Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Географічний факультет

Яцюк Михайло Васильович

УДК 556.530.2

ОЦІНКА, ПРОГНОЗУВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ

ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ В УМОВАХ ТЕХНОГЕНЕЗУ

(НА ПРИКЛАДІ БАСЕЙНУ Р.САМАРИ)

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Київ - 2001

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки значний розвиток в нашій країні і за кордоном отримали дослідження в області прогнозування гідрохімічного режиму. Знання хімічного складу природних вод та їх змін в перспективі необхідне в багатьох галузях економіки. Хімічний склад потрібно враховувати при водопостачанні (питному, технічному, сільськогосподарському та ін.), при будівництві гідротехнічних споруд, при зрошенні, пошуках, розвідці, видобутку корисних копалин, при виробництві різних видів промислової продукції і в багатьох інших випадках. Гідрохімія відноситься до наук, які швидко розвиваються. Однак на даному етапі досить гостро відчувається потреба в методичних розробках і довідково-інформаційних матеріалах для природоохоронних і водогосподарських організацій, підрозділів Гідрометслужби та інших відомств нашої країни, особливо з питань охорони, раціонального використання і відтворення водних ресурсів.

Серед важливих завдань досліджень географічного напрямку в сучасній гідрології та гідрохімії є поглиблення уявлень про вплив різних видів господарської діяльності на формування гідрохімічного режиму річок з метою розробки методів управління якістю води. Комплексне вирішення для всього річкового басейну цієї складної і багатоаспектної проблеми неможливе без використання методів системного аналізу. Досвід свідчить, що перспективним при цьому є шлях послідовної адаптації модельних образів на базі порівняння розрахункової і фактичної поведінки досліджуваного обєкта.

Басейн Самари є одним з найбільш екологічно напружених районів України. Велика кількість водомістких, екологічно небезпечних підприємств, значна урбанізованість території та висока щільність населення поряд з вкрай обмеженими водними ресурсами і застарілою природоохоронною інфраструктурою надають особливої гостроти водоохоронній проблемі в цьому регіоні. Надмірне техногенне навантаження протягом останніх десятиріч призвело до катастрофічного виснаження та забруднення водних ресурсів басейну Самари. Більшість водних об’єктів басейну непридатна для питного водопостачання, рибного господарства, відпочинку населення.

Дані про стік розчинених речовин у річкових водах басейну р. Самара становлять великий науковий і практичний інтерес. Вони необхідні для: вирішення ряду теоретичних питань, пов`язаних з процесами міграції хімічних речовин в гідросфері; розрахунку балансу хімічних речовин в басейні; прогнозу якості води в цьому басейні; оцінки ефективності водоохоронних заходів у басейні річки і т.д. Ці питання набувають особливої актуальності в умовах техногенезу.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в оцінці природного і техногенного впливу на формування гідрохімічного режиму річок басейну Самари та прогнозуванні змін цього стану в просторово-часових координатах, оптимізації водогосподарської ситуації, а також у розробці методичних рекомендацій, спрямованих на підвищення ефективності еколого-гідрохімічних досліджень.

У зв’язку з цим для реалізації вищезазначеної мети автором вирішувалися наступні задачі :

- обґрунтування теоретичних засад прогнозування гідрохімічного режиму в басейні річки Самари;

- аналіз існуючих принципів та підходів до прогнозування в гідрології і гідрохімії, вибір найбільш ефективних методик для басейну Самари;

- визначення пріоритетних факторів надходження та напрями міграції природних і техногенних забруднюючих речовин;

- виявлення закономірностей просторово-часового розподілу забруднюючих речовин в басейні Самари;

- оцінка ролі факторів, які впливають на винесення хімічних речовин річки Самара та її приток;

- оцінка тенденцій змін їх винесення за останній 20-40 річний період;

- розробка алгоритму та високочутливої і ефективної моделі оперативного та довгострокового прогнозування якості води на основі аналізу основних природних і техногенних факторів впливу;

- виявлення можливих причин змін якості води з метою попередження небезпечних наслідків у перспективі;

- розробка рекомендацій щодо оптимізації водогосподарської ситуації в басейні Самари.

Наукова новизна отриманих результатів. Розвинуті теоретичні основи оперативного та довгостроково гідрохімічного прогнозування в басейні річки. У методичному аспекті – удосконалена методика оцінки та прогнозування гідрохімічного режиму річок на основі моделювання змін якості води; запропоновані нові методичні основи визначення гідрохімічного балансу в умовах інтенсивного техногенного впливу на базі розроблених та апробованих у роботі алгоритмів. В регіональному аспекті - вперше комплексно проаналізовані природні та антропогенні фактори, що впливають на формування гідрохімічного режиму річок басейну Самари; досліджений вміст головних іонів та основних забруднюючих речовин в річкових водах у межах басейну; вивчені особливості просторово-часової динаміки вмісту забруднюючих речовин у річкових водах басейну Самари та проведено його прогнозування; вперше розрахований гідрохімічний баланс басейну Самари з визначенням всіх його складових; розроблена високочутлива модель оперативного та довгострокового прогнозування гідрохімічного режиму р.Самара з урахуванням головних природних та антропогенних факторів, що його зумовлюють.

