Сравнительный статистический анализ эколого-геохимических оценок территории в городе Томске и населенных пунктов северной части Томской области

Курсовая работа

Сравнительный статистический анализ эколого-геохимических оценок территории в городе Томске и населенных пунктов северной части Томской области

Введение

томский экологический воздух техногенный

В связи с необходимостью оценки экологической ситуации в регионах актуальность приобретают исследования, позволяющие оценивать обстановку с использованием химических элементов в биосубстратах человека (например в волосах), состав которых может выступать в качестве геоиндикатора изменения природной среды под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека. Волосы человека способны депонировать химические элементы в своей структуре в высоких концентрациях. Химический состав волос объективно отражает процесс накопления тяжелых металлов в организме и является маркером экологического неблагополучия территории (Наркович Д.В., 2011).

Целью работы является изучение и сравнение эколого-геохимических оценок территории в городе Томске и населенных пунктов северной части Томской области.

В задачу исследований входит применение статистических методов анализа при сравнении эколого-геохимических оценок территории г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области.

Сравнительный статистический анализ результатов содержаний химических элементов, полученных при проведении эколого-геохимических исследований разных территорий, включает в себя:

.        Проведение оценки различия содержаний химических элементов в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области - проверка нормальности распределения содержаний химических элементов.

.        Проведение оценки различия содержаний химических элементов в волосах жителей изучаемых территорий - применение параметрических и непараметрических критериев различия выборок.

.        Проведение оценки характера силы взаимосвязи между химическими элементами на изучаемых территорий на основе корреляционного анализа.

.        Проведение факторного анализа методом главных компонентов дисперсий геохимического спектра в волосах жителей изучаемых территорий.

1. Общая характеристика Томской области

1.1    Административно - географическая характеристика

Томская область расположена в среднем течении р. Оби в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины и граничит: на юге - с Кемеровской, Новосибирской областями, на юго-западе - с Омской областью, на западе, северо-западе и севере - с Ханты-Мансийским автономным округом, на северо-востоке и востоке - с Красноярским краем (рисунок 1). Занимает площадь 316,9 тыс. кв. км.

Административный центр - г. Томск (487,4 тыс. жителей) находится в южной части области на берегу р. Томи, правого притока Оби.
Общая численность населения - 1036,5 тыс. чел. Плотность населения 3,27 чел. на 1 км 2. На территории области расположено 16 муниципальных районов и 6 городов.

Рис. 1. Карта Томской области

Площадь Томской области - 314,4 тыс. км². Лесные земли составляют 68,2% от общей площади. Общий запас древесины - 2,8 млрд м³. Расчетная лесосека - 41 млн м³. Болота занимают 32% от площади области. На земли сельскохозяйственного назначения приходится 6,4%, земли водного фонда - 0,5%, земли населенных пунктов - 0,4%, земли промышленности, энергетики, транспорта и иного специального назначения - 0,2%. На территории Томской области насчитывается 18,1 тыс. рек общей протяженностью 95 тыс. км, озер - 112,9 тыс (Экологический., 2012).

Рис. 2. Карта административного деления Томской области

Северная часть Томской области включает следующие районы: Александровский район, городской округ г. Стрежевой; Верхнекетский район; Колпашевский район; Каргасокский район; Парабельский район, городской округ Пудинское.

Южная часть Томской области - Томский район.

1.2    Природно-климатическая характеристика

Для поступления элементов в состав волос важную роль играет климат и ветровой перенос веществ. Климат можно отнести к основополагающим факторам изменения природной среды. Так, практически все выбросы в атмосферу от котельных напрямую связаны с суровыми климатическими условиями Западной Сибири (Иоганзен, 1971). Почти вся территория Томской области находится в пределах таежной зоны. Климат умеренно-континентальный циклический, отличается значительными суточными и годовыми амплитудами, более длительным зимним периодом. Среднегодовая температура + 1,75°С, средняя температура июля + 19,4°С, средняя температура января -15,9°С. Безморозный период составляет 100-105 дней. Осадки - 435 мм.

Климатические условия южных и северных районов Томской области заметно отличаются ввиду того, что расстояние между северной и южной границами области по меридиану достигает 600 километров. Климатические характеристики северных районов области отличаются большей суровостью и продолжительностью зимнего сезона.

