Размещено на http://allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 556.531.4ч 556.561+556.11.012+628.1.03

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора географічних наук

МЕТОДОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ ЧИННИКІВ ТА ПРОЦЕСІВ ФОРМУВАННЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ПОВЕРХНЕВИХ ВОД УКРАЇНИ

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

ОСАДЧИЙ ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи та Національної академії наук України

Офіційні опоненти:доктор географічних наук, професор Іваненко Олександр Григорович, завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень Одеського державного екологічного університету

доктор географічних наук, професор Мольчак Ярослав Олександрович, директор Інституту ресурсозбереження та будівництва Луцького державного технічного університету

доктор хімічних наук, професор Линник Петро Микитович, завідувач відділу гідрохімії Інституту гідробіології НАН України

Захист відбудеться « 12 » червня 2008 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, МСП-680, проспект Глушкова, 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01035 м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий «_12_» ___06__2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.26.001.22

кандидат географічних наук В.В.Гребінь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах економічних, енергетичних та кліматичних змін водні ресурси набувають вирішального значення для економічної безпеки країн. Вони забезпечують всі сфери функціонування суспільства, виступають як важливий природний ресурс, що визначає можливості подальшого економічного та соціально-екологічного розвитку країни.

На сучасному етапі розвитку гідрохімії замість емпіричного якісного підходу при аналізі гідрохімічних процесів необхідно впроваджувати та використовувати нові засоби та методи, які дозволяють кількісно оцінювати та прогнозувати перебіг процесів формування хімічного складу вод на основі методів точних наук. Основою для таких кількісних рішень є важливе методологічне положення про характер зв'язку фізичних, хімічних, гідробіологічних процесів при формуванні хімічного складу поверхневих вод. Воно формулюється наступним чином: у гідрохімії всі процеси визначаються кількісними законами точних наук, а зовнішнє природне середовище (фізико-географічні, ґрунтово-кліматичні, геоморфологічні умови визначають граничні умови перебігу цих процесів).

Для створення теоретичної бази формування складу поверхневих вод і одержання достатньої кількості вихідних параметрів для прогнозування якості водного середовища необхідні роботи як на рівні дослідження різноспрямованих процесів, що протікають у різних компонентах водних екосистем, так і кількісної оцінки ролі природних і антропогенних чинників у надходженні й перерозподілі хімічних речовин і елементів між окремими середовищами водних екосистем.

Одним з кроків для вирішення цієї проблеми є розроблення методологічних основ системних гідрохімічних досліджень, що базуються на поєднанні географічних підходів вивчення умов та чинників формування хімічного складу поверхневих вод, з фізико-хімічними процесами трансформації речовин у водному середовищі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за проблемою дисертації були виконані згідно з планами науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (УкрНДГМІ) під науковим керівництвом і за одночасної участі автора як безпосереднього виконавця науково-дослідних робіт, що входили до складу бюджетних програм: “Наукове забезпечення гідрометеорологічної діяльності” (1994-2002 рр.), “Прикладні наукові та науково-технічні розробки з пріоритетних напрямів у сфері гідрометеорології” (2003-2006 рр.): “Підготувати огляд “Хімічний склад і якість поверхневих вод України за 1991 - 1995 рр.” Тема Х.I.4, 1995 р., № держреєстрації 0196U017694; “Методологія дослідження транспорту, фізико-хімічної трансформації та акумуляції важких металів в абіотичних компонентах водних систем”. Тема IV.1., 1996-1997рр., № держреєстрації 0196U017697; “Розробити та впровадити в Державну систему спостережень багатофункціональні бази даних по хімічному складу та якості поверхневих вод, донних відкладів, ґрунтів”. Тема VIII.16, 1998 р., № держреєстрації 0198U004794; “Підготувати огляд “Хімічний склад та якість поверхневих вод України”. Аналітична довідка “Хімічний склад та якість поверхневих вод України” (щорічно)”. Тема V.1, 2000 р., № держреєстрації 0100U003629; “Виявити основні закономірності та провести кількісну оцінку впливу природних і антропогенних факторів у формуванні хімічного складу та якості поверхневих вод України”. Тема V.2, 2001- 2002 рр., № держреєстрації 0101U003778; “Дослідити умови та виявити основні чинники формування хімічного складу та якості поверхневих вод річкових басейнів України”. Тема № 10/03, 2003-2005 рр., № держреєстрації 0103U006559; “Розроблення рекомендацій щодо розвитку та удосконалення структури, мережі, методології спостережень за якістю поверхневих вод України. Розроблення методології і технології прогнозування та оцінки стану поверхневих вод”. Тема № 21/06, 2006 р., № держреєстрації 0106U007590.

Комплексної програми НАНУ ”Мінеральні ресурси України” (2003-2007 рр.): “Оцінка сучасного екологічного стану поверхневих вод України з метою їх ефективного господарського використання”. Тема №13.4.(04+05+06), 2004-2006 рр., № держреєстрації 0104U006839; “Гідрохімічне районування поверхневих вод України за основними показниками хімічного складу”. Тема № 15.07, 2007 р., № держреєстрації 0107U009657.

Міжнародної програми українсько-канадського співробітництва “Розвиток управління навколишнім середовищем в Україні (район басейну р.Дніпро) з Канадським Центром досліджень міжнародного розвитку (IDRC) (1994-2000 рр.): “Комплексна оцінка забруднення водних мас та донних відкладів дніпровських водосховищ важкими металами, радіонуклідами та пестицидами”, 1994-1995рр.; “Оцінка сучасного рівня хімічного забруднення води та донних відкладів дніпровських водосховищ”, 1995-1997 рр., № 93-09505-9210-4.

Міжнародної програми Глобального екологічного фонду (GEF) “Екологічне оздоровлення міжнародного басейну Дніпра” (2000-2003 рр.): “Розроблення та впровадження міжвідомчої інформаційно-аналітичної бази даних “Хімічний склад та якість поверхневих вод басейну Дніпра”, 1998 - 2000 рр., № ОС 97-0003-9124.

