Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005
| Вид материала | Документы |
- 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.
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
С.І. Сніжкo
ТЕОРІЯ І МЕТОДИ АНАЛІЗУ
РЕГІОНАЛЬНИХ ГІДРОХІМІЧНИХ СИСТЕМ
Монографія
Київ
Ніка-Центр
2005
УДК 556.114:504.4
Рекомендовано до друку вченою радою географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка
20 жовтня 2003 року
Рецензенти: Тімченко В.М., доктор географічних наук (Інститут гідробіології НАН України, Лизун С.О., доктор геолого-мінералогічних наук (Міністерство охорони навколишнього природного середовища України), ), Хільчевський В.К., доктор географічних наук ( Київський національний університет імені Тараса Шевченка)
Сніжкo С.І.
Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем. –К.: Ніка-Центр, 2004. –000 с.
ISBN 000-000-000-0
У монографії сформульовано новий науковий, теоретично і методологічно обґрунтований підхід до вивчення просторово-часових полів хімічних речовин у природних водах. В гідрохімічну науку введено і формалізовано поняття про специфічне природне утворення - гідрохімічну систему. Досліджено основні властивості та функції гідрохімічних систем, виконано їх типізацію та запропоновано ієрархічну класифікацію гідрохімічних систем за їх розміром. Розроблено класифікацію вертикальних структурних рівнів гідрохімічних систем з урахуванням особливостей взаємозв’язку різних типів природних вод. Створено методологію дослідження ГХС, орієнтовану на прикладне застосування в гідрохімічних дослідженнях. Виконано комплекс досліджень регіональних гідрохімічних систем природних вод України з метою апробації теоретико-методологічних розробок.
Призначено для фахівців у галузях охорони навколишнього середовища, управління водними ресурсами, гідрологів, гідрохіміків, геохіміків, географів, геологів, а також для студентів та аспірантів.
New scientific, theoretically and methodologicalally proved approach to study of spatial - temporary fields of chemical substances in natural waters is formulated. Into hydrochemical science is entered and the concept about specific natural formation - hydrochemical system (HCS) is formalized. The basic properties and functions of hydrochemical systems is investigated, is executed them tipisation and and is offered hierarchical classification. Cassification of vertical structural levels of hydrochemical systems in view of features of interrelation of various types of natural waters is developed. It is created methodology of research HCS, focused on applied application.
Сomplex of researches of regional hydrochemical systems of natural waters of Ukraine with the purpose of approbation of methodological development is executed.
This book is intended for the experts in the field of environment protection, water resources management, hydrologists, hydrochemists, geochemists, geographs, geologists and for the students and post-graduate students.
ЗМІСТ
Сторінки
ВСТУП 7
РОЗДІЛ 1
Теоретичне обґрунтування геосистемного підходу для дослідження
хімічного складу природних вод. Гідрохімічні системи 17
1.1. Хімічний склад води як системна категорія 18
1.2. Системний підхід до вивчення природних утворень 26
1.3. Обґрунтування поняття “гідрохімічна система”, її математична і
графічна формалізація 30
1.4. Типізація гідрохімічних систем 39
РОЗДІЛ 2
Структура, властивості та функції гідрохімічної системи 42
2.1. Речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи 43
2.2. Процесно-функціональна структура: гідрохімічні підсистеми 61
2.3. Просторова ієрархічна структура гідрохімічної системи 66
2.4. Перенесення речовин та енергії у гідрохімічній системі 79
2.5. Мінливість та стійкість – дві характерні риси розвитку гідрохімічної
системи 86
РОЗДІЛ 3
Методологія дослідження гідрохімічних систем 103
3.1. Історична довідка про розвиток методології дослідження гідрохімічних
