CC BY
38
УДК 551.2+502.3 А.В. Шитое
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАКТОРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ РОЛИ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ В ИЗМЕНЕНИИ ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ НАСЕЛЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
В результате проведенного факторного анализа выявлено существенное влияние геологических факторов на здоровье населения. Полученные данные свидетельствуют об активизации влияния факторов среды на здоровье населения в процессе подготовки Чуйского землетрясения 27.09.03 г.
Изучение роли геолого-геофизического фактора в формировании зон с аномальной экологической обстановкой становится все более актуальной. В последнее время появились новые разделы наук о Земле - изучение энергоактивных участков земной поверхности [1, 4]. Основой его явились работы по изучению электромагнитных предвестников землетрясений [3; 8]. Данные исследования выявили большой уровень электромагнитных и сейсмических энергий, выделяемых при геологических процессах. В связи с высоким уровнем и определенным спектром природных воздействий это не проходит бесследно для растений и биологических систем. Данный аспект проблемы способствовал появлению отрасли экологическая геология [9] экологическая геофизика [2]. В общем случае, геоэнергоактивные участки земной коры обладают определенными (дискомфортными или благоприятными) свойствами по отношению к биоте. С ними связывают повышенную заболеваемость населения, генетические отклонения, нарушения функционирования экосистем и другие явления.
Проведение комплексных геоэкологических исследований с целью выявления влияния различных факторов окружающей среды на здоровье населения требует описания процессов системой признаков, исследование взаимосвязей внутри которой позволяет получить более полную и значимую информацию, чем исследование каждого из них в отдельности.
Нами предлагается рассмотрение геоэкологических данных и выявления степени их влияния на человека, причем целесообразно рассмотрение системы признаков для обработки, анализа и интерпретации многомерных данных. Сочетание факторов среды на разных территориях различно и подчинено общей закономерности природных условий. Поэтому для исследования закономерностей влияния различных факторов среды на различные системы организма человека целесообразно применение статистического анализа, в том числе, для изучения массивов многомерных данных методами многомерного статистического анализа, одним из которых является факторный анализ.
Основная цель факторного анализа состоит в том, чтобы обнаружить скрытые группы факторов, объясняющие связи между наблюдаемыми признаками (параметрами) объекта. Разновидность факторного анализа -метод главных компонент, основан на использовании некоторых характеристик корреляционных матриц исходных данных, при которых можно использовать образы объектов в пространстве, имеющем существенно меньшую размерность, чем система исходных признаков [6]. Вычисляемые новые гипотетические переменные факторы (главные компоненты) взаимно ортогональны, поэтому взаимно не коррелированны, а также обладают существенно большей информативностью, т.к. несут основную долю информации об изменчивости свойств изучаемых объектов в системе исходных признаков. Изображение изучаемых объектов в проекции на плос-
кости главных компонент отличается наглядностью и содержательностью, позволяет выделять компактные подмножества объектов, различия между которыми в исходном пространстве признаков могут в явном виде не проявляться. Эта особенность факторного анализа позволяет формулировать и проверять новые гипотезы о причинах и свойствах рассматриваемых явлений [5; 7]. Методы факторного анализа позволяют заменить взаимно скоррелированные признаки на некоторый фактор, который обуславливает своеобразную тенденцию в поведении исследуемой системы
При использовании факторного анализа производится редукция групп факторов и сведение их к минимальному количеству. Кроме этого, полученный результат должен быть адекватно интерпретируемым. Несмотря на использование линейной модели возможность визуального анализа положения объектов в пространстве малой размерности позволяет выделить кластеры, образуемые исследуемыми объектами достаточно сложной конфигурации.
Многомерные статистические методы, в том числе и факторный анализ применяются в процессах оценки экологической информации в следующих случаях:
1. Когда характеристики природных процессов, отражающих экологическую обстановку имеют количественное выражение;
2. Если структура наблюдаемых явления обусловлена взаимоотношениями между переменными, что и составляет главную цель многомерных исследований;
3. Если из системы исследуемых характеристик изначально нельзя выделить какие-либо группы или множества, обладающие особыми свойствами или взаимозависимостями;
4. Когда имеется достаточный с точки зрения статистики объем выборки;
5. Если число и количественное выражение факторов неизвестно или известно не точно, поэтому можно количественно оценить базовую размерность исследуемой системы признаков.
