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

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.


Тому на сучасному рівні розвитку гідрохімічних досліджень назріла необхідність застосування до вивчення цих процесів системного підходу, який би дозволив досліджувати хімічний склад води як систему взаємопов’язаних хімічних елементів, що сформувалася у різних типах природних вод під впливом певного комплексу природних і антропогенних факторів і функціонує в певних просторових межах як геосистема.


Саме обґрунтуванню цього підходу шляхом огляду та аналізу наукової літератури з теми досліджень і присвячено перший розділ представленої роботи.


1.1.Хімічний склад води як системна категорія


Інтерес до складу води як основи життя на Землі виник у людей ще в давні часи, коли зароджувалися природничі науки. Саме тому вона спершу стала об’єктом досліджень філософів. Один з них, грецький мислитель Аристотель (322 р. до н.е.), констатував, що вода така, як і породи, через котрі вона протікає. Подібні думки висловив про склад води і римський природознавець Пліній Молодший ( 23 – 79 рр. н.е.), який зробив спробу описати властивості термальних вод, що широко використовувались у Древньому Римі.


Похмура епоха середньовіччя не внесла нічого нового в пізнання складу води і лише в 1770 році французький хімік Лавуазьє зробив надзвичайно важливе відкриття про те, що вода – це сполука кисню та водню.


Лише через 100 років російським хіміком Д.І. Мендєлєєвим було зроблено наступний крок у дослідженні хімічного складу води. Він вперше у 1871 році у своїй роботі “Основы химии” заявив, що природна вода є розчином солей.


Дослідження Д.І. Мендєлєєва та інших вчених-хіміків сприяли розробці аналітичних методів дослідження води.


В цей же час у зв’язку з промисловою революцією зросла потреба у знаннях про якість води, яка почала широко використовуватися у парових котлах, технологічних процесах та для водопостачання швидко зростаючих міст.


За даними Г.А.Максимовича [12], починаючи з другої половини ХІХ сторіччя, у Росії вже вивчався хімічний склад природних вод різними фахівцями: бальнеологами, гідрологами, гігієністами, океанологами, ґрунтознавцями, геологами та інженерами. Однак ці наукові роботи проводилися незалежно і були присвячені вирішенню різних практичних задач.


Нерозуміння системного характеру формування хімічного складу води, привело до того, що гідрохімія досить пізно розпочала дослідження різних взаємозв’язаних категорій природних вод.


Прикладом доступних для вивчення опублікованих результатів тогочасних досліджень може бути монографія співробітника Київського університету Ф.Ф.Кіркора (1907 р.) про хімічний склад води р. Рось у зв’язку із проектуванням та будівництвом цукрових заводів в Україні [13].


В 1924 році у США з’являється робота Ф. Кларка “Геохімічні дані” [ 14 ], у якій були вперше узагальнені дані про вміст хімічних елементів у природних водах. Ця робота привернула до себе значну увагу світової наукової громадськості і сприяла розвитку геохімічних досліджень в інших країнах.


Згодом, на протязі 1933 - 1936 рр., російський геохімік В.І.Вернадський публікує свою “Історію природних вод” [15], у якій він теж узагальнює та аналізує дані про хімічний склад природних вод. Однак він розглядає різні види води як мінерали, а їх хімічний склад характеризує, як і Ф.Кларк, у вигляді процентів елементів.


Важливим висновком робіт В.І.Вернадського стало його вчення про єдність води в природі, про взаємозв’язок усіх компонентів гідросфери. “Будь-який прояв природи – глетчерний лід, безмірний океан, річка, грунтові розчини, гейзер, мінеральне джерело – становить едине ціле, яке прямо, або опосередковано, але глибоко зв’язане між собою” , - писав В.І.Вернадський [15].


Гідрохімічні дослідження першої половини ХХ століття носили виключно описовий характер. Хімічний склад води річок, водосховищ та інших водних об’єктів характеризувався у роботах Г.І. Долгова (1928) [16], В.П. Матвєєва (1930) [17], К.А. Макарової (1936) [18], Я.В. Ролла (1936) [19], М.К.Тарана (1936) [20], С.А. Гусинської (1936) [21], А.В. Францева та С.К. Лєбєдєва (1941) [22], Д.П. Малюги (1943) [23], Б.А. Скопінцева (1950) [24], Г.Д. Коненко (1952) [25].


У роботах Є.С. Бурксера, Н.Е.Федорової, Б.Б. Зайдіс (1952) [26] та К.К. Вотінцева (1954) [27] з’явилися перші дані про хімічний склад атмосферних опадів а у роботах В.А. Приклонського (1935) [28], М.Е. Альтовського (1950) [29], А.М. Овчинникова (1954) [30] – дані про хімічний склад підземних вод.


Зростання антропогенного впливу на воді об’єкти змусило зосередити увагу на вивченні ролі окремих джерел надходження забруднюючих речовин: промислових та господарсько-побутових вод [31], стічних вод сільського господарства [32].


