Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Применение статистических методов к решению некоторых вопросов мониторинга загрязнения почв

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Применение статистических методов к решению некоторых вопросов мониторинга загрязнения почв"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОЬЕГЕОРОЛОШ НАУЧН041Р0ИЗВ0ДСТЗЕНН0Е ОБЪЕДИНЕНИЕ "ТАи'ЛГ . ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ШИРОЛОГШ

На правах рукописи

САТАЙБА ЛОДШ БАШЬЕВНА

ПВ№КЕШЕ СТАТШтаЧЕШК МЕТОДОВ К РШЫ1ИЮ нькотогах ВОПРОСОВ МОНИТОРИНГА загрязнения

Пи^В

Специальность - 04.00.22 - Геофизика-II.ОС'.II - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных рсо^рсод

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на еоискшше утеноП степени к.'1к;,н;:ута фазлко-уатек'ятическ;« ьзук

Работа выполнена в Институте экспериментальной метеорологии ШО "Тайфун".

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

стерший научный сотрудник С.Г.Малахов. Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор В.В.Рач!шск1Ш, й кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник О.И.Возжэнпиков. ' 'Ведущая организация - Лаборатория мониторинга природной среды н климата Госкомгидромета и АН СССР.

часов

Защита состоится " ^ " __199/ п УЗ

на саседешм специализированного совета К 02i.07.01 в Институте окспериментальной мвтеирологии ШО "Тайфун" по адресу: 249020 г. Обнинск Калужской обл., пр. Ленина, £2.

С диссертацией можно ознакомиться в_ библиотека Института экспериментальной метеорологии ШО "Тайфун".

Автореферат разослал " /У * срг(>/и?лЛ' 19о/ г>

Ученый секретарь л

специализированного совета . Н. Корпу с о в.

¿/ С/'

Актуальность точы. В настоящее время одной из наиболее остррх окегегичсс?:;;;; проблем яисяотся загрязнен::- скрукшгшй среды тяхеи-т аспаглгли (TU). Я обкей cncre.ve мониторинга сагряз-неннл ;:р;:р';Дк]/х с ре;; игн-.Ч' ;>се---; гсслед'лз-:;; проблем.: ;.joi ги ,j;:h; с. я г р л л: i си:; я neun.

Задачи w.tuiro,wiirr. загрязнения поч» - наблюдение за ч'актс;р'. чи, »«с^доУствукшш!! на педесферу i; оценка существующих и прстно-ег;:чеег:п: yriOü,:e:i егп'р:;?:>ен':я - греб;,ют посчуллоннп от подрязде-wmtr Обгегоеуяарс*шшой службы наблюдения и контроля за загряз-дешюстьп сред (СГС123 ¿осс/горонней и достояерчеГ; т^-

:ацл.:, колупаемо« с нэлменызимч трудозатрат«»«!.

Длл решения этих вопросов крайне необходимо применение ста-гпсчнческих »летодоя. позволяющих идентифицировать источники промышленных выбросов и загрязняющие вещества антропогенного проис-сождпния, сояераенствоють методики отбора проб почеи и алгоритм обработки достоверных экспериментальных данных, характеризующих :ространетпс>;нос загрязнений почв районов теглогеноэа.

Дксссртоция гиьольена п институте окспержиятаыюй vereepo-;эгии (1ХШ ¡¡ПО "Та!ч1ун" п связи с ксп<чшяе».«т*. темами: "Рал->аСотать и внедрить в производство систему контроля за содермшн-•■и и мероприятия по снижению накопления в почвах и растениях тя-.елнх металлов (кадмия, ртути, свинца, цинка, меди) и родиснук--идон, включая трансурановые, в связи с хозяйственной деятельно-тыо человека" {ГР К- 01890040569) и "Комплексное обследование остекляя природной среды и источников выбросов загрлэнятих вепеств" (ГР К 0I69C04859C).

Вазой для исследования служил архив данных по содержаниям М с' объгктях г.ркродшл. сред, nw;,4«w.v. сетевкда подрал деления-и СШ21 и при гкгпсд/гцюннь'Х о'следс«х, преводиуьа ИЭД и

Центральной опытно-методической экспедицией Мингео Р05СР. Автор принимал участие в экспедиционных работах при отборе проб воздуха в Чимкенте.

Цель работы:

- получение статистических характеристик полей загрязнений почв и снежного покрова ТМ вокруг крупных источников промышленных выбросов и и.чдустриальных центров с последующим их использованием о практике мониторинга;

- выявление источников загрязнения путем применения комплекса статистических методов;

- нахождение оценок региональных фоновых уровней ТМ в почвах

- установление точностных характеристик метода выполнения аналитических измерений (МВИ) содержаний ТЫ в почвах.

Основные задачи исследования;

1. Изучение пространственного распределения и статистической структуры содержаний различных форм ТЫ в поверхностном к корнеоби таем ом слоях почвы, снежном покрове и, по возможности, в растения: техногенных районов. Путем установления законов распределения содержаний ТЧ в объектах. природной среды усовершенствовать алгоритм обработки данных об уровнях загрязненности. На основе знания радиусов корреляции сделать подход к обосновании геометрии пробо-отбора.