систем 103
3.2. Структура та зміст методології дослідження гідрохімічних систем
поверхневих вод 105
3.3. Перший етап аналізу: формування загальних уявлень про систему 106
3.4. Другий етап аналізу: формування поглиблених уявлень про систему 109
3.4.2. Методика дослідження факторів формування гідрохімічних
систем 109
3.4.3. Методика дослідження територіальної структури гідрохімічних
систем 120
3.5. Третій етап аналізу: моделювання та прогнозування розвитку
системи 125
3.5.1. Візуалізація гідрохімічної системи 125
3.5.2. Аналіз керованості системи 127
3.5.3. Апроксимація та моделювання багатофакторного впливу
природних і антропогенних факторів на формування
гідрохімічних систем 128
3.5.4. Прогнозування розвитку гідрохімічної системи 134
РОЗДІЛ 4
СИСТЕМНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА АНАЛІЗ РЕГІОНАЛЬНОЇ ГІДРОХІМІЧНОЇ МАКРОСИСТЕМИ ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ 142
4.1. Природні умови формування гідрохімічної макросистеми Житомирського Полісся 143
4.2. Загальна характеристика основних господарських факторів формування гідрохімічної системи 147
4.3. Оцінка параметрів регіональної гідрохімічної системи 168
4.3.1. Характеристика використаної гідролого-гідрохімічної інформації 168
4.3.2. Характеристика параметрів гідрохімічної системи 178
4.3.3. Сезонна динаміка параметрів гідрохімічної системи 178
4.3.4. Багаторічна динаміка параметрів гідрохімічної системи та її основні тенденції 190
4.4. Дослідження факторів формування гідрохімічної системи методами системного аналізу 199
4.4.1. Дослідження структури гідрохімічних систем шляхом аналізу їх часових інформаційних матриць 199
4.4.2.Дослідження структури і процесів формування гідрохімічної макросистеми природних вод Житомирського Полісся 205
4.5. Районування регіональної гідрохімічної макросистеми Житомирського Полісся 221
4.6. Рекомендації щодо покращення стану якості води та підвищення ефективності гідроекологічного моніторингу поверхневих вод 237
4.6.1. Вибір репрезентативних показників для їх подальшого включення в систему гідроекологічного моніторингу 237
4.6.2. Оптимізація мережі гідроекологічного моніторингу 249
4.6.3. Використання гідрохімічної інформації різних відомств при проведенні єдиного гідроекологічного моніторингу в регіоні 251
4.6.4. Покращення стану якості поверхневих вод 254
РОЗДІЛ 5
ХАРАКТЕРИСТИКИ БАСЕЙНОВИХ ГІДРОХІМІЧНИХ СИСТЕМ ЛІСОСТЕПОВОЇ ТА СТЕПОВОЇ ЗОНИ УКРАЇНИ 257
5.1. Характеристика об’єктів дослідження 257
5.2. Гідрохімічна локальна мезосистема р.Бутеня 260
5.3. Гідрохімічна локальна мезосистема р. Іква (басейн р. Південний Буг) 269
5.4. Гідрохімічна локальна мезосистема р.Корабельної 271
5.5. Гідрохімічна локальна мезосистема р.Росава 273
5.6. Гідрохімічна регіональна макросистема басейну р.Південний Буг 276
5.7. Оптимізаційні розрахунки впливу антропогенних факторів на форму-вання параметрів гідрохімічних басейнових систем 279
5.8. Особливості гідрохімічних систем різного рівня розмірності 286
РОЗДІЛ 6
ХАРАКТЕРИСТИКА ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ ПЕРЕХІДНОГО ТИПУ (НА ПРИКЛАДІ ШЕЛЬФОВОЇ ГХС ДЖАРИЛГАЦЬКОЇ ЗАТОКИ ЧОРНОГО МОРЯ) 290
6.1. Специфічність перехідних гідрохімічних систем 290
6.2. Еколого-економічна обумовленість досліджень гідрохімічної системи Джарилгацької затоки Чорного моря 291
6.3.Загальна характеристика матеріалів та методики досліджень 292
6.4.Природно-антропогенні передумови формування гідрохімічної системи перехідного типу в Джарилгачській затоці 293
6.5. Трансформація морської гідрохімічної системи в систему перехідного типу 294
6.6. Вплив дренажно - скидних вод на формування перехідної гідрохімічної системи у прибережній частині акваторії моря 303
6.6.1. Системний аналіз морських вод як головного компонента ГХС 304
6.6.2. Дренажно-скидові води як головний чинник формування ГХС 311
