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


ТАБЛИЦЯ 7.5


НА ІНШОМУ ФАЙЛІ


Вагомими коефіцієнтами в цьому випадку виступають коефіцієнти детермінації, що рівняються квадрату коефіцієнта кореляції Д(xi, xj) =R2(xi, xj), що характеризує тісноту зв`язку між величинами xi, xj, що розглядаються. Всі, складені таким чином прогнози зведені у підсумкову таблицю 7.6. В цій таблиці в лівому заглавному стовпці наведені іони та мінералізація, значення яких прогнозуються, у другому стовпці приведені прогностичні рівняння, за якими здійснювалось прогнозування цих концентрацій за аргументами, що містяться в цих рівняннях (t, Q або q), в третьому і четвертому стовпцях приведені коефіцієнти кореляції R і детермінації (R2), які характеризують ці рівняння, а в п`яти стовпцях, що знаходяться праворуч, - прогнози концентрацій іонів як по кожному з прогностичних аргументів, що використовуються, так і відповідний їм результативний середньозважений прогноз. В нижньому рядку таблиці наведений прогноз водності р. Горинь, що використовується в якості аргументу.


З наведених даних випливає, що концентрації всіх домішок, що розглядаються, у водах р.Горині мають помітні тенденції еволюторної зміни в часі, яке буде продовжуватись і в недалекому майбутньому і в період 2005-2010 рр. призведе до формування середніх концентрацій, які будуть суттєво відрізняться від їх середньобагаторічних величин, розрахованих за весь період їх спотережень в минулому.


Зокрема, на тлі очікуваного поступового зменшення середньої водності р.Горинь у створі с.Оженін (під впливом внутрішньовікового циклу її змін) слід очікувати явно виражене збільшення концентрацій в її водах більшості іонів (особливо та Cl-), а також помітного зменшення концентрацій іонів Са2+. Слід відзначити, що у зв`язку з припиненням подальшого розвитку атомної енергетики та зростанням вироблення електричної і теплової енергії за рахунок спалювання органічного палива, що пов`язане з відповідним збільшенням викиду і обумовленим ним ростом концентрацій в атмосферних опадах і річковому стоці, реальні майбутні концентрації у водах р.Горині та інших водних об`єктах можуть виявитись вищими від спрогнозованих.


7.6. Прогноз параметрів гідрохімічної макросистеми р. Горинь та її притоків з


використанням балансового методу


Вибір найбільш репрезентативних параметрів гідрохімічної системи для їх прогнозування здійснюється на базі результатів попереднього аналізу даних багаторічних гідрохімічних спостережень на річках досліджуваного району.


При цьому враховувалась пріоритетність або значимість кожного з показників якості води як параметрів (елементів) гідрохімічної системи для характеристики кожної групи хімічних рчовин, що є в річкових водах. Критеріями відбору таких показників служили дані про перевищення ГДК хімічними компонентами, які присутні у воді, і дані про домінуючі показники хімічного складу стічних вод, що надходять e річкову мережу. Враховувалась також і забезпеченість кожного показника матеріалами гідрохімічних спостережень.


Таблиця 7.6


Статистичний прогноз тенденцій змін гідрохімічних характеристик р. Горинь в створі м. Оженін на період 1995-2010 р


Іони

Прогнози


концентрацій іонів, як функції часу t і стоку Q R

R2

Прогнози концентрацій q на період


1990-2010 р.


1990 р.