2. Определение ТМ антропогенного происхождения, факторов и источников промышленных выбросов и кх вклад в загрязнение природных сред ТЫ методами корреляционного и фактор! ого анализов.

3. Оценка $онррых уровней ТаГв почвах отдельных регионов СССР статистическими методами.

4. Устаноиление значений точностных характеристик ЛВИ содержания ТЫ в почвах.

Для выполнения поставленных задач при исследовании полей

загрязнений природных сред ТМ применяли .истоды теории вероятностей, математической статистика и теории случайных функций. В общей сложности статистической обработке подвергались достоверный ддшио по содврааниим 25 проыижлешидс ингредиентов в пробах атмосферного возда ч, почв, снежного покрова и растений, отобранных вокруг 21 промышленного города и на 23 пробных участках (ПУ).

Научная новизна работы заключается 4 следующем:

1. Для проверки гипотез« о законе распределения в случае нормального и логнормалыюго законов разработан непараыетриче-ский состоятельный критерий согласия Сс^ , который можно применять для небольших выборок. Для большого объема выборки доказана теорема об оценке критического значения » на основе которой построен критерий согласия.

2. Показано, что распределение ТМ в почвах и снекноы покрове вокруг источников промышленных выбросов в подавляющей случае отлично от нормального и лучше аппроксимируется логарифмически нормальным. Получены параметры распределений для ряда загрязненных городов.

3. На примере Чимкента показано комплексное применение статистических методов при исследовании природные объектов. Методами корреляционного и факторного анализов выявлены основные загрязняющие природные среды ТМ: свинец, цинк, медь, мышьяк, иттрий и идентифицированы источники выбросов (труби) свинцового завода (ЧСЗ) и их вклад в загрязнение приземного слоя атмосферы города металлами.

Изучена динамика техногенного загрязнения атмосферы ТУ с изменением метеорологических условия. Получено, что распределение

- -г -

различных форм ТД1 и поверхностной п корпеобн'Гагл'ои слоях псчви- пс различии.! направление, секторам н з 5-ш соне вокруг ЧСЗ лучме аппроксимируется логнормальнии законом. Для этих случььь оцепени р. диуш корреляции содержаний ТЫ з почвах и растениях западного направления.

4. Получены кассовые данные о саатисп'.чесг.оП структуре поле:') гагрязненш'; Ть1 почв ;; снехного покрова "близ:; источников пдоытлешшх выбросов. Оценены радиусы корреляция еодерл-хцшЛ и их: ({ори в природных объектах. Йетодаки корреляционного и ('актор ного анализов идентифицированы 1'Ц антропогенного происхождения и факторы, вносящие панбольда;": процен? с дисперсно признакой.

;3. Сделали оценки региональны:: фоновых содержаний II Тй в почвах различных типои 0 промышленных районов СССР.

6. Получены точностные характеристики метода еииссиошюга спектрального анализа, которые могут быть нем 'льэоьаны для атошю-абсорбционного и рентгенофлуоресцеитного анализов содержаний ТЛ1 с почвах. Зги методы применяются с подразделениях ОГСИК.

?. Даны практические рекомендации по отбору почвенных проб для оценки площадей различного пространственного масштаба и алгоритму обработки данных. Представлена таблица критических значений статистики С^к для проверки гипотезы о законе распределения случайной величины в случае неизвестных параметров этого распределения. Предложены практические рекомендации по оценке качества аналитических измерений содержаний ТМ в почвах при проведении внешнего контроля работ сетевых подразделений.

На защиту выносятся:

I. Критические значения статистики Сс^к Длп нормальной и логнорыальной функций распределен:-.;'' в случае неизвестных пара-

метров отих распределений и теорема об оценке для большого объема выборки.

2. О спорно 11 вид пространственного распределения содрржэни;" Т.',! в почвах и снежном покрове техногенных раПонов и параметру этог'О распределения для ряда загрязненных городов.

3. Значения радиусов корррплцни содержаний ТМ а почвлх и |"плго к рекомендации по их использования я мониторинге.

4. Определенно основных источникес и ¿чкгорср злгрязнзийя природных сред ТМ с ряде городов статистическими методами.

5. Оценки региональных ¿оног.ых содержаний ТЫ в почвах.

6. Значения точностных характеристик методов мотнёю • измерений содержаний ТМ в почвах.

■ Практиче ска я значимо сть. Материалы диссертации включены в РД 52Л8.ЮЗ-<36. "Методические указания. Охрана природы.Почва. Оценка качества аналитических измерений содержаний пестицидов и токсичных металлов в почве" и в ежегодники загрязнения почв Советского Союза. РД является обязательным для сетевых подразделений ОГСШ при наблюдении за уровнем загрязнения. ¡¡н^лрмяция ежегодников применяется в центральных партийных, хозяйственных и директивных органах, в заинтересованных учреждениях различных редомстр, используется в подразделениях сети 0ГС11К.

