характеристиками факторів.


Таблиця 5.6


Залежність деяких компонентів хімічного складу води р. Бутені та показників їх стоку від головних характеристик виявлених факторів формування гідрохімічного режиму


Показник хімічного стоку

Характеристики факторів


(в дужках коефіцієнт кореляції)


Nзаг.

Лісистість (0,65), модуль стоку (0,75), зарегульованість (-0,61), розораність (-0,56)


Рзаг.

Лісистість (-0,54), розораність (0,61), зарегульованість (-0,58)


Rі

Модуль водного стоку (0,98), розораність (-0,78), селітебне навантаження (0,48)


Для гідрохімічного режиму р. Корабельної визначальними являються такі фактори: 1) вплив поверхневого стоку (24%); 2) вплив характеру поверхні водозбору (16%); 3) процеси гіпсоутворення (14%); 4) надходження решток добрив (13%); 5) вплив підземного живлення (8%).


Якщо для кожного фактора виявити його визначальні характеристики та прокорелювати їх з показниками хімічного складу води, то можна виявити структуру причинно-наслідкових зв’язків процесу формування гідрохімічного режиму р. Корабельної (табл. 5.7).


Виявлення наявності зв’язку між показниками гідрохімічного режиму, якості води дає змогу до розрахунку рівнянь багатофакторної регресії, що описує залежність показників якості води дає змогу перейти до розрахунку рівнянь багатофакторної регресії, що описує залежність показників якості води від декількох факторів одночасно.


Таблиця 5.7


Залежність деяких показників гідрохімічного режиму р. Корабельної від характеристик факторів його формування


Показник хімічного складу

Характеристики факторів (в дужках коефіцієнти кореляції)


Рмін.

Поверхневий стік (0,56), розораність (-0,61), селітебне навантаження (0,53)


NO3

Залісеність (0,52), розораність (-0,58), селітебне навантаження (0,60)


Nмін.

Залісеність (0,62), розораність (-0,59), селітебне навантаження (0,60), зарегульованість (-0,71)


åі

Поверхневий стік (0,66), селітебне навантаження (0,62)


В перелік хімічних компонентів і по р. Бутені, і по р. Корабельній (див. табл. 5.6 та 5.7) включені тільки ті показники, які, по-перше, дійсно знаходяться під впливом певних об’єктивно існуючих в межах водозбору факторів, а отже можуть бути регульованими, по-друге, надходячи до поверхневих вод можуть дестабілізувати рівновагу в водних об'єктах.


Кореляційний аналіз результатів польових досліджень показав, що для окремих показників якості води спостерігається одночасний зв’язок з декількома факторами, вірніше характеристиками цих факторів. Це свідчить про складний процес формування і гідрохімічного режиму річки і якості її води, який відбувається під впливом одночасної дії цілого комплексу чинників.


Використовуючи математичний апарат факторного та кореляційного аналізу ми зробили спробу виявити основну структуру цього процесу та систему кореляційних зв’язків між показниками якості та характеристиками факторів формування.


Для апроксимації цих складних залежностей, їх математичного описання, використано багатофакторні регресійні моделі, розрахунки яких виконувались на персональному комп’ютері.


Результати розрахунків для р. Бутені представлені у вигляді таких рівнянь


Nзаг. = 0,43-0,0027 Fрозор. + 0,059 0,005 Fліс. (5.1)


Рзаг. = 0,00024 Fрозор. + 0,00006 Fліс. – 0,0043 (5.2)


Рзаг. = 0,0003 Fрозор. – 0,008 Fзарег. + 0,00023 Fміс. – 0,0011 (5.3)


Rі = 52,4 + 40,9М –0,79 Fліс. -0,48 Fрозор. – 0,05 Fнос. (5.4)


Rі = 2,97 Fліс. + 1,10 Fрозор. + 1,76 Fнас. - 68,2 (5.5)


де Nзаг., Рзаг. – показник стоку загального азоту та загального фосфору в кг/км2;


Rі – показник іонного стоку, кг/км2;


Fрозор. – частка розораної площі водозбору, %;


Fзарег. – частка площі, занята ставками, водосховищами, що розміщені безпосередньо на річці та її притоках, %;


Fліс. – частка залісеності площі водозбору, %;


Fнас. – частка площі водозбору, зайнята населеними пунктами, %;


М – модуль стоку річки, л/с з км2.


