СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАВНОВЕСНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА БОЛОТНЫХ ВОД ОТ ИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
METHOD FOR DETERMINING BALANCE OF CHEMICAL COMPOSITION OF SWAMP WATERS FROM THEIR HYDRODYNAMIC CONDITIONS

Изобретение относится к гидродинамическим и гидрохимическим исследованиям вод торфяных почв.
Гидродинамические (фильтрационные) характеристики торфа, кроме физических параметров, определяют химическим составом дисперсионной среды и степенью ее кислотности. На основании этих исследований определяют химический состав различных генетических свойств залежи. Исследования Чураева Н.В., Воларовича М.П. и др. опубликованы в статье «Влияние состава дисперсионной среды на фильтрацию в торфах», «Коллоидный журнал», 26,1, 1964 г.
Известно проведение более современных комплексных исследований болотных массивов. Полученные данные свидетельствуют, что болота обладают определенной устойчивостью как по отношению к колебаниям уровней воды, так и к метеорологическим условиям. Измерения рН и электропроводности болотных вод показывают, что болота могут гидрохимически отличаться как по площади, так и по глубине стратиграфического профиля. Благодаря их специфической взаимосвязи с внешними и прежде всего гидрометеорологическими условиями - это интересный объект анализа устойчивости лесоболотных экосистем. Исследования Вислогузовой Д.В. и др. «Эколого-гидрологические наблюдения на карстовых болотах Тульской области (на примере системы болот у пос. Озерный)». //Исследования природы Тульской области и сопредельных территорий. Сб. науч. тр. -Тула. 2008. Вып. 1, С. 130-133.
Однако в подобных исследованиях практическая значимость этих исследований была сведена к возможности повышения эффективности мелиоративных работ. Механизм влияния зависимости фильтрационных характеристик и химического состава различных генетических слоев торфа не определялся.
Основная задача - определение изменения химического состава болотных вод по глубине торфяной залежи в условиях их гидродинамического режима во времени.
В способе определяют закономерность распределения совокупности коэффициентов равновесности за различные периоды протекания однонаправленных процессов. Они характеризуют связь химических и гидродинамических процессов, протекающих по толщине торфяной залежи. Выявляют зависимость в распределении коэффициентов равновесности по глубине торфяной залежи способом периодического определения изменчивости химических свойств болотных вод с фиксированных глубин, относящихся к различным генетически неоднородным слоям торфа, слагающим торфяную залежь от гидродинамического режима этих вод. Комплексом для отбора проб воды определяют расходы поступающей воды. Методом унифицирования производят расчет коэффициентов равновесности полученных данных. Приводят их в единообразный, безразмерный вид с учетом пространственного распределения однонаправленности в графическом отображении методом математического обобщения.
<mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><msub><mi>ф</mi><mrow /></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
i
max
Объем воды, поступающий в скважину с различных фиксированных глубин торфяной залежи в один период отбора проб представляют как относительную интенсивность фильтрационного расхода
, где V - объем поступающей в скважину воды с i-го интервала торфяной залежи, мл/мин, V- максимальный объем поступающей в скважину воды по всем вертикальным интервалам торфяной залежи, мл/мин.
Гидродинамические характеристики и химические показатели воды выражают через модульный коэффициент
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
для возможности построения и совмещения графически выраженных исследуемых величин, имеющих разную размерность,
i
где C- фактическое содержание химического показателя и значения расходов на каждом вертикальном интервале торфяной залежи,
ср
C  - среднее содержание химического показателя и значения расходов по всем вертикальным интервалам торфяной залежи.
Для типизации кривых зависимостей, характеризующих наличие связи между гидродинамическими характеристиками и химическими показателями, их приводят к одной общей средней величине
<mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>пр</mtext></mrow></msub><mtext>=</mtext><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>оиф</mtext></mrow><mrow><mtext>ср</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext>×С</mtext></mrow><mtext>ф</mtext></msub></mrow><mrow><mtext>оиф</mtext></mrow></mfrac><mtext>,</mtext></mrow>
ф
где С - фактическое содержание химического показателя, определенное проведенным анализом отобранной пробы,
оиф - относительная интенсивность фильтрационного расхода на каждом вертикальном интервале торфяной залежи,
ср
оиф - среднее значение относительной интенсивности фильтрационного расхода по всем вертикальным интервалам торфяной залежи.