1.3 Почвы

Почвенный покров области сформирован при наличии специфических особенностей, определяющих его индивидуальные черты, в частности, повышенный гидроморфизм, обусловленный заболоченностью территории, а в южных районах, сильным промерзанием и медленным оттаиванием почв.

Почвенный покров окрестностей г. Томска представлен серыми лесными, подзолистыми, дерново-подзолистыми типами, в понижениях рельефа часто наблюдаются процессы оглеения. На территории г. Томска естественные почвы встречаются редко. Городские почвы в некоторой степени наследуют свойства зональных почв и горных пород. Большая часть городской территории представляет собой асфальтированные и застроенные участки, а на оставшихся открытыми местах преимущественно развиты антропогенные модификации почв (техногенно-измененные почвы), которые формировались в основном в процессе хозяйственного освоения участков земли, а также рекультивации тех или иных объектов (Язиков, 2006).

Почвы районов северной части Томской области, за исключением богатых гумусом пойменных, не являются благоприятными для сельскохозяйственного использования. Это связано с наличием большого количества малых рек и заболоченностью значительной части территории района. Средняя заболоченность района составляет около 50%.

Широкое распространение болот и заболоченных земель существенно ограничивает хозяйственную деятельность и ухудшает условия жизни населения, в том числе, определяет низкое качество поверхностных и подземных вод вследствие высоких содержаний железа и органических веществ в болотных водах, питающих реки и поступающих в подземные горизонты. При этом следует отметить, что наличие огромных заболоченных площадей обусловливает наличие целого ряда экологических и водохозяйственных проблем (Каргасокский район, #"820581.files/image003.gif">

Исходя из основных характеристик, ни один элемент не соответствуют нормальному закону распределения в волосах жителей г. Томска (табл. 1).

Таблица 2. Числовые характеристики содержания химических элементов (n, %) в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области

Исходя из основных характеристик, только элемент Ce соответствуют нормальному закону распределения в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области (табл. 2).

2.2 Оценка соответствия распределения химических элементов (n, %) в гипотезе нормального распределения

Проверка соответствия распределения химических элементов в гипотезе нормального распределения представлена в табл. 3 и табл. 4.

Таблица 3. Результаты оценки принадлежности гипотезе нормального распределения для волос жителей г. Томска

Прим.: «-» - не соответствует; «+» - соответствует

Таблица 4 - Результаты оценки принадлежности гипотезе нормального распределения для волос жителей населенных пунктов северной части Томской области

Вывод: В результате проверки соответствия распределения химических элементов гипотезе нормального распределения показали, что нормальному закону распределения для волос жителей г. Томска не соответствует ни один элемент, что связано с высокой дискретностью измерений (табл. 3); для волос жителей населенных пунктов северной части Томской области - Ce (табл. 4).

2.3 Сравнение средних арифметических значений и дисперсии двух выборок с помощью параметрических и непараметрических критериев

Таблица 5. Результаты сравнения средних арифметических значений и дисперсии двух выборок с помощью параметрического t-критерия Стьюдента

Согласно параметрическому t-критерию Стьюдента для большинства элементов наблюдается несущественная разница между средними значениями, кроме следующих элементов: Na, Cr, Co, La, Sm, Lu (табл. 5).

Согласно критерию Фишера, при f_{критическое} = 1,6 когда дисперсия в городе Томске выше, чем в северной части Томской области и при f_{критическое} = 1,6 когда дисперсия в северной части Томской области выше, чем в городе Томске, несущественная разница дисперсии выявлена для одного элемента - Th.

Таблица 6. Результаты сравнения средних арифметических значений и дисперсии двух выборок с помощью непараметрического U-критерия Манна-Уитни

Согласно критериям параметрического t-критерия Стьюдента и непараметрического U-критерия Манна-Уитни Cr, Co, Rb, Th, U - не отвечают гипотезе нормального распределения, разница дисперсии несущественна.

В результате сравнения двух генеральных совокупностей распределения химических элементов в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области с помощью параметрического критерия Стьюдента (табл. 5), было выяснено, что уровни Na, Cr, Co, La, Sm, Lu в волосах жителей изучаемых территорий существенно различаются.

