Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Маркелов Данила Андреевич

МОСКВА - 2009

Работа выполнена в Центре эколого-географических разработок

ГУП МосНПО «Радон», Москва, Россия

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Ретеюм Алексей Юрьевич

(Московский государственный университет инженерной экологии, Москва, Россия)

доктор географических наук, профессор

Евсеев Александр Васильевич

(Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия)

доктор географических наук

Новикова Нина Максимовна

(Институт водных проблем РАН,

Москва, Россия)

Ведущая организация: Российский химико-технологический

университет им. Д.И. Менделеева,

Москва, Россия

Защита диссертации состоится _______________2009 года на заседании

диссертационного совета Д 220.025.01 при Государственном университете по землеустройству.

Адрес: 105064 Москва, ул. Казакова, д. 15, Государственный университет по землеустройству.

Телефон: (095) 261-71-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного

университета по землеустройству.

Автореферат разослан_____________________2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук Т.А. Соколова

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные исследования на загрязненных территориях показали, что радионуклиды разного происхождения, выброшенные в результате разных инцидентов: техногенных аварий, специальных экспериментов и др., и поступившие в наземные экосистемы, становятся частью биосферы, вовлекаются в биосферные процессы и подчиняются законам экологии (Источники и эффекты ионизирующего излучения. Отчет НКДАР ООН, 2000). Таким образом, методология оценки радиоэкологического состояния территории и слагающих ее природных и геотехнических систем определяется совокупностью методов, развиваемых в геоэкологии, географии, биогеоценологии. Радиоэкологическое состояние природных и геотехнических систем - это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора. Радиационный фактор характеризуется двумя показателями - дозой и активностью (числом распадов) радионуклидов, следовательно, радиотолерантность как диапазон выносливости вида по отношению к радиационному фактору также характеризуется двумя показателями - дозой и активностью радионуклидов в объекте. Первый показатель доза - чаще всего используется при оценке радиочувствительности организма, критерием является смертность. Второй показатель - активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. Для биосферы Земли, как среды обитания биоты, установлен фоновый, оптимальный диапазон доз, обусловливающий нормальное функционирование экосистем 4 - 500 мрад/г (Поликарпов, Егоров, 1986). Этот диапазон доз выделяется как зона радиационного благополучия.

Поэтому в природных фоновых условиях при оптимальном диапазоне доз, когда не встречается летальных значений (а это десятки и сотни килорад), радиационный фактор целесообразно оценивать по показателю активности радионуклидов в объекте.

Актуальность темы исследования определена необходимостью создания системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории для обеспечения рационального природопользования, оценки качества природной среды, радиационной безопасности, радиационной защиты окружающей среды и населения.

Такая система необходима предприятиям атомной промышленности, деятельность которых регламентируется рядом нормативных документов (НРБ-99, ОСПОРБ-99 и др.). Однако эти нормы и правила не устанавливают допустимые концентрации радионуклидов в природных средах, которые являлись бы эталоном сравнения при радиационном контроле. Приводятся лишь ограничения по дозе облучения населения. Связано это с недостаточным количеством информации и сложностью её получения.

В Публикации 91 МКРЗ (ICRP..., 2003, Основные принципы..., 2004) показано, что для защиты биосферы уже недостаточно следовать устоявшемуся более полувека антропоцентрическому принципу, согласно которому защита биосферы гарантирована и обеспечена защитой человека. Смене парадигмы радиационной защиты послужили накопленные данные в период после Чернобыльской аварии. Подчеркивая сложность биосферы и ограниченность имеющихся знаний, МКРЗ в Публикации 91 (ICRP..., 2003, Основные принципы..., 2004) считает целесообразным изучение референтных животных и растений с оценкой потенциальных доз от распределенных радионуклидов на территориях, особо подчеркивая необходимость изучения воздействий на уровне сообществ и экосистем. Выделение и изучение референтных животных и растений связано с особой проблемой - проблемой экстраполяции данных, так как радиационные эффекты у биологических объектов неоднозначны, объекты сильно различаются по радиочувствительности, то есть проблемы становления новой системы радиационной защиты окружающей среды требуют и разработки новой методологии. Основой такой методологии могут стать методы и системы биоиндикации, построенные на реакции биотических систем разных уровней на воздействие. Преимущество методов биоиндикации доказано широким использованием их для оценки полей миграции вредных веществ, общей загрязненности территорий, экологического состояния, а также для прогноза развития сообществ.

Цель настоящего исследования - разработка концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе взаимосвязанности природных процессов и ее реализация в геоинформационных системах.

Основные задачи:

1) Разработать принципы и критерии оценки радиоэкологического состояния территории на основе методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме. Разработать систему и создать модуль ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории».

2) Разработать принципы и критерии установления радиоэкологического стандарта территории как основы диагностики радиоэкологического состояния в виде типового радиоэкологического состояния и типовых уровней радиационных параметров на пробных площадях в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями. Разработать систему и создать модуль ГИС «Радиоэкологический стандарт территории».

3) Разработать принципы и критерии прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности территории. Разработать систему и создать модуль ГИС

Методика. В основе сбора и обработки информации лежит применение современных технологий и методов. Применялась ГИС-технология, включающая следующие этапы: создание базы данных в программной среде СУБД Microsoft Access 97, обработку информации с применением оригинальных авторских программных разработок, цифрование карт-основ средствами Arc/Info, MapInfo, генерирование электронных карт и создание электронных атласов в программной среде SPANS GIS , SPANS MAP. Планирование экспериментов и выполнение полевых работ осуществлено с использованием ГИС технологий на основе реализации пяти основных географических принципов: репрезентативности в пространстве, репрезентативности во времени, достоверности, возможности экстраполяции, возможности повтора другими исследователями. Отбор проб и пробоподготовка осуществлялись по стандартизованным методикам, применяемым на ГУП МосНПО «Радон». Радиометрические и радиохимические анализы проведены в аттестованных лабораториях ГУП МосНПО «Радон» по аттестованным методикам.