Использование метода главных компонент на примере анализа влияния факторов среды на здоровье населения
Возможность использования метода главных компонент для выявления роли различных природных факторов в заболеваемости населения рассмотрены на примере данных по медицинской статистике. Данные были представлены по административным районам Республики Алтай. Для анализа влияния факторов среды нами использовались численные данные по следующим характеристикам: площадь интрузивных массивов, длина разломов, площадь аномалий концентрации радона, площадь аномалий геомагнитного поля по территории каждого района Республики Алтай.
Нами была разработана методика оценки влияния геоэкологических показателей на здоровье населения
Горного Алтая. Для анализа использовались следующие данные: численность населения по районам, площадь районов (табл.1), характеристики разломов, интрузивных массивов, аномалии радона и магнитного поля, пронормированные на площадь района и численность населения, наблюдение природных самосветящихся образований.
Оценка этого влияния осуществлялась на природных полигонах (методом натурного моделирования и экспертных оценок), представленных административными районами Республики Алтай. Для оценки геологического состояния территории Республики Алтай учитывающей многофакторность воздействия природно-техногенных явлений нами, исходя из критериев благоприятности проживания населения, разработан комплексный показатель геологических условий территории (табл.1). Для расчетов величины данного показателя использованы карты содержательного характера: геолого-формацион-ная, тектоническая, сейсмическая, металлогеническая, полезных ископаемых.
Геохимические поля, отражающие вещественный состав геологических образований верхней части литосферы, могут создавать геохимические аномалии, формирующие через пищевые цепочки эндемические заболевания. Геофизические поля (магнитные, электрические, гравиметрические, радиационные), создаваемые геологическими телами, зонами тектонических нарушений, погребенными речными долинами и другими неоднородностями литосферы, формируют очаги повышенной заболеваемости и проявления функциональных расстройств живых организмов в частности воздействуют на нервную систему, кроветворные органы, психику. Мало изученным пока фактором воздействия на биоту является активизация естественных геофизических полей в зонах разломов и в геологических неоднородностях в результате ионосферных явлений, электромагнитных и низкочастотных излучений. Прямым признаком активизации естественных геофизических полей являются природные самосветящиеся образования широко проявленные на территории Республики Алтая [4]. Природные самосветящиеся образования (ПСО), как показывают исследования последних лет [Дмитриев, 1998], весьма разнообразны по генезису, характеру проявления и условиям образования. Их можно условно разделить на несколько групп: оптоатмосферные явления, световые явления при землетрясениях, метеоявления, шаровые молнии, ПСО как следствие солнечно-земных и геологических процессов.
Их анализ свидетельствует об активизации данных процессов в регионах, характеризующихся определенным геологическим строением: крупные месторождения и проявления полезных ископаемых, кристаллические щиты, активные разломы. Достаточно уверенная привязка ПСО к специфическим геологическим элементам указывает на значительную роль литосферных процессов в их образовании и пространственном распределении.
Природные самосветящиеся объекты, характеризуют высокую геоэнергоактивность и генетически связаны с метеопараметрами, геологическим строением. Эти взаимосвязи выявлены на основании экспедиционных наблюдений, регистраций и опроса очевидцев (идентичные и/или одновременные события). Для выявления связи изучаемых экогеологических параметров среды (разломов, интрузивных массивов, мест рудной минерализации, аномалий магнитного поля и электромагнитных процессов в недрах и атмосфере, которые проявляются в виде природных самосветящихся образований - ПСО) с показателями заболеваемости населения были проведены следующие работы [10].
Проанализированы геологические карты масштаба 1:500000 (распределения разломов, интрузивных массивов), карта магнитного поля масштаба 1:500000 и карта встречаемости ПСО, данные многоцелевого геохимического картирования (МГХК-1000) и геоэкологического исследования и картографирования (ГЭИК-1000).