По приведенным значениям химических показателей и относительной интенсивности фильтрационного расхода строят график связи, определяющий корреляционную зависимость и вычисляют значение коэффициента корреляции. Связь считают достаточно тесной, если
r ≥±0,80.
Коэффициент равновесности вычисляют по отношению двух основных факторов - модуля относительной интенсивности фильтрационного расхода к модулю минерализации:
рс
i.оиф
i.min
К=М/М,
i.оиф
где М - модуль относительной интенсивности фильтрационного расхода i - го интервала,
i.min
М - модуль минерализации - суммы главных ионов i - го интервала.
Изменение совокупности коэффициентов равновесности позволяет эффективно оценивать степень и динамику изменения химического состава воды и ее гидродинамического режима от продолжительности и интенсивности процессов, влияющих на экологическую ситуацию эволюционных процессов верхового и переходного типа болот - антропогенной нагрузки. Сохраняющаяся взаимосвязь коэффициентов равновесности, распределенных во времени и глубине, показывает равновесность экосистемы болот.
Одна из поставленных задач изучения химического состава болотных вод заключается в периодическом отборе проб воды с фиксированных точек, расположенных по толщине торфяной залежи в течение всего года без нарушения структуры торфяных масс и протекающих в них гидродинамических условий.
В Таблице 1 показана интенсивность фильтрационного объема воды, мг/мл, поступающей в скважину по глубине торфяной залежи за период наблюдений;
В Таблице 2 показана относительная интенсивность фильтрационного расхода (ОИФ) по глубине торфяной залежи за период наблюдений;
3
В Таблице 3 показана сумма Σ главных ионов, мг/дм,т.е. сумма концентраций основных компонентов минерального состава: катионов (кальция, магния, калия, натрия) и анионов (сульфатов, хлоридов);
В Таблице 4 показан модуль Σ главных ионов (модуль суммы концентраций основных компонентов минерального состава);
В Таблице 5 показаны модули относительной интенсивности фильтрационного расхода по глубине торфяной залежи за период наблюдений;
пр
В Таблице 6 показаны приведенные значения суммы Σ главных ионов (С основных компонентов минерального состава);
В Таблице 7 показано среднее распределение коэффициентов равновесности распределения по времени за шесть периодов наблюдений;
В Таблице 8 показано среднее распределение коэффициента равновесности в пространстве (по глубине).
На фиг. 1 показан график связи, определяющий корреляционную зависимость между приведенной суммой Σ главных ионов и относительной интенсивности фильтрационных расходов;
3
На фиг. 2 приведена графическая зависимость изменения суммы главных ионов в болотных водах по глубине торфяной залежи (от поверхности), натуральной размерности, где 1- сумма Σ главных ионов, мг/д, 2 - интенсивность фильтрационного расхода, мг/л;
На фиг. 3 представлена графическая зависимость изменения приведенной суммы главных ионов в болотных водах по глубине торфяной залежи (ПР Σ главных ионов) и относительной интенсивности фильтрационных расходов (ОИФ), где 1 - приведенное значение суммы Σ главных ионов, 2 - относительная интенсивность фильтрационных расходов;
На фиг. 4 показана графическая зависимость изменения суммы главных ионов в болотных водах по глубине торфяной залежи, в модульных коэффициентах,где 1 - модуль суммы Σ главных ионов, 2 - модуль относительной интенсивности фильтрационных расходов;
На фиг. 5 представлена графическая зависимость изменения суммы главных ионов в болотных водах по глубине торфяной залежи, выраженные в модулях от приведенного значения минерализации к относительной интенсивности фильтрационных расходов ОИФ, где 1 - приведенный модуль суммы Σ главных ионов, 2 - модуль относительной интенсивности фильтрационных расходов;
На фиг. 6 представлена графическая зависимость коэффициента равновесности от времени, где 1 - глубина 0,5 м, 2 - глубина 2,0 м, 3 - глубина 4,0 м;
На фиг. 7 показана средняя, за период наблюдений, зависимость коэффициента равновесности от времени;
На фиг. 8 представлена графическая зависимость равновесности от глубины, где 1 - за 25.04.11 г., 2 - за 04.11.11 г., 3 - за 31.07.12 г.;
На фиг. 9 показана средняя, за период наблюдений, зависимость коэффициента равновесности от глубины.