Материалы. Для соблюдения зонального географического принципа и концепции зональных биомов были выбраны следующие регионы исследования: Европейская территория России (профиль в зональном спектре хвойно-широко-лиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей, южных степей), Костромская область (экосистемы южной тайги и хвойно-широколиственных лесов), республика Карелия (экосистемы тайги), заповедник «Белогорье» (экосистемы широколиственных лесов, лесостепей, степей)., Нижегородская область (экосистемы южной тайги, хвойно-широколиственных лесов), Волгоградская область (экосистемы степей, полупустынь), Мурманская область (экосистемы тайги, лесотундры, тундры); Подтатранский район Карпатской горной страны в Словакии (экосистемы в ряду высотной поясности); уезд Сыпин провинции Гирин Китая (экосистемы степей). Все материалы по Европейской территории России и отдельным регионам, Словакии и Китаю собраны автором в составе экспедиций Центра эколого-географических разработок (ЦЭГР) ГУП МосНПО «Радон» в 1997-2007 гг.

Научная новизна и теоретическая значимость заключается в разработке нового научного направления - методологии радиоэкологической стандартизации территории на основе геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории, позволяющей решать крупную народнохозяйственную задачу, а именно: осуществлять эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу и природные системы. Новизна состоит в совершенствовании методов исследования объектов геоэкологии и подтверждена новыми знаниями о радиотолерантности 574 видов растений. Автором впервые собраны и приведены данные радиоэкологического состояния типичных фоновых экосистем в зональном спектре; определена и установлена зональная радиотолерантность биоиндикаторов; проведена оценка радиоэкологического состояния экосистем европейской территории России, Словакии, уезда Сыпин Китая; созданы геоинформационные системы на районы исследований. Впервые создана база данных сопряженных параметров радиационного и геоэкологического состояния территорий. Впервые разработана и создана компьютерная система оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территорий. Впервые разработана и создана система радиоэкологических стандартов территории, определяемых как типовое радиоэкологическое состояние и типовые уровни радиационных параметров на пробных площадях в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями. Впервые разработана и создана компьютерная система прогнозирования радиометрических показателей без проведения пробоотбора на основе выявления связей природных факторов с накопительной способностью растений.

Практическое значение работы заключается в разработке методических принципов оценки радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов и создании модулей ГИС как инструментария оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории, позволяющего получать результаты без выполнения радиометрических измерений.

Результаты исследования внедрены в практику природопользования при обращении с радиоактивными отходами в виде составных модулей баз данных и СУБД и использованы при разработке технологии оперативного картографирования, технологии биомониторинга радиоэкологического состояния, технологии радиоэкологической сертификации качества среды, технологии создания биогеоценотических барьеров, развиваемых в ЦЭГР ГУП МосНПО «Радон».

Результаты исследований в виде отдельных модулей ГИС внедрены в системы природопользования при обращении с радиоактивными отходами в спецкомбинаты «Радон» на территории РФ: Волгоградский и Нижегородский.

Получены 35 заявок на выполнение работ по внедрению и созданию ГИС технологий от 9 ФГУП СК «Радон» на период 2008-2015 гг.

Результаты исследования использовались при выполнении проектов:

Программы Правительства Москвы за 1999- 2008 гг.: «Программы совершенствования средств и методов производства при обезвреживании РАО в ГУП МосНПО «Радон»;

Федеральной «Программы оказания ГУП МосНПО «Радон» научной, практической и технической помощи ФГУП спецкомбинатам «Радон» на 2006-2008 гг.»,

Федеральной целевой программы «Интеграция» (проект М0226) на географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в период 1997-1999 гг.

Методические разработки использованы в международном российско-китайском проекте по исследованию уезда Сыпин и города Сыпин в Китае, в практических занятиях студентов естественно-географического факультета Бурятского государственного университета.

На защиту выносятся положения:

1. Концептуальные основы взаимосвязанности природных процессов с оценкой, диагностикой и прогнозированием радиоэкологического состояния территорий.

2. Методология моделирования радиоэкологического состояния на основе ГИС технологий с разработкой системы оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории.

3. Методология радиоэкологической стандартизации территории как основа диагностики радиоэкологического состояния и эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и природные системы с разработкой критериев радиоэкологического стандарта территории, технологического регламента, определяющего перечень и последовательность процедур и операций, составляющих технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории.

4. Концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализуемого в виде систем биоиндикации оценки качества среды обитания по состоянию биоты в природных условиях.

Личный вклад автора. Автор разработал и выполнил все этапы работ:

планирование эксперимента, выбор и заложение пробных площадей на основе оптимизационных моделей,

проведение полевых работ (в составе экспедиций Центра эколого-географических разработок ГУП МосНПО «Радон»),

проведение камеральных и лабораторных работ (биометрических, пробоподготовки, гербаризации),

создание базы данных в программной среде СУБД Microsoft Access,

создание оригинальных программных средств,

обработку информации, цифрование карт-основ средствами Arc/Info, MapInfo, генерирование электронных карт и создание электронного атласа в программной среде SPANS GIS, SPANS MAP.

