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.
Тому для дослідження гідрохімічної системи Джарилгацької затоки нами було використано, як альтернативу, методику системного аналізу, викладену в розділі 3.
Стосовно Джарилгацької затоки, спеціальні натурні дослідження “під системний аналіз” не проводились. Тому єдиною можливістю використати отримані у 1989 р. “Укргіпроводгоспом” та Херсонською ОблСЕС дані по досліджуваному об`єкту було перетворення часових режимних рядів спостережень за вмістом хімічних речовин у воді, донних відкладах та скидових водах у просторові варіаційні ряди. Спроба об`єднати в єдиній вихідній інформаційній матриці просторових інформаційних рядів всі дані, що є по воді, опадах, скидах не призвела до успіху через неспівпадання отриманого масиву вимогам методичного апарату системного аналізу.
Труднощі при підготовці даних та їх обробці являли собою відсутність по всіх об`єктах і пунктах відбору достатньо тривалих та репрезентативних часових рядів спостережень. Кількість спостережень за вмістом речовин у різних природних компонентах водного середовища (вода, донні відклади, скиди) сильно відрізнялась, були пропуски у масиві даних як за окремими показниками, так і по точках відбору і по датах відбору. Крім того, часто у вихідних матрицях даних, що формуються, типу “об`єкт - ознака”, ознак (показників якості води) виявлялось значно більше, ніж об`єктів, на яких ці ознаки варіюють. Це суперечило вимогам методики, тому й було прийнято рішення про системний аналіз інформаційних матриць просторових варіаційних рядів окремо по морських водах, донних відкладах та дренажно-скидових водах.
6.6.1. Системний аналіз морських вод як
головного компонента ГХС
Для вивчення внутрішньоводоймних процесів та основних факторів формування якості води Джарилгацької, Тендрівської заток та прибережної частини Чорного моря у зоні впливу дренажно-скидних вод у вегетаційний період була сформована матриця просторово-варіаційних рядів, що складалася із середніх за сезон концентрацій 29 показників, які варіюють на 49 об`єктах. Матриця такого розміру, враховуючи і набір показників, які входять в неї (колірність, прозорість, завислі речовини, рН, О2, БПК5, окислюваність, лужність, жерсткість, сухий залишок, Fе, СІ-, , , , , СПАР, , Na+, Mn, Cu, Zn, Pb, Co, базагран, пропанід, 3,4-ДХА, сатурн, ялан), є достатньо представницькою та придатною до обробки та отримання надійних результатів.
В результаті обробки цього масиву на персональному комп’ютері за стандартною програмою факторного аналізу отримана наступна матриця факторів (табл.6.4.). Вона показує, що для водного середовища Джарилгацької затоки та суміжних з нею морських акваторій характерна наявність 10 суттєвих факторів, або груп процесів, які в тій чи іншій мірі беруть участь у формуванні якості води. Частка внеску кожного фактора у формування гідрохімічної системи виміряна та коливається від 3,6 до 21%, а в сумі всі фактори характеризують 80,1% загальної дисперсії варіюючих ознак. Це означає, що у формуванні перехідної гідрохімічної системи Джарилгацької затоки приймають участь ще й якісь несуттєві другорядні ознаки, які вносять біля 20% змін показників якості води, що розглядаються.
Таблиця 6. 4
Підсумкова матриця факторів по масиву “морські води”
(Джарилгацька затока та суміжні морські акваторії)
Ознаки та факторні
навантаження на них
Фактори та їх вклад, %
І
21,8
П
13,1
Ш
7,5
ІV
7,2
V
5,8
VІ
5,4
VП
4,6
VШ
4,1
ІХ
4,0
Х
3,6
Колірність
-0,54
Прозорість
0,64
Завислі речовинии
0,55
рН
0,48
О2
-0,86
БПК
0,85
Окисл.
