Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005

Вид материала

Документы

Содержание Методологія дослідження

Подобный материал:

• 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.

Найменшою буферною здатністю характеризуються маломінералізовані води оліготрофних озер, а найбільшою – води річок з помірною та підвищеною мінералізацією води. В обох випадках особливе значення має насиченість водного розчину хімічними речовинами, які створюють своєрідний поглинаючий і нейтралізуючий комплекс для забруднюючих речовин антропогенного походження.


Прикладом гідрохімічної системи з низькою буферною здатністю може бути акваторіальна ГХС (озеро) з низькою мінералізацією та жорсткістю води (рис.2.10). Малий вміст мінеральних речовин у такому озері пояснюється відсутністю в межах його водозбору розчинних під дією води гірських порід – основних джерел надходження мінеральних речовин у водні об’єкти.


Якщо на водозбір, що складений виверженими породами - гранітами, гнейсами, базальтами і вкритий тонким грунтовим покривом та на водну поверхню такого озера надходять кислі атмосферні опади, то відсутність поглинаючого комплексу призводить до швидкої втрати гідрохімічної рівноваги і вода озера набуває кислої реакції. Підкислення вод супроводжується збільшенням концентрацій кислотних іонів – сульфатів, нітратів та гідрокарбонатів, мобілізацією алюмінію [245].


На відміну від магматичних порід, осадові породи характеризуються високою вилуговуваністю. Найяскравішим прикладом можуть слугувати вапняки та доломіти, що легко вступають в реакцію з кислотами.


Тому гідрохімічні системи з високою буферною здатністю (рис.2.11) формуються у водних об’єктах районів, де переважають кальциновані мінерали типу вапняку чи доломіту, які в результаті розчинення збагачують хімічний склад води річки, чи озера. Закислення вод не відбувається тому, що


усі кислоти, які надходять із атмосфери, нейтралізуються або в самому озері, або ще в водотоках, які в нього впадають і, навіть, на поверхні водозбору.


Таким чином, в результаті проведених досліджень були розвинуті такі теоретичні аспекти дослідження хімічного складу природних вод:


- 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


Рис.2.10. Схематичне представлення основних іонообмінних процесів у гідрохімічних системах з низькою буферною здатністю


Рис.2.11. Схематичне представлення основних іонообмінних процесів у гідрохімічних системах з високою буферною здатністю


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 водотоки (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.


Результати даних досліджень були опубліковані нами у наступних роботах [61, 74, 76, 77, 147, 211, 237] .

РОЗДІЛ 3


МЕТОДОЛОГІЯ ДОСЛІДЖЕННЯ


ГІДРОХІМІЧНИХ СИСТЕМ


3.1. Історична довідка про створення методології дослідження гідрохімічних систем


Поштовхом до розвитку методології дослідження гідрохімічних систем, яку автор тривалий час розробляв в рамках завдань держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних робіт у Проблемній науково-дослідній лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, стала необхідність подальшого розвитку прикладного застосування статистичних методів у гідрохімічних дослідженнях з метою більш об’єктивного вирізнення однорідних гідрохімічних об’єктів.


В середині 80-х років минулого століття перед науковим колективом лабораторії, яка в той час у партнерстві з інститутами “Укрдіпроводгосп” та УФ ЦНДІКВВР займалася широкомасштабними дослідженнями малих річок України, їх районуванням та картографуванням [246], постала проблема створення сучасної методики виділення однорідних гідрохімічних полів.


Опираючись на досвід гідрохімічного картографування з застосуванням ймовірностно-статистичних методів, яке на початку 70-х років було розвинуте й впроваджене в практику гідрохімічних досліджень науковим колективом лабораторії під керівництвом проф. В.І. Пелешенка [247], автором у творчому співробітництві з проф. В.І. Пелешенком, докт.геогр. наук Д.В.Закревським та канд. геогр. наук М.І. Ромасем було розроблено нову методику картографування хімічного складу річкових вод на основі однофакторного дисперсійного аналізу [248].


В основу цієї методики вперше було покладено концепцію про багатофакторність процесу формування хімічного складу природних вод, розглянуту в підрозділі 1.1 даної роботи.


Спроба застосування нових, більш складних статистичних методів оправдовувалась намаганням надолужити відсутність супутньої інформації про фактори формування та кількісні характеристики їх впливу на концентрації розчинених у воді речовин.