Для випадку р. Корабельної отримані такі рівняння:


Рмін. = 0,41 + 0,0007Q – 0,0043 Fроз. + 0,005 Fнас. (5.6)


NO3 = 11,8 + 0,04 Fнас. – 0,42 Т + 0,99 Fліс. (5.7)


Nмін. = 0,18 Fліс. + 0,32 Fрозор. + 0,73 Fнас. + 2,8 Fзарег. – 30,1 (5.8)


åі = 1083,0 + 0,90Q + 253,4 Fзарег - 17,2 Fнас. (5.9)


де Рмін., NO3, Nмін. , åі – концентрації відповідно мінерального фосфору, нітратного азоту, мінерального азоту та величина мінералізацій.


Q – витрата води, м3/с.


Для оцінки точності цих рівнянь проведені розрахунки, результати яких показано в табл. 5.8.


Таблиця 5. 8


Точність розрахунків за оптимізаційними рівняннями


Характеристика

№ рівняння

Помилка розрахунків для замикаючого створу, %

Помилка розрахована за формулою 4.14


Nзаг.

5.1

2,7

10,2


Рзаг.

5.2

31

15


Рзаг.

5.3

28,5

80


Ri

5.4

5,3

32


Ri

5.5

1

14


Рмін.

5.6

13,8

40


NO3

5.7

24

32


Nмін.

5.8

40

45


åі

5.9

20

36


В таблиці приведено два види розрахункових помилок. Перша розраховувалась шляхом порівняння розрахункової величини концентрації, чи показника стоку хімічного компоненту з її фактичною величиною в замикаючому створі річок Бутені та Корабельної. Для таких випадків величина помилки розрахунків коливалась від 1 до 40%, що цілком задовільно, враховуючи кількість включених у рівняння факторних характеристик та складну природу їх формування. Друга помилка розраховувалась за рівнянням 4.14 і дає загальну оцінка точності розрахункових рівнянь. На більшу амплітуду точності (від 10,2 до 80%) вплинула значна варіація фактичних даних спостережень у кожному пункті відбору проб води. Для розрахунку Рзаг. У воді р. Бутені запропоновано дві формули: двофакторна (5.2) та трифакторна (5.3). Більшу точність розрахунків показала формула 5.2. Аналогічні результати отримані із застосуванням формул для розрахунку Rі: чотирифакторну (5.4) та трифакторну (5.5). Точнішою виявилась формула 5.5.


Із аналізу отриманих рівнянь та результатів їх апробацій та даних фактичних вимірів концентрацій хімічних компонентів можна зробити висновок, що, по-перше, подібного типу рівняння можна успішно використовувати для проведення гідрохімічних розрахунків; по-друге, по можливості треба вибирати рівняння з меншою кількістю характеристик факторів формування (бажано дво-, або трифакторне).


Багатофакторні регресійні рівняння залежності концентрацій хімічних компонентів, чи показників їх стоку від характеристик двох-, трьох і більше факторів являють собою своєрідні математичні моделі, що описують процес формування якості води, точніше деяких її невід’ємних компонентів. Знаючи співвідношення між деякими характеристиками ландшафту водозбірної території та показниками якості води, що ув’язані між собою факторним рівнянням, можна виконувати розрахунки для оптимізації співвідношення формуючих факторів у їх вплив на якість води. Такі розрахунки повинні проводитись шляхом підбору можливих характеристик, таких величин, які можна реально встановити у ландшафті водозбору, шляхом перепланування функціональної структури ландшафту. При цьому, перш за все, повинні бути поставлені високі вимоги до розрахункових рівнянь. Критеріями для використання їх повинна служити достатньо висока точність розрахунків (помилка розрахунків не повинна перевищувати середнє квадратичне відхилення ряду фактичних спостережень за тим чи іншим показником). По-друге, треба мати на увазі, що рівняння багатофакторної регресії, хоч і охоплюють одночасно декілька чинників процесу формування якості води, але все ж вони являють собою занадто схематичну, далеко не досконалу модель цього процесу. Отже, при відборі таких залежностей необхідно враховувати ступінь повноти їх опису процесів формування. В той же час слід запобігати ускладненню рівнянь зайвими характеристиками тих факторів, що не вносять суттєвого вкладу у формування якості води, бо це приводить до значних помилок при подальших розрахунках.


