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

Содержание


На окремому файлі
На окремому файлі
На іншому файлі
Подобный материал:
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   28

0,96


Mn


0,95


Ni


0,77


0,67


0,49


0,52


0,68


-0,59


K+

0,78


Гумус


0,65


Карбонатність

0,65


Сухий залишок

0,94


Загальна лужність

-0,66


СІ-

0,88


0,96


Ca2-

0,79


Mg2+

0,94


Na+

0,86


рН

0,97


Рис. 6.4.


НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ


Другий фактор характеризує процеси амоніфікації органіки теригенного походження. Найбільш інтенсивно ці процеси протікають у тонкодисперсних фракціях, які містять максимальну кількість органіки. Хід цього процесу супроводжується значною зміною рН, лужності води (рис.6.4). Його вклад у формування хімічного складу донних відкладів складає 15%.


Третій фактор характеризує накопичення заліза і марганцю в донних відкладах. Ці метали як елементи-гідролізатори при змішуванні морських і дренажно-скидових вод випадають з розчину в осад, утворюючи частинки аморфної структури (флокули), які складені в основному з гідроксидів та гумінових речовин. Маючи властивості реакційноспроможних сорбентів, що приймають участь у видаленні з розчинів інших елементів при їх осадженні або сорбції. Прикладом є Со тісно пов`язаний з вмістом Fe, тобто з третім фактором.


Четвертий фактор характеризує накопичення у дрібних фракціях донних відкладів фосфору, принесенного дренажно-скидовими водами і того, який


П`ятий фактор формує концентрації Zn, , , внаслідок руйнування органо-мінеральних комплексів, що містять в собі Zn в умовах аеробної обстановки у мілководних зонах заток.


Шостий фактор зумовлює накопичення в донних відкладах важких металів (Рв, Сu, Ni), що здійснюється у вигляді органо-мінеральних комплексів. Про це свідчать тісні кореляційні зв`язки між вмістом важких металів і гумусу, втратою від прожарювання. В той же час можливе осадження свинцю разом з карбонатними завислими речовинами.


Таким чином, виявлені фактори характеризують процеси осаду та подальшої трансформації речовин, що надійшли у донні відклади. Слід мати на увазі, що при зниженні окислювально-відновного потенціалу морських вод, наприклад, після випадіння інтенсивних злив зі зниженим значенням рН опадів, можлива активізація переходу у воду накопичених металів у донних відкладах мілини заток. Небезпеку являє також скаламучування донних відкладів у період нестійкої, особливо штормової, погоди. Порушення гідродинамічних умов збереження рівноваги стану концентрацій важких металів, токсичних речовин у донних відкладах може призвести до вторинного забруднення водного середовища прибережної акваторії морських заток.


Найбільшу небезпеку в плані вторинного забруднення морських вод мають частинки фракцій 0,05-0,01 мм і менше. Вони складені на 80-90% з органічних речовин. Коефіцієнт кореляції між вмістом органічних речовин і кількістю мулистих частинок фракцій 0,1-0,05 мм склав 0,64, а фракцій 0,05-0,01 мм - 0,83. Частинки фракцій 0,05-0,01 мм мають питому вагу в складі донних відкладів до 54%. Тому вони разом з дрібнішими частинками при скаламучуванні можуть становити загрозу забруднення води.


6.7. Територіальна структура перехідної


гідрохімічної системи


Проведені дослідження, результати яких приведені в попередніх главах показали, що у формуванні якості води Джарилгацької затоки та суміжних з нею прибережних акваторій провідну роль грають процеси змішування морських солоних та дренажно-скидних, більш прісних, але забруднених вод. Серед цих процесів найбільш суттєву роль відіграє розсолення морських вод, осадження мікроелементів, акумуляція біогенних речовин та пестицидів, розклад привнесених органічних речовин. У кожній точці прибережної акваторії формування якості води проходить під одночасним впливом цілого комплексу факторів. Ступінь цього впливу не є постійним як в часі, так і в просторі. Оскільки нами. виконувався факторний аналіз просторових варіаційних рядів, то можна стверджувати про зміни ступеня впливу факторів формування якості води у просторі. Саме за цих умов і наявності реальних даних спостережень за всіма точками і можливе було вивчення основних процесів формування якості води.


