Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Соловей Тетяна Василівна

УДК 911.3:504.4.054

ОЦІНКА ВПЛИВУ ГІДРОЛОГІЧНИХ ЧИННИКІВ НА ЯКІСТЬ ВОДИ РІЧОК БАСЕЙНУ ВЕРХНЬОГО ПРУТУ В МАЛОВОДНИЙ ПЕРІОД РОКУ

11.00.11 – конструктивна географія

і раціональне використання

природних ресурсів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Чернівці – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор географічних наук, професор Руденко Валерій Петрович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, декан географічного факультету, завідувач кафедри економічної географії та екологічного менеджменту

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор, член-кор. АПН України Шищенко Петро Григорович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри географії України

доктор географічних наук, професор Будз Маркіян Дмитрович, Український університет водного господарства та природокористування, професор кафедри водогосподарської екології, гідроекології та природокористування

Провідна установа Львівський національний університет імені Івана Франка, кафедра конструктивної географії і картографії, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться „ 16 ” червня 2004 р. о ----1400--- годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 76.051.04 у Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012,

м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2, корпус ІV, ауд.24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: 58012,

м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий „____” __________ 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В. Дутчак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах зростаючої уваги до якості річкових вод як індикатора стану екосистеми, актуальною постає проблема дослідження умов, чинників і процесів формування хімічного складу й якості води. Річки є одними з найбільш динамічних складових гідросфери, де взаємодія води з породами відбувається в умовах вільного водообміну з атмосферою (В.К. Хільчевський, В.І. Пелешенко, 1995). Гідрометеоро-логічні чинники визначають значну мінливість складу річкових вод. Особлива роль у формуванні головних рис гідрохімічного режиму річок належить водному стоку, оскільки основним носієм енергії, речовини у водних об’єктах є водна маса, і хід фізико-хімічних, біотичних та інших процесів значною мірою залежить від її величини й динаміки. Відповідно, і природна якість води непостійна в часі й залежить від фаз водного режиму гідрологічного об’єкту.

Питання вивчення якості води тривалий час розглядалися без врахування ролі гідрологічних чинників. Нині сформувався усталений погляд на те, що якість води визначається не тільки обсягом хімічних речовин, що надходять у річку, але й гідрологічним режимом цього водного об’єкту. При однаковому рівні антропогенного навантаження якість води буде відмінною при різних гідрологічних, термічних і гідробіологічних умовах. Самоочисна здатність річок, що значною мірою визначає якість води, зумовлена гідродинамічними процесами розбавлення.

Роль, можливість і необхідність використання гідрологічних характеристик при дослідженні проблеми якості води особливої актуальності набувають на гірських річках в умовах найбільшої мінливості стоку. Особливо проблематичним є питання вивчення якості води у період низького стоку з найгіршими умовами її формування. Дані про характер взаємозв’язку кількісних і якісних характеристик вод становлять значну науково-практичну цінність. Сьогодні вони необхідні для розв’язання низки завдань, пов’язаних із оцінкою ступеню можливої зміни якості річкової води при надходженні забруднених вод, концентрації розчинених речовин при відповідних гідрологічних і гідрохімічних умовах водного об’єкту.

У зв’язку з вищевикладеним на особливу увагу заслуговують питання оцінки впливу гідрологічних чинників на стан і динаміку якості води, інтенсивність процесів самоочищення річок басейну верхнього Пруту в маловодний період року. Останні представлені гірськими, передгірними і рівнинними типами річок за умовами гідродинамічного режиму. Контрастність гідрологічних умов формування якості річкових вод Прутського басейну зумовлює додатковий науковий інтерес до вивчення прояву цих умов на просторово-часових особливостях змін якості води.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Те-матика дисертаційного дослідження пов’язана з одним із напрямів нау-ково-дослідних робіт кафедри економічної географії та екологічного менеджменту – “Водогосподарська екологія”. Окремі її положення увійшли до науково-дослідних держбюджетних тем: “Економіко-гео-графічний аналіз просторово-часових закономірностей розвитку приро-дно-ресурсного потенціалу України з метою раціоналізації природоко-ристування” (номер держреєстрації 0100V005498), “Конструктивно-гео-графічний аналіз природно-ресурсного комплексу України в умовах стабілізації соціально-економічного розвитку” (перебуває на державній реєстрації). Результати дослідження використовувались при виконанні госпдоговірних тем: “Оцінка природно-ресурсного потенціалу регіонів України з метою раціоналізації природокористування” (номер держреє-страції 0101U002964), “Оцінка середньорічного стоку річок басейну Дністра і Пруту з метою уточнення санітарних витрат води” та “Оцінка потенціалу екологічно достатнього стоку річок басейну Пруту” (перебувають на державній реєстрації).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є комплексна оцінка впливу гідрологічних процесів і характеристик на формування гідрохі-мічного режиму і якості води річок басейну верхнього Пруту, виявлення закономірностей залежності якості води від мінливості стоку. У від-повідності до зазначеної мети були поставлені й розв’язані такі за-вдання:–

поглибити і використати придатні теоретико-методичні напрацювання для проведення дослідження впливу гідрологічних чин-ників на зміну якості річкових вод;–

визначити найістотніші гідрологічні процеси і характеристики, що впливають на якість річкових вод і розкрити причинно-наслідкові зв’язки процесу формування якості води; –

здійснити аналіз умов формування якості річкових вод у малово-дний період року;–

визначити мінімальний 30-добовий і середньодобовий стоки у зимовий і літньо-осінній періоди для досліджуваних річок за весь період спостереження; –

дослідити вплив водного стоку на стан якості води, ефективність процесів самоочищення та мінливість цих характеристик;–

визначити конструктивно-гідрологічні засади зниження небезпе-чних наслідків забруднення річкових вод.

