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


Структура, властивості та функції гідрохімічної системи
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28


Підводячи підсумок проаналізованих в огляді робіт та представлених в них результатів досліджень, слід зробити декілька важливих для подальших досліджень хімічного складу води з позицій системного підходу висновків:


1) впровадження теорії систем, що базується на принципах матеріалістичної діалектики – науки про загальні закони руху та розвитку природи, людського суспільства та мислення, науки про загальні зв’язки у природничі дослідження привело до розвитку геосистемної методології досліджень природних утворень;


2) поняття “геосистема” пройшло еволюційний шлях розвитку від позначення великих природно-територіальних систем до обмежених за площею ландшафтів, річкових басейнів, водойм з прибережною територією;


3) на основі численних досліджень виділено функціонально-цілісні геосистеми, основою яких є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.


1.3. Поняття “гідрохімічна система”


та його обґрунтування


Система у загальному розумінні – це сукупність елементів, які знаходяться у відносинах та зв’язках між собою і утворюють певну цілісність, єдність [120].


У фізичній хімії та геохімії термін “система” використовується для позначення групи хімічних речовин, які певним чином зв’язані між собою. Так, якщо досліджується розчинення кальциту у чистій (дистильованій воді), то мова йде про систему CaCO3 – H2O. Якщо до неї включено вуглекислий газ, то мають на увазі систему CaCO3 – H2O- CO2.


Опис результатів дослідження процесів розчинення у воді тих чи інших мінералів неодмінно супроводжується використанням терміну “система”. Можна навести приклади деяких таких систем, що були досліджені геохіміками:


- система Mn-O2 – H20 (Брікер, 1965) [ 121];


- система K2O-Na2O-Al2O3-SiO2-H2O (Гесс,1966) [122];


- система Fe(PO4)2-H3PO4-H2O (Нрайагу,1972) [123];


- система MgO – SiO2 –CO2-H2O (Крайст,1973) [124];


- система “загальна лужність - двоокис вуглецю” (Гіскіс, 1974) [125].


Слід відзначити, що переважна більшість описаних у геохімії систем є двокомпонентними типу “вода – порода”, або трикомпонентними типу “вода – порода – атмосфера”.


Американський геохімік Дж. Дривер пише [45], що термін “система” по відношенню до деяких речовин в певній мірі абстрактне, тому що реальний розчин не є сумішшю цих речовин. Лише речовина у вигляді іона, молекули, твердого осаду тощо може бути проявом хімічної суті. Наприклад, у системі CaCO3 – H2O - CO2 можливе існування хімічних речовин у таких формах: , CO2( газ), CO2 (розчинений), H2СO3 , HСO3-, , Н+, ОН-, Н2О (рідина), Н2О (газ), СаСО3 (у твердому стані).


Термін “гідрохімічна система” вперше з’явився у роботі Л.М.Горєва та В.І. Пелешенка (1979) [126] і використовувався у подальших роботах Л.М.Горєва [127] у зв’язку із адаптацією методів фізичної хімії та геохімії [128, 129] до гідрохімічних досліджень. Це поняття застосовувалось щодо карбонатно-кальцієвої та сульфатно - кальцієвої системи поверхневих вод і характеризувало власне динамічний взаємозв’язок розчинених у воді хімічних речовин з їх вмістом у гірських породах, донних осадах.


Поняття “гідрохімічна система” стало синонімом інших понять – “карбонатно-кальцієва система”, “сульфатно-кальцієва система” тощо і саме тому не набуло самостійного поширення у гідрохімічній літературі.


Подібні типи систем природних вод розглядаються у пункті 2.1.2 даної роботи як процесно-функціональні структури (підсистеми) гідрохімічних систем – географічних об’єктів, що вирізняються нами в певному об’ємі простору.


Суть поняття “гідрохімічна система” в тому розумінні, яке ми в нього вкладаємо, набагато ширша, ніж його аналога, згаданого вище. Це, перш за все, географічний об’єкт, а не дво-, чи трикомпонентна хімічна система, що перенесена у природне водне середовище. Цей об’єкт вирізняється в певному об’ємі простору за принципами цілісно-функціонального геосистемного підходу, описаного в попередньому розділі роботи.