Зміни величин показників якості води уздовж прибережної частини акваторії моря під впливом дії, що змінюється, різних, характерних для цієї зони факторів, викликає закономірну необхідність встановлення просторових закономірностей розповсюдження морських вод різної якості та складу. Для цієї мети слугує метод кластерного аналізу, що дозволяє виявити ділянки акваторії, для яких буде зберігатися сталість концентрацій хімічних речовин (з урахуванням природних меж коливань концентрацій, які не викликають суттєвих генетичних змін якісного складу води).Для використання кластерного аналізу необхідно мати певний склад інтегральних показників, для яких є варіаційні ряди по всіх пунктах спостережень в акваторії, яка районується.


Як інтегральний показник нами було вибрано комплексний індекс забрудненості води (КІЗ), розрахований за 6 показниками хімічного складу води [192], який характеризує вміст у морських водах біогенних елементів, важких металів і токсичних речовин (пестицидів), а також узято показники змішування морських і дренажно-скидних вод - коефіцієнти /СІ- і /CI-.


Кластерний аналіз масиву даних, який характеризує зміни вищезазначених показників у всіх морських точках відбору проб, дозволив виділити 11 кластерів або 11 районів, які відрізняються умовами формування якості води. Розподіл точок відбору проб за виявленими кластерами нерівномірний. Так, у перший кластер об`єдналось 35 точок, у другий - 4, у сьомий, дев`ятий та одинадцятий - по три, в п`ятий і десятий - по два, у всі інші по одному пункту. Об`єднання більшості точок спостережень в один район (перший) говорить про однакові умови формування хімічного складу і якості води у цих точках та про незначну зміну трьох розглянутих показників у межах розташування цих точок. Чим менше об`єднано в один кластер-район, тим аномальніші умови формування якості води в цьому районі, викликані дією або дренажно-скидових вод, або навпаки, впливом морських вод на прибережну акваторію (рис.6.5).


Води, віднесені до першого району за умовами формування мають найбільше розповсюдження. Вони характерні для Тендровської затоки, Чорного моря у районі точок 14/1-14/3, і Джарилгацької затоки у точках 12/2, 12/3,12/4, по обидві сторони від скидів ОС-1 і СКР-2 біля сіл Новоросійське і Лиманське, уздовж узбережжя на ділянках с.Красноє - західніше м.Скадовськ, в районі скидів ОС-6, СКР-5 і С-1, а також у “чистій точці” (т.19). Ці води характеризуються як чисті та помірно забруднені з розсолоненням не більше ніж у 1,5-2 рази.


Води другого класу за умовами формування якості характеризуються також як помірно забруднені, але з великих коефіцієнтом розсолонення морських вод. Вони розповсюджені у скидів С-1 (прибережні мілинна частина затоки), )С-1 (перехідна зона у Каланчакському лимані, в місцях скидів ОС-1 і СКР-2, західніше скидів ОС-2 (Чорне море, перехідна зона).


Для пізнання процесів змішування морських та скидових вод значний інтерес викликає районування окремих частин акваторії досліджуваних ділянок. Так у Каланчакському лимані виділено 5 районів, які відрізняються умовами формування якості води.


Виконане районування та наведена схема (рис.6.5) можуть бути використані для організації системи екологічного моніторингу в районі Скадовської медицинської зони для організації експедиційних досліджень і натурних експериментів підчас вирішення питань, пов`язаних з оптимізацією просторового рішення гідрохімічної мережі спостережень.


6.8. Прогноз надходження забруднюючих речовин


у водне середовище за рахунок дренажно-скидних


вод і донних відкладів


Як було показано у попередніх підрозділах, з дренажно-скидними водами у Джарилгацьку, Тендровську затоки та Чорне море потрапляє значна кількість забруднюючих речовин (пестициди, біогенні речовини, важкі метали). Значна частина з них розчиняється у морській воді, але ще більша частина внаслідок наявності гідродинамічного та фізико-хімічних бар`єрів у зоні змішування скидних та морських вод випадає в осад, сорбується завислими речовинами, асимілюється водними організмами.


Донні осади, які акумулюють забруднюючі речовини, в силу наявних фізико-хімічних умов можуть ставати джерелами вторинного забруднення морського середовища.


Внаслідок комплексного впливу цих факторів і відбувається формування параметрів гідрохімічної системи.


Рис. 6.5.