В роботі чітко показана роль окремих факторів, що впливають на винесення хімічних речовин річками (водність, зарегульованість, зрошення, хімізація сільського господарства та ін.), а також встановлені деякі загальні тенденції змін вмісту хімічних речовин у річкових водах у різні періоди року.

Практичне значення отриманих результатів. Ряд положень виконаної роботи були застосовані при дослідженнях з держбюджетних тем на кафедрі гідрології і гідрохімії: № 249 “Дослідити закономірності поширення, накопичення та міграції специфічних забруднюючих речовин у воді річок басейну Дніпра (в межах України)” (1995-1997 рр.); № 98003 “Визначити пріоритетні чинники забруднення малих та середніх річок басейну Дніпра і розробити рекомендації по зменшенню їх впливу на якість водних ресурсів” (1998-2000 рр.).

Можливе використання отриманих результатів у науково-дослідних та проектних установах при плануванні і розробці водоохоронних заходів в басейні р.Самара та інших річкових басейнах; для оцінки впливу різних факторів на формування гідрохімічного режиму річок; при визначенні водоохоронних заходів та створенні мережі гідроекологічного моніторингу в річкових басейнах.

Деякі методичні положення, розроблені при виконанні дисертаційної роботи, впроваджені в навчальний процес на кафедрі гідрології і гідрохімії в спецкурсах Л.М.Горєва “Математичне моделювання в гідроекології” (1997 р.) та В.К.Хільчевського “Водопостачання і водовідведення: гідроекологічні аспекти” (1999 р.).

Особистий внесок здобувача. Полягає в зборі гідрохімічних і водогосподарських даних, обробці та їх узагальненні, у розробці власних алгоритмів та їх автоматизації, моделюванні розрахунку гідрохімічного балансу території басейну та розробці високочутливої й ефективної моделі оперативного та довгострокового прогнозування в умовах інтенсивного техногенного впливу.

В основу розрахунків покладені дані багаторічних гідрохімічних і гідрологічних спостережень, проведених на мережі Гідрометслужби, Держводгоспу України та Укрводпроекту, а також матеріали кафедри гідрології і гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень доповідалися на наукових конференціях студентів і аспірантів Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1996-1998); ІІ з’їзді Гідроекологічного товариства України (Київ, 1997), міжнародній науково-практичній конференції “Екологічна і техногенна безпека” (Харків, 2000), VІІІ з’їзді Українського географічного товариства (Луцьк, 2000).

Публікації. За матеріалами дослідження опубліковано 7 наукових праць, в тому числі 5 статей у фахових журналах і збірках наукових праць, а також тези доповіді на науковій конференції.

Об’єм і структура дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків.

Дисертація, загальним обсягом 191 сторінка, містить 134 сторінки машинописного тексту, а також 17 рисунків, 32 таблиці, 4 додатки. Список використаних джерел нараховує 146 найменувань, з них 9 латиницею.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначені мета, завдання та об’єкт дослідження, вказана наукова новизна і практичне значення роботи, викладаються основні результати дослідження.

У першому розділі дисертації на основі аналізу літературних джерел попередніх досліджень в даній області гідрохімії показана необхідність подальших досліджень та методологічних розробок по оцінці, оптимізації та прогнозуванню гідрохімічного режиму в умовах зростаючого техногенного впливу. Серед робіт такого плану потрібно виділити праці В.І. Пелешенка (1975, 1985, 1992), Л.М. Горєва (1985, 1992, 1996), А.Г. Івахненка (1975), А.В. Караушева (1987), А.М. Никанорова (1982, 1987, 1989, 1990), В.К. Хільчевського (1993, 1997).

Обґрунтовано визначення оптимізації природно-техногенного процесу, під яким розуміють пошук найкращого з наявних в даних умовах технічно здійсненних та економічно обґрунтованих можливостей його реалізації (Л.М. Горєв, 1996). Існує декілька способів оптимізації природно-техногенного процесу. А саме: 1) шляхом дослідження процесу в натурних умовах; 2) з використанням фізичних моделей, адекватних до реального об’єкту, де проходять досліджувані процеси; 3) за допомогою математичної імітації (моделювання) досліджуваних процесів, що реалізуються на ПК. За результатами оптимізації отримують наступні рішення: 1) прогноз процесу; 2) рекомендації щодо створення режиму функціонування процесу, при якому його оптимізація реалізується в межах наявних технічних можливостей; 3) рекомендації щодо створення режиму функціонування процесу, при якому його оптимізація реалізується поза межами наявних технічних можливостей з більш конкретними рекомендаціями щодо підвищення їх ефективності; 4) неможливість оптимізації, що пов’язано з об’єктивними технічними або природними обмеженнями або ж економічною недоцільністю.

Кількісна оцінка впливу господарської діяльності на формування гідрохімічного режиму є дуже складним завданням. Не тільки через значну кількість діючих факторів, але й тому, що антропогенні зміни накладаються на природні коливання стоку, амплітуда яких часто набагато перевищує величину штучних змін. Крім того, не завжди є надійні дані про об’єми водозаборів і безповоротних втрат води у річковому басейні. Отже, одночасне врахування великої кількості факторів можливе лише при використанні методів математичного моделювання, системного підходу та досвіду створення великомасштабних моделей.

