Вплив гідрометеорологічних чинників на хімічний склад та якість води р. Іурія

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Вплив гідрометеорологічних чинників на хімічний склад та якість води р. Іурія

І. Нетробчук,

Л. Миколюк

Анотація

Представлено результати аналізу багаторічної динаміки річної кількості опадів, річної температури повітря басейну р. Турія за період 2007-2016 рр. З'ясовано їх відхилення від кліматичної норми та вплив на витрати води. Проаналізовано багаторічну динаміку коливань середньорічних показників хімічного складу води р. Турія в різні фази водного режиму. Виявлено тенденції в зменшенні величин загальної мінералізації води й концентрації головних іонів у періоди весняної повені та їх збільшенні під час літньої та осінньої межені. Визначено, що найбільші концентрації біогенних речовин фіксували в меженний період, а найменші - під час збільшення водності річки. Відзначена тенденція збільшення величин загальної мінералізації та вмісту біогенних елементів униз за течією річки.

Кореляційним аналізом установлено різні види взаємозв'язків між опадами, температурою повітря, витратами води й окремими показниками хімічного складу води. Побудовано лінії трендів (поліноми 4-6 порядку).

Визначено якість води р. Турія за середніми величинами сольового складу та трофо-сапробіологічних показників. Результати дослідження будуть корисними для визначення пріоритетних проблем басейну річки і в науковому обґрунтуванні водоохоронних заходів.

Ключові слова: хімічний склад, мінералізація, головні іони, біогенні речовини, опади, температура повітря, витрата води, поверхневий стік, весняна повінь, межінь, якість, кореляція.

Нетробчук И., Мыколюк Л. Влияние гидрометеорологических факторов на химический состав и качество воды р. Турия

Представлены результаты анализа многолетней динамики годового количества осадков, годовой температуры воздуха бассейна реки Турия за период 2007-2016 гг. Выясняется их отклонение от климатической нормы и влияние на расходы воды. Анализируется многолетняя динамика колебаний среднегодовых показателей химического состава воды р. Турия в разные фазы водного режима. Наблюдаются тенденции в уменьшении величин общей минерализации воды и концентрации главных ионов в периоды весеннего половодья и увеличении их во время летней и осенней межени.

Определяется, что наибольшие концентрации биогенных веществ фиксировались в период межени, а наименьшие - при увеличении водности реки. Отмечается тенденция увеличения величин общей минерализации и содержания биогенных элементов вниз по течению реки. Корреляционным анализом установлены различные виды взаимосвязей между осадками, температурой воздуха, расходами воды и отдельным показателями химического состава воды. Построены линии трендов (полиномы 4-6 порядков).

Определено качество воды р. Турия по средним величинам солевого состава и трофо-сапробиологическим показателелям. Результаты исследования будут полезными для определения приоритетных проблем бассейна реки и в научном обосновании водоохранных мероприятий.

Ключевые слова: химический состав, минерализация, главные ионы, биогенные вещества, осадки, температура воздуха, расход воды, поверхностный сток, весеннее половодье, межень, качество, корреляция.

Netrobchuk I., Mykoliuk L. Influence of Hydro Meteorological Factors on the Chemical Composition and Water Quality of the Turia River

The results of the analysis of long-term dynamics of the annual amount of precipitation and annual temperature of the air of the basin of the Turia River are present for the period of 2007-2016. Their deviation from the climatic norm and influence on the water consumption has been determined. The long-term dynamics of fluctuations of average annual indicators of the chemical composition of the water of the Turia River in different phases of the water regime have been analyzed. The tendencies in reduction of the values of total mineralization of water and concentration of the main ions in the periods of spring flood and their increase during the summer and autumn base flow are revealed. It was determined, that the highest concentration of nutrients was recorded during the base flow period, and the smallest - during the increase in the water content of the river.

The tendency of increasing the values of total mineralization and the content of biogenic elements downstream of the river is noticed. Different types of interactions between precipitation, air temperature, water consumption and individual indicators of the chemical composition of water are established by correlation analysis. Trend lines are constructed (polynomials 4-6 rows). The water quality of the Turia River is determined according to its average salinity and trophosaprobiological parameters. The results of the study will be useful for determining the priority problems of the river basin and for scientific substantiation in water protection measures.

Key words: chemical composition, mineralization, main ions, nutrients, precipitation, air temperature, water discharges, water flow, spring flood, base flow, quality, correlation.

