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


Альбомный лист (на отдельном файле) самая первая страница
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28


Фундатором басейнового підходу в науках фізико-географічного циклу був Р. Хортон [209], який не тільки одним з перших звернув увагу на гідрологічну і на загальногеографічну роль річкових систем і їх басейнів, але й здійснив змістовний аналіз взаємодіючих у басейні природних факторів. Підходи до аналізу річкового басейну з комплексних географічних позицій розвинули В.В.Докучаєв та О.І.Воєйков, які вбачали в ньому цілісні природні територіальні одиниці.


Л.М.Коритний запропонував розглядати річковий басейн як високо інтегровану ієрархічно побудовану геосистему з підсистемами та рівнями організації [209,210].


Застосовуючи принцип функціональної цілісності геосистем, О.В. Кадацька запропонувала розглядати річковий водозбір як геосистему, а гідрохімічні показники використати в якості індикаторів цієї геосистеми [117]. Головною функцією цієї геосистеми є генерація односторонньо направленого водного потоку, який формується в результаті сукупного впливу фізико-географічних факторів.


Водний потік, який формується на поверхні суші в результаті випадання дощових опадів, або танення снігу і має площинний характер поширення (поверхнево-схиловий стік) трансформується в межах певної площі в лінійну форму руху матерії – в лінійний (русловий стік). Надходження поверхнево-схилових вод до річкового русла відбувається з водозбірної території, що обмежена водороздільною лінією. Ця територія називається басейном річки.


Річковий басейн можна вважати одиницею територіальної структури басейнових геосистем. Будь-яку територію можна представити як безкінечну сукупність елементарних водозбірних басейнів. Чим більше таких басейнів – тим точніше буде охарактеризована гідрологічна та гідрохімічна територіальна структура конкретної цілісно-функціональної геосистеми. Розмірність її структурних одиниць буде залежати від положення елементарних басейнів-систем в ієрархічній організації структури в цілому.


Міце будь-якого елементарного річкового басейну в ієрархії басейнової геосистеми визначається його порядком. Порядок басейну – його формальна, але надзвичайно важлива характеристика, що визначає деякі загальні властивості басейнової геосистеми [91]. Принципи визначення порядків за Р. Хортоном показано на рис.2.2.


Ієрархічність проявляється не тільки в територіальному підпорядкуванні (включенні) басейну меншого порядку до більшого, а і в залежності особливостей руслових та схилових процесів а значить і інтенсифікації гідрохімічних процесів у басейні порядку к від змін базису ерозії у басейні к+1. Тобто є підстави зважати на наявність елементів управління басейнів вищих порядків басейнами нижчих порядків.


Встановлено, що у басейнах невисоких порядків (1-3-го) на величину стоку впливають морфометричні показники басейну, його залісеність, ґрунтовий покрив, сума опадів, тощо. Чим більший порядок басейну, тим ця залежність стає меншою, що є наслідком нівелювання топічних ландшафтних особливостей у басейнах високих порядків. Гідрохімічні показники річок басейнів 1-3 порядків дуже добре пов’язані з ландшафтно-геохімічними характеристиками їх водозборів.


За цими показниками можна судити про екологічний стан водозборів, про види господарської діяльності в їх межах. Вони також є ідентифікаційними ознаками гідрохімічних систем річкових басейнів. Використовуючи дані про просторово-часову варіативність концентрацій хімічних речовин у воді нами запропоновано методику ідентифікації та дослідження структури гідрохімічних систем [143]. Басейни 3 та 4 порядків якісно відрізняються між собою. Визначальними факторами формування басейнів 1-3 порядків є місцеві особливості ландшафту, а стік та структура басейнів 4-го і вищих порядків залежить від тектонічних та мікрокліматичних факторів регіонального порядку.


Річки 4-го порядку є складними системами, що об’єднують басейни багатьох малих річок 1-3 порядків, які між собою значно відрізняються гідрологічним режимом, складом порід, кліматичними умовами, внаслідок чого хімічний склад їх вод певним чином інтегрує властивості вод численних приток нижчих порядків. Внаслідок цього хімічний склад води річок 4-го порядку не відповідає зональним особливостям хімічного складу природних вод [46].


