Гідролого–гідохімічні характеристики та якість вод річок Псел та Ворскла

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Одеський державний екологічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Гідролого-гідохімічні характеристики та якість вод річок Псел та Ворскла

Пилип'юк Віктор Вікторович

Одеса - 2016

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор географічних наук, професор Лобода Наталія Степанівна Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор Cніжко Сергій Іванович Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, завідувач кафедри метеорології та кліматології

кандидат географічних наук, доцент Шахман Ірина Олександрівна Херсонський державний аграрний університет, доцент кафедри екології та сталого розвитку

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 Вольвач О.В.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми обумовлена необхідністю визначення змін гідрологічного, гідрохімічного та гідроекологічного стану водних об'єктів України в умовах антропогенного впливу та глобального потепління з метою оптимізації управління водними ресурсами. Наукові дослідження відповідають Закону України «Про Основні засади (стратегії) державної екологічної політики України на період до 2020 року» (Відомості Верховної ради України, 2011, № 26, ст. 218) де відзначається, що одними з основних задач у сфері забезпечення інтеграції екологічної політики в процес соціально - економічного розвитку України «є підготовка та впровадження секторальних стратегій щодо … якості води та управління водними ресурсами …» «та у сфері зміни клімату з урахуванням ключових напрямків щодо запобігання зміні клімату, а також адаптації до змін клімату».

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі розділи дисертації увійшли складовими частинами до таких науково - дослідних робіт, що виконувались на кафедрі гідроекології та водних досліджень: кафедральної НДР «Оцінка та передбачення наслідків антропогенного впливу на водні ресурси річок України» (№ д/р 0108U005027, 2011-2012 рр.); міжкафедральної НДР кафедри гідроекології та водних досліджень і кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів ОДЕКУ «Посушливість клімату та наслідки її впливу на гідрологічний та гідроекологічний стан водних об'єктів України» (№ д/р 0113U000968, 2011-2014 рр.);кафедральної НДР «Гідроекологічний стан річок та водойм України в умовах антропогенного впливу» (№ д/р 0113U007292, 2013-2017 рр.)

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є установлення змін гідрологічного, гідрохімічного та гідроекологічного стану річок Псел та Ворскла в умовах глобального потепління.

Для досягнення мети були сформульовані та вирішені такі задачі:

установити зміни антропогенного навантаження на водні ресурси річок у транскордонній зоні та по довжині річок;

виявити тенденції змін кліматичних чинників та характеристик стоку, що відбулися за минулі два десятиріччя на основі даних гідрометеорологічних спостережень;

надати оцінки змін водних ресурсів у перспективі за сценаріями глобального потепління з використанням моделі «клімат-стік»;

установити особливості гідрохімічного режиму та надати оцінки гідроекологічного стану вод річок в останні десятиріччя;

оцінити самоочисну здатність річок.

Методи дослідження:

методи визначення антропогенного навантаження на водні ресурси річок;

статистичні методи (розрахунки статистичних параметрів стоку,регресійний аналіз, сумісний аналіз складових просторової дисперсії статистичних параметрів);

модель «клімат - стік», яка базується на застосуванні метеорологічної інформації у розрахунках природного стоку;

методи оцінки якості вод на основі гідрохімічних показників;

методи розрахунків самоочищення.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в установленні основних тенденцій змін кліматичних чинників та водних ресурсів на основі даних спостережень та кліматичних сценаріїв, а також виявленні особливостей формування гідрохімічного режиму та якості вод у минулі два десятиріччя.

Вперше для водозборів річок Псел та Ворскла:

установлено зміни антропогенного навантаження у транскордонній зоні між Російською Федерацією та Україною за кількісними показниками використання водних ресурсів та оцінена динаміка цих змін по довжині річок;

розроблено та обґрунтовано методику розрахунків перехідних коефіцієнтів від норм річного кліматичного стоку до природного для річок із нестабільним підземним живленням;

обґрунтовано вибір кліматичних сценаріїв, які найкращим чином описують зміни кліматичних чинників та стоку за ретроспективний період (1951-1988 рр.);

надано порівняльну оцінку зміни водних ресурсів до та після 1989 року (як початку значущих змін клімату в Україні) на основі моделі «клімат - стік» з використанням сценаріїв змін глобального клімату М5 та М10;

запропонований методичний підхід до визначення концентрацій забруднюючої речовини по довжині річки на базі математичного опису процесу самоочищення вод із застосуванням взаємної кореляційної функції для установлення часу добігання вод з верхнього створу до нижнього.

Удосконалено:методичні підходи до оцінки впливу чинників підстильної поверхні на норми річного кліматичного стоку при використанні моделі «клімат-стік».

Дістало подальшого розвитку:

установлення тенденцій змін кліматичних чинників та характеристик стоку у різні фази його формування, а також змін підземної складової річного стоку за минулі два десятиріччя на основі даних спостережень;

виявлення основних забруднюючих речовин та динаміки їх змін по роках, сезонах і довжині річок;

оцінки якості вод за різними методиками у період після початку суттєвих змін клімату (з 1990 р.) на основі даних гідрохімічних спостережень;

оцінки здатності річок до самоочищення на їх різних ділянках за різними показниками;

установлення ролі абіотичних чинників екосистем в умовах кліматичних змін.

