ТЕОРІЯ І МЕТОДИ АНАЛІЗУ РЕГІОНАЛЬНИХ ГІДРОХІМІЧНИХ СИСТЕМ

Короткий зміст

У першому розділі роботи виконано теоретичне  обґрунтування геосистемного підходу для дослідження хімічного складу природних вод, запропоновано та обґрунтовано  концепцію гідрохімічної системи , здійснено її дефініцію, формалізацію та типізацію.

Передумовою створення концепції ГХС та теоретико-методологічних засад їх вивчення став розвиток системних уявлень про хімічний склад природних вод і  системного підходу до вивчення природних утворень, розробка концепцій геосистем та функціонально-цілісних геосистем.

Уявлення про системну природу хімічного складу води розвивалося від філософсько-натуралістичних поглядів Фалеса Мілетського (624 р. до н.е.), Аристотеля (322 р. до н.е.), Плінія Молодшого ( 23 – 79 рр. н.е) до сучасного   розуміння системного характеру хімічного складу води, який нерозривно зв’язаний  з хімічними, фізичними та біологічними процесами, що протікають у навколишньому середовищі ( Альокін, 1970).

Відкриття Лавуазьє (1770) складу води та представлення її Д.І.Мендєлєєвим (1871) як сольового розчину сприяли становленню гідрохімії як самостійної науки, що  сформувалася на початку ХХ століття, внаслідок впровадження хіміко-аналітичних методів у гідрологію.

Перші наукові узагальнення цього періоду належать Ф.Кларку (1924) та В.І.Вернадському (1933-1936). Останнім було запропоноване вчення про єдність води в природі, яке стало поштовхом до розвитку системного підходу у гідрохімії.

Узагальнивши вітчизняний та зарубіжний досвід, О.О.Альокін (1948,1953) вперше сформулював системну суть процесів формування хімічного складу природних вод, що  дало підстави для розгляду хімічного складу води як системної категорії.

Невдовзі В.В.Глушков (1961), опираючись на роботи В.В. Докучаєва, А.І.Воєйкова та О.О. Альокіна, запропонував географо-гідрологічний метод дослідження природних вод. Під час його обґрунтування він розробив положення про зв’язок хімічного складу вод  ландшафту з кліматичними умовами, геологічною будовою та рельєфом території,  грунтами та рослинністю. Розвиваючи цей принцип, П.П.Воронков (1963) показав залежність хімічного складу вод місцевого стоку від умов середовища, у якому відбувалося його формування.

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

Вчення про багатофакторність формування хімічного складу вод гідросфери  сформульовано в  працях видатних зарубіжних і вітчизняних геохіміків та гідрохіміків (Davis,1963; Garrels,1967; Gibbs,1975; Пелешенко, 1975;  Paces, 1976).

Кінець минулого сторіччя ознаменувався появою фундаментальних узагальнюючих праць у галузі гідрохімії (Stumm, Morgan, 1981; Drever, 1982; Посохов,1981; Перельман,1982; Никаноров, 1985; Meybeck, Chapman, Helmer, 1989, Черногаєва, 1993; Sigg, 1994; Горєв, 1995; Яцик,1997), у яких, як і у переробленому виданні «Основ гідрохімії» О.О.Альокіна (1970), проводиться ідея про єдність хімічних процесів, що протікають в усіх природних водах та про їх системну обумовленість складним комплексом природних та антропогенних факторів.

Подальшого розвитку системний підхід до вивчення хімічного складу природних вод набув і у працях вітчизняних вчених. Найпомітнішими роботами останнього періоду, у яких було розвинуто і поглиблено географо-гідрологічний метод  у гідрохімії є дослідження В.К.Хільчевського (1996, 1999). Ним було розроблено і успішно застосовано геосистемно-гідрохімічний метод для дослідження хімічного складу і стоку різних типів природних вод (атмосферних опадів, схилових, річкових, грунтових, підземних вод) на елементарних водозборах (геосистемах) малих річок з урахуванням впливу фізико-географічних і антропогенних факторів.

Деякі аспекти концепції багатофакторності  формування хімічного складу вод та його системної природи було також розглянуто в наших роботах (Snishko,1994; Сніжко,1996).

Одночасно з розвитком системних уявлень про хімічний склад води відбувався розвиток системного підходу до природних утворень.