Рис.2.2. Схематичне зображення басейну річки з гідрографічною мережею та її трансформація в лінійний граф (цифрами позначено басейни 1, 2, 3 порядку).


Це необхідно враховувати при дослідженні структур гідрохімічних систем, а саме: ніколи не можна розпочинати виділення гідрохімічних систем нижчого порядку шляхом декомпозиції системи вищого порядку. Методично правильним підходом є інтеграція однорідних за комплексом ознак елементарних гідрохімічних систем, що відповідають басейнам 1-го порядку, в системи вищого порядку.


Розглянувши два теоретично можливі підходи до виділення структур гідрохімічних систем, слід зробити наступні висновки:


1.Ландшафтно-генетичний підхід, що враховує принцип географічної зональності хімічного складу поверхневих вод, успішно застосовувався для районування хімічного складу поверхневих вод та для виділення елементарних гідрохімічних структур, наприклад, “гідрохімічних полів” [49]. В той же час слід взяти до уваги, що географічна зональність прослідковується у просторовій зміні лише тих хімічних речовин, концентрації яких формуються лише, або головним чином за рахунок природних факторів. До таких речовин належать в першу чергу розчинені у воді солі (більшість головних іонів).


Що ж стосується характерних для сучасного хімічного складу води речовин так званого змішаного і антропогенного походження, то в просторовому розподілі їх концентрацій не спостерігається ніяких ознак географічної зональності. Тому застосування схеми фізико-географічного районування для класифікації однорідних гідрохімічних структур, що характеризуються полікомпонентністю зі зростаючим в останні десятиліття переважанням речовин змішаного (природно-антропогенного) та антропогенного походження, виглядає методично необґрунтованим.


2.Басейновий підхід як метод дослідження цілісно-функціональних геосистем є найбільш обґрунтованим для його застосування у дослідженнях гідрохімічних структур і, особливо, для визначення територіальної структури гідрохімічних систем. При цьому слід віддати перевагу методу інтеграції з урахуванням комплексу ідентифікаційних ознак елементарних гідрохімічних систем нижчого рангу в системи вищого рангу.


3.Виявлення гідрохімічних систем за умови використання запропонованого підходу, в основі якого лежить інтегрування елементарних однорідних цілісно функціональних гідрохімічних систем, можливе в межах будь-якої території, яку можна представити як макросистему, що складена якою завгодно великою кількістю елементарних річкових басейнів. Сказане означає, що ієрархічно структуровані гідрохімічні системи можна виділити як в межах басейну річки вищого порядку, так і в межах території будь-якої одиниці географічного районування, аж до топічного рівня.


Для розробки ієрархічної класифікації гідрохімічних систем за територіальними ознаками слід об’єднати досвід фізико-географічного районування та класифікацій річкових басейнів.


Аналізуючи досвід фізичної географії та суміжних наук, в межах яких відбувався власне розвиток геосистемної теорії, можна звернути увагу, що поняття “геосистема” пройшло еволюційний шлях розвитку від позначення великих природно-територіальних систем до обмежених за площею ландшафтів, річкових басейнів, водойм з прибережною територією. Тобто як геосистему можна розглядати і географічну оболонку в цілому, і ландшафтну зону , і невеличку ділянку земної поверхні [91].


Ряд вчених В.Б.Сочава (1974), А.Г.Ісаченко (1979), К.А.Кінг (1980) та К.Аурада (1986) виділяють три рівні територіальної розмірності геосистем: планетарний, регіональний та локальний [91].


М.Д. Гродзинський пропонує, виходячи з ландшафтно-екологічних позицій, шість рівнів розмірності геосистем (табл.2.7).


Таблиця 2.7


Рівні розмірності геосистем за М.Д.Гродзинським [91]


Рівень


геосистеми

Відповідні географічні


одиниці розмірності

Розмір


геосистеми, м2


глобальний

планетарний рівень, уся географічна оболонка

1014 – 1016


субглобальний


географічні пояси, континенти, субконтиненти

1010 – 1014


регіональний


зони, підзони, провінції, області

107 – 1012


хоричний


фізико-географічна область

104 – 108


топічний


геотопи

102 – 104


субтопічний


невеликі за розміром територіальні одиниці, що відрізняються від геотопів

100 – 101


Використовуючи викладені вище методичні підходи, тобто враховуючи досвід фізико-географічного районування та класифікацій річкових басейнів, пропонується наступна ієрархічна класифікація гідрохімічних систем за їх розміром ( табл.2.8).