Оцінка формування гідрохімічного режиму виконувалася у басейні річки Самара шляхом ймовірносно-статистичного аналізу інформації про якість атмосферного повітря, ґрунтів та природних вод. Одночасно розглядалися соціально-економічне значення, стан і резерви підвищення ефективності використання, охорони і відтворення природних екосистем у басейні річки.

Для оперативного прогнозування враховують і використовують три способи моделювання :

1) складання і застосування рівнянь балансу речовин, коли за основу беруть гарантовані значення окремих параметрів і емпіричних коефіцієнтів;

2) пошук і застосування прямих і непрямих статистичних зв’язків концентрацій забруднюючих речовин з тими з гідрологічних параметрів, по яких складаються або можуть складатися прогнози з завчасністю декілька діб, місяць, сезон;

3) комбіноване застосування перших двох способів моделювання.

Рівняння балансу речовини застосовують для прогнозів можливих несприятливих змін хімічного складу води водотоків з заданою завчасністю: а) у випадку введення в дію нових потужних випусків неочищених або недостатньо очищених стічних вод; б) при явній небезпеці аварійного скиду стічних вод; в) при аварійному скиді стічних вод, який відбувся.

Для виконання довгострокового прогнозу хімічного складу поверхневих вод та їх якості найчастіше використовують дві групи методів:

1) методи, що базуються на формулі балансу хімічних речовин;

2) статистичні методи.

Балансові методи добре зарекомендували себе при виконанні розрахунків довгострокового прогнозу концентрацій забруднюючих хімічних речовин у водному об`єкті, в тому випадку, коли формування величин усіх концентрацій іде під впливом одного або декількох антропогенних джерел, причому кількісні характеристики впливу усіх джерел на прогнозний рівень відомі.

Статистичні методи традиційно застосовуються для довгострокового прогнозування у разі наявності тривалих динамічних рядів, що характеризують зміну певної досліджуваної величини у часі. Конкретним виявом динамічних рядів у гідрохімії є багаторічні ряди спостережень за вмістом хімічних речовин у воді даного водного об`єкта. Наявність тривалих рядів спостережень за гідрохімічними та гідрологічними параметрами водного об`єкту, що характеризують його сучасний стан, є передумовою використання статистичних методів для оцінки перспективного етапу стану цього об`єкту.

Для прогнозу якості води водного об`єкта по одному або декількох заданих створах, використовуються методи, що базуються на розрахунку балансу хімічних речовин у конкретному створі.

У другому розділі охарактеризовано природні умови формування та сучасний стан хімічного складу річкових вод в басейні Самари. Викладено основні результати оцінки якості річкових вод у басейні Самари за відповідними методиками.

Басейн р.Самара розташований в промислово насиченому регіоні, що досить відчутно позначається на формуванні гідрохімічного режиму річок басейну, зміни якого головним чином відбуваються під дією скидів відпрацьованих водних ресурсів різними видами господарства. Гідрохімічний режим характеризується закономірними змінами хімічного складу води водного об’єкту або окремих його компонентів в часі, які обумовлені фізико-географічними умовами басейну і антропогенним впливом, а також проявляється у вигляді багаторічних, сезонних і добових коливань концентрацій компонентів хімічного складу і показників фізичних властивостей води, рівня забрудненості води, стоку хімічних речовин, змін процесів забруднення і самоочищення водного об’єкту тощо.

Природний стан гідрохімічного режиму в басейні річки Самари має свої особливості. Басейн розміщений у двох геоморфологічних районах : верхня його частина лежить у межах Донецької височини, середня і нижня - в лівобережній Придніпровській низовині. Підземне живлення Самари становить лише 5 % річного стоку. Мінералізація ґрунтових вод досягає 8-10 г/дм3, за складом вони сульфатні кальцієві, сульфатні натрієві і хлоридно-сульфатні.

За даними гідрохімічних спостережень під час водопілля мінералізація води Самари біля м. Павлоград коливається від 424 мг/ дм3 до 1,9 г/ дм3, а біля с. Кочережки - від 562 мг/ дм3 до 1,4 г/дм3. Вода належить до сульфатного класу групи кальцію - натрію. Переважає вміст SO42- , Ca2+ і Na + + K+. У меженний період мінералізація води досягає 2,2 – 3,8 г/ дм3.

Що стосується безпосередньо техногенного впливу в басейні р. Самара, то для потреб народного господарства щорічно використовується 258 млн.м3 води, в тому числі промисловістю 62,4 млн.м3, сільським господарством 176,6 млн.м3, житлово-комунальним господарством 18,54 млн.м3. Щорічно в річку Самара скидається 295 млн.м3 стічних вод, в тому числі: забруднених - 210 млн.м3. Найбільшими забруднювачами басейну є: ВО “Павлоградвугілля”, ВО “Селидоввугілля”, ДРЕС м.Курахове, шахтоуправління “Жовтневе”, виробничого управління водно-каналізаційного господарства (ВУВКГ), Придніпровської ДРЕС, а також фільтраційні води шахтних горизонтів.