0,54
Лужність
0,80
Жерсткість
0,80
Сухий залишок
0,95
Fe
0,97
СІ-
0,78
SO2-4
0,69
NH+4
0,80
NO-2
0,75
NO-3
-0,81
СПАР
0,81
НСО-3
0,70
Na+
0,69
Mn
-0,72
Cu
0,61
Zn
0,81
P
0,86
Co
0,48
Базагран
0,54
Пропанід
0,82
ДХА
0,74
Сатурн
0,57
Ялан
-0,80
Кожний з виявлених факторів є гіпотетичним та складається з набору показників якоїсь частини ознак, що входять до вихідної матриці даних і пов`язані між собою участю в одному й тому ж фізико-хімічному або біологічному процесі, або приналежні до одного й того ж фактора.
Для розгляду, інтерпретації та наступного аналізу виявлених факторів складена схема, яка розкриває внутрішню структуру та взаємозв`язок між факторами формування перехідної гідрохімічної системи (рис.6.1).
Перший суттєвий фактор вносить найбільший вклад у формування якості води - 21,8%. Процеси, що характеризують дію цього фактору, описуються наступним набором показників хімічного складу води: Na+, Cl-, , , Mn, СПАР та завислі речовини. Даний фактор може бути інтерпретований як процес коагуляції, осаду та біогенного захвату хімічних речовин, що надійшли з дренажно-скидними водами.
При змішуванні скидних, більш прісних, раніше гідрокарбонатно-кальцієвих, а потім трансформованих хлоридно-натрієвих вод з підвищеним вмістом та Са2+, з пониженою, в порівнянні з морем, мінералізацією значно змінюється поведінка більшості хімічних елементів. На деяких з них морська вода здійснює розчинну дію, інші, навпаки, різко втрачають рухливість і випадають в осад.
У прибережній зоні моря, де внаслідок гідродинамічних умов, що різко змінилися, починається інтенсивне осадження завислих речовин. Разом з ними осідає велика кількість різних елементів, що не встигли розчинитися або вилугуватися з первинних мінералів. Зростання іонної сили води призводить до коагулювання та випадання різних колоїдів мінерального та органічного походження. На недавно створених колоїдах активно сорбуються з розчину різні мікроелементи. Вони і у річкових водах, і у трансформованих річкових - дренажно-скидових водах знаходяться у складі завислих речовин, а при потраплянні в морську воду їх концентрація у твердій фазі збільшується за рахунок утворення форм, що легко сорбуються.
У морській воді, крім завислих речовин теригенного походження, утворюються також частинки завислих речовин за рахунок коагуляції колоїдів мінерального та органічного походження. Ці завислі речовини активно адсорбують позитивно заряджені мікроелементи.
Такі загальні особливості проходження процесів формування гідрохімічної системи, які об`єднані в перший фактор. Розгляд внутрішніх кореляційних зв`язків цього фактору показує, що по відношенню до завислих речовин головні іони і СПАР, з одного боку, та Мn2+, , з іншого, розділені, оскільки мають з ними протилежні зв`язки. Це означає, що процеси коагуляції та осаду із завислими речовинами більш характерні для головних іонів та СПАР. Для нітратів та марганцю, мабуть, більше значення набуває їх біологічна акумуляція в діатомових та синьо-зелених водоростях у прибережній частині заток. Зменшення концентрацій Mn2+ та за рахунок утилізації їх водною рослинністю особливо інтенсифікується у вегетаційний період [298, 304].
Рис. 6.1.
НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ
За даними А.П. Лисицина коефіцієнт накопичення Мn у фітопланктоні Чорного моря може досягати 1-3,5 . 104 [305]. Зв`язок Мn2+ та у першому факторі пояснюється тим, що вони не просто беруть участь у живленні рослин, а більш того, Мn2+ бере участь у процесах асиміляції азоту рослинами, сприяє інтенсифікації фотосинтезу та утилізації СО2 рослинами.
Другий фактор. Його ознаки - фосфор та кисень, негативно пов`язані між собою (r = -0,67). Щоб правильно інтерпретувати даний фактор, необхідно розглянути зовнішні кореляційні зв`язки фосфору та кисню.
