Реферат на тему:

Використання методів експериментальної гідрохімії і геоінформаційних
технологій для оцінки стану та прогнозування якості поверхневих вод

Кількісна оцінка сучасного екологічного стану водних екосистем,
визначення рівнів і темпів техногенного навантаження та прогнозування
змін їх якості у майбутньому неможливо, на наш погляд, без поєднання
експериментальних методів досліджень з використанням сучасних
геоінформаційних технологій.

На основі обробки інформації, отриманої при виконанні системних
досліджень про ступінь забруднення біотичних та абіотичних компонентів
водних екосистем (вода, завислі речовини, донні відклади, біологічні
матеріали), структуру вертикального забруднення донних відкладів, даних
активних лабораторних експериментів по визначенню розподілу токсикантів
у системі вода-завислі речовини-донні відклади та обробки багаторічної
інформації, отриманою Державною системою спостережень департаменту
гідрометеорологічної служби Мінекоресурсів України встановлені загальні
закономірності формування хімічного складу поверхневих вод України та їх
регіональні особливості.

Так, у воді дніпровської водної системи за останні 40 років відбулись
зміни рівня мінералізації та деяких головних іонів. Верхня межа
мінералізації води у замикаючому (Каховському) водосховищі у 1995-2000
рр. збільшилась порівняно з 1958-1959 рр. на 100.0 мг/ л і досягла 450.0
мг/л. Нижня межа суми головних іонів за цей час збільшилась від 150.0 до
300.0 мг/л

На наш погляд, це було зумовлено зарегульованістю водного стоку
(створення каскаду водосховищ) та антропогенним навантаженням на водні
екосистеми. Однак, необхідно відзначити, що протягом цього часу вміст
окремих головних іонів та величина загальної мінералізації у воді
дніпровських водосховищ (за винятком окремих приток) практично не
перевищували норм ГДК для питного водопостачання.

Оцінюючи вміст головних іонів у воді дніпровської водної системи, можна
простежити загальну тенденцію до збільшення сульфатних, хлоридних іонів
та іонів магнію на ділянці від Канівського до Каховського водосховища.

Не зважаючи на значне надходження у водне середовище мінеральних
сполук азоту (NH4+, NO-2, NO3-), загальних тенденцій щодо збільшення їх
концентрацій у фазі розчину не спостерігалося. Порівняльний аналіз
результатів досліджень за 1962-1963 та 1995-2000 рр. свідчить про
тенденцію зменшення вмісту Nмін та NH4+ майже у 2 рази.

Для нітратної форми азоту в останні роки спостерігалось таке ж зменшення
концентрацій у головному водосховищі і їх підвищення у замикаючому
водосховищі. Збільшення концентрацій нітратних іонів (NO3-) обумовлене
більш повним процесом нітрифікації сполук азоту, який відбуваються при
сприятливих кисневих умовах.

Необхідно відзначити, що на фоні значних річних коливань концентрацій
сполук азоту, пов’язаних із протіканням гідробіологічних процесів, у
водосховищах існують достатньо потужні механізми, які сприяють
виведенню азоту із водного середовища у донні відклади.

Оцінюючи вміст розчиненого кисню у воді дніпровських водосховищ за
1956-57 і 1995-2000 рр. можна відмітити відносно однорідний їх розподіл
(без перевищень ГДК для водоймищ рибогосподарського призначення) на
фоні більш значних амплітуд коливань за останній період. В окремі роки,
під час довготермінового льодоставу у Київському та Канівському
водосховищах спостерігався дефіцит кисню у воді (лютий — березень), що
спричиняло явища задухи.

Аналіз даних компонентного складу органічних речовин дозволив зробити
висновок, що серед останніх переважають речовини природного походження,
головним джерелом надходження яких у водосховища дніпровського каскаду є
вода р. Прип`ять. Переважно це органічні речовини гумусової природи
(фульво- та гумінові кислоти), що являють собою складні суміші
високомолекулярних, біохімічно стійких сполук. Порівняно з гуміновими
кислотами (ГК), фульвокислоти (ФК) більш високодисперсні та гомогенні.
Отримано дані просторового розподілу гумусових речовин впродовж
дніпровського каскаду, їх сезонну динаміку та характер міжфазового
розподілу у системі “вода-завислі речовини”. Порівняльний аналіз даних
вмісту органічних речовин показав, що їх потік із заболочених
водозборів басейну Прип`яті у Київське водосховище за останні 30 років
практично не змінився [1].