Оцінювання за методикою ІЗВ (індекс забрудненості води), яка використовується в Гідрометслужбі, дає змогу виконати порівняння якості води різних водних обєктів, виявити тенденцію змін якості води в часі.

Розрахунок ІЗВ виконується за формулою:

ІЗВ = (С/ГДК) / n ,

де С - фактична концентрація (значення) показника; ГДК - гранично допустима концентрація (значення) показника; n - кількість показників. Для поверхневих вод кількість показників (речовин), які беруться для розрахунку ІЗВ, повинна бути не меншою 5, незалежно від того, перевищують вони ГДК чи ні, але обовязково включати розчинений кисень та БСК5. В цілому показники вибираються незалежно від лімітної ознаки шкідливості. При рівних концентраціях показників перевага надається речовинам, які мають токсикологічну ознаку шкідливості.

Для оцінки якості води басейну р.Самари за період 1993-1998 рр. були підібрані найбільш характерні створи спостережень за якістю води на мережі Гідрометслужби та Держводгоспу, а саме: р.Мокрі Яли - хутір Грушевський, р.Солона - с.Новопавлівка, р.Вовча - м.Васильківка, р.Вовча - гирло, р.Самара - м.Павлоград, р.Самара - м.Новомосковськ.

Дослідження показали, що майже в усіх пунктах спостережень за період 1994-1998 рр. поверхневі води належать до ІІІ класу якості (помірно забруднені), рідше до ІV класу якості (забруднені). Зокрема це стосується р.Солона-с.Новопавлівка (1995-1996 рр.) та р.Вовча-смт.Васильківка (1995 р.).

Однак якщо розглядати якість води не з позиції класів якості води, а з позиції індексів забрудненості води, то постає зовсім інша картина. Так, для р.Солона-с.Новопавлівка індекси забрудненості води змінюються від 1,51 (1997) до 2,81 (1996). Для р.Мокрі Яли – х.Грушевський індекс забрудненості води за час досліджень майже не змінюється і коливається в межах 1,91 – 1,95. Для р.Вовча в створі смт. Васильківка індекс забрудненості води коливається в межах 1,6 (1998) –2,69 (1995), що відображає тенденцію зниження та стабілізації. Для р.Вовча в районі гирла індекс забрудненості води змінюється від 1,28 (1996) до 2,01 (1994). Для р.Самари – м.Павлоград ІЗВ коливається в межах 1,39 (1995) – 2,26 (1997) – тенденція до зростання індексу забрудненості та відповідно погіршення якості води. Для р.Самара в замикаючому створі м.Новомосковськ індекси забрудненості води змінюються від 1,39 (1995) до 2,26 (1997), що також відображає певну тенденцію погіршення якості води.

Екологічна оцінка якості поверхневих вод басейну р.Самари виконувалася у дисертаційній роботі як узагальнююча оцінка якості (згідно додатків Методики екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями, 1998) по трьох блоках показників: блоку сольового складу, блоку трофо-сапробіологічних (еколого - санітарних) показників, блоку показників вмісту і біологічної дії специфічних речовин.

Результати подавалися у вигляді єдиної екологічної оцінки, котра ґрунтується на заключних висновках по трьох блоках.

Оцінка якості води річок басейну Самари, яка виконана за Методикою екологічної оцінки..., показує, що майже весь басейн Самари за критеріями забруднення компонентами сольового складу відноситься до найвищого V класу 7 категорії якості (дуже брудні) за всі роки спостережень. По інших групах показників діапазон класів досить значний від ІІ (чисті) до ІV (брудні).

Третій розділ присвячено теоретико-методологічним підходам розрахунку гідрохімічного балансу та його автоматизації на основі алгоритмічної моделі.

На основі проведеного дослідження по оцінці теоретичних засад гідрохімічного балансу р.Самари – с.Кочережки, враховуючи повноту наявної достовірної інформації про стан якості води в басейні та на основі реалізації створеного алгоритму, було розроблено автоматизовану імітаційну систему по оцінці гідрохімічного режиму будь-якого басейну річки, де є повний набір необхідної гідрохімічної інформації (програма Balans).

Результуюча інформація записується у вигляді наведеному в табл. 1.

Баланс розрахований як середньорічний за 1966-1991 рр. для частини водозбірної площі, що замикається створом біля с.Кочережки. Загальна кількість розчинених мінеральних речовин, що приймає участь у річному циклі (за багаторіччя), становить 888,14 тис.т. За рахунок розчинення аерозолів різноманітного генезису в атмосферні води поступає і випадає з опадами 201,52 тис.т, або 23 % балансових речовин, 77 % надходить у води суші за рахунок вилуговування гірських порід і господарської діяльності.