Апробация работы. Результаты диссертации доложены на Ш, 1У, У Всесоюзных совещаниях "Миграция загрязняющих реществ в почвах и сопредельных средах" (Обнинск,1981,1983,1967), на Всесоюзной НТК "Стандартные образцы в практической деятельности госудлргт^пн-нол и ведомственных служб'' (Свердловск,19ш), йа X кон^р'нг.ии мс 10дых гааградов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1967), на Д Всесоюзной конференции по аналитической хнкли ссльстохозяЛствзь-ныг л*ьектоп (Уссгвз, 1989), на Бе?сонном г^мннчре

"Экогеохимия городов" (Москва, ВДНХ, 1989), на Всесоюзной конференции "Прогнозирование загрязнения атмосферы и его кли-мато-экологических последствий" (Киев, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано II научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 150 стр. основного текста. Она состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст иллюстрирован 73 таблицами (вместе с приложением) и 10 рисунками. Список литературы включает 183 наименования.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ Введение

Подчеркивается актуальность и научная новизна работы, опре деляются цель и основные задачи исследования. Формулируются результаты работы, выносящиеся на защиту. Кратко излагается содер кание работы.

Глава I. Применение статистических методов при исследован* загрязненности природных объектов металлами

В первой главе помешен краткий обзор литературы, посвященной исследованию загрязнений ТМ природных объектов статистическими методами.

Анализ рассматриваемых работ показывает, что статистическая структура полей загрязнений ТМ природт-х объектов, форми-йуюшихся вокруг источников промышленных выбросов в атмосферу, мало исследована. Необходимо ее дальнейшее изучение, которое позволит подойти к обоснованию требований к геометрии пробо-отбора и алгоритму обработки данных для характеристики уровней загрязнения почв определенных площадей. Для выявления источник

выбросов ТМ и группы элементов антропогенного происхождения начинают находить применение корреляционный и факторный анализы.

Глава 2. Методы и объекты исследований

Изложены основы методов корреляционного и факторного анализов, статистического оценивания и проверки статистических гипотез,методов теории случайн-.х функций.

Подчеркивается, что статистическая структура полей загрязнений почв и снежного покрова ТМ под влиянием промышленных выбросов в атмосферу очень сложна. Она определяется случайными составляющими, отражающими суперпозиции п флуктуации многочисленных факторов и , процессов, связанных с переносом вещества через атмосферу, осаждением на подстилающую поверхность, поведением соединений ТМ в почве.

Автокорреляционные функции (АШ>) содержаний ТМ в почвенном, сиехном и растительном покровах определенных площадей или направлений по ограниченным выборках данных строили, принимая гипотезу о квазиоднородности и квазиизотропности полей загрязнений природных объектов ТЫ по АКФ.

В процессе исследования выявлено три группы микроэлементов, статистическая структура полей загрязнений в почвенном покрове которых имеет своп особенности.

В этой же главе описаны почвзнно-климатические условия и источники промышленных выбросов основных районов исследования -Чимкента и Рудной Пристани. Шбросы свинца в атмосферу Чимкента колеблются год от года при минимальном количестве 465 т/год.Это на порядок превышает мощность выбросов свинца свинцовым заводом Рудной Пристани. Приведены изолинии содержаний свинца в сероземах вокруг ЧСЗ, полученные расчетным методом по известкой модели и

I

некоторые экспериментально найденные значения содержания свинца ь почвах Чимкента.

Кратко описаны методики полобых и лабораторных исследований по отбору проб атмосферной пыли, почв, растений и снежного покрова в районах промышленных центров.

Глава 3. Установление показателей и критериев, применяемых при исследовании и в практике системы наблюдений за загрязненностью почв

Необходимость исследования закона распределения содержаний ТЫ в почвах районов техногенеза часто по небольшим выборкам и всегда при неизвестных параметрах истинной Функции распределения поставило задачу разработки подходящего критерия для проверки нулевой гипотезы, состоящей в том, что случайная величина хы с уровнем значимости о< описывается функцией распределения . З^ИЛИ иначе ото записывает:

где - оценка функции распределешп .

Предложен состоятельный непараиетрический критерий для нор»

мальной функции распределения (или логнормальной дол логарифмов исходных шиш): ^ = £ _ ф(а-;;

® ¡=1 а

где ф(пс; а,<э') (5 - а)1/^] ¿$ ,

О - математическое ожидание, <54 - дисперсия.

Ес.;и ^ ( ^'к - критическое значение для задан-

ного сХ ), то гипотеза отвергается. В противном случае считается, что данные наблюдений не противоречат гипотезе. Методом Монте-Карло получены

О зк для уровней значимости & а 0,1; ос в 0,01 и Ы = 0,05 и объемов выборок П - 4+30, Для больших объемов выборок доказана теорема;

При уаховии справедливости гипотезы Н0: М [3~п(ф] = Ф(х) и любом числе > 0 верно неравенство С?« < 4

Величина С?* при п—-оо приближенно имеет распределение 1С с двумя степенями свободы, величина имеет распределение

Ф ( со® ), ( О)2 - Мизеса).

На основе этой теоремы построен критерий согласия для больших выборок. При о<>» 0,05 С?!* 2,3.

