Дефініція гідрохімічної системи за функціонально-геосистемним принципом та її математична формалізація

Реферат на тему:

Дефініція гідрохімічної системи за функціональногеосистемним принципом та її математична формалізація

Один із фундаторів сучасної гідрохімії О.О.Алекін визначив її як науку, що «вивчає хімічний склад природних вод, його зміни в просторі та в причинному взаємозв'язку з хімічними, фізичними та біологічними процесами, які протікають в навколишньому середовищі» [1].

В.В.Глушков, опираючись на роботи В.В. Докучаєва, А.І.Воєйкова та їх послідовників, запропонував географо-гідрологічний метод дослідження природних вод [6]. Під час обґрунтування методу він розробив положення про зв’язок хімічного складу вод географічного ландшафту з кліматичними умовами, геологічною будовою та рельєфом території, грунтами та рослинністю. Розвиваючи цей принцип, П. П. Воронков [3] показав залежність хімічного складу вод місцевого стоку від умов середовища, у якому відбувалося його формування.

Вже з початку формування гідрохімії як науки в її теоретичну основу було покладено принцип системного підходу, тобто предмет дослідження гідрохімії - хімічний склад води вважався одним із елементів великої природної системи, результатом дії різноманітних чинників навколишнього середовища.

Виходячи саме з цих позицій В.І.Пелешенку [20] вдалося оцінити взаємозв'язок хімічного складу різних типів природних вод досить великого регіону — рівнинної частини УкраїниЛ.М.Горєв [7] показав залежність фізико-хімічної обстановки в природних водах від факторів наколишнього середовищаД.В.Закревський [12] детально дослідив фактори та процеси формування хімічного складу води на осушуваних землях, а М.І.Ромась [22] - в атмосферних опадахВ.К.Хільчевський [33] дослідив роль агрохімічних засобів у формуванні якості вод басейну Дніпра та зформулював думку про виключну роль географо-гідрологічного методу у вирішенні гідроекологічних проблемС.І.Сніжко [24] виконав регіональні дослідження формування стоку біогенних речовин у басейні Дніпра під впливом комплексу природних та антропогенних факторів. Завдяки цим дослідженням системний підхід у гідрохімії набув подальшого розвитку і розвинув власне саму гідрохімію.

У географії системний підхід набув великої популярності з 60-х років ХХ століття, коли географи та екологи почали трактувати предмети своїх досліджень як системи. Система у загальному розумінні - це сукупність елементів, які знаходяться у відносинах та зв’язках між собою і утворюють певну цілісність, єдність [30, 34].

Вперше це поняття було введено в географію в 1963 р. В. Б. Сочавою [29], коли він застосував термін «геосистема» як синонім поняття «природний комплекс». Під нею він розумів природно територіальний комплекс, який як об'єкт, що має основні властивості систем, повинен досліджуватися як система.

Дефініцію геосистеми В. Б. Сочава сформулював надто загально [8], проте її ключові елементи виділені ним досить чітко: геосистема — матеріальний об'єктїї складають природні елементи, а антропогенні та людина розглядаються як зовнішнє середовищегеосистемою вважається як елементарна ландшафтна одиниця (фація), так і геосфера в ціломугеосистема виділяється як об'єм простору, в межах якого геокомпоненти мають специфічний характер усіх типів зв’язківіснує тільки один об'єктивний варіант поділу простору на геосистемигеосистема — категорія динамічна і проявляється за деякий проміжок часу.

Усі наступні міркування щодо поняття «геосистема» мали натуралістський (матеріальний) характер. Спільними рисами натуралістського бачення геосистеми є [14]:

геосистема — це матеріальне утворення ;

1. 1)геосистеми можуть бути різного змістовного наповнення;

2. 2)геосистеми — ієрархічні структури (від географічної оболонки до ландшафтної.

3. 3)фації);

4. 4)найбільша за рівнем організації геосистема не тотожна землі як планеті та Всесвіту, а охоплює лише невеличку частину просторово-часового континууму;

5. 5)геосистеми — земні утворення;

6. 6)визначаються геосистеми емпірико-індуктивним методом.

В наш час традиційні об'єкти географічних досліджень все більше розглядаються з точки зору загальної теорії систем. З позицій системного підходу аналізуються питання функціонування, саморегулювання, стійкості природних систем [9, 10, 19, 35].

На думку багатьох дослідників [4, 13], серед безлічі природних систем існують і функціонально-цілісні геосистеми, виділення яких базується на принципі динамічного спряження та функціональної цілісності. Системоутворюючою основою цих геосистем є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.

С.Д Муравейський [18] запропонував використовувати особливості речовинно-енергетичних полів у ландшафтах для визначення територіальних меж геосистем: " … встановлення меж географічних комплексів визначається головним чином різкою зміною шляхів міграції солей (елементів), їх якісного складу, порушеннями кругообігу речовин" .

