Мониторинг физико-химических параметров подземных вод Южного Приангарья при проведении радиометрических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мониторинг физико-химических параметров подземных вод Южного Приангарья при проведении радиометрических исследований

А.К. Семинский

К.Ж. Семинский

Аннотация

В статье представлены предварительные результаты анализа данных мониторинга физико-химических параметров водопроявленийв совокупности с информацией о радиоактивности вод и разнородных параметрах окружающей среды. Расчеты осуществлялись с применением методов математической статистики. В результате проведена классификация и группировка изученных водопроявлений, а также исследованных показателей.

Ключевые слова: радон, физико-химические параметры, подземные воды, мониторинг, статистика

Annotation

This article presents preliminary results of a statistical analysis of monitoring data of physical and chemical parameters of water manifestations, together with information on the radioactivity of water and heterogeneous environmental parameters. Calculations were carried out using various methods of mathematical statistics. As a result, the classification and grouping of the investigated water manifestations, as well as the fixed indicators, was carried out.

Key words:radon, groundwater, monitoring, statistics.

Мониторинг радоновой активности подземных водв современной практике проводится для территорий, отличающихся друг от друга климатическими и геологическими условиями эманирования.Такие исследованияпреследуют различныецели от поиска радоновых источников для организации здравниц до выявленияэманационных предвестников сильных землетрясений [1-3]. Подобные работы начаты и наурбанизированной территории Южного Прибайкалья [4,5], отличающейся повышенной радоновой опасностью [6],резко-континентальным климатом, сложной структурно-вещественной обстановкой,а также интенсивной сейсмичностью в силу приуроченности к Байкальской рифтовой зоне. На современном этапе исследований для данной территории получены длинные ряды мониторинга по восьми источникам подземных вод и проведено их разделение на группы по количеству растворенного радиоактивного газа. При этом использовались методы статистического анализа:1) средних величин (анализ разброса средних, максимальных и минимальных величин изучаемых параметров); 2) индексов (расчет обобщенных относительных показателей, характеризующих изменение уровня радоновой активности во времени); 3) графических изображений (метод условных изображений при помощи графиков, диаграмм и картограмм). Из более сложных методов статистической обработки применялись кластерный, корреляционный и Фурье-анализы, позволившие разделить фиксируемые величины по степени и характеру связи. физический химический вода

До настоящего времени предметом статистического анализаявлялись данные о радиоактивности подземных вод, метеопараметры, показатели сейсмической активности и, в редких случаях, - концентрации некоторых растворенных в воде химических элементов (например,He). При этом для Прибайкалья, а также и других регионов мира в научной литературе практически не приводятсясведения о вариациях концентрации радона в зависимости не только от параметров окружающей среды, но и от физико-химических показателей опробуемых вод.

Представленные здесь исследованиясостояли ванализе рядовцелой серии различных параметров подземных води окружающей среды с целью получения информации, как о средних значениях изучаемых величин, так и о наиболее общих закономерностях их изменений во времени.

Задачи исследования: 1) из измерений, полученных за 3-х летний период мониторинга (2015-2017 гг.), сформировать базу данных, включающую в себя физико-химические параметры подземных вод; 2)выявить средние значения, а также пределы изменчивостиизучаемых величин; 3) на основе статистического анализа сопоставить физико-химические показатели подземных вод с параметрами их радоновой активности, а также разнородными характеристиками окружающей среды (атмосферная температура, давление, влажность, а также энергетический класс сейсмических событий, происходящих в дни отбора проб в пределах изучаемого региона).

Сеть мониторинга включает восемь источников подземных вод («С1», «С2», «С3», «Худяково», «Никола», «Колхозная», «Авиатор», «Плишкино»), которые территориально находятся в г.Иркутске и на правобережье Иркутского водохранилища. Каждый пункт мониторинга отвечает следующим требованиям: 1) незастойный режим водообмена; 2) малый доступ кислорода к зеркалу водной поверхности; 3) круглогодичное функционирование; 4) уровень радоновой активности в воде -в пределах 16 ?Q?99 Бк/л.