Таблиця 2.8


Рівні розмірності гідрохімічних систем


Рівень ГХС

Розмір,


км2 -м2

Відповідність розміру ГХС водозбірним системам суходолу


За геосистемним


принципом


За величиною


Глобальна

макро

> 100 млн. км2

Планетарні водозбори: Атлантико-Арктичний та Тихоокеансько-Індійський


Субглобальна

макро

1–100 млн. км2

Водозбори в межах географічних поясів, континентів, субконтинентів


Регіональна ІІ порядку


макро

50 тис.км2 –


1 млн. км2

Водозбори великих річок


Регіональна І порядку


макро

5 – 50 тис. км2

Водозбори середніх річок


Локальна ІІ порядку

мезо

10 км2 – 5 тис.км2

Водозбори малих річок


Локальна І порядку


(топічна)

мезо

10 м2 – 10 км2

Водозбори струмків


Субтопічна

мікро

до 10 м2

Водозбори мікропотоків


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


Враховуючи, що в Україні найбільш поширеними є малі річки з площею до 2000 км2 ( 99,86% від кількості усіх річок), а з площею до 5000 км2 ( 99,96%) [212, 213], можна зробити висновок про переважання локальних гідрохімічних мезосистем І та ІІ рівнів в просторових гідрохімічних структурах.


Вертикальна структура. Вертикальна структура гідрохімічної системи пов’язана з поширенням вод зони активного водообміну, які розміщуються вище місцевого базису ерозії і є генетично однорідними і близькими за хімічним складом.


Хімічний склад води мікропотоків та малих річок нерідко схожий з хімічним складом атмосферних опадів та ґрунтових вод. Генетична однорідність названих категорій природних вод пояснюється надзвичайно тісним характером взаємозв’язку різних категорій вод [214], що утворюють гідрохімічну систему.


Основне живлення дрібні водотоки з неглибоким ерозійним урізом отримують виключно за рахунок атмосферних опадів.


Здійснення транспортно-розподільчої функції гідрохімічної системи відбувається в товщі грунтів та осадових порід зони активного водообміну, де відбуваються фізико-хімічні, біохімічні процеси формування гідрохімічних параметрів вертикально і горизонтально направленого водного потоку. Вертикальний розріз гідрохімічної системи можна умовно представити наступним чином (рис. 2.3).


АЛЬБОМНЫЙ ЛИСТ (НА ОТДЕЛЬНОМ ФАЙЛЕ) САМАЯ ПЕРВАЯ СТРАНИЦА


Представлений рисунок показує, що верхньою межею простору, у якому формується генетично і речовинно однорідний водний потік, тобто гідрохімічна система, є поверхня ґрунтового покриву водозбірного басейну.


Нижня межа поширення системи збігається з нижньою межею поширення ґрунтових вод, що формуються як і поверхневі води, за рахунок атмосферних опадів і гідравлічно тісно зв’язані з поверхневими водами.


Що стосується грунтових вод, то глибина їх залягання значно змінюється. Так, наприклад, в межах низовин річкових заплав та перших надзаплавних терас річкових долин вони залягають на глибині до 5 м і надзвичайно тісно зв’язані з поверхневими водами.


В межах височин глибина їх залягання збільшується до 5 -15 м, а в зоні недостатнього зволоження до 10-20 м. Відповідно змінюється і нижня межа гідрохімічної системи та її вертикальна потужність.


Формування параметрів локальної гідрохімічної системи, втім як і систем інших порядків, розпочинається ще у атмосфері, де утворюються атмосферні опади, які при наступному контакті з поверхнею водозбору та послідуючих перетвореннях дещо трансформуються: зростає їх мінералізація та вміст біогенних речовин [ 214].


Хімічний склад атмосферних опадів може змінитися ще на шляху до ґрунтового покриву, захоплюючи, наприклад, розчинні речовини рослин [215], що вже на цій стадії сприяє нейтралізації кислотних компонентів.