Аналогічні ідеї належать також Б. Б. Полинову про виділення елементарних ландшафтів за геохімічними ознаками [21].

М.А.Глазовська [5] називає елементарні ландшафти Б. Б. Полинова елементарними ландшафтно-геохімічними системами (ЕЛГС).

Розвиваючий цей введений М. А. Глазовською, але не визначений термін, українська вчена-ландшафтознавець Л. Л. Малишева [16] дає йому визначення: «Ландшафтно-геохімічні системи (ЛГС) — це будь-які структурні одиниці географічної оболонки (геосистеми різних рангів), утворення і розвиток яких пов’язані з певним хімічним складом їх компонентів і міграцією хімічних елементів між ними, що й забезпечує цілісність системи» .

Застосовуючи принцип функціональної цілісності геосистем, О. В. Кадацька запропонувала розглядати річковий водозбір як геосистему, а гідрохімічні показники використати в якості індикаторів цієї геосистеми [13]. Головною функцією цієї геосистеми є генерація односторонньо направленого водного потоку, який формується в результаті сукупного впливу фізико-географічних факторів.

Ввівши поняття гідрохімічної підсистеми, вона вважає її центральною в геосистемі річкового водозбору.

Аналізуючи вищеназвані роботи, слід зауважити, що всі вони характеризують більш, або менш вдалі спроби реалізації геосистемних методів для аналізу природних утворень (ландшафтів, річкових водозборів тощо) як геосистем. Проте власне водні об'єкти в них не розглядаються як природні системи.

Важливим кроком в розвитку системного підходу до вивчення водних об'єктів є робота В. М. Самойленка [23]. Ним вперше виконана формалізація водойми з береговою зоною в якості складної динамічної природно-технічної системи, стан якої описується групою екологічних ознак (гідрологічних, гідрохімічних, радіоекологічних, морфолітодинамічних, екотоксикологічних, гідробіологічних, водогосподарських). У цій роботі вперше зустрічаємо поєднання ландшафтної берегової геосистеми з водоймою, яка проте окремо не виділяється як геосистема. Це природне утворення власне двох геосистем, суходолу та водної, розглядається в той же час у поєднанні з територіально-господарським комплексом. Таким чином, реалізується класична модель природно-господарської системи з домінуванням водогосподарських функцій.

Проаналізовані вище роботи дозволяють зробити декілька важливих для подальших досліджень хімічного складу води з позицій системного підходу висновків:

1) впровадження теорії систем, що базується на принципах матеріалістичної діалектики — науки про загальні закони руху та розвитку природи, людського суспільства та мислення, науки про загальні зв’язки у природничі дослідження привело до розвитку геосистемної методології досліджень природних утворень;

2) поняття «геосистема» пройшло еволюційний шлях розвитку від позначення великих природно-територіальних систем до обмежених за площею ландшафтів, річкових басейнів, водойм з прибережною територією;

3) на основі численних досліджень виділено функціонально-цілісні геосистеми, основою яких є потоки речовини та енергії, які обумовлюють процеси обміну речовинами між компонентами неживої природи та метаболізму в живих організмах.

На протязі останніх 40−50 років завдяки успішному розвитку гідрохімічних досліджень вдалося наповнити абстрактні поняття «хімічний склад води», «якість води» конкретними науковими фактами. Відбувся перехід від досліджень сольових розчинів, якими вважалися природні води ще на початку століття, до досліджень складних дисперсних систем з вмістом різноманітних мінеральних та органічних речовин на мікрота макрорівнях.

Наука «насправді будується шляхом виділення природних тіл, які утворилися в результаті закономірних природних процесів» , — говорив видатний геохімік В.І.Вернадський [2]. Розширення наукових уявлень про хімічний склад природних вод, процеси його формування, про гідрохімічний режим водних обктів, а також розвиток геосистемних досліджень у географії, особливо функціональних геосистем, створило передумови для вирізнення специфічного «природного тіла» — гідрохімічної системи природних вод, в першу чергу за функціональними ознаками, та для створення теоретичної і методичної бази її дослідження.

Під гідрохімічною системою (ГХС) слід розуміти динамічний просторово-часовий та специфічний комплекс хімічних речовин та процесів у природних водах, який здійснює функцію обміну речовиною та енергією у природних водних системах.

ГХС виділяється за принципом функціонально-цілісної геосистеми як об'єм просторусистемоутворюючою основою її є компоненти хімічного складу води (табл.) з їх специфічним характером форм знаходження та типами зв’язків.

Таблиця. Компоненти гідрохімічної системи.