 Введений В.Б.Сочавою (1963) термін “геосистема” був визначений М.Д.Гродзинським (1993) як множина елементів природного походження, існуючі зв’язки між якими зумовлюють прояв природи  в таких якостях та реалізації нею таких функцій, які без взаємодії елементів були б неможливими. Водний розчин вважається складним і комплексним компонентом геосистеми (К.А.Позаченюк, 1999).

В наш час традиційні об’єкти географічних досліджень все більше розглядаються з точки зору загальної теорії систем (Ретеюм, 1972; Гродзинський, 1995; Шищенко, 1999; Некос, 1988; Пащенко,1993; Ковальчук, 1997; Стецюк, Сілецький, 2000).

Дослідження міграції хімічних елементів у ландшафтах (Полинов,1952; Муравейський,1960) сприяло розробці методів ідентифікації геосистем за особливостями їх речовинно-енергетичних полів та обгрунтуванню   концепції функціонально-цілісних геосистем, у яких системоутворюючою основою  є потоки речовини та енергії (Ретеюм,1971; Гвоздецький,1982).

М.А.Глазовська (1976) ввела поняття про елементарні ландшафтно-геохімічні системи (ЕЛГС), а українська вчена-ландшафтознавець Л.Л. Малишева (1998) визначила їх як  геосистеми різних рангів, цілісність яких обумовлена певним хімічним складом їх компонентів і міграцією хімічних елементів між ними.

Застосовуючи принцип функціональної цілісності геосистем, О.В. Кадацька (1987) запропонувала розглядати річковий водозбір як геосистему, головною функцією якої є генерація односторонньо направленого водного потоку, що формується в результаті сукупного впливу  фізико-географічних факторів.

У дослідженні  В.М.Самойленка (2000) вперше формалізовано водойму з береговою зоною як  складну динамічну природно-технічну систему, стан якої описується екологічними, в тому числі і гідрохімічними параметрами.

Підводячи підсумок проаналізованих в огляді робіт, слід зробити декілька важливих висновків для подальших досліджень хімічного складу води з позицій геосистемного підходу:

1) впровадження теорії систем у природничі дослідження привело до розвитку геосистемної методології досліджень природних утворень;

2) поняття “геосистема” пройшло еволюційний шлях розвитку від позначення великих природно-територіальних систем до обмежених за площею ландшафтів, річкових басейнів, водойм з прибережною територією;

3) розроблено концепцію функціонально-цілісних геосистем, основою яких є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.

Застосування геосистемного підходу дозволяе досліджувати хімічний склад води як систему взаємопов’язаних хімічних елементів,  що сформувалася у різних типах природних вод під впливом певного комплексу природних і антропогенних факторів і функціонує в певних просторових межах як геосистема.

“Наука будується шляхом виділення природних тіл, які утворлися в результаті закономірних природних процесів”,- говорив В.І.Вернадський (1977). Розширення наукових уявлень про хімічний склад природних вод, процеси його формування, про гідрохімічний режим водних об¢єктів а також розвиток геосистемних досліджень у географії, створило передумови для вирізнення за функціональними ознаками специфічного “природного тіла” – гідрохімічної системи природних вод .

Під гідрохімічною системою (ГХС) слід розуміти динамічний просторово-часовий та специфічний комплекс хімічних речовин і процесів, завдяки яким здійснюється обмін речовиною та енергією у природних водах.

ГХС виділяється за принципом функціонально-цілісної геосистеми як об’єм простору; системоутворюючою основою  її є компоненти хімічного складу води з їх специфічним характером форм знаходження та  типами зв’язків.

ГХС є системою відкритого типу; її властивості та  структура формуються як під впливом факторів зовнішнього по відношенню до неї середовища (екзосистемних процесів) так і за рахунок внутрішніх (ендосистемних) процесів.

Опираючись на результати попередніх досліджень систем взагалі (Месарович, 1966; Берталанфі, 1969; Холл, Фейджин, 1969; Churchman, 1979; Athey, 1982) і, особливо, природних систем (Domenico, 1972; Джефферс, 1981; Egelen,1984; Struckmeier, 1986; Лаврик,1998) нами виконана математична формалізація  гідрохімічної системи.

