Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

Апробация и верификация системы на тестовых полигонах подтвердили достоверность вложенной информации и надежность разработанных алгоритмов биоиндикации и биомониторинга текущего состояния территории со всеми слагающими ее экосистемами.

Система впервые позволила установить тип метаболизма каждой экосистемы с количественными данными каждой параметрической характеристики, что является основой для рационального природопользования и обеспечения радиоэкологической безопасности окружающей среды и населения.

Система позволяет определять все параметрические характеристики геоэкологической, геотопологической, геодинамической, функциональной и радиоэкологической структуры любой наземной территории со слагающими ее экосистемами без выполнения специальных измерений, а только на основе визуального комплексного геоэкологического (геоботанического) описания пробной площади.

Биобарьеры с накопленными радионуклидами, смоделированные на основе геодинамической и функциональной структуры территории в сфере воздействия ПЗРО, представляют эксплуатационный ресурс территории, от надежности функционирования которого зависит длительность безопасной работы предприятий по обращению с РАО.

Биобарьеры с накопленными радионуклидами, смоделированные на основе геодинамической и функциональной структуры территории города или природного ландшафта, представляют потенциал или ресурс территории, от надежности функционирования которого зависит безопасность окружающей среды и населения.

Разработаны модули ГИС технологии для оценки радиоэкологического состояния территории: геоэкологической, геодинамической, функциональной, радиобиобарьерной структуры территории.

Реализована интеграция системы в единую ГИС по принципу модульности и автономности. Принципы совместимости включают следующие позиции: 1) формирование модулей на единой (совместимой) аппаратно-программной основе, 2) сбор, ввод, хранение и обработка информации по формализованным и унифицированным регламентам критериев. Каждый модуль содержит проекты базы данных, системы запросов, сопряжен с системой ввода, хранения и обработки информации.

Система создана впервые и не имеет аналогов в мире.

Рисунок 2 - Блок-схема системы оценки геодинамической, функциональной, радиобарьерной структуры территории

Рисунок 3 - Видеоэкранная форма геоэкологической структуры территории



Рисунок 4 - Видеоэкранная форма геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории

Рисунок 5 - Видеоэкранная форма параметров биобарьеров

Глава 3. МЕТОДОЛОГИЯ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНДАРТИЗАЦИИ ТЕРРИТОРИИ КАК ОСНОВА ДИАГНОСТИКИ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Определения

Диагностика экологического состояния объекта или территории направлена на установление отклонения от «нормы». Под «нормой» понимается типичное состояние, характеризующее структуру, организацию и функционирование экосистем. Поэтому основой любой диагностики является наличие базы данных эталонов, норм или стандартов.

Стандарт экологический рамочный - диапазон значений переменных (параметров), соответствующий представлению о критических состояниях рассматриваемого явления (компонента окружающей среды) в целом для всей области его существования (Бударков, Зенкин, Киршин, 1998, с. 207).

Стандарт экологический региональный - (лат. regio- область) - диапазон допустимых состояний природной среды, учитывающий конкретные условия региона (там же).

Стандартизация - обоснование интервала допустимых значений конкретных переменных и эталонов (там же).

Радиоэкологический стандарт- типовое радиоэкологическое состояние и типовые уровни радиационных параметров на пробных площадях в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями. Основу моделирования составляют концепции и модели, разработанные в ЦЭГР при участии автора (Маркелов, Минеева, Крючкова и др. 1998, Маркелов, Минеева, Петров и др.. 1998, Маркелов и др., 1999, Соболев, Маркелов и др., 2000, Соболев, Маркелов, Минеева и др., 1999, Соболев, Минеева, Маркелов и др., 2001, Соболев, Минеева, Маркелов и др., 1999).

Технологический регламент

Технологический регламент как элемент технологии определяет набор и последовательность процедур и операций, необходимых для создания выходной продукции. Нами разработан регламент критериев радиоэкологического стандарта территории, который в общем виде определяет набор параметров, характеризующих местоположение, состав, строение и функционирование территории как совокупности экосистем.

Регламент критериев, характеризующих радиоэкологический стандарт территории, определяет перечень и последовательность процедур и операций, составляющих технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории, то есть технологический регламент.

Модули ГИС

Алгоритмы, модели, модули включены в программное обеспечение автоматизированных рабочих мест (АРМ) из аппаратно-программных комплексов.