Разработана методика оценки влияния геологических показателей на здоровье населения Горного Алтая. Для этого рассчитывалась площадь изучаемых геологогеофизических образований на территории района по следующей формуле:
N = 8геол / S района * К населения;
где Ягеол - площадь геологических структур на территории данного административного района (кв.км) (для разломов рассчитывалась длина в пог.км);
S района - площадь административного района;
К населения - численность населения района.
В ГИС Arc View 3.2 посчитаны площади: интрузивных массивов, аномалий магнитного поля АТ, аномалий радона, длина разломов на территории каждого района.
Для изучения комплексного влияния предложенных показателей они были просуммированы и получен суммарный показатель изучаемых геологических характеристик (табл.1).
Таблица 1
Характеристики геологических данных (по районам Республики Алтай)
Районы Площадь интрузивных массивов, кв. км Площадь аномалий магнитного поля, кв. км Рудные проявления иМПИ Длина разломов, пог.км ПСО, встречае- мость Площадь аномалий Ra-226, кв.км
Майминский район 64 130 0,5 805 0 331
Чойский район 3541 2500 6 2453 0 2500
Турочакский район 4842 1851 5 7735 2 1127
Шебалинский район 2З0 240 2 3151 2 441
Онгудайский район 1698 1800 4 8164 6 385
Улаганский район 2614 3805 3 9394 1 1450
Кош-Агачский район 2527 2579 8 13114 3 3037
Усть-Канский район 1243 954 4 4933 3 958
Усть-Коксинский район 1654 688 2 6675 8 519
Чемальскйи район 420 670 0 2232 1 851
В дальнейшем, данные по площади интрузивных массивов, площади магнитных аномалий, площади ано-
малий радона, длина разломов делились на площадь административного района и умножались на количество населения.
Для определения показателя рудные проявления и месторождения рудных полезных ископаемых использовались данные о количестве месторождений и проявлений рудных полезных ископаемых на территории района их размеров и удаленности от населенных пунктов. По-
казатель ПСО рассчитывался из степени проявления ПСО на территории каждого района, на основании опроса местного населения, сотрудников МВД, погранслужбы, ФСБ и др. органов. В дальнейшем, показатели рудной минерализации также нормировались на площадь района и численность населения.
На основании данных операций получали таблицу 2.
Таблица 2
Условные единицы геологических данных (по районам Республики Алтай)
Районы Площадь административного района, кв. км Числен- ность взрослого населения Вероятность попадания человека на интрузивный массив Вероятность попадания человека на аномалию магнитного поля Вероятность попадания человека на аномалий Яа-226 Вероятность попадания человека на разлом Суммарный показатель геологических характеристик
Майминский район 1368 18053 845 1716 26 10631 13226
Чойский район 4296 6782 5594 3949 3608 3875 17036
Турочакский район 10873 9891 4408 1685 705 7042 13848
Шебалинский район 3507 10161 666 695 32 9137 10544
Онгудайский район 12216 10894 1515 1606 80 7287 10498
Улаганский район 18610 7468 1049 1528 403 3772 6755
Кош-Агачский район 20380 9980 1238 1263 585 6427 9520
Усть-Канский район 6350 10632 2083 1598 241 8267 12202
Усть-Коксинский район 12843 11966 1542 641 128 6224 8546
Чемальский район 3407 7005 864 1378 160 4593 6998
Нами были проанализированы коэффициенты взаимной корреляций геологических характеристик и здоровья населения (по годам). При этом, было выявлено резкое увеличение влияния геологических факторов на здоровье населения перед Чуйским землетрясением (рис.1), а также уменьшение коэффициента взаимной
корреляции изучаемых факторов среды и ряда видов заболеваемости населения. Полученный эффект возрастания роли геологических факторов на здоровье населения может быть связан с активизацией тектонических процессов на территории Горного Алтая.