Втрата солей із води проходить з підземним стоком 29 % (258,02 тис.т), з поверхнево-схиловим стоком (54 %), а також внаслідок засолення ґрунтів і порід зони аерації при випаровуванні атмосферних опадів (17 %). В об’ємі сумарного іонного стоку (83 %) внаслідок вилуговування гірських порід формується 728,76 тис.т мінеральних речовин, або 74 % балансу, господарської діяльності – 22,76 тис.т (3 %), атмосферних опадів – 54,65 тис.т (6 %), в тому числі пряма атмосферна складова досягає 1 %, а непряма - 5 %. В перерахунку на 1 м2 території басейну щорічно в гідрохімічному балансі приймає участь 44,86 * 10-3 кг солей, з атмосферними опадами випадає 7,42 * 10-3 кг солей, а з водами суші виноситься 37,44 * 10-3 кг солей, в тому числі підземними – 13,03 * 10-3 кг.

Іони кальцію формуються головним чином за рахунок вилуговування ґрунтів і гірських порід (70 %) та за рахунок господарської діяльності (23 %). Іони магнію формуються внаслідок вилуговуванні ґрунтів і гірських порід (92 %) та за рахунок атмосферних опадів (8 %). Іони натрію і калію формуються головним чином внаслідок вилуговування гірських порід і ґрунтів. Гідрокарбонатні іони формуються в основному за рахунок вилуговування гірських порід і ґрунтів. Сульфатні іони формуються за рахунок вилуговуванні ґрунтів і гірських порід (89 %) та за рахунок атмосферних опадів (11 %). Іони хлору надходять в основному внаслідок вилуговування гірських порід і ґрунтів (96 %).

Таблиця 1. Результуюча інформація по гідрохімічному балансу головних іонів у воді р.Самара – с.Кочережки (тис. т)

де R (1) - сумарний іонний стік за другий період; R (2) - підземний іонний стік; R (3) - поверхнево-схиловий іонний стік; R (4) - пряма атмосферна складова сумарного іонного стоку; R (5) - пряма атмосферна складова поверхнево-схилового іонного стоку;;;;;;;% R (6) - пряма атмосферна складова підземного іонного стоку; ZasolPorid - кількість розчинених речовин, що випадають на поверхню землі і витрачаються на постійне засолення ґрунтів і порід; R (7) - непряма атмосферна складова сумарного іонного стоку; R (8) - загальна атмосферна складова сумарного іонного стоку; R (9) - сумарний іонний стік за перший період, R (10) - антропогенна складова сумарного іонного стоку; R (11) - сумарний іонний стік вилуговування; R (12) - поверхнево-схиловий іонний стік, що формується за рахунок вилуговування порід і господарської діяльності; R (13) - підземний іонний стік, що формується за рахунок вилуговування порід і господарської діяльності; R (14) - природна складова сумарного іонного стоку; А (2) - величина надходження в воду і породи речовин, що формуються за рахунок розчинення опадами аерозолів; А (3) - величина надходження в воду і породи речовин, що формуються за рахунок вилуговування; В - величина надходження в воду і породи речовин, що формуються за рахунок господарської діяльності; Aver – середнє значення показника; StandDev - стандартне відхилення; Variance - коефіцієнт варіації; Assim - коефіцієнт асиметрії.

У четвертому розділі наведені автоматизаційні розрахунки оперативного та довгострокового прогнозування на основі алгоритмічних моделей, охарактеризовано ефективність та доцільність таких розрахунків, розглянуто основні проблеми та наведені практичні рекомендації оптимізації водогосподарської ситуації в басейні на основі запропонованої схеми прийняття оптимальних керівних рішень.

Розрахунки виконані для р.Самари – с.Кочережки шляхом реалізації алгоритму оперативного прогнозування розробленого на кафедрі гідрології і гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Л.М. Горєв, 1994) та доопрацьованого автором для подальшої його автоматизації. Алгоритм автоматизований на персональних компютерах за допомогою програми Prognoz.

Оперативне прогнозування проводиться на час добігання забруднюючої речовини від джерела надходження стічних вод до обраного контрольного створу.

Як показали результати розрахунків на вміст забруднюючої речовини у максимально забрудненому струмені водотоку, найбільший вплив здійснює окрім гідрометричних характеристик віддаль до прогнозованого (контрольного) створу (дія розбавлення). Дані розрахунки проводились на віддаль 2 км, як моделювання впливу великих скидів забруднених вод на зміну якісних показників води нижче розташованого населеного пункту у високоурбанізованих регіонах країни.

Результати оперативного прогнозування наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Результати оперативного прогнозування якості води р.Самара – с.Кочережки (мг/дм3)

Довгострокове прогнозування проводиться для визначення сумарної концентрації по кожному показнику, що визначається надходженням забруднюючих речовин зі стічними водами різних галузей господарства до обраного контрольного створу.

Автоматизація виконана шляхом реалізації алгоритму довгострокового прогнозування, розробленого безпосередньо автором, на персональних компютерах за допомогою двох програм Dovprog i Maxdovg. Програма Dovprog розраховує надходження забруднюючих речовин по окремих показниках різних галузей промисловості за розрахунковий період. Програма Maxdovg розраховує середню за розрахунковий період концентрацію забруднюючої речовини в максимально забрудненому струмені водотоку.

Результати довгострокового прогнозування наведені в табл. 3.