Материалы собраны автором, лично автором проведена обработка информации и впервые созданы ГИС ЕТР, ГИС Подтатранского района Карпатской горной страны, ГИС уезда Сыпин, ГИС города Сыпин, ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной, радиобарьерной структуры территории», ГИС «Радиоэкологический стандарт территории», ГИС прогнозирования радиоэкологического состояния территории.

Апробация работы. Результаты работы доложены на региональных и международных симпозиумах: «Present and Historical Nature-Culture Interactions in Landscapes (Experiences for 3 rd Millenium)» (Прага, 1998), на международном российско-китайском семинаре (Чанчунь, Китай, 1997), в международной российско-китайской экспедиции (уезд и город Сыпин, Китай, 1999), на международном симпозиуме «Ядерные аварии..» (Москва, 2000), международном симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (Екатеринбург, 2000), Международном симпозиуме по биоиндикаторам (Сыктывкар, 2001), на международных симпозиумах «Инженерная экология» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2007), на международном симпозиуме «ПРОБЛЕМЫ ЭКОИНФОРМАТИКИ» (Москва, 2006), на III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), на II Международной конференции «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения» (Курчатов, 2005), на V Международной биогеохимической школе «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2005), на IV международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2006), на Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва, 2006), на XXIII International Cartographic Conference (Moscow, 2007), заседаниях Центра эколого-географических разработок ГУП МосНПО “Радон”.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: монографий - 2, карта - 1, статей в рецензируемых журналах - 4, статей в журналах Перечня ВАК - 8. Результаты работы вошли в 32 отчета по темам НИР ГУП МосНПО «Радон».

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 318 наименований. Объём работы составляет 368 страниц, включая 261 рисунок, 81 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. научные основы концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

В главе приведен литературный обзор состояния проблемы. Проведено обоснование основополагающих положений концепции, таких как радиоэкологическое состояние, радиационный фактор, радиационный фон, устойчивость к воздействию и ее оценка. Радионуклиды присутствуют во всех слоях географической оболочки Земли и вовлекаются в происходящие между ними процессы обмена веществом и энергией. Радионуклиды, независимо от происхождения (естественные или искусственные), включаются в миграционные потоки и в дальнейшем перемещаются в географической оболочке в соответствии с присущими ей закономерностями функционирования (Акименков, 1993). Почвенно-растительный покров является основной средой передвижения радионуклидов (Тюрюканова, 1987)

Технический прогресс постоянно приводит к перераспределению естественных радионуклидов в самой верхней части литосферы - выносу их из глубины на земную поверхность в более высоких концентрациях, чем это свойственно биосфере. Это вызывает локальное повышение радиационного фона и появление техногенных радиоактивных аномалий. Возникающее таким образом техногенное загрязнение окружающей среды влияет на биогеоценозы, а иногда и изменяет их.

Источниками загрязнения среды естественными радионуклидами могут быть самые различные типы производств: атомная и топливно-энергетическая отрасли; горнодобывающая и горноперерабатывающая промышленность; производство и использование стройматериалов; производство и использование фосфатных удобрений; производство, связанное с поступлением рассолов нефтяных и газовых месторождений на земную поверхность; добыча и сжигание твердых горючих ископаемых; и др.

При этом влияние на окружающую среду оказывают не только действующие, но и остатки давно закрытых предприятий, так как аномалии тяжелых естественных радионуклидов практически вечны (Титаева, 2001).

Наиболее важной геохимической проблемой является миграция радионуклидов из мест захоронения отходов. Миграция из хвостохранилищ твердых отходов происходит под воздействием ветра, осадков и растительности.

К ионизирующей радиации относят излучения разных типов. Общим для всех типов этого излучения является их способность при прохождении через вещество в актах дискретной передачи энергии ионизировать и возбуждать атомы и молекулы. Ионизирующие излучения вызывают ряд радиационных эффектов у живых организмов и их сообществ.

В повышенных дозах ионизирующая радиация является чуждым для организма фактором, и нет основания полагать, что по отношению к нему в ходе эволюции могли сформироваться какие-либо специальные приспособительные реакции (Гродзинский, 1989).

Степень радиационного поражения организмов и сообществ зависит от ряда факторов: величины поглощенной дозы, вида излучателя, характера воздействия, видового состава и др. Выявлены четкие зависимости проявления эффектов от дозы радиации и характера условий, сопутствующих облучению. Как правило, при больших дозах ионизирующего облучения наблюдается гибель клеток и организмов. При облучении малыми дозами организм не погибает, что указывает на наличие способности живых клеток избегать отрицательных последствий облучения.

Низкие дозы ионизирующих излучений вызывают у растений: цитогенетические эффекты, снижение и прекращение семенного и вегетативного воспроизводства, угнетение или стимуляцию роста, сдвиг фенофаз во времени, морфологические изменения и др. При высоких дозах происходит гибель организмов.

В сообществах нарушается равновесие, происходит угнетение или гибель радиочувствительных видов и разрастание радиорезистентных (Смирнов, Меланхолин, 1973).

Проблема устойчивости геосистем в ее современном понимании возникла в середине 60-х годов ХХ века и к настоящему времени является одной из наиболее сложных и актуальных проблем теоретической и прикладной географии и геоэкологии.