Елементи системи S – компоненти хімічного складу води  у вигляді певного набору параметрів позначаються символами X₁, X₂, X₃, … ,  X_n, де n – число хімічних компонентів. Тоді множину цих елементів  Х = {Х₁,  Х₂,  Х₃, ... ,  Х_n }            назвемо складом гідрохімічної системи.

Елементи Х₁,  Х₂,  Х₃, ... ,  Х_n  об’єднуються в систему  певними відношеннями і зв’язками, які називаються системоутворюючими, або, як уже було названо вище, ендосистемними. Таким чином формується речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи.

Елементи системи взаємозв’язані і одночасно зазнають впливу зовнішніх факторів.  Таким чином утворюються екзосистемні зв’язки, що характеризують зовнішні фактори формування ГХС, які можуть бути представленими системами інших генетичних типів, наприклад, ландшафтно-геохімічними системами (ЛГС). ЛГС можуть одночасно обумовлювати також основні речовинно-енергетичні потоки в геосистемі вищого порядку,  до якої належить дана ГХС.

Тому варто позначити символом F множину зовнішніх систем m, які формують екзосистемні зв’язки  ГХС і є по відношенню до неї зовнішнім (навколишнім) середовищем. Множину цих факторів, узагальнена схема дії яких показана на рис.1, представимо вектором: F ={F₁,  F ₂,  F ₃, ... ,  F _m}. 

Множина відношень (зв’язків) між елементами ГХС та елементами ГХС і навколишнім середовищем називається  структурою даної гідрохімічної системи S і позначається вона так: R ={ R ₁,  R ₂,  R ₃, ... ,  R _l}, де l – число зв’язків, що утворюють структуру системи S.

 У результаті такої взаємодії формується процесно-функціональна структура гідрохімічної системи.

Склад ГХС Х, її навколишнє середовище F та структура R можуть змінюватись у часі t. Цю зміну у загальній формі можна позначити наступним чином: Х =Х(t) = {Х₁(t),  Х₂(t),  Х₃(t), ... ,  Х_n(t)}; F =F(t)  ={F₁(t),  F ₂ (t),  F ₃(t), ... ,  F _m(t)};            R =R(t) ={ R ₁ (t),  R ₂(t),  R ₃(t), ... ,  R _l(t)}.          

Зміна у часі елементів Х(t) та структури R(t)  ГХС в залежності від впливу зовнішніх факторів F(t)   відбувається за певною функцією M(t).

Враховуючи виконану математичну формалізацію ГХС, можна подати її визначення в такому варіанті: гідрохімічною системою S(t), що функціонує  у водному об’єкті, чи групі споріднених водних об’єктів (різних взаємозв’язаних типів вод гідросфери), які по відношенню до системи є навколишнім середовищем F(t), називається множина об’єктів S(t) =  S(Х, F, R, M), що утворена із сукупності внутрішніх елементів Х(t), які зв’язані між собою і з навколишнім середовищем F(t) сукупністю зв’язків R(t), які змінюються у часі у відповідності із множиною функцій M(t).

ГХС як процесно-функціональні речовинно-енергетичні структури гідросфери можуть бути розділені перш за все за їх основними двома  типами:

а) ГХС текучих вод – річок, струмків; б) ГХС вод з уповільненим водообміном – озера,  водосховища.

ГХС текучих вод можуть бути басейновими та русловими. Басейнова ГХС є класичною повнокомпонентною системою, що функціонує у об’ємі простору, створеному генетично зв’язаними категоріями природних вод, які утворюють цілісний водний потік з параметрами, що варіюють у просторі і часі. 

Руслові гідрохімічні системи функціонують у складі басейнових систем. Це - високодинамічні ГХС з швидким перебігом фізико-хімічних перетворень речовин та зміною параметрів систем.

Руслові ГХС формуються в результаті змішування вод сформованих у ГХС нижчих рангів. Параметри руслових систем у такому випадку будуть значно відрізняться від параметрів окремих, підпорядкованих їм ГХС.

ГХС водойм можна розглядати як сукупність ГХС, що функціонують у межах водозбору озера чи водосховища. Ці системи представлені зазвичай басейновими ГХС малих та середніх річок.

ГХС невеликих за об’ємом водойм, як правило, руслового типу з високою проточністю не відрізняються від річкових ГХС, з якими вони тісно зв’язані.