Комплекс содержит следующие составные части: 1) территориальный объект - геотехнический (предприятие с зонами отчуждения), природно-территориальный (ландшафт) или урбанизированный (город) комплекс, 2) ГИС: аппаратные средства, программное обеспечение, базы данных (графические и атрибутивные), сценарии принятия решений. Аппаратные средства представляют собой серверы, рабочие станции, GPS-приемники, периферийные устройства (сканеры, плоттеры, дигитайзеры, принтеры и др.), объединенные для ввода, сбора, хранения, обработки, вывода информации.

Программное обеспечение представляет собой совокупность различных штатных и оригинальных программ и модулей, направленных на решение конкретных задач: поддержку и ведение ГИС. Базы данных включают различные блоки информации, представленные в графическом и атрибутивном вариантах Исследования для создания базы данных включают следующие основные направления: а) наземные полевые съемки (геоботаническую индикационную; комплексную ландшафтную; зоогеографическую индикационную; почвенно-географическую индикационную; геохимическую; радиоэкологическую индикационную; автогамма-съемку; пешеходную гамма-съемку, б) дистанционные работы (аэрогаммасъемку; спектрозональную съемку; тепловую съемку и др.), в) лабораторные исследования и выполнение анализов (химических; радиохимических; радиометрических; гамма-спектрометрических и других). Системы позволяют создавать следующую научно-техническую продукцию: базу данных для: природопользования, мониторинга, нормирования воздействия и стандартизации качества природной среды; карты классификаций экосистем и их компонентов, включая гидросферу, атмосферу, литосферу, растительность и животный мир; карты состояния экосистем и их вышеназванных компонентов в определенный период времени; карты классификаций антропогенных и техногенных воздействий на экосистемы; карты классификаций откликов экосистем и их компонентов на различное воздействие; карты эталонов содержания макро- и микроэлементов, радионуклидов и тяжелых металлов в экосистемах и их компонентах; карты радиационных, техногенных и других аномалий различного генезиса; нормативы содержания макро- и микроэлементов, радионуклидов и тяжелых металлов в экосистемах и их компонентах; карты глобальных и локальных поступлений радионуклидов и их неизотопных носителей в водные и наземные экосистемы аэральным и водным путем; карты полей миграции радионуклидов и их неизотопных носителей в наземных и водных экосистемах; системы прогнозирования поведения радионуклидов и их неизотопных носителей в экосистема; системы определения радиационной нагрузки на население и различные критические группы по профессиональным, социальным, этническим и другим показателям; системы оптимизации сети мониторинга и контроля окружающей среды; системы выделения тестовых участков территории для организации крупномасштабного мониторинга; карты оптимальной сети поисково-разведочных маршрутов наземных и дистанционных исследований; базы данных для создания управленческих моделей.

АРМ предназначены для внедрения в систему природопользования с целью обеспечения экологической безопасности населения и хозяйственных объектов. Разработанные технологии и базы данных могут использоваться для решения задач охраны окружающей среды и обеспечения радиоэкологической безопасности в населенных пунктах, на территориях разного ранга, на радиационно опасных объектах, обеспечивая мониторинг, радиационный контроль, эколого-географическое регулирование природопользования, в том числе оздоровление среды, локализацию загрязнений и реабилитацию загрязненных территорий.

В ЦЭГР ГУП МосНПО «Радон» при участии автора разработаны следующие специализированные АРМ:

- «ГеоБот»: 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 ;

- «ОптиМон»: содержит экранные формы ввода и обработки информации, алгоритмы анализа информационных связей и выбора ограничений, руководство пользователя; предназначен для решения задач оптимизации исследований в пространстве и времени;

- «ОРЗ»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, диалоговых интерфейсов, форм выходной отчетности, руководство пользователя; предназначен для оценки опасности радиационного и радиоактивного загрязнения окружающей среды с использованием нормативно-руководящих документов, необходимых для решения задач анализа, мониторинга, принятия решений и прогноза;

- «ИнфАн»: содержит набор видеоэкранных форм, алгоритмы расчетов, системы диалоговых интерфейсов, форм выходной отчетности, руководство пользователя; позволяет выявить статистические взаимозависимости геоботанических явлений в терминах теории вероятностей и теории информации на базе материалов, собранных в ходе полевой съемки и представленных в виде таблиц данных и наборов справочников;

- «Типы режимов факторов ТРФ»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, форм выходной отчетности, руководство пользователя; позволяет по числу и обилию видов растений установить типы режимов 10 прямодействующих факторов, таких как терморежим климата, влажность климата, морозность климата, континентальность климата, солевой режим почвы, увлажненность почвы, богатство почвы азотом, кислотность почвы, переменность увлажнения почвы, режим освещенности затенения, осуществлять расчет экологических свит, коэффициентов комфортности - определять качество среды по 96 параметрам; осуществлять расчет коэффициентов удовлетворительности условий среды для каждого из 2300 видов растений и определять потенциальную флору, которую можно использовать для формирования биофильтров и биобарьеров;