Степень техногенного загрязнения почв ТМ возможно оценить только при сравнении с естественными (фоновыми) содержаниями ТМ в почвах, характерными для каждого региона страны. Путем построения гистограмм по данным содержаний (объемом выборок от 100 до 1500) II ТМ в почвах 9 регионов страны и при помоши критерия %' Пирсона было выявлено теоретическое распределение, имеющее вид бимодальной кривой. Левый максимум соответствует наиболее часто встречавшейся концентрации элемента в почвах региона, которую и предлагается считать фоновым значением. Для свинца фоновые содержания в почвах Иркутской области составили 19 млн-*, Челябинской - 16 млн"*, Кемеровской - 17 млн-*, Казахстана - 30 млн~} Украины - 30 млн~*, Приморского края - 23 млн"*, Красноярского края - 25 млн-*.

Основная задача службы ОГСНК - получение всесторонней и достоверной информации. Погрешности методов выполнения измерений (МВИ) содержаний ТМ в почвах не должны превышать характерных для ЫВИ границ - показатели воспроизводимости (для случайной составляющей) и правильности (для систематической составляющей). Путем статистической обработки результатов внешнего контроля качества аналитических измерений, выполняемых в 9 подразделениях сети дважды в год в течение" 9 лёт установлены точностные характеристики измерений ТМ в почвах методом эмиссионного спектрального

анализа, которые используются для рентгенофлуоресцент-

ного и атомно-абсорбционного методов, также применяемых в подразделениях сети. Средством контроля служили государственные стандартный образцы почв (КО). Зависимость показателя воспроизводимости ( <ов ) от массовой доли ( х ) ТМ в почве выражается . уравнением: <За = 0,22а: , показателя :Правильности ( Д )- Л « « 0,20 X + 0,43.

" Глава 4. Исследование параметров пространственно-временного распределения токсикантов промышленного происхождения в природных объектах районов техногенеза

Одним из важнейших принципов мониторинга загрязнения почв выступают выбор и обоснование пространственных и временных параметров системы наблюдения за содержаниями в почвах токсикантов промышленного происхождения. .

Идентификация источников промышленных выбросов является одной из основных задач теории и практики мониторинга. Для решения этих вопросов были применены статистические методы обработки экспериментальных данных обследований объектов природных сред районов техногенеза. •

Экспедиционно-^экспериментальные исследования, проведенные в июне 1985 и 1966 гг., позволили выявить уровни и пространственную дифференциацию загрязнения приземного слоя атмосферы Чимкента ТЫ и .изучить динамику : загрязнения воздуха в связи с изменением метеорологических условий.

Высокие уровни свинца в приземном слое ррздуха отмечены на близлежащих к ЧСЗ пунктах наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (ПЮ) ПЮ-1 и ПНЗ-2.. Максимальное значение достигло 10 ДЦК. Построен суточный ход содержаний ТМ в воздухе. В периоды, максимального загрязнения атмосферного воздуха Чимкента свинцом, цинком, мышьяком,.медью неблагоприятным мете.офакторами являются

западное направление ветра на высоте залповых выбросов ЧСЗ и,опасная скорость ветра 3-6 м/с, отсутствие утреннего и вечернего турбулентного рассеивания примесей вследствие образования инверсионного запирающего слоя.

Для ПНЗ-1 и ПНЗ-З оценены скорости сухого осаждения свинца, цинка и меди, лежаиие в пределах 0,2-0,5 см/с.

Методом корреляционного анализа выявлены группы ТМ антропо-. генного и естественного происхождений. Для пяти ПНЗ были рассчитаны выборочные парные коэффициенты корреляции ( tij ) между 14 анализируемыми ТМ и пылью и получены уравнения регрессии. Судя по высоким коэффициентам корреляции ( tjj £ 0,85), вблизи ЧСЗ прослеживается весьма тесная связь между варьированием свинца и таких элементов, как цинк, иттрий и медь ( •*£ «0,79). Группа ТМ, хорошо коррелирующая с пылью C'^ij ^ 0,88) - естественного происхождения.

Исследование влияния ЧСЗ на загрязнение воздушного бассейна проводили методом факторного анализа. В итоге найдены матрицы факторных нагрузок, анализ которых показал, что для ¡113-1 главных факторов загрязнения воздуха ТМ равно 3, для ПНЗ-З - 4, для ПНЗ-8 - 5. Для ПНЗ-1 все три фактора - три трубы ЧСЗ, который нельзя считать точечным источником в городе. Факторные нагрузки свинид, связанные с трубами ЧСЗ, являются наибольшими для всех точек города, характеризуя ЧСЗ как приоритетный источник загрязнения природных сред Чимкента свинцом.

Исследование статистической структуры полей загрязнений ТМ природных объектов Чимкента проводилось в 5-км зоне вокруг ЧСЗ. Изучение законов распределения валовых содержаний и подпкжш.тх ферм ТМ в почвах поверхностного %0-5 см) и корнеобитаемого (10-15 см) слоев проводили как графически, путем построения гистограмм, так и по коэффициентам асимметрии, эксцесса и вариации

для различных направлений от ЧСЗ, секторов и концентрических зон. Также гипотезу Н0'. М [?"„(«)]= Ф(х) проверяли по разработанному непараметрическому критерию согласия . Анализ результа-

тов показывает, что с принятым уровнем значимости 0,05 гипотезу о нормальном распределении содержаний ТМ в почвах следует отвергнуть. Распределение лучше аг^фоксимировать логарифмически нормальным законом.