Програми з фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України (2001-2006 рр.): “Розроблення теоретичних основ та кількісна оцінка процесів самоочищення та вторинного забруднення водних екосистем до важких металів (на прикладі водосховищ дніпровського каскаду)”. Тема Ф7/432, 2001-2006 рр., № держреєстрації 0102 U000208.

Державного замовлення з пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України “Охорона навколишнього природного середовища” (1998-2000 рр.): “Розробити та впровадити програмно-моделюючий комплекс кількісної оцінки токсичних форм важких металів у природних водах”. Тема № 8/11-98, 1998-2000 рр., № держреєстрації 0198U000437.

Національної програми з екологічного оздоровлення р.Дніпро та поліпшення якості питної води (1996-2000 рр.): “Кількісна оцінка надходження, розподілу та трансформації гумусових речовин у водосховищах дніпровського каскаду для прогнозування їх впливу на якість водних екосистем та вдосконалення методик водо підготовки”. Тема 8/47, 2000-2004 рр., № держреєстрації 0100U004831.

Бюджетної програми “Розроблення та впровадження заходів і механізмів формування умов екологічно збалансованого (сталого) розвитку” (2001-2005 рр.): “Еколого-економічна оцінка зниження рівня водосховищ дніпровського каскаду”. Тема №12/1180/19, 2004-2005рр., № держреєстрації 0104U008717; “Розроблення регіональної комп'ютерної експертної системи для передачі, збереження та обробки екологічної інформації з метою підготовки та прийняття управлінських рішень (на прикладі басейну р. Західний Буг та річок Криму”. Тема №13/1180/19/2, 2004р., № держреєстрації 0104U008718; “Розроблення регіональної комп'ютерної експертної системи для передачі, збереження та обробки екологічної інформації з метою підготовки та прийняття управлінських рішень (на прикладі басейну р. Сіверський Донець та річок Приазов'я”. Тема №14/1180/19/2, 2004р., № держреєстрації 0104U008716; “Розроблення національного кадастру викидів і поглинання парникових газів в Україні за 2004 р. за загальноприйнятими форматами звітності відповідно до вимог Рамкової конвенції ООН при зміни клімату”. Тема № 10/1290/15/7, 2007 р., № держреєстрації 0105U008686.

На замовлення ВП “Запорізька АЕС”: “Гідроекологічний моніторинг водних об`єктів регіону розташування Запорізької АЕС. Математичне моделювання процесів міграції і акумуляції радіоактивних і хімічних речовин у водних екосистемах”. Тема № 3/96, 1996-1998 рр., № держреєстрації 0196U013374; “Кількісна оцінка джерел надходження міді у водойму-охолоджувач Запорізької АЕС та розроблення рекомендацій з мінімізації її негативного впливу на екосистему водойми-охолоджувача та прилеглу акваторію Каховського водосховища”. Тема 7-2004, 2004-2008 рр., № держреєстрації 0108 U000050.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є теоретичне обгрунтування, розроблення, апробація та реалізація системних гідрохімічних досліджень для оцінки чинників та процесів формування хімічного складу поверхневих вод України з різними масштабами просторового та часового використання гідрохімічної інформації та кінцевим експериментальним підтвердженням отриманих результатів.

Для досягнення цієї мети вирішувались наступні основні завдання:

- обґрунтування та формулювання на концептуальному рівні використання теоретичних і методологічних засад системних гідрохімічних досліджень, що базуються на знаннях та параметризації фундаментальних процесів, які визначають закономірності поведінки речовин у складній багатокомпонентній системі поверхневих вод;

- розроблення, апробація і впровадження у практику гідрохімічних досліджень сучасних комп'ютерних систем для зберігання і обробки гідрохімічної інформації;

- розроблення, апробація і застосування методів термодинамічного моделювання хімічних рівноваг у природних водах для оцінки їх стану та прогнозування якості;

- проведення багаторічних експедиційних базисних досліджень на різних водних об'єктах України для експериментального підтвердження теоретичних припущень та модельних розрахунків;

- обґрунтування і реалізація теоретичних та методологічних засад експериментальної гідрохімії для оцінки стану і прогнозування якості поверхневих вод;

- розроблення, апробація і впровадження у практику гідрохімічних досліджень широкого спектру новітніх методів та технологій залежно від рівня вирішення завдань та об'єктів досліджень;

- узагальнення умов формування хімічного складу та якості поверхневих вод України під впливом природних і техногенних чинників;

- кількісна оцінка сучасного стану і тенденції зміни складу та якості поверхневих вод України за останні 15 років;

- теоретичне обґрунтування й експериментальна оцінка процесів самоочищення водного середовища та побудова на їх основі концепції відновлення якості водних об'єктів.

Наукова новизна результатів. Наукова новизна полягає у розробці наукового напряму та методології системних гідрохімічних досліджень, що включає: гідрохімічний якість поверхневий вода

- уперше сформульовано принципи та засади системних гідрохімічних досліджень на основі розвитку та синтезу загальногеографічних підходів та основних теоретичних і експериментальних напрямів гідрохімії - вивчення процесів формування складу та якості поверхневих вод, регіональної та експериментальної гідрохімії та практичної реалізації зазначених розробок на прикладі поверхневих вод України;

- уперше в умовах натурних досліджень з використанням результатів лабораторних експериментів і матеріалів термодинамічних розрахунків отримано чисельні характеристики трансформаційних змін та міжфазового розподілу елементів у системі “атмосферні опади - ґрунтовий комплекс водозборів - річкова вода” та “вода - завислі речовини - донні відклади”, які використані для прогнозування складу та якості поверхневих вод окремих річкових басейнів України;

- уперше обґрунтовано, адаптовано до реальних умов водного середовища, експериментально перевірено та доведено до чисельних розрахунків використання програмно-моделювального комплексу, основаного на вирішенні завдань рівноважної термодинаміки для широкого спектру задач;

- уперше запропоновано та реалізовано ідею використання сучасних інформаційно-аналітичних систем для збереження, аналізу, багатовекторного представлення гідрохімічної інформації з широким набором користувальницьких функцій;