Постановка наукової проблеми та її значення

Важлива роль у формуванні хімічного складу та якості води належить гідрометеорологічним чинникам, що впродовж останніх двадцяти п'яти років зазнали певних кліматичних змін. Підвищення середньорічних температур повітря, збільшення випаро - вуваності, зміна у співвідношенні між випаданням рідких і твердих опадів, зменшення тривалості залягання стійкого снігового покриву призводять до змін водного стоку річок. Відповідно, змінюються хімічний склад і природна якість води, що є мінливими в часі й залежать від фаз водного режиму. Крім того, існує низка інших чинників: літологічний склад гірських порід, ґрунтовий покрив, рельєф, життєдіяльність рослинних і тваринних організмів та ін., що впливають на формування хімічного складу і якості води. Відтак постала необхідність дослідження впливу метеорологічних та гідрологічних чинників на динаміку хімічного складу і якості води р. Турія, що важливо в сучасних умовах кліматичних змін та набуває особливої актуальності.

Аналіз досліджень із цієї проблеми

Аналіз літературних джерел засвідчує: тривалий час питання якості води розглядали без урахування гідрометеорологічних чинників. Однак сьогодні, на думку Т.В. Соловей, сформувалась усталена думка про те, що якість води визначається не лише обсягом хімічних речовин, а й гідрологічним режимом, що зумовлений, насамперед, кліматичними умовами. Так, вплив водного режиму на зміну хімічного складу та якості води річок басейну верхнього Пруту досліджувала Т.В. Соловей [8]. Вплив гідрологічних чинників на формування хімічного складу поверхневих вод розглянуто в працях В.І. Осадчого [7]. Значний внесок у дослідження гідрохімічного режиму і якості поверхневих вод України зробив В.К. Хільчевський [2]. Результати просторово-часового аналізу хімічного складу та якості води р. Хорол подано в роботах П.С. Лозовіцького [5]. Аналіз значимих факторів впливу на якісний стан вод р. Оскіл зробили О.Г. Васенко, О.В. Рибалова й ін. [1]. Основні тенденції трансформації хімічного складу річкових вод, а також їх зв'язок із глобальними кліматичними змінами проаналізовано в працях С.М. Курило [3].

Мета та завдання дослідження

Мета статті - аналіз динаміки й впливу атмосферних опадів, температури повітря та витрат води на хімічний склад води р. Турія й установлення зв'язків між ними.

Основні завдання дослідження:

1) проаналізувати тенденції багаторічних змін хімічного складу води в різні фази водного режиму;

2) виявити відхилення від кліматичної норми місячних і річних сум атмосферних опадів та температури повітря;

3) установити тісноту взаємозв'язку між атмосферними опадами; температурою повітря; витратами води й компонентами хімічного складу води;

4) визначити категорію якості води за компонентами хімічного складу води.

Матеріали та методи дослідження

Вихідними матеріалами слугувала інформація відділу гідрології та метеорології Волинського обласного центру з гідрометеорології, отримана на двох ідрологічних постах: р. Турія - м. Ковель (2 км вище міста) і р. Турія - м. Ковель (1,5 км нижче міста) за період 2007-2016 рр. Для встановлення тісноти взаємозв'язку обчислено коефіцієнти кореляції (г). Для дослідження застосовано графічний метод, статистичний аналіз, зокрема кореляційний, виконано в стандартній обчислювальній програмі «Excel».

Виклад основного матеріалу й обґрунтування отриманих результатів дослідження

Природні умови басейну р. Турія знаходимо в роботах [4; 6]. Як відомо, водний режим річок визначається, насамперед, атмосферними опадами, що відіграють важливу роль у формуванні хімічного складу води та, відповідно, її якості. Найбільша кількість опадів (1253 мм) випала у 2012 р., а найменша (537 мм) - у 2015 р. при середній багаторічній нормі 803 мм, тобто на 163 мм більше від кліматичної норми річної суми опадів по басейну (642 мм). Із рис. 1 бачимо, що багатоводними були 2009-2010 та 2012 рр., коли кількість опадів перевищила норму в 1,7-2 рази.

Рис. 1. Багаторічна динаміка річної кількості опадів та витрати води р. Турія - м. Ковель (2 км вище міста) за період 2007-2016 рр.