На відміну від них, великі озера та водосховища повинні вирізнятися як окремі ГХС, що можуть бути названі акваторіальними.

Для акваторіальних ГХС характерна також специфічна вертикальна структура, що відрізняє їх від басейнових та руслових ГХС. Тому вони можуть бути додатково розділені, враховуючи неоднорідність умов формування хімічного складу води як у горизонтальній так і у вертикальній площинах, на ряд локальних ГХС мікро- і мезорівня в залежності від розміру області їх поширення. Ідентифікація та диференціація цих систем можлива за умови детального гідрохімічного дослідження водного об’єкта в межах усієї акваторії та глибини.

ГХС перехідного типу формуються в гирлових ділянках річок, в шельфових зонах морів, де відбувається розвантаження континентального поверхневого стоку і протікають процеси трансформації його хімічного складу  у зв’язку із різкою зміною гідродинамічних та фізико-хімічних умов водного середовища.

У другому  розділі викладено теоретичне обґрунтування структури, властивостей та функцій ГХС.

Однією з  найхарактерніших властивостей є її поліструктурність. В межах гідрохімічної системи можна виділити декілька типів одночасно існуючих структур (речовинно-агрегатна, процесно-функціональна, просторова (горизонтальна та вертикальна), які є проявом самоорганізації компонентів системи під впливом комплексу зовнішніх та внутрішніх факторів.

Речовинно-агрегатну структуру гідрохімічної системи утворюють  хімічні речовини, які у різних формах і агрегатних станах знаходяться у воді і забезпечують  перебіг фізико-хімічних процесів як у самій воді так і речовинно-енергетичний обмін  між водою  та суміжними з нею середовищами.

Сукупність хімічних процесів у водному середовищі, в результаті яких відбувається трансформація та транспорт речовин і енергії і складає процесно – функціональну структуру гідрохімічної системи, що формується на основі хімічних зв’язків між тисячами сполук природного і антропогенного походження, які присутні у природних водах.

Таким чином, поєднання теоретико-методологічних основ вчення про функціонально-цілісні геосистеми з концепцією багатофакторності формування хімічного складу та якості води, дозволило вирізнити  та обґрунтувати  гідрохімічну систему природних вод  (Сніжко, 2001), яка функціонує в певних просторових межах як геосистема.

Вже на перших етапах дослідження ГХС виникає питання про  їх структуру та розмір, ієрархію рівнів їх територіальної розмірності та про методичні підходи до вирішення цих процедур.

Аналіз існуючих підходів до виділення територіальних гідрологічних та гідрохімічних структур показав, що усі вони базуються всього лише на двох основних принципах: зональному (географічному) та басейновому (гідрологічному).

Відкритий ще В.В. Докучаєвим (1898) закон географічної зональності проявляється також в територіальній структурі гідрологічних та гідрохімічних інформаційних полів (Глушков,1961).

Ландшафтно-генетичний підхід, що враховує принцип географічної зональності хімічного складу поверхневих вод, успішно застосовувався для виділення елементарних гідрохімічних структур, наприклад, “гідрохімічних полів” (Пелешенко, 1975). В той же час слід взяти до уваги, що географічна зональність простежується у просторовій зміні лише тих хімічних речовин,  концентрації яких  формуються головним чином за рахунок природних факторів. У просторовому розподілі концентрацій речовин змішаного і антропогенного походження не спостерігається ніяких ознак географічної зональності.

Тому застосування  схеми фізико-географічного районування для класифікації однорідних гідрохімічних структур, що характеризуються полікомпонентністю зі зростаючим в останні десятиліття переважанням речовин змішаного (природно-антропогенного) та антропогенного походження, виглядає методично необґрунтованим.

Басейновий підхід як метод дослідження цілісно-функціональних геосистем  найбільше підходить для  вивчення гідрохімічних структур. При цьому слід віддати перевагу методу інтеграції з урахуванням комплексу ідентифікаційних ознак елементарних ГХС нижчого рангу в системи вищого рангу.

Виявлення ГХС за умови використання запропонованого підходу, в основі якого лежить інтегрування елементарних однорідних цілісно функціональних ГХС, можливе в межах будь-якої території, яку можна представити як макросистему, що складена якою завгодно великою кількістю елементарних річкових басейнів. Сказане означає, що ієрархічно структуровані ГХС можна виділити як в межах басейну річки вищого порядку, так і в межах території будь-якої одиниці географічного районування, аж до топічного рівня.