n = 41

1995


n = 46

2000


n = 51

2005


n = 56

2010


n = 61


Cl-

q = 0.97t-2.67

q = 0.97Q-10.2

Результуючий прогноз

0.858

0.736

37.1

41.9

46.8

51.6

56.5


0.678

0.460

26.6

25.7

23.8

21.1

17.4


33.1

35.7

37.9

39.8

41.4


q = 0.71t+16.8

0.556

0.311

45.9

49.5

53.0

56.6

60.1


åі q = 0.395t+410.6

q = -3.8Q+492

Результуючий прогноз

0.281

0.079

426.8

428.8

430.7

432.7

434.7


-.229

0.052

340.0

343.8

351.1

362.8

378.0


392

394

399

405

412


Na++K+

q = 0.198 Q SO42-+8.04


q = -0.26Q+19.8

Результуючий прогноз

0.576

0.332

17.1

17.8

18.5

19.2

19.2


-.272

0.184

9.8

10

10.6

11.3

12.3


14.5

15.0

15.6

16.2

16.8


Ca2+

q = -0.48t+84.1

-.429

0.184

64.4

65.4

66.3

57.2

54.8


Mg2+

q = 0.212t+8.37


q = 0.46Q+2.8

Результуючий прогноз

0.465

0.216

17.1

18.1

19.2

20.2

21.3


0.317

0.100

21.2

20.7

19.8

18.4

16.6


18.4

18.9

19.4

19.6

19.8


Fe2+ q = 0.015t+0.212

q = 0.005Q+0.18

Результуючий прогноз

0.205

0.042

0.810

0.902

0.977

1.052

1.127


0.211

0.044

0.382

0.375

0.365

0.350

0.330


0.61

0.64

0.67

0.70

0.73


Статистичний прогноз водного стоку р. Горинь, Q м3/с

40

39

37

34

30


У результаті було відібрано 13 показників якості води. Для характеристики сольового складу вод вибрано три показники - мінералізація (сума всіх розчинених солей), вміст хлоридних і сульфатних іонів. Їх вибір зумовлений переважно антропогенним генезисом цих сполучень та зростанням їхніх концентрацій в природних водах, що спостерігається в глобальному масштабі для гідрохімічних макросистем планетарного рівня.


У цю групу входить також показник загальної жорсткості води (сума іонів кальцію та магнію). Біогенні речовини охарактеризовані амонійним азотом, нітратами, загальним фосфором.


Органічні речовини виражені такими показниками, як БСК5, перманганатна окислюваність води. Вони характеризують величину споживання атомарного кисню, що витрачається на окислення органічних речовин, які потрапляють у річки із стічними водами.


Метали охарактеризовані хромом, міддю, залізом, а специфічні забруднюючі речовини антропогенового походження - СПАР.


Джерела отримання вихідних даних та методика їх обробки охарактеризовані у вищенаведених розділах. Слід відзначити, що в основу прогнозу перерахованих гідрохімічних показників на 2005 і 2010 роки були покладені результати розрахунку водогосподарського балансу річки та її притоків по 13 розрахункових створах.


Таким чином, тенденція зміни навантаження стічними водами річок відіграла визначну роль у формуванні тенденції росту концентрації хімічних речовин.


Результати розрахунків прогнозних концентрацій 13 показників якості води по 13 водогосподарсько-балансових створах, виконаних за формулою 4.20 наведені в табл.7.7. Як бачимо з цієї таблиці, динаміка росту концентрацій різних речовин в окремих створах має певні відміни.


Величини мінералізації води, втім як іони , Cl-, величина жорсткості води, змінюються і у просторі (по всіх 13 створах) і у часі не дуже сильно. Мінералізація води коливається навколо значення 500 мг/дм3, досягаючи найбільших величин у створі №6 (р. Устя - м. Рівне) - 678-688 мг/ дм3. Найменші її значення відмічаються у створі №12 (р. Случ - гирло) - 390-396 мг/ дм3 (7.7). Різниця величин мінералізації визначається різним об`ємом скидів стічних вод в цих створах, їх різним складом, а також відміною фонових значень прогнозної величини у заданому створі. Аналіз величин очікуваного приросту мінералізації води досліджуваних річок на 2005 рік в порівнянні з 1988 роком (вихідні дані) показує , що приріст мінералізації буде незначним і складатиме 0-5%. Таке незначне збільшення мінералізації води при суттєвому зростанні об`ємів скидів стічних вод (від 8,3 до 202% по окремих створах) пояснюється збереженістю високої розбавляючої здатності річки Горині та її великих притоків. Так, у створах №5, 7, 13, де розрахункова розбавляюча здатність річок при річній витраті 95% забезпеченості складатиме відповідно 734, 92 та 339 разів , мінералізація води суттєво не зміниться. В той же час деяке її зростання буде спостерігатися у створах №10 та №2, де розбавляюча здатність річки незначна, відповідно 4-8 раз.


