ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 80-86
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 551.557
АНТРОПОГЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ (1958-2003 гг.) ПОСТУПЛЕНИЯ ХЛОРА В АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКАХ НА СЕВЕРЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ
ТЕРРИТОРИИ РОССИИ
© 2007 г. Э. Р. Галиуллина, П. В. Хомяков, Л. 3. Шаяхметова, Н. П. Торсуев
Казанский государственный университет Поступила в редакцию 20.09.2006 г.
Излагаются вопросы методики и построения серии электронных карт, дается пространственно-временной анализ антропогенной изменчивости как концентрации, так и модуля поступления С1- с выпадающими атмосферными осадками за предельно возможный временной (45 лет) период для такого обширного региона России (более 0.8 млн. км2), каким является север ЕТР.
Проблеме состояния окружающей среды (ОС) посвящено не поддающееся учету число публикаций, но существенно меньше тех, в которых имеется значительная количественная информация, еще хуже дело обстоит с материалами количественно-качественного мониторинга среды. Наконец, совсем мало работ, затрагивающих вопросы пространственно-временной изменчивости компонентов за максимально длительный период, включая, естественно, постиндустриальный этап развития.
В этом аспекте следует напомнить, что, например, новое направление в метеорологии - химия атмосферы, включающая в числе прочего познание химического состава атмосферных осадков (ХСО) - выделилось лишь во второй половине XX в. Регулярные наблюдения за ХСО в нашей стране впервые были организованы в период МГГ и следующего за ним Международного года геофизического сотрудничества (1957-1959 гг.) [1, 5].
Только временной анализ наблюдений, в данном случае хлор-иона в атмосферных осадках, позволяет выяснить соотношение случайных флуктуаций, естественно-исторических процессов и направленных изменений, обусловленных антропогенным загрязнением. Цель, которую мы преследовали, работая над данной публикацией, заключается именно в пространственно-временном анализе изменчивости концентраций и модуля поступления С1- в ХСО, выявлении антропогенного фактора за весь период наблюдений на севере ЕТР. Отсюда вытекает и ряд задач, к числу которых, в частности, относятся восстановление единичных пропусков в наблюдениях за суммой выпадающих осадков и концентрацией С1- в них по каждой из 20 метеостанций (МС) севера ЕТР; приведение рядов наблюдений за суммой осадков и концентрацией данного ингредиента к единому максимальному во времени периоду наблюдений (1958-2003 гг.) с использованием информации смежных постов; расчет модуля поступления С1-
(т/км2 год); построение базовой карты региона и карт изолиний концентраций и модуля поступления С1- с атмосферными осадками по 5-летним периодам. Параллельно решались и другие задачи.
Атмосферные осадки из всех природных вод, как известно, характеризуются наименьшей минерализацией, но по химическому составу растворенных в них веществ они не менее разнообразны, чем другие воды. Химический состав и суммарная концентрация растворенных в них примесей показывают степень загрязнения тех слоев атмосферы, через которые они выпадают. Здесь постоянно содержится некоторое количество твердых и жидких мельчайших частиц, представляющих ядра конденсации, на которых концентрируется влага, образующая капли различной дисперсности. Проблема же происхождения хлоридов в природных водах - одна из наиболее сложных в генетической гидрохимии и гидрогеохимии. Распространенность и происхождение хлоридов натрия, магния и кальция в большинстве случаев не одинаковы, хотя эти соли чаще сопутствуют друг другу. В составе хлоридных вод доминируют хлориды натрия. Исключение составляют рассолы с высокой минерализацией, в них над натрием преобладают кальций или магний [4].
Регион занимает северную и северо-восточную часть Восточно-Европейской (Русской) равнины. Она ограничивается с востока Уралом, с юга Сев. Увалами, с запада и северо-запада Ветряным поясом и сетью озер (Водлозеро, Онежское), а с севера омывается морями Северного Ледовитого океана.
В качестве исходного материала использована информация о ХСО 20 МС Северного и других УГМС. Анализ ее показал, что только 5 МС имеют продолжительные ряды наблюдений: Мудьюг (1958-2003 гг.), Усть-Вымь (1958-2003 гг.), Нарьян-Мар (1962-2003 гг.), Кудымкар (1962-2003 гг.) и Сыктывкар (1971-2003 гг.). Наблюдения на других
начаты в начале 90-х годов прошлого столетия (см. таблицу).
Значения отсутствующих концентраций С1-при наличии данных наблюдений за другими загрязняющими веществами (ЗВ) на МС рассчитывались с использованием корреляционного и регрессионного анализов. При вычислении коэффициентов корреляции необходимо прежде всего было исключить пропуски, имеющиеся в наблюдениях. Для этого использовалось построчное удаление, которое заключается в исключении всей строки, в которой имеется хотя бы одно пропущенное значение, т.е. при отсутствии данных по одному элементу за месяц удаляются имеющиеся значения того же месяца по всем другим показателям. Таким образом, была сформирована база данных без пропусков, на основе которой для каждой МС находилась корреляционная зависимость концентрации С1- от других показателей. Для больших выборок значимыми коэффициентами корреляции считается г > 0.5, г < 0.5.