Враховуючи досвід фізико-географічного районування та класифікацій річкових басейнів (Сочава, 1974; Ісаченко,1979; Кінг,1980; Аурада, 1986; Гродзинський,1993) пропонується наступна ієрархічна класифікація гідрохімічних систем за їх розміром: мікрорівень: субтопічна ГХС (до10 м²); мезорівень: локальна ГХС І порядку (>10 м² – 10 км²), локальна ГХС ІІ порядку (>10 км² – 5 тис.км²);  макрорівень: регіональна ГХС І порядку (>5 – 50 тис. км²), регіональна ГХС ІІ порядку (>50 тис.км² – 1 млн. км² ),  субглобальна  ГХС (>1–100 млн. км²),  глобальна ГХС (> 100 млн. км²).

Вертикальна структура ГХС пов’язана з поширенням вод зони активного водообміну, які розміщуються вище місцевого базису ерозії і є генетично однорідними і близькими за хімічним складом (рис. 1).

Рис.1. Вертикальна структура гідрохімічної системи ( R_атм, R_{пов сх}, R_інф, R_під , ΔR, R_сум – надходження хімічних речовин з атмосферними опадами, з поверхнево-схиловим стоком, інфільтраційними та підземними водами, акумуляція в межах водозбору, сумарний стік речовин через  замикаючий створ

Здійснення транспортно-розподільчої функції ГХС розпочинається з приземного шару атмосфери, де відбувається трансформація хімічного складу опадів, продовжується на поверхні водозбору, в товщі грунтів та осадових порід зони активного водообміну, де відбуваються фізико-хімічні, біохімічні  процеси формування гідрохімічних параметрів вертикально і горизонтально направленого водного потоку.

Представлений рисунок показує, що верхньою межею простору, у якому формується генетично і речовинно однорідний водний потік, є поверхня ґрунтового покриву водозбірного басейну.

Нижня межа поширення системи збігається з нижньою межею поширення підземних вод, які гідравлічно тісно зв’язані з поверхневими водами.

Враховуючи результати попередніх досліджень (Воронков,1963; Likens, 1977; Miller, Drever, 1977; Пелешенко та ін.,1988; Bertsch,1998), можна представити вертикальну структуру ГХС наступним чином:

1 вертикальний рівень: зона стікання поверхнево-схилових вод. Охоплює приземний шар

атмосфери з найбільшим рівнем концентрації атмосферних аерозолей, тобто шар, в якому закінчується остаточне формування хімічного складу власне атмосферних опадів і починається його трансформація на поверхні ґрунтового покриву водозбору. Цей рівень функціонування ГХС має тимчасовий сезонний характер і прослідковується у періоди повного насичення ґрунтового покриву вологою.

2 вертикальний рівень: зона стікання атмосферних вод мікрорівчаковою мережею. Тут відбувається змішування поверхнево-схилових вод і вод, які дренуються з верхнього перезволоженого шару грунту (грунтово-поверхневі води).

3 вертикальний рівень: зона стікання інфільтраційних вод в руслову мережу. Вона має тимчасовий характер і функціонує лише в періоди надмірного зволоження внаслідок дренування ерозійним урізом водоносних шарів грунтово-підгрунтової товщі.

4 вертикальний рівень: зона стікання підземних вод в водотоки.   Цей рівень існує постійно і в генетичному аспекті характеризує останній етап трансформації хімічного складу атмосферних вод, які шляхом інфільтрації досягли горизонту підземних вод.

5 вертикальний рівень: зона руслового стоку. Цей рівень можна назвати рівнем постійного, або руслового функціонування ГХС. Хімічний склад вод змінюється внаслідок сезонної зміни характеру вертикальної зональності системи.

Вертикальні рівні функціонування ГХС можна розділити на тимчасові (1-3 рівень) та постійні (4 і 5 рівні).