В природе не может быть «единой» универсальной устойчивости. Под устойчивостью понимается сохранение функционирования системы в неблагоприятных условиях. Специфические механизмы поддержания устойчивости, позволяющие адаптироваться к меняющимся условиям, связаны с внутренними структурными преобразованиями системы. Устойчивость зависит от имеющего комбинаторную природу разнообразия, которое, в свою очередь, определяется количеством сочетаний структурных элементов, которые можно трактовать как состояния системы (Артюхов, 1996).

Устойчивость рассматривается как допустимая, без риска разрушения, мера отклонения заданных свойств системы от нормы, вызванной некоторой мерой возмущающего воздействия. (Федоров, 1974).

Концепция устойчивости экосистем находится только в самом начале своего становления. Инвентаризация подходов и анализ основных положений, дают основание полагать, что под устойчивостью следует понимать способность систем сохранять основные черты пространственно-временной структуры и поддерживать режимы функционирования в пределах одного инварианта при определенных внешних воздействиях. Сохранение устойчивости природных систем означает поддержание параметров и структуры в тех диапазонах, в рамках которых она может считаться одной и той же классификационной единицей.

Количественная характеристика устойчивости лежит в основе методологии прогноза, состояния и динамики сообществ.

Особенности устойчивости природных систем выявляются при изучении динамических состояний и восстановительных этапов, объединяемых в ряды стабилизации. В качестве критерия для определения степени устойчивости предлагается использовать время релаксации, необходимое для возвращения системы в состояние, близкое к исходному. Считается, что именно время является одним из важнейших показателей устойчивости природных систем.

При облучении фитоценозов их ответ обусловливается совокупностью реакций и проявляется явлениями, специфически интегрированными в конечные перестройки фитоценозов: изменениями вертикальной (ярусности) и горизонтальной (парцеллярности) структуры; доминирования, видового разнообразия и состава, присущих только ценотическому уровню биологической организации. Таким образом, изучение структурных преобразований в сообществах является необходимым элементом исследования радиобиологии надорганизменных систем ценотического уровня, или радиоэкологии.

В результате воздействия аварийных выбросов Чернобыльской АЭС на структуру лесных фитоценозов полное или частичное выпадение древесного яруса - наиболее заметное воздействие загрязнения на лес - привело к увеличению значимости нижних ярусов, росту составляющих видов, увеличения густоты и проективного покрытия. Уже через 3-5 лет после аварии в пораженных лесах сформировался выраженный ярус лиственного подроста. Показано (Меланхолин, 1997), что смена доминантов всех ярусов леса усилилась после аварии, особенно в сильно поврежденных лесах. В дальнейшем динамика доминирования постепенно снизилась.

Механизм и причины устойчивости биосферы в целом определяются взаимодействием биологических объектов, объединенных в единой иерархии уровней организации: «низшим» из них является организменный уровень, затем следуют популяционно-видовой и ценотический уровни, высшему уровню отвечают топологические системы. В соответствии с этой иерархией отмечается и соответствующий последовательный рост степени устойчивости: наиболее устойчивым (наименее радиочувствительным) является уровень топологических систем, наименее устойчивыми (и наиболее радиочувствительными) являются «элементарные» системы организменного уровня (Поликарпов, 1997).

Обзор современных публикаций (Алексеев, 1983, Бейм и др., 1988, Кожова, Павлов, 1988, Красовский, 1973, Красовский и др.. 1982, Приемы прогнозирования…,1985, Строганов, 1982, Строганов, 1976, Уждавин, 1980, Шварц, 1980, Экологическое прогнозирование, 1986) показал, что проблема оценки устойчивости живых организмов к воздействию, одинакова при изучении всех организмов, независимо от среды их обитания, водной или наземной, и ступени эволюционного развития и характера воздействия. Устойчивость к токсикантам не зависит от систематического положения вида. Очень сложно установить пороговую концентрацию токсиканта, не вызывающих необратимых изменений в природных экосистемах.

Методы определения отклика биоты на воздействия, предусматривающие постановку экспериментов в лаборатории на особях тестовых видов, не могут решить такую задачу по следующим причинам: 1) в природе особи всех видов существуют в виде популяций, 2) реакции популяций на действие любых факторов не специфичны, 3) жизнь каждой популяции характеризует изменчивость, определяемая поло-возрастной структурой, функциональными связями между особями, генетической структурой.

Экстраполяция результатов лабораторных опытов на сообщества и экосистемы затруднена тем, что реакции популяций на действие любых факторов среды не специфичны, на действие различных факторов популяция отвечает «одним и тем же комплектом реакций - общим адаптационным синдромом» (Кожова, Павлов, 1988). При воздействии стресса, климатических факторов, радиации, химических токсикантов и других общий адаптационный синдром проявляется в изменении направленности белкового обмена, окислительно-восстановительных реакций, содержания РНК и липидов в цитоплазме клеток надпочечников.

В природных условиях практически очень трудно отличить проявление общего адаптационного синдрома, вызванного воздействием токсикантов, от признаков общего адаптационного синдрома, вызванного естественными причинами (повышение плотности населения, изменение численности, сезонная перестройка физиологических функций, изменение поведения и т.д.).

В природных условиях существует комплекс воздействий, так называемое явление синергизма, то есть взаимное усиление воздействий от сочетаний факторов, что практически не достижимо в экспериментах.

Другой широко используемый путь оценки реакции популяции на воздействие - изучение численности, структуры и ее динамики в природной среде, не дает пока однозначных результатов по вычленению и идентификации конкретного воздействия.

Как указывают специалисты (Кожова, Павлов, 1988), выход из сложившейся ситуации состоит в разработке теории общей устойчивости популяций.