ГХС є системою відкритого типу. ЇЇ властивості та структура формуються головним чином під впливом факторів зовнішнього по відношенню до неї середовища — за рахунок екзосистемних процесів. Внутрішньосистемні (ендосистемні) процеси відіграють важливу, проте другорядну роль.

Опираючись на результати попередніх досліджень систем взагалі [30, 36−38] і, особливо, природних систем[11, 15, 31], спробуємо виконати математичну формалізацію гідрохімічної системи.

Для цього представимо елементи системи — компоненти хімічного складу води у вигляді певного набору параметрів, які позначимо символами X1, X2, X3, …, Xn, де n — число хімічних компонентів. Тоді множину цих елементів Х = {Х1, Х2, Х3, …, Хn } (1.1).

назвемо складом гідрохімічної системи S.

Елементи Х1, Х2, Х3, …, Хn об'єднуються в систему певними відношеннями і зв’язками, які називаються системоутворюючими, або, як уже було названо вище, ендосистемними.

Крім того, що ці елементи зв’язані між собою, вони ще зазнають впливу зовнішніх відносно системи S об'єктів. Таким чином утворюються екзосистемні зв’язки, які характеризують зовнішні фактори формування ГХС, які можуть бути представленими системами інших генетичних типів, наприклад, ландшафтно-геохімічними системами (ЛГС). ЛГС можуть одночасно обумовлювати також основні речовинно-енергетичні потоки в геосистемі вищого порядку, до якої належить дана ГХС. Так, наприклад, концентрація амонійного азоту, як одного із компонентів ГХС, через систему зовнішніх зв’язків залежить від його вмісту у компонентах ЛГС (в тому числі у грунтовому покриві за рахунок природних надходжень та внесення добрив), а також у донних відкладах (за анаеробних умов), в стічних водах тощо.

Тому варто позначити символом F множину зовнішніх систем (факторів) m, які формують екзосистемні зв’язки ГХС і є по відношенню до неї зовнішнім (навколишнім) середовищем. Цю множину представимо вектором:

F ={F1, F 2, F 3, …, F m}. (1.2).

Множина відношень (зв'язків) між елементами ГХС та елементами ГХС і навколишнім середовищем називається структурою даної гідрохімічної системи S і позначається вона так:

R ={ R 1, R 2, R 3, …, R l}. (1.3).

де l — число зв’язків, що утворюють структуру системи S.

Склад ГХС Х, її навколишнє середовище F та структура R можуть змінюватись у часі t. Цю зміну у загальній формі можна позначити слідуючим чином:

Х =Х (t) = {Х1(t), Х2(t), Х3(t), …, Хn (t)}, (1.4).

F =F (t) ={F1(t), F 2 (t), F 3(t), …, F m (t)}, (1.5).

R =R (t) ={ R 1 (t), R 2(t), R 3(t), …, R l (t)}. (1.6).

Зміна у часі елементів Х (t) та структури R (t) ГХС в залежності від впливу зовнішніх факторів F (t) відбувається за певною функцією M (t).

Враховуючи виконану математичну формалізацію ГХС можна подати її визначення в такому варіанті:

гідрохімічною системою S (t), що функціонує у водному об'єкті, чи групі споріднених водних об'єктів, які по відношенню до системи є навколишнім середовищем F (t), називається множина об'єктів.

S (t) = S (Х, F, R, M), (1.7).

що утворена із сукупності внутрішніх елементів Х (t), які зв’язані між собою і з навколишнім середовищем F (t) сукупністю зв’язків R (t), які змінюються у часі у відповідності із множиною функцій M (t). Графічну модель формалізованої таким чином гідрохімічної системи представлено на рисунку.

Рис. Графічна модель формалізованої гідрохімічної системи Точне визначення поняття «гідрохімічна система» та її математична формалізація є теоретичною базою розробки методології дослідження гідрохімічних систем, принципи якої викладені нами в попередніх роботах [25−28].

Список літератури.

1. Алекин О. А. Основы гидрохимии: Учебное пособие. -Л.: Гидрометиздат, 1970.-444 с. 2. Вернадский В. И. Размышления натуралиста. Научная мысль как планетное явление. -М.:Наука, 1977. 189 с. 3. Воронков П. П. Гидрохимические обоснования выделения местного стока и способы расчленения его гидрографа// Метеорология и гидрология. — 1963. -№ 8. С. 21−28. 4. Гвоздецкий Н. А. Физико-географические комплексы и практическое значение их изучения// Вестн. Моск. ун-та. Сер.5. -1982. -№ 2. -С. 22−29. 5. Глазовская М. А. Ландшафтно-геохимические системы и их устойчивость к техногенезу// Биогеохимические циклы в биосфере. -М.: Наука, 1976.-С. 99−118. 6. Глушков В. Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. -М.: Изд-во АН СССР, 1961. 414 с. 7. Горев Л. Н. Закономерности формирования физико-химической обстановки в природных водах равнинной части Украины. -Физ.география и геоморфология. Вып.18. 1977. — С. 55−64. 8. Гродзинський М. Д. Основи ландшафтної екології: Підручник. -К.: Либідь, 1993. -224 с. 9. Гродзинський М. Д. Стійкість геосистем до антропогенних навантажень. — К.:Лікей, 1995. -233 с. 10. Гродзинский М. Д., Шищенко П. Г. Ландшафтно-экологический анализ в мелиоративном природопользовании.-К.:Лыбедь, 1993. — 244 с. 11. Джефферс Д.