6.6.3. Донні відклади як вторинний чинник формування ГХС 318
6.7. Територіальна структура перехідної гідрохімічної системи 322
6.8. Прогноз надходження забруднюючих речовин у водне середовище за рахунок дренажно-скидних вод і донних відкладів 326
РОЗДІЛ 7
ПРОГНОЗУВАННЯ МОЖЛИВИХ ЗМІН ПАРАМЕТРІВ ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ (НА ПРИКЛАДІ ГІДРОХІМІЧНОЇ МАКРОСИСТЕМИ Р. ГОРИНІ) 333
7.1. Коротка характеристика використаних вихідних даних та особливостей їх обробки................................................................................................................333
7.2. Загальна характеристика скидів стічних вод та забруднюючих речовин у р. Горинь та її основні притоки 337
7.3. Водогосподарський баланс річки Горинь та її притоків 340
7.4. Аналіз багаторічної динаміки і прогноз водності р.Горинь 345
7.5. Прогноз параметрів регіональної гідрохімічної макросистеми басейну річки Горині на період до 2005 р 351
7.6. Прогноз параметрів гідрохімічної макросистеми р. Горинь та її притоків з використанням балансового методу 355
ВИСНОВКИ 362
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 367
ДОДАТКИ 394
ВСТУП
Розвиток суспільства на основі концепції про невичерпність та самовідновлюваність запасів прісної води [1], призвів до значної деградації світових водних ресурсів, їх дефіциту, виснаження і погіршення якості внаслідок зростаючого забруднення [ 2 ].
Вже сьогодні саме якість водних ресурсів, а не їх кількість, є обмежуючим фактором водокористування [3]. В той же час, в найближчі десятиліття очікується різке зростання попиту на якісну воду [4], загострення водогосподарських проблем і переведення їх у політичну площину [5].
Впровадження в життя нової концепції сталого розвитку суспільства, яка була прийнята Конференцією ООН з навколишнього середовища в Ріо-де-Жанейро (1992р.) [6,7], вимагає ефективного дослідження кількісних та якісних характеристик наявних водних ресурсів із застосуванням сучасних наукових методів, щоб врахувати зростаючі потреби населення та різних галузей господарства і завчасно провести заходи щодо запобігання “водного голоду”.
Невідкладність цього завдання обумовлює актуальність розробки нових підходів до гідрохімічних досліджень, включаючи їх теоретичні обґрунтування та практичне втілення у вигляді сучасних методик.
Сучасна гідрохімічна наука, використовуючи досягнення теоретичних і практичних досліджень природних вод, науково-технічного прогресу в апаратурно-методичній базі досягла високого рівня в аналітичній ідентифікації хімічного складу природних вод, створенні потужної інформаційної бази даних. Проте рівень наукового осмислення, інтерпретації цієї інформації на процесному рівні залишається ще досить низьким. Дається взнаки тенденція до описового характеру досліджень, яка об’єктивно склалася ще на етапі становлення гідрохімії як науки.
Зростання антропогенного навантаження на водні ресурси та погіршення якості води у другій половині ХХ століття спричинило розвиток прикладних напрямків гідрохімії. Проте досі усі зусилля вчених були направлені на вивчення наслідків антропогенного впливу на водні ресурси без системного причинно-наслідкового аналізу процесів погіршення якості води.
Назріла необхідність застосування геосистемного підходу до вивчення процесів формування хімічного складу та якості води. Це завдання було сформульоване В.К.Хільчевським як необхідність “... брати до уваги важливе природознавче положення про зв’язок стану водних об’єктів (їх кількісних і якісних характеристик) з динамікою компонентів ландшафту і господарської діяльності людини” [8].
М.М.Паламарчук запропонував при вирішенні водоресурсних і гідроекологічних проблем “ ... співставляти всю сукупність природних взаємозв’язків і антропогенної діяльності в межах певного географічного простору ” [9], а А.В. Яцик - концепцію басейнового еколого - системного управління водокористуванням [10].