Практичне значення отриманих результатів полягає в обґрунтуванні методики визначення водних ресурсів за моделлю «клімат-стік»; наданні оцінок змін водних ресурсів досліджуваних річок у XXI сторіччі за сценаріями глобального потепління А1В та А2; виявленні тенденцій змін характеристик стоку у період прояву глобального потепління на території України (з 1989 р.); обґрунтуванні вибору розрахункового сценарію; установленні особливостей гідрохімічного та екологічного стану річок Псел та Ворскла у минулі два десятиріччя; виявленні можливих наслідків змін клімату на гідрологічний, гідрохімічний та гідроекологічний режим річок; розробленні методики розрахунків концентрацій забруднюючих речовин по довжині річки в процесі самоочищення.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень належать особисто автору. Більша частина публікацій написана у співавторстві з науковим керівником, якому належить теоретичне підґрунтя досліджень, а здобувачу - їх практична реалізація.

Апробація дисертаційного дослідження та публікації. Основні положення та окремі результати, отримані під час написання дисертації, доповідалися на Наукових конференціях молодих вчених ОДЕКУ (м. Одеса, 2010-2014 рр.), V Міжнародній науковій конференції студентів, магістрів та аспірантів «Регіональні екологічні проблеми» (м. Одеса, 2012 р.), Міжнародній науковій конференції «Україна: географія цілей та можливостей» (м. Київ, 2012 р.), ІІ Міжнародній конференції «Молодь у вирішенні екологічних та соціально - економічних проблем сьогодення» (м. Одеса, 2013 р.), Міжнародній науковій конференції молодих вчених «Сучасна гідрометеорологія: актуальні проблеми та шляхи їх вирішення» (м. Одеса, 2014 р.), VІ Всеукраїнській конференції з міжнародною участю «Проблеми гідрології, гідрохімії, гідроекології» (м. Дніпропетровськ, 2014 р.), Міжнародній науковій конференції молодих вчених «Сучасний стан регіональних екологічних проблем та шляхи їх вирішення» (м. Одеса, 2014 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 20 наукових публікацій, в тому числі 4 статті у фахових наукових виданнях, рекомендованих ДАК України, 3 статті у зарубіжних наукових виданнях, 13 тез доповідей.

Обсяг і структура дисертації.

Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури (101 джерело) та 12 додатків. Загальний обсяг роботи - 253 сторінок. Основна частина дисертації викладена на 158 сторінках, має 52 таблиці та ілюстрована 49 рисунками.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність роботи, сформульовано мету та основні завдання її реалізації. Відзначається наукова новизна, практичне значення отриманих результатів та їхній зв'язок з науковими темами.

У першому розділі «Фізико-географічна характеристика річок Псел та Ворскла» надається фізико-географічна характеристика досліджуваної території, де наводяться відомості про її належність до відповідних природних зон та кліматичних і гідрогеологічних районів із описом їх особливостей. Показано, що водозбори досліджуваних річок знаходяться на території, де широко розповсюджена гірничо-видобувна та переробна промисловість.

Водозбори річок Псел та Ворскла знаходяться у Східному районі Дніпровсько-Донецької нафтогазоносної провінції. Верхня частина розглядуваних водозборів розташована у межах Курської магнітної аномалії (територія Російської Федерації), де відбувається видобуток залізної руди. Найзначніше з родовищ «Яківлівське» знаходиться у басейні р. Ворскла в межах Російської Федерації. У нижній течії цієї річки функціоную Кременчуцьке залізорудне родовище, де добуваються марганцеві руди. Виявлено, що за обсягом водокористування в басейнах досліджуваних річок головне місце займає промисловість, на яку припадає 45% загального водоспоживання. Майже 83% усієї забраної води використовує енергетика, чорна металургія та промисловість. З території Російської Федерації до річок надходять сульфати, хлориди, азот мінеральний, фосфор та залізо. На території Російської Федерації використані води скидаються майже не очищеними. На території України очищуються майже 77% скидних вод р. Псел та 90% р. Ворскла.

За даними про антропогенне навантаження у межах російської та української частин водозборів був визначений ступінь антропогенного впливу на досліджувані водні об'єкти за спеціальними показниками: показником використання стоку; показником безповоротного використання; показником надходження стічних вод; показником скиду забрудненої води. З використанням бального підходу до розрахунків був установлений комплексний показник використання водних ресурсів, на основі якого визначався екологічний стан річки в умовах антропогенного навантаження на її водні ресурси.

Установлено, що екологічний стан річки Ворскла за якісною характеристикою використання водних ресурсів покращується при переході через кордон Росія-Україна від «задовільного» до «доброго». Для р. Псел екологічний стан по всій довжині оцінюється як «добрий».

У другому розділі «Оцінка змін кліматичних чинників та водних ресурсів за даними спостережень» представлені результати розрахунків характеристик стоку (річного, мінімального та максимального) та його підземної складової, які розглядалися у зв'язку із змінами клімату. Згідно із даними В.В. Гребіня (2010) статистично значущі зміни температур повітря розпочалися в Україні з 1989 р. Саме цей рік використовувався як переламний у порівняльній оцінці змін характеристик клімату та стоку. Оцінки статистичних параметрів річного стоку досліджуваних річок дозволили установити, що середні багаторічні значення та коефіцієнти варіації річного стоку визначаються за даними спостережень із допустимою точністю. Для обґрунтування способу просторового узагальнення статистичних характеристик, які розраховуються за даними спостережень з незадовільною точністю, був застосований метод сумісного аналізу даних, запропонований С.М. Крицьким та М.Ф. Менкелем, який базується на визначенні внеску географічної та випадкової складових у просторову дисперсію досліджуваного параметру. Показано, що відношення коефіцієнту варіації до коефіцієнта асиметрії та коефіцієнт автокореляції можуть бути осередненими у межах досліджуваних водозборів. Відношення рекомендується приймати рівним 1.1, а коефіцієнт автокореляції рівним 0.30.