Таке ж саме незначне збільшення на прогнозні рівні характерне і для жорсткості води, що формується за рахунок кальцію і магнію, які для даного регіону характеризуються переважно природним походженням (вилуговування грунтів та порід). Тільки у створі №6 (р.Устя - м. Рівне) жорсткість води (Нзаг.) збільшиться до 2005 р. на 10% і складатиме 7,05 мг-екв/дм3. Вода з такою жорсткістю не допускається до застосування для господарсько-побутових та питних потреб.


Більш суттєво зростуть концентрації хлоридів і сульфатів (табл.7.7). Найбільше зростання хлоридів відмічається для створів №1, 10, 11 - відповідно на 24, 23 та 21%. Найбільше зростання сульфатів відмічається у створах №6 та 7. Слід відзначити, що до 2005 р. концентрації цих іонів будуть значно нижчі сучасних ГДК, які обежують вміст хлоридів до 350, а сульфатів до 500 мг/ дм3.


ТАБЛИЦЯ 7.7


НА ІНШОМУ ФАЙЛІ


Особливої уваги дістали результати прогнозу вмісту біогенних речовин. Тенденція зростання вмісту амонійного азоту така, що концентрація в багатьох створах наблизиться до ГДК (2,0 мг/ дм3), а у створі №6 (р. Устя) вже у 1995 р. досягне ГДК, а у 2005 р. перевищить її в 2,6 раза. Буде відмічатися зростання концентрацій амонійного азоту під впливом зростаючої кількості скидів стічних вод. Найбільший приріст концентрації цього іона очікується у 2005 р. у створах № 11, 2, 10 відповідно на 43,5, 31,6, 39,8 %. Пояснюється це тим, що у зв`язку із зростаючим антропогенним навантаженням річки за рахунок скидів стічних вод суттєво знизиться розбавляюча здатність річки (приблизно у 2 рази в порівнянні із сучасним періодом). Погіршиться самоочисна здатність річки, що і призведе до підвищення стійкості сполучень амонійного азоту в річковій воді та зростання його концентрацій.


Результати прогнозу концентрацій NO3- показують, що під час прогнозного періоду його вміст буде збільшуватись, однак не досягне величини ГДК, яка складає 45 мг/дм3 . Найбільші прогнозні концентрації NO3- будуть спостерігатися у створах № 1 та №2, що знаходяться у верхів`ї р. Горинь. Високі концентрації нітратів тут пояснюються переважно підземним живленням даної ділянки річки.


Хоча прогнозні концентрації не викликають хвилювання, слід все ж таки звернути увагу на небезпечні тенденції, що намітились і проявляються у різкому зростанні нітратів у створах № 3, 6, 8, 9, 10, 11, 12 (табл.7.7). У створі №3 (р.Вілія) до 2005 р. зростання буде складати 60,4%. Це відбудеться за рахунок зростаючого на 164% об`єму скидів стічних вод та зменшеної у 3 рази розбавляючої здатності річки. Тими ж причинами пояснюється різкий приріст концентрацій (42-58% у створах №8-12. У створі №6 (р.Устя) ситуація трохи інша. Збільшення концентрацій тут на 36,2% обумовлено не збільшенням об`єму скидових вод, а високим вмістом нітратів у стічних водах, різних підприємств, в тому числі і ВО “Азот”.


У відповідності з нормативами [192, 194] величина БСК5 у воді призначеної для господарсько-побутового та питного водопостачання не повинна перевищувати 3 мг/ дм3, а для культурно-побутових цілей - 6 мг/ дм3. За результатами прогнозу (табл. 7.7) видно, що по всіх створах навіть у сучасний період величина БСК5 перевищує 3 мг/ дм3, тобто не придатна для питного водопостачання без попередньої підготовки. У деяких створах за цим показником вода не придатна навіть для культурно-побутових цілей, наприклад для купання. Це створи № 6 і 7 (р. Устя).


Прогноз величини перманганатного окислення води показав незначне її збільшення від 0 до 12,6%. В цілому це відповідає дійсній картині динаміки забруднення, оскільки ВО характеризує легкоокислювальні органічні речовини у воді.


Викликають хвилювання результати прогнозу концентрацій синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАР).