- «Прогноз содержания радионуклидов почве и растениях по числу и обилию видов растений»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, руководство пользователя; система функционирует в режиме реального времени, позволяет выбирать для контролируемой территории ландшафтно-зональный эталон по геоэкологическим и радиоэкологическим параметрам, позволяет прогнозировать геоэкологическое и радиоэкологическое состояние тестовой территории; построена на основе биоиндикация радиоэкологического состояния на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов;

- «Натурное моделирование сорбционно-миграционной способности территории с использованием искусственных трассеров»: содержит алгоритмы оптимизации сети контроля, расчетов волны добегания, создания баз данных и генерирования электронных карт потоков и полей массопереноса; позволяет установить сорбционно-миграционную способность территории, скорость и ореолы массопереноса поверхностным стоком; скорость и ореолы массопереноса подземным стоком; создавать электронные карты и атласы характеристик сорбционно-миграционной способности территории;

- «Распознавание геоэкологической структуры территории по состояниям сукцессионной системы Success»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, руководство пользователя; позволяет выявить геоэкологическую структуру территории по определительным признакам стадий сукцессий растительного покрова, установить геотопологическую структуру с оценкой сорбционно-миграционной способности территории;

- Новая мобильная ГИС технология МТ1-НБ на базе аппаратно-программных комплексов «ноутбук - GPS приемник - специализированное программное обеспечение»: содержит специализированные цифровые карты основы и БД для обследованных территорий в виде автономных модулей; технология позволяет осуществлять оперативное картографирование для цели радиоэкологической безопасности с использованием транспортных средств на больших территориях, вдоль автомагистралей и других транспортных сетей;

- Новая мобильная ГИС технология МТ2-КПК на базе аппаратно-программных комплексов «карманный персональный компьютер (КПК) со встроенным GPS-приемником - операционная система Win_Mobile_2003 - специализированное программное обеспечение ArcPad»: содержит специализированные цифровые карты основы и БД для обследованных территорий в виде автономных модулей; технология позволяет выполнять работы в труднодоступных местах при пешеходных радиоэкологических съемках;

- «Радиационный контроль окружающей среды НПК: система ввода, хранения и обработки информации»: содержит набор видеоэкранных форм, системы справочников объектов, параметров контроля, карты и космоснимки, базы данных установок и настроек модуля; предназначен для ввода, хранения и обработки специализированной информации по радиационному контролю окружающей среды;

- «Модели расчета запаса 137Cs в биобарьерах»»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, руководство пользователя; позволяет по реально измеренному содержанию радионуклида в почве рассчитать содержание и запас в веществе компонентов экосистем как фитофильтрах и биобарьерах с учетом биомассы, геотопологии;

- «Модели расчета доз на биоту»: содержит набор видеоэкранных форм, базы данных, алгоритмы расчетов, системы справочников, руководство пользователя; разработаны сценарии наиболее консервативной (опасной) модели; позволяет рассчитать реальные радиационные параметры дозовых нагрузок на биотические компоненты по реально измеренному содержанию радионуклидов в почве, содержит максимально допустимые значения, рассчитанные, исходя из норматива на население 1 мЗв/год.

Разработанные и созданные модули, организованные в виде АРМ, позволили разработать и создать новые системы «ГИС Радиоэкологический стандарт территории»:

- «ГИС Радиоэкологический стандарт территории Москвы»: содержит цифровые карты основы ЦКО; атрибутивную информацию, позиционированную в географических координатах, по экогенетическим фазам растительного покрова, геоэкологическим описаниям природных систем, в том числе типам режимов факторов, содержанию радионуклидов в объектах окружающей среды, по поглощенным дозам в воздухе от ЕРН в почве природных систем, сорбционно-миграционной способности природных систем, о полях миграции 137Cs, электронный атлас природных и радиационных параметров, характеризующих современное состояние природного комплекса Москвы; модуль предназначен в качестве эталона в системе радиоэкологического мониторинга;