Для сравнения исследуемых величин и выявления между ними зависимости, при невозможности наглядного графического отображения типичности изменений химического состава болотных вод при характерных условиях гидродинамического режима (типизации), унифицируют полученные данные, приводят их в единообразный, безразмерный вид с учетом пространственного распределения однонаправленности методом математического обобщения и определяют корреляционную зависимость полученных значений.
- Поступающие в скважину объемы воды с различных фиксированных глубин торфяной залежи за один период отбора проб представляют как относительную интенсивность фильтрационных расходов. Эта сравнительная характеристика, в ней наибольший расход из измеренных по вертикали в срок измерений принимают за единицу, а меньшие расходы определяют относительно этой единицы. Относительная интенсивность фильтрационных расходов возможна в диапазоне от 0 до 1. Объем поступающей в скважину воды косвенно отражает фильтрационные свойства торфа. Относительную интенсивность фильтрационных расходов выражают как
<mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><mi>ф</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
i
где V - объем поступающей в скважину воды,
max
V- максимальный объем поступающей в скважину воды, мл/мин.
- Гидродинамические характеристики и химические показатели воды выражают через модульный коэффициент
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
для возможности построения и совмещения графически выраженных исследуемых величин, имеющих разную размерность,
i
где C- фактическое содержание химического показателя и значения расходов на каждом вертикальном интервале торфяной залежи,
ср
C  - среднее содержание химического показателя и значения расходов по всем вертикальным интервалам торфяной залежи.
В подобном подходе анализируемые разноразмерные величины при их разных количественных значениях определяет направленность изменения этих величин в условиях изменчивости их образующих процессов.
- Для типизации кривых зависимостей, характеризующих наличие связи между гидродинамическими характеристиками и химическими показателями их приводят к одной общей средней величине
<mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><msub><mi>ф</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>С</mi><mi>ф</mi></msub></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><mi>ф</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
ф
где С - фактическое содержание химического показателя, определенное проведенным анализом отобранной пробы,
оиф - относительная интенсивность фильтрационного расхода на каждом вертикальном интервале торфяной залежи,
ср
оиф - среднее значение относительной интенсивности фильтрационного расхода по всем вертикальным интервалам торфяной залежи.
- По приведенным значениям строят график связи, определяющий корреляционную зависимость, и вычисляют значение коэффициента корреляции r. Величина коэффициента корреляции r изменяется в пределах от+1 до -1. Чем ближе r к единице, тем теснее связь между исследуемыми величинами. При r=1 связь становится функциональной. Связь считается достаточно тесной, если r ≥±0,80.
- Коэффициент равновесности вычисляют по отношению двух основных факторов: модуля относительной интенсивности фильтрационного расхода к модулю минерализации:
рс
i.оиф
i.min
К=М/М,
i.оиф
где М - модуль относительной интенсивности фильтрационного расхода i-го интервала,
i.min
М - модуль минерализации - суммы главных ионов i-го интервала.
Изменение совокупности коэффициентов равновесности позволяет эффективно оценивать степень и динамику изменения химического состава воды и ее гидродинамического режима от продолжительности и интенсивности процессов, влияющих на экологическую ситуацию эволюционных процессов верхового или переходного болота - антропогенной нагрузки. Сохраняющаяся взаимосвязь коэффициентов равновесности, распределенных во времени и пространстве - глубине - говорит о равновесии экосистемы болот.