Анализ воды в каждом источнике производилсядва раза в месяц. Измерение радиационной активности в пробеосуществлялось с помощью радиометра РРА-01М-03 с пределом погрешности ? 30%. Для определения физико-химических параметров водыиспользовался экспресс-анализаторHanna HI 98129 Combo с пределом погрешностей: 1) pH (водородный показатель)-± 0,05 Ph;EC (электрическая проводимость) - ±2 %; TDS (жесткость) - ± 2 %; температура - ± 0,5 C. Замеры дебита источников осуществлялись объемным методом. Кроме данных о радоновой активности, к анализу привлекалась информация о метеоусловиях (температуре, давлении, влажности), а также энергетическом классе сейсмических событий, произошедших в регионе за время отбора проб [7, 8].

Решение первой задачи заключалось в формировании для каждого изучаемого водоисточника рядов измерений, состоящих из набора параметров (концентрациярадона в воде (Q[Бк/л]),температура воды в источнике (Т(ист.) [C]), водородный показатель (pH [ед. pH]),проводимость (EC [µS/см]), жесткость(TDS[Ppm],[Ж]),атмосферное давление (Pатм[мм. рт. ст.]), влажность (Uатм [%]), температура воздуха (Tатм[C]) и энергетический класс сейсмического события (K)) ивыстроенных в хронологическом порядке.Таким образом, была сформирована база данных, включающая в себя широкий спектр количественных показателей, характеризующаяся единой методической и метрологической системами и, как следствие, пригодная для использования в качестве основы для проведения дальнейших исследований.

Для решения второй из поставленных задач применялись статистические методы анализа индексов и средних величин.

В первую очередь было установлено, что по изучаемым физико-химическим характеристикамводы исследуемых источников, согласно существующим классификациям, относятся кхолодным (Т(ист.)< 20 C) и нейтральным (7 <Ph< 11 (предел измерений экспрессPh-метра - от 1 до 14)). Показатели жесткости для разных пунктов опробованияразличны. Вода в источнике «Колхозная» по данному показателю является«очень жесткой» (Ж ? 8), тогда как вода из пункта мониторинга «Худяково»является«мягкой» (Ж ? 0,9).Вода остальных пунктовмониторинга определяетсяв соответствии с используемой классификацией как «жестковатая».Подобные в качественном отношении различия имеют место и для показателя проводимости подземных вод. Это связано с тем, что оба рассматриваемых показателя являются количественной оценкой концентрации солей в опробуемом растворе.

Анализ рядов данных трехлетнего мониторинга показал, что физико-химические характеристики подземных вод в пределах изучаемого региона непостоянны в пространстве и времени. Так, температура воды за период мониторинга в различных пунктах опробования находилась в пределах от 1,7 до 12 C, т.е. ДТ(ист.) ? 42,88 % от средней величины даннойхарактеристики в опробуемом источнике. Водородный показатель на изучаемой территории за тот же временной отрезок находился в пределах от 7 до 9,9, ДpH ? 10 % от pHср.(ист.). Показатель проводимости колебался в границах от 43 до 412 µS/см, ДEC? 18,52 % от ECср.(ист.). Жесткость соответствовала уровням от 85 до 833 Ppm, ДTDS? 14,08 % от TDSср.(ист.). Дебит также отличался пространственно-временными флуктуациями и изменялся от полного отсутствия потока (в котором возможно оценить этот параметр количественно) до 140 л/мин, ДD ? 87,82 % от Dср(ист.).

Пространственная группировка опробуемых водопроявлений по каким-либо из анализируемых параметров затруднена по причине отсутствия значительных внутригрупповых особенностей, а такжев силу активного антропогенного воздействия: деградация водоносных горизонтов, питающих опробуемые источники вследствиевырубки леса, строительства дорог и путепроводов.