Важливо відзначити, що концентрації розчинених у воді фульвокислот у
період весняної повені та літньо-осінніх стокоформуючих опадів досягають
більше 30.0 мг/л. Використання такої води для водопостачання з
попереднім її хлоруванням є досить проблематичним. Наявність у гумусових
речовин значної кількості різноманітних функціональних груп може
призвести до утворення високотоксичних, канцерогенних вторинних
продуктів хлорування.

З просуванням впродовж каскаду водосховищ зростає вплив
внутрішньоводоймищних процесів, та надходження аліфатичних органічних
речовин за рахунок метаболізму гідробіонтів.

Протягом останніх років виконано комплекс досліджень, пов`язаний з
кількісною оцінкою ступеню сучасного забруднення різноманітних середовищ
каскаду дніпровських водосховищ (вода, завислі речовини, донні відклади
) важкими металами (Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Cd).

Результати натурних спостережень та дані комп’ютерного термодинамічного
моделювання показали, що важкі метали при фізико-хімічних умовах,
характерних для водного середовища дніпровської водної системи (за
винятком окремих зимових періодів), знаходяться у фазі розчину в
термодинамічно нестійкому стані. Це призводить до переходу значної
кількості металів у зважену форму міграції з наступним депонуванням у
донних відкладах [4].

Поряд з методами експерементального вивчення форм міграції елементів
розвиваються і знаходять широке застосування методи математичного
моделювання на принципах рівноважної хімічної термодинаміки. З
використанням програми TETRA, розробленої в УкрНДГМІ [2], виконано
розрахунки рівноважного розподілу форм міграції Fe, Cu, Ni, Mn, Zn, Co
та Pb у воді дніпровських водосховищ. За результатами моделювання можна
виділили декілька груп металів у відповідності до їх міграційних
властивостей і токсичності:

метали у яких домінують комплекси з гумусовими речовинами (ФК і ГК) — це
Fe, Cu, Ni;

метали для яких переважають вільні незакомплексовані іони та слабкі
комплекси з неорганічними лігандами (переважно карбонатними та
сульфатними іонами) — це Mn, Zn,Co, Pb.

Для першої групи металів розподіл по формам міграції в основному
визначається двома процесами: комплексоутворенням з фульвокислотами та
гідролізом. Співвідношення між ними залежить від величини pH і
концентрації фульвокислот. Проте, зміна цих величин у вивченому
діапазоні не призводить до яких-небудь кардинальних змін у розподілі
форм міграції Fe і Cu. Від 88% до 98% заліза в розчині мігрує у вигляді
гідроксофульватних комплексів і тільки 2-12% складають гідроксоформи не
зважаючи на досить високе значення pH (7.4 — 8.4). Для міді
спостерігалася подібна картина. Домінуюча форма її міграції — це
фульватні комплекси. В більшості випадків їх частка складає 73-93%.
Проте, на відміну від заліза, незначна частина розчиненої міді існує у
формі не тільки гідроксоформ, а й гуматних і карбонатних комплексів. У
деяких випадках частка гуматних комплексів міді може бути досить
значною. Спостерігалися випадки, коли частка міді, зв‘язаної в гуматні
комплекси, досягала 23% (Канівське вдсх.) і навіть 50% (Київське вдсх.).

До першої групи металів також був віднесений нікель. На відміну від
заліза і міді форми його міграції визначаються процесами
комплексоутворення з фульвокислотами та карбонатними іонами. Загальна
тенденція тут така, що з підвищенням величини pH зростає доля
карбонатних комплексів нікелю і зменшується доля фульватних комплексів,
а із зменшенням величини pH -навпаки. Проведені розрахункм свідчать, що
частка фульватних комплексів нікелю складала 39 — 85%, карбонатних 13 —
58% усіх розчинених форм нікелю. Тобто переважною формою міграції
нікелю є фульватні комплекси.