Саме такий підхід до виділення систем підземних вод застосував ще в 1972 р. П. Доменіко [130]. Він застосував системний аналіз до вивчення природного тіла – підземного потоку вод. Завдяки такому підходу, на основі численних, часто суперечливих даних гідрогеологічних досліджень території були встановлені різноманітні зв’язки та залежності, що дозволили досить чітко вирізнити невидиме природне тіло – підземний водний потік .


В. Штрукмайєр [131] сформулював визначення системи текучих підземних вод як обмежену взаємозв’язану єдність, що вирізняється своєю внутрішньою структурою, формою та розміром. Для визначення внутрішньої структури цього природного тіла важливо знати кількісні характеристики підземних вод та їх хімічний склад, тобто звичайні результати гідрогеологічних досліджень.


Г. Егелен [132, 133] запропонував і розвинув концепцію ієрархічно структурованої гідрологічної системи, яку він запропонував виділяти на основі морфологічних, гідрологічних, екологічних ознак. Гідрологічна система за Г.Енгеленом включає дві взаємозв’язані підсистеми: підземних і поверхневих вод. Таким чином, запропонована концепція враховує взаємозв’язок різних типів вод та вплив різних природних факторів на формування єдиного природного утворення - гідрологічної системи.


А.І. Гавришин та А. Карадіні (1994) геоекологічні системи класифікували як складні динамічні системи і вказали на неможливість їх дослідження без виділення в них квазіоднорідних частин. Справа в тому, що такі системи складаються із підсистем з різними, часто протилежно направленими процесами. Тому дослідження усієї системи без урахування особливостей та направленості протікання процесів у підсистемах, може привести до некоректних висновків [134].


Проблема вирізнення гідрохімічної системи як географічного об’єкта дуже тісно пов’язана з проблемою виділення подібних до неї за своєю суттю однорідних гідрогеохімічних об’єктів, яка вже давно досліджується геохіміками та гідрогеологами [135, 136]. Досвід гідрогеохімічних досліджень було використано також і для виділення однорідних гідрохімічних об’єктів [49].


Тому, перш ніж перейти безпосередньо до формулювання суті вказаного поняття, слід прослідкувати еволюцію підходів до вирізнення однорідних гідрохімічних об’єктів, адже термін “гідрохімічна система” характеризує саме таку частину простору, в межах якого зберігається просторово-часова однорідність параметрів хімічного складу води.


Вперше цю проблему у гідрохімії розглянув Г.А.Максимович (1948). Він розробив вчення про гідрохімічні фації. Гідрохімічні фації – це надземні, наземні та підземні частини гідросфери, які в межах усього їх поширення характеризуються однаковими гідрохімічними умовами, що визначаються за переважаючими розчиненими речовинами [137]. Можна сказати, що гідрохімічні фації - це однорідні гідрохімічні об’єкти, в межах яких ( за Г.А.Максимовичем) зберігається переважання одних і тих же речовин, хоча концентрації їх можуть в певній мірі змінюватися.


А.И. Гавришин вважав [135], що “однорідний гідрогеохімічний об’єкт” – це частина гідросфери, в межах якої компоненти хімічного складу води характеризуються однаковим закон та параметрами розподілу. Тобто, для вирішення проблеми виділення однорідних природних об’єктів було запропоновано застосування методів математичної статистики.


На протязі тривалого часу ця проблема вирішувалася шляхом ділення досліджуваної території на однорідні ділянки за кліматичними, геологічними, гідрогеологічними та іншими природними ознаками та дослідження хімічного складу природних вод у межах цих ділянок (гідрогеологічний метод).


Розвиток саме цього підходу для виявлення однорідних гідрохімічних об’єктів здійснив В.І. Пелешенко [49], використовуючи фізико-географічне районування території як найбільш комплексне та статистичну перевірку однорідності даних гідрохімічних спостережень в межах окремих районів. Завдяки цим дослідженням гідрохімічна наука збагатилася терміном “гідрохімічне поле”, трансформованим з терміну “гідрогеохімічне поле”. Цей термін використовується до цього часу для позначення однорідного гідрохімічного об’єкта, хоча, насправді, однорідним його можна вважати лише умовно, адже виділення його відбувалося на основі перевірки статистичної однорідності лише одного, того чи іншого, показника хімічного складу води.