- «ГИС Радиоэкологический стандарт территории Нижегородской области»: содержит цифровые карты основы; атрибутивную информацию, позиционированную в географических координатах, по экогенетическим фазам растительного покрова, геоэкологическим описаниям природных систем, в том числе типам режимов факторов, по реальному и предельно допустимому содержанию радионуклидов в объектах окружающей среды, по поглощенным дозам в воздухе от ЕРН в почве, по реальным и предельно допустимым дозам на биоту, по запасу 137Cs в биобарьерах; электронный атлас природных и радиационных параметров, характеризующих современное состояние природного комплекса региона; модуль предназначен в качестве эталона в системе радиоэкологического мониторинга;

- «ГИС Радиоэкологический стандарт территории ФГУП Нижегородского СК «Радон» содержит систему ввода и корректировки данных радиационного контроля; цифровые карты основы; атрибутивную информацию, позиционированную в географических координатах, по экогенетическим фазам растительного покрова, геоэкологическим описаниям геосистем, в том числе типам режимов факторов, по реальному и предельно допустимому содержанию радионуклидов в объектах окружающей среды, по поглощенным дозам в воздухе от ЕРН в почве, по реальным и предельно допустимым дозам на биоту, по запасу 137Cs в биобарьерах; модуль предназначен в качестве эталона в системе радиоэкологического мониторинга, а также для ввода, хранения и обработки специализированной информации по радиационному контролю ПЗРО;

- «ГИС Радиоэкологический стандарт территории Волгоградской области» содержит атрибутивную информацию, позиционированную в географических координатах, по экогенетическим фазам растительного покрова, геоэкологическим описаниям природных систем, в том числе типам режимов факторов, по реальному и предельно допустимому содержанию радионуклидов в объектах окружающей среды, по поглощенным дозам в воздухе от ЕРН в почве, по реальным и предельно допустимым дозам на биоту, по запасу 137Cs в биобарьерах; электронный атлас природных и радиационных параметров, характеризующих современное состояние природного комплекса региона; модуль предназначен в качестве эталона в системе радиоэкологического мониторинга;

- «ГИС Радиоэкологический стандарт территории ФГУП Волгоградского СК «Радон» содержит систему ввода и корректировки данных радиационного контроля; цифровые карты основы; атрибутивную информацию, позиционированную в географических координатах, по экогенетическим фазам растительного покрова, геоэкологическим описаниям геосистем, в том числе типам режимов факторов, по реальному и предельно допустимому содержанию радионуклидов в объектах окружающей среды, по поглощенным дозам в воздухе от ЕРН в почве, по реальным и предельно допустимым дозам на биоту, по запасу 137Cs в биобарьерах; модуль предназначен в качестве эталона в системе радиоэкологического мониторинга а также для ввода, хранения и обработки специализированной информации по радиационному контролю ПЗРО.

Приведем описания некоторых технологических модулей.

Модуль «Модели расчета доз на биоту»

В модели использованы разработки и принципы, обоснованные в документах МКРЗ, НКДАР ООН, а также в научных публикациях (Радиационная безопасность…,1994, Источники и эффекты ионизирующего излучения…, 2002, Казаков, Линге, 2004, Уикер, 1985, Щеглов А.И.)

1) Основные постулаты:

Принцип: «если защищен человек - защищена окружающая среды» (Публикация 60 МКРЗ) дополнен следующими позициями:

- необходимо выделение «критической группы населения»,

- рассматривать не реальные ситуации формирования доз для критических групп, но наихудшие (консервативные) сценарии облучаемости населения,

- понимать под критической группой виртуальную группу, ведущую образ жизни, следствием которого являются максимально возможные дозы облучения.

- рассматривать виртуальные наиболее консервативные сценарии облучаемости критической группы населения.

2) Тогда, если для виртуальной экосистемы, в которой реализуются наихудшие варианты рассеяния и накопления радиоактивных веществ, доказана радиационная безопасность наиболее уязвимых ее компонентов, то при выполнении вышеназванных условий принятые антропоцентрические подходы удовлетворяют и экологическим принципам радиационной безопасности окружающей среды. Введенные дополнения обеспечивают радиационную защиту по принципу консервативности а также принципов из области обращения с РАО: охрана будущих поколений, невозложение чрезмерного груза на будущие поколения, введенных МАГАТЭ в1996 г.

3) В качестве меры сравнения радиационного воздействия на человека и компоненты экосистем используют критерий - индекс радиационной опасности (ИРО) - отношение реально получаемой дозы к ее предельному значению. Для человека предел дозы ПД составляет1 мЗв/год. Для природных экосистем - максимальная величина дозы, при которой отсутствуют какие-либо радиационные эффекты для этого вида природных организмов.