НА ОКРЕМОМУ ФАЙЛІ


Для оцінки ролі дренажно-скидних вод та донних осадів у надходженні забруднюючих речовин у водне середовище нами побудовані графічні залежності коливань концентрацій забруднюючих речовин у дренажно-скидних водах, морській воді і донних осадах.


Крім того, був проведений кореляційний аналіз цих залежностей і для деяких, найбільш характерних та суттєвих випадків були розраховані рівняння зв`язку.


Спосіб оцінки впливу дренажно-скидних вод і донних відкладів на морські води був вибраний виходячи з наявності вихідної інформації. Оскільки довготривалих рядів спостережень, придатних для статистичної обробки, в жодній точці акваторії не було, нами використано просторові ряди спостережень за досліджуваними компонентами, тобто однойменні хімічні елементи підбиралися по всіх точках спостережень.


Одним із найпростіших способів виявлення взаємовпливу є побудова суміщених графіків їх зміни або в часі, або у просторі, що і було виконано у даному випадку.


Для пестицидів, на жаль, такі дослідження провести не вдалося - не виявилося достатньої кількості даних спостережень у всіх трьох середовищах: морська вода – скидні води – донні осади.


Було розглянуто зміни концентрацій міді по точках спостережень на початку і в кінці вегетаційного періоду. Для кожної точки наводяться концентрації міді в морській воді, донних відкладах та у дренажно-скидових водах. У квітні залежність між наведеними величинами не спостерігається (рис.6.6 ), а у жовтні вплив скидних вод на концентрацію міді у морській воді більш помітний (рис 6.7).


Відсутні також залежності між вмістом марганцю у всіх трьох середовищах на початку вегетаційного періоду а наприкінці вегетації під впливом скидних вод така залежність формується для вмісту Мn у дренажно-скидних та морських водах.


У режимі концентрацій свинцю спостерігаються тенденції до взаємообумовленості його коливань у дренажно-скидових водах і морській воді, причому наприкінці вегетації це спостерігається більш чітко.


Для цинку за більшістю точок спостережень відмічається синхронність у зміні його концентрацій у морській воді і донних відкладах під впливом скидів. Зміни концентрацій заліза на початку вегетаційного періоду у дренажно-скидових водах аналогічні з його змінами у донних відкладах. Концентрації заліза у морській воді швидше за все протилежні за своїми змінами у просторі до його коливань у скидових водах та осадах. Очевидно, це пов`язано з осадженням заліза та виведенням його з розчину морської води.


Для амонійного азоту помітний вплив дренажно-скидних вод на концентрації його у морській воді як на початку, так і наприкінці вегетаційного періоду . Для нітратного азоту синхронність у коливаннях його концентрацій у всіх трьох середовищах візуально визначити важко, оскільки на деяких ділянках вплив величин, що розглядаються помітно, а на деяких ні .


Рис.6.6. Результати синхронного визначення вмісту міді у морській воді, дренажно-скидних водах та донних осадах


Рис.6.7. Вплив дренажно-скидних вод на


формування вмісту міді у морській воді


У коливаннях фосфатів у морській воді відмічається схожість із змінами його у дренажно-скидових водах і донних відкладах .


Аналіз графіків, не дивлячись на простоту його використання, дає відносно задовільні результати, які необхідно уточнювати за допомогою методів математичної статистики, наприклад, кореляційного аналізу, методу найменших квадратів.


Кореляційний аналіз дозоляє кількісно оцінити тісноту зв`язку між величинами які аналізуються, а метод найменших квадратів, у випадку наявності зв`язку, дає можливість підібрати найбільш оптимальне рівняння, яке описує залежність між цими величинами. Тому для хімічних компонентів, що являють собою інтерес з точки зору забруднення прибережної частини акваторії моря Скадовської медичної зони, був виконаний кореляційний аналіз їх вмісту у воді, скидних водах та донних осадах. Для випадків статистично суттєвого зв`язку були розраховані і рівняння залежності між вмістом речовин у різних середовищах (табл. 6.8).


Як бачимо з цієї таблиці, суттєвий вплив на концентрацію забруднюючих речовин у морських водах здійснюють дренажно-скидові води за такими компонентами як, азот амонійний, фосфор мінеральний, марганець, мідь. Це підтверджується розрахованими суттєвими коефіцієнтами кореляції величина яких змінюється від 0,6 до 0,99.