- уперше зроблено теоретичне припущення та на підставі результатів системних досліджень кількісно показано можливість відновлення якості поверхневих вод України, що може бути основою для розроблення концепції ефективного відновлення стану поверхневих вод в умовах економічного зростання України;

- уперше теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що основні процеси трансформації важких металів відбуваються у водному середовищі у системі “вода-завислі речовини”;

- на прикладі каскаду дніпровських водосховищ показано, що водні об'єкти - це потужні біогеохімічні бар'єри. За сучасних фізико-хімічних, гідрологічних і гідробіологічних умов, що склалися у водосховищах, основний потік поллютантів направлений в донні відклади;

- отримано дані стосовно форм знаходження Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Cd у поверхневих водах основних річок України та виконано моделювання їх змін у широкому діапазоні концентрацій мінеральних та органічних лігандів;

- уперше, на основі системного аналізу багаторічних економічних показників -

об'єму валового внутрішнього продукту України, енергоспоживання, динаміки викидів забруднювальних речовин та кількісної оцінки вмісту хімічних речовин у атмосферних опадах і поверхневих водах усіх річкових басейнів України - виявлено взаємозв'язок між зазначеними характеристиками.

Теоретичне і практичне значення отриманих результатів. За результатами проведених автором досліджень започатковано новий науковий напрям системних гідрохімічних досліджень, що базується на поєднанні географічних підходів вивчення умов та чинників формування хімічного складу поверхневих вод з фізико-хімічними процесами трансформації речовин у водному середовищі.

Запропоновано та реалізовано ідею використання сучасних інформаційно-аналітичних систем для збереження, обробки, аналізу, багатовекторного представлення гідрохімічної інформації.

Розроблено та адаптовано до реальних умов водного середовища програмно-моделювальний комплекс для термодинамічних розрахунків форм знаходження речовин та хімічних елементів у різних типах природних вод, моделювання їх міжфазового розподілу і трансформації, розрахунку рівноважного стану основних гідрохімічних систем, основаного на вирішенні завдань рівноважної термодинаміки.

Розроблена та використовується у практичній роботі універсальна інформаційно-аналітична система (ІАС) “Хімічний склад та якість поверхневих вод України”, що являє собою синтез комп'ютерних баз даних та чисельних блоків їх обробки й картографічного представлення.

Досліджено гідрофізичні та фізико-хімічні умови надходження і трансформації хімічних речовин у річки Дніпро, Прип'ять і Десна та розроблено рекомендації з оптимізації водопідготовки на Дніпровському і Деснянському водозаборах м. Києва.

Розроблено та впроваджено у практичну діяльність ВП “Запорізька АЕС” схему комплексного моніторингу водойми-охолоджувача та прилеглої акваторії Каховського водосховища.

Щорічно готуються матеріали про екологічний стан поверхневих вод України, які надаються до Національної доповіді про стан навколишнього природного середовища в Україні. На підставі експериментальних досліджень автора та використання багаторічних матеріалів Державної гідрометслужби зроблено узагальнення щодо основних закономірностей формування хімічного складу та якості поверхневих вод України за останні 15 років. Розроблена та працює у режимі on-line екологічна база даних басейну Дніпра у межах Росії, Білорусі та України (www.dnipro-ecobase.org.ua).

Особистий внесок здобувача. Методологію та головні аспекти застосування положень системної гідрохімії щодо умов та факторів формування складу поверхневих вод України розроблено та реалізовано автором самостійно. Комплекс багаторічних експедиційних досліджень на водосховищах дніпровського каскаду та інших водних об'єктах під науковим керівництвом та за безпосередньої участі автора виконано спільно з співробітниками відділу гідрохімії та радіаційного моніторингу природного середовища УкрНДГМІ, Проблемної науково-дослідної гідрохімічної лабораторії географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Програмне забезпечення для розроблених комп'ютерних інформаційно-аналітичних систем та термодинамічних моделей виконане під науковим керівництвом та за методиками і алгоритмами автора. Автор безпосередньо спланував увесь цикл натурних хіміко-аналітичних робіт та лабораторних експериментів, які виконані під його керівництвом та за безпосередньої участі. Обробка та інтерпретація отриманих результатів виконані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались та були оприлюднені на: Симпозіумі “Гідрологічні, хімічні та біологічні процеси трансформації забруднювальних речовин у водних екосистемах” (Ростов-на-Дону, 1993), Міжнародному симпозіумі з технологічного впливу людства на довкілля (Карлсруе, Німеччина, 1996); 10-му міжнародному симпозіумі з явищ розчинності (Варна, Болгарія, 2002); 10-му Україно-Польському симпозіумі “Теоретичне та експериментальне вивчення граничних явищ та їх технологічне застосування” (Львів, 2006), VI-му Всеросійському гідрологічному з'їзді (Санкт-Петербург, 2004); II-му та IV-му з'їздах Гідроекологічного товариства, (Київ, 1997; Крим, 2005), Міжнародних водних форумах “АКВА Україна» (Київ, 2003 та Київ, 2007), II-ій Міжнародній конференції “Метали у навколишньому середовищі” (Вільнюс, Литва, 2001), Міжнародній конференції з хімії та міграції актиноїдів та продуктів розщеплення в геосфері MIGRATION'07 (Мюнхен, Німеччина, 2007); XII-ій та XXII-ій Конференціях Придунайських країн з гідрологічного прогнозування та обґрунтування водного управління, (Будапешт, Угорщина, 1994; Брно, Чехія, 2004); Міжнародній конференції “Менеджмент річкових басейнів” (Лас Пальмас, Іспанія, 2003); Міжнародній конференції “Використання сучасних інформаційних технологій для оцінки екологічного стану великих річкових басейнів” (Київ, 2003); VI-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Вода: проблеми та рішення” (Дніпропетровськ, 2001), Першій, Другій та Третій Всеукраїнських наукових конференціях “Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія” (Київ, 2001, 2003, 2006); Всеукраїнській екологічної конференції “Україна - рік після 5-ої Всеєвропейської конференції міністрів охорони навколишнього природного середовища “Довкілля для Європи” (Київ, 2004); II-ій науково-технічній конференції, присвяченій 75-річчю Одеського державного екологічного університету “Навколишнє природне середовище - 2007: Актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки” (Одеса, 2007); Міжрегіональній науковій конференції “Проблеми екологічної оптимізації землекористування та водогосподарського будівництва в басейні р. Дніпро” (Київ, 1992).

