ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 4, с. 393-403
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ^^^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 551.577.13:51
ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ СЕЛЬСКИХ СТАНЦИЙ БАРЕНЦЕВА РЕГИОНА РОССИИ МЕТОДАМИ МНОГОМЕРНОГО АНАЛИЗА © 2014 г. В. М. Феоктистов*, В. Н. Харин**, Е. Н. Спектор**
*Карельская государственная педагогическая академия 185680 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 17 **Институт прикладных математических исследований КарНЦРАН 185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11 E-mail: feoktistov@petrsu.ru Поступила в редакцию 15.09.2012 г.
Методы многомерного анализа использованы для исследования изменчивости концентраций Ag, Al, As, B, Ba, Br, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, S, Sb, Si, Sn, Sr, Th,
_ 2—
Tl, U, V, Zn, Cl-, NO3, SO4 в составе атмосферных осадков 11 сельских станций, проведенного в рамках проекта "Экогеохимия Баренцева региона". С помощью иерархического факторного анализа выявлены структура и пространственно-временное распределение семи факторов первого порядка и двух факторов второго порядка. Совокупности ингредиентов, определяющие состав факторов первого порядка, характеризуют источники состава атмосферных осадков, в качестве которых определены специфические и летучие продукты сжигания мазута и каменного угля, морские и земляные аэрозоли, биогенные процессы. Факторы второго порядка показали две независимые совокупности компонентов, присущие химическому составу атмосферных осадков исследованных станций в зимнее и летнее время года. Пошаговый дискриминантный и кластерный анализ позволил классифицировать станции наблюдений по химическому составу атмосферных осадков и показать степень их различия между собой.
Ключевые слова: атмосферные осадки, микроэлементы, иерархический факторный, кластерный анализ.
Б01: 10.7868/80321059614040063
В последние десятилетия изучению выпадения химических компонентов с атмосферными осадками (АО) уделяется особое внимание в связи с ростом антропогенного загрязнения окружающей среды. Одновременно существенно возросли аналитические возможности исследователей. Применение таких многоэлементных методов анализа, как нейтронный активационный, рент-ген-флуоресцентый, масс-спектрометрия с возбуждением атомов ионизацией в индуктивно связанной плазме (МС-ИСП), ионная хроматография и др., позволяют получать большие массивы данных о химическом составе АО, аэрозолей и других объектов окружающей среды. Интерпретация полученных данных традиционными методами значительно усложняется. Практика показывает, что все более широко используются методы многомерного статистического анализа (классификации), которые позволяют осмыслить на новом
уровне получаемую информацию, выявить источники формирования состава АО [17—19, 21].
Цель данной работы — изучение особенностей химического состава выпадающих АО над рядом сельских станций территории Баренцева региона России, не подверженных активным антропогенным или природным воздействиям, выявление взаимосвязанных и независимых совокупностей ингредиентов для определения источников их загрязнения методами многомерного анализа.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В рамках международной программы "Экогеохимия Баренцева региона" с июня 2000 по май 2001 г. на 30 станциях наблюдений собирались месячные пробы АО. Район исследований включает в себя: Финляндию (5 станций наблюдений), Мурманскую (5), Ленинградскую (3), Архангель-
Рис. 1. Карта-схема расположения сельских пунктов наблюдений на территории Баренцева региона. Цифры в кружках — номера станций.
скую области и часть Вологодской, Республику Коми (11) и Республику Карелию (РК) (6).
В настоящей работе рассматриваются данные о химическом составе АО, собранные на метеорологических станциях, расположенных на окраинах небольших населенных пунктов (до нескольких тысяч жителей) сельского типа. Вблизи этих станций нет крупных предприятий. Исключены также станции, расположенные на побережьях морей, так как в отдельные месяцы на этих станциях на АО оказывает интенсивное влияние так называемый морской фактор. В перечень рассматриваемых станций вошли 2 станции Мурманской области (Янискоски и Ловозеро), 2 станции на территории РК (Кестеньга и Калевала) и 7 станций Архангельской (Нарьян-Мар, Усть-Цильма, Кой-нас, Сура, Шенкурск, Каргополь) и прилегающей к ней Вологодской (Белозерск) областей (рис. 1).