Оценены статистические параметры распределений валовых содержаний и подвижных форм свинца, цинка, меди и мышьяка в поверхностном и корнеобитаемом слоях сероземов Чимкента в зонах радиусом 5 км, 0-2 км, 2-5 км вокруг ЧСЗ, в радиальных направлениях от источника и в В-С8 секторе.

Для 5 азимутальных направлений от ЧСЗ, 3 секторов и 3 концентрических зон строили АКФ валовых содержаний и подвижных форм свинца, цинка, меди, мышьяка, кадмия, никеля и марганца в поверхностном и корнеобитаемом слоях почвы и оценивали радиусы корреляции.

Радиусы корреляции валовых содержаний ТМ в педосфере поверхностного слоя о км зоны вокруг ЧСЗ составили для свинца 0,5 км; цинка - 0,75 км; меди - 0,75 км; кадмия - 0,5 км; мышьяка, никеля и марганца - 0,25 км. Несмотря на то, что относительное поступление техногенного свинца в почву выше, чем цинка и меди, радиус корреляции его ниже, по-видимому, за счет его физико-химических свойств и взаимодействия с почвенным поглощающим комплексом ;!ПЩ обуславливающим вблизи ЧСЗ высокую латеральную дифференциацию по сравнению с цинком и медью.

Радиусы корреляции ( ) содержаний подвижных форм ТМ.как пр-вило, превосходят радиусы корреляции массовых долей валовых форм ТМ в почвах.

С удалением от источника Рк свинца уменьшается (в зоне радиусом 2 км свинца = 0,5 км, в кольце 2-5 км - ^к а - 0,25 км). Наибольшие радиусы корреляции содержаний та в растениях, отобранных в створе основного техногенного потока, отмечены у Оиофилышх элементов - цинка и кадмия, а также меди, содержание которой а растениях в меньшей мере зависит от' массовых долей ее в почве, чем свинца, цинка и кадмия. Наименьший - у свинца, поступление которого в растения осуществляется преимущественно внекорневым путем из загрязненного воздуха. Между содержаниями цаш<а в почвах и растениях наблвдается тесная корреляционная связь ( « 0,9), кадмия - слабая (•£«0,7). Содержания свинца и меди в сероземах Чимкента и травянистых растениях коррелирует очень слабо ('С ъ 0,4).

- Аналогично проведено исследование параметров распределения: различных форм металлов в почвах и растениях Рудной Пристани и Дальнегорска. Наибольшие радиусы корреляции содержаний в почвах отмочены у техногенного свинца - 1,0 км и олемонтов фоновцх содержаний - кобальта и хрома - 2 км.

Показано, что более устойчивые корреляционные связи в почвах очагов загрязнений существуют между антропогенными ТМ, поступающими от одного источника, в отличио от элементов фонового содержания.

По просьбе ИЭМ силами Приморского УГМ был проведен геостати-

чоский эксперимент вблизи (со 0,5км) свинцового завода в Рудной Пристани.Пробы почв отбиралась через Юм вдоль радиального направления от источника вцбросоБ и в направлении к нему перпендикулярном. Отмечена анизотропия поля загрязнения почв ТМ вблизи источника. Радиусн корреляции для техногенных ТМ в радиальном направлении оказались глспьео^ в 1,5-3 раза и находились в пределах

10+20 и. Наибольший радиус корреляции отиечен для свинца в направлении, перпендикулярной радиальному. Он находится в пределах 50 м 4 60 м.

Статистическая структура полей загрязнений почв ТМ изучалась вокруг многих промышленных городов и в почвах 23 ПУ различных почвенно-климатических зон СССР.

Для ряда загрязненных городов сделаны оценки статистических параметров распределений массовых долей ТМ в почвах 5-км зоны. Получено, чтс в большинстве случаев распределение лучше описывать логнормальным законом. Подробно (отдельно по секторам) изучалась статистическая структура полей загрязнений ТМ почв Воронежа. Наибольший » 2,3 км отмечен для массовых долей в почвах марганца.

Для содержаний ТЫ в почвах, поступающих аэральным путем от одного источника, может наблюдаться высокая пространственная автокорреляция. Радиусы корреляции колеблются от 0,5 до 4 км. Если имеется несколько источников выбросов ТМ в атмосферу, 1?к 0,25км.

Одновременно методом корреляционного анализа выявляли группы ТМ одного происхождения.

•Исследование мелкомасштабных неоднородностей полей загрязнений на Ш при шаге отбора почвенных проб порядка нескольких десятков метров показало, что независимо от места расположения ПУ по отношению к источнику для приоритетных загрязняющих почву ТМ ■ 20 м т 60 м, то же в некоторых случаях наблюдает- . ся для элементов фонового содержания с маленьким коэффициентом . вариации (с-о 15 %). Меньше Як в почвах отмечены для содержаний ТМ небольших антропогенных поступлений.

