Лузовіцька Юлія Анатоліївна Стік розчинених речовин р. Десна та розроблення методів його моделювання : Лузовицька Юлия Анатольевна Сток растворенных веществ р. Десна и разработка методов его моделирования Luzovits'ka Yuliya Anatol'yevna Stok rastvorennykh veshchestv r. Desna i razrabotka metodov yego modelirovaniya



  • Название:
  • Лузовіцька Юлія Анатоліївна Стік розчинених речовин р. Десна та розроблення методів його моделювання
  • Альтернативное название:
  • Лузовицька Юлия Анатольевна Сток растворенных веществ р. Десна и разработка методов его моделирования Luzovits'ka Yuliya Anatol'yevna Stok rastvorennykh veshchestv r. Desna i razrabotka metodov yego modelirovaniya
  • Кол-во страниц:
  • 176
  • ВУЗ:
  • у Київському національ­ному університеті імені Тараса Шевченка
  • Год защиты:
  • 2017
  • Краткое описание:
  • Лузовіцька Юлія Анатоліївна, старший науковий співробітник відділу гідрохімії Українського гідрометео­рологічного інституту ДСНС України та НАН України: «Стік розчинених речовин р. Десна та розроблення методів його моделювання» (11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія). Спецрада Д 26.001.22 у Київському національ­ному університеті імені Тараса Шевченка




    Український гідрометеорологічний інститут
    Державна служба України з надзвичайних ситуацій
    Національна академія наук України
    Київський національний університет імені Тараса Шевченка
    Міністерство освіти і науки України
    Кваліфікаційна наукова
    праця на правах рукопису
    ЛУЗОВІЦЬКА ЮЛІЯ АНАТОЛІЇВНА
    УДК 556.551.3/.4+556.561.3./4+556.531+627.152+517.958:52/59
    ДИСЕРТАЦІЯ
    СТІК РОЗЧИНЕНИХ РЕЧОВИН Р. ДЕСНА ТА РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДІВ
    ЙОГО МОДЕЛЮВАННЯ
    11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія
    Природничі науки
    Подається на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук
    Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
    результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
    ___________________ (Ю. А. Лузовіцька)
    Науковий керівник: Осадча Наталія Миколаївна,
    доктор географічних наук,
    старший науковий співробітник
    Київ  2017



    ЗМІСТ
    ВСТУП.................................................................................................................. 18
    РОЗДІЛ 1 СТАН ВИВЧЕНОСТІ ТА ФІЗИКО-ГЕОГРАФІЧНА
    ХАРАКТЕРИСТИКА БАСЕЙНУ Р. ДЕСНА ................................................... 25
    1.1. Стан вивченості басейну р. Десна................................................... 25
    1.2. Географічне розташування, геолого-геоморфологічні
    особливості та рельєф...................................................................... 28
    1.3. Ґрунтові й підземні води.................................................................. 35
    1.4. Земельні ресурси та ґрунти.............................................................. 38
    1.5. Кліматичні умови............................................................................. 45
    1.6. Гідрологічний режим........................................................................ 47
    РОЗДІЛ 2 МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ....................................... 53
    2.1. Матеріали досліджень...................................................................... 53
    2.2. Методи досліджень........................................................................ 54
    2.3. Загальна характеристика та методика проведення
    експериментальних робіт................................................................. 59
    РОЗДІЛ 3 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХІМІЧНОГО СКЛАДУ
    ВОДИ Р. ДЕСНА.................................................................................................. 61
    3.1. Сольовий склад води р. Десна та режим головних іонів.............. 61
    3.2. Концентрації і сезонний розподіл біогенних елементів............... 65
    3.3. Концентрації мікроелементів.......................................................... 69
    3.4. Концентрації розчинених газів та органічних сполук.................. 71
    РОЗДІЛ 4 СТІК РОЗЧИНЕНИХ РЕЧОВИН У БАСЕЙНІ Р. ДЕСНА............. 75
    4.1. Іонний стік........................................................................................ 76
    4.1.1. Величина та багаторічна динаміка іонного стоку............ 76
    4.1.2. Внутрішньорічний розподіл стоку головних іонів.................. 80
    4.2. Стік біогенних елементів................................................................. 82
    4.2.1. Розподіл неорганічних форм нітрогену............................. 92
    16
    РОЗДІЛ 5 АНАЛІЗ ВПЛИВУ ОСНОВНИХ АНТРОПОГЕННИХ
    ЧИННИКІВ НА ХІМІЧНИЙ СКЛАД ВОДИ У БАСЕЙНІ Р. ДЕСНА...........