Отбор проб АО и их химический анализ выполнялись по единой методике для всей территории Баренцева региона [20]. На всех метеостан-
циях было установлено по 5 сборников АО, представляющих собой цилиндры из плотного картона (диаметром 21, длиной 80 см), так что их нижние края расположены на высоте 1 м от поверхности земли. Внутри каждого из них крепились одноразовые полиэтиленовые мешки. АО накапливались в течение месяца, затем мешки снимались, измерялось количество осадков весовым методом, и с помощью автоматической пипетки с одноразовым наконечником отбиралась средняя проба в две емкости по 100 мл. В зимний период снеговые пробы предварительно растапливались при комнатной температуре. Пробы АО отправлялись в Санкт-Петербург, а затем в лабораторию Геологической службы Финляндии (г. Эспоо) для химического анализа. До проведения анализа все пробы замораживались. В пробах из первой емкости (без какой-либо предварительной обработки) определяли рН, щелочность, электропроводность и основные анионы (сульфат-, нитрат-, хлорид- и фторид-ионы) с помощью ионной хроматографии. Пробы из второй
емкости использовали для микрокомпонентного анализа, подкисляли азотной кислотой, фильтровали через мембранный фильтр (диаметр пор 0.45 мкм) и анализировали методом масс-спектро-метрии с возбуждением и ионизацией атомов в индуктивно связанной плазме (МС-ИСП). Определялись следующие элементы: А§, А1, Аз, В, Ва, Ве, В1, Вг, Са, Сё, Со, Сг, Сз, Си, F, Fe, I, К, Ы, М§, Мп, Мо, На, N1, Р, РЬ, ЯЬ, 8, 8Ь, 8е, 81, 8п, 8г, ТИ, Т1, и, V, гп.
Полученные образцы АО относятся к смешанным выпадениям, так как вклад сухих выпадений не оценивался. Микрокомпоненты в АО представлены кислоторастворимыми формами этих элементов. Достоверность полученных результатов гарантировалась системой аккредитации финской аналитической лаборатории.
Статистической обработке подвергались результаты химических анализов АО со всех рассматриваемых станций. Несколько микроэлементов (Ве, В1, I, 8е, F), содержание которых в большинстве месячных проб АО было меньше предела обнаружения используемого метода, были исключены из рассмотрения, так как предварительные вычисления показали, что они способствовали образованию "ложных" факторов [13].
Исходная матрица концентраций рассматриваемых ингредиентов включала 36 показателей для 132 проб АО.
Методика исследования
Факторный анализ. Факторный анализ (ФА) широко используется для исследования геохимических данных, позволяет выявить возможные совокупности (комбинации, ассоциации) отдельных химических показателей на основе присущих им внутренних взаимосвязей и формирует интегральные непосредственно неизмеряемые (так называемые латентные) факторы, которые наиболее полно описывают структуру исходных переменных. Количество этих факторов значительно меньше количества исходных переменных, что позволяет более легко интерпретировать аналитические данные.
В нескольких предыдущих работах [11—13] использовался так называемый иерархический факторный анализ (ИФА). При проведении ИФА факторы первого порядка получали из матрицы парных коэффициентов корреляций нормированных значений плотностей выпадения исследуемых переменных по методу "максимального правдоподобия" с последующим их косоугольным вращением. Полученные на первом этапе вычислений
факторы, как правило, имели между собой значительную корреляцию и поэтому могут рассматриваться далее как новые переменные для последующего анализа их взаимосвязей до получения независимых друг от друга ортогональных факторов второго или более высоких порядков [4]. Это позволяет более полно оценить корреляцию между исходными переменными.
Во всех видах ФА "факторная нагрузка" отдельного ингредиента — это корреляция данного фактора (интегрального показателя) с исходными значениями этого ингредиента. Высокая (по абсолютной величине) факторная нагрузка химического ингредиента выражает его высокий вклад в фактор. В результате нормализации исходных переменных появляются отрицательные значения факторных нагрузок и значений факторов. По знаку факторной нагрузки отдельного ингредиента можно судить о характере его участия во взаимосвязях полученной совокупности ингредиентов. Положительный знак свидетельствует о его совместимости, а отрицательный — об антагонизме со всей совокупностью ингредиентов фактора.
Численное значение фактора характеризует выраженность определенного сочетания компонентов по месяцам года для данной станции наблюдений, а распределение значений фактора по рассматриваемым станциям наблюдений позволяет наглядно проследить изменение выраженности полученного фактора по исследуемой территории. На основе интерпретации знаков и величин факторных нагрузок и значений факторов по каждому из пунктов наблюдений можно попытаться определить условия формирования химического состава АО и оценить особенности их пространственно-временного распределения.
Отнесение фактора к тому или иному источнику формирования состава АО проводили по данным авторов статьи, полученным ранее при изучении состава АО станций, расположенных в непосредственной близости к различным источникам антропогенных выбросов [10—13], а также по данным [17-19].
Факторные нагрузки факторов второго порядка были получены по программе пакета "Статистика 6.0", а значения факторов рассчитаны авторами статьи самостоятельно. Следует отметить, что интерпретация полученных факторов (генерирование гипотез) - наиболее важная и ответственная задача данного анализа.
Дискриминантный и кластерный анализ использованы в данном исследовании для дифференциации станций наблюдений по химическому составу АО.
По общепринятой методике линейного дис-криминантного многомерного анализа различие (или схо
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.