Таблиця 3. Результати довгострокового прогнозування якості води р.Самара – с.Кочережки

Як показали результати розрахунків на вміст забруднюючої речовини у максимально забрудненому струмені водотоку, найбільший вплив здійснює, окрім характеристик водності, ще і вміст забруднюючої речовини у стічних водах та ступінь їх очистки. Дані розрахунки проводились при значеннях 10 % очистки стічних вод та 85 % ефективності очистки, при часі їх надходження до контрольного створу 2 доби. Розрахунковий період для визначення середньої концентрації забруднюючих речовин в максимально забрудненому струмені водотоку становив 1 рік. Відповідно за рік у річкових водах Самари сумарна кількість забруднюючої речовини, що надійде нижче гирла р.Вовчої, становитиме: нафтопродуктів – 8 т, СПАР – 11 т, марганцю – 17 т, натрію та калію – 49750 т, сульфатів – 107310 т, іонів хлору – 66330 т, нітратів – 96 т, заліза загального – 77 т, фосфатів – 67 т.

Аналіз динаміки забруднення водних обєктів басейну р.Самара показав, що, незважаючи на суттєвий спад виробництва та зниження скиду стічних вод промисловості, якість води значно не покращилася. Більше того, по деяких показниках та ділянках спостерігається зростання забруднення, оскільки суттєво не покращався стан охорони вод.

Слід відзначити особливу актуальність своєчасного прийняття ефективних рішень, спрямованих на розвязання основних екологічних проблем у басейні Самари, і в той же час вирішити проблему безперебійного забезпечення населення та галузей економіки водними ресурсами належної якості.

Процедура прийняття рішення із поставлених завдань передбачає таку послідовність: підготовка вихідної інформації (або її коригування); ідентифікація параметрів моделі; вибір активних засобів управління; безпосереднє моделювання динаміки розповсюдження зони високого забруднення (ВЗ) і оцінка основних параметрів зони в контрольних створах.

Вихідна інформація, що використовується при вирішенні задач, включає дані про морфометричні, гідравлічні і гідрохімічні характеристики водного обєкта і параметри аварійного скиду. Виконанню функцій підготовки вихідної інформації і управління процесом вирішення задач допомагає програма оперативного або довгострокового прогнозування (в залежності від термінів планування).

При реалізації модельного блоку "Оцінка і прогноз динаміки якості води" передбачені два основних режими його функціонування - імітаційний, що забезпечує спеціалісту-гідрохіміку можливість аналізу різноманітних сценаріїв аварійних ситуацій на потенційно-небезпечних господарських обєктах і режим підготовки рішень в умовах реальної аварії. Не дивлячись на умовність такого поділу, використання імітаційного режиму дозволяє реалізувати серію чисельних експериментів по оцінці можливих наслідків, а також складу і ефективності керівних рішень, що приймаються на випадок виникнення аварій.

З метою розв’язання основних екологічних проблем у басейні Самари, на наш погляд, необхідно вирішити такі завдання:

- обмеження шкідливого впливу найбільш екологічно небезпечних об’єктів у басейні Самари, забезпечення очищення стічних вод відповідно до проектних параметрів очисних споруд;

- здійснення заходів щодо зменшення надходження забруднення до водних об’єктів із забудованих територій;

- розроблення і введення в дію нормативно-правової бази безпечного користування водними об’єктами і охорони їх від забруднення;

- удосконалення системи управління водокористуванням, охороною та відтворенням водних ресурсів;

- удосконалення економічного механізму водоохоронної діяльності;

- оптимізація системи моніторингу екологічного стану басейну;

- розроблення і впровадження програм екологічної освіти та виховання.

ВИСНОВКИ

1. Найбільш широко відповідали поставленим завданням при створенні алгоритмів оперативного прогнозування і оцінки гідрохімічного балансу та їх автоматизації методи, що базуються на формулі балансу хімічних речовин, оскільки, як правило, формування величин усіх концентрацій іде під впливом одного або декількох антропогенних джерел за умови, що кількісні характеристики впливу усіх джерел на прогнозний рівень відомі.

2. Дослідження показали, що басейн р.Самара відчуває на собі велике антропогенне навантаження. Це підтверджується інтенсивним використанням водних ресурсів басейну та значною кількістю наявних водозаборів та водоскидів очисних споруд шахт, промислових підприємств та комунального господарства. Аналіз змін гідрохімічного режиму річок басейну Самари показав, що незважаючи на відносне зменшення забору води та скиду використаної води, вміст забруднюючих речовин у водах р.Самара продовжує зростати.

Зростання концентрацій забруднюючих речовин, що спостерігається протягом останніх десяти років, свідчить про значний і стабільний вплив скидів підприємств комунального господарства і промислових об’єктів розташованих у басейні річки Самари на формування гідрохімічного режиму.

3. Оцінка якості води визначена за індексами забрудненості води (ІЗВ) показала, що майже в усіх пунктах спостережень за період 1994-1998 рр. поверхневі води належать до ІІІ класу якості (помірно забруднені), рідше до ІV класу якості (забруднені). Зокрема, це стосується р.Солона-с.Новопавлівка (1995-1996 рр.) та р.Вовча-м.Васильківка (1995 р.).