Слід також мати на увазі, що застосування багатофакторних рівнянь дає досить задовільні результати лише у межах певного діапазону коливань концентрацій показників хімічного складу води. Так, скажімо, якщо рівняння 5.2 розраховане для концентрацій від 0,05 до 0,18 мг/дм3, то використання його для розрахунків з метою оптимізації впливу фосфору у воді до 0,01 мг/дм3 (практично концентрація початку евтрофікації) не дасть бажаного результату. Рівняння 5.2, як і інші, розраховані вище для біогенних елементів, описує сучасний евтрофований стан річкової екосистеми. Отже його використання обмежене. За його допомогою можна лише розрахувати незначну зміну співвідношення елементів ландшафту, яке втім не дасть бажаного кінцевого результату, оскільки не описує стан переходу водної системи з евтрофного на оліготрофний. Однією з причин недосконалості таких рівнянь для оптимізаційних розрахунків є те, що на причинно-наслідковий зв’язок концентрацій хімічного компоненту у воді річки з факторами формування накладається у значній мірі вплив процесів фізико-хімічної трансформації речовини у водоймі, процеси вторинного забруднення. Тому це питання потребує ще додаткового вивчення за умови наявності необхідного матеріального забезпечення для проведення досліджень.


Використання встановлених рівнянь для оптимізації впливу різних факторів на вміст названих хімічних речовин можливе вже зараз. Це можна показати на прикладі рівняння 5.9. Послідовний підбір характеристик чинників, що входять до рівняння, показує слідуюче. При витраті 10 л/с, зарегульованості стоку 0,5% та селітебному навантаженні всього 1% мінералізація води буде досягати 1201,5 мг/дм3, що на 201,5 мг перевищує гранично-допустимий вміст солей у воді, яка використовується для пиття. При зміні співвідношення чинників формування (витрата 100 л/с), зарегульованість без змін, селітебне навантаження 16% вміст розчинених солей у воді може знизитись до 1000 мг/дм3.


В завершення можна зробити висновок, що використання при гідрохімічних дослідженнях багатофакторних регресійних рівнянь, що описують залежність показників гідрохімічного режиму та якості води від декількох, одночасно діючих факторів є досить перспективним напрямком. Однак остаточні науково-методичні рекомендації з цього питання можуть бути розроблені лише при проведенні тривалих гідрохімічних дослідженнях на малих річках України з різним рівнем антропогенних навантажень та різним станом евтрофованості їх водних екосистем. Такі дослідження повинні ґрунтуватися, головним чином, на експериментальних експедиційних дослідженнях в умовах польових стаціонарів і повинні бути добре матеріально і технічно забезпечені.


5.8. Особливості гідрохімічних систем


різного рівня розмірності


Таким чином, в даному розділі досліджено гідрохімічні системи різного рівня з різною структурою використання водозборів та антропогенного впливу. Саме через це дуже важко виявити в них шляхом порівняльного аналізу типові процесно-функціональні структури, адже ці структурні елементи гідрохімічних систем надзвичайно мінливі у часі і просторі. Їх мінливість обумовлена зміною речовинно-агрегатної структури гідрохімічних систем у залежності від зміни видів та міри впливу системоформуючих факторів.


Проте, оскільки питання про типові фактори формування гідрохімічних систем є надзвичайно актуальним, можна зробити спробу виконати певну типізацію факторів формування гідрохімічних систем, досліджених у 4 та 5 розділах роботи.


З цією метою використано інформацію про перші три приоритетні фактори як такі, що відіграють вирішальну роль у формування кожної дослідженої системи (табл. 5.9).


Таблиця 5.9


Пріоритетні фактори формування гідрохімічних систем


Гідрохімічна


система

Площа,


км2

Назва (за класифікацією ГХС)

Приоритетні фактори, %


І

ІІ

ІІІ


Південний Буг

63700

Регіональна макро-ГХС ІІ порядку

Процеси у водному об’єкті (35%)

Стічні води


(12,5%)

Поверхня водозбору


(10,3%)


Житомирське Полісся

29000

Регіональна макро-ГХС І порядку

Поверхня водозбору


(19%)

Ерозія/


дефляція (16,3%)

Меліорація


(15,9%)


Росава

1720

Локальна


мезо-ГХС ІІ порядку

Процеси у водному об’єкті (35%)

Поверхня водозбору


(19%)

Зарегульо-ваність (13%)


Корабельна

550

Локальна


мезо-ГХС ІІ порядку

Поверхнево - схиловий стік


(24%)

Поверхня водозбору


(19%)

Процеси у водному об’єкті (14%)


Іква

514

Локальна


мезо-ГХС ІІ порядку

Процеси у водному об’єкті (33,7%)

Вплив населених пунктів


(31,7%)

Поверхня водозбору


(16,7%)


Бутеня

59

Локальна


мезо-ГХС ІІ порядку

Поверхня водозбору


(34%)

Зарегульо


ваність (18%)

Процеси у водному об’єкті (13%)


Аналіз даних таблиці показав, що у формуванні гідрохімічних систем найбільшу роль відіграє характер поверхні водозбору ( 44% усіх випадків). На другому місці за впливом на формування параметрів системи є процеси (фізико-хімічні, гідробіологічні тощо) перетворення речовини та енергії безпосередньо у водному об’єкті .