Як бачимо з схеми (рис.6.1), фосфор пов`язаний, хоча й слабо, крім кисню ще і з окислюваністю води, вмістом , концентрацією . Це означає, що йдуть процеси біогенного розкладу органічних речовин, які містять в собі фосфор та . При цьому зменшується концентрація кисню.
Таким чином, фактор можна назвати як біогенне виділення фосфору в результаті розкладу органічних речовин. На утримання фосфору регулюючий вплив здійснює перший фактор через завислі речовини, які, з одного боку, частково сорбують фосфор, а з іншого - збільшуючи мутність води, гальмують процеси фотосинтезу та насичення води киснем, а значить, і затримують розклад фосфоромісткої органіки.
Третій фактор. Включає показники-ознаки: ПО, БСК5, . Може бути інтерпретований як нітрифікація органічних речовин. Діє паралельно із іншими факторами. Описується рівнянням реакції яка протікає під дією бактерій Nitrosomonas [46].
+ OH- + 3/2 O2 = H+ + + 2H2O
Четвертий фактор характеризує лужність, , Со. Розв`язанням для його інтерпретації є аналіз зв`язків цих ознак між собою та іншими факторами. Між собою вони мають позитивні зв`язки (рис.6.1), але зв`язок та Na+ (негативний) обернений та достатньо суттєвий (r = -0,62). Це свідчить про осідання карбонатів у прибережній частині затоки. При цьому у воді знижується концентрація кобальту, що випадає в осад у важкорозчинних сполуках карбонатів. Зв`язок Со та Fe свідчить про адсорбцію його гідрокарбонатом заліза. Оскільки ці два процеси спрямовані на виведення Со з водного розчину, то фактор можна пояснити як адсорбцію кобальту під час осідання карбонатів у зоні змішування води.
П`ятий фактор об`єднує сухий залишок, залізо. Зв`язок між ними та між залізом і кобальтом (4 фактор) та через нього з дозволяє інтерпретувати цей фактор як випадіння заліза в осад у вигляді гідроокису. Пластівцевоподібна маса гідроокису заліза поступово осідає на дно, на водну рослинність, що не тільки призводить до замулювання прибережної частини заток, але й може погано відобразитися на фіто- і зоопланктоні [306].
Шостий фактор характеризує забруднення морських вод міддю і 3,4-ДХА, що використовуються як пестициди на рисових чеках. Збільшення вмісту сполук міді знижує прозорість морської води.
Сьомий фактор. Пояснюється процесами комплексоутворення Zn з гуміновими сполуками, що потрапляють з дренажно-скидовими водами та надають воді забарвлення. Із збільшенням концентрацій цих речовин зменшується вміст Zn у розчинах (обернений зв`язок, r = -0,43).
Восьмий фактор визначає вплив окислювально-відновної обстановки на формування амонійного азоту.
Дев`ятий фактор - процеси забруднення морських вод пропанідом та сатурном, що потрапляють із дренажно-скидовими водами. Антропогенний генезис цих речовин підтверджується (негативними) оберненими зв`язками з показниками хімічного складу морських вод (рис.6.1). В той же час відмічається позитивний зв`язок їх з НСО-3, який теж надходить з дренажно-скидовими водами.
Десятий фактор характеризує надходження і перетворення у морській воді пестицидів - базаграну та ялану. Переважає надходження ялану в адсорбованому завислими речовинами стані. Базагран же більше виноситься у розчиненому стані.
Таким чином, формування якості морської води у прибережній зоні заток, що досліджуються, залежить від надходження завислих та органічних, біогенних і токсичних речовин, мікроелементів дренажно-скидовими водами. Концентрації цих речовин у морському водному середовищі залежать від процесів розкладання та нітрифікації органіки, сорбції, осадження, які регулюються станом окислювально-відновних умов у прибережній частині моря. Результати факторного аналізу вказують на накопичення у прибережній частині затоки біогенних компонентів, мікроелементів та токсичних речовин. Це підтверджує наявність потенційної загрози посилення антропогенного евтрофування прибережних ділянок, особливо у місцях скидів дренажних вод і на мілководних ділянках, у північно-східній частині Джарилгацької затоки. Посилення цього негативного процесу підтверджується даними гідробіологічних досліджень, які встановили, що в цій частині Чорного моря площа “цвітіння” порівняно з 1954-1960 рр. зросла у п`ять разів [ 300 ].
