Факторная модель химического состава осадков и снегового покрова Южного Урала и сопредельных территорий

Вестник Челябинского государственного университета. 2011. № 5 (220). Экология. Природопользование. Вып. 5. С. 18-23.

К. Ю. Гаращенко

ФАКТОРНАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОСАДКОВ И СНЕГОВОГО ПОКРОВА ЮЖНОГО УРАЛА И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Приводятся результаты факторного анализа химического состава атмосферных осадков и снегового покрова Южного Урала и сопредельных территорий за период 1993-2001 гг. Исследование показало, что поведение основных химических элементов в городских ландшафтах удовлетворительно описывается моделью из двух-трех факторов, главными из которых являются pH и минерализация.

Ключевые слова: снеговой покров, осадки, факторный анализ, факторная модель.

Введение. Представляемое исследование связано с необходимостью оценки влияния крупномасштабной хозяйственной деятельности на ландшафты северной лесостепи Южного Урала. Оценка антропогенных и естественных составляющих химического состава атмосферных осадков и депонирующих сред (снегового покрова в частности) является одним из важных моментов в решении данного вопроса.

На кафедре природопользования Челябинского государственного университета проводились исследования, которые показали наличие ряда характерных закономерностей в атмосферных осадках Южного Урала [1-3; 6]. В частности, исследования пространственно-временного распределения минерализации и кислотности выпадающих атмосферных осадков как индикатора состояния воздушного бассейна демонстрируют, что абсолютные значения этих показателей зависят от природных условий и антропогенной нагрузки в местах расположения метеостанций. А именно: выявлено, что минерализация, рН, концентрация основных ионов (НСО3-, SO42-, С1-, Са2+ и Mg2+), главный источник поступления которых — промышленный и городской аэрозоли, в дождевых и снеговых осадках, выпадавших в районах размещения крупных промышленных предприятий, значительно выше аналогичных показателей в слабо освоенных районах [2; 6].

На примере крупных промышленных городов — Челябинска и Кургана — показано, что кислотность атмосферных осадков определяется структурой выбросов промышленных предприятий [Там же]. Средневзвешенные значения рН осадков по временам года в пунктах, расположенных непосредственно в черте этих городов, значительно превышают региональный фон и достигают 7-8 единиц. Т. е. наблюдается высокая щелочность атмосферных осадков, которую связывают с выбросами аэрозоля, содержащего

карбонаты кальция и прочие компоненты флюсов, оксидов двухвалентного железа и других пылей, образующихся в результате работы металлургических предприятий [6].

Кроме того, отмечено существенное влияние фазового состояния выпадающих осадков на процессы вымывания загрязняющих веществ из атмосферы: осадки теплого периода менее минерализованы, нежели осадки холодного периода. Последние характеризуются высоким содержанием сульфат-ионов. Это объясняется увеличением серосодержащих выбросов топливноэнергетического комплекса вследствие сжигания топлива, что в свою очередь является результатом интенсивного потребления энергии в холодное время года [6; 8].

Изучение химического состава атмосферных осадков Урала и сопредельных территорий ведется уже более 60 лет [8]. В то же время детального исследования статистической структуры химического состава осадков и снегового покрова городов Южного Урала и сопредельных территорий и сравнения этих данных до настоящего времени не проводилось. В ходе предварительных исследований было обнаружено, что определение структуры статистических связей в массивах с большим количеством переменных путем построения матриц парных корреляций, с одной стороны, технически трудоемко, а с другой стороны, методически ограничено лишь первой линейной связью между переменными. Поэтому для исследования массива данных, формирующихся под действием большого количества факторов, было решено использовать методы многомерной статистики и, в частности, факторный анализ. Он позволяет перейти от множества исходных переменных (в нашем случае — химических показателей атмосферных осадков и снегового покрова) к существенно меньшему числу новых — факторов.

Фактор при этом понимается как причина совместной изменчивости исходных переменных [7]. Интерпретация факторов через исходные переменные осуществляется посредством факторных нагрузок, которые показывают степень связи соответствующих переменных и факторов.

Таким образом, целью представленного исследования стало построение факторной модели химического состава осадков и снегового покрова Южного Урала и сопредельных территорий.

Характеристика исходных данных и методы исследования. Оценка химического состава и кислотности атмосферных осадков и снегового покрова проводилась на основе фондовых материалов территориальных подразделений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета) Екатеринбурга и Челябинска [4-5].

В качестве переменных использовались данные измерений 23 физико-химических показателей снегового покрова: водородного показателя pH, минерализации (М) и концентрации ионов НСО3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, NO3-, NO2- в снеговой воде в 57 точках г. Касли и в 81 точке г. Кыштыма. Также использовались данные о сумме выпавших за месяц осадков по девяти метеостанциям Уральского региона в период с 1993 по 2001 г.