Среди изучаемых величин близкие значения разности (Д) во времени проявили водородный показатель, а такжеколичественные характеристики проводимости и жесткости. Такая зависимость обуславливается тем, что ионы, определяющие pH, имеют значительное влияние на электропроводимость опробуемого раствора и, как следствие, на показатель жесткости воды.Наибольшие флуктуации были зафиксированы для показателей температуры подземных вод, а так же дебитов опробуемых источников. Такая закономерность, вероятнее всего, связана с особенностями климатической обстановки исследуемого региона. Резко континентальный климат характеризуется значительными сезонными колебаниями атмосферной температуры, которые, в свою очередь, оказывают влияние на температурный режим подземных вод. Кроме того, в регионах, находящихся в пределах поясов резко континентального климата с приблизительнонулевой среднегодовой температурой в зимние месяцы отсутствует питание подземных вод атмосферными осадками, что оказывает влияние на дебит источников.

Для решения третей задачи был проведен статистический анализ физико-химических характеристик в совокупности с данными мониторинга радоновой активности подземных вод и временными рядами разнородных характеристик окружающей среды.

Графики флуктуаций изучаемых параметров в пункте опробования «Худяково», представленные в качестве примера (Рис. 1), отражают общие тенденции изменения вышеперечисленных величин во всех пунктах мониторинга. Следует отметить, что значения изменчивости ?у всех характеристик превышают погрешности методов измерений, т.е. зафиксированные колебания являются действительными.

Анализ представленных графиков показал, что изучаемыепараметры целесообразно разделить на три группы. К первой относятся величины, достигающие своих максимальных значений в теплые месяцы года, когда среднесуточная температура воздуха выше нуля (паводковые периоды). Минимальные значения данных характеристик фиксируются в холодные месяцы (период зимней межени). В эту группу входят показатели атмосферной температуры и влажности, а также температуры воды и дебита водоисточников (Рис. 1-А). Обратная картина наблюдается у параметров второй группы. Максимальные значения здесь отмечаются в зимние месяцы, а минимальные - летом. Вторую группу составляют атмосферное давление, водородный показатель воды и количество растворенного радона (Рис. 1-B).Третью группу формируют характеристики жесткости и проводимости воды исследуемоговодопроявления. Отличительной особенностью данной группы параметров является то, что флуктуации показателей не демонстрируют заметной зависимости от периода года,однако графики колебаний во времени проявляют хорошую внутригрупповую сходимость (иногда с небольшим сдвигом колебаний во времени), что, вероятно, связанос единой природой параметров (Рис. 1-С).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты кластерного анализа показателя радиоактивности (Q) позволили разделить опробуемые водоисточникина три группы (Рис. 2). К первой относятся водопроявления со средней концентрацией радона в воде за период опробования - ¬15 Бк/л. Вторую группу составляют источники, в которых Qср находится на уровне 30 Бк/л. Третья группа сформирована водопроявлениями сQср - 60 Бк/л. Наиболее тесная межкластерная связь в данном случае наблюдается между второй и третьей группами, что может объясняться отличиями в условиях питания и формирования подземных вод. Согласно предыдущим исследованиям источники из первой группы получают питание, в большей степени, за счет поверхностного стока, тогда как источники, относящиеся ко второй и третьей группам, имеют устойчивую связь с глубинными водами[5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дополнительно проведенная кластеризация всех определяемых для каждого пункта мониторинга параметров позволила провести разделение по степени зависимости величин друг от друга. Наиболее отчетливо выделяются четыре основных кластера. Первый составляют: параметр Q, для данного источника; атмосферное давление; атмосферная влажность; водородный показатель. Второй кластер формируют показатели температуры воды и атмосферного воздуха. К третьему относятся жесткость и проводимость исследуемого раствора. Четвертый включает в себя энергетический класс сейсмических событий.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Степень кластеризации (Linkagedistance - теснота связи) полученных групп различна. Наиболее тесная межкластерная связь наблюдается между первыми тремягруппами, однако для разных пунктов мониторинга имеются отличия. Наиболее слабая связь наблюдается между четвертым и остальными кластерами. Статистически слабая связь между параметром K и другими рядами данных не означает ее полное отсутствие, т.к. значительные сейсмические события в период мониторинга не происходили.