А найбільш маловодні роки припадають на 2014-2016 рр. Так, зменшення річних сум опадів відносно кліматичної норми фіксували у 2007, 2011, 2014-2016 рр. - відповідно, на 13; 41; 35; 105; 27 мм. Також у річному ході опадів спостерігали їх значне зменшення в холодний період на 22; 77; 70 і 83 мм у 2007-2008 і 2014-2015 рр. відносно кліматичної норми (236 мм). При цьому на теплий період здебільшого припадає близько 72-76% від річної кількості опадів. Так, улітку спостерігали збільшення кількості опадів у червні, відповідно, на 97; 72; 99; 38 мм у 2009-2010 рр., 2012 р. та 2016 р. і липні - на 68; 82; 91; 65 і 107 мм у 2007-2008 рр.; 2011-2013 рр. відносно кліматичної норми (77; 86 мм). Це, зі свого боку, компенсувалося зростаючим випаровуванням унаслідок підвищення середньомісячних температур, порівняно з кліматичною місячною нормою. Також потрібно відзначити значне зростання кількості опадів у 2-4 рази вище від місячної кліматичної норми (56 мм) у травні 2008-2010 і 20132015 рр. та вересні 2008, 2010, 2012-2013, 2015 рр. у 1,8-2,5 раза (54 мм). Крім того, у басейні р. Турія спостерігали бездощові періоди в серпні 2009, 2013 і 2015 рр., коли випала найменша кількість опадів (39; 22 і 14 мм) відносно кліматичної норми (78 мм). Це сприяло формуванню мінімального стоку літньо-осінньої межені, що відповідало низьким рівням і витратам води (рис. 1). Як зазначалося вище, кількість опадів формує режим поверхневого стоку та регулює гідрохімічний режим річок. У зв'язку з цим обчислено коефіцієнт кореляції між опадами й хімічним складом води. Установлено слабкий зв'язок г = 0,51 між опадами та витратами води (рис. 1). Крім того, існує обернений слабкий зв'язок між опадами й розчиненим киснем г = - 0,49; нітритами г = - 0,41; нітратами г = - 0,38; рН г = - 0,45 та прямий середній зв'язок із біохімічним споживанням кисню (БСК₅) г = 0,66. Температура повітря також впливає на зміни хімічного складу поверхневих і ґрунтових вод. Так, за період спостережень середня річна температура повітря становила 9°С, що на 1,8°С більше від кліматичної норми (7,2°С). Найбільші зміни річної температури простежено в літній та зимовий сезони. Улітку середньомісячна температура зросла на 1,4-2,0°С. Значно підвищилася температура повітря в січні й грудні на 2,2 ° С. Також спостерігали підвищене зростання температури повітря в березні на 5°С відносно кліматичної норми (0,4°С). Восени, зокрема у вересні та жовтні, температура повітря також підвищилася на 0,8-2,3°С.

Результати кореляційного аналізу виявили обернену залежність між температурою повітря й опадами г = - 0,81; витратами води г = - 0,71; БСК₅ г = - 0,44 і хлоридними аніонами г = - 0,31, що засвідчує високий, середній та слабкий зв'язок, а також прямий слабкий зв'язок із розчиненим киснем г = 0,37 і рН г = 0,39. Отже, зміни, що відбулися в розподілі кількості опадів та підвищенні температури повітря за період спостережень у басейні р. Турія унаслідок глобального й регіонального потепління клімату, призвели до змін у середньорічних витратах та внутрішньорічному перерозподілі стоку річки.

Із рис. 1 видно, що значне зростання середньорічних витрат води від 5,1 до 15,07 м ³/с спостерігали у 2007-2010 рр., коли фіксували збільшення кількості опадів у цей період. Найбільше знизилися середньорічні витрати води до 3,2-2,3 м³/с у 2014-2016 рр., що пов'язано з найменшою кількістю опадів у басейні відносно кліматичної норми. Також спостерігали зміни у внутрішньорічному розподілі стоку. Так, найбільші витрати води, що коливались у межах від 7,2-14,9 м³ /с, припадали на весняну повінь (березень, квітень), а найменші - 1,12-2,57 м³/с - фіксували в меженний період. Максимальна витрата води (44,6 м³/с) - у березні 2010 р., а мінімальна (0,54 м³/с) - у липні 2007 р.

