Саноцкая Н.А., Сапелко Т.В., Шеманаев К.В., Гавриленко И.А.

Российский государственный гидрометеорологический университет

Институт озероведения РАН

Апробация расчетного метода антропогенного влияния на концентрацию металлов в донных отложениях озер на примере Ладожского озера

Группой палеолимнологии Института Озероведения Российской академии наук (ИНОЗ РАН) в последние годы разрабатывается методика для расчёта процента антропогенного влияния на экосистему озер на основе комплексного палеолимнологического исследования [1]. Одной из составляющих разрабатываемой методики является математическая обработка полученных результатов. Уникальность данного расчетного метода заключается в том, что колебания концентраций содержания металлов в донных отложениях озер сглаживаются и, одновременно с этим учитываются пиковые значения за два периода: доиндустриальный (без влияния человека на окружающую среду) и индустриальный (в который возможно происходило влияние человека). Расчеты основаны на осреднении значений рядов за два периода и сравнении этих значений с учетом возможной погрешности и естественных колебаний. Максимальные значения, в случае нескольких выделяющихся пиковых значений в один период, определяются путем среднего арифметического всех пиков за один период.

Расчет ординат осредненного ряда для двух периодов производится по формуле:

A – содержание металла в донных отложениях за период; n – длина ряда периода; x – среднее значение ряда; x_i – среднее скользящее значение содержания.

Ординаты осредненного ряда в различных периодах рассчитывается по формуле средней скользящей (moving average) [2], значение в каждой точке которой равно среднему значению функции за предыдущий период. Формула использована с целью сгладить различные колебания содержания металлов, которые возникают как их реакция на резкие изменения природной среды [3]. Также, чтобы определить качественное наличие изменения концентрации в различных периодах предложено рассчитывать среднеквадратическое отклонение (СКО), как наиболее распространенный в статистике показатель рассеивания. СКО применяется для обоих периодов, создавая два множества возможных значений содержания металла в двух периодах [4].

Таким образом, рассуждать об антропогенном влиянии можно исходя из двух значений - содержание компонента в донных отложениях в индустриальный период (А) и рассчитанное пиковое значение содержания компонента за доиндустриальный период (H_прир). Если H_антр > А > H_прир. > N , то, согласно методу, человек оказал влияние на динамику содержания металла в донных отложениях озер. Далее метод предполагает расчет оценки вероятности существования человеческого фактора в увеличении содержания компонента в донных отложениях. Для апробации представленного расчетного метода взят разрез донных отложений Ладожского озера, результаты комплексного анализа которого предоставили сотрудники ИНОЗ РАН.

Рисунок.1. Рассчитанные значения соотношения антропогенного и естественного накопления никеля в донных отложениях Ладожского озера

Рассмотрим графическую составляющую расчетов на примере никеля (рис.1). Кривая, построенная по рассчитанным средним скользящим значениям, не учитывает мгновенных локальных колебаний, происходящих в связи какими-либо природными явлениями. За счет этого, в любой момент времени она показывает истинное среднее значение содержания, поэтому подсчеты уровней и средних значений выполнялись по данным этой кривой.

По результатам расчетов определено, что уровень содержания никеля в донных отложениях Ладожского озера на данный момент не превышает максимального природного уровня. В то же время, рассчитанный антропогенный уровень выше рассчитанного природного уровня.

Согласно методу, на данный момент на динамику содержания никеля в донных отложениях Ладожского озера влияют как природные, так и антропогенные факторы. При этом количество никеля в индустриальный период превышает его же значение в доиндустриальный период на 6,7%. Оценка вероятности антропогенного воздействия на содержание никеля W_ni 22%.

Подобное небольшое превышение концентрации в индустриальный период и относительно невысокую вероятность антропогенного фактора можно объяснить тем, что концентрация никеля в водной среде сильно изменяется под действием природных процессов. Никель накапливается в растениях и животных, более того, существуют микроогранизмы, которые содержат в тысячи раз больше никеля, чем окружающая среда [5]. Накопление никеля в донных отложениях озера возможно и благодаря различным видам деятельности человека: этот металл является основой для многих сплавов, используется как катализатор в химической промышленности, для производства аккумуляторов и даже в медицине.

Представленный анализ можно проводить для любого компонента в донных отложениях озер. Для общего анализа состояния экосистемы озера и влияния на ее и на концентрации химических элементов антропогенного фактора необходимо анализировать два параметра: вероятность антропогенного воздействия и рассчитанное повышение концентрации по данному методу.

Литература:

1. Sapelko T. V., Shemanaev K.V., Kuznetsov D.D. and Ignatieva N.V. Relation of human and natural factors in the development of lakes according to a complex analysis of lake sediments// Geophysical Research Abstracts, EGU General Assembly 2012, Vol. 14, EGU2012-11926, Vienna, Austria, 22 – 27 April 2012

2. Боровиков, В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов / В. Боровиков., СПб.: Питер, 2003, 688 с. 

3. Сапелко Т.В., Игнатьева Н.В.,Кузнецов Д.Д. Антропогенные и природные факторы развития Ладожского озера в позднем голоцене по данным комплексного анализа донных отложений//Сохраним природное и культурное наследие Ладожского озера. Сборник научных трудов. СПб. 2011, с. 170-181.

4. Грешилов А. А., Стакун В. А., Стакун А. А. Математические методы построения прогнозов. — М.: Радио и связь, 1997.- 112 с. 

5. Резник И. Д. , Ермаков Г. П. , Шнеерсон Я. М. Никель. Т. 2., М.: «Наука и технологии». 2004, 468 с.