Публікації. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи викладено у 67 наукових працях, з них: 4 монографії, 37 статей, з яких 25 у фахових періодичних виданнях, рекомендованих ВАК України, 26 публікацій тез доповідей і матеріалів всеукраїнських і міжнародних наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, узагальнення, висновків, списку використаних літературних джерел з 597 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 811 сторінок, з яких 430 сторінок текстової частини, 312 рисунків, 91 таблиця та 13 додатків на 226 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 наведено основні природні чинники формування хімічного складу поверхневих вод України. Річковий басейн разом із атмосферними опадами утворює природну динамічну систему, де відбувається кругообіг не лише води, а й хімічних елементів та їх сполук. Розвиток зазначених процесів у різних природних середовищах супроводжується змінами водного циклу, фазовими перетвореннями води і трансформацією її хімічних і біологічних показників під впливом природних і техногенних чинників. Зважаючи на це, можна стверджувати, що формування хімічного складу поверхневих вод починається в атмосфері, продовжується в літосфері, а закінчується безпосередньо у водних об'єктах На відміну від раніше встановлених закономірностей про обернений зв'язок між головними іонами та витратами води для річок зони достатнього зволоження нами встановлені відмінності в умовах формування хімічного складу поверхневих вод річкових басейнів розташованих у різних фізико-географічних зонах України.

Для басейнів річок зони достатнього зволоження (верхня частина басейну Дніпра, р.Прип'ять, р.Десна) спостерігається промивний режим ґрунтів зі збідненням у них добре розчинних солей. Підвищення коефіцієнту випаровування (лівобережні притоки Дніпра - річки Псел, Орел, Ворскла, Самара, більша частина басейну Сіверського Донця, річки Приазов'я) призводить до накопичення солей у товщі активного водно-сольового обміну, що спричиняє збільшення концентрацій окремих елементів хімічного складу під час контакту атмосферних опадів з ґрунтами. Показано, що співвідношення між кількісними характеристиками опадів та температурою повітря є ключовим чинником у формуванні динаміки головних іонів поверхневих вод України у часі та просторі.

Представлено головні закономірності внутрішньорічного розподілу кисневого режиму поверхневих вод України під впливом природних чинників (температура, органічні речовини,). Наведено дані щодо залежності вмісту розчинного у воді кисню від тривалості та особливостей формування льодоставу.

Отримані результати показали, що надходження біогенних елементів у поверхневі води значною мірою визначається їх змивом з поверхні басейну у результаті контакту атмосферних опадів з ґрунтами, в той час як розвиток фітопланктону призводить до зменшення вмісту зазначених речовин, а у пік вегетації - практично до повного їх зникнення.

Показано, що режим органічних речовин у річному циклі тісно пов'язаний з водністю. Встановлено пряму лінійну залежність між витратами і вмістом розчинних органічних речовин, що має декілька гілок у різні періоди живлення річок.

Виконано термодинамічне моделювання умов формування величини рН води р. Дунай, р.Західний Буг та Канівського водосховища з метою виявлення основних чинників, що спричинили підвищення води зазначених річок . Отримані результати дозволили теоретично обґрунтувати, що величина рН води у всіх трьох досліджених водних об'єктах відхилена від рівноважної.

У розділі 2 представлено результати досліджень впливу антропогенних чинників на формування хімічного складу поверхневих вод. Показано, що точкові джерела забруднення чинять локальний вплив на екосистему річки-приймальника. Найбільший вплив точкових джерел відзначається за такими параметрами як сполуки азоту й фосфору. Головну роль у цьому процесі відіграють недостатньо очищені стічні води комунальних підприємств. Зміни мінералізації води нижче випусків стічних вод незначні й обумовлені переважно сульфатними і хлоридними іонами. Підвищення концентрацій важких металів у водних об'єктах нижче водовипусків виражено набагато слабкіше. Це зумовлено як розбавленням води, так і фізико-хімічними процесами трансформації сполук важких металів, які призводять до їхнього виведення з водної товщі з наступним депонуванням у донних відкладах.

Узагальнення даних, отриманих на мережі спостережень Держгідромету України за період 1990 - 2006 рр., свідчить про значне зменшення вмісту в поверхневих водах України багатьох забруднювальних речовин, серед яких найбільші зміни торкнулися біогенних елементів, органічних речовин, важких металів. Концентрації зазначених інгредієнтів за досліджуваний період зменшилися майже вдвічі, що призвело до значного покращення якості води. Причиною змін якості води став спад промислового виробництва, який призвів до зменшення енергоспоживання, зниження об'єму скидів стічних вод, використання засобів агрохімії. Щільність лінійного зв'язку між величиною валового внутрішнього продукту і вмістом у більшій частині річкових басейнів характеризується коефіцієнтом кореляції близьким до 0,9.

Важливим інтегральним показником, який відображає загальний рівень техногенного впливу на довкілля, є сумарні викиди парникових газів (ПГ), величина яких зменшилася з 892 млн. екв у 1990 р. до 381 млн. у 2004 р. Зменшення кількості забруднювальних речовин у атмосферному повітрі призвело до зниження в атмосферних опадах вмісту біогенних елементів та окремих головних іонів, що підтверджують результати натурних спостережень. Розраховано щорічну величину атмосферного складника речовинного балансу в межах окремих річкових басейнів та України в цілому за період з 1989 р. до 2003 р. Так, якщо в 1990 р. у поверхневі води з атмосферними опадами надійшло 11380 тис. т головних іонів і 1657 тис. т азоту мінерального, то у 2003 р. ці величини відповідно становили 6754 тис. т та 747 тис. т. Кількісні показники атмосферних випадінь хімічних компонентів тісно корелюють з викидами відповідних ПГ.