Для расчета устойчивости предложено измерять (рассчитывать) следующие параметры: интенсивность размножения, амплитуду колебания численности, многолетнюю динамику, эффективную репродуктивную величину популяции, особенности пространственной структуры, внутрипопуляционные связи.

Зависимость устойчивости популяций от интенсивности размножения проявляется в связи с жизненными стратегиями особей. Виды с r-отбором (быстро размножающиеся с резкими колебаниями численности и высокой смертностью) более устойчивы, чем виды с k-отбором (менее плодовитые с низкой смертностью и высокой продолжительностью жизни).

Измерение (расчет) всех популяционных характеристик с сопряженным учетом всех факторов среды, в том числе и техногенных, и построение сопряженных кривых в системе координат «доза-эффект», то есть создание моделей является оптимальным методом оценки устойчивости на современном этапе развития и состояния проблемы.

Основные фоновые биомы развиваются в определенном диапазоне доз внешнегодового облучения. В результате сочетания природных и антропогенных составляющих глобальные радиоактивные выпадения, инжектированные в стратосферу и накопленные к настоящему времени в биосфере, распределились таким образом, что максимум их аккумуляции приурочен к 200-600 с.ш. Во всех существующих сегодня сценариях радиоактивного заражения вследствие ядерной войны именно эта полоса Северного полушария называется наиболее уязвимой по возможной прогнозируемой нагрузке.

Таким образом, проведенный обзор состояния проблемы позволил сформулировать основные положения предлагаемой концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий.

Радиоэкологическое состояние это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и ее отдельные компоненты.

Радиационный фактор это радиационный фон на территории, в пределах которой существует и развивается природная или геотехническая система.

Радиационный фон территории складывается из природного радиационного фона и радиоактивного загрязнения, обусловленного антропогенным фактором.

Радиоустойчивость биогеоценозов (экосистем) определяется нами как способность систем выдерживать радиационные нагрузки без нарушения типичной структуры и типичного функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями; задаваемыми регламентом критериев, таких как:

а) адресные показатели (координаты; названия региона, зоны, провинции, местности и т.д.);

б) показатели ландшафтно-зональных условий (типы климата, водной миграции, почвы, растительности и др.);

в) показатели радиоактивного загрязнения (активность, доза);

г) показатели внутренней и пространственной структуры биогеоценозов (биоразнообразие, ярусность, мозаичность, экогенетические ряды и др.);

д) показатели функционирования биогеоценозов (продукция, биомасса, репродуктивные характеристики, жизненность, организационные критерии и др.);

е) показатели радиобарьерной функции биогеоценозов (содержание и запас радионуклидов в биогеогоризонтах).

Типичное ландшафтно-зональное состояние территории и слагающих ее природных и геотехнических систем составляет биосферный потенциал территории и определяет эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу в целом, и природные системы, в частности.

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Экспериментальные исследования на загрязненных территориях показали, что радионуклиды разного происхождения, выброшенные в результате разных инцидентов: техногенных аварий, специальных экспериментов и др., и поступившие в наземные экосистемы, становятся частью биосферы, вовлекаются в биосферные процессы и подчиняются законам экологии. Поэтому методология оценки радиоэкологического состояния территории и слагающих ее природных и геотехнических систем определяется совокупностью методов, развиваемых в геоэкологии, географии, биогеоценологии.

Для оценки нагрузок на сообщества применяют различные методы, как прямые, например, измерение мощности экспозиционной дозы переносным радиометром, или измерение поглощенных доз на местности термолюминесцентными дозиметрами, так и косвенные, например, выявление поступления и содержания радионуклидов и других загрязнителей в компоненты экосистем, или построение ореолов распределения загрязнителей по территории. Наиболее информативными являются картографические методы, позволяющие наложить на одну и ту же территорию распределения различных показателей и определить распределение суммарной нагрузки.

Оценка экологического состояния осуществляется путем прямых измерений или качественных описаний объекта в полевых условиях в режиме реального времени, путем постановки экспериментов в заданных условиях и путем обработки полученных результатов и собранной информации.

В настоящих исследованиях основным методическим принципом является сочетание всех названных приемов и их интеграция в единой геоинформационной системе.

Методы представляют собой совокупность алгоритмов, позволяющих проводить автоматизированную обработку информации: сортировку данных и упаковку их в памяти ЭВМ, разработку оптимизационных моделей для решения географических и экологических задач, поиск и создание имитационных моделей.

Методы составляют основу создания автоматизированных информационных поисковых систем, одной из разновидностей которых являются ГИС. ГИС содержат блоки накопленной фундаментальной географической информации, и названными методами, укомплектованными в СУБД (системы управления Базой данных), способствуют разработке стратегии и тактики исследований, определению недостающих звеньев в информационных системах, выбору оптимальных путей поиска этих звеньев путем планирования исследований, сбора информации и обновления Банка данных.

На основе ГИС осуществляются постановка и проведение полевых работ, лабораторных и натурных экспериментов, поиск и выбор оптимальных вариантов, имитационное моделирование, создание новых ГИС.

Проведение полевых, экспериментальных наблюдений в натурных и лабораторных условиях осуществляется биогеографическими, биогеоценологическими, геофизическими методами, а также методами биоиндикации, экотоксикологии и биотестирования .(Алехин, 1938, Воронов, 1973, Полевая геоботаника, 1972, Программа и методика…, 1974, Андерсон, 1985, Мэгарран, 1992, Раменский, 1929, 1938, Таскаева, Егорова, Вышивкин, 1981, Прилуцкий, Семяшкина, 1983, Соколов, Криволуцкий, Усачев, 1989, Криволуцкий, 1983).