    97
    5.1. Основні антропогенні чинники впливу на хімічний склад води
    р. Десна.............................................................................................. 97
    5.2. Визначення основних впливів на стан води р. Десна та
    тенденції їхньої зміни...................................................................... 100
    5.3. Оцінка самоочисної здатності води р. Десни ............................ 106
    РОЗДІЛ 6 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ
    НАДХОДЖЕННЯ СПОЛУК АЗОТУ ТА ФОСФОРУ З ВОДОЗБІРНОЇ
    ТЕРИТОРІЇ............................................................................................................ 112
    6.1. Основні форми знаходження нітрогену й фосфору в
    ґрунтовому покриві...................................................................... 113
    6.2. Дослідження кількісних характеристик та особливостей
    переносу сполук нітрогену й фосфору в системі «ґрунт-вода» з
    неудобреної ділянки................................................................... 116
    6.2.1. Формування водного стоку............................................. 116
    6.2.2. Надходження сполук нітрогену..................................... 118
    6.2.3. Надходження сполук фосфору........................................ 123
    6.3. Надходження біогенних елементів за умов застосування
    мінеральних добрив....................................................................... 126
    6.3.1. Формування водного стоку на удобреній ділянці.......... 126
    6.3.2. Надходження сполук нітрогену....................................... 127
    6.3.3. Надходження сполук фосфору........................................ 132
    РОЗДІЛ 7 ПРОГНОЗУВАННЯ ЕМІСІЇ СПОЛУК НІТРОГЕНУ ТА
    ФОСФОРУ З ТЕРИТОРІЇ ВОДОЗБОРУ Р. ДЕСНА....................................... 138
    7.1. Оцінка емісії сполук нітрогену та фосфору з території
    водозбору р. Десна на підставі емпіричних даних........................ 139
    7.2. Балансовий підхід для моделювання емісії сполук нітрогену та
    фосфору з території водозбору....................................................... 141
    17
    7.2.1. Моделювання запасу нітрогену та фосфору в
    ґрунтовому покриві............................................................. 143
    7.2.2. Моделювання надходження сполук нітрогену та
    фосфору з поверхневим стоком.......................................... 153
    7.2.3. Оцінка емісії сполук нітрогену й фосфору з території
    водозбору.............................................................................. 155
    7.3. Математичне моделювання емісії сполук нітрогену та фосфору 156
    ВИСНОВКИ......................................................................................................... 163
    СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ........................................................... 165
    18
    ВСТУП
    Актуальність теми. Незважаючи на те, що водні ресурси належать до
    відновлювальних, господарська діяльність людини призводить до їх
    виснаження та забруднення. У 80-х роках минулого століття антропогенний
    вплив досягнув рівня природних чинників формування хімічного складу водних
    об’єктів, а подекуди й перевищував його. Падіння економічного виробництва та
    зменшення водокористування, що спостерігається в Україні з початку 1990 рр.,
    зумовило зменшення забруднення поверхневих вод, однак стан їхніх екосистем
    до цього часу не відновився.
    Практика управління водними ресурсами в Україні тривалий час була
    направлена переважно на регулювання забруднення, що надходить від
    точкових джерел. Роль розподілених джерел у формуванні хімічного стоку
    річок практично не оцінювалась. Водночас численні світові публікації
    вказують, що вплив дифузних джерел за останні 20 років істотно виріс і часом
    може перевищувати вплив скидів стічних вод.
