Анализ распределения загрязняющих веществ в урболандшафтах методом главных компонент тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Должикова, Елена Михайловна

• Должикова, Елена Михайловна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Должикова, Елена Михайловна

Введение.-.

Глава 1. Анализ методов контроля текущего и прогнозного состояния природной среды--------------------------------------—.

1.1. Анализ функциональных схем экологического мониторинга в городах Нижнего Дона -.-.

1.2. Модели и методы оценки качества окружающей среды

Глава 2. Методологические основы применения много факторных исследований в мониторинге окружающей среды.

2.1. Выбор метода математического моделирования параметров системы контроля среды

2.2. Основы моделирования распределения загрязнений в среде методом главных компонент

2.2.1. Представление набора£ исходных данных

2.2.2. Преобразования стандартизованной матрицы исходных данных

2.2.3. Графическое представление параметров исследования

Глава 3. Компонентный анализ распределения тяжелых металлов в почвенном и растительном покрове г.Новочеркасска

3.1. Главные компоненты распределения металлов в почве.

3.2. Главные компоненты распределения металлов в растительных образцах

3.3. Главные компоненты распределения металлов в сопредельных средах

Глава 4. Компонентный анализ распределения металлов в атмосфере и почве г.Ростова-на-Дону-----------------.-.

4.1. Главные компоненты распределения металлов в атмосфере -.—

4.2. Главные компоненты распределения металлов в почве.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ распределения загрязняющих веществ в урболандшафтах методом главных компонент»

Контроль качества среды относится к важнейшей функции природоохранной деятельности, поскольку он призван создать надежное информационное обеспечение для планирования и осуществления эффективных мер по защите окружающей среды. Проведение исследований по экологическому мониторингу сопряжено с такими проблемами, как большой объем аналитических работ, значительные финансовые затраты, несовершенное методическое обеспечение по оцениванию экологической ситуации, обработка банка многомерных данных и др.

Необходимость разработки новых природоохранных мероприятий и повышения качества среды обитания особенно актуальна для урбанизированных территорий, как правило, являющихся развитыми промышленными центрами и, следовательно, зонами повышенного экологического риска. Город, представляя собой промышленную и коммунально-бытовую структуру, образует обширные аномалии загрязняющих веществ в составе как природных соединений, так и соединений техногенного происхождения. Построение карты зон повышенных или пониженных по сравнению с фоновыми или нормативными концентрациями контролируемых соединений, осуществляется по результатам опробования преимущественно депонирующих (накапливающих) сред. Для получения объективной оценки экологической ситуации в числе других сведений необходима информация о пространственном и временном варьировании концентраций токсичных соединений в среде. Выделение наиболее информативных параметров мониторинга среды играет важную роль для характеристики тенденций формирования аномалий загрязняющих веществ, а также для определения необходимого и достаточного перечня показателей, требующих систематического контроля. В связи с этим, все возрастающую роль в экологических исследованиях играет многомерный анализ данных, использующий для изучения взаимовлияния исходных величин вероятностный подход.

Цель работы заключается в оптимизации системы мониторинга экологических сред на основе многомерного моделирования распределения загрязняющих веществ в урболандшафтах.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

1. Изучить специфику накопления и проблемы обработки экологической информации в городах Нижнего Дона. Проанализировать существующие методы оценивания урболандшафтов с точки зрения вероятностно-статистического исследования. Выбрать оптимальный метод анализа для оценки и классификации распространения загрязняющих веществ в депонирующих средах.

2. Разработать математическую модель для описания распределения многомерных полей загрязнения урболандшафтов. Выявить пространственные и временные закономерности распределения загрязняющих примесей в различных экологических средах.

3. Разработать метод классификации и снижения размерности пространства параметров экологического контроля (загрязняющих веществ и контрольных пунктов отбора проб).

4. Разработать методические рекомендации по анализу, классификации и снижению размерности многомерного пространства результатов мониторинга урболандшафтов, позволяющие оптимизировать систему природоохранных мероприятий.

Научная новизна. На сегодняшний день геохимический метод оценки состояния окружающей среды признан ведущим, благодаря возможности изучения сложной структуры урбанизированных зон путем подробного картографирования аномалий загрязняющих примесей. В качестве математической обработки геоэкологической информации используются элементарные статистики, корреляционный анализ и сопоставление фактических концентраций загрязнителей с предельно-допустимыми или фоновыми значениями. В диссертационной работе впервые:

1. Предложено использование многофакторного метода главных компонент в экологическом мониторинге урболандшафтов.

2. Предложена математическая модель для классификации контролируемых токсичных металлов и точек опробования в экологических средах, включая сопредельные, на основе метода главных компонент.