Таким чином, актуальність теми даного монографічного дослідження полягає в реалізації системного підходу до вивчення хімічного складу природних вод, в розробці теоретичного обґрунтування гідрохімічних систем (ГХС) та в створенні методики їх дослідження у зв’язку із назрілою необхідністю комплексного і поглибленого аналізу направленості гідрохімічних процесів у природних водах як результату сукупного впливу природних та антропогенних чинників на відкриту гідрохімічну систему природних вод.
Реалізація даного підходу в практиці гідрохімічних досліджень сприятиме виявленню причинно-наслідкових зв’язків у гідрохімічних системах і розробці рекомендацій щодо оптимізації їх структури з метою стабілізації процесів формування якості води та сталого розвитку водних ресурсів.
У роботі виконано обґрунтування, розробку, апробацію науково-теоретичних та методологічних засад дослідження хімічного складу природних вод як гідрохімічних систем – аналогів відкритих природних геосистем функціонального типу, показано їх прикладне застосування.
У представленій монографії вирішено наступні задачі:
- дефініція гідрохімічної системи на основі концепцій про багатофакторність формування хімічного складу природних вод та про функціональні геосистеми, розвинутих в другій половині XX століття;
- графічна та математична формалізація гідрохімічної системи;
- узагальнена характеристика речовинно-агрегатного та компонентного складу гідрохімічної системи на сучасному етапі еволюції природних вод;
- аналіз структури, основних властивостей та функцій гідрохімічних систем;
- розробка методології дослідження гідрохімічних систем з використанням системного підходу;
- апробація теоретико-методологічних розробок, їх прикладне застосування при вирішенні важливих еколого-економічних проблем України.
Об’єктами досліджень, представлених у даній роботі, є природні води в межах річкових водозборів різних рівнів (від локального до регіонального) та шельфової зони Чорного моря (зона змішування континентальних і морських вод у Джарилгацькій затоці).
В основу досліджень покладено методологію геосистемного аналізу гідрохімічних систем як природних утворень.
В розробленій автором методології дослідження гідрохімічних систем у логічній послідовності поєднано класичні гідролого-гідрохімічні методи дослідження з статистичними методами аналізу інформації. Це дозволило створити банк даних про внутрішні та зовнішні параметри гідрохімічної системи, виконати її структурний аналіз з використанням мультиваріаційних статистичних методів (факторного та кластерного аналізу), встановити шляхом кореляційного аналізу ендосистемні та екзосистемні зв’язки між компонентами системи і позасистемними утвореннями, що формують параметри системи. Результати цих досліджень дозволяють виконати двоступеневе моделювання гідрохімічної системи: спочатку створюються структурно-функціональні моделі та їх просторові аналоги – карти районування гідрохімічних систем за умовами формування гідрохімічних параметрів, а потім – у разі необхідності виконання подальшого прогнозування їх розвитку та оптимізації – створюються статистичні, балансові, чи імітаційні моделі цих систем.
Прогнозування гідрохімічних систем на основі обраної моделі є основою розробки рекомендацій щодо оптимізації та стабілізації її параметрів з урахуванням потреб приоритетних видів місцевого водокористування.
Для апробації методології дослідження гідрохімічних систем було використано:
- матеріали натурних гідрохімічних досліджень, проведених під керівництвом автора співробітниками Проблемної науково-дослідної лабораторії гідроекології та гідрохімії на експериментальних водозборах різних природних зон України (рр. Бутеня, Іква, Корабельна);
- матеріали УФ ЦНДІКВВР та ІГБ АН України щодо водозбору р. Росава отримані за участю автора під час створення експериментального гідролого-гідрохімічного полігону;
- матеріали Управління екології та природних ресурсів у Житомирській області щодо хімічного складу річкових вод Житомирського Полісся;
- матеріали Укрводпроекту про використання водних ресурсів, господарську діяльність та хімічний склад води річок у басейні р. Горині;
- матеріали Укрводпроекту, Українського НДІ токсикології та гігієни пестицидів, полімерів і пластмас Міністерства охорони здоров’я України, Української науково-дослідної станції рисівництва Міністерства сільського господарства та Проблемної науково-дослідної лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка щодо хімічного складу різних типів природних та скидних вод у шельфовій зоні Джарилгацької затоки Чорного моря.