Проведений аналіз змін кліматичних чинників формування стоку за рік, його теплий і холодний періоди. Аналіз різницевих інтегральних кривих дозволив зробити висновки, що коливання середніх річних температур повітря та сум опадів знаходяться у додатній фазі. Виявлені статистично значущі тренди, що показують тенденцію до зростання середніх річних температур повітря та сум опадів. Зростання температур повітря більш інтенсивно відбувається у холодний період, але середні значення за цей період не виходять за межі від'ємних. Опади холодного періоду практично не змінюються, а опади теплого зростають. Потепління у холодний період сприяє зростанню кількості відлиг та збільшує втрати при формуванні весняного водопілля. Значна частина талої води переходить у підземні водоносні горизонти, що обумовлює збільшення стоку межені. З 1989р. установлений перехід річного стоку до маловодної фази коливань. Порівняльний аналіз середніх величин максимального стоку весняного водопілля показав тенденцію до їх зменшення після 1989 року, яке може досягати 50%. У такий же час відбувається зростання мінімального стоку у зимову та літньо-осінню межені.

Підземний приплив до водозборів визначався за роки різної водності на основі розчленування гідрографів стоку та за наближеним методом А.М. Бефані, у якому використовуються осереднені дані про мінімальний стік зимової та літньо-осінньої межені. Підземна складова річного стоку р. Ворскла становила до 1989 р., у середні за водністю роки, 30%, а р. Псел - близько 50%. Показано, що після 1989 р. підземна складова стоку зросла: для р. Ворскла - до 60%, для р. Псел - до 70%.

У третьому розділі «Оцінка змін водних ресурсів на основі моделі «клімат - стік» з використанням сценаріїв глобального потепління» надається оцінка можливих змін водних ресурсів річок Псел та Ворскла на базі метеорологічних даних сценаріїв глобального потепління. Теоретичною основою розрахунків є модель «клімат - стік», розроблена в ОДЕКУ під керівництвом професорів Є.Д. Гопченка та Н.С. Лободи. У дисертації розглянута та частина моделі, що стосується розрахунків природного (непорушеного водогосподарською діяльністю) стоку за метеорологічними даними. Її базою є рівняння водно - теплового балансу у модифікації В.С. Мезенцева, яке містить у собі головні кліматичні чинники формування стоку: максимально можливе випаровування та суми опадів. Норма річного стоку, визначена за моделлю «клімат-стік», отримала назву «кліматичного» і позначається як . Величина відповідає зональному річному природному стоку річок із стійким підземним живленням.

У розвиток існуючих просторово-часових узагальнень норм кліматичних чинників та річного кліматичного стоку річок України (станом до 1989р.) було виконане їх уточнення для річок Псел і Ворскла, які є транскордонними та беруть свій початок на території Російської Федерації.

У середині минулого сторіччя річні норми опадів змінювалися від 700 мм до 500 мм у напрямі від північного сходу на південний захід. Норми максимально можливого випаровування зростали з півночі на південь, змінюючись у межах від 750 мм до 925 мм. Норма річного кліматичного стоку у межах басейнів річок Псел та Ворскла, визначена за метеорологічними даними минулого сторіччя, змінювалася від 130 мм у верхів'ї до 40 мм при впадінні у Дніпро.

Для виявлення впливу підстильної поверхні на річках з нестійким підземним живленням (за А.М. Бефані до таких відносяться річки із площею водозбору меншою другої критичної) згідно із методичними підходами, розробленими Є.Д. Гопченко та Н.С. Лободою, визначалися коефіцієнти переходу від норм кліматичного стоку до природного . За цими підходами на основі використання регресійної моделі відбувається пошук оптимальних предикторів, які відображають вплив найбільш вагомих інтразональних та азональних чинників формування природного стоку річок у межах малих та середніх водозборів. Отримані залежності дають змогу виділити області додатних або від'ємних виправлень до норми річного кліматичного стоку, визначеною за картою ізоліній. В області додатних виправлень , тобто кліматичний (зональний) стік нижче природного стоку малих та середніх за розмірами річок, а в області від'ємних - вище.

Виконане порівняння норм природного та кліматичного стоку досліджуваних річок показало, що на річках водозбору р. Ворскла переважають значення коефіцієнтів переходу . І,навпаки, для річок водозбору р. Псел характерні коефіцієнти переходу . Площа, при якій норми кліматичного та природного (зонального) річного стоку співпадають, наближається до 4 тис. км². Такі результати є наслідком різного співвідношення поверхневої та підземної складових річного стоку на водозборах рр. Псел та Ворскла. Для р. Псел, водозбір якої знаходиться на межі зон мішаних лісів та лісостепу, внесок підземної складової у річний стік досягає 60%, а водозбір р. Ворскла заходиться у лісостеповій зоні та має долю підземного живлення, яка не перевищує 30%. У першому випадку (р. Псел) для водозборів із площею меншою другої критичної стік буде меншим зонального (кліматичного) через неповне дренування підземних водоносних горизонтів, звідки . У другому випадку (р. Ворскла), коли переважає роль поверхневого стоку, втрати стоку збільшуються із зростанням площі водозбору, отже, для малих та середніх річок. Структура отриманих розрахункових рівнянь відповідає тим рівнянням, що були отримані Є.Д. Гопченко та Н.С. Лободою для зони мішаних лісів та лісостепу, відповідно.

Таким чином, водозбір р. Псел можна віднести до водозборів з від'ємними виправленнями до норми кліматичного стоку, тобто стік малих та середніх річок менший зонального (кліматичного):

для <4000 км²; для км², (1)

Водозбір р. Ворскла відноситься до водозборів лісостепу та північного степу з додатними виправленнями до кліматичного стоку, тобто стік малих та середніх річок більший зонального (кліматичного):

для <4000 км²; для км², (2)

Відносне відхилення фактичних та розрахованих за моделлю «клімат-стік» значень середніх багаторічних величин річного стоку становить ±6.59%.