Такий підхід непогано зарекомендував себе при створенні однокомпонентних гідрохімічних карт, які характеризували просторовий розподіл концентрацій якоїсь одної речовини у природних водах досліджуваної території, але не давав можливості виділити справді однорідний гідрохімічний об’єкт, який би був адекватний тому простору, в межах якого в певних часових рамках зберігалась би однорідність умов формування хімічного складу та якості води.


Так, наприклад, В.Л. Павелко, впроваджуючи математичні методи у гідрохімічні дослідження, чи не найпершим ще в 1979 р. констатував [138,139], що складність гідрохімічних об’єктів змушує відноситися до них як до великих систем, тому вихоплюючи із множини взаємодії лише одну гілку, не можна описати цілий об’єкт. Він же підкреслював необхідність розвитку нових підходів, в тому числі системного, до дослідження гідрохімічних об’єктів.


Розвиток системного підходу до вивчення хімічного складу природних вод стримувався не тільки його недостатнім методико-теоретичним забезпеченням, а й відсутністю необхідної гідрохімічної інформації.


Лише у другій половині ХХ століття завдяки розвитку теоретичних і прикладних досліджень природних вод, науково-технічного прогресу в апаратурно-методичній базі гідрохімічних досліджень було накопичено значну кількість даних про хімічний склад водних об’єктів.


Наука “насправді будується шляхом виділення природних тіл, які утворилися в результаті закономірних природних процесів”, - говорив видатний геохімік В.І.Вернадський [140].


Розширення наукових уявлень про хімічний склад природних вод (див. підрозділ 1.1), процеси його формування, про гідрохімічний режим водних об¢єктів а також розвиток геосистемних досліджень у географії, особливо функціональних геосистем (див. підрозділ 1.2), створило передумови для вирізнення за функціональними ознаками специфічного “природного тіла” – гідрохімічної системи природних вод та для створення теоретичної і методичної бази її дослідження, що і було виконано автором на протязі останніх років і представлено у ряді наукових публікацій [141-147].


Під гідрохімічною системою (ГХС) слід розуміти динамічний просторово-часовий та специфічний комплекс хімічних речовин та процесів у природних водах, завдяки яким здійснюється обмін речовиною та енергією у природних водних системах.


ГХС виділяється за принципом функціонально-цілісної геосистеми як об’єм простору; системоутворюючою основою її є компоненти хімічного складу води з їх специфічним характером форм знаходження та типами зв’язків.


ГХС є системою відкритого типу. ЇЇ властивості та структура формуються головним чином під впливом факторів зовнішнього по відношенню до неї середовища – за рахунок екзосистемних процесів. Внутрішньосистемні (ендосистемні) процеси відіграють другорядну роль.


Опираючись на результати попередніх досліджень систем взагалі [148-152] і, особливо, природних систем [153-156], спробуємо виконати математичну формалізацію гідрохімічної системи.


Для цього представимо елементи системи – компоненти хімічного складу води у вигляді певного набору параметрів, які позначимо символами X1, X2, X3 … , Xn, де n – число хімічних компонентів. Тоді множину цих елементів


Х = {Х1, Х2, Х3, ... , Хn } (1.1)


назвемо складом гідрохімічної системи S.


Елементи Х1, Х2, Х3, ... , Хn об’єднуються в систему певними відношеннями і зв’язками, які називаються системоутворюючими, або, як уже було названо вище, ендосистемними. Таким чином формується речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи, яка описується в розділі 2.


Крім того, що ці елементи зв’язані між собою, вони ще зазнають впливу зовнішніх відносно системи S об’єктів. Таким чином утворюються екзосистемні зв’язки, які характеризують зовнішні фактори формування ГХС, які можуть бути представленими системами інших генетичних типів, наприклад, ландшафтно-геохімічними системами (ЛГС). ЛГС можуть одночасно обумовлювати також основні речовинно-енергетичні потоки в геосистемі вищого порядку, до якої належить дана ГХС. Так, наприклад, концентрація амонійного азоту, як одного із компонентів ГХС, через систему зовнішніх зв’язків залежить від його вмісту у компонентах ЛГС (в тому числі у ґрунтовому покриві за рахунок природних надходжень та внесення добрив), а також у донних відкладах (за анаеробних умов), в стічних водах тощо.