Велику стурбованість викликає також накопичення у прибережній частині токсичних речовин, якими є, в першу чергу, пестициди і вміст важких металів. Пестициди і продукти їх метаболізму вважаються із-за відсутності аналогів у навколишньому середовищі одними із найнебезпечніших забруднюючих речовин. Так само небезпечне накопичення важких металів, спроможних здійснювати токсичний вплив з ефектами синергізму на живі організми, до того ж, акумулюючись у окремих ланках трофічного ланцюга, вміст деяких з них може збільшуватися до рівня небезпечного для здоров`я людини.
6.6.2. Дренажно-скидні води як головний
фактор формування ГХС
Для вивчення процесів формування хімічного складу дренажно-скидових вод були використані результати спостережень за вмістом 27 показників хімічного складу води по 19 скидах дренажних вод. Через перевищення числа показників над числом об`єктів маси вихідних даних був розділений та оброблений окремо. Таким чином, вивчення процесів формування сольового складу дренажних вод виконувався окремо, а склад забруднюючих речовин - окремо.
Факторний аналіз показав, що сольовий склад дренажно-скидових вод формується під впливом 5 груп процесів (табл.6.5, рис. 6.2).
Перший фактор характеризує вилуговування солей і ґрунтового покриву рисових чеків та змішування поливних маломінералізованих вод з ґрунтовими.
Таблиця 6.5
Результати факторного аналізу хімічного складу дренажно-скидних вод (сольовий склад)
Фактори та їх внесок, %
знаки та факторні навантаження на них
І
45,3
ІІ
17,1
ІІІ
11,2
ІV
7,3
V
6,3
Колірність
0,50
Прозорість
-0,80
Завислі речовини
0,77
рН
-0,76
О2
-0,91
БПК
0,88
ПО
0,82
Лужність
0,94
Жерсткість
0,89
Сухий залишок
0,94
Са2+
0,85
Мg2+
0,94
Cl-
0,90
0,88
0,92
Na+
0,89
Другий фактор свідчить про формування завислих речовин з великою кількістю органічних речовин, що інтенсивно поглинають розчинений у воді кисень. Фактор регулює прозорість та колірність скидових вод.
Рис. 6.2.
НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ
Третій фактор - формування лужності води внаслідок окислювальних процесів, які протікають під впливом четвертого фактору, що впливає на кисневий режим. П`ятий фактор свідчить про значне надходження у водний розчин сульфатів за рахунок розкладу органічних речовин.
На рис.6.3 представлена схема формування концентрацій біогенних речовин і пестицидів у дренажно-скидових водах. Процеси формування цих речовин регулюються шістьма факторами (табл.6.6).
Перший з них вказує на поглинання завислими частинками таких високотоксичних речовин, як пропанід, сатурн, ялан. сорбуються на завислих речовинах також фосфор і . Об`єднання їх в одну групу свідчить про одне джерело надходження цих речовин - вимиванням із ґрунту рисових чеків.
Другий фактор - видалення нітратів і марганцю водною рослинністю. Подібний процес спостерігається, як уже говорилось вище, у морських водах.
Третій фактор. Процеси утворення органомінеральних комплексів з міддю. Мідь застосовується на рисових чеках як інсектициди у вигляді CuSО4. Утворені комплекси збільшують колірність скидових вод.
Четвертий фактор характеризує процеси сорбції амонійного азоту і цинку на гідратах заліза з утворенням важкорозчинних коллоідів. Всі три ознаки негативно пов`язані сорбованими завислими речовинами пестицидів, що свідчить про проникання цього процесу безпосередньо у водному середовищі, а не на поверхні ґрунту.