    На сьогоднішній день глобального значення набуло забруднення вод
    біогенними елементами (БЕ), надлишок яких призводить до появи такого
    небезпечного явища як евтрофікація. Під вказаним терміном розуміють
    неконтрольоване зростання водної флори, що призводить до порушення
    балансу організмів у водному об’єкті та зниження якості води. БЕ надходять у
    водні об’єкти із стічними водами комунальних, промислових та
    сільськогосподарських підприємств, з мінеральними добривами, що
    змиваються водним стоком з полів, а також через зарегулювання річок.
    Розроблення методів кількісної оцінки стоку сполук БЕ, а також
    визначення домінуючих чинників їхнього надходження є важливим завданням
    управління водних об’єктів та запобігання евтрофікації.
    Вирішення цього завдання передбачається впровадженням у практику
    управління водними ресурсами України низки законодавчих актів ЄС, серед
    яких найбільше значення мають Водна Рамкова Директива 2000/60/ЄС,
    19
    директива про охорону вод від забруднення, спричиненого нітратами від
    сільськогосподарських джерел, директива стосовно очистки стічних вод міст.
    Річка Десна – одна з найбільших приток Дніпра, що формує 21% його
    водного стоку. Води річки використовуються як джерело питного
    водопостачання низки великих міст, серед яких і столиця України м. Київ. У
    басейні річки проживає понад 960 тис. чоловік, знаходяться такі великі обласні
    центри як м. Чернігів та м. Суми. Економічна діяльність рівномірно
    розподілена між переробною промисловістю та сільським господарством.
    Стратегічна галузь регіону – це молочне тваринництво.
    Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові
    результати, які наведено в дисертаційній роботі, отримані під час проведення
    досліджень у відділі гідрохімії УкрГМІ за безпосередньої участі автора як
    виконавця державних бюджетних науково-дослідних робіт: № 15/09 “Науковий
    супровід існуючої системи моніторингу поверхневих вод України та
    розроблення принципів та методології її модернізації відповідно до
    міжнародних стандартів” (ДР № 0109U005588, 2009–2011 рр.); № 9/12
    “Розроблення ГІС-орієнтованої системи для прогнозування винесення
    компонентів хімічного складу поверхневих вод з водозборів річкових басейнів”
    (ДР № 0112 U003627, 2012–2014 рр. ); № 8/15 “Розробка методології та методів
    оцінки хімічного стану поверхневих вод України відповідно до європейських
    стандартів” (ДР № 0115 U004100, 2015–2017 рр.).
    Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи ―
    дослідження стоку розчинених речовин з водами р. Десна, визначення основних
    екологічних впливів та розроблення методів моделювання стоку окремих
    забруднювальних показників.
    Для досягнення поставленої мети виконано такі завдання:
    - дослідити основні тенденції зміни концентрацій компонентів хімічного
    складу води р. Десна за період 1991–2010 рр.;
    - провести кількісну оцінку хімічного стоку р. Десна та встановити
    основні чинники, що впливають на стік окремих компонентів;
    20
    - дослідити багаторічне коливання водного стоку та винесення окремих
    компонентів хімічного складу, а також особливості його сезонного розподілу;
    - дослідити вплив основних антропогенних чинників на хімічний склад
    води р. Десна та ідентифікувати основні еколого-гідрохімічні проблеми;
    - дати оцінку самоочисної здатності водної екосистеми річки;
    - дослідити основні закономірності вимивання біогенних елементів з
    водозбірної площі;
    - установити кількісні параметри перерозподілу нітрогену й фосфору в
    системі «ґрунт-вода»;
    - визначити кількісні параметри впливу мінеральних добрив на стік
    біогенних елементів;
    - розробити методи прогнозування емісії біогенних елементів з водозбору
    р. Десна.
    Об’єкт дослідження – закономірності формування стоку розчинених
    речовин у басейні річки Десна в межах України.
    Предмет дослідження – кількісна оцінка винесення розчинених речовин
    з території водозбору, аналіз його часової мінливості, чинників впливу та
    розроблення методів прогнозування.