Узагальнивши вітчизняний та зарубіжний досвід гідрохімічних досліджень цього періоду, О.О.Алекін публікує перші підручники з гідрохімії – “Загальну гідрохімію” (1948 р.) [33] та “Основи гідрохімії” (1953 р.) [34], у яких він вперше сформулював визначення гідрохімії як науки, що “вивчає хімічний склад природних вод та його зміни в просторі та в причинному взаємозв’язку з хімічними, фізичними та біологічними процесами, які протікають в навколишньому середовищі”.


Саме це визначення російського вченого-гідрохіміка вперше розкрило системну суть формування хімічного складу природних вод і дало підстави для розгляду хімічного складу води як системної категорії.


Невдовзі В.В.Глушков, опираючись на роботи В.В. Докучаєва, А.І.Воєйкова та використовуючи досвід О.О. Алекіна, запропонував географо-гідрологічний метод дослідження природних вод [35]. Під час його обґрунтування він розробив положення про зв’язок хімічного складу вод географічного ландшафту з кліматичними умовами, геологічною будовою та рельєфом території, грунтами та рослинністю. Розвиваючи цей принцип, П.П.Воронков [36] показав залежність хімічного складу вод місцевого стоку від умов середовища, у якому відбувалося його формування.


Таким чином, вже з початку формування гідрохімії як науки в її теоретичну основу було покладено принцип системного підходу, тобто предмет дослідження гідрохімії - хімічний склад води вважався одним із елементів великої природної системи, результатом дії різноманітних чинників навколишнього середовища.


Вчення про формування хімічного складу вод гідросфери сформульовано в працях видатних зарубіжних і вітчизняних геохіміків та гідрохіміків Р.Гаррелса [38], Р.Гіббса [39, 40], С. Девіса та Д. Цобріста [41], К. Девіса [42 ], Т.Пачеса [43], В. Штумма і Дж. Моргана [44], Дж. Дривера [45], О.О. Алекіна [46], А.І.Перельмана [47], Є.В.Посохова [48], В. І. Пелешенка [49].


Так, Р.Гаррелс (1967) дослідив особливості хімічного складу деяких річкових потоків та озер і запропонував “концепцію рівноваги (хімічної) в природних водних системах”. У його наступних роботах, які були написані з співавторами [38], досліджено природні цикли вуглецю, сірки та кисню а також виконано оцінку антропогенного впливу на них.


Р. Гіббс (1967) виконав гідрохімічні дослідження річкової системи Амазонки, в результаті яких ним вперше було виявлено фактори формування мінералізації, хімічного складу води та завислих речовин цієї річки. Дані цих та інших досліджень дозволили йому в 1970 р. виявити механізми контролю хімічного складу вод [39].


С. Девіс та Д. Цобріст (1978), використовуючи дослідження K. Девіса (1962) про асоціації іонів у природних водах [42], вивчили вплив природних та антропогенних факторів на утворення асоціативних зв’язків у природних водах [41]. Це дослідження слід розцінювати як важливий крок до вирізнення процесно-функціональних хімічних систем у природних водах.


T. Пачес (1976) дослідив кінетику хімічних реакцій у природних водних системах [ 43].


Важливою віхою на шляху до системного вивчення хімічного складу природних вод стало монографічне дослідження В.І. Пелешенка (1975) [49]. У цій роботі вперше для території України було виконано оцінку взаємозв’язку хімічного складу різних типів природних вод суші.


Початок 80-х років минулого сторіччя ознаменувався появою фундаментальних узагальнюючих праць у галузі гідрохімії. Це роботи В. Штумма та Дж. Моргана (1981) [44], Дж. Дривера (1982) [45], Є.В Посохова (1981) [48], А.І. Перельмана (1982) [47], у яких, як і у переробленому виданні «Основ гідрохімії» О.О.Алекіна (1970) [46], проводиться ідея про єдність хімічних процесів, що протікають в усіх природних водах та про їх системну обумовленість складним комплексом природних та антропогенних факторів.


Ця ідея набуває все більше прихильників серед дослідників, які втілюють її у сучасних дослідженнях водних об’єктів. Так, у роботі Д. Клоу та Дж. Сьюкера (2000) [50] на прикладі дев’яти річкових басейнів США показано залежність хімічного складу води від геологічних та геоморфологічних умов , від характеру рослинності.


Подальшого розвитку системний підхід до вивчення хімічного складу природних вод набув і у працях вітчизняних вчених. Найпомітнішими роботами останнього періоду, у яких було розвинуто і поглиблено географо-гідрологічний метод у гідрохімії є результати досліджень В.К. Хільчевського [51,52]. Ним було розроблено і успішно застосовано геосистемно-гідрохімічний метод для дослідження хімічного складу і стоку різних типів природних вод (атмосферних опадів, силових, річкових, ґрунтових, підземних вод) на елементарних водозборах (геосистемах) малих річок з урахуванням впливу фізико-географічних і антропогенних факторів.