Рис.1. Изменение коэффициента взаимной корреляции некоторых видов заболеваемости
и геологических характеристик
В связи с выявленной закономерностью возрастания влияния факторов среды за изучаемый период, было решено провести факторный анализ, с целью выявления роли геолого-геофизических факторов, наиболее сильно
оказавших влияние на данные виды заболеваемости. Характеристики заболеваемости населения Республики Алтай были предоставлены Республиканским медицинским информационно-аналитическим Центром и представля-
ют собой общую обращаемость взрослого населения по видам заболеваемости (форма 12). Для анализа был выбран 2002 год, как предшествующий землетрясению и данные по медицинской статистике за который характеризуются наибольшим ростом заболеваемости.
Метод «каменной осыпи» показал следующие результаты (табл.3). На основании этих данных мы выбрали четыре фактора для анализа, которые в сумме составили 82, 5% от всех факторов.
Таблица 3
«каменной осыпи»
Матрица данных
Номер фактора Eigenvalue % Total Cumulative Cumulative
1 7,697017 40,51061 7,69702 40,51061
2 3,792042 19,95811 11,48906 60,46873
3 2,199000 11,57368 13,68806 72,04241
4 2,001081 10,53201 15,68914 82,57442
Анализ корреляционных связей между изучаемыми характеристиками среды и здоровьем населения показывает, что максимальное влияние оказывают интрузивные массивы. Данные образования характеризуются аномалиями магнитного поля, а также повышенным радоно-выделением за счет радиогенного производства радиоак-
тивных эманаций. Поэтому эти характеристики в своем действии на здоровье населения суммируются и попадают в один фактор.
В результате анализа было получено распределение изучаемых факторов (рис.2).
0,8
0,6
0,4
0,2
™ 0,0
о
I—
ГО
© -0,2
Заболевания кожи
площадь районов
Показатель псо
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
-0,6
Инфекционные заболевания
Заболевания крови Заболевания нервной системы • • ■ Показатель радоновых аномали Показатель интрузивных массивов
Всего заболеваний (остно-мышечные заболевания ■
Показатель аномалий магнитного по. Заболевания органов дыхания
Психические заболевания
Моче-половые заболевания
Эндокринные заболевания
Сумма геологических факторов
Показатель разломов
* Численна
юсть населения
Новообразования
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
Фактор 1
Рис.2. Диаграмма результатов факторного анализа (факторы 1-2)
0,8
1,0
Таблица 4
Матрица факторов
Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3 Фактор 4
Площадь районов -0,073109 -0,390826 -0,663183 -0,549740
Население районов -0,243677 0,890126 -0,078178 0,086562
Показатель интрузивных массивов 0,903200 -0,091236 -0,172017 0,239744
Показатель аномалий магнитного поля 0,914120 -0,050449 0,231885 0,071361
Показатель радоновых аномалий 0,932103 -0,250469 0,229255 0,041963
Показатель разломов -0,363347 0,867351 0,034872 0,090725
Сумма геологических факторов 0,784809 0,460285 0,077757 0,221860
Показатель природных самосве-тящихся образований -0,341023 -0,146315 -0,630196 0,302087
Всего заболеваемость 0,836288 0,125757 0,050154 -0,495889
Инфекционная заболеваемость -0,060268 0,093495 -0,747418 -0,006202
Новообразования 0,261668 0,834469 0,363182 -0,048243
Кроветворная система 0,939751 -0,329819 0,010889 -0,001968
Эндокринная система 0,220699 0,543397 -0,465590 0,069149
Психические заболевания 0,033113 0,070380 -0,013937 0,907348
Нервная система 0,804750 -0,222420 0,065682 -0,039215
Органы дыхания 0,788465 0,154613 0,409942 -0,395845
Заболеваемость кожи -0,073824 -0,494996 0,204947 -0,544878
Костно-мышечная система 0,703961 0,173834 -0,439319 -0,460750
Мочеполовая система 0,766512 0,350132 0,009510 -0,044674
В результате работ выявлено (рис.2), что группы факторов 1 - 2 являются геолого-геофизическими. Группирование факторов по оси группы факторов 2 в области положительных значений связано с комплексным воздействием. При наличии активизации геодинамических процессов, факторы аномалий радона, магнитного поля, интрузивных массивов распределения группируются в облако значений, вместе с заболеваемостями, на которые они наиболее сильно влияют: органы дыхания, мочеполовую систему, эндокринные заболевания, новообразования и заболевания нервной системы. Назовем 1 группу факторов - интрузивные образования и связанные с ними радоновые, магнитные аномалии. Вторая группа факторов связана с разломами и с заболеваниями, на которые они оказывают влияние: заболевания эндокринной системы, новообразования. Третий фактор - электромагнитное поле, связанное с генерацией природных само-светящихся образований, оказывает сравнительно небольшое влияние в разрезе территории Горного Алтая, ослабляя действие фактора 1. В пространстве 1-4 компонент отчетливо выделяются два вида кластера точек: компактный и линейный. Линейный кластер наблюдается между 1-4 и 2-4 компонентами, компактный наблюдается в пространстве 1-2 и 1-3 факторов.