Об’єктом дослідження є річки басейну верхнього Пруту.

Предметом дослідження виступали основні гідрологічні чинники та складові їх прояву у процесі формування якості річкової води.

Методологічні основи та методи дослідження. Методологічною основою роботи є теоретичні положення конструктивної географії (праці О.М. Маринича, В.С. Преображенського, Г.І. Швебса, П.Г. Ши-щенка та ін.), зокрема – раціонального використання водних ресурсів та їх охорони (А.П. Голіков, І.П. Ковальчук, Г.П. Кумсіашвілі, Я.О. Моль-чак, В.М. Тимченко, А.В. Христофоров, А.В. Яцик та ін.); гідрохімії (О.А. Альокін, Л.Н. Горєв, А.Н. Ніканоров, В.І. Пелешенко, В.К. Хіль-чевський та ін.). Використані методичні положення інженерної гідрохі-мії (В.А. Караушев, Л.Л. Пааль, І.Д. Родзіллер, С.І. Сніжко та ін.). При виконанні поставлених завдань аналізувались результати досліджень регіонального характеру (В.М. Гуцуляк, М.І. Кирилюк, В.П. Руденко, Я.І. Жупанський, М.В. Цепенда, Ю.С. Ющенко, В.Г. Явкін, А.М. Ніко-лаєв).

В основу роботи покладено матеріали експедиційних до-сліджень автора (2001-2004 рр.), матеріали первинних статистичних і відомчих матеріалів Гідрометслужби України, Держводгоспу, Дністровського басейнового управління та інших організацій, фондові матеріали географічного факультету ЧНУ тощо.

При виконанні ро-боти застосовувалися дослідницькі підходи: системний, генетичний, гідролого-геохімічний, моделювання, басейновий. Для дослідження гідрологічної зумовленості змін якості води залучені польовий, лабораторний, кар-тографічний методи і статистичний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі поглиблено системні уявлення про залежність якості води й стану водних екосистем від мінливості водного стоку, водообміну та умов живлення. Виявлено основні прояви гідрологічних процесів і явищ у формуванні якості води. Розроблено методичні прийоми оцінювання впливу стічних вод на якість природних вод. Проаналізовано гідрологічні умови формування сольового складу вод та гідрохімічного режиму річок басейну верхнього Пруту у маловодний період року. Виконано дослі-дження хімічного складу вод малих річок басейну верхнього Пруту в меженний період і вперше здійснено гідрохімічне районування цієї території. Розроб-лено математичні моделі для прогнозування змін якості води річок ба-сейну верхнього Пруту з урахуванням особливостей гідролого-гідроди-намічного режиму.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертації величини гранично допустимого скидання забруднюючих речовин у р. Прут, номограми для визначення концентрацій розчинених речовин у воді максимально забрудненого струменя, величини мінімального стоку і забезпеченість їх значень у роках різної водності, гідрохімічні характеристики малих річок можуть бути використані структурами Мінприроди України, організаціями системи водного і комунального господарств. Матеріали дисертаційного дослідження використовуються у навчальному процесі на географічному факультеті ЧНУ, при написанні курсових і дипломних робіт. Ос-новні результати роботи використовувались при виконанні госпдоговір-них і держбюджетних наукових тем.

Особистий внесок здобувача. Виконано гідрометричні дослідження річок басейну верхнього Пруту й аналітичні дослідження хімічного складу їх вод. Здобувачем зібрано і статистично опрацьовано результати багаторічних режимних гідролого-гідрохіміч-них спостережень. Виконано ряд розрахунків характеристик мінімаль-ного стоку річок басейну Пруту, кількісно і якісно визначено просторово-часові тенденції змін гідрохімічних характеристик якості води річок. Укладено серію прикладних карт для регіону: мінімального стоку, гідрохімічного районування, антропо-генного навантаження на річкові басейни.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й резуль-тати досліджень доповідались і обговорювалися на науково-практичних семінарах викладачів факультету та кафедри, наукових конференціях. Серед них: Друга всеукраїнська науково-методична конференція “Про-блеми раціонального використання, охорони і відтворення природно-ресурсного потенціалу України” (Чернівці, 2000); міжнародна науково-практична конференція “Інноваційні фактори ресурсно-екологічної без-пеки Карпатського регіону” (Чернівці, 2001); міжнародна науково-прак-тична конференція “Екологічні проблеми басейнів транскордонних рі-чок” (Луцьк, 2002); міжнародна конференція “Гори і люди (у контексті сталого розвитку)” (Рахів, 2002), Друга всеукраїнська наукова конфере-нція “Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія” (Київ, 2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць, у тому числі: монографія (у співавторстві з В.П. Руденком та В.Я. Вацебою), 7 статей – у виданнях, які рекомендовані ВАК України, і 4 тез. Загальний обсяг наукових праць складає 17,9 друк.ар, з яких 8 є самостійним доробком дисертанта.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел (208 позицій) і додатків (9 найменувань на 90 сторінках). Дисертація нарахо-вує 258 сторінок, із них 150 сторінок тексту. Робота містить 36 рисунків і 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Теоретичні та методичні засади дослідження впливу гід-рологічних чинників на якість води річки. Теоретичні узагальнення щодо сутнісних аспектів проблеми ви-вчення якості природних вод дали можливість сформулювати (В.М. Жукинський, В.М. Тимченко, В.К. Хільчевський, А.В. Яцик та ін.) сучасне розуміння цього поняття, за яким якість природних вод є характеристи-кою складу і властивостей води як компонента водної екосистеми та жит-тєвого середовища гідробіонтів