Постійні рівні зберігаються на протязі всього гідрологічного року, забезпечуючи протікання типових гідрохімічних процесів та формування характерного для даної ГХС хімічного складу води. Розширення вертикальної товщі функціонування ГХС спостерігається під час весняної повені та літньо-осінніх дощових паводків. В цей час відбувається активізація гідрохімічних процесів на усіх рівнях ГХС, що призводить до сезонної зміни параметрів компонентів гідрохімічної системи. Головною  функцією ГХС є здійснення речовинно-енергетичного обміну  між  природними водами та компонентами навколишнього середовища завдяки наявності динамічного просторово-часового  та специфічного комплексу хімічних речовин та процесів у  природних водах.

Поширення хімічних речовин у водному середовищі здійснюється в основному за рахунок процесів  конвекції та дифузії і  відповідно до другого закону Фіка описується узагальненим рівнянням конвекції-дифузії, в яке додатково вводиться коефіцієнт розкладу  та перетворення речовин (Rutherford,1994; Hilden,1999).

Для кількісної  оцінки транспортуючої здатності ГХС розраховується кількість хімічних речовин, яка виноситься за межі системи  за певний проміжок часу через   її замикаючий створ (Пелешенко, Закревський, Сніжко, 1991; Сніжко, 1987, 1995; Хільчевський, Сніжко,1991). Ця величина є інтегральною характеристикою усієї сукупності геохімічних і біогеохімічних процесів, які протікають у межах гідрохімічної системи і не завжди можуть бути  детально дослідженими.

ГХС є своєрідною формою існування і руху матерії в певних просторово-часових рамках, тому динамічний стан системи в різних його проявах   є її природною властивістю. Основною причиною динамічності ГХС як системи відкритого типу є нестабільність зовнішніх факторів, які її формують. Будь-який зовнішній вплив на ГХС є поштовхом до протікання процесів перетворення речовин, хімічних процесів у водному середовищі, які часто описуються цілим ланцюгом хімічних реакцій.

ГХС має здатність швидко реагувати на зміни навколишнього середовища більш або менш масштабними хімічними перетвореннями, зміною своєї речовинно-енергетичної структури. Тому, якщо в навколишньому середовищі відбувається декілька специфічних подій (наприклад, сезонні ритми, зміна температури, тощо), то ГХС, в принципі, відображає кожну із цих подій у специфічних хімічних перебудовах своєї структури як у часі, так і у просторі, якщо тільки ці події досягають певного (суттєвого) порогу впливу.

Повторюваність процесів у ГХС обумовлюється циклічністю природних факторів, інтегральною характеристикою впливу яких на параметри ГХС можна вважати водний стік (Snishko, 2000). Довгий час, аж до досягнення суттєвого впливу господарської діяльності людини на навколишнє середовище, водний стік залишався домінуючим фактором, який визначав стан ГХС, його коротко- і довготривалі зміни. Проте, протягом останніх 150 років, вплив водного стоку як і природних факторів у цілому почав зменшуватись, а антропогенних – збільшуватись. З’явились цілі групи хімічних речовин  антропогенного походження, режим яких не відповідає циклічності природних процесів.

Стійкість  ГХС полягає в збереженні її рівноважного стану протягом певного часу  за умови стабільності факторів, які на неї впливають. Рівноважним станом, згідно другого закону термодинаміки, є найбільш імовірний стан, до якого прямує будь-яка термодинамічна система (Горєв,1996).

У випадку впливу на ГХС того, чи іншого фактора вона відреагує на нього у відповідності до фізико-хімічного закону Ле-Шательє, тобто у ній будуть розвиватися процеси нейтралізації наслідків антропогенного впливу та відновлення стану рівноваги, у якому система перебувала до моменту впливу.

Стійкість ГХС безпосередньо залежить від її буферної здатності (Лаврик та ін., 1991; Израэль, 1989). Найменшою буферною здатністю характеризуються акваторіальні ГХС маломінералізованих вод оліготрофних озер, а найбільшою – вод річок та озер з підвищеною мінералізацією  води. В обох випадках особливе значення має насиченість водного розчину хімічними речовинами, які створюють своєрідний поглинаючий і нейтралізуючий  комплекс для забруднюючих речовин антропогенного походження.

У третьому розділі роботи охарактеризована методологія дослідження ГХС, яка була розроблена нами в останні роки в Проблемній науково-дослідній лабораторії гідрохімії і гідроекології Київського університету імені Тараса Шевченка.

Представлення даних моніторингових спостережень за хімічним складом води як характеристик ГХС, що сформувалися у результаті впливу різних природних та антропогенних факторів, є передумовою дослідження цих систем із використанням мультиваріаційних  математичних методів.