Таблиця 6.8


Вплив дренажно-скидних вод та донних осадів на формування параметрів перехідної гідрохімічної системи


Фактор впливу (елемент управління параметрами ГХС)

Залежний (керова-ний) елемент

Кіль-кість


проб

Коефіцієнт


кореляції

Рівняння зв’язку


(ДО)

(МВ)

24

0,64

(МВ) = 4,37–0,05 NH+4 (ДО)


(ДСВ)

(МВ)

28

0,99

(МВ)= 1,09 NH+4(ДО)– 0,038


(ДСВ)

(МВ)

28

0,96

(МВ)=0.018 + 1,08PO43- (ДСВ)


Cu(ДСВ)

Cu(МВ)

14

0,63

Cu(МВ) = 0,85Cu(ДСВ)+ 0,007


Mn(ДСВ)

Mn(МВ)

14

0,60

Mn(МВ) = 0,0076 + 0,8 Mn(ДСВ)


Примітка: (ДО) – донні осади; (ДСВ) - дренажно-скидні води; (МВ) – морські води.


Найбільш тісні зв`язки виявлені для біогенних речовин, особливо наприкінці вегетаційного періоду. В той же час надходження здійснює суттєвий вплив на його концентрацію у морських водах та на початку вегетації.


Впливи донних відкладів на формування якості морської води за допомогою кореляційного аналізу в повній мірі виявити не вдалося. Можливо це пов`язано з тим, що вплив скидів дренажних вод “нівелює” вплив донних відкладів. Але, все ж, у двох випадках (з міддю і свинцем) виявлені слабкі зв`язки між концентрацією цих металів у донних відкладах та в морській воді (r=0,3-0,4). Ці коефіцієнти кореляції свідчать про існуючу тенденцію до поглинання міді і свинцю донними відкладами шляхом сорбції та осадження.


Спроба аналізу деяких залежностей з використанням поліноміальних рівнянь більш високих порядків показала, що наявність однозначно позитивного або негативного зв`язку має відносний характер. Для одного й того ж компоненту може спостерігатися перемінний зв`язок: спочатку йде збільшення концентрації, а потім - при досягненні певної величини, починається її зменшення.


Такі особливості поведінки концентрацій металів у межах поширення перехідної гідрохімічної системи під впливом зростаючих їх концентрацій у скидових водах пов`язане з фізико-хімічними перетвореннями розчинених у воді речовин в зоні змішування вод і потребує подальшого поглибленого вивчення.


Виконані розрахунки підтверджують наявність впливу дренажно-скидових вод на якість морських вод. Цей вплив підтверджується також результатами хіміко-аналітичних досліджень.


Наведені в табл.6.8. рівняння можуть бути використані для прогнозу вмісту забруднюючих речовин у воді прибережної частини акваторії досліджуваних заток. Розрахунки за даними рівняннями можуть бути використані для оптимізації гідрохімічних параметрів перехідної системи та для управління нею при проведенні водоохоронних заходів.


Подальше проведення режимних гідрохімічних спостережень за станом якості води та донних відкладів заток, за скиданням дренажних вод дозволило б провести оцінку впливу скидів на якість морських вод за допомогою методів математичної статистики з використанням одно- та багатофакторних моделей.


Таким чином, у результаті проведених досліджень даної гідрохімічної системи перехідного типу було встановлено:


- структурно-функціональні особливості системи обумовлюються не тільки змішуванням гідрокарбонатно-кальцієвих континентальних і хлоридно-натрієвих морських вод а й складним комплексом процесів, направлених на стабілізацію порушеного стану ГХС внаслідок забруднення моря зворотними водами рисівницьких систем, які містять, окрім розчинених мінеральних солей, ще й значні кількості пестицидів, важких металів, біогенних, органічних та завислих речовин;


- речовинно-енергетичні перетворення у системі зумовлені протіканням процесів коагуляції, комплексоутворення, осадження речовин, що надійшли з дренажно-скидними водами, вивільненням біогенних речовин за рахунок деструкції органічних речовин, нітрифікацією, адсорбцією кобальту під час осадження карбонатів у зоні змішування вод, осадженням заліза у вигляді гідроокису, забрудненням води сполуками міді та 3,4 ДХА, утворенням комплексів цинку з гуміновими кислотами, впливом окислювально-відновної обстановки на вміст NH4+, забрудненням води пропанідом, сатурном, базаграном та яланом;