    Методи дослідження та вихідна інформація. Застосована в цій роботі
    методологія розрахунку стоку розчинених речовин р. Десна розвиває методичні
    надбання, викладені в попередніх роботах виконаних для басейну р. Десна
    (О. П. Нахшина, 1968; Д. В. Закревський, В. І. Пелешенко та В. К. Хільчевський,
    1988; І. В. Мирон, 2003; Л. М. Притула, 2010), дослідження вмісту біогенних
    елементів у р. Десна (С. І. Сніжко, 1993), дослідження щодо оцінки
    навантаження біогенними елементами на річкові басейни (М. І. Хрісанов,
    Г. К. Осіпов, 1993; В. К. Хільчевський, 1996; А. В. Яцик, 2004), моделювання
    стоку розчинених речовин (М. І. Хрісанов, Г. А. Душенкова, 1986;
    С. О. Міхайлов, 2000; С. А. Кондратьєв, 2005; А. В. Лєонов, 2010; H. Behrendt,
    D. Opitz 1999; M. Venohr, U. Hirt, J. Hofmann, 2011).
    21
    Вихідними матеріалами для розрахунків і побудови графічних
    матеріалів були результати щоденних спостережень ПАТ «Київводоканал» у
    гирловій ділянці р. Десна (3 км), а також дані мережі моніторингу поверхневих
    вод ДСНС України й власні матеріали, отримані під час проведення
    експедиційних та експериментальних досліджень.
    Хімічний аналіз проб води та проб ґрунту виконувався за
    сертифікованими методами в акредитованій лабораторії УкрГМІ. Оброблення
    первинної інформації, розрахунки, статистичний аналіз та побудова графіків
    проводилися за допомогою інформаційно-аналітичної системи (ІАС) «Aqua
    Guard», розробленої в УкрГМІ, та прикладної системи програми «Microsoft
    Excel». Для дослідження тенденції зміни концентрацій хімічних речовин за
    багаторічний період використано програмний продукт Фінського
    метеорологічного інституту, розроблений для оцінювання трендів часових
    рядів на підставі непараметричного критерію Манна-Кендалла.
    Побудову тематичних шарів окремих показників у басейні р. Десна
    виконано з використанням програмного продукту ArcGIS.
    Наукова новизна отриманих результатів.
    Уперше:
    - виявлено зміщення винесення сполук неорганічного нітрогену в бік
    домінування нітратної форми;
    - визначено та обґрунтовано основні еколого-гідрохімічні проблеми в
    басейні р. Десна;
    - виконано оцінку самоочисної здатності водної екосистеми річки
    щодо неорганічних сполук нітрогену й фосфору та проведено її просторовий
    аналіз;
    - виявлено вплив дифузних джерел забруднення в басейні р. Десна та
    проведено кількісну оцінку їхнього впливу на формування стоку біогенних
    елементів у басейні р. Убідь;
    - розроблено емпіричний, математичний методи для моделювання
    винесення біогенних елементів з водозбірної території р. Десна;
    22
    - виконано прогноз емісії біогенних елементів балансовим методом
    у суббасейні р. Убідь.
    Удосконалено:
    - методики фазово-циклічної структури хімічного стоку та характеру
    внутрішньорічного розподілу головних іонів і біогенних елементів у басейні
    р. Десна;
    - принципи оцінювання впливу природних та антропогенних
    чинників на формування винесення біогенних елементів у басейні р. Десна;
    - підходи застосування балансового методу для моделювання
    винесення біогенних елементів;
    - методичні підходи визначення закономірностей перерозподілу
    біогенних елементів у системі «ґрунт-вода» на прикладі чорнозему;
    - балансовий метод моделювання запасу нітрогену та фосфору в
    ґрунтовому покриві.
    Дістали подальший розвиток:
    - знання щодо кількісного вмісту та тенденцій змін винесення хімічних
    речовин у р. Десна за сучасний період (1991–2010 рр.);
    - застосування екосистемного підходу для оцінювання якості води;
    - знання щодо аналізу основних антропогенних чинників впливу на
    хімічний склад води р. Десна;
    - визначення впливу розподілених джерел на формування стоку
    біогенних елементів у басейні річки Десна;
    - визначення кількісних характеристик перерозподілу біогенних
    елементів у системі «ґрунт-вода» за умов застосування мінеральних добрив.