Впроваджуючи новий метод у гідрохімічні дослідження, було отримано можливість досліджувати дисперсію, або розсіювання концентрацій хімічних елементів. Величина ж дисперсії є відображенням міри впливу комплексу як природних, так і антропогенних факторів на формування концентрацій хімічного елемента у природній воді.


Величини концентрацій хімічних речовин у воді та їх мінливість у часі, або просторі вже є першими ознаками дії тих чи інших факторів на формування гідрохімічних систем.


Вплив множини цих факторів може бути представлений моделлю ймовірностного процесу, що складається з наступних головних частин [248]:


- детермінована частина, яка характеризує вплив провідних факторів на вміст хімічних елементів;


- випадкова частина, яка характеризує вплив другорядних факторів;


- випадкова частина, яка характеризує вплив помилок при відборі, транспортуванні та проведенні хімічного аналізу проб води.


Методика з використанням однофакторного дисперсійного аналізу дає можливість розкласти результуючу варіацію багатьох спостережень на компоненти (факторну і залишкову дисперсії), які обумовлені дією різних факторів. Вона була успішно застосована в гідрохімічному картографуванні для виділення одномірних гідрохімічних полів - площі водозборів, в межах яких факторні компоненти дисперсії для рядів концентрацій того чи іншого елементу у різних пунктах відбору проб є статистично однорідними, тобто формуються під впливом одного і того ж фактора.


Однак дана методика не надавала можливості об’єктивно ідентифікувати однорідний гідрохімічний об’єкт в його багатомірному статистичному полі, кількісно оцінити фактори формування концентрацій, в повній мірі реалізувати системний підхід до ідентифікації та вирізнення, а лише дозволяла встановити статистичну достовірність впливу гіпотетичного фактора на просторові чи часові зміни гідрохімічних характеристик.


В той же час постійне збільшення надходження забруднюючих речовин з різних джерел у поверхневі води, повсюдне погіршення якості води і відсутність реальних даних про його причини спонукало до подальшого розвитку методології дослідження процесів формування поверхневих вод на основі варіаційних методів.


Спочатку була виконана спроба безпосереднього застосування окремих методів мультиваріаційної статистики для дослідження умов формування стоку біогенних [57] та інших хімічних речовин [249]. Це дозволило статистично виявляти фактори формування гідрохімічних процесів, оцінювати їх кількісно, виконувати комплексне гідрохімічне районування території.


Набутий досвід дозволив створити перший варіант методики дослідження процесів формування хімічного складу води [56], яка згодом була успішно реалізована під час обробки та інтерпретації результатів Міжнародної екологічної експедиції “Голубий Дунай-З цього моменту розроблена методика вдосконалювалася та апробувалася на різних водних об’єктах України [88, 143, 144, 250-254, 306], використовувалася для вирішення складних екологічних проблем [255], в результаті чого і набула нинішнього вигляду як методологічна основа дослідження гідрохімічних систем поверхневих вод [141, 142].


3.2. Структура та зміст методології дослідження гідрохімічних систем поверхневих вод


Дефініція гідрохімічної системи, її характеристика показали, що об’єктом дослідження є складне природне утворення з різноманітними функціями та властивостями. У вивченні гідрохімічних систем, як і всіх складних природних утворень, не може бути простих підходів. Методологія вивчення таких об’єктів повинна бути за своєю структурою та змістом адекватною об’єкту досліджень, або хоч наближатися до цих вимог.


Запропонована нами методологія дослідження гідрохімічних систем складається із трьох взаємодоповнюючих, і в той же час абсолютно автономних, методично наповнених блоків системного дослідження, які названі етапами аналізу гідрохімічної системи :


1) формування загальних уявлень про систему;


2) поглиблення уявлень про систему;


3) моделювання та прогнозування розвитку системи.


Кожен наступний етап досліджень є розвитком попереднього етапу, доповнює його. В той же час результати кожного етапу досліджень можуть розглядатися як завершені і використовуватися на практиці.


Нижче запропоновано характеристику методологічного ланцюга поетапного аналізу гідрохімічних систем з викладом суті окремих методик, що застосовуються в ньому.


3.3. Перший етап аналізу: формування


загальних уявлень про систему


На першому етапі аналізу гідрохімічних систем (рис.3.1) перш за все необхідно виявити з яких елементів складається система.