Виявлено тісну лінійну залежність концентрацій сульфатних іонів, та органічних речовин) у різних річкових басейнах України з об'ємами скидів стічних вод.

На прикладі басейну Дніпра виконані оціночні розрахунки впливу урбанізованих територій на хімічний склад поверхневих вод. Встановлено, що відносний приріст стоку хімічних речовин нижче міст у середньому становить 132% для близько 80% для амонійної і нітритної форм азоту та 40% для Середній приріст стоку компонентів токсичної дії, таких як феноли та ряд важких металів (цинк, хром (6+), мідь), коливався у межах 10 - 30%, нижче міст зростають концентрації таких речовин як СПАР та нафтопродукти. Найменшою мірою урбанізація впливає на іонний склад води, який визначається переважно природними чинниками. Рівень забрудненості річок визначається не лише кількістю забруднювальних речовин, що надходять зі стічними водами, а й водністю річки. Найбільший вплив міст, розташованих у басейнах річок, проявлятиметься саме в маловодні роки. Встановлено, що найбільш забрудненими стічними водами міст є річки Уди та Лопань, які приймають стічні води м. Харкова, та р. Полтва, до якої надходять стоки м. Львова.

У розділі 3 зазначено теоретичний базис процесів, що визначають речовинний обіг та поведінку окремих елементів у водних екосистемах, трансформацію хімічних елементів у системі “атмосферні опади - ґрунтовий комплекс”, “вода - завислі речовини”, “вода - донні відклади” та спричиняють самоочищення води.

Одним із основоположних процесів, що визначає поведінку багатьох хімічних елементів після їх надходження у водне середовище є адсорбція речовин у системі “вода - завислі речовини”.

Нами теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що одним з основних показників адсорбції є площа поверхні адсорбенту. Отримані результати дозволили зробити висновок, що у водних екосистемах процеси адсорбції відбуваються переважно на межі розділу фаз “вода - завислі речовини”. Вагомим чинником адсорбції важких металів (ВМ) завислими частинками є наявність в їхньому складі органічних речовин. Отримано емпіричні залежності концентрації важких металів від процентного вмісту органічних речовин у різноманітних типах донних відкладів.

Представлено експериментальні дані щодо розподілу ВМ у фракціях донних відкладів Дніпра та Дунаю різного гранулометричного складу. На прикладі Канівського водосховища (100 км відрізок від м.Київ до с. Стайки) побудовано детальні картосхеми розподілу важких металів у донних відкладах зазначеної ділянки.

Зроблено висновок, що за фізико-хімічних умов водного середовища, що характерні для більшої частини річкових і озерних екосистем України, напрямок перерозподілу й трансформації більшої частини важких металів відбувається згори - донизу, тобто частина ВМ переходить з фази розчину внаслідок сорбції твердою фазою завислих речовин і далі депонується у донні відклади у зонах з активними седиментаційними процесами. Донні відклади слугують переважно як “депо” виведених компонентів.

На прикладі водосховищ дніпровського каскаду уперше виконано розрахунки потоків важких металів із донних відкладів за рахунок молекулярної дифузії. Описано методологію та схему досліджень, яка включає отримання необхідного набору експериментальних та розрахункових даних (у тому числі результатів термодинамічного моделювання ), алгоритм та послідовність обчислень.

Показано, що ймовірність вторинного забруднення води є суттєвою лише для мангану. В локальних зонах активного мулонакопичення потік мангану може досягати

У разі збільшення рН водного середовища багато розчинених у воді елементів (Fe, Mn, Hg, Be, Cr(III) зазнають дії процесу гідролізу й, утворюючи малорозчинні сполуки, виводяться з фази розчину. Серед розчинених у поверхневих водах катіонів до найбільш сильних елементів-гідролізаторів відносяться залізо, хром і алюміній.

Міжфазовий перерозподіл розчинених у воді елементів визначається також процесом утворення малорозчинних сполук, до яких в окисних умовах середовища відносяться карбонатні сполуки, а у відновних умовах - сульфідні.

Розчинені у поверхневих водах катіони утворюють з карбонатами важкорозчинні сполуки з наступним їх виведенням із фази розчину. Найбільш важлива роль цього процесу для міграції макроіонів кальцію та магнію, а також мікрокомпонентів: Fe, Mn, Co. Ступінь утворення малорозчинних карбонатних сполук визначали за допомогою показника SI - індексу насичення води стосовно відповідного мінералу.

У відновних умовах (придонні шари води, порові розчини донних відкладів) утворюються сульфіди, що мають невисокий добуток розчинності з Fe, Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Ni, Hg. Сульфіди здатні витісняти катіони металів з інших комплексних сполук з наступним утворенням сульфідного комплексу.

Осадження малорозчинних сполук супроводжується співосадженням другорядних сполук за рахунок сорбції елементів на поверхні утворюваних колоїдів. Експериментально показано, що високою сорбційною ємністю й спорідненістю до ВМ характеризуються водні оксиди мангану, алюмінію й заліза. Співосадження металів з гідроксидами зазначених металів різко збільшується в разі зростання рН внаслідок зростання поверхневого негативного заряду. Осадження ВМ на гідроксидах може здійснюватись як шляхом фізичної сорбції, так і внаслідок утворення більш стійкого хімічного зв'язку шляхом заміщення водню в гідроксильній групі на іон металу. Виконані натурні дослідження показали, що у донних відкладах дніпровських водосховищ найбільша кількість ВМ знаходиться у формі, асоційованій з оксидами й гідроксидами заліза та мангану: Mn - 59-73%; Pb - 37-54%; Cd - 26-51%; Zn - 36-55%. Отримано тісний лінійний кореляційний зв'язок між залізом і ВМ, а його щільність у вигляді коефіцієнта кореляції для різних пар металів становила: Fe-Mn-0,79; Fe-Zn-0,91; Fe-Pb-0,94. Отримані результати дозволили зробити висновок, що вивчені метали стосовно їх здатності виводитися із фази розчину у складі оксидів Fe і Mn можна розділити на 3 групи. До першої належить манган як складник самого носія. Його відносний вміст у складі Fe - Mn оксидів перевищує 60%. Основну, другу групу складатимуть свинець, цинк, кадмій і нікель, частка яких у складі вказаних оксидів варіює у межах 30-50%. Третьою і найменшою є частка міді - менше 10%. Такий розподіл елементів на групи чітко вказує на наявність “конкуренції” між процесами сорбції та комплексоутворення. Метали, що добре вступають у комплексні сполуки, значно менше сорбуються оксидами заліза та мангану, оскільки частина їхніх здатних до обміну іонних форм, зменшена. У випадку міді, очевидно, на гідроксидах виводиться частка високомолекулярних органічних сполук міді. Це також підтверджується поступовим зменшенням кількості міді, що виводиться з розчину на гідроксидах заліза та мангану, на ділянці від Київського до Каховського водосховища.