У результаті проведених досліджень сформульовано новий науковий, теоретично і методологічно обґрунтований підхід до вивчення просторово-часових полів хімічних речовин у природних водах;- в гідрохімічну науку введено і формалізовано поняття про специфічне природне утворення - гідрохімічну систему, подано його визначення, охарактеризовано властивості та функції; розроблено детальну методику дослідження гідрохімічної системи, орієнтовану на прикладне застосування в гідрохімічних дослідженнях та на отримання оптимізаційного і стабілізаційного ефекту щодо параметрів якості води, необхідних для стійкого розвитку території в межах поширення гідрохімічних систем; з метою апробації теоретико-методологічних розробок виконано комплекс системних досліджень на водних об’єктах України.
У результаті апробації розробок автора, представлених у даній монографії, були отримані наступні практично значимі результати:
- розроблено структурно-функціональну модель гідрохімічної регіональної макросистеми вод поверхневого стоку 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;
- досліджено особливості гідрохімічних систем річок лісостепової та степової зон України та виконано рекомендації з їх оптимізації на основі мультиваріаційного підходу щодо апроксимації та моделювання впливу антропогенних чинників на формування параметрів гідрохімічних систем;
- на основі геосистемного аналізу виявлено головні причини погіршення еколого-гідрохімічної ситуації в Скадовській курортній зоні Джарилгацької затоки Чорного моря;
- на прикладі акваторії шельфової зони Чорного моря (Джарилгацька затока) досліджено трансформаційні процеси у гідрохімічній системі перехідного типу – в зоні змішування двох основних типів природних вод планети: континентальних – карбонатно-кальцієвих та морських – хлоридно-натрієвих;
- досліджено головні фактори формування перехідної гідрохімічної системи Джарилгацької затоки, проведено її структурний аналіз та виконано районування акваторії як за умовами формування якості води, так і за комплексним індексом забруднення води; матеріали вказаних досліджень впроваджено в розробку технічних проектів покращення екологічного стану та якості води курортної зони Джарилгацької затоки;
- на прикладі гідрохімічної макросистеми р. Горині апробовано статистичні та балансові підходи до прогнозування параметрів гідрохімічних систем; результати прогнозування впроваджено в розробку технічного проекту поповнення підземних вод в районі Гощанського водозабору, який виконувався у зв’язку із обезводненням частини басейну річки внаслідок депресійного зниження рівня ґрунтових вод через інтенсивну відкачку для водопостачання м. Рівне.
Результати досліджень впроваджені у Житомирському управлінні екології та природних ресурсів та у Державному комітеті України по водному господарству.
Крім того, результати досліджень використані в навчальному підручнику “Оцінка та прогнозування якості природних вод” та посібнику “Інженерна гідрохімія”, впроваджені в курси лекцій з “Гідрохімії України”, “Гідроекологічної експертизи”, які читались автором у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.
РОЗДІЛ 1
ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ГЕОСИСТЕМНОГО ПІДХОДУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ПРИРОДНИХ ВОД. ГІДРОХІМІЧНІ СИСТЕМИ
Гідрохімія як самостійна наукова дисципліна сформувалася у 20-ті роки ХХ століття [11]. Її швидкому розвитку сприяв дефіцит інформації про хімічний склад природних вод, використання яких невпинно зростало у зв’язку із потребами виробництва, сільського господарства, водопостачання населених пунктів.
Завдяки впровадженню хіміко-аналітичних методів у гідрологію було досліджено та описано різноманітні групи хімічних речовин у різних типах природних вод.
З часом у зв’язку із зростанням антропогенного навантаження на водні ресурси та погіршенням якості води описовий характер досліджень став витіснятися дослідженнями прикладного характеру. Однак більшість із них присвячувалась вивченню наслідків антропогенного впливу на водні ресурси без системного причинно-наслідкового аналізу процесів формування якості води.