Величини концентрацій хімічних речовин у воді та їх мінливість у часі, або просторі вже є ознаками прояву дії різних факторів на  формування ГХС.

Вивчення ГХС, виявлення та ідентифікацію факторів їх формування,  дослідження територіальної структури і т.п. виконується за даними гідрохімічних спостережень з використанням методик (Снежко, 1988, Snishko, 1994, Сніжко, 1996, Сніжко, 2001), в основу яких покладено мультиваріаційні статистичні методи - факторний та кластерний аналіз (Харман, 1974; Окунь, 1974; Steinhausen, 1977; Erenberg, 1986; Sachs, 1997; Legendre, 1998). Під час розробки  методології використано попередній досвід застосування цих методів у гідролого-гідрохімічних дослідженнях (Смирнов, Скляренко, 1974; Hoetzl, 1982; Wimmer, 1987; Гавришин, Карадини, 1994; Mader et al.,1999) та ідею О.Г.Ободовського (1988) про поєднання можливостей факторного та кластерного методів аналізу.

Запропонована методологія складається із трьох взаємодоповнюючих і, в той же час,  абсолютно автономних, методично наповнених блоків (етапів) системного дослідження. 

На першому етапі аналізу формуються  загальні уявлення про систему. Виявляються основні елементи та властивості системи. За даними гідрохімічних спостережень, структурованими у просторі і часі, досліджуються параметри системи та процеси, які в ній протікають.

            Виявляються джерела надходження речовин до водного об’єкту, визначається роль транспортно-розподільчої функції ГХС у виведенні забруднюючих речовин із водної екосистеми та розподілі їх у її компонентах (воді, зважених речовинах, донних відкладах, гідробіонтах). Кількісні та якісні характеристики “входів-виходів” ГХС описуються рівнянням гідрохімічного балансу. Проводяться пошуки елементів у інших граничних системах, через які відбувається речовинно-енергетичний обмін. З метою поглибленого дослідження зовнішніх зв’язків ГХС проводиться вивчення цих елементів, їх моніторинг.

Другий етап аналізу ГХС базується на двох  методиках, розроблених нами на основі використання мультиваріаційних статистичних методів: методиці дослідження факторів формування ГХС та  методиці дослідження їх територіальної структури (Сніжко, 2001).

Аналіз факторних зв¢язків елементів та структур системи з  елементами та структурами не системи  виконується з використанням статистичних методів (кореляційний та регресійний аналіз, в т.ч. багатофакторна регресія); створюються  структурні блок-схеми з крос-кореляційними зв’язками між елементами та окремими блоками системи, які характеризують процесно-функціональну структуру ГХС.

Досліджується  динаміка системи, яка включає аналіз направленості протікання гідрохімічних процесів та ймовірності їх оборотності і дослідження циклічних процесів в еволюції системи.

Виконується аналіз керованості гідрохімічної системи. Визначаються ключові (домінуючі) елементи системи, які визначають її головні функції і впливають на поведінку інших (другорядних) елементів та цілих блоків системи. Розглядається можливість штучної (примусової) маніпуляції  домінуючими елементами системи задля отримання бажаних властивостей системи, чи задля створення передумов  протікання необхідних позитивних процесів формування системи, які направлені на збереження природного хімічного складу води та покращення її якості.

На третьому етапі досліджень прогнозується розвиток системи і виконується її моделювання. Створюється структурно-функціональна модель ГХС за результатами дослідження факторів її формування, системних структур та зв’язків і карта гідрохімічного районування, на якій виділяються територіальні структури з однорідними умовами формування гідрохімічних процесів. Карта є найкращим способом візуалізації ГХС, її образно-знаковою моделлю.

Складність ГХС, їх зв’язок з іншими природними системами значно ускладнює, або й робить неможливим їх  описання точними математичними формулами, не дозволяє створити строгі математичні моделі. Тому використовуються альтернативні підходи – статистичне та імітаційне моделювання.

В четвертому розділі подано результати системного аналізу регіональної гідрохімічної макросистеми Житомирського Полісся.

Вивчення даної макро-ГХС здійснювалося на основі  матриці даних, що включала 87 параметрів зовнішніх факторів її формування і функціонування та параметрів внутрішньої структури ГХС, згрупованих за 32 пунктами гідролого-гідрохімічного моніторингу.