Норми річного кліматичного стоку, які розраховані та картовані у роботах Є.Д. Гопченко та Н.С. Лободи, описують стан природних водних ресурсів до початку значущих змін клімату в Україні. Ці величини норми річного кліматичного стоку у подальшому слугували базисом для оцінки змін водних ресурсів у майбутньому, з використанням сценаріїв глобального потепління.

В проекті ENSEMBLESзапропоновані для вивчення можливих змін клімату 15 кліматичних сценаріїв з гілки А1В, з яких були розглянуті М1, М5, М10 та М11та гілка сценаріїв А2 (модель RCA). При порівнянні фактичних та сценарних (за ретроспективний період) характеристик клімату та стоку для періоду 1950-1989 рр. найкращий їх збіг установлений для сценаріїв М5 та М10. Оцінки змін середніх багаторічних величин метеорологічних характеристик та річного кліматичного стоку надавались за 30-ти річні інтервали з урахуванням особливостей коливань температур повітря та опадів (1951-1989; 1990-2020; 2021-2050; 2051-2080; 2081-2100).

Розрахунки виконувались для вузлів сітки, географічне положення яких відповідає положенню метеорологічних станцій Полтава та Суми. Згідно із обома сценаріями у XXIсторіччі на водозборах річок Псел та Ворскла очікується незначне зростання опадів (у межах 10%), поступове зростання максимально можливого випаровування та зменшення водних ресурсів. За сценарієм М10 зменшення водних ресурсів досліджуваних річок буде відбуватися більш повільно ніж за сценарієм М5. Так у період 2081-2100 зменшення водних ресурсів у порівнянні із опорним періодом 1951-1989 становитиме 33-45% для сценарію М5 та 24,6-36,8% для сценарію М10. Різниця між сценаріями полягає у більш інтенсивному зростанні температури повітря за сценарієм М5 у порівнянні із сценарієм М10. До 2021-2050 рр. можливе незначне (до 10%) збільшення водних ресурсів через зростання опадів.

У четвертому розділі «Оцінка гідрохімічного та гідроекологічного стану річок» описується гідрохімічний режим річок за минулі два десятиріччя, оцінюється їх гідроекологічний стан, розглядається зв'язок між змінами кліматичних характеристик та водності річок з абіотичними чинниками їх екосистем. На початку розділу надається огляд досліджень гідрохімічного та гідроекологічного стану річок за літературними джерелами. Серед основних наукових та освітніх організацій і установ, які займаються вивченням закономірностей зміни гідрохімічного та гідроекологічного стану річок Псел та Ворскла, відзначені Київський Національний університет імені Тараса Шевченка (кафедра гідрології, гідрохімії та гідроекології), інститут гідробіології НАН України (м. Київ), інститут геологічних наук НАН України, УкрГМІ, Інститут водних проблем і меліорації, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Центральна геофізична обсерваторія Державної гідрометеорологічної служби України. На теперішній час в Київському Національному університеті імені Тараса Шевченка під керівництвом проф. В.К. Хільчевського досліджуються взаємозв'язки між гідрохімічними, гідрологічними й гідробіологічними процесами у поверхневих та підземних водах, які сформовані під дією природних та антропогенних чинників й впливають на життєдіяльність організмів. На основі застосування ймовірністно-статистичних методів науковцями кафедри було проведене гідрохімічне картування України, згідно із яким басейни річок Псел та Ворскла віднесені до Лівобережно-Дніпровської провінції, області пліоцен-неогенових відкладень (Горєв Л.Н., Закревський Д.В., Пеляшенко В.І., Косовець А.А., Ромась І.І., 1979 р.). Пізніше під керівництвом В.К. Хільчевського (2007 р.) було виконане районування території водозбору р. Дніпро за гідролого-гідрохімічними характеристиками у період мінімального стоку, згідно із яким за хімічним типом води річок Псел та Ворскла віднесені до гідрокарбонатних натрієво-кальцієвих з середньою мінералізацією 780 мг/дм³ за витрат 50-95% забезпеченості. Велика за своїм об'ємом робота з просторово-часових узагальнень мінералізації, концентрацій основних іонів, важких металів, показника ХСК (хімічне споживання кисню) та інших була виконана В.К. Хільчевським, В.І. Осадчим, С.М. Курило (2012 р.) для всієї України, включаючи досліджувані річки та їх притоки. У роботах Й.В. Гриба, М.О. Клименка та В.В. Сондака (1999 р.) річка Ворскла (нижче міста Полтава) описана як типова серед річок, якість вод яких суттєво погіршена господарсько-побутовим стоком з урбанізованих територій. Шляхом співставлення балансу речовин був оцінений вплив урбанізованих територій на хімічний склад вод нижче м. Полтава та м. Суми (В.І. Осадчий, Н.М. Осадча, Н.М. Мостова, 2002 р.) та установлено приріст суми головних іонів, іонів та та фосфору нижче цих міст. Найбільш детально гідрохімічний та гідроекологічний стан річок Псел та Ворскла представлений роботами О.О. Винарчук (у співавторстві з В.К. Хільчевським та С.М. Курило), яка досліджувала зв'язок мінералізації із водністю річок і запропонувала для кількісної оцінки динаміки середньої багаторічної мінералізації використовувати коефіцієнт галинності. Нею показано, що води річок знаходяться під дією антропогенних чинників, внаслідок чого відбулося зростання концентрацій іонів . Саме О.О. Винарчук під керівництвом В.К. Хільчевського була надана екологічна оцінка якості вод річок Псел та Ворскла (2013 р.). Екологічний стан був визначений для періоду 1989-2009 рр. за методикою «екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями» (1998р.) з використанням середньорічних індексів сольового, еколого-санітарного блоків та блоку речовин токсичної дії. Було показано, що найбільший вплив на якість природних вод чинять речовини, які належать до еколого-санітарних показників (завислі речовини, прозорість, сполуки азоту та фосфору, вміст кисню).