Деякі аспекти концепції багатофакторності формування хімічного складу вод та його системної природи було також розглянуто в наших роботах [53 - 62].


На основі результатів проведеного аналізу виконаних досліджень нами запропоновано графічну схему формування хімічного складу природних вод (рис.1.1). Вона характеризує складну сукупність процесів обміну хімічними речовинами природних вод з іншими природними середовищами в різних географічних умовах та при різному антропогенному навантаженні.


Тому досить коректним є подання загальної сукупності процесів формування якості води як результату впливу складного комплексу природних і антропогенних факторів (рис.1.1).


Рис.1.1. Обмін хімічними речовинами між водою та іншими середовищами.


Цифрами показані деякі потоки речовин та енергії (1 – адсорбція донними осадами (ґрунтами), 2 – десорбція із донних осадів (ґрунтів), розчинення мінералів гірських порід, 3 - виділення екскрементів водних організмів, 4 - біоакумуляція хімічних речовин у гідробіонтах, 5 - надходження речовин з опадами, 6 – випаровування з поверхні водойм і зв’язаний з ним потік речовин, 7 – внесення агрохімзасобів, меліорації, водна ерозія, що спричинена механічною деформацією структури ґрунту; 8 - скидні води, водний транспорт, зарегулювання стоку; 9 - викиди забруднюючих речовин в атмосферу).


Багатофакторність процесу формування якості води обумовлює складність його вивчення, а відсутність надійних теоретичних та методичних


розробок, інструментальних методів знецінює спроби розкриття механізму її формування, перешкоджає вивченню і розробці науково обґрунтованих підходів до управління та раціонального регулювання якості води.


Структуру причинно-наслідкових системних зв`язків процесу формування хімічного складу води обумовлює комплекс факторів, який в свою чергу характеризується великим переліком різноманітних показників (табл. 1.1) Вони відображають внутрішню структуру та специфічні властивості даного фактора. Так, гідрологічний фактор включає характеристики водного стоку (усі категорії поверхневого та підземний), коливання рівнів води в озерах та водосховищах [63, 64], твердий стік [65,66], показники руслових процесів [67], які впливають на формування хімічного складу води. Вплив цього фактора на різні аспекти формування хімічного складу води досліджувався у роботах Дж. Делфіно [68], В.В.Фадєєва, М.Н. Тарасова, В.Л. Павелко [69], Г.Хелмана [70], А. Холмеса з співавторами [71], В. Льюіса та М.Гранта [72], Дж. Гріве [73]. Подібні дослідження були проведені і в Україні за участю автора [74-77]. Дані дослідження показали, що водний стік є інтегральним показником впливу природних факторів на формування хімічного складу вод [77].


Таблиця 1.1


Система факторів формування хімічного складу води


Фактори


Гідрологічний та метеорологічний

Гідробіологічний

Геологіч-


ний

Фізико-географічний

Антропогенний


Характеристики факторів


Водний стік (поверхневий і підземний)


Твердий стік


Коливання рівнів води


Руслові процеси Опади


Сонячна радіація


Випаровування


Циркуляція повітряних мас

Біоакумуляція хімічних речовин під час продукційних процесів


Виділення хімічних речовин під час деструкційних процесів


Хімічний склад гірських порід


Умови залягання

Характер рельєфу


Ґрунтовий покрив


Ерозійні процеси


Лісистість


Заболоченість


Озерність


Геоландшафтні характеристики


Стічні води Добрива та засоби захисту рослин


Меліорація


Тваринництво


Регулювання стоку


Селітебне навантаження


Метеорологічний фактор характеризується перш за все кількістю опадів, які визначають не тільки величину водного стоку, а й його хімічний склад. Важливими характеристиками також є сонячна радіація, що регулює температурний режим водних об’єктів та, разом з цим, впливає на швидкість протікання фізико-хімічних процесів у воді. Процеси випаровування регулюють водно-сольовий баланс водних об’єктів. Циркуляція повітряних мас сприяє перемішуванню водних мас різного хімічного складу у озерах та водосховищах.


Найбільш дослідженим аспектом впливу даного фактора є оцінка надходження хімічних речовин з атмосферними опадами на території водозборів річок та акваторії озер і водосховищ [78-84]. В межах території України такі дослідження були проведені Є.С. Бурксером, Н.Е.Федоровою, Б.Б. Зайдіс [26], М.І. Ромасем [85], С.І.Сніжком [86]. Гідробіологічний фактор характеризується поглинанням (біоакумуляцією) хімічних речовин із водного розчину під час протікання продукційних процесів та виділенням хімічних речовин під час деструкційних процесів. Його вплив особливо відчутно позначається на формуванні хімічного складу стоячих, чи слабопроточних вод [87].


Фізико-географічний фактор описує особливості ландшафту, в якому проходить формування хімічного складу води конкретної річки. Може включати характеристики ґрунтового покриву, лісистості, заболоченості, озерності, еродованості тощо. Прикладом дослідження впливу цього фактора можуть бути наступні робот