В ґрунтовій товщі існує два протилежних за напрямками рухи води:


1) інфільтрація – від поверхні в глибину під дією сил гравітації та капілярності;


2) підняття води вгору під впливом випаровування та капілярного підняття.


Співвідношення цих процесів залежить від кліматичних умов. В зонах гумідного клімату, де надходження опадів переважає випаровування, формуються інфільтраційні потоки вологи, що сприяють добрій промитості товщі грунтів і утворенню гідрокарбонатно-кальцієвих маломінералізованих вод.


В південних регіонах з аридним кліматом випаровування ґрунтових розчинів та капілярний підйом приводять до підвищення мінералізації вод місцевого стоку, в основному за рахунок найбільш розчинних сульфатних та хлоридних солей. Таким чином, зволоженість території вважається вирішальним фактором, від якого залежить хімічний склад води верхньої зони [46].


Відомо, що характер взаємозв’язку різних типів природних вод зони активного водообміну характеризується сезонними змінами. Ці зміни в значній мірі обумовлюють процеси зміни типів водного живлення річкових вод.


Детальне дослідження хімічного складу води малих водотоків виконав П.П.Воронков [216]. Він прийшов до висновку, що атмосферні опади, проходячи завдяки інфільтрації товщу грунтів і порід , змінюють свій склад. Під час проходження атмосферних опадів через шар грунту і зону інфільтрації концентрація в них органічних речовин суттєво знижується (внаслідок бактеріального розкладу та адсорбції), а концентрація елементів, які присутні у формі органічних комплексів, (особливо заліза та алюмінію) зменшується [217].


П.П.Воронков, враховуючи трансформацію хімічного складу атмосферних опадів у товщі водопроникних грунтів та порід на їх шляху від поверхні водозбору до ґрунтових вод, виділив 4 генетичні категорії вод місцевого стоку, які в певній мірі можуть характеризувати вертикальну структуру гідрохімічної системи.


Враховуючи класифікацію П.П.Воронкова [216] та результати ряду інших робіт [217-220], можна представити вертикальну структуру гідрохімічної системи наступним чином:


1 вертикальний рівень: зона стікання поверхнево-схилових вод. Охоплює приземний шар атмосфери з найбільшим рівнем концентрації атмосферних аерозолей, тобто шар, в якому закінчується остаточне формування хімічного складу власне атмосферних опадів і починається його трансформація на поверхні ґрунтового покриву водозбору. Цей рівень функціонування ГХС має тимчасовий сезонний характер і прослідковується у періоди повного насичення ґрунтового покриву вологою.


2 вертикальний рівень: зона стікання атмосферних вод мікрорівчаковою мережею. У цій зоні відбувається змішування поверхнево-схилових вод і вод, які дренуються з верхнього перезволоженого шару грунту (грунтово- поверхневі води).


3 вертикальний рівень: зона стікання інфільтраційних вод в руслову мережу. Ця зона теж має тимчасовий характер і має місце лише в періоди надмірного зволоження внаслідок дренування ерозійним урізом водоносних шарів грунтово-підгрунтової товщі.


4 вертикальний рівень: зона стікання грунтових вод в водотоки. Цей рівень існує постійно і в генетичному аспекті характеризує останній етап трансформації хімічного складу атмосферних вод, які шляхом інфільтрації досягли горизонту ґрунтових вод.


5 вертикальний рівень: зона руслового стоку. Цей рівень можна назвати рівнем постійного, або руслового функціонування ГХС. Хімічний склад вод змінюється внаслідок сезонної зміни характеру вертикальної зональності системи.