На третьому місці - антропогенні фактори різного прояву, такі як вплив стічних вод, населених пунктів, меліоративних заходів, зарегульованості стоку.


Аналізуючи розподіл системоформуючих факторів відносно гідрохімічних систем різних рівнів розмірності, слід звернути увагу, що системи нижчих рівнів розмірності (локальні мезосистеми) формуються головним чином під впливом місцевих факторів. Для них особливо важливе значення має характер поверхні водозбору, на якому формується не тільки водний стік, але й хімічний склад вод місцевого стоку. Також значні зміни хімічного складу води спостерігаються у локальних гідрохімічних системах під впливом внутрішніх процесів перетворення речовини і енергії у водному об’єкті.


Що ж стосується регіональних макросистем, дві з яких нами досліджено, то тут спостерігаються деякі цікаві особливості.


Регіональна гідрохімічна макросистема Житомирського Полісся розміщена в одній географічній зоні, більш того, в області. Тому стабільність кліматичних умов та гідрологічного режиму в межах цієї території створюють сприятливий фон для прояву дії інших, знову ж таки, місцевих факторів: характер поверхні водозбору, ерозійно-дефляційні процеси, що розвиваються під впливом втручання людини у природну структуру поверхні водозбору, меліоративні заходи.


Регіональна гідрохімічна басейнова макросистема Південного Бугу є трансзональною. Вона розміщена в двох природних зонах – лісостеповій та степовій, тому у її формуванні основну роль відіграє зональна зміна природних факторів формування хімічного складу води, внаслідок чого в широтному напрямі помітно змінюється хімічний склад води від гідрокарбонатно кальцієвого (на півночі) до сульфатно - кальцієвого та хлоридно-натрієвого у південній частині (річки Гнилий Єланець, Громоклія). Саме тому в результаті системного аналізу було ідентифіковано як найбільш впливовий приоритетний фактор для формування даної макросистеми – формування хлоридно-натрієвого хімічного складу природних вод. Чітко було ідентифіковано і вплив другого фактора – скидання стічних вод. Характер водозбору для регіональної макроситеми відіграє важливу проте не головну роль.


Таким чином, завдяки дослідженням, результати яких наведені в розглянутому розділі, виявлено особливості гідрохімічних систем річок лісостепової та степової зон України та виконано рекомендації з їх оптимізації на основі мультиваріаційного підходу щодо апроксимації та моделювання впливу антропогенних чинників на формування параметрів гідрохімічних систем.


Результати представлених досліджень опубліковані нами у наступних роботах [58, 145, 217, 230, 249, 253, 298].

РОЗДІЛ 6


ХАРАКТЕРИСТИКА ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ ПЕРЕХІДНОГО ТИПУ (НА ПРИКЛАДІ ШЕЛЬФОВОЇ ГХС ДЖАРИЛГАЦЬКОЇ ЗАТОКИ ЧОРНОГО МОРЯ)


6.1. Специфічність перехідних гідрохімічних систем


Перехідні зони між басейновими, русловими та акваторіальними гідрохімічними системами відрізняються за процесно-функційними критеріями від вищеназваних. Ці гідрохімічні системи можна назвати перехідними.


Гідрохімічні системи перехідного типу формуються в гирлових ділянках річок, в шельфових зонах морів, де відбувається розвантаження континентального поверхневого стоку і протікають процеси трансформації його хімічного складу у зв’язку із різкою зміною гідродинамічних та фізико-хімічних умов водного середовища [293-298].


Перехідні зони в місцях змішування прісних і морських вод з різко відмінними фізичними властивостями і хімічним складом є специфічними географічними об’єктами.


У межах поширення цих зон, як правило, в мілководній частині морського шельфу формуються локальні гідрохімічні мезосистеми перехідного типу.


Структурно-функціональні особливості цих систем обумовлені унікальністю домінуючого системоформуючого процесу змішування двох основних типів води земної кулі – гідрокарбонатно-кальцієвих континентальних і хлоридно-натрієвих морських [298] . Саме цей фактор обумовлює динамічну нестабільність шельфової гідрохімічної системи та значну мінливість її параметрів.


Внаслідок різкої зміни гідродинамічних параметрів потоку прісних вод та фізико-хімічної обстановки в зоні змішування відбувається активне осідання завислих часток разом з поглинутими ними поживними речовинами та токсичними забруднюючими речовинами. Цей фактор також відіграє одну із важливих ролей у формуванні гідрохімічної системи. Він активізує транспортно-енергетичні потоки в системі і сприяє її стабілізації.