При зростанні лужності середовища істотну роль відіграє співосадження ВМ на карбонатах кальцію. Отримані експериментальні результати показали, що на карбонатах кальцію відбувається істотне виведення із фази розчину таких металів як мідь, цинк і свинець. Зазначені метали формують з карбонатами найменш розчинні сполуки. Відзначається загальна тенденція збільшення співосадження ВМ з карбонатом кальцію із зростанням рН води. При досягненні рН=9 із розчину виводиться 90-100% розчинених металів.

На відміну від процесів сорбції, гідролізу, утворення малорозчинних сполук і співосадження, які сприяють виведенню елементів із фази розчину, утворення комплексних сполук спричиняє підвищенню міграційної здатності елементів.

Основною формою міграції розчинених у воді ВМ є комплексні сполуки з розчиненою органічною речовиною, а домінуючим лігандом є фульвокислоти. Проведено термодинамічне моделювання форм міграції ВМ у воді річок України, мінералізація яких змінювалась від 240 мг/дм³ до >3000 мг/дм³ та за наявності фульвокислот у широкому діапазоні їх концентрацій. У цілому ступінь закомплексованості металів зростала із збільшенням рН води та підвищенням вмісту ліганду.

Для заліза характерний високий ступінь закомплексованості, а домінуючою формою його міграції у всіх досліджених річках є фульватні й гідроксофульватні комплексні сполуки У воді Каховського водосховища сумарний вміст зазначених комплексних сполук заліза коливався протягом року в межах 85,7-96,2% Fe_розч. Спостерігалася тенденція збільшення кількості “вільних” форм металу зі зростанням мінералізації води. За умови зростання рН води до 8 одиниць, відносна частка комплексних сполук заліза Fe-ФК зменшується внаслідок утворення гідроксоформ.

Для міді характерна висока закомплексованість розчинених форм. Комплексні сполуки міді, відповідно до їх відносного вмісту, розташовуються у наступній послідовності: фульватні й гідроксофульватні гідроксидні (карбонатні комплекси. Вплив процесу гідролізу є найбільшим у діапазоні рН 8,0-8,3, коли сума гідроксокомплексів досягає 17%. У воді Каховського водосховища відносна частка комплексних сполук типу (протягом року коливалась у межах 85,4-91,3%, що більше порівняно з дослідженими річковими водами, і обумовлено більшим вмістом фульвокислот. Вплив мінералізації води на комплексоутворення міді аналогічний тому, що встановлений для заліза.

Вміст “вільної” форми нікелю зменшується зі зростанням рН. Основні форми міграції Ni визначаються конкуренцією фульватних і карбонатних лігандів. Відносна частка фульватних і гідроксофульватних комплексів нікелю (Ni-ФК) при від 41% до 86%, збільшуючись із зменшенням мінералізації води. Проведені розрахунки показали, що для нікелю майже не характерний гідроліз, а відносна кількість карбонатних комплексних сполук зростає від долі відсотка (рН=6,0) до максимуму - 40% (рН=8,25).

Ступінь закомплексованості свинцю у водах досліджених річок за становить 97%. За кількість “вільних” форм металу становить більше 20%, поступово зменшуючись із підвищенням води і повністю зникає при Серед комплексних сполук істотної ваги набувають фульватні та карбонатні комплекси металу. У солонуватих водах (річки Самара та Вовча) за величини спостерігається понад 20% сульфатних комплексних сполук свинцю, а в разі зростання 5 їх вміст зменшується до кількох відсотків.

Ступінь закомплексованості кобальту нижчий порівняно з вище зазначеними металами. За 0 кількість «вільних» іонів у досліджених річках становить близько 20% для солонуватих вод і 40% для прісних. Кобальт у поверхневих водах мало зазнає дії гідролізу, оскільки утворення його основних гідроксоформ зміщено в лужну область. Основна частина комплексних сполук представлена фульватними та карбонатними комплексами у прісних водах (річки Латориця, Уж, Уборть, Тетерів) та сульфатними комплексами у солонуватих водах.

Цинк відноситься до елементів середнього ступеню закомплексованості. При середній вміст його іонної форми у солонуватих водах близький до 50%, а в прісних водах значно перевищує 50%. За отриманими нами результатами серед комплексних сполук металу за рН до 7,5 переважають фульватні та карбонатні комплекси. У разі подальшого збільшення рН внаслідок зростання концентрацій карбонатних іонів останні набувають переважного значення. Для фульватних комплексів металу характерне збільшення їхньої кількості зі зменшенням мінералізації води. У мінералізованих водах переважають сульфатні комплекси металу.