Із 29 первинних показників характеристик зовнішніх факторів для подальшого аналізу було рекомендовано лише 12: кількість внесених отрутохімікатів (OTR), площі еродованих земель в межах водозбірних басейнів (ER), площі з проявами дефляції грунтів (DG), кількість стічних вод (STV), викиди забруднюючих речовин (VYK), густота населення (NNAS), лісистість (LIS), заболоченість (ZAB), меліорованість водозборів (MEL), площа ріллі (RIL), площа поширення легкосуглинистих грунтів (LSU), кількість внесених мінеральних добрив (MIN), кількість площ охоплених вапнуванням (VAP), площі поширення супіщаних грунтів (SUP).

Методом головних компонент 32 гідрохімічні показники із вихідної інформаційної матриці даних були розділені на 5 генетично однорідних груп. Для подальшого аналізу використано 21 репрезентативний показник. Проведення процедури факторного аналізу дозволило виявити процесно-функціональну структуру  ГХС, яка була представлена п’ятьма факторами (рис. 2).

Встановлено, що макро-ГХС формується переважно під впливом п’яти основних факторів:1) дифузне надходження мінеральних солей, біогенних та органічних речовин з поверхні водозбору; 2) ерозійно-дефляційні процеси, що сприяють вилуговуванню мінералів гірських порід та винесенню у річкову мережу забруднюючих речовин; 3) вплив меліоративних заходів на перебіг фізико-хімічних процесів і трансформування типу вод; 4) вплив стічних вод; 5) надходження отрутохімікатів.

Для дослідження просторової структури даної макросистеми експертним шляхом було відібрано 10 репрезентативних параметрів ( модуль водного стоку, меліорованість водозбору, поширеність легкосуглинистих грунтів, еродованість, вміст сульфатів, амонію, фосфатів, СПАР, ДДТ, γ-ГХЦГ), які  найкращим чином характеризують кожен із 5 виявлених факторів формування ГХС.

За результатами проведеного кластерного аналізу виконано ієрархічне районування досліджуваної території; площі водозборів з однорідними гідрохімічними умовами, що характеризувалися як мінімум двома, чи декількома пунктами спостережень,  було об’єднано у  14 локальних гідрохімічних мезосистем І порядку. Останні були об’єднані у  4 локальні гідрохімічні мезосистеми ІІ  порядку, а саме: Слуцько-Волинська; Верхнєтетерівсько-Гнилоп’ятьська; Поліська Убортсько-Тетерівська; Словечансько-Овруцька. Кожна з них була утворена об’єднанням  2 – 4 гідрохімічних мезосистем І порядку.

Завдяки цьому  було досягнуто ціль гідрохімічного районування – встановлення ієрархічної територіальної структури гідрохімічної макросистеми природних вод Житомирського Полісся. ЇЇ

візуалізацію було виконано шляхом побудови картосхеми гідрохімічного районування ( рис.3).

Кожен з виділених під час кластеризації  районів характеризує окрему ГХС з специфічним для неї комплексом речовин та процесів, що протікають за участю цих речовин у межах даної території. Ці комплекси речовин та процесів склалися в результаті взаємодії екзосистемних та ендосистемних факторів формування ГХС.

. Таким чином, виконані в даному розділі дослідження є одним із варіантів регіональної апробації теоретико-методичних розробок. Результати системного аналізу даної ГХС використані для вдосконалення мережі гідрохімічного моніторингу поверхневих вод Житомирського Полісся, виявлення основних причин погіршення якості води у регіоні та проведення водоохоронних заходів.

Рис.3.Картосхема гідрохімічного районування регіональної гідрохімічної макросистеми Житомирського Полісся за комплексом системоформуючих показників

У п’ятому розділі роботи розглядаються характеристики басейнових ГХС лісостепової та степової зони України. Для дослідження особливостей їх формування та функціонування у цьому регіоні   було обрано декілька репрезентативних у гідрохімічному відношенні річкових басейнів з типовими зональними особливостями природних умов та різними рівнями антропогенного навантаження ( Бутеня (басейн Дніпра), Іква та Корабельна (басейн Південного Бугу). Окремо розглянуто регіональну макро-ГХС басейну Південного Бугу.