Друга група вивчених металів характеризується наявністю серед форм
міграції значноїчастки вільних незакомплексованих іонів. В першу чергу
тут слід виділити марганець. Для нього у всіх випадках 63 — 84% від
усіх розчинених форм становить іонна форма. Лише незначна частина
марганцю зв`язується з карбонатними і гідрокарбонатними іонами (не
більше 21%). Лише 6% становлять фульватні та сульфатні комплекси
марганцю.

Розподіл по формам міграції цинку і кобальту має багато спільного. Для
них характерна значна частка вільних незакомплексованих іонів. Для Zn
вона складає 9- 54%, а для Co – 18 — 33%. Головними процесами, які
визначають зв`язанні форми міграції цих металів, є комплексоутворення з
карбонатними і гідрокарбонатними іонами. В багатьох випадках карбонатні
комплекси — переважаюча форма міграції цих металів. Цинк порівняно з
кобальтом багато краще зв`язується у фульватні комплекси – 5 — 28%. Для
кобальта на другому місці після карбонатних комплексів знаходяться
сульфатні – 5 -12%.

Свинець був віднесений до другої групи вивчених металів на тій основі,
що він не утворює помітної кількості міцних комплексних сполук з фульво-
та гуміновими кислотами. Лише у двох із 16 випадків їх частка перевищила
10%. В основному ж домінуюча форма міграції свинцю — це карбонатні
комплекси. На їх частку приходиться від 65 до 96% усього розчиненого
металу. Вільних іонів свинцю майже не спостерігалося.

Основними факторами, що визначають зменшення міграційних характеристик
металів, є гідроліз, сорбція на завислих речовинах, співосадження (під
час зсуву рівноважного стану карбонатно-кальцієвої системи в сторону
утворювання СаСО3тв.), біологічне поглинання вищою водною рослинністю та
фітопланктоном.

Результати проведених досліджень показали, що найбільшому антропогенному
навантаженню важкими металами підлягають води Запорізького та
Каховського водосховищ, які розташовані в зоні великих промислових
центрів України. Однак, інтенсивні процеси перерозподілу речовин у
системі “вода — завислі речовини — донні відклади” призводять до
виведення значної кількості важких металів у донні відклади.
Встановлено, що основним фактором, який визначає розподіл важких металів
у донних відкладах, є ступінь дисперсності останніх. Із зменшенням
розмірності гранулометричних фракцій донних відкладів відбувається
збільшення концентрацій практично всіх досліджених нами металів. Фракції
донних відкладів з розміром часток 0.1 — 1.0 мм (піщаний матеріал)
характеризуються мінімальним вмістом досліджених речовин. Рівень
забруднення мулових відкладів Запорізького та Каховського водосховищ в
декілька разів вищий аналогічних утворень верхніх водосховищ
дніпровського каскаду.

Результати обробки багаторічних даних щодо розподілу різноманітних
класів хімічних речовин у воді, завислих речовинах, біологічних
матеріалах та донних відкладах дозволили зробити наступні висновки:

не зважаючи на значну кількість хімічних речовин техногенного
походження, що надходить у водне середовище, екосистема дніпровського
каскаду до теперішнього часу не втратила здатність до самоочищення;

каскад дніпровських водосховищ являє собою потужний геохімічний бар’єр.
При тих фізико-хімічних, гідрологічних і гідробіологічних умовах, що
склалися у водосховищах, потік забруднюючих речовин (після їх
надходження в водне середовище) направлений в донні відклади. За рахунок
вказаних факторів і процесів відбувається самоочищення водного
середовища від різноманітних класів хімічних речовин.

В УкрНДГМІ розпочато роботу по використанню сучасної комп‘ютерної
інформаційно – аналітичної системи (ІАС) для аналізу хімічного складу
та якості поверхневих вод України та виявленню основних тенденцій його
змін [3]. ІАС дозволяє зберігати багаторічні дані спостережень за
екологічним станом поверхневих вод ; аналізувати екологічний стан
поверхневих вод і прогнозувати його зміни в майбутньому; приймати
рішення в галузі охорони та раціонального використання водних ресурсів;
забезпечувати інформаційне обслуговування органів державної влади,
органів місцевого самоврядування та інших зацікавлених організацій.