В результате сравнения двух генеральных совокупностей распределения химических элементов в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области с помощью непараметрического критерия Манна - Уитни (табл. 6), было также выяснено, что уровни Na, Rb, La, Ce, Sm, Lu, Th, U в волосах жителей изучаемых территорий существенно различаются.

В результате сравнения двух генеральных совокупностей распределения химических элементов в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области с помощью параметрического критерия Фишера, было выяснено, что распределение Na, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, Br, Rb, Ag, Sb, La, Ce, Sm, Yb, Lu, U, Hf, Au в волосах жителей двух районов носит неоднородный характер. Значения дисперсий двух выборок сильно отличаются.

Полученные результаты визуально подтверждаются соответствующими составными гистограммами для элементов Na, Cr, Sm (рис. 3, рис. 4, рис. 5).

Рис. 3. Составная гистограмма распределения содержания Na, %

1 - пробы города Томска, 2 - пробы населенных пунктов Северной части Томской области

Рис. 4. Составная гистограмма распределения содержания Ca, %

1 - пробы города Томска, 2 - пробы населенных пунктов Северной части Томской области

Рис. 5. Составная гистограмма распределения содержания Sm, %

1 - пробы города Томска, 2 - пробы населенных пунктов Северной части Томской области

2.4 Оценка характера силы взаимосвязи между химическими элементами на изучаемых территорий

Таблица 7. Корреляционная матрица ассоциации микроэлементов в волосах жителей города Томска (r_0.05=0.27; n=47)

Таблица 8. Корреляционная матрица ассоциации микроэлементов в волосах населенных пунктов Северной части Томской области (r_0.05=0.27; n=44)

Используя парный коэффициент корреляции Пирсона, получили матрицы корреляции (табл. 8, табл. 9) для города Томска и населенных пунктов Северной части Томской области. В результате проведения корреляционного анализа выяснилось, что существует большое количество значимых корреляционных связей. Искусственно повысив порог корреляции до 0,56 получили следующие пары элементов для г. Томска: Au-Ca, Hf-Fe, Hf-Cr, Hf-Sc, Sm-Th, La-Yb, Sm-Ag, Sc-Fe, Cr-Fe, Cr-Sc. Пары элементов для населенных пунктов Северной части Томской области (0,63): Ca-Zn, Fe-Sc, Zn-Co, Ce-Cr, Hf-Fe, U-Fe, Hf-Cr, Lu-Sm, La-Lu.

Вывод: В г. Томска Fe и Hf находятся в тесных связях с элементами - Sc, Cr и между собой; Элемент Fe населенных пунктов Северной части Томской области- с U, Sc, Hf.

Рис. 6. Дендрограмма корреляционной матрицы геохимического спектра микроэлементов в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области (1 - r = 0,73, N = 44)

В результате кластерного анализа было выяснено, что в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области выделяются четыре значимых ассоциации элементов на уровне 1 - r = 0,73: 1. Yb-Th-Sb; 2. Au-Zn-Co-Ca; 3. Ce-Cr-Hf-U-Fe-Sс и несколько коррелирующих пар: Sm-Ag; Lu-Lа (рис. 8).

Рис. 7. Дендрограмма корреляционной матрицы геохимического спектра микроэлементов в волосах жителей города Томска (1 - r = 0,73, N = 57)

В результате кластерного анализа было выяснено, что в волосах жителей г. Томска выделяются три значимых ассоциации элементов на уровне 1 - r = 0,73: 1. Yb-La-Sb 2. Hf-Cr-Fe-Sc 3. Th-Sm-Ag-Co-Na и несколько коррелирующих пар: Lu-Ce; Au-Ca; Rb-Zn (рис. 9).

2.5 Факторный анализ методом главных компонентов дисперсий геохимического спектра в волосах жителей изучаемых территорий

Результаты факторного анализа методом главных компонентов представлены в табл. 9 и табл. 10.

Таблица 9. Факторные нагрузки на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области

Исходя из табл. 9, первый фактор оказывает значимое влияние на дисперсию геохимического спектра в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области: Ca, Cr, Fe, U, Hf. При этом воздействие однонаправленное. Третий фактор оказывает значимое влияние на дисперсию: Lu.