3. Исследованы динамические свойства факторов распределения концентраций токсичных металлов в течение 10-ти лет геохимического мониторинга .

4. Разработаны методические рекомендации по оптимизации экологического мониторинга урболандшафтов на основе многофакторного метода главных компонент.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена корректным применением математических методов исследований, экспериментальной проверкой теоретических положений и применением на всех этапах работы стандартных методов и нормативов контроля качества окружающей среды.

Основу диссертационной работы составляет многофакторное исследование результатов контроля содержания 8 тяжелых металлов в пробах почв и растений в 22 контрольных точках г.Новочеркасска, выполненных Новочеркасским городским центром экологической информации и мониторинга в 1996г.,и результатов эколого-геохимического мониторинга 9 тяжелых металлов по пробам, отобранным в порядка 2000 литохимических и 100 атмохими-ческих контрольных точках г.Ростова-на-Дону, выполненных Ростовским территориальным геоэкологическим центром «Ростовгеомониторинг» в период 1989-1998 г. г.

Предложенный в работе алгоритм классификации и анализа факторов формирования контролируемых процессов загрязнения позволяет более точно оценивать и прогнозировать экологическую ситуацию в урболандшафтах, а также позволяет сократить количество необходимых для оценки точек отбора проб. Выводы, сделанные по результатам исследований, легли в основу разработки плана мероприятий по оптимизации мониторинга окружающей среды г.Новочеркасска и г.Ростова-на-Дону.

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены:

- Новочеркасским городским центром экологической информации и мониторинга;

- Новочеркасским межрайонным комитетом по охране окружающей среды;

- Научно-производственным предприятием «Экологическая лаборатория» г.Ростова-на-Дону;

- Ростовским территориальным геоэкологическим центром «Ростовгеомониторинг»

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на межвузовских научно-технических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» РГАСХМ (г.Ростов-на-Дону, 1998-99г.г.), международной научно-технической конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 1997г.), международной научно-практической конференции РГСУ «Строительство-98» (г.Ростов-на-Дону, 1998г.), на научных семинарах молодых ученых и аспирантов ЮР-ГТУ(НПИ) (г.Новочеркасск, 1998-99г.г.). Результаты работы были представлены и положительно оценены на двух областных конкурсах работ студентов и аспирантов «Экология - Безопасность - Жизнь» ДГТУ (г.Ростов-на-Дону, 1998 и 1999 г.г.)

На защиту выносятся следующие положения диссертации: 1. Обоснование использования многофакторного метода главных компонент для математического моделирования распределения интенсивности загрязнения урболандшафтов и снижения размерности пространства контролируемых параметров мониторинга окружающей среды.

2. Метод многофакторной классификации тяжелых металлов и контрольных точек отбора проб различных экологических сред в пространстве главных компонент.

3. Компонентная модель динамики распределения загрязняющих веществ в условиях периодичности экологического контроля среды.

4. Методические рекомендации по оценке и оптимизации мероприятий мониторинга депонирующих сред с использованием методов ортогонализации коррелированных параметров загрязнения среды.

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения,- изложена на 120 страницах, включает 23 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 102 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 142 страницы

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Должикова, Елена Михайловна, 2000 год

1. Айвазян С.А., Бежаева З.И., Староверов О.В. Классификация многомерных наблюдений. М.: Финансы и статистика, 1974, 240с.

2. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985, 487с.

3. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989, 487с.

4. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. М., 1963, 500с.

5. Андрукович П.Ф. Применение метода главных компонент в практических исследованиях. М.:МГУ// «Заводская лаборатория» вып. 36, 1973.

6. Беспамятов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л., Химия, 1985, 528с.

7. Бородачев H.A. Основные вопросы теории точности производства. М.: Статистика. 1950, 416с.

8. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика. Иркутск: ИГТУ, 1995-216 с.

9. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Наука, 1989, 258с.Ю.Вернадский В.И. Труды по биогеохимии и геохимии почв. М :Наука, 1992,434с.11 .Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Л.: Химия, 1987.

10. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд.7-е, пер. и доп. В трех томах. Под ред.Н.В.Лазарева. Л.:Химия, 1977.

11. Геохимия окружающей среды./ Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. М.: Недра, 1990.-335с.: ил.

12. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды в г.Новочеркасске в 1997 году»,- Ростов-на-Дону,- 128с.

13. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы Почва. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. М.:Из-во стандартов, 1984.

14. ГОСТ 17.4.3.01.-83 (СТ СЭВ 3847-82). Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб . М. :Из-во стандартов, 1984.

15. ГОСТ 17.4.3.03.-85 (СТ СЭВ 4469-84). Охрана природы. Почвы. Общие требования к контролю и охране от загрязнения. М.:Из-во стандартов, 1985.и

16. Понтер О., Радермахер Ф.-И., Рикерт В.Ф. Мониторинг окружающей среды: модели, методы и системы //Информатика окружающей среды: введение в проблематику/ Рос.НИИ искуств.интелекта Новосибирск, 1994.-С.21-51.