    Практичне значення отриманих результатів полягає в розширенні
    теоретичних і практичних знань щодо закономірностей формування хімічного
    складу води р. Десна. Основні наукові положення та висновки дисертаційної
    роботи доведено до рівня конкретних методичних розробок і прикладних
    рекомендацій, що можуть бути використані в подальших наукових
    дослідженнях.
    23
    Крім того, оцінювання гідрохімічного режиму, розрахунковий матеріал
    та моделювання винесення розчинених речовин, оцінювання антропогенних
    впливів у р. Десна, експериментальні дослідження з отриманими коефіцієнтами
    розподілу в системі «ґрунт-вода» можуть бути застосовані в ході розроблення
    плану управління басейном р. Десна для проведення оцінювання забруднення
    від розподілених та точкових джерел, а також розроблення заходів з мінімізації
    їх негативного впливу. Матеріали дисертаційного дослідження можуть бути
    впроваджені в навчальні курси з фахової підготовки здобувачів вищої освіти
    різних кваліфікаційних рівнів вищих учбових закладів відповідного профілю, а
    також в освітньо-наукову програму підготовки аспірантів за спеціальністю
    «гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія» в Українському
    гідрометеорологічному інституті ДСНС України та НАН України.
    Особистий внесок здобувача полягає у вивченні та аналізі наукової та
    нормативної літератури за темою дисертаційної роботи, проведенні польових та
    експериментальних досліджень, виконанні хімічного аналізу проб води та
    ґрунту, отриманні розрахункових характеристик та узагальненні
    експериментальних даних, установленні просторово-часових закономірностей
    коливань показників хімічного стоку в басейні р. Десна. Формування мети й
    завдань досліджень, обговорення основних результатів та висновків – разом з
    науковим керівником. У роботах, підготовлених у співавторстві, особистий
    внесок здобувача поділяється порівну з іншими співавторами.
    Апробація результатів дисертації. Результати досліджень було
    оприлюднено на: V-ій Всеукраїнській науковій конференції «Гідрологія,
    гідрохімія, гідроекологія» (м. Чернівці, 2011 ); ІІ-ій Міжнародній науковій
    конференції «Географічні та геоекологічні дослідження в Україні та суміжних
    територіях» (м. Сімферополь, 2013); V-ой Восточно-Европейской конференции
    «Опыт и Молодость в решении водных проблем» IWA (м. Київ, 2013); 7-ом
    Всероссийском гидрологическом съезде (г. Санкт-Петербург, 2013); VIій Всеукраїнській науковій конференції з міжнародною участю «Проблеми
    гідрології, гідрохімії, гідроекології» (м. Дніпропетровськ, 2014); 15th Biennial
    24
    conference of the Euromediterranean Network of experimental and representative
    basins, hydrologic research on pristine, rural and urban small basins 9-13 september,
    2014 Coimbra, Portugal; Науково-практичній конференції «Сучасна
    гідроекологія: місце наукових досліджень у вирішенні актуальних проблем»
    (Київ, 2015); Международной научно-практической конференции
    «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2015);
    Восьмій міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми
    природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів»
    (Дніпропетровськ, 2015); 16th Biennial conference of the Euromediterranean
    Network of experimental and representative basins, hydrological behavior in small
    basins under chaning conditions 5 – 8 September, 2016 Bucharest, Romania;
    Першому Всеукраїнському гідрометеорологічному з’їзді (Одеса, 2017).
    Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових
    праць: 4 статті у фахових наукових виданнях, рекомендованих МОН України,
    зокрема, 1 стаття в закордонному науковому фаховому виданні, 12 тез наукових
    доповідей.
    Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі
    вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури (137 джерел). Загальний об’єм
    роботи становить 176 сторінок, із яких основний текст викладено на 164
    сторінках, включає 16 таблиць та 51 рисунки.