Патогенное воздействие геофизических полей на здоровье населения при сейсмических процессах связано с активизации эманации литосферных газов. При ослаблении связанности структурных нарушений по линиям активных разломов происходит насыщение подземных вод газовыми и жидкостными флюидами, что существенно изменяет химический состав подземных и поверхностных вод. Зафиксировано повышение содержания
иона Я04 в подземных и поверхностных водах эпицен-тральной области Чуйского землетрясения, так и в целом по территории Горного Алтая. Указанные геохимические аномалии оказывают патогенное воздействие на живые организмы и, в частности, на человека. В результате активизации геодинамических процессов происходит изменение уровня естественного электрического ПОЛЯ, проявляется вариация проводимости среды. В зонах структурных нарушений происходит изменения параметров инфразвука, электромагнитного поля и газовых составляющих. Ранее предполагалось, что область активного воздействия геологических процессов на биологические системы ограничена эпицентральной областью, но, как показывают исследования по территории Горного Алтая, подобные воздействия могут происходить и за 500-600 км от эпицентра и могут быть связаны с геологическими структурами, сопряженными с эпицентральной областью.
Известно, что высокая чувствительность биологических систем на геофизические процессы является естественной, при этом, геофизические поля оказывают существенное влияние на функционирование живых организмов. Воздействие геодинамических факторов на живые организмы подвержены временным колебаниям, и их показателем могут служить изменение сейсмичности. Так активизация геодинамических процессов привела к увеличению обращаемости населения по разным видам заболеваемости, а уменьшение афтершокового процесса Чуйского землетрясения в свою очередь повлияло на уменьшение обращаемости населения в медицинские организации Республики Алтай.
Работы проведены при поддержке грантов РГНФ №07-06-61601а/Т и 07-06-61605а/Т.
Библиографический список
1. Баласанян, С. Ю. Динамическая геоэлектрика / С. Ю. Баласанян. - Новосибирск: Наука, 1990. - 229 с.
2. Вахромеев, Г. С. Экологическая геофизика: Учеб. пособие для вузов / Г. С. Вахромеев. - Иркутск: ИрГТУ, 1995. - 216 с.
3. Воробьев, А. А. Физические условия залегания глубинного вещества и сейсмические явления / А. А. Воробьев. - Томск: изд. ТГУ, 1974. - 271 с.
4. Дмитриев, А. Н. Природные самосветящиеся образования / А. Н. Дмитриев. - Новосибирск: Изд-во ин-та математики, 1998. -243 с.
5. Дубров, А.М. Обработка статистических данных методом главных компонент / А. М. Дубров. - М. : Статистика, 1978. - 134 с.
6. Иберла, К. Факторный анализ / К. Иберла. - М. : Статистика, 1980. - 389 с.
7. Закс, Л. Статистическое оценивание / Л. Закс. - М. : Статистика, 1976. - 598 с.
8. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений / Под ред. М. Б. Гохберга. - М. : Ин-т физики Земли, 1988. - 243 с.
9. Трофимов, В. Т. Экологическая геология / В. Т. Трофимов, Д. Г. Зилинг. - М. : Геоинформаркет, 2002. - 465 с.