Дополнительно проведенный корреляционный анализ подтвердил объективность рассматриваемой кластеризации и позволил уточнить, что из первых трех выявленных кластеров наибольшие коэффициенты корреляции наблюдаются между величинами из 1-го и 2-го кластеров. Кроме того,установлено, что параметр Q характеризуется прямой связью с водородным показателем и атмосферным давлением, а также обратной - с атмосферной влажностью, атмосферной температурой, дебитом источника и температурой воды, что подтверждает выявленные графическим методом закономерности.Коэффициенты корреляции между концентрацией растворенного в воде радона и остальными изучаемыми параметрами различны. Наибольшие из них фиксируются между параметром Q, атмосферным давлением, атмосферной температурой и температурой воды опробуемого источника, что позволяет сделать вывод о существенности влияния вышеперечисленных факторов на радиоактивность подземных вод.

Колебательный характер изменчивости всех анализируемых параметров во времени позволил использовать анализ Фурье для разложения кривых мониторинга на простейшие колебания с разными длинами волн. В результате были получены периодограммы для всех изучаемых величин(пример (Рис. 3)). Интерпретация его результатов дает возможность разделить выделенные гармоники (с погрешностью до 20 дней) на 4 основные группы: 1-го порядка (период колебания ? 365 дней), 2-го порядка (? 180 дней), 3-го порядка (? 126 дней) и 4-го порядка (? 30 дней). Колебания с периодом, равным одному году, за небольшими исключениями, достаточно хорошо проявлены для всех изучаемых величин,кромепоказателей жесткости и проводимости воды.Колебания 2-го порядка были зафиксированы для физико-химических характеристик(Т(ист.), Ph, EC, TDS)во всех опробуемыхисточниках. Менее всего гармоника 2-го порядка проявлена в рядах мониторинга атмосферных параметров. Волны с периодом равным 126 днейзафиксированы для рядов мониторингафизико-химических параметров, а также для атмосферного давления и энергетического класса землетрясений. Колебание с наименьшим периодом было выявлено для параметров Q большинства источников, а также для атмосферных показателей, но границы ее проявления определены менее достоверно в связи с недостаточной для их уточнения частотой опробования. То, что для каждого порядка гармоник характерна определенная группа параметров, в которых она проявляется, свидетельствует о «защищенности» некоторых величин от воздействия цикличных процессов, оказывающих влияние на остальные кривые.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы.

1. На основе мониторинга подземных вод Южного Приангарья сформированабаза данных опробования, характеризующаяся единой методической и метрологической системами, состоящая из набора параметров (концентрация радона в воде (Q), температура воды в источнике (Т(ист.)), водородный показатель (Ph), проводимость (EC), жесткость (TDS), атмосферное давление (Pатм), влажность (Uатм), температура воздуха (Tатм) и энергетический класс сейсмического события (K)), выстроенных в хронологическом порядке.

2. По физико-химическимпараметрамисследуемые водопроявления, согласно существующим классификациям, относятся к холодным и pH-нейтральным с разной степенью жесткости («жесткая» вода в источнике «Колхозная», «жестковатые» воды в источниках «С1», «С2», «С3», «Плишкино», «Никола», «Авиатор», «мягкая» вода в источнике «Худяково»).

3. Анализ рядов мониторинга показал, что изучаемые характеристики непостоянны в пространстве и времени. Показатели разности составили от 10% (ДpH) до 87,82 % (ДD).