У представленій дисертаційній роботі головна увага приділена формуванню гідрохімічного режиму та гідроекологічного стану рр. Псел та Ворскла у період змін водних ресурсів під впливом змін глобального клімату, а саме з 1990 по 2012 рр. включно. Були розглянуті результати 442 вимірювань на р. Ворскла та 305 - на р. Псел. Оцінка якості вод проводилась за декількома методами: на основі розрахунків індексу забруднення вод (ІЗВ) та розрахунків за критеріями шкідливості, розробленими в НДІ гігієни імені Ф.Ф. Ерисмана, а також з використанням «методики екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями». Згідно із останньою установлено, що за середнім значенням екологічного індексу води обох річок у створах нижче великих міст (Суми та Полтава) відносяться до III класу якості вод з категорією якості води - 4; назвою класів якості вод за їх станом - «задовільні»; назвою класів якості вод за ступенем їх чистоти - «забруднені»; назва категорій якості вод за ступенем їх забрудненості - «слабко забруднені». В інших створах води відносяться до класу «чисті», категорії «досить чисті». За максимальними значеннями екологічного індексу для вод річок Псел (нижче м. Суми) та Ворскла(нижче м. Полтава) виявлений такий їх стан: клас якості вод - III; категорія якості води - 5; назва класів якості вод за їх станом - «задовільні»; назва категорій якості вод за їх станом - «посередні»; назва класів якості вод за ступенем їх чистоти - «забруднені»; назва категорій якості вод за ступенем їх забрудненості - «помірно забруднені».

Другою методикою, застосованою автором для оцінки якості води, була методика розрахунків ІЗВ, згідно із якою в залежності від значень ІЗВ визначається клас якості води. За цим показником був зроблений аналіз забруднення по довжині річок за середній багаторічний період та роки різної водності (середній, багатоводний, маловодний). Виявлено, що води річок Псел та Ворскла по всій довжині є «забрудненими» або «помірно забрудненими». У середні за водністю роки ступінь забруднення вод р. Псел зменшується від «забруднених» до «помірно забруднених» у напрямку від витоку до гирла, що пояснюється функціонуванням у її верхній течії гірничо-видобувних та переробних комбінатів Російської Федерації, які використовують корисні копалини Курської магнітної аномалії. Значно сприяють забрудненню річки Псел об'єкти харчової промисловості та комунально-господарські підприємства (ОС ДП «Гадячсир», АТ «Надія» та очисні споруди Гадяцького ВУЖКГ), вплив яких посилюється у маловодні роки. На р. Ворскла головні джерела забруднення знаходяться у містах Полтава та Кобеляки. На обох річках у багатоводні роки забруднення річок зменшується і в деяких пунктах води можуть класифікуватися, як «чисті». Основними забруднюючими речовинами є феноли, СПАР, залізо, іноді магній.

Більш детально забруднення річок хімічними речовинами досліджувалося за методикою, розробленою в НДІ гігієни ім. Ф.Ф. Ерисмана, в якій використовуються три критерії шкідливості, за якими формується певна група речовин і специфічних показників якості води. Оцінка якості проводилася з використанням ГДК господарсько-питного водопостачання.

При оцінці якості вод річок Псел та Ворскла за органолептичним критерієм виявлено, що переважає «помірний» рівень забруднення, пов'язаний із погіршенням кисневого режиму, що проявилося у високих значення БСК₅ (біологічне споживання кисню) та ХСК.

Згідно із санітарним критерієм води річок Псел та Ворскла виявилися «помірно забрудненими». Переважає перевищення ГДК господарсько-питного водопостачання по фенолах та СПАР. У маловодні роки можуть спостерігатися «високий» та «надзвичайно високий» рівні забруднення.

Аналіз змін якості води по довжині річок, установлений за критерієм санітарно - токсикологічного забруднення, показав, що цей вид забруднення змінюється від «допустимого» до «помірного» і пов'язаний із значним перевищенням допустимого вмісту заліза у воді. На р. Псел найбільші концентрації заліза є характерними для верхньої течії, що пояснюється роботою промислових комплексів гірничо-видобувної та металургійної промисловості, які функціонують на території Російської Федерації (Курська магнітна аномалія). Для р. Ворскла «високий» рівень забруднення за санітарно-токсикологічним критерієм відмічався лише у маловодні роки.

Зміни клімату чинять вплив на умови формування стоку і призводять до його перерозподілу у межах року, що впливає на хімічний склад та якість води. Установлено, що величини мінералізації зменшуються у період весняного водопілля та збільшуються у зимову та літньо-осінню межені. Найбільші значення мінералізації на досліджуваних річках спостерігаються у період зимової межені. Установлено, що в маловодні роки, коли переважає внесок підземного живлення у формування стоку, мінералізація усередині року змінюється незначно. Зміни водності та температур повітря і води визначають, насамперед, особливості кисневого режиму річок. Збільшення швидкості течії сприяє насиченню води киснем. Саме в меженний період зменшується швидкість течії та турбулентне перемішування, що гальмує зростання вмісту кисню у воді. Тому в період зимової межені кількість кисню у воді максимально скорочується. Річка Псел найбільше підлягає порушенню кисневого режиму і заморам риб у зимову межень. На річці Ворскла, особливо у її нижній течії, найбільш несприятливим для кисневого режиму є сезон літо. Збільшення стоку води у зимову та літньо-осінню межені, яке можливе у ході глобального потепління, буде сприяти покращенню гідроекологічного режиму річок: збільшенню вмісту кисню у воді, підвищенню здатності до самоочищення. Зсув дат утворення льодового покриву на більш пізні та його скресання на більш ранні, а також зменшення товщини льодового покриву також сприятимуть покращенню кисневого режиму у зимовий сезон.