. При наложении соизмеримых по статистической структуре полей содержаний ТМ в почвах (фонового и антропогенного), возыок-

• - 15 -■«

но ее разупорядочение. •

Анализ пространственного загрязнения снежного покрова ТМ . вблизи источников промышленных выбросов показал, что распределение содержаний атмотехнсгенных ТМ в снежном покров ■• логарифмически нормальное. Так, для содержаний никеля в снежном покрове вблизи комбината "Южуралникель" (Орск) * 2,11 (по вы-

борке, равной 34), а для логарифвов содержаний - С?* =0,08. Оценены вариационно-статистические показатели концентраций ТМ в снежном покрове нескольких промышленных городов. Изучались корреляционные связи между определяемыми ТМ. Исследование статистической структуры полей загрязнений ТМ снежного покрова показал, что •>»• в 12-км зоне вокруг единственного модного источника выбросов АНФ не зависит от загрязняющего снег ТМ. В присутствии нескольких источников выбросов данного ТМ происходит аэральное перераспределение потоков ТМ, поступающих на подстилающую поверхность. В спектре полей загрязнений снежного покрова ТМ начинают преобладать мелкомасштабные неоднородности, уменьшается пространственная автокорреляция содержаний ТМ.

Глава 5. Практические рекомендации

Проведенные исследования статистической структуры очагов загрязнения почв ТМ от источников промышленных выбросов а атмосферу дают возможность сделать рекомендации по отбору почвенных проб в районах техногенеза для характеристики средних уровней загрязнений. В случае необходимости проверки закона распределения случайной величины по небольшим выборкам в табл. I даны критические значения статистики . Для больших объемов

выборки 4 2,3 при *о< » 0,05 согласно доказанной выше теореме. Решавшее правило при проверке Н0: МС"3),С*Ч = Ф С*) заключается в следующем: если рассчитанное

О2, <

то основная гипотеза принимается с уровнем значимости с< В противном случае отвергается.

Таблица I

Критические значения статистики Сс*5К при заданном уровне значимости (для нормального распределения)

Объем выборки Уровень значимости

0,01 0,05 0,1

4 0,27 0,18 0,14

6 0,27 0,16 0,13

8 0,27 0,16 0,12

10 0,27 0,16 0,12

15 0,25 0,15 0,12

20 0,25 0,15 0,11

25 0,24 0,15 0,11

30 0,23 0,15 0,11

Распределения содержаний ТЫ в почвах районов техногенеза лучше аппроксимировать логнорыальным законом. Поэтому при больших коэффициентах вариации ( У> 30 %) уровни загрязнения лучше оценивать модой ( Мо ) или медианой ( т ). При V ^ 30 % -можно оценивать средним арифметическим (погрешность составит

4, Ю 56). '

Число необходимых проб при оценке уровни загрязненности почвенного покрова ТМ средним арифметическим ( х) для нормальног и модой для логнормаяьного законов распределений даны в табл.2.

Сложность и своеобразие статистической структуры полей загрязнений почв ТЛ техногенных районов обязывает перед обследованием уровней загрязненности планирование пробоотбора проводить

на основешализа каждого конкретного случая и в связи с поставленной перед исследователем задачей.

Таблица 2.

Число необходимых проб при оценке уровня загрязненности почв металла?.«! (Р = 0,95)

Относительная вероятная погрешность

ьапиап.ин, 7о 15 < 2 0 30

Ыо X Мо С--А. М и V

о 3 Ч и О О 3 3 3

15 6 5 5 5 4 4 4

40 20 16 12 13 0 9 6

80 67 63 38 40 24 29 20

100 93 98 53 63 34 44 24

200 215 392 121 251 78 174 54

ЫЮСТЬ ¡1 радиусы копреляп; !И СОД ердаии! «етш 1ЛО>)

оудуг различи ими, ПС О' гоыу При Групповом МГ.Л и-) ' ыассовых доле :'!

ТМ в почвах число необходимых проб при составлении объединенной

пробы в обшем случае нужно определять по ТМ с наибольшим V .

При обследовании уровней загрязненности 5-км зоны вокруг источника необходимо помнить, что ТМ для крупномасштаб-

ных неоднородностей может колебаться от 0,25 км до 4 км. Отбор про'; для представительной ньэивисиаой выборки дыашх следует проводить на расстояниях, больших или равных радиусу корреляции.

Мелкомасштабные неоднородности полей загрязнений при этом сглчживегя1 пробоотбороы пугеп с> с.аплрния объединенной пробе почв на (лсстоякиях, превыиаших , характеризующих эти

неоднородности. Для небольших антропогенных поступлений ЗМ в почву. ^^ 20 м. При составлении объединенной пробы почв вблизи источника пробоотбор вдоль радиуса можно проводить через 10 м * 20 м, в направлении, ему перпендикулярном, - через 20 м * 40 ы. При высоких содержаниях ТМ в почвах можно увеличить расстояния между точками отбора, не теряя пре атом информацию, характеризующую средние уровни загрязнения. Так же можно отбирать пробы для изучения вариабельности ТМ на ключевых участках.

Таким образом, для уменьшения трудозатрат при обследованиях по сокращенной программе можно рекомендовать отбор проб почв вокруг мощного источника проводить по основным направлениям согласно среднегодовой розе ветров и учетом геоморфологических профилей на расстояниях от предприятия: I, 2, 3, 5, 10 км. На территории городов с многочисленными источниками выбросов ТМ пробоотбор лучше проводить по сетке с шагом ^0,5 км.