Для досягнення цієї мети проводиться детальне фізико-хімічне дослідження водного об’єкту, готується перелік розчинених у воді хімічних речовин. Виконується аналіз репрезентативності показників хімічного складу та якості води, виділяються показники , що лімітують використання води даного водного об’єкту для того чи іншого виду водокористування. Проводяться дослідження гідрохімічного режиму водного об’єкту з метою виявлення основних процесів формування хімічного складу води та практичних аспектів водокористування (встановлення лімітуючих періодів водоспоживання тощо).


Одночасно з цим проводиться збір інформації про екзосистемні чинники. Після цього здійснюється виявлення основних властивостей системи. За даними гідрохімічних спостережень, структурованими у просторі і часі, прослідковується відповідність даної структури параметрів та процесів, які вони характеризують, класичним уявленням про властивості гідрохімічних систем. Вже на цьому етапі досліджень можлива ідентифікація гідрохімічної системи як цілісного механізму речовинно-енергетичного обміну водного об’єкту з оточуючими його компонентами.


Рис. 3.1. Схема першого етапу аналізу гідрохімічної системи


(формування загальних уявлень про систему)


На наступній стадії аналізу здійснюється пошук речовинно-енергетичних «входів» та «виходів» гідрохімічної системи.


Виявляються джерела надходження речовин та енергії до водного об’єкту. Оцінюється надходження речовин з точкових та дифузних джерел, враховується роль вторинних джерел. Визначається роль транспортно-розподільчої функції гідрохімічної системи у виведенні забруднюючих речовин із водної екосистеми та розподілі їх у її компонентах (воді, завислих речовинах, донних відкладах, гідробіонтах). Кількісні та якісні характеристики “входів-виходів” гідрохімічної системи описуються рівнянням гідрохімічного балансу [192, 230, 256].


Далі виявляються елементи інших систем, які зв’язані речовинно-енергетичними зв’язками з елементами гідрохімічної системи.


На основі розробленої концептуальної моделі формування гідрохімічної системи, виявлених та описаних рівнянням гідрохімічного балансу її “входів-виходів” проводяться пошуки елементів у інших граничних системах, через які відбувається речовинно-енергетичний обмін. З метою поглибленого дослідження зовнішніх зв’язків гідрохімічної системи проводиться вивчення цих елементів [ 141], їх моніторинг.


Остання стадія першого етапу - дослідження характеру зв¢язків між елементами системи.


Проводиться дослідження зв¢язків між елементами системи за допомогою балансових, статистичних методів та створення найпростіших моделей.


3.4. Другий етап аналізу: формування


поглиблених уявлень про систему


На другому етапі досліджень на основі виявлених вже елементів системи та зв’язків між ними вивчається структура системи. Основними стадіями цього етапу аналізу є структурний аналіз системи, аналіз виявлених факторних зв’язків і структур та встановлення їх ієрархічності (рис. 3.2).


Аналіз другого етапу розпочинається з виявлення внутрішньої структури гідрохімічної системи. Для цього використовуються усі можливі бази даних та бази знань про систему. Успішність проведення цього та наступних етапів аналізу системи залежить насамперед від репрезентативності даних про систему і лише в другу чергу від застосованої методики дослідження та кваліфікації виконавця.


Саме тому від успішного виконання процедури виявлення елементів ГХС на першому етапі аналізу у значній мірі залежить ефективність і результативність проведення другого етапу.


Другий етап аналізу ГХС базується на двох розроблених нами на основі використання мультиваріаційних статистичних методів методиках [141]: методиці дослідження факторів формування гідрохімічних систем та методиці дослідження їх територіальної структури.


Рис. 3.2. Схема другого етапу аналізу гідрохімічної системи (формування поглиблених уявлень про систему)


3.4.1. Методика дослідження факторів


формування гідрохімічних систем


Адаптація понятійного та методологічного апарату багатовимірних методів до їх застосування в дослідженнях гідрохімічних систем. Завдяки регулярному проведенню гідрохімічних спостережень на водних об’єктах України, починаючи з 1946 року, вдалося створити потужні інформаційні бази даних, що характеризують хімічний склад та якість поверхневих вод. Проте рівень наукового осмислення, інтерпретації цієї інформації на процесному рівні залишається ще досить низьким.


Тому дослідження, що виконувались останні роки в Проблемній науково-дослідній лабораторії гідроекології і гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка саме і були направлені на створення методик вирішення сучасних задач гідрохімічної науки [ 141,142].