Пример конкретного выполнения
Объемы воды, поступающие в скважину с различных фиксированных глубин торфяной залежи за один период отбора проб (табл.1), представляют как относительную интенсивность фильтрационных расходов. Объем поступающей в скважину воды косвенно отражает фильтрационные свойства торфа. Относительную интенсивность фильтрационных расходов рассчитывают (табл.2) по формуле
<mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><msub><mi>ф</mi><mrow /></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Для возможности совмещения графически выраженных исследуемых величин (гидродинамические характеристики и химические показатели воды), имеющих разную размерность (табл.2 и 3), используют модульный коэффициент
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
(табл. 4 и 5).
Для типизации кривых зависимостей, характеризующих наличие связи между гидродинамическими характеристиками и химическими показателями, их приводят к одной общей средней величине
<mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><msub><mi>ф</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>С</mi><mi>ф</mi></msub></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>и</mi><mi>ф</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
(табл.6).
По приведенным значениям строят график связи, определяющий корреляционную зависимость и вычисляют значение коэффициента корреляции.
Таким образом производят типизацию кривых зависимостей. Строят корреляционную зависимость (фиг. 1). Рассчитывают коэффициент корреляции г=- 0.82, который показывает наличие связи.
В построенной зависимости (фиг. 5) модуля интенсивности фильтрационного расхода и модуля приведенной суммы Σ главных ионов от глубины (за разные периоды) просматривается типичность тенденции разнонаправленной изменчивости гидравлических свойств и химических показателей воды по глубине. На фиг. 2 - 4 построены зависимости - (2) в натуральной размерности, (3) приведенной суммы Σ главных ионов к относительной интенсивности фильтрационных расходов ОИФ, и (4) суммы Σ главных ионов и относительной интенсивности фильтрационных расходов ОИФ, выраженных в модулях.
Коэффициент равновесности вычислен по отношению двух основных факторов - модуля относительной интенсивности фильтрационных расходов к модулю суммы Σ главных ионов:
рс
i.оиф
i.min.
К=М/М
Построенные графики (фиг. 6) выражают распределение коэффициентов равновесности за шесть периодов наблюдений (распределение по времени) (табл.7).
Графики (фиг. 8), выражают распределение коэффициентов равновесности по восьми интервалам, глубине, относящимся к этим шести периодам (табл.8).
рс
Графики (фиг. 7 и 9), характеризуют среднее распределение коэффициента равновесности в пространстве - по глубине и во времени. На построенных графиках показаны изменения во времени, происходящие по глубине торфяной залежи. Торфяная толща болота является системой взаимодействющих разнородных слоев торфа и проходящих между ними процессов, направленных на создание условий устойчивости этой системы. Сохраняющаяся взаимосвязь коэффициентов равновесности (К), распределенных во времени и по глубине, показывает равновесность экологической системы.
Разработка способа определения равновесности комплексного исследования химико-динамических свойств воды на примере исследуемого натурного объекта позволяет эффективно оценивать степень и динамику изменения химического состава воды от изменения интенсивности и продолжительности антропогенной нагрузки на экологическую ситуацию рассматриваемого природного объекта.
По результатам сделан вывод - между химическими свойствами воды и гидродинамическими условиями каждого генетически разнородного слоя торфа существует состояние равновесности, которое выражается наличием связи между всеми коэффициентами в пространственно-временных изменениях. Состав и концентрация химических свойств болотных вод, содержащихся на разных глубинах торфяной толщи, характеризуется тем видовым составом торфа, который ограничен прослойками от других типов и видов разновидностей торфа. Так как тип торфа и его видовой состав определяет режим фильтрации, а значит, и гидродинамические условия, то химические свойства воды, заключенные в слоях торфа, являются саморегулирующейся системой, обладающей определенным гомеостазом. Состояние равновесия может меняться от определяющих его условий. Коэффициент равновесности вычислен по отношению двух основных факторов - модуля относительной интенсивности фильтрационных расходов к модулю минерализации.