ІАС складається з окремих програмних блоків (рис.1):

I. Блок оцінки якості поверхневих вод призначено для:

а). вибору досліджуваного об’єкту в межах басейну;

б). екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними
критеріями;

в).картографування екологічного стану поверхневих вод за середніми та
максимальними значеннями гідрохімічних показників;

г). вибору параметрів, що характеризують хімічний склад та якість
поверхневих вод для генерації і виведення на різноманітні пристрої
двомірних графіків, діаграм і картосхем, які наглядно відображають
інформацію про хімічний склад поверхневих вод на основі запитів до бази
даних.

У якості основних графічних серверів у системі використовуються
стандартні, загально вживані програмні продукти: Microsoft Excel 2000 —
для побудови звітів та графіків, MapInfo — для картосхем.

Рис.1. Фрагмент інтерфейсу користувача ІАС.

Стандартні програми мають спектр можливостей, що значно перевищують
запити ІАС, проте, як показує досвід, їхнє використання пов’язане з
певними незручностями — значний , навіть на високопродуктивних
комп’ютерах , час завантаження та широкі можливості для внесення змін
або похибок до вже згенерованих графічних документів, тобто відсутність
захисту первинної інформації.

Зазначені обставини змусили розробників доповнити графічну підсистему
спеціалізованими програмами власної розробки, створивши для користувача
додаткову можливість вибору графічної програми. До програм ставилися
вимоги максимальної швидкості виводу зображення на екран у сполученні з
граничною простотою інтерфейсу — усі параметри зображення повинні
настроюватися автоматично, за принципом “запит — графік” або ”запит —
карта”, без проміжного настроювання і підгонки, що відволікає
користувача від основної задачі.

II Блок — графічного подання гідрохімічної інформації як по всій
Україні, так і по вибраних окремих басейнах, річках, пунктах чи створах
спостережень. Оброблена інформація може надаватися у вигляді карт,
графіків, схем, гістограм, та інш.

Для виведення на екран, принтер або у графічний файл двомірних графіків
розроблена програма, що включає такі блоки: зв’язку з базою даних, що
забезпечують генерацію спеціалізованих запитів до бази з відповідними
формами інтерфейсу і можливостями вибору даних; часові ряди значень
гідрохімічних показників (рис.2); послідовність значень по створах
уздовж русла ріки (профіль); частоти для гістограм за значеннями одного
показника; відсортовані за значенням вибірки для емпіричної функції
розподілу.

Цей блок включає власне графічну програму, що забезпечує виведення
зображення на екран, на принтер або у графічний файл для подальшого
включення до звіту, яка складається з модулів, що здійснюють: введення,
обробку і контроль даних, переданих із блоку зв’язку; автоматичне
форматування і масштабування графіку; автоматичний вибір типу й
оцифрування осей; автоматичний вибір типу, кольору та розміру ліній і
маркерів; формування легенди; математичну і статистичну
обробку-інтерполяцію і згладжування сплайнами, наявність і
забезпеченість тренду і т. інш.; виведення зображення на екран і принтер
(векторна графіка високої якості); збереження зображення в розширеному
метафайлі без утрати якості.

Для виведення на екран або принтер картосхем призначена програма, що
включає такі блоки:

а) блоки зв’язку з базою даних, що забезпечують генерацію
спеціалізованих запитів до бази з відповідними формами інтерфейсу і
можливостями вибору даних для побудови картосхем по басейну річки
(рис.3). Аналогічні блоки з інтерфейсом, що практично не
відрізняється від попереднього, розроблені і для керування з робочого
середовища системи MapInfo.

