ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Методологічні основи дослідження чинників та процесів формування хімічного складу поверхневих вод України

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, грунтово-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, грунтів". 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:

    - обгрунтування 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; - обгрунтування 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 обгрунтування 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 - грунтовий комплекс водозборів - річкова вода" та "вода - завислі речовини - донні відклади", які використані для прогнозування складу та якості поверхневих вод окремих річкових басейнів України; - уперше обгрунтовано, 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 обгрунтовано 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 обгрунтування 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.

Похожие статьи




ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Методологічні основи дослідження чинників та процесів формування хімічного складу поверхневих вод України

Предыдущая | Следующая