Кількість незакомплексованих форм кадмію у воді прісних річок становить 50-60% його загальної кількості, а в солонуватих водах знижується до 35% внаслідок утворення неорганічних комплексів. Нижче у воді домінують акваіони кадмію, а вище цієї точки - його карбонатні комплекси. Вміст фульватних комплексів металу відзначався тільки в маломінералізованих водах (водах, що пов'язано з конкуруючим впливом головних іонів, у першу чергу гідрокарбонатних і карбонатних. Останній має константу близьку до фульватного комплексу кадмію

Домінуючою формою міграції мангану є його не закомплексовані іони, вміст яких становить понад 80% у прісних водах і близько 60% - у мінералізованих. Зменшення частки “вільних” іонів мангану у воді солонуватих річок компенсується за рахунок утворення сульфатних комплексних сполук. Виконані модельні розрахунки показали також наявність карбонатних комплексів мангану, проте у всіх досліджених річках їхній вміст був незначним і досягав 10% при зростання до 8 одиниць. Вміст органічних комплексів мангану становив кілька відсотків.

Біологічні й міграційні властивості розчинених речовин значною мірою залежать від ступеню їх окиснення. Основними потенціал-визначальними системами поверхневих вод є система кисню (окисні умови) й система сірки (відновні умови). Значні відновлювальні властивості має також розчинена органічна речовина. У відновних умовах ⁺ переходять у двовалентну форму й утворюють відносно добре розчинні сполуки, що сприяє вторинному забрудненню води. В окисному середовищі сірка, хром, ванадій утворюють розчинні сполуки, а залізо й манган - важкорозчинні сполуки що і пояснює їхню низьку міграційну здатність.

Температура води здебільшого чинить незначний вплив на процес зв'язування іонів важких металів у комплексні сполуки. Тільки для нікелю спостерігається зменшення “вільних” іонів у діапазоні температур 1-10^оС та за ростає у всьому досліджуваному діапазоні рН.

Вміст кисню у воді визначається процесами газообміну з атмосферою, фотосинтезом, окисненням органічних речовин, сполук азоту, заліза, мангану. У воді водосховищ концентрації кисню вищі порівняно з річками, що пов'язано з інтенсивнішим розвитком фітопланктону.

У період тривалого льодоставу у дніпровських водосховищах часто спостерігається явище задухи. Результати проведених нами багаторічних досліджень на прикладі Канівського водосховища дозволили дійти висновку, що основними передумовами виникнення задухи у водосховищі в підльодовий період є тривалість льодоставу, що визначається температурою повітря, кількісним і якісним вмістом розчинених органічних речовин, заліза й амонію.

На основі багаторічних спостережень (1989-2005 рр.) проведено типізацію річок України за кисневим режимом. Встановлено наявність трьох основних типів зазначеного режиму: стабільний, нормальний та недостатнього насичення.

Показано, що розчинення відіграє основну роль при переході у водне середовище добре розчинних солей ґрунтового комплексу, а вилуговування спостерігається переважно при уповільненому водообміні, значному коливанні рівня ґрунтових вод у засолених породах.

В умовах замкнутих водойм та при випаровуванні мінералізованих ґрунтових вод важливе значення у формуванні іонного складу води набуває випаровування. На основі багаторічних експериментальних досліджень на водоймі-охолоджувачі Запорізької АЕС показано, що за рахунок випаровувального концентрування у водному середовищі накопичуються добре розчинні хлоридні та сульфатні солі натрію і калію, відбувається зсув рівноважного стану карбонатно - кальцієвої системи з наступним виведенням із водного середовища твердої фази СаСО_3тв.

У розділі 4 представлено узагальнені результати закономірностей трансформації речовин (на прикладі ВМ), що є основою для прогнозування якості водних екосистем.

Результати натурних спостережень і дані комп'ютерного термодинамічного моделювання показали, що ВМ за фізико-хімічних умов, характерних для поверхневих вод, перебувають у термодинамічно нестійкому стані. Це призводить до переходу значної кількості металів із розчину у завислу форму міграції й подальшому їх депонуванню у донних відкладах.

Серед різних металів у поверхневих водах у найбільшій кількості присутнє залізо, що визначається його високим кларком у ґрунтах і водовміщуючих породах. Закономірності міграції заліза у воді визначаються наступними його основними властивостями: високою спорідненістю до глинистих мінералів, малою розчинністю гідроксиду заліза та здатністю до утворення стійких комплексних сполук з лігандами гумусової природи. Отримані нами розрахункові дані показали, що у разі відсутності фульвокислот (ФК) у водному середовищі залізо при підвищенні рН води зазнає гідролізу й виводиться з розчину. Наявність у воді ФК сприяє утриманню заліза в розчині. При співвідношенні залізо утримується в розчині до при більш широкому співвідношенні воно залишається в розчині й при подальшому збільшенні рН. Шляхом термодинамічних розрахунків нами виконано дослідження граничних концентрацій гумусових речовин, що лімітують міграцію розчиненого заліза у воді рнеобхідна наявність у воді 15 ФК, а за =8,0 відповідно 20 мг/дм³ і 30 мг/дм³.

В умовах наявності у воді заліза виявлено зрушення рівноваги процесів “гідроліз - комплексоутворення” інших ВМ в сторону їх гідролізу. Поведінка міді в системі вміст яких досягає максимуму 8,5. Підвищена кількість заліза у воді сприяє інтенсивнішому розвитку гідролізу міді. Так, за відносний вміст гідроксокомплексів міді змінюється від 10% (концентрація заліза в системі 0,04 мг/дм³) до більше 50% за концентрації заліза 1,5 мг/дм³.

Отримані результати показали, що значна кількість заліза у воді істотно впливає на здатності інших розчинених у воді важких металів утворювати комплексні сполуки за рахунок блокування Fe³⁺активних центрів фульвокислот.

Завдяки наявності заліза у порових розчинах у формі гідроксофульватних комплексних сполук, воно практично не надходить у придонні шари води внаслідок молекулярної дифузії.

Розрахунок хімічних рівноваг різних форм мангану й численні натурні дослідження показали, що в умовах поверхневих вод він переважно міститься у формі гідратованих іонів. На відміну від заліза манган характеризується слабкою здатністю до комплексоутворення. Міграція цього елемента у водному середовищі у вигляді передбачає, насамперед, утворення його гідроксидів (за високих величин рН річкових вод), співосадження на гідроксидах Fe, а також включення до глинистих завислих речовини внаслідок реакції іонного обміну.