  • Список литературы:
  • ВИСНОВКИ
    Отримані дані та виявлені у ході виконання роботи закономірності
    дозволили зробити наступні висновки:
    1. Розраховані кількісні показники стоку розчинених речовин з
    водозбірної площі р. Десна за період 1991–2010 рр., показали, що стік
    розчинених речовин прямо пов’язаний з водністю річки, а його внутрішньорічному
    розподілу притаманний максимум під час водопілля (40–53 %).
    2. Установлено, що серед стоку біогенних елементів переважають сполуки
    силіцію (86 %), значно меншою є частка сполук нітрогену – 12 %, а кількість
    сполук фосфору найменша – 2 %. Виявлено, що після кінця 80-х рр. у стоці
    нітрогену переважають нітратні сполуки – 63 %. Лімітуючим чинником
    винесення силіцію була чисельність фітопланктону, зокрема, діатомових
    водоростей.
    3. Шляхом визначення екологічного стану води р. Десна, аналізу
    подвійної сумарної та різницевої інтегральної кривої водного та біогенного
    стоку, аналізу скидів стічних вод, а також аналізу господарського комплексу
    показано наявність у басейні еколого-гідрохімічної проблеми, пов’язаної із
    забрудненням біогенними елементами. Серед інших впливів на водну
    екосистему виявлено забруднення органічними речовинами та елементами
    токсичної дії.
    4. Визначення самоочисної здатності води р. Десна вказало на наявність
    забруднення води від точкових джерел у створі м. Чернігова та від
    розподілених джерел у нижній частині басейну. На підставі визначення
    коефіцієнта ефективності самоочищення встановлено, що самоочищення
    водних мас відбувається лише у верхній частині басейну. На ділянці від
    м. Чернігова до гирла річки вода р. Десна, навпаки, зазнає додаткового
    забруднення біогенними елементами від розподілених джерел.
    5. Виконаний натурний експеримент на малій стоковій ділянці дозволив
    дослідити процеси, що відбуваються в гідролого-геохімічній системі водозбору
    164
    на межі розподілу твердої та рідкої фаз. Установлено, що нітроген з
    водозбірної території надходить у руслову мережу переважно в нітратній
    формі, а його кількісні показники не залежать від шляхів надходження.
    Додаткове розділення гідрографа стоку на складові не покращує прогнозних
    характеристик виносу нітрогену. Натомість, формування винесення фосфору
    відбувається переважно за рахунок внутрішньоґрунтової складової стоку.
    6. Отримано кількісні характеристики коефіцієнтів масорозподілу
    нітрогену й фосфору в системі «ґрунт – вода» для чорнозему малогумусного,
    які становили відповідно 38,08 та 36,07 дм3
    /г.
    7. На підставі оброблення емпіричних даних отримано регресійні
    залежності між винесенням біогенних елементів та водним стоком у басейні
    р. Десни у сезонному аспекті та за рік загалом.
    8. З використанням балансового підходу, заснованого на ГІСінструментаріях, виконано моделювання винесення сполук нітрогену й
    фосфору в суббасейні р. Убідь. Згідно отриманих результатів, основним
    джерелом надходження біогенних елементів є сільськогосподарська діяльність.
    9. Запропоновано метод математичного моделювання винесення
    біогенних елементів, заснований на конвективно-дифузному механізмі
    вимивання речовин у системі «тверда фаза – вода».
    10. Отримані результати можуть бути застосовані для розроблення плану
    управління в басейні р. Десна під час проведення оцінок забруднення
    поверхневих вод від розподілених та точкових джерел, а також розроблення
    заходів з мінімізації їхнього негативного впливу на екосистему річки.
    Матеріали дисертаційного дослідження можуть бути впроваджені в навчальні
    курси з фахової підготовки здобувачів вищої освіти різних кваліфікаційних
    рівнів вищих учбових закладів відповідного профілю, а також в освітньонаукову програму підготовки аспірантів за спеціальністю «гідрологія суші,
    водні ресурси, гідрохімія» в Українському гідрометеорологічному інституті
    ДСНС України та НАН України
  • Стоимость доставки:
  • 200.00 грн


ПОИСК ДИССЕРТАЦИИ, АВТОРЕФЕРАТА ИЛИ СТАТЬИ


Доставка любой диссертации из России и Украины