Факторный анализ осуществлялся отдельно для атмосферных осадков и снегового покрова. При этом выделяли теплый и холодный периоды года. Также районы расположения метеостанций были разделены на условно чистые — с преобладанием сельскохозяйственной деятельности (Памятное, Лебяжье, Шатрово, Мирный) и загрязненные — с преобладанием промышленной деятельности (Невьянск, В. Дуброво, Кудымкар, Краснотурьинск, Богданович) [6]. Всего было сделано семь вариантов факторного анализа.

Анализ проводился методом главных компонент. Для определения числа факторов использовались критерии Кэттелла и Кайзера, а для упрощения решения применялось варимакс-вращение. Расчеты выполнялись в пакете Statistica (v. 6.0; StatSoft Inc.).

Основные результаты. Химический состав атмосферных осадков на Урале определяется прежде всего эоловыми процессами, приносящими пылеватые частицы горных пород, почвенного покрова, соленых озер и промышленных выбросов [6, 8]. Для гг. Касли и Кыштым

нами рассматривались данные за зимний период, когда снег покрывал поверхность почвы и таким образом препятствовал выведению пыли естественным путем за счет ветровой эрозии. Поэтому можно считать, что аэрозольные частицы и частицы пыли, попавшие на снеговой покров, преимущественно техногенного происхождения.

На рис. 1 представлена структура химического состава снегового покрова г. Касли, где обнаруживается доминирование трех факторов, определяющих до 80 % общей дисперсии (показатель того, насколько полно указанные факторы могут представить данный набор признаков). Наибольшее влияние оказывает рН-фактор (информативность 37 %), или фактор 1, кото -рый характеризуется значительными положительными нагрузками (> 0,65) для ионов кальция и магния, гидрокарбонат-иона и сульфат-иона. Данные ионы вносят максимальный вклад в формирование показателей pH и минерализации (М), кроме того, отмечаются высокие взаимные корреляции и в пространственном распределении. Фактор 2 (информативность 26 %) описывается переменными содержания ионов калия, натрия и хлора. Отмечается тесная кор -реляционная связь данных ионов и при распределении в пространстве. Показатель минерализации имеет перекрестные нагрузки по первым двум факторам, что легко объясняется, так как

Рис. 1. Трехфакторная модель талых вод снегового покрова г. Касли для группы основных ионов. Прямоугольником представлена переменная Ф. 3, треугольником — переменные Ф. 2, кругом — группа Ф. 1

минерализация главным образом определяется ионами, относящимися к данным факторам. Фактор 3 (информативность 16 %) характеризуется высокой нагрузкой для нитрат-иона и перекрестными нагрузками для гидрокарбонат-иона и показателя рН.

Поведение основных химических элементов в снеговом покрове г. Кыштыма, в отличие от г. Касли, описывается моделью из двух факторов (рис. 2), что, вероятно, связано с различием в структуре промышленных выбросов.

Фактор 1, как и для модели г. Касли, имеет наибольшую информативность (37 %) и характеризуется значительными положительными нагрузками (> 0,70) для ионов калия, натрия, хлора, аммония, гидрокарбонат-иона, нитрат-иона и показателей рН и минерализации. Фактор 2 (ин-

формативность 24 %) описывается следующими переменными: М, 8042-, Са2+, Mg2+. Показатель минерализации имеет перекрестные нагрузки по обоим факторам, т. е. входит в группу показателей каждого из факторов, что легко объясняется, так как минерализация непосредственно определяется всеми ионами, входящими в основную группу.

В общей выборке и выборке по промышленным районам, по данным метеостанций, обнаруживается преобладание двух факторов, определяющих до 60 % общей дисперсии. Доля дисперсии, или информативность доминирующего рН-фактора (на рис. 3 обозначен как фактор 1), составляет ~ 35 %. В группу этого фактора входят сульфат-ион, гидрокарбонат-ион и катионы кальция и магния. Количественно

Фактор 1

Рис. 2. Двухфакторная модель снегового покрова г. Кыштыма для группы основных ионов. Кругом обозначена группа основных ионов Ф. 2, квадратом — группа Ф. 1, ромбом — минерализация, которая определяет оба фактора

Фактор 1

Рис. 3. Двухфакторная модель атмосферных осадков промышленных районов для группы основных ионов. Кругом обозначена группа ионов Ф. 1, треугольником — группа Ф. 2, ромбом — минерализация, которая определяет оба фактора

преобладая над остальными, эти ионы вносят основной вклад в формирование минерализации и кислотности осадков. Фактор 2 (информативность ~ 25 %) связан с ионами аммония, калия, натрия, нитритами, хлоридами, концентрация которых значительно меньше, чем ионов фактора 1.

Полученную факторную структуру трудно назвать простой, и отсюда сложность ее интерпретации. Это связано с тем, что некоторые переменные характеризуют оба фактора (минерализация, сульфат-ион), кроме того, данные модели плохо определяет показатель рН исходя из низкого значения его общности (0,32). Можно говорить о том, что поведение группы главных ионов в составе атмосферных осадков исследуемой территории удовлетворительно описывается мо-

делью из двух факторов, индивидуальный вклад остальных факторов незначителен.