Величина СПАР, як токсикологічного показника якості води не повинна перевищувати 0,1 мг/ дм3. В даному випадку відрізняється перевищення ГДК по СПАР у створах № 6 (р.Устя) та №8 (р. Стубла) відповідно у 3,8-4,7 та 2,1-5,4 рази. По багатьох створах до 2005 р. очікується значне зростання концентрацій СПАР ( 23-59%). Збереження тенденції, що намітилась, є загрозою для водної екосистеми р. Горинь та її притоків.


Вміст хрому, одного з характерних важких металів - антропогенних забруднювачів, за прогнозними даними не досягне ГДК (0,05 мг/ дм3). Однак у створі №10 (р. Случ) та №6 (р. Устя) буде спостерігатися інтенсивне зростання концентрацій цього токсичного металу. До 2005 р. приріст складатиме відповідно 28 та 53%, причому у воді р.Устя концентрації його досягнуть величини 0,026 мг/ дм3, що складає більш ніж 0,5 ГДК.


Прогноз концентрацій заліза показує незначний приріст його у часі. Тільки у створі №6 він збільшиться на 26% . При збереженні таких темпів зростання й надалі він швидко може піднятися до рівня ГДК (0,5 мг/ дм3). Гранично-допустимий вміст загального фосфору у воді до цього часу не встановлено, однак, відомо, що підвищений вміст даної речовини викликає інтенсифікацію гідробіологічних процесів, які дають поштовх антропогенному евтофуванню природних вод, що являє собою велику небезпеку для водних об`єктів. Найбільше зростання концентрацій фосфору відмічається у створах №6 (на 44%), №8 (на 21%), №11 (на 23%) та №13 (на 31%). Найбільші його концентрації відмічені для створів №6 та №7, які знаходяться під впливом скидів стічних вод м. Рівне у річку Устя.


В цілому, підводячи підсумок аналізу отриманих балансовим методом рзультатів прогнозу, слід відзначити, що найбільшу небезпеку для забруднення вод досліджуваного регіону являють нітрати, СПАР, амонійний азот, загальний фосфор та хлориди. Середній приріст концентрацій цих речовин по басейну р. Горинь складатиме відповідно 28,3, 28,2, 18,7, 15,1, 11,4%. Тенденція росту забруднення річок басейну хімічними речовинами найбльш чітко виражена у створах №11 (р. Случ), №10 (р. Случ), №6 (р. Устя), №3 (р. Вілія). Середній приріст концентрацій всіх прогнозних речовин складатиме по цих створах відповідно 19,96, 19,3, 18,5, 16,2%.


Таким чином, наведені у даному розділі результати показують можливість реалізації деяких класичних підходів для прогнозування параметрів гідрохімічних систем. Завдяки виконаному прогнозу вказано конкретні створи та ділянки водозбору, що потребують невідкладного проведення природоохоронних заходів, перш за все підвищення очистки стічних вод та припинення їх скидів. Перелік найбільш небезпечних для забруднення хімічних речовин, виявлених у результаті прогнозних розрахунків, може бути використаний при плануванні та проведенні робіт по очищенню стічних вод, при виборі методів та технологій очистки промислових і комунально-побутових стічних вод.


Результати даних досліджень, виконаних нами, представлені в повному об’ємі у науково-технічному звіті [307], загальну характеристику чинників формування хімічного складу вод у басейні р. Горині подано в публікації [308].


ВИСНОВКИ


1. 1.З метою поглибленого вивчення просторово-часової направленості та причинної обумовленості речовинно-енергетичних потоків та фізико-хімічних процесів у поверхневих водах, які формують їх хімічний склад та обумовлюють придатність для різних видів водокористування і функціонування водних екосистем було виконано обґрунтування, розробку, апробацію та прикладне застосування науково-теоретичних та методологічних засад дослідження хімічного складу природних вод як гідрохімічних систем – аналогів відкритих природних геосистем цілісно-функціонального типу.