Пізнання просторо-часових закономірностей змін якості води най-більш ефективно реалізується, базуючись на концепції геостоку (на що вказували Н.І. Алексієвський, С.Д. Муравейський, К.К. Едельштейн). Концепція геостоку створює основу для формування системних уявлень про залеж-ність якості води, стану водних екосистем від мінливості природних і антропогенних складових геостоку, одним з яких є водний стік.

Стік води – активний чинник, який завдяки своїй динамічності й величині спрямовує хід фізико-хімічних і біотичних процесів формування якості води. Пере-важаючий вплив мінливості водного стоку на якість води чітко відображається у гідрохімічному режимі.

Якість річкових вод формується в особливих умовах хемогенезу, де водний режим, динаміка руслового потоку та характер внутрішньорічного поєднання джерел живлення є причинами її суттєвої просторової неоднорідності й часової мінливості. У роботі розглядаються гідрологічні аспекти генезису і режиму якості води річки стосовно гірських, передгірних і рівнинних умов.

При дослідженні просторової неоднорідності якості води річок використаний ландшафтно-гідрологічний підхід. Ландшафти рівнинної і гірської частини Прутського басейну за умовами формування стоку суттєво відрізняються, особливо за режимом зволоження, гідрогеологічними умовами. Це своєрідно проявляється у просторових відмінностях якості води річок. Розгляд питань режиму якості води стосується її сезонних і багаторічних коливань під впливом речовинного складу джерел живлення річки, що зумовлюють періодичну заміну води в руслі і, відповідно, розчинених у ній хімічних речовин і біогенних елементів. Вивчення динаміки руслового потоку спрямоване на дослідження структур швидкісного поля і процесів внутрішнього водообміну як фізичної основи фор-мування просторових відмінностей у розподілі концентрацій речовин. Сукупність гідродинамічних чинників проявляється як у різномасштабних процесах перемішування і перенесення розчинених речовин у локальних районах скидання стічних вод, так і в розподілі речовин у товщі во-дних мас всього водотоку.

Здійснення оцінки впливу гідрологічних чинників на якість річкових вод потребує цільового опрацювання відповідних теоретико-методологічних положень та методичних розробок. Вони представлені у контексті подальшого розвитку теорії й методики гідролого-гідрохімічних досліджень. Важливими складовими засад виконаного опрацювання є знання про: 1) механізми функціонування річкових екосистем, взаємозв’язки між абіотичними й біотичними компонентами гідроекосистеми; 2) методи диференційованої оцінки впливу гідрологічних чинників на якість природних вод; 3) нормування екологічного стану водних об’єктів з комплексних позицій, тобто з урахуванням гідрологічного, гідрохімічного та гідроекологічного режимів цих об’єктів та умов техногенезу.

Методика, опрацьована у дисертації, представлена системою послідовно задіяних у процесі своєї реалізації методів, спрямованих на досягнення мети і вирішення завдань дослідження. Основними етапами оцінювання впливу гідрологічних чинників на якість води є: 1) концептуальний – обґрунтування принципів, підходів, показників і критеріїв оцінки та відбір способів і методів оцінювання; 2) інформаційно-експериментальний – параметризація оціночних гідролого-гідрохімічних характеристик із використанням даних режимних спостережень, експедиційних і лабораторних досліджень; 3) етап аналізу та синтезу – аналізування характеру й механізмів впливу гідрологічних чинників на якість води та встановлення кореляційно-регресійних залежностей між оціночними параметрами; 4) оціночно-рекомендаційний – оцінка ступеню прояву впливу гідрологічних чинників на якість води та опрацювання можливих шляхів практичного використання отриманих результатів.

Для вивчення впливу гідрологічних чинників на якість води одними з найважливіших є: а) принцип нелінійності, відповідно до якого при вивченні причинно-наслідкових зв’язків у природних системах необхідним є врахування їх нелінійного характеру; б) принцип провідного процесу, який вказує на наявність у складних динамічних системах одного елементу або процесу, що відіграє координуючу роль.