Максимальних значень концентрацій у зимову межінь досягають такі хімічні речовини як нітрити, фосфати, кремній. Таким чином, зростання стоку зимової межені за рахунок формування відлиг буде сприяти поліпшенню гідроекологічної ситуації у цей сезон.

При недостатній кількості кисню у воді у кілька разів зменшується швидкість розкладання нафтопродуктів. Таким чином, поліпшення кисневого режиму у межень буде сприяти зменшенню концентрації цієї речовини. Збільшення температури води, яке супроводжується глобальне потепління, сприятиме інтенсивному розпаду фенолів та СПАР.

Аналіз розподілу кількісних показників якості вод по сезонах показав, що у середньому їх значення знаходяться у межах певного рівня або класу забруднення. За індексом ІЗВ води річок Псел та Ворскла класифікуються як «помірно забруднені» у всі сезони. «Надзвичайно високий» рівень забруднення установлений для обох річок при розгляді органолептичного критерію з максимальними значеннями у сезон весна.

Наступним етапом була оцінка здатності річок Псел та Ворскла до самоочищення. До кількісних показників самоочищення водного об'єкту відносяться: самоочисна здатність, ступінь самоочищення, швидкість самоочищення, сумарний коефіцієнт самоочищення (В.Г. Стрітера). Оцінки самоочисної здатності показали, що вона покращується із зростанням температур води та водності. Ступінь самоочищення визначають за зниженням концентрації забруднюючої речовини на певному відрізку водотоку при відсутності додаткового забруднення між точками спостережень. Швидкість самоочищення визначається за зниженням концентрації забруднюючої речовини за одиницю часу. Сумарний коефіцієнт самоочищення розраховується за формулою В.Г. Стрітера:

(3)

де С_в - концентрація забруднюючої речовини у верхньому створі, мг/дм³; С_н - концентрація забруднюючої речовини у нижньому створі, мг/дм³; ф - час добігання від верхнього створу до нижнього, доба.

Якщо відомі коефіцієнт самоочищення та час добігання фвід верхнього створу до нижнього, можна установити концентрацію забруднюючої речовини у нижньому створі із завчасністю, яка дорівнює ф:

. (4)

У роботі запропоновано визначати час добігання водної маси від верхнього створу до нижнього на основі розрахунків взаємної кореляційної функції:

(5)

де - витрати води у верхньому створі на момент часу; - витрата води у нижньому створі на момент часу; - середні арифметичні значення стоку у верхньому та нижньому створах; - середні квадратичні відхилення для витрат води у верхньому та нижньому створах, відповідно; - зсув рядів витрат у часі. Час добігання мас води від верхнього створу до нижнього визначався як таке значення часу, при якому досягала свого максимального значення (рис. 1).

Рис. 1. Хід взаємної кореляційної функції при зсуві у часі ряду стоку р. Псел - м. Суми відносно ряду стоку р. Псел - с. Крупець

Коефіцієнти розраховувалися для різних років та фаз водного режиму і з метою подальшого застосування осереднювалися або представлялися у вигляді залежностей від витрат води. Установлена зміна часу добігання по довжині річок, що дозволяє оцінити його для будь-якого заданого створу. Таким чином, за формулою (4)з урахуванням часу добігання можливо визначати концентрацію забруднюючої речовини у нижньому створі на основі даних про її значення у вище розташованому створі (яким може бути створ скидання забруднених вод).

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено наукову задачу оцінки гідрологічного, гідрохімічного та екологічного стану річок Псел та Ворскла при змінах кліматичних умов, які відбуваються на території України в останні десятиріччя.

1. Водозбори річок Псел та Ворскла належать до транскордонних. Верхня частина р. Псел знаходиться у межах Курської області Російської Федерації, р. Ворскла - Білгородської. На водозборах знаходяться поклади корисних копалин, які обумовили розвиток гірничовидобувної, нафтовидобувної промисловості, будівництво переробних заводів та підприємств чорної металургії. Наявність заборів води з поверхневих водотоків, її наступне використання та скиди неочищених вод впливають на екологічний стан річок. За кількісними характеристиками антропогенного навантаження з використанням бальних оцінок установлено, що антропогенне навантаження на водні ресурси р. Псел обумовлює її екологічний стан як «добрий» по всій довжині річки. Екологічний стан водних ресурсів р. Ворскла покращується при переході від російської до української частин водозбору від «задовільного» до «доброго».

2. Оцінено зміни кліматичних чинників та водних ресурсів досліджуваної території за минулі два десятиріччя. За даними спостережень виявлені статистично значущі тенденції до зростання середніх температур повітря за рік, теплий та холодний періоди. Установлено, що температури холодного періоду зростають інтенсивніше ніж температури теплого періоду. Зростання опадів за рік не перевищує 20% і відбувається, головним чином, у теплий період. Порівняльний аналіз характеристик стоку до та після 1989 року (як переламного у термічному режимі України), показав, що річний стік річок Псел та Ворскла зменшився. Середній багаторічний максимальний стік зменшився на 50%, а підземна складова річного стоку зросла на 20-30%. За рахунок збільшення втрат поверхневого стоку на інфільтрацію у період весняного водопілля та при зимових відлигах збільшився стік зимової та літньо-осінньої межені.