Выбор, модификация и разработка методов полевых и экспериментальных работ осуществляются на стадии планирования эксперимента на основе ГИС.

Соблюдение основных принципов обеспечено следующими методическими приёмами. Репрезентативность в пространстве: обеспечивается сочетанием методов ядер типичности с регулярной сеткой; оптимальным размером пробной площади, определяющей область выявления фитоценоза (для лесов 20Ч20 м, для степей, лугов, полупустынь 10Ч10 м). Репрезентативность во времени: достигается либо одновременными наблюдениями, либо «моментальным срезом», то есть проведением исследований в короткий промежуток времени, либо сезонными или одноразовыми наблюдениями.

Достоверность: достигается статистически достоверными повторностями наблюдений, созданием унифицированной системы ввода информации, созданием типовых бланков описаний со стандартными шкалами.

Возможность экстраполяции: обеспечивается ландшафтно-зональной привязкой к конкретному контуру карты с помощью GPS (Global Positioning System) методики, а также соблюдением трёх предыдущих принципов.

Возможность повторения: обеспечивается созданием ГИС и заложением пробных площадей в системе истинных географических координат с помощью GPS-системы.

Для сбора информации нами разработан модуль ГИС - система ввода, хранения и обработки информации «Геобот»., который содержит видеоэкранные формы, системы справочников, систему ввода и актуализации информации по геоботаническим описаниям, программное обеспечение обработки, систему представления и формирования выходной продукции и отчетных форм, руководство пользователя; предназначен для ввода, хранения и обработки информации.

Оценка экологического состояния методом биоиндикации типов режимов факторов основана на определении экологических ареалов, экологических свит и представляет механизм фитоиндикации режимов прямодействующих факторов, оценку комфортности экотопов и удовлетворительности условий среды для каждого вида высших растений на основе вычисления коэффициентов (Цыганов, 1974, 1976,1983, Маркелов А.В., 1988, 2000. Маркелов Д.А., 1999). Методика реализована в аппаратно-программном модуле базы данных «Радиоэкологическая безопасность» в среде Microsoft Access 97.

Вычисления проводятся на основании базы данных толерантности видов к 10 прямодействующим факторам. База данных содержит информацию для 2000 видов высших растений по амплитудам толерантности видов к прямодействующим режимам факторов. Методика предоставляет возможность вычисления режимов факторов и соответствующих коэффициентов для экотопов по растительности в целом и по разным ярусам ценоза. Информация по растительности для экотопов хранится в базах данных.

Модели распределения радионуклидов по структурным компонентам фитоценозов - это основной метод оценки вовлечения радионуклидов в фитоценозы. Модели представляют собой блок-схемы компонентов с указанием путей миграции и количества депонированных радионуклидов.

Таким образом, методы моделирования радиоэкологического состояния представляют систему алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме.

1.Оценка радиационной нагрузки на экосистемы определяется как прямыми (инструментальными) так и косвенными методами (например, выявление поступления и содержания радионуклидов и других загрязнителей в компоненты экосистем, или построение ореолов распределения загрязнителей по территории).

2. Оценка экологического состояния осуществляется прямыми измерениями и описаниями объекта в полевых условиях в режиме реального времени, постановкой экспериментов в заданных условиях и обработкой полученных результатов и собранной информации. Основным методическим принципом является сочетание всех названных приемов и их интеграция в единой геоинформационной системе.

3. Оценка техногенных выбросов и сбросов осуществляется методами сравнения распределения радионуклидов в эталонных объектах природной среды с распределением в зонах расположения и влияния геотехнических систем - пунктов захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО).

4. Оценка распределения, миграции и круговорота радионуклидов в природных средах осуществляется методами натурного и имитационного моделирования. Модели распределения радионуклидов по структурным компонентам фитоценозов - это основной метод оценки вовлечения радионуклидов в фитоценозы.

5. Оценка реакции биоты на ионизирующие излучения включает следующие основные направления: оценку состояния фотосинтезирующих организмов; оценку биоразнообразия как генетического фонда планеты; оценку состояния сельскохозяйственных растений, животных и птиц, как источника питания человека. Для оценки воздействия ионизирующих излучений на фитокомпонент экосистем и ответных реакций растений и их сообществ используются следующие методы: радиометрические и радиохимические - для определения содержания радионуклидов в органах и тканях растений, в почве, воде, воздухе; морфометрические - для выявления отклонения ростовых процессов от нормы и наличия терат; популяционного анализа -для выявления наличия и направленности изменений в структуре популяций растений; ценотического анализа - для выявления изменений в видовой и пространственной структуре фитоценозов; сукцессионных исследований - для выявления пространственной структуры и динамики флороценотических комплексов.

6. Установление «нормы реакции» в системе «радиационное воздействие - экологическое состояние - физикогеографические факторы» осуществляется методами, объединяемыми в следующие группы: 1) полевые экспериментальные методы (геоботанические, биогеоценотические, биометрические и др.) для определения параметров (структурно-функциональных особенностей) объекта исследований на контрольных и опытных участках; 2) методы ГИС-технологий, включающие создание блоков информации, характеризующих объекты и их состояние; 3) методы лабораторных экспериментальных исследований, направленные на определение качественных и количественных характеристик фитокомпонента в условиях радиационного воздействия (фитометрические, морфометрические, радиохимические и др.), анализ и интерпретацию полученных данных (статистические, информационные и т.д.).