Контроль качества аналитических измерений содержаний И! в почвах проводят, сравнивая среднее квадратическое отклонение ($) результатов измерений и среднее арифметическое значение (?) с нормами на эти показатели. Воспроизводимость и правильность при число измерений КО, равным I , признают удовлетворительными, если

8 4 1.27б'й, (€=10) ; 1х - СI 4 Д + где С - истинное содержание ТУ в КО;

- коэффициент Стыодента для числа степеней свободы

В заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты работы и научно-практические рекомендации можно сформулировать следующим образом:

1. Разработан нелареметрический состоятельный критерий согласия для проверки гипотезы о нормальности закона распределения. Методом Монте-Карло получена таблица критических значений

для объемов выборки п = 4*30 при уровнях значимости сх = 0,01; о( = 0,05; о< = 0,1. Для этих случаев лежит в пределах

0,114-0,27. Для больших объемов выборки дана оценка 2,3

на основе доказанной следующей теоремы.

2. Доказана теорема: при условии справедливости гипотезы Н„ : М I Сос>1 = Ф(ос) и любом числе > 0 верно неравенство

< Ш' + • Величина ^ при

приближенно имеет распределение % с двумя степенями свободы, величина имеет распределение ф(СОа). Оценка ^Гс1*« , сделанная на основе этой теоремы, служит критерием согласия при проверке гипотезы о законе распределения.

3. Получено, что распределение техногенных "Ш в почвах и сне:,, ном покрове в большинстве случаев отлично от нормального и лучше аппроксимируется логнормальным.Сделаны оценки статистических параметров распределений ТМ в почвах ряда загрязненных городов.

4. Построены АКФ и оценены радиусы корреляции содержаний та в почвах индустриальных городов, вокруг мощных источников промышленных выбросов в атмосферу и пробных участков техногенных районов различных почвенно-климатических зон СССР. При исследовании мелкомасштабных неоднородностей полей загрязнений на ПУ с шагом отбора проб почвы от 10 до 50 м радиусы корреляции содержаний ГМ в почвах составили ЮтбО м. При отборе почвенных проб с шагом

от 0,25 до 1км выявлены крупномасштабные неоднородности. Зна-че кя радиусов корреляции в этом случае находились в пределах от 0,25 до 4 км. При отсутствии крупномасштабных неоднородностей в спектре полей загрязнений л,-/!В . т \'тнн:."/:: .".!

R„< 0,25 км.Б основном на величину радиусов корреляции содержаний ТМ в почвах, по-видимому, влияют рельеф мостностц, специфика ППК, физико-химичоскио свойства ТЫ, способность ИЛ к миграции в почвах и из почв в сопределышо среди, статистическая структура остествош:ого геохимического фона и т.д. Тшс для содержаний свинца, проявляющего болоо высокую латеральную дифференциацию вблизи ЧСЗ по сравношно с цинком, отмечаотся моныпая пространственная автокорреляция, чем для массовых долей цинка. Оценки радиусов корреляции содержаний Ti.l в почвах техноташых районов,получешше при данном подходе,использованы для определения геометрии пробоотбора при характеристике средних уровней содержаний та в почвах загрязненных территорий.

5. Геостатический'эксперимент, проведенный вблизи свинцового завода в Рудной Пристани, показал, что в данном случае при исследовании мелкомасштабных неоднородное той с шагом отбора проб почвы 10 ы радиусы корреляции содержаний ТМ в радиальном ■направлении от источника меньше .чем в направлении. к нему перпендикулярном в 1,5-3 раза.Построены АКФ и оценены радиусы корреляции содержаний различных форм та в поверхностном и корнеоби-таемом слоях почвы по радиальным направлениям,секторам и тон-центрическим кольцам вокруг ЧСЗ с шагом отбора проб 0,25 км.Для некоторых направлений радиусы корреляции совпадают.Получено,что о удалением от источника автокорреляция , содержаний та в почвах уменьшается.

6. Наибольшие радиусы корреляции наблю~шэтся для содержаний в растениях моди, поступление которой в растения происходит большей частьр внекорневым путом из ..загрязненного воздуха и содержание которой в растениях меньше зависит от расстояния от лоточника,чем других атмотехногенных ТМ. Радиус корреляции концентрации меди в растениях составил 2 ил.

7. Анализ статистической структуры полей загрязнений сланною покрова районов ч-ехнсгенеза показал, что в ^ 12 км золе вокруг едшне'п'енпег'с '.-.-.¿¿•■■■.¡■ч ¡ü;:;.v.n.'a ;:;.-'..'-:!-:..¡-j¡¡r.

г-ид 11H., ОчйГ Ti.'i. KlBHyr-p K'V'P":-■

juüíuíí при '»i'» . . ..: .:., :c„. ¡ . ' >--'-'

• . :. ; ол^чита ПЙ01!г\-.->»!!Т

ПЙГ.аг.ле,'"'"",',"г. ",., '.y;:;,,'..:!... i;■>,.;.•:;:.; ,..,..'.-■•■<.■. L'. .1 ' ■ :: i', i :.. . " ' Г .. O,'; ,¡¿*1 p)i3 ll<3! (Híi f ..... !..,

uír.-o^f .. ■ . ■ I.-,-.;.