3. З метою визначення подальших змін водних ресурсів досліджуваної території використана модель «клімат-стік», розроблена в Одеському державному екологічному університеті. Модель дозволяє виконувати оцінку водних ресурсів за метеорологічними даними. Стік, розрахований за моделлю, отримав назву кліматичного. На основі просторово-часових узагальнень річних норм кліматичних чинників та кліматичного стоку, виконаних з урахуванням даних Російської Федерації, були визначені середні багаторічні значення норм річного кліматичного стоку станом до 1989 р., який відповідає початку суттєвих змін температурного режиму в Україні. В розвиток моделі оцінено вплив підстильної поверхні на умови формування річного стоку рр. Псел та Ворскла. Розроблено методику визначення поправочних коефіцієнтів переходу від норм кліматичного до норм природного стоку. Співставлення розрахункових та фактичних даних показало, що середнє відносне відхилення дорівнює . Установлені норми річного кліматичного стоку слугували опірними даними при оцінці відповідності ретроспективних даних кліматичних сценаріїв фактичним.

4. Обрано оптимальні сценарії змін клімату для подальшої оцінки водних ресурсів шляхом співставлення кліматичних чинників та норм річного кліматичного стоку, розрахованих за ретроспективний період, 1951-1989 рр. за спостереженими і сценарними даними. Результати показали, що найкраща відповідність установлена при використанні кліматичних сценаріїв гілки А1В:М5 та М10.

5. Згідно зі сценаріями у XXI сторіччі очікується поступове зростання температур повітря, яке буде супроводжуватися збільшенням теплоенергетичних ресурсів клімату, а разом із ним зростанням випаровування з поверхні суші. Значущі зміни водних ресурсів мають початися з 2030 р., коли зростання температур повітря стане більш інтенсивним. До кінця сторіччя зменшення водних ресурсів досягне 30-40% у порівнянні із даними до 1989 р.

6. На базі даних гідрохімічних спостережень (1990-2012 рр.) установлено, що води досліджуваних річок забруднені кремнієм, залізом, нафтопродуктами, фенолами та СПАР. Показано, що у своїй більшості концентрації цих речовин змінюються по гідрологічних сезонах і залежать від температурного та кисневого режиму річок та їх водності.

7. Оцінено екологічний стан річок за гідрохімічними показниками з використанням таких методів оцінки якості вод як розрахунки індексу забруднення вод ІЗВ та розрахунки критеріїв шкідливості,визначених за «Методикою НДІ гігієни ім. Ф.Ф. Ерисмана», а також за «Методикою екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями». За інтегральною оцінкою якості вод річок Псел та Ворскла з використанням середнього значення екологічного індексу встановлено, що ці води відносяться до класу якості вод - III; категорія якості води - 4; назва класів якості вод за їх станом - «задовільні»; назва категорій якості вод за їх станом - «задовільні»; назва класів якості вод за ступенем їх чистоти - «забруднені»; назва категорій якості вод за ступенем їх забрудненості - «слабко забруднені».

За максимальним значенням екологічного індексу для річок Псел та Ворскла установлено, що клас якості вод - III; категорія якості води - 5; назва класів якості вод за їх станом - «задовільні»; назва категорій якості вод за їх станом - «посередні»; назва класів якості вод за ступенем їх чистоти - «забруднені»; назва категорій якості вод за ступенем їх забрудненості - «помірно забруднені».

Згідно із кількісними показниками якості води IЗВ та критеріями шкідливості, визначеними за «Методикою НДІ гігієни ім. Ф.Ф. Ерисмана» переважає «помірний» рівень забруднення на обох розглядуваних річках. Органолептичне забруднення пов'язане із кисневим режимом річок: втратами кисню на окиснення органічних речовин (БСК, ХСК); санітарне забруднення - із значним вмістом у воді фенолів, СПАР; санітарно-токсикологічне забруднення - із вмістом заліза та мангану. Для річки Псел характерне зменшення забруднення по довжині річки (за санітарно - токсикологічним критерієм та ІЗВ). На річці Ворскла основним джерелом забруднення є місто Полтава.

8. Установлено, що вплив змін клімату на абіотичні чинники екосистем проявляється насамперед у змінах водності та температурного режиму річок.

Дослідження особливостей внутрішньорічного розподілу якості вод річок Псел та Ворскла показало, що найбільший ступінь забруднення відбувається переважно навесні. На базі даних гідрохімічних спостережень (1990-2012 рр.) виявлені залежності гідрохімічних показників від водності (витрат), температури води, кисневого насичення та сезону року. Виявлено, що води досліджуваних річок забруднені кремнієм, залізом, нафтопродуктами, фенолами та СПАР. Найменші значення концентрацій таких забруднюючих речовин, як нафтопродукти, феноли, СПАР відмічаються у період зимової межені, коли спостерігається низька температура води і є нестача кисню. Найбільша концентрація речовин (нітратів, нітритів, фосфатів, заліза та кремнію) формується у зимовий сезон при низьких температурах і відсутності фітопланктону. Визначено, що зміни водності річок їх внутрішньорічного розподілу можуть суттєво впливати на формування режиму якості вод річок Псел та Ворскла та на їх здатність до самоочищення.

9. Розроблено методику розрахунків концентрацій забруднюючих речовин у нижніх створах річок на основі даних про їх забруднення у верхньому створі на базі визначення часу добігання вод від верхнього створу до нижнього з використанням взаємної кореляційної функції. Запропонована методика дозволяє визначати зміну концентрацій забруднюючої речовини по довжині річки в процесі самоочищення.