Тому варто позначити символом F множину зовнішніх систем m, які формують екзосистемні зв’язки ГХС і є по відношенню до неї зовнішнім (навколишнім) середовищем. Множину цих факторів, узагальнена схема дії яких показана на рис 1.1, представимо вектором:


F ={F1, F 2, F 3, ... , F m} (1.2)


Множина відношень (зв’язків) між елементами ГХС та елементами ГХС і навколишнім середовищем називається структурою даної гідрохімічної системи S і позначається вона так:


R ={ R 1, R 2, R 3, ... , R l} (1.3)


де l – число зв’язків, що утворюють структуру системи S.


У результаті такої взаємодії формується процесно-функціональна структура гідрохімічної системи, яка описана в наступному розділі.


Склад ГХС Х, її навколишнє середовище F та структура R можуть змінюватись у часі t. Цю зміну у загальній формі можна позначити слідуючим чином:


Х =Х(t) = {Х1(t), Х2(t), Х3(t), ... , Хn(t)} (1.4)


F =F(t) ={F1(t), F 2 (t), F 3(t), ... , F m(t)} (1.5)


R =R(t) ={ R 1 (t), R 2(t), R 3(t), ... , R l(t)} (1.6)


Зміна у часі елементів Х(t) та структури R(t) ГХС в залежності від впливу зовнішніх факторів F(t) відбувається за певною функцією M(t).


Враховуючи виконану математичну формалізацію ГХС можна подати її визначення в такому варіанті: гідрохімічною системою S(t), що функціонує у водному об’єкті, чи групі споріднених водних об’єктів, які по відношенню до системи є навколишнім середовищем F(t), називається множина об’єктів


S(t) = S(Х, F, R, M) (1.7)


що утворена із сукупності внутрішніх елементів Х(t), які зв’язані між собою і з навколишнім середовищем F(t) сукупністю зв’язків R(t), які змінюються у часі у відповідності із множиною функцій M(t). Графічну модель формалізованої таким чином гідрохімічної системи представлено на рисунку 1.3.


Рис.1.3. Графічна модель формалізованої гідрохімічної системи


1.4.Типізація гідрохімічних систем


Гідрохімічні системи як процесно-функціональні речовинно-енергетичні структури гідрологічних об’єктів можуть бути розділені перш за все за їх основними двома типами:


а) гідрохімічні системи текучих вод – річок, струмків;


б) гідрохімічні системи вод з уповільненим водообміном – озера, водосховища.


Гідрохімічні системи текучих вод можуть бути басейновими та русловими.


Басейнова гідрохімічна система є класичною повнокомпонентною системою, що функціонує у об’ємі простору, створеному генетично зв’язаними категоріями природних вод, які утворюють цілісний водний потік з варіюючими у просторі і часі параметрами.


Руслові гідрохімічні системи функціонують в складі басейнових систем. Руслова система є високодинамічною гідрохімічною системою з швидким перебігом фізико-хімічних перетворень речовин та зміною параметрів системи.


Басейнові і руслові гідрохімічні системи мікро- та мезорівнів, враховуючи квазіоднорідність умов формування водного потоку в їх межах, практично не підлягають диференціації.


В той же час гідрохімічні системи річок вищих порядків, починаючи від регіонального рівня, чітко диференціюються.


Руслові гідрохімічні системи формуються в результаті змішування вод сформованих у гідрохімічних системах нижчих рангів. Параметри руслових систем у такому випадку будуть значно відрізняться від параметрів окремих, підпорядкованих їм гідрохімічних систем.


Виділення руслових систем у таких випадках є обов’язковим.


В межах руслового водного потоку під впливом скидних вод можуть формуватися локальні гідрохімічні системи мікро- та мезо рівнів, які в залежності від об’єму скидних вод, гідродинамічних та фізико-хімічних характеристик водного потоку можуть мати поширення від декількох десятків метрів до декількох кілометрів, чи навіть десятків кілометрів.


Гідрохімічні системи водойм можна розглядати як сукупність гідрохімічних систем, що функціонують у межах водозбору озера чи водосховища. Ці системи представлені зазвичай басейновими гідрохімічними системами малих та середніх річок.