17. Дубров А.М. Обработка статистических данных методом главных компонент. М.: Статистика, 1978, 134с.

18. Загрязнение атмосферного воздуха, природных вод и почв./ Сборник научных трудов,- Труды ИЭМ, вып. 18 (149) М.-Гидрометеоиздат, 1990, 184с.

19. Загрязнение почв и сопредельных сред / Под ред. Ц.И.Бобовниковой М.: Гидрометеоиздат.Моск.отд-ние, 1990-160с.27.3акс Л. Статистическое оценивание. Пер.с нем. В.НВарыгина. М.: Статистика, 1976, 457с.

20. ИберлаК. Факторный анализ. -М.:Статистика, 1980,-389с.

21. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М: Гидроме-теоиздат, 1984, 355с.

22. Ищенко Н.И., Жуланов A.A. Система экологического мониторинга города // Новые промышленные технологии. 1994.-№3-4.-С.76-84.

23. Йёреског К.Г., Клован Д.И., Реймент P.A. Геологический факторный анализ: Пер. с англ.-Л.: Недра, 1980.-223с.

24. Китаев H.A. Многомерный анализ геохимических полей. Новосибирск: Наука, 1990, 120с.

25. КовдаВ.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985, 262с.

26. Кочергин , Горбунов. Численное моделирование в проблеме окружающей среды. АН Кирг.ССР, 1989, 84с.

27. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной ситуации и зон экологического бедствия. М.: Минэкология, 1992, 58с.

28. Кузнецов С.О., Ольхов E.H., Дугина Л.Е. Современные средства экологического контроля и мониторинга// Экология промышленного производства.

29. Кушнарев Ф.А., Хованский А.Д., Приваленко В.В. Эколого-энергетический атлас Ростовской области. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ, 1996, 72с.

30. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988, 240с.

31. Мелиорация антропогенных ландшафтов. Сб.ст. Изд-во НИМИ,-Новочеркасск, 1995, т.1, 132с.

32. Методические рекомендации по геохимическим исследованиям рудных месторождений при проведении геологоразведочных работ для оценки воздействия на окружающую среду горнодобывающих предприятий. М,:ИМГРЭ, 1986.

33. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. М., ИМГРЭ, 1986.

34. Методические рекомендации по геохимической оценке состояния поверхностных вод. М., ИМГРЭ, 1985.

35. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.,1989.

36. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М.: Минздрав СССР, 1987.

37. Методологическая и информационная база геофизического долгосрочного прогноза загрязнения природных сред. Таганов Д.Н. Труды ИНГ им. акад. Е.К. Федорова, 1989, вып.73, с. 18-24.

38. Методы определения микроэлементов в почвах и растениях. М., Колос, 1975.

39. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений.М.:НаукаД971, 576с.

40. Многомерный статистический анализ. М.: ЦЭМИ, 1979, 221с.

41. Мовшович Э.Б. Формализация геологических данных для математической обработки. М., Недра, 1987.

42. Моделирование природных систем и задачи оптимального управления. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма, 1993.-94с.

43. Мотузова Г.В. Принципы и методы почвенно-химического мониторинга. М.: Изд-воМГУ, 1988, 101с.

44. Мэннинг У.Д., Федер У.А. Биомониторинг загрязнения биосферы с помощью растений. Л. :Гидрометеоиздат, 1985, 141с.

45. Орлов Д.С., Мотузова Г.В. и др. Методические указания по обработке и интерпретации результатов химического анализа почв.

46. Отчет Новочеркасского городского центра экологической информации и мониторинга о контроле окружающей среды г.Новочеркасска в 1996г.

47. Оценка современного и прогнозного состояния природной среды: (Методы, тенденции, последствия)/Под ред.И.И.Букс, Л.Т.Мяч-М.: Гидрометеоиздат. Моск.отд-ние, 1990.-155с.

48. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1982, 320с.

49. Перельман А.И. Геохимия. М., Наука, 1989.

50. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М., Высшая школа, 1989, 340с.

51. Петросян. Л.А., Захаров В.В. Введение в математическую экологию. Л.: Изд-во Ленингр.ун-та, 1986, 223с., ил.

52. Построение динамических стохастических моделей по экспериментальным данным. М.: Статистика, 1983.

53. Приваленко В.В. Геохимическая оценка экологической ситуации в г.Ростове-на-Дону. Ростов-на-Дону, 1993, 200с.

54. Приваленко В.В., Остроухова В.М., Домбровский Ю.А. и др. Эколого-геохимические исследования городов Нижнего Дона. Ростов-на-Дону, 1994.