Як зазначено вище, мінливість стоку річки в просторі й часі віддзеркалюється в її гідрохімічному режимі. Так, аналіз хімічного складу води р. Турія засвідчує, що за період спостережень упродовж 2007-2016 рр. середня річна мінералізація води в обох пунктах спостереження - 2 км вище і 1,5 км нижче від м. Ковеля - коливалась у межах від 413 мг/дм³ і 431 мг/дм³ у 2008 р. до 516 мг/дм³ (2007 р.) та 494,8 мг/дм³ (2012 р.) при середній багаторічній величині, відповідно, 461 і 471 мг/дм³ (рис. 2). Потрібно зауважити, що значну роль на внутрішньорічний розподіл мінералізації відіграють фази водного режиму річки, які тісно пов'язані із сезонним випаданням атмосферних опадів, температурою повітря й випаровуванням.

Так, середня мінералізація під час весняної повені для обох пунктів спостереження становила, відповідно, 454 і 468 мг/дм3; під час літньо-осінньої межені - 474 і 479 мг/дм3 (табл. 1). Отже, найменші середні значення мінералізації фіксували у весняну повінь, коли переважає поверхневий стік за рахунок танення снігів або паводків. Водночас у літньо-осінню межень спостерігали найбільші величини мінералізації води внаслідок зменшення поверхневого стоку та збільшення підземного живлення.

Рис. 2. Багаторічна динаміка середніх величин мінералізації та витрати води р. Турія - м. Ковель (2 км вище від міста) за період 2007-2016 рр.

Отже, виходячи з вищесказаного, можна стверджувати, що між мінералізацією й витратами води досліджуваної річки спостерігали обернену дуже слабку залежність г = -0,116 (рис. 2). Багаторічний хід мінералізації й витрати води можна описати поліноміальною функціональною залежністю п'ятого порядку з величиною достовірності апроксимації R2 = 0,75).

Таблиця 1

Концентрації головних іонів у воді р.Турія за фазами водного режимуза період 2007-2016 рр., мг/дм³

Висновки та перспективи подальших досліджень

За результатами дослідження можна зробити такі висновки. Хімічний склад води р. Турія пов'язаний із сезонними коливаннями водного режиму, який залежить від кількості атмосферних опадів, температури повітря та випаровування. Установлено, що величина загальної мінералізації води й концентрація головних іонів зменшується в періоди збільшення водності та збільшується під час зменшення витрат води; найбільші концентрації гідрокарбонатних, хлоридних аніонів, катіонів кальцію спостерігали під час літньо-осінньої межені, проте сульфатні аніони й катіони натрію - під час весняної повені. Аналіз умісту біогенних речовин підтвердив, що максимальні концентрації азоту амонійного та нітритів фіксували навесні, а мінімальні - улітку. Для решти біогенних й органічних речовин спостерігали протилежну закономірність: найбільші їх концентрації - під час літньо-осінньої межені, а найменші - весняної повені.

Кореляційним аналізом установлено дуже тісний взаємозв'язок (г = 0,93) між мінералізацією та гідрокарбонатними аніонами; високий обернений взаємозв'язок (г = -0,81) між опадами й температурою повітря; середній прямий взаємозв'язок (г = 0,70) між катіонами Са+ і Сі" аніонами; (г = 0,72) та НС0₃" аніонами; (г = 0,77) між завислими речовинами й БО; (г = 0,66) між опадами й БСК₅ і між мінералізацією й катіонами № ; обернену залежність (г = - 0,71) між температурою повітря та витратами води; слабкий прямий взаємозв'язок (г = 0,51) між опадами й витратами води; (г = 0,46) між і БО; (г = 0,49) між нітратами та БО; (г = 0,51) між загальним фосфором і БСК₅; (г = 0,54) між аніонами HC0₃" й катіонами №⁺ та обернену залежність між опадами й іншими біогенним та органічними речовинами; слабкий прямий взаємозв'язок (г = 0,37) між температурою повітря й розчиненим киснем, а також між мінералізацією та вмістом окремих іонів й обернену залежність (г = - 0,44) між температурою повітря і БСК₅; (г = - 0,31) та аніонами СТ; дуже слабкий взаємозв'язок (г = - 0,116) між мінералізацією й витратами води; (г = - 0,17) та катіонами Mg. Визначена якість води р. Турія за середніми величинами в обох пунктах спостереження показників сольового складу й трофо-сапробіологічних належала, відповідно, до І і ІІ класів («відмінні», «добрі»), до 1 та 3 категорій («відмінні», «дуже чисті» й «добрі», «досить чисті» води).

Отже, результати дослідження можуть бути використані для узагальнення інформації про гідрохімічний режим, його зв'язки з водним режимом та рівень забрудненості води, прогнозування змін і розробки науково обґрунтованих водоохоронних рекомендацій для прийняття відповідних управлінських рішень у галузі використання, охорони та відтворення водних ресурсів. Усе це окреслює перспективу подальших досліджень хімічного складу і якості води річок Волинської області.