Оцінка якості води річок басейну Самари, яка виконана за “Методикою екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями” (1994-1998 рр.), показує, що майже весь басейн Самари за інтегральним показником якості відноситься до ІІІ класу 5 категорії (помірно забруднені). Лише для пунктів Вовча-гирло (1995-1997 рр), р.Самара-м.Павлоград (1995-1996 рр.) та р.Самара-м.Новомосковськ (1997 р.) якість води можна оцінити ІV класом 6 категорією (брудні). Однак за критеріями забруднення компонентами сольового складу поверхневі води басейну р.Самари відносяться до найвищого V класу 7 категорії якості (дуже брудні) за всі роки спостережень. По інших групах показників діапазон класів і категорій досить значний від ІІ (2 - чисті) до ІV (6 - брудні).

4. Встановлено, що загальна кількість розчинених мінеральних речовин, які беруть участь у річному циклі (за багаторіччя), складає 888,14 тис.т. За рахунок розчинення аерозолів різноманітного генезису в атмосферні води надходить і випадає з опадами 201,52 тис.т, або 23 відсотки балансуючих речовин, 77 % надходить у води суші за рахунок вилуговування гірських порід і господарської діяльності.

Втрата солей із води відбувається з підземним стоком 29 % (258,02 тис.т), з поверхнево-схиловим стоком (54 %), а також внаслідок засолення ґрунтів і порід зони аерації при випаровуванні атмосферних опадів (17 %). В об’ємі сумарного іонного стоку (83 %) внаслідок вилуговування гірських порід формується 728,76 тис.т мінеральних речовин, або 74 % балансу, господарської діяльності – 22,76 тис.т (3 %), атмосферних опадів – 54,65 тис.т (6 %), в тому числі пряма атмосферна складова досягає 1%, а непряма - 5 %.

В перерахунку на 1 м2 території басейну щорічно в гідрохімічному балансі приймає участь 44.86 . 10-3 кг солей, з атмосферними опадами надходить 7.42 . 10-3 кг солей, а з водами суші виноситься 37.44 . 10-3 кг солей, в тому числі підземними - 13.03 . 10-3 кг.

5. Проведені розрахунки довгострокового прогнозування показують, що в майбутньому зросте надходження у річкові води нафтопродуктів, СПАР, марганцю, заліза загального та окремих іонів, особливо натрію і калію, а також сульфатів, що пояснюється великим вмістом цих інгредієнтів у промислових та господарсько-побутових стічних водах. Таку тенденцію зростання підтверджують також моніторингові дослідження проведені в басейні р.Самари у 1994-1998 рр.

Дослідження показали, що при оперативному прогнозуванні на вміст забруднюючої речовини у максимально забрудненому струмені водотоку, найбільший вплив має, окрім гідрометричних характеристик, віддаль до прогнозованого (контрольного) створу. Встановлено, що максимально забруднений струмінь водостоку формується на віддалі 2-2,5 км від місця скиду забруднюючих речовин.

Доведено, що автоматизація процесу оперативного та довгострокового прогнозування дозволить при найменших затратах часу отримувати достовірну інформацію про величину забруднюючої речовини в максимально забрудненому струмені водотоку, вчасно проводити попереджувальні та профілактичні заходи щодо великих скидів забруднюючих речовин у водойму для будь-якого промислово розвиненого регіону.

5. Запропонована схема прийняття ефективних рішень за допомогою гідрохімічної моделі при різних видах появи забруднюючих речовин у водному об’єкті дає можливість швидко та ефективно промоделювати ситуацію щодо негативних наслідків забруднення водного об’єкту та вжиття необхідних попереджувальних заходів. Окрім того, гідрохімічна модель дозволить розраховувати необхідний набір модельних ситуацій, з програмою необхідних дій, для різних ситуацій при виникненні аварійних ситуацій (система підтримки прийняття рішення), що допоможе оперативно вирішувати водогосподарські завдання.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яцюк М.В. Оцінка автоматизаційних розрахунків гідрохімічного балансу та їх застосування для річкових басейнів на прикладі басейну р.Самара // Україна та глобальні процеси: географічний вимір. – Київ-Луцьк: “Вежа”, 2000 . – Т. 2. - с. 331-336.

2. Яцюк М.В. Оцінка і прогноз динаміки якості води для своєчасного прийняття рішень щодо оптимізації водогосподарської ситуації в басейні // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. – Київ. - 2000. Т. 1. - с. 220-222.

3. Хільчевський В.К., Яцюк М.В. Основні проблеми екологічного стану басейну р. Самари в умовах інтенсивного техногенного впливу // Экологическая и техногенная безопасность. – Харьков. – 2000. - с. 156-159.

4. Яцюк М.В. Формування гідрохімічного режиму річок басейну р.Самара в умовах техногенного впливу // Вісник Київського університету. - Географія. – 1999. – Вип. 44. - с. 39-40.

5. Яцюк М.В. Особливості оперативного прогнозування змін хімічного складу річкових вод в умовах техногенного впливу // Картографія та вища школа. – 2000. -Вип. 4. - с. 114-119.