Встановлення ступеню впливу гідрологічних чинників на якість річкових вод потребує вироблення показників і критеріїв оцінки ефективності їх прояву. У виконаному дослідженні за основу взяті дві групи інтегральних гідролого-гідродинамічних показників. Перша група – показники, що визначають мінливість загального навантаження річкового потоку розчиненими речовинами. До них на-лежать витрата води та швидкість течії. Їх вплив на зміну середніх кон-центрацій розчинених речовин у поперечному перерізі потоку оціню-ється за допомогою статистичних методів з використанням кореля-ційно-регресійних залежностей (C=f(Q) і C=f(v)). На основі критеріїв оцінки якості статистичних зв’язків між зазначеними па-раметрами дається оцінка ефективності впливу водного режиму на гідрохімічний. Друга група – показники, що визначають просторовий розподіл розчинених речовин у водотоці, вони включають коефіцієнти попере-чної та поздовжньої турбулентної дифузії. Оцінка їх впливу на поши-рення розчинених речовин у потоці здійснюється на основі методів роз-рахунку турбулентної дифузії та рівнянь балансу речовини. При виборі критеріїв оцінки впливу гідродинамічних чинників на якість води до уваги взято ефект впливу інтенсивності турбулентного обміну на швид-кість трансформації речовин у воді.

Завершальний етап роботи складається з кількох підетапів: 1) оцінки оптимальних витрат з позицій формування якості води; 2) оцінки ступеня сприятливості гідродинамічних умов формування якості води; 3) оцінки динамічної складової потенціалу самоочищення річкових вод; 4) прогнозування змін якості води; 5) встановлення гранично допустимих обсягів скидання розчинених речовин у річку; 6) розробки пропозицій за основними напрямами оптимізації якості природних вод.

2. Умови й особливості формування якості води річок басейну верхнього Пруту в маловодний період року. Формування якості природних вод розглядається як результат взає-мообміну розчиненими речовинами вод з іншими природними компо-нентами у різних фізико-географічних умовах антропогенізованих територій.

Басейн верхнього Пруту розташований у регіоні з різномані-тними і контрастними природними умовами. Ця контрастність зумовлена складністю ландшафтної структури території, де функціонують гірські, передгірні і рівнинні природні комплекси. Наслідком цього є від-мінність в умовах формування якості річкових вод.

Умови живлення річки є важливим чинником генезису хімічного складу води. У маловодний період року річковий стік формується переважно за рахунок підземного живлення. Гідрогео-логічні особливості території дослідження розглядаються як передумови стокоформування у меженний період. У роботі дається гідрогеологічна характе-ристика басейну р. Прут, де звертається увага на літо-геолого-тектонічну будову території, умови залягання і поширення водоносних горизонтів, що беруть участь у живленні річки. Глибина ерозійного врізу русла рі-чки та кількість, величина водовіддачі водоносних горизон-тів визначають об’єм води, що формує стік у руслі. Робота вміщує дета-льний огляд умов підземного живлення річок і просторового ходу ізолі-ній модулів підземного стоку. На основі цього виділено два райони з однорідними умовами формування мінімального стоку – платформенний і гірсько-складчастий.

Основна роль у формуванні мінімального стоку річок платформенного району належить водоносним горизонтам у четвертинних, сарматських і баденських відкладах. Величина середньобагаторічного модуля підземного живлення малих річок району змінюється у східному напрямку від 1,5 до 0,5 л/сек·км2 і має нерівномірний розподіл. Структурно-фаціальні відмінності неогенових відкладів прийняті за визначальний критерій для виділення підрайонів, оскільки від них залежить об’єм підземного стоку у річки. Відсутність у зоні інтенсивного водообміну сарматських відкладів позначається у збільшенні (переважно вдвічі) підземного стоку, а також в особливостях його речовинного складу.

У гірсько-складчастому районі басейну Пруту завдяки особливостям будови поверхні – розміщенням у межах Зовнішньої та Внутрішньої антиклінальних геолого-тектонічних зон, складаються відмінні умови живлення річок, що надають їм ознак окремих однорідних площ – підрайонів. Основний підземний стік у річки території Зовнішньої антиклінальної зони формується тріщинно-пластовими водами у відкладах ямненської свити палеоцену та стрийської свити верхньої крейди. Річки відмінні між собою за величиною підземного живлення у декілька разів (1,5-3 л/сек·км2) залежно від глибини ерозійного врізу русла. У межах Внутрішньої антиклінальної зони підземне живлення малих річок здійснюється, головним чином, за рахунок водоносного горизонту у крейдових відкладах. Нерівномірний розподіл модулів підземного стоку (2-5 л/сек·км2) зумовлений впливом схилів різної експозиції і крутизни на інфільтрацію вод атмосферних опадів.

У роботі наводяться результати оцінки середньобагаторічних величин мінімального стоку та мінливості стокових характеристик у часі. За розрахункові прийняті мінімальні 30-добові й середньодобові витрати води у зимовий і літньо-осінній періоди. В якості опорних вибрані створи Яремче і Чернівці, де найдовші ряди спостережень, і в яких середньобагаторічна величина мінімального стоку визначена з урахуванням циклічних коливань водності за допомогою хронологічних графіків та різницевих інтегральних кривих стоку. Останній метод допоміг обґрунтувати визначення середньобагаторічного мінімального стоку в опорних створах та встановити репрезентативний період (1954-1999 рр. – для зимового періоду й 1955-2000 рр. – літньо-осіннього).

У гірсько-передгірній частині басейну Пруту розподіл модулів середньобагаторічного мінімального 30-добового стоку підпорядкований закону вертикальної зональності і, відповідно, змінюється у літньо-осінній період від 10,3-16,8 у верхів’ях до 3,6-4,5 л/с з 1 км2 у передгір’ях, у зимовий період – від 6,6-11,6 до 2,9-4,0 л/с з 1 км2.