Джерела та література

1. Васенко О.Г. Аналіз значимих факторів впливу на якісний стан вод річки Оскіл (Україна) / О.Г. Васенко, О.В. Рибалова, О.В. Козловська // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Экология. - 2016 (81). - С. 3-10.

2. Гідроекологічний стан басейну річки Рось / В.К. Хільчевський, С.М. Курило, С.С. Дубняк та ін.; за ред. В.К. Хільчевського. - Київ: Ніка-Центр, 2009. - С. 53-77.

3. Курило С.М. Основні тенденції багаторічних змін мінералізації води та вмісту головних іонів у річках України / С.М. Курило // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2016. - Т. 2 (41). - С. 85-90.

4. Лахай Ю.О. Екологічна оцінка природних умов басейну річки Турія / Ю.О. Лахай // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2010. - Т. 2 (19). - С. 216-222.

5. Лозовіцький П.С. Гідрохімічний режим та якість води річки Хорол / П.С. Лозовіцький // Водне господарство. - 2006. - С. 1-10.

6. Нетробчук І.М. Оцінка якості поверхневих вод правобережних приток басейну Прип'яті у Волинській області / І.М. Нетробчук // Науковий вісник Волинського державного університету ім. Лесі Українки. Г еографічні науки. - Луцьк: РВВ «Вежа» Волин. нац. ун-ту ім. Лесі Українки, 2007. - №2. - С. 260-264.

7. Осадчий В.І. Гідрологічні чинники формування хімічного складу поверхневих вод / В.І. Осадчий // Наукові праці УкрНДГМІ, 2013. - Вип. 265. - С. 54-65.

8. Соловей Т.В. Оцінка впливу гідрологічних чинників на якість води річок басейну верхнього Пруту в маловодний період року: автореф. дис. ... канд. геогр. наук: 11.00.11 / Тетяна Василівна Соловей. - Чернівці, 2004. - С. 22.

Referens

1. Vasenko O.H. Analiz znachymykh faktoriv vplyvu na yakisnyi stan vod richky Oskil (Ukraina) / O.H. Vasenko, O.V. Rybalova, O.V. Kozlovska // Vostochno-Evropeiskyi zhurnal peredovbikh tekhnolohyi, 2016. (81). - S. 3-10.

2. Hidroekolohichnyi stan baseinu richky Ros / V.K. Khilchevskyi, S.M. Kurylo, S.S. Dubniak ta in.; za red. V.K. Khilchevskoho. - K.: Nika-Tsentr, 2009. - S. 53-77.

3. Kurylo S.M. Osnovni tendentsii bahatorichnykh zmin mineralizatsii vody ta vmistu holovnykh ioniv u richkakh Ukrainy / S.M. Kurylo // Hidrolohiia, hidrokhimiia i hidroekolohiia. - 2016. - T. 2 (41). - S. 85-90.

4. Lakhai Iu.O. Ekolohichna otsinka pryrodnykh umov baseinu richky Turiia / Iu.O. Lakhai // Hidrolohiia, hidrokhimiia i hidroekolohiia. - 2010. - T. 2 (19). - S. 216-222.

5. Lozovitskyi P.S. Hidrokhimichnyi rezhym ta yakist vody richky Khorol / P.S. Lozovitskyi // Vodne hospodarstvo. - 2006. - S. 1-10.

6. Netrobchuk I.M. Otsinka yakosti poverkhnevykh vod pravoberezhnykh prytok baseinu Pryp'iati u Volynskii oblasti / I.M. Netrobchuk // Naukovyi visnyk Volynskoho derzhavnoho universytetu im. Lesi Ukrainky. Heohrafichni nauky. - Lutsk: RVV «Vezha», 2007. - №2. - S. 260-264.

7. Osadchyi V.I. Hidrolohichni chynnyky formuvannia khimichnoho skladu poverkhnevykh vod / V.I. Osadchyi // Naukovi pratsi UkrNDHMI, 2013. - Vyp. 265. - S. 54-65.

8. Solovei T.V. Otsinka vplyvu hidrolohichnykh chynnykiv na yakist vody richok baseinu verkhnoho Prutu v malovodnyi period roku: avtoref. dys. ... kand. heohr. nauk: 11.00.11 / Tetiana Vasylivna Solovei. - Chernivtsi, 2004. - S. 22.