Таблица 10. Факторные нагрузки на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей города Томска

Исходя из табл. 10, первый фактор оказывает значимое влияние на дисперсию геохимического спектра в волосах жителей города Томска: Sс, Fe, Hf. При этом воздействие однонаправленное. Второй фактор оказывает значимое влияние на дисперсию: Ag.

Индивидуальный вклад факторов в общую дисперсию выборок представлены на рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10. График индивидуальных факторных нагрузок на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области

Из рис. 10 видно, что наибольшую нагрузку на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области оказывает первый фактор - 23,73%, второй фактор - 15,98%, третий - 12,72%.

Рис. 11. График индивидуальных факторных нагрузок на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей г. Томска

Из рис. 11 видно, что наибольшую нагрузку на общую дисперсию геохимического спектра в волосах жителей г. Томска оказывает первый фактор - 21,76%, второй фактор - 15,92%, третий - 11,96%.

Факторные нагрузки первого и второго фактора на геохимический спектр изучаемых компонентов представлен на рис. 12 и рис. 13.

Рис. 12. Круговая диаграмма факторных нагрузок на дисперсию геохимического спектра в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области (нагрузки для первого и второго фактора)

Рис. 13. Круговая диаграмма факторных нагрузок на дисперсию геохимического спектра в волосах жителей города Томска (нагрузки для первого и второго фактора)

томский экологический воздух техногенный

Выводы

Исходя из сравнения значений среднего арифметического, медианы, моды, только элемент Ce соответствуют нормальному закону распределения в волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области (табл. 2). На территории города Томска ни один элемент не соответствуют нормальному закону распределения в волосах жителей (табл. 1). Статистическая информация искажена вследствие большого количества проб из-за низкого порога чувствительности анализа по ряду элементов.

В результате сравнения двух генеральных совокупностей распределения химических элементов в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области с помощью параметрического критерия Стьюдента (табл. 5), было выяснено, что уровни Na, Cr, Co, La, Sm, Lu в волосах жителей изучаемых территорий существенно различаются; с помощью непараметрического критерия Манна - Уитни (табл. 6), было также выяснено, что уровни Na, Rb, La, Ce, Sm, Lu, Th, U в волосах жителей изучаемых территорий существенно различаются; с помощью параметрического критерия Фишера, было выяснено, что распределение Na, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, Br, Rb, Ag, Sb, La, Ce, Sm, Yb, Lu, U, Hf, Au в волосах жителей двух районов носит неоднородный характер. Значения дисперсий двух выборок сильно отличаются.

Основная часть элементов ((La, Ce, Sm - легких лантаноидов и тяжелых - Yb, Lu), Na, Ca, Sc, Rb, Hf, U, Cr, Br), обнаруженных в волосах жителей г. Томска и населенных пунктов северной части Томской области относится к типу литофильных элементов (обладающих сродством к силикатным минералам). Это объясняется их широким распространением в природе, преимущественно в форме карбонатов, оксидов, галогенидов, силикатов, фосфатов и сульфатов. Элементы отдельные (железо, кобальт и золото) относятся к типу сидерофильных (обладающих сродством к железу) элементов. Zn, Ag, Sb и Au, характеризующийся высокими коэффициентами вариации (более 70%) и относительно высоким коэффициентом концентрации (более 1,5) относятся к типу халькофильных элементов (обладающих сродством к сере, теллуру и селену).

Используя парный коэффициент корреляции Пирсона, получили матрицы корреляции (табл. 8, табл. 9) для города Томска и населенных пунктов Северной части Томской области. В результате проведения корреляционного анализа выяснилось, что существует большое количество значимых корреляционных связей. Искусственно повысив порог корреляции до 0,56 получили следующие пары элементов для г. Томска: Au-Ca, Hf-Fe, Hf-Cr, Hf-Sc, Sm-Th, La-Yb, Sm-Ag, Sc-Fe, Cr-Fe, Cr-Sc (рис. 6). Пары элементов для населенных пунктов Северной части Томской области (0,63): Ca-Zn, Fe-Sc, Zn-Co, Ce-Cr, Hf-Fe, U-Fe, Hf-Cr, Lu-Sm, La-Lu (рис. 7). В г. Томска Fe и Hf находятся в тесных связях с элементами - Sc, Cr и между собой; Элемент Fe населенных пунктов Северной части Томской области- с U, Sc, Hf.