Вивчення форм знаходження нікелю, цинку, свинцю, кобальту у твердій фазі донних відкладів засвідчило, що їх переважна кількість знаходиться у важкодоступних формах, які практично не можуть переходити у воду. Тільки кадмій та манган, що містяться у донних відкладах у легкосорбованій формі, можуть загрожувати вторинним забрудненням води.

У розділі 5 представлено розроблену інформаційно-аналітична систему (ІАС) “Хімічний склад та якість поверхневих вод України”, яку апробовано та адаптовано для основних річкових басейнів України. ІАС призначена для збереження, комплексної обробки та представлення первинної та обробленої гідрохімічної інформації з різними масштабами часового та просторового розділення.

ІАС включає бази даних, окремі аналітичні модулі, ґеоінформаційну систему обробки та різнопланового представлення гідрохімічної інформації. В комп'ютерній системі інформаційні об'єкти представлені у вигляді баз даних в операційній системі MS Windows. Структура управління базами даних розроблена на базі MS Visual FoxPro. Збереження даних здійснюється у DBF - форматі, обробка та візуалізація інформації - з допомогою ГІС MapInfo, а також розроблених нами програмних засобів.

Інформаційною основою системи є первинна аналітична інформація про хімічний склад поверхневих вод України отримана Державною гідрометеорологічною службою України за 1989-2007рр. Мережа спостережень складає близько 230 пунктів і 360 створів, розташованих на 122 річках, 7 озерах, 15 водосховищах та 1 каналі.

Основні принципи й специфіка ІАС:

- оптимальна щодо можливостей вихідної версії ІАС систематизація, комп'ютерно-технологічна схематизація й нормалізація наявної басейнової гідрохімічної та гідрологічної інформації з використанням сучасних стандартних інформаційних технологій і апаратних засобів;

- забезпечення взаємозалежного багатофункціонального аналізу й інтерпретації інформації ІАС для максимального відображення запитів основних користувачів;

- облік реальних інформаційних потоків у суб'єктах моніторингу поверхневих вод, а також відповідних показників, які використовуються різними відомствами й організаціями;

- басейновий принцип накопичення й використання ґідроекологічної інформації;

- реляційний тип ІАС, блоковий принцип її побудови й загальна доступність бази створюють можливість постійного нарощування обсягів і коригування номенклатури та якості інформації;

- спрямованість на можливу подальшу трансформацію у ґеоінформаційну систему гідросфери в цілому з елементами системи екологічного менеджменту.

Розроблена концепція ІАС була використана для створення загальної для Республіки Білорусь, Російської Федерації й України екологічної бази даних басейну Дніпра (www.dnipro-ecobase.org.ua).

У розділі 6 виконано аналіз регіональних особливостей хімічного складу поверхневих вод України у межах основних басейнів за період 1990 - 2006 рр., який показав, що загальна мінералізація води та вміст головних солей переважно визначаються природними чинниками і тісно пов'язані з водністю річок. У річках гумідної зони між зазначеними показниками існує обернений взаємозв'язок різного ступеню щільності.

З початку 90-х років у поверхневих водах України відзначалася сприятлива тенденція до зменшення вмісту мінеральних сполук азоту і фосфору, що було пов'язано із зменшенням надходження промислових і комунально-побутових стічних вод. Однак, із відновленням виробництва вміст мінеральних сполук азоту у басейнах Дунаю, Дніпра, Дністра та Західного Бугу поступово зростає. У басейнах Сіверського Донця та Південного Бугу після незначного зростання наприкінці 90-х років вміст утримується на стабільному рівні і тільки у річках Криму, Приазов'я спостерігається його подальше зменшення.

Для поверхневих вод України рівень забруднення важкими металами залишається високим, не зважаючи на тенденцію зменшення їх вмісту у більшості водних об`єктів. Найменший вміст важких металів спостерігався у водних об`єктах Криму.

Найбільш забрудненим водним об'єктом басейну Західного Бугу є р. Полтва, що приймає близько 500 тис. стічних вод м. Львова. Скиди стічних вод обумовлюють високий середній вміст мінеральних сполук азоту. Високий вміст органічних речовин призводить до постійного дефіциту кисню і виникнення задухи.

Основне забруднення поверхневих вод басейну Дунаю було характерним для його карпатських приток і спричинено впливом населених пунктів через скид неочищених стічних вод.

Досить значним залишається забруднення вод басейну Дунаю важкими металами.

У басейні Дністра найвищим рівнем забруднення за всіма досліджуваними показниками характеризуються води р. Тисмениці. Протягом усього року тут спостерігається недостатній рівень насичення води киснем. У басейні Дністра збільшилась кількість випадків високого забруднення нафтопродуктами.

У басейні Південного Бугу найбільш істотним забрудненням характеризувались води р. Південний Буг у створі м. Хмельницького та р. Інгул у створі м. Кіровограда.

Характерною особливістю вод басейну Дніпра є повсюдне зростання вмісту біогенних елементів (мінеральні сполуки азоту та фосфору), що спостерігається починаючи з 2002 р. У 2006 р. у воді кожної третьої річки середній вміст NH₄⁺ перевищував ГДК.

Значне надходження стічних вод м. Рівного у води р. Устя регулярно призводить до порушення кисневого режиму річки аж до виникнення його дефіциту. Не зважаючи на майже десятирічну тенденцію до зменшення у водах басейну специфічних забруднювальних речовин (важкі метали, нафтопродукти, СПАР, феноли), що потрапляють у поверхневі води внаслідок діяльності людини, їх вміст у басейні Дніпра до цього часу залишається істотним.

Поверхневі води Криму та Північно-Кримського каналу відносяться до найбільш сприятливих за їх хімічним станом.

Для поверхневих вод Приазов'я характерним є не тільки значний вміст розчинених солей, а й високе забруднення сполуками азоту, що протягом останнього десятиріччя має тенденцію до збільшення. Основними осередками забруднення річок є великі промислові центри (Донецьк, Єнакієве, Маріуполь), що скидають недостатньо очищені стічні води. Особливо ситуація погіршується влітку, коли природний стік річок мінімальний.