В основу цих методик було покладено дві основні концепції, які базуються на досягненнях гідрохімічної науки:


1) про багатофакторність процесу формування хімічного складу та якості поверхневих вод;


2) про гідрохімічні системи поверхневих вод.


Саме багатофакторність процесів формування гідрохімічних систем і ускладнює їх вивчення, розробку науково-обґрунтованих заходів щодо раціонального використання та охорони природних вод.


Представлення даних моніторингових спостережень за хімічним складом води як характеристик гідрохімічних систем, що сформувалися у результаті багатофакторного впливу різних природних та антропогенних компонентів, є передумовою дослідження цих систем із використанням мультиваріаційних математичних методів.


Величини концентрацій хімічних речовин у воді та їх мінливість у часі, або просторі вже є першими ознаками дії тих чи інших факторів на формування гідрохімічних систем.


Виявлення та ідентифікація факторів формування гідрохімічних систем виконується за даними гідрохімічних спостережень з використанням методики, яка направлена на дослідження варіації хімічних елементів природних вод. В основу цієї методики покладено апарат факторного аналізу.


Суть факторного аналізу полягає у математично обґрунтованій заміні великої кількості показників, що характеризують процес формування гідрохімічного режиму ріки в цілому, меншою кількістю комплексних характеристик, які охоплюють домінуючі фактори цього процесу. Загальна схема такого методичного підходу представлена на рис. 3.3.


матриця


даних

кореляційна матриця

зразок


фактора


матриці

транспонована матриця

матриця


факторних


навантажень


Рис. 3.3. Схема факторного аналізу


В основі факторного аналізу лежить гіпотеза про те, що дані спостережень за хімічним складом води річки і сумісних середовищ – джерел надходження хімічних речовин являють собою лише опосередковані характеристики явища, що вивчається. Насправді ж існують параметри, які не спостерігаються безпосередньо, або властивості, число яких мале, однак, саме вони визначають значення рядів спостереження. Подібні “приховані” гіпотетичні параметри називають факторами. Основна мета факторного аналізу представити дані натурних гідрохімічних спостережень у вигляді лінійних комбінацій факторів і деяких додаткових залишків. Факторна модель дозволяє групувати перемінні за ступенем схожості їх змін у часі чи у просторі і при цьому робити попередній висновок про те, як співвідносяться між собою виділені групи змінних величин – концентрацій хімічних компонентів.


Важливо підкреслити, що факторний аналіз не потребує апріорних допущень відносно того, які перемінні залежні, а які незалежні. Виходячи з цього, дослідження статистичних зв`язків між тимчасовими рядами параметрів хімічного складу води і характеристиками теоретично можливих факторів є одним із шляхів переходу до вивчення механізму формування якості води. Його застосування дозволяє виявити головні фактори формування гідрохімічного режиму ріки і отримати статистичну оцінку внеску кожного із них на процеси, які вивчаються.


Попередня підготовка даних та формування вихідної матриці параметрів гідрохімічних систем. Для правильного виявлення факторів формування гідрохімічного режиму річок спочатку необхідно виконати процедуру ”стиснення” даних. Під цим поняттям розуміють зменшення розмірів матриці вихідних даних шляхом їх об’єктивного статистичного аналізу. Часто на даному етапі обробки інформації процедуру ”стиснення” заміняють чисто суб’єктивним вибором приоритетних показників (характеристик) із матриці вихідних даних. В подальшу обробку включають тільки ці вибрані дані. Але дана процедура можлива лише при умові обмеженого числа вихідних характеристик (20-30 показників).


У випадках, коли доводиться мати справу з великими інформаційними масивами [55], об’єктивний вибір пріоритетних показників із великого числа вихідних даних можливий лише за умови застосування об’єктивних мультиваріаційних методів аналізу інформаційних масивів.


Для ”стиснення” інформації добре підходить метод головних компонент. Метод головних компонент – один із методів факторного аналізу, що був розроблений Пірсоном та Хотелінгом [257-264]. Він є по суті методом розчленування кореляційної матриці на сукупність ортогональних векторів (компонент). Ці вектори відповідають власним векторам кореляційної матриці. За цим методом власні значення кореляційної матриці виділяються в порядку зменшення їх величини, що дуже важливо у випадках, коли до оцінки стоку досліджуваного водного об’єкту чи території його водозбору повинно бути використано тільки незначне число компонент.


Для виконання процедури стиснення використовується матриця вихідних даних типу ”об’єкт-показник”(табл.3.1).