*.; ■■■...¿rx.Kaíiviütovo анализа выявили группы элементов антропогенного «г .,j,„;oi'<i (»«я» ">:*

■•»«у."?. факторного анализа применяли дли

идентификации источников и факторен, вноспыих иапбольии:1. процент й дисперсию рассматриваемых признаков,

9. Оценены региональные фоновые уровни II TU 9 районов СССР. Фоновые содержания свинца з почвах в зависимости от региона находятся в пределах ст 17 до 30 млн-*.

10. Подучены значения тичпостпых характеристик змиссвонаьго спектрального анализа с одержи и й Т!.! :i ночках, которые могут

.i -к- ..¡.Г) *•;..;!! для атскно-абсорбцнонного и рептгепоф,яуор-:с-центного анализов. « 0,22 х; А = 0,<0 х + 0,43.

11. Дани практические рекомендации по определении закона распределения по небольшим выборкам в случаи нормального или логнормального распределения случайной величины, по алгоритму обработки данных при определении уровней загрязненности поч» Tí.l, но геометрии пробоотбора для характеристики определенных ыасатабоь пространственного загрязнения, по контролю качества аналитических измерений содержаний ТМ и ночьах, шшшо;<"Ч":< г подразделениях г-ети.

. - 22 -

•Ш МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ 01ШЩК0ВЛНЫ РАБОТЫ:

1. Корнилов A.B., Сатаева JI.B. Некоторые аспекты загрязнения атмосферы города тяжелыми металлами в связи с выбросами предприятия цветной металлургии // Применение современных методов исследования в географии: Тез.докл. X конференция молодых географов Сибирь и Дальнего Востока. Иркутск,март 198? г. - Иркутск, 198?."- С.52-54.

2. Опыт оценки качества измерений в' системе контроля загрязнения-почв // Л.В.Сатаева, Г.К.Вертинская, А.Ы.Лишакова, Т.В.Неспя-тина // Tp.íEM. - 1967. - Вш.14(129).- С.77-79.

3. Пространственные и временные параметры системы наблюдения и контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами / Э.П.¡Махонько, С.Г.Малахов, Г.К.Вертинская, Л.В.Сатаева // Тр. IBM.-1987.

• - Вып. 14 (129).- С.85-90. '

4. Сатаева Л.В. Влияние массовой доли металлов в почвенных пробах на погрешности анализов.// Тр.ЮМ. - 1987. - Вып.14(129).

- С.71-76. . .

5. Сатаева Л.В., Еертинский Ю.К. Применение стандартных образцов для контроля качества аналитических измерений металлов в почвах //Ствкдартные образцы в практической деятельности государственной и ведомственной метрологических служб: Тез,докл.Всесоюз. науч.-техн.конф.21-23 октября 1986 г. - Свердловск,1986.-

С.13-14.

6. Фоновые уровни содержания тяжелых металлов в почве / Э.П.Ыа-хонько, С.Г.Малахов, Г.К.Вертинская, Л.В.Сатаева // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: Тр.Ш Всесоюз.совещ.Обнинск, сентябрь 1981 г. - Л.:Гидрометеокздат, 1985. - С.136-139.

7. Сатаевл Ji.В., Малахов С.Г. Изучение параметров пространственно-временного распределения содержаний металлов в почвах районов техногенеза //Ежегодник. Загрязнение почв Советского Союза токсикантами промышленного происхождения ь 1987 года/

- Иод ред.Э.П.Махонько. - Обнинск, 1988. - С.169-177.

8. Сатаева Л.З. Гример применения факторного анализа при исследовании загрязнения природных сред вокруг металлургического предприятия // лжегодннк. Загрязнение почв Советского Союза токсикантами промышленного происхождения в 1987 году/ Под ред.Э.il.Махонько. - Обнинск, 1988. - С.1Б6-194.

9. Сатаева Л,В..Малахов С.Г., Астафьева О.В. Изучение на п бныт уиастках статистической структуры полей загрязнений металлами от источников промышленных выбросов // Ежегодник.Загрязнения почв Советско о Союза токсикантами промышленного происхождения в 1988 году/ Иод'ред.Э.П.Махонько. - Обнинск, 1989. -

С.196-203.

10.Сатаева Л.В., Малахов CIT.', Мельчаков Р.Л. Анализ пространственного загрязнения снежного покрова металлами вблизи источников промышленных выбросов // Ежегодник. Загрязнение почв Советского Союза токсикантами про«'!тленного происхождения в 19о8 году / Под род.Э.П.Махонько. -Обнинск, 1969. -С.1Ьб-19о.

11.Сатаева ji.B. Определение закона распределения содержании металлов в почвах по небольшим выборкам. Число необходимых проб для характеристики уровней загрязненности почвенного покрова // ьжогодник. Загрязнение почв Советского Союза в 1989 году // Под ред. Э.П.Нахонько. -Обнинск, 1990.-C.I66-I74.

- /¿Щ

' ' л/6