В настоящей работе проведено исследование глубоководного озеро Тургояк с исключительно чистой водой, оз. Увильды (природный памятник России) и оз. Большое Миассово, расположенного на территории Ильменского Государственного заповедника, а так же находящихся в черте крупного промышленного центра оз. Смолино и оз. Первое, окруженных сетью крупных промышленных предприятий и являющихся фактически «очистными» сооружениями г. Челябинска. Третьим типом природно-технических систем явилось вдх. Шершни как основной источник питьевой воды для миллионного города.
При многомерном кластерном, факторном и дискриминантном анализе использовали следующие гидрологические, гидрохимические и гидробиологические параметры: прозрачность, рН, О2, минерализация, концентрации ионов Cl, SO4, CO3, NH4, NO3, NO2, Pмин, Pобщ, Fe, Cu, Zn, Si, Cr,, а так же СПАВ, нефтепродукты, БПК5, фитомасса планктона. При экспресс-анализе содержания биоорганических соединений в образцах воды нами впервые в геоэкологических исследованиях была использована редко применяемая в ЯМР-спектроскопии методика ЯМР-релаксации, позволяющая избежать концентрирования образцов, повысить точность и воспроизводимость измерений.
Экспериментально определенное время релаксации (Т1) проб воды оз. Смолино равно 1,950 с; оз. Первое - 1,872 с.; вдх. Шершни -1,828 с; оз. Б. Миассово - 1,691 с; оз. Тургояк - 1,695 с; оз. Увильды - 1,690 с. Таким образом, сигнал ЯМР-релаксации достоверно ниже (Р < 0,001) у озер с высоким геоэкологическим статусом (оз. Увильды, оз. Тургояк, оз. Б Миассово) по сравнению с объектами, загрязненными в результате интенсивного техногенного использования, (оз. Смолино и оз. Первое), а также вдх. Шершни.
Корреляционный анализ между параметрами ЯМР-релаксации и унифицированными данными Госкомгидромета по Челябинской области показал следующие коэффициенты: прозрачность (-0,59), рН (0,52), О2 (- 0,70), минерализация (0,76), Cl (0,68), SO4 (0,71), CO3 (- 0,74), NH4 (0,38), NO3 (0,49), NO2 (-0,10), Pмин (0,24), Pобщ. (0,32), СПАВ (-0,43), Pмин;(-0,03), БПК5 (0,56), фитомасса планктона (0,76), Fe (-0,02), Cu (0,18), Zn (-0,43), Si (- 0,68), Cr (-0,48). При этом четко выделяется отрицательная корреляционная зависимость с концентрацией О2, а так же положительные корреляционные связи с минерализацией, концентрацией сульфат-ионов, бикарбонатов, БПК5 и фитомассой планктона. Подобные корреляционные связи однозначно свидетельствуют о высокой информативности метода ЯМР-релаксации для оценки геоэкологического статуса и, особенно, биоорганических компонентов природно-технических систем. Однако метод ЯМР имеет существенный недостаток, поскольку нуждается в наличии дорогостоящего оборудования и предъявляет исключительно высокие требования к уровню профессиональной подготовленности персонала.
Многомерный кластерный анализ по 21-му унифицированному показателю качества воды четко выделяет две контрастные группы природно - технических систем: оз. Смолино и оз. Первое - с низким геоэкологическим статусом, и оз. Б Миассово, оз. Тургояк и оз. Увильды с высоким геоэкологическим статусом. Дистанция между контрастными водоемами равна 480 единиц. Результаты факторного анализа были принципиально схожими, выделяя по изменению объяснимой дисперсии три группы водоемов: фактор 1 (оз. Смолино, оз. Первое), фактор 2 (вдх. Шершни), фактор 3 (оз. Увильды, оз. Тургояк, оз. Б.Миассово).
С помощью многомерного дискриминантного анализа рассчитаны весовые коэффициенты для каждого тестируемого параметра, позволяющие оптимальным образом разделить контрастные группы водоемов и количественно оценить дискриминантную функцию в виде: DF(xi) = k1x1 + k2x2 +........ k14x14, где k1............. k14 - коэффициенты дискриминантной функции, а x1........... x14 - экспериментальные значения параметров. В случае исследованных нами природно-технических систем Южного Урала получены следующие значения дискриминантной функции:
оз. Первое - (умеренно загрязненное - III класс качества воды) - DF(xi) = 1,15;
оз. Смолино - (умеренно загрязненное - III класс качества воды) - DF(xi) = 1,79;
оз. Тургояк - (чистое - II класс качества воды) - DF(xi) = 11,62;
оз. Б. Миассово - (чистое - II класс качества воды) - DF(xi) = 12,30;
оз. Увильды (чистое - II класс качества воды) - DF(xi) = 12,81.
При анализе значений дискриминантной функции видно, что различие между контрастными по геоэкологическому статусу озерами достигают 10-тикратных величин. Значение дискриминантной функции для вдх. Шершни (водоема с «неопределенным» геоэкологическим статусом) равно 5,27, т.е. находится примерно в промежуточном положении. Использованный нами метод многомерного дискриминантного анализа позволяет потенциально оценить экологический статус практически любого водоема при наличии информации о 14-ти указанных выше параметрах. При снижении точности оценки дискриминантной функции примерно на 10% можно исключить из анализа такие трудоемкие для определения показатели, как NO3, NO2, Pобщий и Cr, что упростит процедуру тестирования водоемов и, как минимум, окажется приемлемым в качестве экспресс-оценки мало исследованных природных водоемов.
Полученные в настоящей работе результаты многомерного анализа озерных экосистем открывают принципиально новые возможности для качественной и количественной оценки природных водоемов с использованием кластерного, факторного и дискриминантного анализа, ЯМР-спектроскопии биоорганических соединений. Нам представляется, что в настоящей работе реализован принципиально новый подход к решению одной из актуальных проблем в области геоэкологического нормирования и мониторинга сложных природно-технических систем.