Геохимические спектры элементов в волосах жителей рассматриваемых территорий образуют значимые ассоциации всех элементов. В волосах жителей населенных пунктов северной части Томской области выделяются четыре значимых ассоциации элементов на уровне 1 - r = 0,73: 1. Yb-Th-Sb; 2. Au-Zn-Co-Ca; 3. Ce-Cr-Hf-U-Fe-Sс и несколько коррелирующих пар: Sm-Ag; Lu-Lа (рис. 8). В волосах жителей г. Томска выделяются три значимых ассоциации элементов на уровне 1 - r = 0,73: 1. Yb-La-Sb; 2. Hf-Cr-Fe-Sc 3. Th-Sm-Ag-Co-Na и несколько коррелирующих пар: Lu-Ce; Au-Ca; Rb-Zn (рис. 9).

Распределение некоторых элементов в волосах жителей рассматриваемых территорий обусловлено одним и тем же фактором (первый) в большей степени. Первый фактор - состав пород, природный, более всего влияет на неоднородное распределение элементов в почве. В городе Томске выделяется группа элементов, сильно влияющих на дисперсию, это: Sс, Fe, Hf (табл. 10). Элементы Sс и Hf - это литофильные элементы, входящие в состав акцессорных минералов кислых пород; Fe - характерный элемент-поллютант для выбросов всех рассматриваемых промышленных объектов, относятся к типу сидерофильных (обладающих сродством к железу) В северной части Томской области - нефтегазоносной территории к элементам, влияющим на дисперсию добавляются литофильные элементы: Ca, Cr, U (табл. 9). Второй фактор в Томске более слабый, оказывает значимое влияние на дисперсию Ag, третий фактор очень слабый, поэтому выявить элементы не удалось; В северной части Томской области - второй фактор очень слабый, третий - оказывает значимое влияние на дисперсию Lu.

Анализ биогеохимических показателей для рассматриваемых территории позволяет говорить, что северные нефтегазодобывающие районы и техногенно - напряженный Томский имеют свою специфику накопления элементов в составе волос детей, что, по всей видимости, отражает геохимические и металлогенические особенности рассматриваемых территории проживания.

Список литературы

1. Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://green.tsu.ru, свободный.

2.      Иоганзен Б.Г. Природа Томской области / Б.Г. Иоганзен. - Новосибирск, Западно-Сибирское изд-во, 2011. - С. 5-140

.        Каргасокский район [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.tv2.tomsk.ru/raioni/kargasokskii-raion, свободный.

.        Наркович Д.В. Проявление природных аномалий в составе волос детей / Д.В. Наркович, Н.В. Барановская // Биокостные взаимодействия в природных и антропогенных системах. - СПб: ВВМ, 2011. - С. 304-307.

.        Сравнительный статистический анализ эколого-геохимических оценок территории города по данным различных съемок. Метод. указ. по выполнению лаб. раб. №4 по дисциплине «Геохимия. Геохимический мониторинг природных сред» для студентов очного и заочного обучения специальности 320300 (013600). - Томск: Изд. ТПУ, 2005. - 24 с.

6. Экологический мониторинг: Состояние окружающей среды Томской области в 2011 году / Авторы: Гл. ред. A.M. Адам, редкол.: В.А. Коняшкин, А.В. Дмитриев, Ю.В. Лунева; Департамент природн. ресурсов и охраны окружающ. среды Том. обл., ОГБУ «Облкомприрода». - Томск: Издательство «Графика DTP», 2012. - 166 с.

7.      Экологический мониторинг: Состояние окружающей среды Томской области в 2011 году / Авторы: Гл. ред. A.M. Адам, редкол.: В.А. Коняшкин, А.В. Дмитриев, Ю.В. Лунева; Департамент природн. ресурсов и охраны окружающ. среды Том. обл., ОГБУ «Облкомприрода». - Томск: Издательство «Графика DTP», 2012. - 166 с.