Гідрохімічні системи невеликих за об’ємом водойм, як правило, руслового типу з високою проточністю не відрізняються від річкових гідрохімічних систем, з якими вони тісно зв’язані.


На відміну від них, великі озера та водосховища повинні вирізнятися як окремі гідрохімічні системи, що можуть бути названі акваторіальними.


Параметри акваторіальних гідрохімічних систем формуються під сильним впливом гідробіологічних процесів, які протікають у водоймі. За своєю процесно-функціональною структурою вони можуть значно відрізнятися від гідрохімічних систем, які характеризують водозбір водойми.


Для акваторіальних гідрохімічних систем характерна також специфічна вертикальна структура, що відрізняє їх від басейнових та руслових гідрохімічних систем. Тому вони можуть бути додатково розділені, враховуючи неоднорідність умов формування хімічного складу води як у горизонтальній так і у вертикальній площинах, на ряд локальних гідрохімічних систем мікро- і мезорівня в залежності від розміру області їх поширення. Ідентифікація та диференціація цих систем можлива за умови детального гідрохімічного дослідження водного об’єкта в межах усієї акваторії та глибини.


Виділяючи басейнові, руслові та акваторіальні гідрохімічні системи, слід звернути увагу на перехідні зони між ними. В цих зонах формуються специфічні гідрохімічні системи, що 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.


Таким чином, аналіз літературних даних та результатів власних багаторічних досліджень показав, що хімічний склад води є результатом системної взаємодії різноманітних природних та антропогенних факторів навколишнього середовища, проявом складних речовинно – енергетичних зв’язків між водою та його компонентами.


Використання теоретико-методологічних основ вчення про функціонально-цілісні екосистеми та поєднання їх з концепцією багатофакторності формування хімічного складу води, дозволило вирізнити та обґрунтувати гідрохімічну систему природних вод як динамічний просторово-часовий та специфічний комплекс хімічних речовин та процесів у природних водах, завдяки якому здійснюється обмін речовиною та енергією у природних водних системах.


Основні результати досліджень, викладених у даному розділі, опубліковані нами у наступних роботах [53-62, 86, 141-147].

РОЗДІЛ 2


СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ФУНКЦІЇ ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ


Гідрохімічна система як і усі інші природні системи наділена певними властивостями і виконує ряд важливих функцій у геосистемі.


Однією з найхарактерніших властивостей є її поліструктурність. В межах гідрохімічної системи можна виділити декілька типів одночасно існуючих структур, які є проявом самоорганізації компонентів системи під впливом комплексу зовнішніх та внутрішніх факторів.


По відношенню до гідрохімічних систем можна розглядати три типи структурованості:


1) речовинно-агрегатна;


2) процесно-функціональна;


3) просторова (горизонтальна та вертикальна).


Специфіка води як рідини полягає в тому, що вона займає проміжне положення між газом і твердим тілом, запозичивши від газів лабільність, а від твердих тіл – сильну взаємодію часток і можливість утворювати структури.


Розчинення твердої речовини у воді супроводжується її активацією, тобто сильним подрібненням аж до молекулярного рівня.


Складні структури твердого тіла не тільки часто зберігаються в розчині, але і ускладнюються.


Добре відомо, що іони CO3- , NO3- , SO4-, комплексні катіони типу [Co(NH3)6]3+ твердих солей і т.п. переходять в розчин без змін.


Таким чином, системи на основі розчинів є наступним важливим ступенем еволюції матерії, що поєднує у собі активність з досить розвинутою речовинно-агрегатною структурою.


У результаті взаємодії води з геологічними породами, грунтами атмосферою, та з речовинами, що надходять з антропогенних джерел, утворюються процесно-функціональні структури гідрохімічних систем. Ці структури відомі як ряд речовинно-енергетичних підсистем природних вод, що регулюють їх хімічний склад та динамічну хімічну стабільність. Серед них – карбонатно-кальцієва, карбонатно-магнієва та інші важливі підсистеми.


Окрім цього, гідрохімічна система як цілісно-функціональна геосистема структурована в просторі. Вона має як горизонтальні так і вертикальні просторові структури.