55. Приваленко В.В. Экономическая оценка ущерба при деградации природных ландшафтов в результате промышленного з агряз н е ния. /Г е охи мич е с к ие методы исследования окружающей среды. Ужгород, 1988, 187с.

56. Приваленко В.В. Техногенная геохимия и биогеохимия городов Нижнего Дона. -Дисс.на соискание уч.степени д.б.н. М.,1995.

57. Проблемы мониторинга и охраны окружающей среды. Л. :Гидрометизд, 1989.

58. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. М.: Гидромет. 1992.-260с.

59. Проблемы экологии и геоэкологии юга России и Кавказа: Материалы междун. науч. конф., 28 февр. 1 марта 1997г, в 2т./ Новочерк.гос.технич.ун-т,- Новочеркасск: Набла,1997. - 138с.

60. Проблемы качества городской среды. Сб. науч. трудов, М.:Наука, 1984.

61. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. М: Гид-ромет, 1992, 260с.

62. Пытьев Ю.П. Методы анализа, интерпретации эксперимента. М.: МГУ, 1990.

63. Ревич Б.А., Сает Ю.Е. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическим элементами. М:ИМГРЭ, 1982.

64. Розенберг Г.С. Статистические методы классификации растительности и оценка ее связи со средой. Уфа, 1975.

65. Руководство по контролю загрязнения атмосферы РД 52.04.186-89. М.: Гос-комгидромет СССР, 1991.

66. Сает Ю.Е., Глебов A.B. Геохимическая оценка антропогенного воздействия и оптимального взаимодействия общества и окружающей среды / Вопросы географии. Сб. 120.-М., 1983.

67. Сает Ю.Е. Геохимическая оценка техногенной нагрузки на окружающую среду./ Геохимия ландшафтов и география почв.-М., 1982.

68. Системные исследования взаимодействия природы и хозяйства региона/ Ред.В.И.Герман, Иркутск: Изд-во Иркутск.гос.ун-та, 1986, 184с.

69. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский А.И. Краткий курс матстатистики для технических приложений. М., Физматгиз, 1959.

70. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. Муравьева С.И., Казина Н.И., Прохорова Е.К. М.:Химия, 1988.

71. Справочное пособие по экологической оценке.-Вашингтон-1991 -306с.

72. Статистика: учебн. пособие. Под ред.проф. Долгушевского. М.:Мысль, 1976.84,Statistica Статистичесткий анализ и обработка данных в среде Windows. -М.:Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998.-608 с.

73. Статистическая интерпретация геофизических данных. Под ред. Гольцмана Ф.М. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.

74. Трегубов О.Д. Техногенные геохимические потоки и ореолы в урбанизированных ландшафтах Чукотки (на примере Анадырского района). Дисс. на соискание уч. степени к.г-м.н., Анадырь, 1996г.

75. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов.-М.:МирД978 412с.

76. Фаддеев Д.К., Фаддеева В.И. Вычислительные методы линейной алгебры. -М: ТИФМЛ, 1962Ю-734с.

77. Факторы разнообразия в математической экологии и популяционной генетике. Сб.статей под ред. А.М.Молчанова, 1980.

78. Химия окружающей среды. М.:Химия, 1982.

79. Хованский А.Д., Кузина З.Р. Экология. // Итоги работы СКНЦ ВШ, Ростов-на-Дону, 1996, 85с.

80. Численное моделирование в проблеме охраны среды: Сб.ст. / АН Кирг ССР, Ин-т математики-Фрунзе: Итшм, 1989.-143с.

81. Щеглов В.И. Компьютерные технологии анализа геолого-геохимических карт. // Геология и разведка месторождений полезных ископаемых: Сб.науч.тр./Новочеркасск:НГТУ, 1996. С. 112-119.

82. Экология большого города: Альманах по материалам ЮНЕП, М.: Изд-во «Прима-Пресс», 1996 180с.

83. Эколого-геохимическая оценка городов различных регионов страны: Сб.науч. ст./Ин-т минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов. -М. :ИМГРЭ, 1991.-124с.

84. Hoogerbrugge R., Willigg S.J., Kistemaker P.G.// Anal.Chem. 1983.V.55.P. 1710.

85. Malmowski E.R., Howery D.G. Factor Analysis in Chemistry. N. Y.: Wiley, 1980.

86. Pavel Г., Kozak J. Zhodnoceni kontaminace pudy tezcumi kovy metodami vicerozmerne statisticke analyzy//Rostlinna Vyroba. 1989. Vol.35, N 9, P.897-904.

87. Windig W., Haverkamp J., Kistemaker P.G. //Anal. Chem.l983.V.55.P81.