6. Горєв Л.М., Яцюк М.В. Теоретико-методологічні аспекти гідрохімічного режиму в умовах техногенези // Водне господарство. – 1997. - № 3. – с. 2-4.

7. Горєв Л.М., Яцюк М.В. Оцінка, прогнозування та оптимізація гідрохімічного режиму в умовах техногенезу// Другий з’їзд гідроекологічного товариства України. – Київ. – 1997. – Т. ІІ. - с. 231.

Анотація

Яцюк М.В. Оцінка, прогнозування та оптимізація гідрохімічного режиму в умовах техногенезу (на прикладі басейну р.Самари). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук з спеціальності 11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, Київ, 2001.

Визначено фактори і закономірності формування гідрохімічного режиму та його зміни в просторово-часових координатах, встановлено зв’язки якісних характеристик поверхневих вод басейну Самари з режимом господарської діяльності. Оцінено якість поверхневих вод басейну р.Самара за останні роки (1994-1998) та проведено прогнозування її на найближчу перспективу. Виходячи з такої постановки завдання та методів вирішення завдань, у дисертації запропоновані нові методичні підходи до гідрохімічних досліджень в басейні середньої річки, що знаходиться в промислово насиченому (екологічно напруженому) регіоні. Вперше комплексно проаналізовані природні та антропогенні фактори, що впливають на формування гідрохімічного режиму в басейні Самари. Досліджений вміст головних іонів та основних забруднюючих речовин в річкових водах у межах басейну. Вивчені особливості просторово-часової динаміки розподілу забруднюючих речовин в басейні Самари та проведено його прогнозування; вперше розрахований гідрохімічний баланс басейну Самари з визначенням всіх його складових на основі створеної моделі. Розроблена високочутлива модель оперативного та довгострокового прогнозування з урахуванням головних природних та антропогенних факторів, що впливають на формування гідрохімічного режиму. Пророблено питання щодо прийняття оптимальних рішень у водному господарстві, в яких були б збалансовані затрати і кінцевий результат.

Ключові слова: оптимізація, оперативне прогнозування, довгострокове прогнозування, фактори, якість води, оцінка, математичне моделювання.

Аннотация

Яцюк М.В. Оценка, прогнозирование и оптимизация гидрохимического режима в условиях техногенеза (на примере бассейна р.Самара). – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата географических наук по специальности 11.00.07 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, географический факультет, Киев, 2001.

Определены факторы и закономерности формирования гидрохимического режима и его изменения в пространственно-временных координатах, установлена связь качественных характеристик поверхностных вод бассейна Самары с режимом хозяйственной деятельности. Оценено качество поверхностных вод бассейна р.Самара за последние годы (1994-1998) и проведено прогнозирование ее на самую близкую перспективу. Исходя из такой постановки задачи и методов их решения, автором предложены новые методические подходы к гидрохимическим исследованиям в бассейне средней реки, которая находится в промышленно насыщенном (экологически напряженном) регионе. Впервые комплексно проанализированы природные и антропогенные факторы, которые влияют на формирование гидрохимического режима в бассейне Самары. Исследовано содержание главных ионов и основных загрязняющих веществ в речных водах в границах бассейна. Изучены особенности пространственно-временной динамики распределения загрязняющих веществ в бассейне Самары и проведено его прогнозирование; впервые рассчитан гидрохимический баланс бассейна Самары с определением всех его составляющих на основе созданной модели. Учитывая международный опыт обоснованы методические подходы относительно прогнозирования качества воды в условиях техногенного влияния. Разработана высокочувствительная модель оперативного и долгосрочного прогнозирования с учетом главных природных и антропогенных факторов, которые влияют на формирование гидрохимического режима. Рассмотрен вопрос относительно принятия оптимальных решений в водном хозяйстве, в которых были бы сбалансированные затраты и конечный результат.

Ключевые слова: оптимизация, оперативное прогнозирование, долгосрочное прогнозирование, факторы, качество воды, оценка, математическое моделирование.

Annotation

Jatsuk М.W. An estimation, forecasting and optimization of a hydrochemical regime in conditions of technogenous (on an example of basin of r. Samara). - Manuscript.

Thesis for the degree of geographical sciences from a speciality 11.00.07 - hydrology of dry land, water resources, hydrochemistry. - Kiev national university of a name Таras Shevchenko, geographical faculty, Kiev, 2001.

The factors and laws of formation of hydrochemical regime and its changings in spatial - temporal coordinates were determined, the connection of the qualitative characteristics of surfice waters of the basin Samara and the regime of economic was established. The quality of surfice waters of the basin of r. Samara for the last years (1994-1998) was appreciated, also the forecasting of it was carried aut for the closest prospect. Proceeding from such statement of the task and methods of their decision the author offers the new methodical approaches to the scientific researches in the basin of an average river placed in an industrially sated (ecologically intense) region. For the first time the natural and anthropogenous factors, which influence on formation of a hydrochemical regime in the basin of r. Samara have been analysed in comlex. The contents of main ions and basic polluting substances in river waters within the limits of the basin were investigated. The features of spatial - temporal dynamics of distribution of the polluting substances