2. В рамках теоретичного обґрунтування даного напрямку гідрохімічних досліджень в роботі були вирішені наступні задачі:


- виконано дефініцію гідрохімічної системи, виходячи з концепцій багатофакторності формування хімічного складу природних вод та функціональних геосистем, розвинутих в другій половині XX століття;


- здійснено графічну та математичну формалізацію гідрохімічної системи;


- описано основні властивості та функції гідрохімічних систем серед яких: поліструктурність, мінливість та стійкість, перенесення речовин та енергії у поверхневих водах;


- досліджено три типи структурованості гідрохімічних систем: речовинно-агрегатна, процесно-функціональна, просторова (горизонтальна та вертикальна);


- узагальнено характеристику речовинно-агрегатного та компонентного складу гідрохімічної системи на сучасному етапі еволюції природних вод;


- описано типові процесно-функціональні структури гідрохімічних систем;


- розроблено класифікацію рівнів горизонтальних структур гідрохімічних систем, яка охоплює охоплює широкий діапазон їх розмірностей – від мікро- до макрорівня, диференціюючи їх на 6 рівнів з урахуванням відповідності розмірностей річкових басейнів, в межах яких функціонують гідрохімічні системи. геосистемній класифікації;


- розроблено класифікацію рівнів вертикальної структури функціонування гідрохімічної системи: зона стікання поверхнево-схилових вод (1 рівень), зона стікання атмосферних вод мікрорівчаковою мережею (2 рівень), зона стікання інфільтраційних вод в руслову мережу (3 рівень), зона стікання грунтових вод у водостоки (4 рівень) та зона руслового стоку (5 рівень), які діляться на тимчасові (1-3 рівень) та постійні (4 і 5 рівні);


- виконано типізацію гідрохімічних систем як процесно-функціональних речовинно-енергетичних структур гідрологічних об’єктів; виділено такі основні типи структур: гідрохімічні системи текучих вод ( річок, струмків) та стоячих вод (озера, водосховища) а також басейнові, руслові, акваторіальні та перехідні гідрохімічні системи;


- описано основні параметри горизонтального і вертикального перенесення хімічних речовин в заданих межах гідрохімічної системи;


- встановлено, що гідрохімічна система (ГХС) є своєрідною формою існування і руху матерії в певних просторово-часових рамках, тому динамічний стан системи в різних його проявах є її природною властивістю; динамічність ГХС визначається динамічністю її структури, утвореної елементами системи та зв’язками між ними, а основною причиною динамічності гідрохімічної системи як системи відкритого типу є нестабільність зовнішніх факторів, які її формують.


- виявлено циклічний характер розвитку ГХС як закономірну мінливість у часі форм існування та концентрацій хімічних речовин у водному середовищі, що обумовлюється циклічністю природних факторів, інтегральною характеристикою впливу яких на параметри ГХС є водний стік;


- охарактеризовано стійкість ГХС, що визначається як її здатність функціонувати на певному рівні, не виходячи за рамки критичних значень параметрів її компонентів під впливом збурюючих факторів; стійкість гідрохімічної системи полягає в збереженні її рівноважного стану на протязі того чи іншого проміжку часу при умові стабільності впливу природних та антропогенних факторів її формування.


3. Розроблено основи методології дослідження процесів формування хімічного складу та якості природних вод, яка базується на методах системного аналізу і концепціях про багатофакторність формування хімічного складу та про гідрохімічні системи природних вод. Дана методологія логічно поєднує сучасні методи дослідження як системи в цілому, так і окремих її компонентів і дозволяє вирішувати наступні задачі:


- виявлення та ідентифікація факторів формування гідрохімічних систем;


- моделювання впливу антропогенних факторів на формування гідрохімічних систем методами мультиваріаційної апроксимації;


- декомпозиція просторових, процесно-функціональних та речовинно- агрегатних структур гідрохімічних систем;


- -дослідження територіальної структури гідрохімічних систем та їх візуалізація у вигляді процесно-функціональної моделі чи карти районування;


- прогнозування розвитку системи;


- розробка рекомендації для прийняття управлінських рішень, в тому числі щодо оптимізації і стабілізації гідрохімічних процесів у системі.


4. Апробація теоретико методологічних розробок для дослідження гідрохімічних систем здійснена на водних об’єктах України під час виконання науково-дослідних робіт, пов’язаних з вирішенням важливих водогосподарських проблем, в результаті чого були отримані наступні практично значимі результати:


- розроблено структурно-функціональну модель гідрохімічної регіональної макросистеми природних вод Житомирського Полісся;


- виконано районування гідрохімічної макросистеми Житомирського Полісся за умовами формування хімічного складу та якості води;


- розроблено рекомендації щодо покращення стану якості води та підвищення ефективності гідроекологічного моніторингу поверхневих вод Житомирського Полісся;