10. Отримані результати впроваджені у навчальний процес ОДЕКУ, роботу установ гідрометеорологічної служби та водного господарства.

Список опублікованих праць за темою дисертації

гідрологічний вода річка

1. Пилип'юк В.В. Динаміка хімічного складу р. Псел та оцінка її якості / В.В. Пилип'юк, Н.С. Лобода // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2010. -Т. 4(21). - С. 125-134. (обробка та аналіз даних).

2. Лобода Н.С. Динаміка хімічного складу води по довжині р. Ворскла та оцінка її якості / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк// Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2011.- Вип. 11. - С. 178-189. (розрахунки та аналіз даних).

3. Лобода Н.С. Оценка экологического состояния рек Псел и Ворскла по уровню использования вод в трансграничной зоне «Россия-Украина»/ Н.С. Лобода, В.В. Пилипюк// Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2012. - Вип. 14. - С. 151-159. (обробка та аналіз даних).

4. Лобода Н.С. Визначення водних ресурсів річок Псел та Ворскла з урахуванням впливу підстильної поверхні на базі моделі «клімат - стік» / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. 2015. -Т. 2(37). - С. 48-55 (аналіз матеріалів досліджень).

5. Loboda N.S. Assessment of water quality of the Psel river using hydrochemical indicators in the different seasons of year / N. SLoboda, V.V. Pilipyuk // Sustainable development. - 2014. - № 16. - P. 114-117. (аналіз даних).

6. Loboda N.S. Hydrochemical composition of Psyol and Vorskla river waters under conditions of antropogenic influence / N. SLoboda, V.V. Pilipyuk // European Applied Sciences - 2014. - № 7. - P. 57-60. (аналіз матеріалів досліджень).

7. Loboda N.S. Evaluation of ability for natural purification of the Psyoland Vorsklarivers /N. SLoboda,V.V. Pilipyuk // International Journal of Research In Earth&Environmental Sciences.- 2015. Vol. 03.- № 1. - P. 28-32. (розрахунки та аналіз даних).

8. Лобода Н.С. Просторово-часові закономірності розподілу забруднюючих речовин в басейнах річок Псел та Ворскла / Н.С. Лобода, М.Є. Даус, В.В. Пилип'юк // Матеріали Х наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: ТЄС, 2010. - С. 46-47.

9. Лобода Н.С. Оцінка якості води р. Ворскла за гідрологічними показниками в роки різної водності / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали ХІ наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: Екологія, 2011. - С. 42-43.

10. Лобода Н.С. Оценка антропогенной загрузки на водные ресурсы рек Псел и Ворскла / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк// Регіональні екологічні проблеми. Матеріали V Міжнародної наукової конференції студентів, магістрів і аспірантів: Матеріали доповідей. - Одеса:ТЕС, 2012. - С. 229-231.

11. Лобода Н.С. Динаміка забруднюючих речовин за довжиною трансграничної річки Ворскла / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали XII наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: ТЕС, 2012. - С. 47.

12. Лобода Н.С. Тенденції зміни водності та якості води річок Псел та Ворскла на початку ХХІ сторіччя / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Україна: географія цілей та можливостей. Зб. наук. праць. - Н.: ФОН «Лисенко М.М.», 2012. - Т. 1 - С. 192-195.

13. Лобода Н.С. Аналіз змін якості води річок Псел та Ворскла у часі / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали II Міжнародної конференції «Молодь у вирішенні екологічних та соціально-економічних проблем сьогодення». Одеса: ТОВ «ДІА», 2013. - С. 109-111.

14. Лобода Н.С. Комплексная оценка влияния техногенного загрязнения на гидроекологическое состояние рек Псел и Ворскла / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали XII наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: ТЕС, 2013. - С. 54.

15. Лобода Н.С. Визначення природних водних ресурсів річок Псел та Ворскла на основі моделей «клімат-стік»/ Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк// Матеріали VI Всеукраїнської наукової конференції з міжнародною участю «Проблеми гідрології, гідрохімії, гідро екології». - м. Дніпропетровськ: ТОВ «Акцент ПП», 2014 р. - С. 180-182.

16. Пилип'юк В.В. Оцінка самоочисної здатності річок Псел та Ворскла / В.В. Пилип'юк, Н.С. Лобода// Матеріали міжнародної наукової конференції студентів і молодих вчених «Сучасна гідрометеорологія: актуальні проблеми та шляхи їх вирішення». - Одеса ТЕС, 2014. - С. 116-117.

17. Лобода Н.С. Оцінка впливу підстильної поверхні на формування річного стоку на базі використання моделі «Клімат - Стік» / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали міжнародної конференції студентів та молодих вчених «Сучасна гідрометеорологія: актуальні проблеми та шляхи їх вирішення». - Одеса: ТЕС, 2014. - С. 114-115.

18. Пилип'юк В.В. Оцінка якості вод річки Ворскла для рибогосподарського використання / В.В. Пилип'юк, Тірон О.Є// Сучасний стан регіональних проблем та шляхи їх вирішення. - Матеріали Міжнародної наукової конференції молодих вчених. - Одеса: ТЕС, 2014. - С. 259-261.

19. Лобода Н.С. Гидрологические и гидрохимические характеристики рек Псел и Ворскла в разные гидрологические сезоны /Н.С. Лобода, В.В. Пилипюк // Матеріали XIIІ наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: ТЕС, 2014. - С. 58.

20. Лобода Н.С. Визначення часу добігання забруднених вод по довжині річки Ворскла на основі взаємокореляційної функції / Н.С. Лобода, В.В. Пилип'юк // Матеріали XIІI наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. - Одеса: ТЕС, 2014. - С. 60.

Размещено на Allbest.ru