10. Шитов, А.В. Экогеологические факторы и их влияние на здоровье населения Горного Алтая / А. В. Шитов // Журнал проблем
эволюции открытых систем. - 2006. - Вып. 8. - Т. 1. - С.120-133.
Материал поступил в редакцию 5. 09.2007.
УДК 581.55
Е.Ю. Зарубина, М.И. Соколова
ВЫСШАЯ ВОДНАЯ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО МЕЛКОВОДЬЯ ТЕЛЕЦНОГО ОЗЕРА И ФАКТОРЫ ЕЕ ФОРМИРОВАНИЯ
Представлена характеристика растительности северо-западного мелководного участка Телецкого озера. Указаны доминирующие сообщества, определены площади зарослей и состав растительного покрова, типы зарастания участков, проективное покрытие, густота травостоя и фитомасса растительности.
Введение
Высшая водная растительность - один из важнейших компонентов гидробиоценозов, играет значительную роль в функционировании водных экосистем. Находясь в литоральной зоне, макрофиты выполняют роль, как механических фильтров для взвешенных веществ, поступающих с водосбора, так и катализаторов химических реакций детоксикации и поглощения химических веществ. Высшая водная растительность в водоемах участвует, также, в обогащении воды кислородом, органическими и минеральными веществами [1, 2].
Телецкое озеро - самый глубокий водоем юга Западной Сибири, находится на высоте 434 м над уровнем моря. Озерная котловина длиной 77,8 км и средней шириной 2,9 км вмещает 40 км3 чистой пресной воды. По строению дна и распределению глубин на озере выделяют основной плес, шириной до 5,2 км с наибольшими глубинами (до 325 м), включающий в себя всю меридиональную и северо-западный мелководный с глубинами менее 100 ми шириной до 1,8 км от мыса Караташ до истока р. Бия [3, 4].
За последние годы в связи с активным развитием туризма в Горном Алтае, возросла антропогенная нагрузка на водоем, особенно на его мелководный северозападный участок, где наиболее развита рекреационная инфраструктура и наибольшая плотность населения. В следствие чего здесь отмечается значительная нарушен-ность прибрежных комплексов и загрязнённость территории хозбытовыми отходами. Особое значение в качестве барьера, препятствующая распространению загрязняющих веществ в водоем, имеет литораль, зарастающая водными растениями, поэтому актуальным является изучение распространения высшей водной растительности в Телецком озере.
Материалы и методы
Материалом для данной работы послужили результаты исследования растительности Телецкого озера в 2004-2006 гг. Исследования проводили стандартными методами на разнотипных участках литорали в широтной части озера на 5 основных пунктах, приуроченных к устьям рек Колдор, Самыш, Ойор, Тевенек, а также у пп. Артыбаш, Иогач. На каждом участке исследования проводили по трансектам, проложенным от открытой воды перпендикулярно берегу через заросли макрофитов наиболее характерных для этого участка. Длина трансект от 25 до 80 м, глубина от 0,2 до 4,5 м. Биомассу в ценозах определяли в период цветения на укосных площадках 0,25 м2 и высушивали до абсолютно-сухого веса. Всего было сделано 138 геоботанических описаний, 131 укос макрофитов.
Результаты и обсуждение
Высшая водная растительность Телецкого озера представлена 38 синтаксонами ранга ассоциации по до-минантно-детерминантной классификации [5]. Наибольшая площадь зарослей и максимальное синтаксоно-мическое разнообразие (15 ассоциаций водной и 11 ассоциаций воздушно-водной растительности) отмечены в районе северо-западного мелководья. Этот участок озера характеризуется относительно небольшой глубиной (1030 м), преимущественно песчаными, галечниковыми и илистыми грунтами. Наиболее крупные притоки Колдор, Самыш, Ойер образуют дельты, занимающие до 2/3 ширины озера, и сразу за береговой полосой заболоченные [3]. Общая площадь, занятая гидрофильной растительностью в этом районе, составляет 0,81 км2 или 4,2% от площади литорали всего озера. Такая низкая величина площади зарастания озера связана с комплексом неблагоприятных для роста и развития гидрофильной растительности факторов, таких как небольшая площадь ли-