Мінімальний стік різної забезпеченості отриманий шляхом побудови емпіричних кривих забезпеченості в кожному створі та підбором до них теоретичних кривих з метою екстраполяції стокових даних за межі емпіричного ряду. Оскільки для потреб встановлення обсягів гранично допустимого скидання забруднюючих речовин у річку потрібні значення мінімального стоку 95% забезпеченості, досліджені зв’язки його модулів М95% з площею водозбору (F), його середньою висотою (Hср.), абсолютними відмітками врізу русел річок (Hвр). Нами обґрунтовано можливість застосування залежності М95% від Hср для визначення мінімального 30-добового стоку зимового та літньо-осіннього періодів 95% забезпеченості для річок гірсько-передгірної частини басейну Пруту.

У маловодний період хімічний склад річкових вод досить повно ві-дображає склад підземних вод, які живлять річку. Гідрохімічна інфор-мація по підземних водах відкладів четвертинного і дочетвертинного віку є основою для визначення просторових відмінностей хімічного складу вод малих річок. Чітким кількісним виразом міри цих неоднорі-дностей є показники сольового складу вод. За статистично оціненими середньомеженними концентраціями головних іонів, їх співвідношеннями і величиною мінералізації річкових вод виділено основні типи вод. Це дало можливість виявити райони з відмінним хімічним складом річкових вод. Базуючись на цих показниках і застосуванні генетичного принципу та басейнового підходу, проведено гідрохімічне районування території для умов ме-женного періоду (рис.1).

Рис. 1. Гідрохімічне районування басейну верхнього Пруту

Через призму зонально-провінційних особливостей клімату на спектрі хімічного складу вод малих річок басейну Пруту відображаються літо-морфо-тектонічні відмінності. Розміщення гідрохімічних районів добре узгоджується з геолого-геоморфологічними елементами. Виходи на денну поверхню глибинних мінеральних вод у горах є основною причиною існування великого різноманіття хімічного складу річкових вод. Особливими гідрохімічними відмінностями характеризуються також річки передгірно-рівнинної частини басейну Пруту. Від ступеня участі у живленні річки чотирьох основних водоносних горизонтів – алювіального, сарматського, баденського і міоценового – залежить приналежність річкових вод до того чи іншого хімічного класу, групи і типу. У передгір’ї й Скибовій зоні у формуванні хімічного складу річкових вод визначальний вплив належить підземним водам у міоценових відкладах, що проявляється у різкому підвищенні (у 4-5 разів) концентрацій хлоридів і сумарного вмісту натрію і калію.

На особливу увагу заслуговує виявлена нами невідповідність хімічного складу води річок Віца, Мольниця і Герца – східної частини передгірної частини басейну верхнього Пруту типовим гідрохімічним характеристикам річок Передкарпаття. Це стосується співвідношення між головними іонами – відбулася заміна домінуючого катіону – Na++K+ на Mg2+ або Ca2+ та зменшився вдвічі відносний вміст Cl- і в стільки ж разів зріс вміст SO42-. У цілому, хімічний склад води зазначених річок подібний до сольового складу річок Прут-Дністровської рівнини. Аналізуючи умови формування хімічного складу вод річок Віци, Мольниці й Герци, нами відмічена значна генетична спорідненість за літологією осадових порід, тектонічною будовою їх території водозбору та платформенної частини басейну Пруту. Це слугувало підставою для приєднання зазначених річок до гідрохімічного району в межах Прут-Дністровської рівнини. Важливим також є те, що Герцаївський терасовий лісостеповий природний район за даними П.І. Чернеги (1998 р.) відноситься до рівнинного класу ландшафтів.

Суттєве значення для вивчення стану і динаміки якості природних вод має аналіз впливу антропогенних чинників площинного (рільництва, меліорації, сельбищного навантаження) і точкового (водовідведення) характеру. Для оцінки антропогенних змін у басейнах малих річок визначався коефіцієнт співвідношення між земельними угіддями з екостабілізуючими та екодестабілізуючими властивостями. Спряжений аналіз цих коефіцієнтів з інтегральними екологічними індексами якості (ЕІЯ) води у гирлах річок показав, що найгірша якість (ЕІЯ рівний 3,2-4,7) річкових вод у передгірно-рівнинній частині території дослідження – саме там, де антропогенна трансформованість річкових басейнів найбільша.

У роботі проаналізовано зміни якості води під дією скидів забруднених вод на основі ЕІЯ води за трьома блоками показників: блоком сольового складу, блоком трофо-сапробіологічних показників, блоком показників вмісту та біологічної дії специфічних речовин. Разом з тим, для виявлення тенденцій змін якості води був здійснений порівняльний аналіз видового складу та чисельності іхтіофауни як водних організмів високочутливих до тривалого впливу незначних концентрацій шкідливих речовин станом на 1950-1960 рр. та 1990-2000 рр. З’ясовано, що в сучасний період зменшилася чисельність більшості видів, відбулося спрощення видової різноманітності. На межі повного зникнення знаходяться вузько адаптовані, вимогливі до якості води – лососеві. Зменшилися та змістилися ближче до верхів’я ареали поширення риб з високим рівнем оксифільності. Значного поширення набули короткоциклічні види риб, екологічна пластичність яких сприяє швидкій регенерації. Зазначені зміни вказують на суттєве погіршення якості води за цей період. Зокрема, вміст нітратного азоту, хлоридів, сульфатів підвищився відповідно на 100%, 50% і 40%.