Введение

в системный анализ: применение в экологии. — М.: Мир, 1981. -256 с. 12. Закревский Д. В. Гидрохимия осушаемых земель. Автореф. дисс. … докт.геогр.наук. -Ростов-на-Дону, 1992. -48 с. 13. Кадацкая О. В. Гидрохимическая индикация ландшафтной обстановки водосборов. -Минск: Наука, 1987. -135 с. 14. Казаков В. Л. Геосистема як об'єкт вивчення географії в світлі закону системності.// Географія і сучасність. — 1999. — Вип.1. -С.26 -31. 15. Лаврик В.І. Методи математичного моделювання в екології. — К.: Фітосоціоцентр, 1998. -132 с. 16. Малишева Л. Л. Ландшафтно-геохімічна оцінка екологічного стану територій. — К.: Ред.-вид. центр «Київський університет», 1998. -264 с. 17. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем. Математические основы.- М.:Наука, 1970.-163 с. 18. Муравейский С. Д. Роль географических факторов в формировании географических комплексов// Реки и озера. — М.: Географгиз, 1960. — С. 30−45. 19. Некос В. Е., Бутенко В. И. Теория и методы исследования физических полей геосистем. — К.: УМК ВО, 1988. — 95 с. 20. ПелешенкоВ.И. Оценка взаимосвязи химического состава различных типов природных вод. -Изд-во при Киев. ун-те, 1975. — 168 с. 21. Полынов Б. Б. Географические работы.-М.: Географгиз, 1952. -400 с. 22. Ромась Н. И. О формировании химического состава атмосферных осадков в различных физико-географических зонах УССР// Физ. География м геоморфология. -1979. — Вып.21. — С. 126−131. 23. Самойленко В. М. Кадастр радіоактивного забруднення водних об'єктів України місцевого водокористування. Том 1. Радіогідроекологічний стан і використання водойм та загально методичні проблеми. -К.: Ніка-Центр, 1998. -192 с. 24. Снежко С. И. Особенности формирования речного стока биогенных элементов бассейна Днепра (в пределах УССР). Автореф. дис. канд. геогр. наук — Ростов-на-Дону. — 1989. — 23 с. 25. Сніжко С.І. Методика досліджень факторів формування гідрохімічних систем. Вісн.Київ.ун-ту. Серія географії, 2001. Вип.47.

26.Сніжко С.І. Методика дослідження територіальної структури гідрохімічних систем// Картографія та вища школа.2001. Вип.5. 27. Сніжко С.І. Поняття про гідрохімічні системи та методи їх дослідження.- В зб.: Україна і глобальні процеси: географічний вимір. Матеріали з" їзду Географічного товариства України, Луцьк, 2000 р., т.2, с. 199−202. 28. Сніжко С.І. Сучасні методи дослідження гідрохімічних систем. В зб.: Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.2000, т.1, с. 67 — 69. 29. Сочава В. Б.

Введение

в учение о геосистемах. — Новосибирск: Наука, 1978. — 319 с. 30. Теория систем в приложении к проблемам защиты окружающей среды. -К.: Высшая школа, 1989. -232 с. 31. Федоров В. Д., Гильманов Т. Г. Экология. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. — 464 с. 32. Философский словарь.-М.:Политиздат, 1975. — 496 с. 33. Хільчевський В. К. Роль агрохімічних засобів у формуванні якості вод басейну Дніпра. — К.: ВПЦ «Київський університет», 1996. — 222 с. 34. Холл А., Фейджин Р. Определение понятия системы// Исследования по общей теории систем. — 35. Шищенко П. Г. Принципы и методы ландшафтного анализа в региональном проектировании. -К.: Фитосоциоцентр, 1999. 284 с. 36. Athey T. Systematic systems approach. -New Jersey, 1982. -285 p. 37. Churchman C. Systems approach and its enemies. — New York, 1979. -320 p. 38. Hice G., Turner W., Cashwell L. System development methodology. — Amsterdam, 1978. — 380 p.