4. Способ графических изображений позволил разделить исследуемые величины по степени и характеру зависимости от времени года на три группы: 1-я характеризуется максимальными показателями в летний период (Т(ист.), Tатм, D(ист.), Uатм); 2-я проявляет обратную картину(Q(ист.), Ph (ист.), Pатм); 3-я не имеет заметной связи с периодом года (EC(ист.), TDS(ист.)).

5. Согласно результатам кластерного анализа рядов данных параметра Q, исследуемые источники по средней концентрации радона в воде делятся на три группы: 1-я группа Qср ? 15 Бк/л; 2-я группа Qср ? 30 Бк/л; 3-я группа Qср ? 60 Бк/л. Наиболее тесная межкластерная связь в данном случае наблюдается между второй и третьей группами, что связано, вероятнее всего, с условиями формирования источников (питание за счет глубинных вод).

6. Кластеризация всего набора параметров, анализируемых для каждого пункта мониторинга, позволила выделить четыре основных кластера. Первый составляют параметр Q для данного источника, атмосферное давление, атмосферная влажность и водородный показатель. Второй кластер характеризуется наиболее тесной связью с первым и формируется показателями температуры воды и атмосферного воздуха. К третьему кластеру относятся жесткость и электропроводимость исследуемого раствора. Четвертый является наиболее обособленным и включает в себя энергетический класс сейсмических событий.

7. Корреляционный анализ подтвердил объективность кластеризации, а также выявленных графическим методом закономерностей.Наиболее тесные корреляционные связи фиксируются между параметром Q, атмосферным давлением, атмосферной температурой и температурой воды опробуемого источника, что позволяет судить о существенности влияния вышеперечисленных факторов на радиоактивность подземных вод.

8. Согласно анализа Фурье, выявлено четыре основных вида гармоник: 1-го порядка (365 дней), 2-го порядка (180 дней), 3-го порядка (126 дней) и 4-го порядка (30 дней). Гармоники по-разному представлены в кривых различного типа, что свидетельствует о сложных взаимоотношениях факторов, выявлению которых будут посвящены дальнейшие целенаправленные исследования.

Работа выполнена в рамках Интеграционной программы ИНЦ СО РАН «Фундаментальные исследования и прорывные технологии как основа опережающего развития Байкальского региона и его межрегиональных связей».

Библиографическийсписок

1. Kuo,T., Correlating Precursory Declines in Groundwater Radon with Earthquake Magnitude // Groundwater. 2014. V. 52, N. 2, P. 217-224.

2. Prasad Y., Prasad G., Gusain G.S., Choubey V.M., Ramola R.C. Seasonal variation on radon emission from soil and water // Indian J. Phys. 2009. V. 83, N. 7, P. 1001-1010.

3. Nevinsky I., Tsvetkova T., Nevinskaya E. Measurement of radon in ground waters of the Western Caucasus for seismological application // J. of Environ. Radioactivity. 2015. V. 149,P. 19-35.

4. Лопатин М.Н. Вариации концентраций растворенного радона в подземных водах Южного Прибайкалья при подготовке и реализации очагов землетрясений // Строение литосферы и геодинамика: материалы XXVI Всерос. молодежн. конф. Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 2015. С. 108-109.

5. Семинский А.К. Радон в подземных водах Южного Прибайкалья: результаты мониторинга и прогноз концентраций // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых. 2017. Т. 40. №4. С. 57-68. DOI: 10.21285/2541-9455-2017-40-4-57-68.

6. Максимовский В.А., Решетов В.В., Харламов М.Г. Карта радоноопасности России. Масштаб 1:10000000 / под ред. А.А. Смыслова. М., СПб. 1995.

7. Байкальский филиал геофизической службы [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://seis-bykl.ru/- Основной каталог событий. - (Дата обращения: 10.01.2018).

8. Расписание погоды - Rp5.ru [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rp5.ru/ - Архив погоды в Иркутске. - (Дата обращения: 10.01.2018).

Размещено на Allbest.ru