3. Оцінка впливу водного стоку на якість води річок басейну верхнього Пруту з метою запобігання їх забрудненню. Оцінка впливу водного стоку на якість води річок за інтегра-льними гідролого-гідродинамічними показниками виконана у трьох аспектах, а саме: 1) вплив на розподіл розчинених речовин у річці; 2) вплив на інтенсивність процесів самоочищення; 2) вплив на характеристики їх мінливості.

Вплив водного стоку на розподіл розчинених речовин у річці вивчався в умовах опосередкованого антропогенного впливу та в умовах надходження у водотік забруднюючих речовин зі стічними водами.

На підставі комплексних гідрометрично-гідрохімічних досліджень малих річок басейну верхнього Пруту, проведених нами у серпні 2002 року, під час стійкої літньої межені, було виявлено, що уповільнення швидкості течії призводить до інтенсифікації процесів накопичення, що сприяє збагаченню води органічними і біогенними речовинами. Для цього періоду встановлено емпіричні регіональні формули, що дають змогу визначити фонову концентрацію мінеральних сполук азоту, розчиненого кисню у воді річок у залежності від швидкості течії:

для річок гірської частини

басейну | для річок передгірно-рівнинної частини басейну

На основі визначених закономірностей проведено оцінку гідродинамічних умов формування якості вод малих річок басейну Пруту за ступенем їх сприятливості. У сприятливих та помірних гідродинамічних умовах формування якості вод у літню межень перебувають переважно всі річки гірської території.

Дослідження впливу локальних умов турбулентного обміну на розподіл розчинених речовин у районах скидання стічних вод очисних споруд населених пунктів проведено на трьох ділянках р. Прут у містах Яремче, Коломия і Чернівці. Встановлено, що швидкісне поле і характер турбулентного обміну істотно впливають на розподіл концентрацій розчинених речовин, особливо у районі початкового розбавлення. Відмінності у характері турбулентного обміну позначаються на просторових особливостях швидкості трансформації розчинених речовин. За результатами порівняння величин вертикальної турбулентної дифузії (Dx) трьох дослідних ділянок встановлено, що Dx(м. Коломия)=0,73Dx(м. Яремче) та Dx(м. Чернівці)=0,57Dx(м. Яремче), відповідно швидкість трансформації (К) розчинених речовин у воді цих ділянок річки співвідноситься – К(м. Коломия)=0,59-0,78К(м. Яремче) та К(м. Чернівці)=0,35-0,52К(м. Яремче).

На основі натурних досліджень й методу розрахунку розбавлення здійснено моделювання процесу поширення та трансформації розчинених речовин у р. Прут на ключових ділянках. Розрахункові дані використано для прогнозування розмірів ділянок забруднення річки нижче скиду стічних вод і концентрації розчинених речовин у максимально забрудненому струмені водотоку при заданих початкових гідролого-гідрохімічних умовах. Результати моделювання нами використано для встановлення обсягів гранично допустимого скидання розчинених речовин у р. Прут за мінеральними сполуками азоту, легкоокиснюваними органічними речовинами, нафтопродуктами та СПАР.

Важливим компонентом хімічного складу природних вод, що істотно впливає на процеси формування якості води і стан водних екосистем, є розчинений кисень (РК). Матеріали режимних спостережень свідчать про те, що в періоди мінімального стоку – зимовий та літньо-осінній, кисневий режим річок басейну Пруту є найбільш напруженим.

Провідними у формуванні кисневого балансу річкових вод є гідрологічні чинники. З-поміж чинників цієї групи основним є турбулентний обмін, що визначає атмосферну аерацію водних мас. Порушення екологічно оптимального кисневого режиму, як пра-вило, формується у районах впливу скидання стічних вод у річку, де відбувається інтенсивне витрачання кисню на розкладання органічних речовин сті-чних вод. На основі емпіричних даних досліджень і методів розрахунку кисневого балансу визначено характер зміни концентрації розчиненого кисню по довжині потоку нижче випуску стічних вод у річку для трьох ключових ділянок у маловодний періоду року. Для них розраховано: 1) максимальне зменшення концентрації РК у річці під впливом скиду стічних вод при типових параметрах забруднення; 2) ступінь ризику порушення екологічно безпечного кисневого режиму у річці при різних гідролого-гідрохімічних умовах та обсязі надходження органічних речовин. У результаті такого оцінювання зроблено висновок про те, що для р. Прут у районах впливу скиду стічних вод при витратах нижчих, ніж мінімальні 30-добові 50% забезпеченості, ступінь ризику порушення екологічно безпечного кисневого режиму за ознаками повторюваності та кратності перевищення екологічного нормативу дуже високий – вміст у воді РК на рівні 6 мг/дм3 і нижче характеризується 50% забезпеченістю. У період літньо-осінньої межені можливе більше зниження концентрації РК, порівняно із зимовою, при однакових витратах води у річці та обсязі надходження органічних речовин, що зумовлено впливом температурного режиму на швидкість поглинання кисню та інтенсивність процесу атмосферної аерації вод.