б) графічну програму, що вміщує модулі для виконання таких функцій:

введення, обробки і контролю даних, переданих із блоку зв’язку;

завантаження, прив’язки і виведення на пристрій топографічної основи для
обраного басейну або його частини;

автоматичного форматування і масштабування картосхеми;

виведення тематичної карти з можливістю вибору одного з семи різновидів
діаграм;

формування легенди й автоматичного розміщення її на вільному полі
картосхеми;

Рис.3 Розподіл сумарного азоту у поверхневих водах басейну Дніпра
(1989-1999 рр.)

математичну обробку — інтерполяцію і побудову ліній однакового рівня
(ізоліній) з оцифруванням і бланкуванням;

виведення зображення на екран і принтер (векторна графіка високої
якості);

збереження зображення в розширеному мета файлі.

III Блок призначено для підрахунку відсотку випадків перевищення ГДК
для питного та рибогосподарського використання води, з можливістю виводу
інформації у вигляді таблиць, діаграм та інш.

IV Блок служить для отримання інформації у стандарті Державного водного
кадастру. Результати подаються у вигляді таблиць формату «Державного
водного кадастру. Щорічні дані про якість поверхневих вод суші. Частина
1. Ріки і канали». Вибір даних у цьому блоці здійснюється по всій
Україні; окремих басейнах; окремих водосховищах, або річках; окремих
пунктах; окремих створах за довільний період часу, на різних глибинах із
можливістю сортування вихідних даних по індексу, даті і пункту
пробовідбору.

V Блок призначений для пошуку первинних даних по гідрохімічних
показниках постійного та епізодичного контролю. Цей блок дозволяє
здійснювати пошук, вибір і експорт даних за визначений період часу (від
одного дня до всього періоду спостережень) на різних глибинах
пробовідбору із можливістю упорядкування даних по індексу, даті і
пункту пробовідбору. Пошук проводять по всій сукупності даних; окремих
басейнах, водосховищах або річках; окремих пунктах чи створах.

Як кінцевий підсумок користувач має можливість переглянути результати
вибірки у табличному вигляді та експортувати отримані результати у
форматах файлів: Microsoft Excel версій 2.0, 3.0, 4.0, 5.0; текстових
файлів; DBF- файлів форматів dBase і FoxPro 2.x; DIF-файлів формату Data
Interchange; Lotus 1-2-3 1-A(2.x); Lotus Simphony 1.01(1.10) для
різноманітних кодових сторінок, підтримуваних Windows 9x/NT.

VI Блок призначено для введення первинних даних. Розроблені програмні
модулі включають такі розділи:

введення первинних даних по гідрохімічних показниках постійного та
епізодичного контролю;

введення даних про пункти пробовідбору;

введення даних по гідрохімічних параметрах;

введення даних по організаціях виконавцях/замовниках.

Блок вводу інформації дозволяє здійснювати: введення; обробку; контроль
даних, що вводяться, на підставі експертної оцінки.

Список літератури.

1.Осадчая Н.Н., Осадчий В.И. Гумусовые вещества в воде днепровских
водохранилищ // Наукові праці УкрНДГМІ. -1999. -Вип 247. -С.189 –201. 2.
Осадчий В.И., Кирничний В.В., Осадча Н.М. Форми міграції важких металів,
розчинених у воді дніпровських водосховищ // Наукові праці УкрНДГМІ.
-1998. -Вип.246. -С.105 – 118. 3. Осадчий В.І., Манченко А.П.
Комп‘ютерна інформаційно – аналітична база даних “Хімічний склад та
якість поверхневих вод басейну Дніпра”// Матеріали міжнародної
конференції “Стан екологічного менеджменту Дніпра”, Київ, 23 – 25 жовтня
2000 р. — С.34 – 40. 4. Пелешенко В.И., Осадчий В.И., Савицкий В.Н.,
Кирничный В.В. Распределение тяжелых металлов в воде, взвешенных
веществах и донных отложениях Дуная // Водные ресурсы. -1993. -№4.-С.
124 – 138.

ГДК для питного водопостачання

1990

1995

2000

0

1000

2000

3000

4000

Рік

мг/л

Сума іонів,мг/л

Незначимий лінійний тренд

Результат згладжування сплайном.

Рис.2 Багаторічна динаміка суми іонів у воді р.Самара

Похожие записи