В.К.Хільчевський пропонує поверхнево-схилові та грунтово-поверхневі води як близькі за генезисом об’єднати однією назвою – схилові води [52]. Саме вони забезпечують поверхневе живлення річок і вимивають з верхнього шару грунту розчинні і нерозчинні речовини як природного походження, так і внесені з агрохімічними засобами (добрива, пестициди), радіоактивні елементи,що випали з атмосфери після аварії на Чорнобильській АЕС


Матеріали гідрохімічних спостережень дозволяють впевнитися [214], що схилові води в найбільш чистому вигляді заповнюють руслову мережу малих водозборів в період проходження піку повені (паводка). Після проходження весняної повені кількість силових вод у русловій мережі зменшується, а грунтово-підгрунтових збільшується. Після повного сходу снігового покриву надходження схилових вод в руслову мережу припиняється, а надходження грунтово-підгрунтових вод досягає максимуму. Стійке збільшення мінералізації води свідчить про переважання у русловій мережі вод ґрунтового походження.


Сказане вище характеризує нестабільність вертикальної структури гідрохімічної системи і зміну потужності вертикальної товщі водозбірного басейну, у якій вона функціонує.


Вертикальні рівні функціонування ГХС можна розділити таким чином на тимчасові (1-3 рівень) та постійні (4 і 5 рівні).


Постійні рівні функціонування гідрохімічної системи зберігаються на протязі всього гідрологічного року, характеризуючись стабільним хімічним складом води та типовими гідрохімічними процесами для даного регіону і тісним гідравлічним зв’язком. Розширення вертикальної товщі функціонування ГХС спостерігається під час весняної повені та літньо-осінніх дощових паводків. В цей час відбувається активізація гідрохімічних процесів на усіх рівнях ГХС, що призводить до сезонної зміни параметрів компонентів гідрохімічної системи.


2.4. Перенесення речовин та енергії у гідрохімічній системі


Вже у визначенні поняття “гідрохімічна система” розкривається функціональність останньої як специфічної функціонально цілісної геосистеми. Головною її функцією є здійснення речовинно-енергетичного обміну між природними водами та компонентами навколишнього середовища завдяки наявності динамічного просторово-часового та специфічного комплексу хімічних речовин та процесів у природних водах.


Гідрохімічна система формується і функціонує під впливом зовнішніх по відношенню до неї факторів навколишнього середовища в певних просторових межах головним чином як односторонньо направлений водний потік. В межах саме цього потоку і здійснюється реалізація функцій ГХС.


Гідродинамічна неоднорідність водних мас є передумовою горизонтального та вертикального перенесення речовин та енергії у гідрохімічних системах. Головним чинником транспорту речовин вважається течія води, яка формується під впливом сил гравітації.


Поширення хімічних речовин у водному середовищі здійснюється в основному за рахунок двох процесів. Перший із них – це конвекція (в літературі зустрічається ще й термін адвекція), за рахунок якої хімічні речовини переносяться струменем текучої води у потоці. У гідрологічних тривимірних моделях вважається, що потік води поширюється у трьох напрямках x, y, z відповідно з швидкостями Vx, Vy, Vz , тобто і конвекційне переміщення речовин здійснюється у горизонтальному, вертикальному напрямку і перпендикулярно до напрямку основного потоку (рис. 2.4).


Поруч з конвекційними процесами велике значення має також дифузне переміщення речовин, у якому бере участь турбулентна дифузія та в меншій мірі також молекулярна дифузія (броунівський рух молекул речовин).


Турбулентна дифузія це поширення речовини в потоці під впливом турбулетного перемішування водних мас.


Цей процес описується рівнянням турбулентної дифузії, яке для консервативної речовини у загальному випадку має такий вигляд:


, (2.1)


де x, y, z - координатні осі відповідно вздовж потоку (х), нормально до напрямку потоку в горизонтальній площині, наприклад від лівого берега до правого (у) та у вертикальній площині (z), наприклад від поверхні води до дна;


Vx, Vy, Vz - компоненти швидкості течії за відповідними координатами ( напрямками);


D - коефіцієнти турбулентної дифузії; в загальному випадку Dx ¹ Dy = Dz, розмірність ï L2 Т-1 ï (віддаль / час);


С - концентрація компонента.


Прокоментувати цю графічну модель масопереносу можна таким чином. Паралелепіпед з ребрами dx, dy та dz символізує собою частину об`єму води із загального річкового потоку.


Кількість речовини, що втікає в цей паралелепіпед через грань АВСD у напрямку dx витікає з нього завдяки турбулентній дифузії через відповідно протилежні грані у напрямках dx, dy та dz за час dt.


G


dz