Вплив водного стоку на інтенсивність процесів самоочищення річкових вод безпосередньо відбувається шляхом регулювання швидкості протікання фізико-хімічних і біогенних процесів, що призводять до трансформації забруднюючих речовин, перенесення і перемішування забруднень. Динаміка руслового потоку є найважливішим чинником у формуванні самоочисного потенціалу річкових вод, визначаючи гідродинамічний процес розбавлення. У цілому зростання рухомості водних мас зумовлює активізацію процесів трансформації розчинених речовин. Ця залежність нелінійна – найбільше посилення впливу динаміки водної маси на інтенсивність перетворення речовин проходить у діапазоні малих швидкостей – від 0 до 0,2 м/с. У дисертації зазначене аргументується порівняльною оцінкою динамічної складової самоочисного потенціалу гірської і передгірної ділянок р. Прут. Розрахунки, що базувались на емпіричних даних досліджень, про-ведених впродовж літньої межені 2002 р., показали, що динамічна складова коефіцієнту трансформації забруднюючих речовин на гірській ділянці Пруту в 1,5-1,7 разів вища порівняно з передгірною.

Вплив водного режиму на мінливість показників якості води. Класична гідрохімія надає особливої уваги дослідженню залежностей хімічних властивостей річкової води та концентрацій розчинених речовин від гідролого-гідродинамічних характеристик як одному із вихідних пунктів щодо висвітлення теоретичних питань про умови формування гідрохімічного режиму річки. Це допомагає при розв’язанні прикладних завдань, зокрема, розробленні системи заходів запобігання забрудненню вод. Вивченням цієї проблеми найбільш детально займалися: колектив російських дослідників – В.В. Фадєєв, М.М. Тарасов; українських – Л.Н. Горєв, В.І. Пелешенко, В.К. Хільчевський, Д.В. Закревський та інші.

Наші дослідження стосувалися впливу водного режиму на вміст головних іонів у воді та її мінералізації та виконані на основі даних Гідрометслужби за 1989-2001 рр.

Дослідження впливу водного режиму на зміну хімічного складу води здійснено за кореляційно-регресійними залежностями C=f(Q). Для встановлення тісноти зв’язку розраховано коефіцієнти кореляції r (табл.1).

Таблиця 1

Результати визначення кореляційних залежностей концентрацій

головних іонів і мінералізації від витрат води

Компонент | р. Прут

м.Яремче

52 км від витоку | р. Прут

м.Коломия

98 км від витоку | р. Прут

м.Чернівці

192 км від витоку | р. Чорний Черемош

смт.Верховина | р.Черемош

смт.Кути

?і | -0.78 | -0.74 | -0.72 | -0.76 | -0.73

НСО3- | -0.59 | -0.53 | -0.38 | -0.52 | -0.45

SO42- | -0.42 | -0.38 | -0.35 | -0.38 | -0.30

Cl- | -0.73 | -0.61 | -0.70 | -0.42 | -0.40

Са2+ | -0.63 | -0.51 | -0.50 | -0.60 | -0.56

Mg2+ | -0.60 | -0.34 | -0.31 | -0.23 | -0.21

Na++K+ | -0.70 | -0.55 | -0.40 | -0.60 | -0.43

У результаті такого аналізу встановлено, що гідрохімічний режим досліджуваних річок пов’язаний із водним: зі збільшенням водності річки мінералізація води і концентрація головних іонів зменшуються. Для ?і, Cl- Са2+ і Na++K+ коефіцієнт кореляції їх концентрацій і витрат води був істотним. Зміна вмісту головних іонів і мінералізації, детермінована водністю, описується переважно степеневою або дробово-лінійною функціями. Відмічається послаблення тісноти зв’язку між зазначеними параметрами вниз за течією річок Пруту і Черемошу, що зумовлено зростанням у цьому напрямку інтенсивності винесення хімічних компонентів поверхнево-схиловим стоком.

Впродовж 1989-2001 рр. намітилися типово природні риси гідрохі-мічного режиму річок басейну Пруту, зокрема стали більш тісними коре-ляційні залежності концентрацій SO42- і Na++K+ від витрат води. Для всіх головних іонів, за винятком HCO3-, характерне деяке зниження їх вмісту у воді (від 1,2 раза і вище).

Узагальнююча оцінка впливу водного режиму на закономірності зміни показників якості води у маловодний період року виконана за блоковими ЕІЯ (рис.2).

Інтегральний ЕІЯ неадекватно відображає ситу-ацію з-за незначної забрудненості вод річок басейну Пруту компонен-тами сольового складу. Значення сольового ЕІЯ змінюється від 0,5 до 2 (категорія якості – чисті), однак якщо розглядати індекс трофо-сапроб-ності, то постає зовсім інша картина – води належать до 4-5 категорій (забруднені). У всіх створах дослідження виявлено чітку тенденцію по-гіршення якості води зі зменшенням витрати води у річці.

Оцінюючи вплив гідравлічних елементів потоку на зміни вмісту розчинених речовин у р. Прут, встановлено, що у маловодний період на гірській ділянці річки різке погіршення якості води фіксується при витратах 3-3,5 м3/с, передгірній – 5-6 м3/с і рівнинній – 18-23 м3/с.