П`ятий фактор регулює концентрації кобальту у скидних водах. Вони залежать від величини рН, яка визначає концентрацію і наявність різних форм його стану.
Шостий фактор містить в собі ознаки - ДХА і базагран. ДХА кореляційно пов`язаний з фосфором, міддю, пропанідом, базагран - з міддю (негативний зв`язок). Це свідчить про розчинення даних пестицидів у воді і надходження їх переважно в розчиненому стані в море, що являє собою велику загрозу для водних організмів.
Вивчення процесів формування хімічного складу дренажно-скидних вод показало, що в цьому типі вод, внаслідок їх безпосереднього контакту із цими речовинами, утворюються сприятливі умови для виносу забруднюючих речовин у завислому та розчиненому станах у прибережну частину заток. Внаслідок фізико-хімічних процесів перетворення розчинених у воді добрив, пестицидів, мінеральних солей з ґрунтового покриву рисових чеків змінюються окислювально-відновні властивості води, погіршується її прозорість, збільшується колірність, мінералізація.
Рис. 6.3.
НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ
Таблиця 6.6
Результати факторного аналізу дренажно-скидних вод
(забруднюючі речовини)
Ознаки факторів
Фактори та їх внесок,%
І
(28,8%)
ІІ
(17,2%)
Ш
(10,9%)
ІV
(10,2%)
V
(7,3%)
VІ
(5,4%)
Факторні навантаження
Колірність
0,82
Прозорість
0,68
Завислі речовини
0,62
рН
-0,78
Fe
0,64
0,89
0,73
0,74
СПАР
-0,86
Мn
0,78
Cu
0,76
Zn
0,73
P
0,88
Co
0,63
Базагран
-0,88
Пропанід
0,78
3,4 ДХА
0,79
Сатурн
0,78
Ялан
0,58
6.6.3. Донні відклади як вторинний фактор формування ГХС.
Донні відклади у прибережній частині акваторії заток за гранулометричним складом достатньо однорідні. Переважають частинки діаметром від 0,5 до 0,01 мм. Їх частка досягає 85-95%. Але є суттєві відмінності у розподілі органічних речовин у донних відкладах. Органічна речовина зосереджена в основному у тонкодисперсних фракціях діаметром 0,1-0,05 і 0,05-0,01 мм. Розподіл частинок цього діаметру вздовж узбережжя нерівномірний. Найбільша кількість їх накопичується в місцях з повільним водообміном, як правило, на мілині. Саме ці частинки й відіграють основну роль в акумуляції забруднюючих речовин у рекреаційній зоні заток.
Для вивчення процесів акумуляції забруднюючих речовин у донних відкладах за результатами їх лабораторного аналізу було виконано оцінку масиву даних, який характеризує хімічний склад донних відкладів.
Результати факторного аналізу наведені в табл.6.7., а схема взаємозв`язку факторів і ознак, що характеризують протікання фізико-хімічних процесів у донних відкладах, на рис.6. 4. Весь комплекс процесів, що мають місце у донних відкладах, характеризується за допомогою шести факторів.
Перший фактор характеризує проникання у донні відклади з морської води при довготривалому контакті катіонів Са2+, Мо2+, Na+, K+ та аніонів , СІ-, . Накопичення цих іонів пов`язано у великій мірі з вологою, яка акумулюється органікою фракцій 0,05-0,01 мм. Внесок цього фактору оцінюється у 46%.
Таблиця 6.7
Результати факторного аналізу фізико-хімічних властивостей донних відкладів Джарилгацької затоки
Ознаки та фактор
ні навантаження на них
Фактори та їх вклад, %
І
46,3
П
14,2
Ш
9,5
ІV
7,0
V
6,0
VІ
5,0
D 0,5-0,25
-0,57
0,61
D 0,25-0,10
-0,5
-0,65
D 0,10-0,05
0,82
D 0,05-0,01
0,76
Втрати від прожарювання
0,75
Щільність
0,56
Вологість
0,78
Рв
0,89
Cu
0,78
Co
0,48
-0,67
Zn
0,59
Fe