- антропогенна трансформація ГХС відбувається не тільки внаслідок забруднення моря специфічними хімічними речовинами, а й у результаті розсолонення прибережної акваторії Джарилгацької затоки в 1,1-20,0 разів;


- накопичення у прибережній частині затоки у воді та донних відкладах біогенних компонентів, мікроелементів та токсичних речовин, що свідчить про потенційної загрозу посилення антропогенного евтрофування прибережних ділянок, збільшення токсичності води та донних відкладів, які використовуються у лікувальних закладах Складовської медичної зони;


- районування акваторії Джарилгацької затоки за результатами системного аналізу може бути використано для організації системи гідроекологічного моніторингу, оптимізації її просторового вирішення;


- встановлені залежності між вмістом речовин у дренажно-скидних водах (елемент управління станом ГХС) та у морській воді (керований елемент) можуть бути використані для оптимізації гідрохімічних параметрів перехідної системи та для управління нею при проведенні водоохоронних заходів.


Основні наукові результати розділу опубліковані у працях [250, 251, 252, 301, 302].

РОЗДІЛ 7


ПРОГНОЗУВАННЯ МОЖЛИВИХ ЗМІН ПАРАМЕТРІВ ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ (НА ПРИКЛАДІ ГІДРОХІМІЧНОЇ МАКРОСИСТЕМИ р. ГОРИНІ )


Прикладом прогнозування можливих змін параметрів гідрохімічної системи може слугувати дослідження гідрохімічної макросистеми р. Горинь.


На початку 90-х років двадцятого століття внаслідок інтенсивної відкачки підземних вод для потреб населення та промисловості м. Рівне в районі Гощанського водозабору внаслідок виникнення величезної депресійної воронки території декількох районів залишилися без води. Великій групі фахівців різних науково-дослідних та проектних установ водогосподарського профілю було доручено розробити проекти екстреного регулювання водного стоку р. Горинь з метою поповнення запасів підземних вод.


Одним із поставлених завдань було передбачення можливих змін хімічного складу та якості води внаслідок зміни водного режиму р. Горинь. Це завдання було виконано автором разом з кандидатом технічних наук М.М. Ворончуком у рамках науково-дослідної роботи “Прогноз якості води р. Горинь в зоні впливу водозаборів м. Рівне у зв’язку із проектними проробками покращення водогосподарської ситуації” ( науковий керівник – С.І. Сніжко) [307].


7.1. Коротка характеристика використаних вихідних даних та особливостей їх обробки


Для об`єктивного виявлення закономірностей формування та прогнозування можливих змін параметрів гідрохімічних систем річкових вод необхідно мати регулярну і достатньо довготривалу (не менше 30-50 років) низку спостережень за річковим стоком у різних створах, за вмістом у ньому різних речовин, ретроспективні і перспективні (планові) дані про надходження цих речовин з різних джерел у річкові води, а також дані про планування та очікувані зміни водного балансу в річковому басейні, що розглядається, або його досліджуваній частині.


Під час проведення даного дослідження як вихідні були використані дані про середньомісячний та середньорічний стік р. Горинь у двох створах поблизу с.Оженін (1914-1967 рр. і 1950-1991 рр.) та у створі м. Оржев за 1984-1987 рр. Використано також дані про концентрацію у водах цієї річки іонів , -, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na++K+, Fe2+ та Σі біля с. Оженін та біля м. Оржев за 1984-1987 рр. Окрім того, використано дані про стік та концентрації аналогічних іонів у водах р. Случ (притоку Горині), а також дані форми 2ТП-Водгосп про скиди у р. Горинь та її притоки стічних вод і різних шкідливих речовин, що в них містяться за 1989 р. (табл.7.1).


ТАБЛИЦЯ 7.1


НА ІНШОМУ ФАЙЛІ


Характеризуючи якість використаних вихідних даних, слід відмітити їх нерегулярність (особливо даних про вміст у воді хімічних речовин), неповноту та недостатню точність. Якщо при цьому врахувати ще і випадковий характер стоку та стохастичність динаміки та взаємозв`язку характеристик гідрохімічного режиму та неточність їх змін, то слід зробити висновок, що при будь-яких, навіть самих досконалих, способах обробки таких даних, інформація, що добута з них, буде носити лише приблизний, часто тільки якісний характер, а отримані прогнози формулюватися у вигляді описання очікуваних тенденцій зміни прогнозних величин з дуже приблизною (орієнтовною) їх кількісною оцінкою.