Разработана система оценки геоэкологической структуры территории на основе сукцессий в виде автономных модулей ГИС. Система оценки геоэкологической структуры территории представляет собой технологию, содержащую совокупность аппаратно-программных средств, методов и информации, организованных в строго определенной последовательности процедур и этапов, таких как:

- создание пространственного «портрета» территории на основе сопряженности материалов дистанционных съемок, картографической информации, натурного обследования территории;

- выявление основных показателей структурно-функциональной организации территории с использованием параметров ТРФ, топологической структуры региональной сукцессионной системы, биоразнообразия, эколого-ценотических комплексов видов;

- оценка биологического потенциала территории на основе бинарной биоиндикации процессов и явлений, расчетов экологической емкости, кислородопроизводительности и др.

Геоэкологическая структура территории может быть представлена любой классификацией существующих выделов на территории, адекватно представляющей и отражающей ее пространственный портрет или геотопологию.

В соответствии с геотопологической концепцией (Разумовский, 1981), размерность реального пространства, присущего топогеосистеме, определяется действующими физико-географическими закономерностями. Геотопология решает задачи разработки классификаций геосистем, изучения принципов интеграции элементарных однородных структур в структурно более сложные единицы, установления рубежей между граничащими друг с другом топогеосистемами. Характерной является и территориальная «ограниченность» природных систем, конечный размер занимаемого ими пространства: с наибольшей эффективностью любая система функционирует в характерных для пространственно-временных пределах; характерный размер системы соответствует выполняемым ею функциям.

Главным объектом являются региональные топологические системы, физиономичным индикатором которых выступают растительные сообщества - фитоценозы, позволяющие характеризовать местообитание и гетеротрофные компоненты биоты, которые теснее всего связаны именно с местообитаниями. Фитоценоз как энергетический блок экосистемы является надежным индикатором исходного абиотического комплекса условий среды.

Наиболее разработанной и репрезентативной геотопологической классификацией является классификация сукцессионных систем (Разумовский, 1981, 1999)

Сукцессионная система - детерминированная гомеостатическая саморегулирующаяся система, способная восстанавливаться после любых нарушений в пределах всего своего ареала .

Сукцессионная система (СС), трактуется как многомерное векторизованное экологическое пространство и относится к топологическому уровню организации биологических систем, отражающего, в частности, переменные (динамические) состояния биоты в ее единстве. Ареал конкретной СС ограничивают естественно-исторические границы биоты. Динамически взаимосвязанные компоненты СС строго локализованы в пространстве и времени, что определяет их высокие индикационными свойствами.

Система предназначена для идентификации, диагностики, распознавания геоэкологической структуры территории по массивам стандартизованных радиоэкологических (геоботанических, лесотипологических и лесотаксационных) описаний.

Диагностика сукцессионных как переменных состояний экосистем основана на использовании критерия наличия или отсутствия видов-индикаторов - руководящих видов; диагностика парцелл -«ассоциаций» осуществляется по критерию господства видов травянистых растений.

Разработанный нами определитель впервые содержит количественные характеристики видов индикаторов и их соотношение. Первый этап включает пошаговую диагностику экогенетических комплексов (ЭК). Второй этап включает пошаговую диагностику демутационных комплексов (ДК). Третий этап включает пошаговую диагностику парцелл. Блок-схема показана на рисунке 1.

Разработаны базы данных для оценки геодинамической и функциональной структуры территории (ГД и ФС) , представленной выделами сукцессионной системы как региональной геотопологической системы.

Геодинамическая структура территории (реальной экосистемы) отражает соотношение парцелл, ДК и ЭК (как элементов структуры) региональной сукцессионной системы (ботанико-географического района БГР.

Выделение парцелл, ДК и ЭК производится по методу руководящих видов конкретного БГР.

Каждый элемент геодинамической структуры характеризуется константными показателями характерного времени и возраста древостоя (в случае его наличия).

Запас фитомассы рассматривается как показатель функциональной структуры территории.

Запас фитомассы определяется раздельно для травяного яруса парцелл и древостоя. Для травяного яруса база данных по запасу фитомассы создана на основе эмпирических и опубликованных данных. Для древостоя база данных по запасу стволовой древесины создана по расчетным данным региональных таблиц хода роста, перерасчет из кубических метров в весовые единицы осуществляется с учетом плотности древесины каждой породы.

Система оценки ГД и ФС включает в себя следующие блоки.

БД-1 «Геодинамическая структура» содержит перечень ботанико-географических районов, парцелл, демутационных комплексов ДК, экогенетических комплексов ЭК, диагностические признаки в виде руководящих видов. БД включает характеристики каждого элемента ГД, последовательность, длительность, характерное время развития, возраст древостоя;

БД-2 «Функциональная структура экосистем» содержит перечень элементов геодинамической структуры, для каждого из которых рассчитаны показатели реального и максимального запаса фитомассы. Для Московского ботанико-географического района разработаны сопряженные БД, включающие элементы геодинамической (последовательные стадии, возраст) и функциональной структуры (фитомасса).

БД-3 «Таблицы хода роста древесных пород» содержит следующие параметры древостоев: порода (вид), возраст, диаметр, высота, запас стволовой древесины.

Распознавание топологической структуры территории с использованием системы осуществляется путем последовательного выбора конкретного ботанико-географического района (БГР) и руководящих видов.

По БД-1 осуществляется распознавание парцелл с установлением характерного времени парцелл травостоя - как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы.

По БД-2 определяется запас фитомассы парцелл травостоя - как элементов функциональной структуры.

По БД-1 осуществляется распознавание ЭК с определением характерного времени и возраста древостоя (при его наличии) - как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы.