Статистическую структуру осадков сельскохозяйственных районов определяют три фактора, охватывающие 74 % общей дисперсии, с распределением информативности 28, 28 и 17 % соответственно. В группу фактора 1 входят нитрат-ион, ионы хлора, магния и натрия. Фактор 2 связан с катионом кальция и гидрокарбонат-ионом, показателями рН и минерализации. В группу фактора 3 входят сульфат-ион, катионы аммония и калия. Наглядно структура факторных нагрузок представлена на диаграмме рассеяния (рис. 4). В данном случае несколько больше, чем в модели промышленных районов и общей модели по всему массиву данных, «участие» в факторном анализе показателя рН (значение общности 0,42).

Фактор 1

Фактор 2

Рис. 4 а, б. Трехфакторная модель атмосферных осадков сельскохозяйственных районов для группы основных ионов. Прямоугольником представлена группа ионов Ф. 1, кругом — группа Ф. 2, треугольником — группа Ф. 3, ромбом — переменные, не определяющие представленные факторы

Отметим, что отличие статистических структур атмосферных осадков промышленных и сельскохозяйственных районов подтверждает возможность разделения районов по критерию освоенности территории. Возможно, одной из причин такого отличия являются разные источники поступления элементов химического состава осадков.

В статистической структуре осадков за холодный период сохраняется тенденция, обнаруженная в общей выборке: преобладает вклад двух факторов с информативностью 39 и 21 %; факторы характеризуются набором аналогичных переменных.

Структура осадков за теплый период определяется тремя факторами, охватывающими 74 % дисперсии, причем доминирующим является рН-фактор с информативностью 35 %, который характеризуется значительными положительными нагрузками (0,60-0,90) для сульфат-иона, гидрокарбонат-иона, ионов кальция и магния, а также для рН и минерализации. Фактор 2 (информативность 25 %) связан с гидрокарбонат-ионом, ионами хлора и натрия. В группу фактора 3 (информативность 14 %) входят катионы аммония и калия. Более наглядно структура факторных нагрузок представлена на диаграмме рассеяния (рис. 5).

Рис. 5. Трехфакторная модель атмосферных осадков за теплый период для группы основных ионов. Кругом представлена группа ионов Ф. 1, прямоугольником — группа Ф. 2, треугольником — группа Ф. 3

Прослеживается ряд закономерностей, определяющих сходство моделей для осадков разных периодов, а именно: фактор 1, или рН-фактор, характеризуется наибольшей информативностью и одним набором переменных в обоих случаях. Набор переменных вторых факторов также в целом сходен.

В результате проведенной работы можно сделать вывод, что поведение основных химических элементов в городских ландшафтах удовлетворительно описывается моделью из двухтрех факторов, главными из которых являются рН и минерализация. Дальнейшие исследования с применением многомерных методов анализа данных помогут определить реальный пространственный масштаб влияния отдельных источников загрязнения или их групп на воздушную среду и миграцию загрязняющих веществ в почвы и водоемы; обосновать относительно малозатратные методы мониторинга, позволяющие эффективно проводить контроль и управлять природопользованием.

Список литературы

1. Абдуллаев, С. М. Вопросы интерпретации мониторинга кислотности дождя и снега в Челябинске / С. М. Абдуллаев [и др.] // Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области. Челябинск, 2005. С. 132-136.

2. Абдуллаев, С. М. Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем / С. М. Абдуллаев [и др.] // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2008. № 7. Экология. Природопользование. С. 41-53.

3. Гаращенко, К. Ю. Использование показателей кислотности и минерализации в качестве индикаторов загрязнения воздушной среды / К. Ю. Гаращенко // Экологические, экономические, социальные и правовые аспекты устойчивого развития : тез. докл. Всерос. студен. науч.-практ. конф. Екатеринбург : Полиграфист, 2009. С. 58-61.

4. Плохих, Н. А. Отчет о результатах снеговой съемки г. Касли в 1993 г. [Архивный материал] / Н. А. Плохих, И. В. Грачева. Челябинск : Челяб. обл. центр по гидрологии и мониторингу окружающей среды, 1993.

5. Плохих, Н. А. Отчет о результатах снеговой съемки г. Кыштым в 1993 г. [Архивный материал] / Н. А. Плохих, И. В. Грачева. Челябинск : Челяб. обл. центр по гидрологии и мониторингу окружающей среды, 1993.

6. Сапельцева, Ю. А. Особенности химического состава осадков на Южном и Среднем Урале / Ю. А. Сапельцева // Экология России и сопредельных территорий : материалы XXIII международ. студен. конф. Новосибирск : Новосиб. гос. ун-т, 2008. С. 8-9.

7. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ : пер. с англ. / Дж.-О. Ким [и др.] ; под

ред. И. С. Енюкова. М. : Финансы и статистика, 1989. 215 с.

8. Черняев, А. М. Химический состав атмосферных осадков. Урал и Предуралье / А. М. Черняев, Л. Е. Черняева, А. К. Могилевских. Л. : Ги-дрометеоиздат, 1978. 183 с.