Для каждой значимой связи проведен регрессионный анализ. В результате выполнения данной операции приводилась точечная диаграмма, регрессионная статистика, дисперсионный анализ, выводился остаток и другие статистические показатели. Для нахождения отсутствующей концентрации хлоридов строилось уравнение регрессии между концентрацией хлоридов и значением показателя химсостава.
Например: С (Ухта) = электропроводность
(Ухта)Ь + а, где С - - концентрация хлоридов; Ь -
угловой коэффициент (коэффициент регрессии); а - свободный член.
С целью же нахождения концентрации С1- в отсутствие наблюдений по другим показателям химического состава данной МС использовалась информация других станций. Необходимо было найти связь показателей химического состава одной МС с показателями другой, которая являлась бы доказательством массового переноса ЗВ и позволяла бы удлинить короткий ряд до максимально возможного периода наблюдений. С целью нахождения значимой связи только для двух МС необходимо вычислить 169 коэффициентов корреляции. Для решения задачи строились матрицы. Для используемых объемов выборок коэффициент корреляции, больший 0.5 по модулю, является значимым.
Если коэффициент корреляции обнаруженных связей >0.5, то можно приступить к построению уравнения регрессии и восстановлению неизвестных данных. В случае, если между концентрацией хлоридов рассматриваемой МС и показателями смежных МС отсутствует значимый коэффициент корреляции, то находится косвенная связь. Пример:
С - (Сура) = эл-ть (Сура)Ь + а
Эль-ть (Сура) = = Количество осадков (Усть-Вымь)Ь + а,
Информация о поступлении хлоридов с ХСО по метеостанциям региона севера ЕТР (1958-1998 гг.)
№ МС Северного УГМ Годы наблюдений Количество лет наблюдений за химсоставом
1 Мудьюг 1958-2003 45
2 Усть-Вымь 1958-2003 45
3 Нарьян-Мар 1962-2003 41
4 Сыктывкар 1972-2003 31
5 Белозерск 1990-2003 13
6 Брусовица 1990-2003 13
7 Онега 1990-2003 13
8 Троицко-Печорск 1990-2003 13
9 Сура 1990-2003 13
10 Вологда 1991-2003 12
11 Архангельск 1991-2003 12
12 Северодвинск 1991-2003 12
13 Череповец 1991-2003 12
14 Кудымкар 1962-2003 41
15 Краснощелье 1990-2003 14
16 Калевала 1990-2003 14
17 Олонец 1990-2003 14
18 Ругозеро 1990-2003 14
19 Верхнешижемье 1990-2003 14
20 Ухта 1992-2003 12
где C - - концентрация вещества; b - угловой коэффициент (коэффициент регрессии); a - свободный член.
После восстановления информации до максимального периода повторно вычисляется коэффициент корреляции (r2). Только при условии совпадения или превышения коэффициента корреляции r2 над первоначальным принимается этот вариант восстановления. Иначе приходилось искать иные связи между станциями и показателями.
Для построения изолиний концентрации хлоридов, поступающих с атмосферными осадками на территорию севера ЕТР, использовалась программа Surfer 7.0. Основным назначением последней является обработка и визуализация двухмерных наборов данных, описываемых функцией типа z = =f (x, y). В качестве основы взята импортированная из программы Мар Info электронная карта с тремя слоями: береговая линия, метеостанции, речная сеть. Кроме того, использован импортированный из Microsoft Excel текстовый файл, содержащий данные средних значений концентрации хлоридов в ХСО за пятилетний период и координаты МС. В итоге построено 8 электронных карт с нанесенными на них изолиниями концентраций Cl-в интервале времени 1958-2003 гг., четыре из которых приводятся в данной публикации (рис. 1-4).
Рис. 1. Среднегодовые концентрации хлоридов в ХСО на севере ЕТР за период 1968-1972 гг., мг/л (1 : 5000000).
Рис. 2. Среднегодовые концентрации хлоридов ХСО на севере ЕТР за период 1973-1977 гг., мг/л (1 : 5000000).
Ход изолиний (1968-1972 гг.) на построенной карте (рис. 1) прежде всего отражает два источника повышенной концентрации хлоридов. Самая высокая концентрация хлоридов наблюдается в атмосферных осадках МС Онега (4.9 мг/л). Повышение концентраций на востоке региона в направлении г. Ухта отражает экоситуацию близ агломерации Ухта - Сосногорск.
На картах концентраций хлоридов отчетливо видно, что по мере движения на восток концентрация С1- снижается, достигая 1.46 мг/л на МС Сура (верхняя Пинета). Изолиния 2.2 мг/л охватывает обширнейшую площадь в центре региона, включая МС Усть-Вымь. Это, естественно, условно чистая территория. Другой, как бы фоновый источ-
ник загрязнения в 1968-1972 гг. располагается, повторяем, на востоке, где концентрация вновь возрастает, достигая максимальных значений (3.5 мг/л) на МС Троицко-Печорск. Близ устья Сев. Двины повышение концентрации на общем фоне (4.11 мг/л) отмечается на МС Северодвинск.
По карте 1973-1977 гг. в первую очередь следует отметить появление третьего источника загрязнения, т.е. еще одной городской агломерации -гг. Архангельск-Северодвинск-Новодвинск (рис. 2). Однако зона максимально повышенн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.