По БД-2 осуществляется определение максимального запаса фитомассы ЭК - как элементов функциональной структуры.

По БД-3 (при наличии в описании древостоя) для каждой из древесных пород по видовой принадлежности древесной породы, диаметру и высоте осуществляется определение возраста древостоя - как элемента геодинамической структуры.

По БД-3 с учетом возраста древостоев осуществляется расчет реального запаса стволовой древесины реальной экосистемы - как элемента функциональной структуры.

Система оценки ГД и ФС стала базисом для разработки система оценки радиобарьерной функции территории.Теоретическим и практическим обоснованием формирования концепции биобарьерной функции биогеоценозов являются следующие положения.

Геотехнические системы как совокупность полигонов с радиоактивными отходами, химических и нефтехимических предприятий, газовых хранилищ с окружающими экосистемами в процессе своей работы формируют техногенные геохимические аномалии, рост и развитие которых происходит на фоне природных процессов и явлений, и представляют собой биогеоценотический барьер, где термин биогеоценотический отражает функционирование или метаболизм (круговорот веществ) системы, включающий биогеохимическую миграцию веществ, вовлечение их в трофические цепи, трансформацию и накопление.

Рисунок 1 - Блок-схема

Обзор современных публикаций и анализ состояния проблемы позволил сформулировать концепцию биобарьерной способности биогеоценозов как биосферной функции экосистем по удержанию, накоплению, перемещению радионуклидов и других веществ по их компонентам (биогеогоризонтам). Поэтому разработка моделей по оценке содержания и запаса радионуклидов в структурных частях сообщества является приоритетной задачей управления природопользования.

Построение моделей целесообразно на основе структурной дифференциации территории по пространственной мозаике составляющих ее физиономичных выделов. Нами построена модель оценки биобарьерной функции на основе геоэкологической, геотопологической, геодинамической и функциональной структуры территории.

Система содержит БД параметров биобарьеров на основе характеристик геодинамической и функциональной структуры территории с учетом барьерной функции. БД содержит 4 крупных блока, включающие их характеристики и параметры:

- структура сукцессионной системы (ботанико-географический район; руководящие виды; парцеллы; демутационные комплексы (ДК); экогенетические комплексы (ЭК); породный состав древостоя; формула древостоя;

- геодинамическая структура территории (соотношение ЭК; характерное время парцелл; характерное время ЭК; возраст древостоя; характерное время древостоя);

- функциональная структура (запас фитомассы травостоя; максимальный запас фитомассы ЭК; диаметр древостоя; высота древостоя; возраст древостоя; запас фитомассы древостоя);

- биобарьеры: 1) перечень (почва, подстилка, грибы, мохово-лишайниковый ярус, травяно-кустарничковый ярус, древостой, биота (в целом), экосистема (в целом); 2) типовая структура распределения радионуклидов по биобарьерам в С-экосистеме - хвойно-широколиственном лесу климакса (С); 3) типовая структура распределения радионуклидов по биобарьерам в Не -экосистеме - ольшанике евтрофной гидросерии (Не).

Система моделирования биобарьеров на основе геодинамической и функциональной структуры территории включает регламент критериев характеристик геодинамической и функциональной структуры территории с учетом барьерной функции, БД параметров биобарьеров, БД моделей биобарьеров. Блок-схема системы представлена на рисунке 2.

Проведена апробация и верификация системы оценки ГД и ФС территории тестовых полигонов, относящихся к 5-м основным ботанико-географическим районам:

- Московскому (промплощадка, ручей, СЗЗ (контуры), СЗЗ (точки) НПК (Московская область, ГУП МосНПО «Радон» Сергиево-Посадский ПЗРО); Заказник «Копнинский лес» (Московская область), природный комплекс г. Москвы (г. Москва); национальный парк «Лосиный Остров» (г. Москва); ЛОД МСХА (г. Москва) Нижегородская область, КЗ, СЗЗ, ЗН (Нижегородская область, ФГУП Нижегородский СК «Радон»);

- Ветлужскому (Нижегородская область, КЗ, СЗЗ, ЗН (Нижегородская область, ФГУП Нижегородский СК «Радон»);

- Тульскому (госзаповедник «Белогорье»,Волгоградская область);

- Волгоградскому (Волгоградская область КЗ, СЗЗ, ЗН (Волгоградская область, ФГУП Волгоградский СК «Радон»);

- Лапландскому (Мурманская область КЗ, СЗЗ, ЗН (Мурманская область, ФГУП Мурманский СК «Радон»).

Созданы новые проекты геоэкологической, геотопологической, геодинамической, функциональной и радибиобарьерной структуры 18 тестовых полигонов, содержащие следующие параметрические характеристики: 1) геоэкологическая и геотопологическая структура: ботанико-географические районы; экогенетические комплексы (ЭК), демутационные комплексы (ДК), парцеллы; количественные критерии выделения (шкалы, обилие, руководящие виды); процентное соотношение ЭК; численное соотношение ЭК; радиометрия; 2) геодинамическая структура: ботанико-географические районы; ЭК, ДК, парцеллы; характерное время ЭК, характерное время ДК; характерное время парцеллы; возраст (древостоя); 3) функциональная структура: запас фитомассы, максимальный запас фитомассы, возраст древостоя, запас фитомассы древостоя, 4) радиобиобарьерная структура: содержание и запас радионуклидов в почве, подстилке, траве, древосте, биоте, экосистеме в целом. Видеоэкранные формы результирующей информации показаны на рисунках 3-5.

...