Виходячи із виявлених закономірностей залежності якості води від умов живлення, водного режиму і водообміну, можна запропонувати ряд оптимізаційних заходів, щодо запобігання забрудненню вод. Рекомендується удосконалити методику оцінки водних ресурсів, що можуть бути вилучені із водотоку при дотриманні екологічної рівноваги річкового природного комплексу. Для цього необхідним є введення у водогосподарську практику методів розрахунку екологічно достатніх витрат (ЕДВ) води. Останні визначаються на основі оцінки допустимих змін фізико-хімічних, гідрологічних, біотичних та інших показників стану водних екосистем при різних варіантах просторово-часової дії природних та антропогенних чинників. Режим ЕДВ у багаторічному і внутрішньорічному розрізі повинен задовольняти вимогам збереження гомеостазису річкової системи.

Рекомендується розробляти ефективні програми просторово-часової координації обсягів скидів у залежності від гідрологічних, гідрохімічних і гідробіологічних умов формування екостану річки.

Створи спостереження:

1 – Прут -– м. Яремче; 2 – Прут – м. Коломия; 3 – Прут – м. Чернівці;

4 – Чорний Черемош – смт. Верховина; 5 – Черемош – смт. Кути

Рис. 2. Оцінка якості води річок басейну верхнього Пруту в маловодний період року

Висновки

1. Узгодженість вимог раціонального використання водних ресурсів з охороною водних об’єктів від забруднення визначає необхідність комплексного вивчення процесів формування якості води. У складній сукупності цих процесів важливу роль відіграють гідрологічні чинники. Вплив водного стоку на якість води найвиразніше проявляється у характері розподілу розчинених речовин у річці, ефективності процесів самоочищення і характеристиках мінливості гідрохімічних показників. Гідрохімічний режим річки є результатом прояву фазових змін генетичних складових річкового стоку протягом року.

2. Основними гідрологічними чинниками формування якості води річок є: водний режим, умови живлення і водообмін. Вплив цих чинників на якість води оцінюється за двома групами інтегра-льних гідролого-гідродинамічних показників. Перша – показники, що визначають мінливість загального навантаження річкового потоку розчиненими речовинами. До них на-лежать витрата води і швидкість течії. Друга група – показники, що визначають просторовий розподіл розчинених речовин у водотоці. Вони включають коефіцієнти попере-чної та поздовжньої турбулентної дифузії.

3. У маловодний період року основним чинником, що впливає на винесення розчинених речовин у річки басейну Пруту і, відповідно, формування якості їх вод, є підземний стік. Активне живлення річки підземними водами зумовлює підвищення мінералізації річкових вод, уповільнення швидкості течії призводить до інтенсифікації процесів акумуляції, що сприяє збагаченню води органічними і біогенними речовинами. Просторові закономірності зміни хімічного складу річкових вод визначаються специфікою надходження розчинених речовин із підземним стоком. На території басейну Пруту виділено та обґрунтовано чотири гідрохімічних райони річкових вод в маловодний період.

4. Просторовий розподіл неконсервативних речовин у річкових водах басейну Пруту, певним чином, зумовлений гідродинамічними характеристиками потоку. Зростання швидкості течії спричиняє активізацію процесів трансформації розчинених речовин. Сукупність гідролого-гідродинамічних чинників проявляється у процесах перенесення і перемішування розчинених речовин у локальних районах скидання стічних вод. Розміри ареалів забруднення і характеристики поля концентрацій визначаються, насамперед, швидкістю турбулентної дифузії та початковим розбавленням стічних вод.

5. Вплив водного режиму на мінливість показників якості води проявляється у зменшенні концентрацій головних іонів і мінералізації зі збільшенням водності річки. Антропогенний вплив змінює типові природні риси гідрохімічного режиму, обумовлені водністю. Водний і гідробіологічний режими визначають характер сезонних коливань концентрацій біогенних та органічних речовин. Досліджуваним річкам території у цілому притаманна тенденція погіршення якості води зі зменшенням водності.

6. Проведені дослідження створюють основу для розробки розрахункових методів, що дозволяють визначити ступінь можливої зміни якості води річки при надходженні забруднених вод в залежності від їх хімічного складу, концентрації і кількості при відповідних гідрологічних, гідродинамічних і гідрохімічних умовах водного об’єкту. На основі цих методів можна найбільш обґрунтовано оцінити величину ЕДВ, яку необхідно підтримувати у річці для забезпечення належної якості води.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Соловей Т.В. До питання оцінки екологічної витрати гірської річки // Науковий вісник Чернівецького університету: Зб. наук. праць. Вип.138: Географія. –Чернівці: ЧНУ, 2002. – С.18-25.

2. Соловей Т.В. Гідрохімічне районування річкових вод Прутського басейну // Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія: Наук. зб. – К.: Ніка-Центр, 2003. – Том 5. – С.275-281.

3. Руденко В.П., Вацеба В.Я., Соловей Т.В. Природно-ресурсний потенціал природних регіонів України. – Чернівці: Рута, 2001. – 268 с. Особистий внесок: визначений та оцінений природно-ресурсний потен-ціал природних районів Чернівецької області.

4. Соловей Т.В. Структуризація водного потенціалу річки з позицій екологічно нормованого водокористування // Науковий вісник Чернівецького університету: Зб. наук. праць. Вип.120: Географія. –Чернівці: ЧНУ, 2001. – С.34-42.

5. Соловей Т.В. Іхтіофауна Пруту як інтегральний показник антропогенної сукцесії водної екосистеми // Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія: Наук. зб. – К.: Ніка-Центр, 2002. – Том 3. – С.192-196.

6. Руденко В.П., Соловей Т.В., Мандрик Л.В.,