4) При нормировании воздействия ионизирующего излучения на человека за счет присутствия радиоактивных веществ в объектах окружающей среды для критической группы населения значение ИРО = 1. Далее необходимо определить область значений ИРО для всех биообъектов (ИРОБ)

5) Если ИРОБ < 1, то гигиенический норматив обеспечивает радиационную безопасность биоты.

6) Если ИРОБ > 1, то гигиенический норматив не обеспечивает радиационную защиту окружающей среды.

7) В модели рассчитаны максимально допустимые пределы радиационных параметров по наиболее консервативным сценариям. Алгоритм расчетов показан формулами 1-6. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

D = ? (aiKi вн) + ? (aiKi вш) + ? (aiKi инг) + ?? (aiKij) (1)

i i i j i

D = ? ai [Ki вн + Ki вш + Ki инг + ? K i j ] (2)

I j

D ? [Kk вн + Kk вш + Kk инг + ? K k j ] ? ai = a [Kk вн + Kk вш + Kk

J i

инг + ? K k j ] (3)

j

a [Kk вн + Kk вш + Kk инг + ? K k j ] = ПД (4)

aдоп = ПД/[Kk вн + Kk вш + Kk инг + ? K k j ] (5)

j

aдоп ? ПД/[Kk вн + Kk вш + Kk инг ] = amax (6)

8) Приведенные данные являются пределами радиационных нагрузок для биоты от рассеянных радионуклидов в окружающей среде.

9) Осуществляется расчет индекса радиационной опасности (ИРО) путем сравнения реальных радиационных параметров с предельно допустимыми для объектов окружающей среды.

Таблица 1 - Параметры модели оценки доз на биоту (ПД на человека 1 мЗв/год )

Параметр	Обозначение	Размер- ность	Численное значение 137Cs	Численное значение 90Sr*1	Численное значение 239Pu
Коэффициенты перехода	Kk вн + Kk вш + Kk инг	нЗв/(Бк/м2)	55+97+0,53=152,53	53+0+4,2=57,2	180+0+5790= 6,0 •10-3
Средняя энергия в-частиц	Есрв	МэВ/распад	0,18	0,196-90Sr 0,935-90Y
Энергия б-частиц	Е б	МэВ/распад	-	-	5,15
Средняя энергия в и г-излучения	Есрвг	МэВ/распад	0.84	-	-
Средняя длина пробега в-частиц в биологической ткани (Еср =1 МэВ)	lв	м	4,4 •10-4	4,4 •10-3	-
Длина пробега в -частиц в воздухе (Еср =1 МэВ)	Lв	м	-	4,07	-
Длина пробега б-частиц в биологической ткани (Еб =5,0 МэВ)	lб	м	-	-	3,67• 10-5
Длина пробега б -частиц в воздухе (Еб =5,0 МэВ)	Lб	м	-	-	3,29 •10-2
Коэффициент перехода из почвы в грибы	kni	м2/кг	0,1	1 •10-4	1• 10-3
Дозовый коэффициент	епищ нас	Зв/Бк	1,3 •10-8	8,0 •10-8 - 90Sr 2,0• 10-8 - 90Y	4,2 • 10-7
Дозовый коэффициент	евозд нас	Зв/Бк			5,0 • 10-5
Максимально допустимое содержание в почве	amax	Бк/м2	6,56 •103	17,5 •103	1,7 •102
Максимально допустимое содержание в грибах	amaxгриб	Бк/кг	6,56•102	1,75	16,6
Доза в тканеэквивалентном слое над почвой	Pв	мГр/год	6,8 (Pв=0,5 amax Еср/ lвсткани)	10,0	60,1
Доза в почве	Pвпч	мГр/год	20,4	30,0	4,3
Доза в воздухе	Pввозд	мГр/год	0,058	9,0	55,6
Доза в грибах	Pвгр	мГр/год	2,8	10,0	4,4
Доза на червей за счет накопления ими радионуклида из почвы	Pвчерв	мГр/год	14,7	50,9	2,2
Доза для высших млекопитающих	Pвмлек	мЗв/год мГр/год	11 15,7	26,1 37,3	27,1(0,98 через дыхание, 26,1 через пищу) 38,7

*1 - Для равновесного состояния 90Sr-90Y

радиоэкологический территория экосистема техногенный

Модель 1: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,2•103 кг/м3, глубина слоя 3 см - 1,2•103 кг/м3 х 0,03 м3/м2) =0,036•103 кг/м2.

Модель 2: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,4•103 кг/м3, глубина слоя 10 см - 1,4•103 кг/м3 х 0,1 м3/м2)= 0,14•103 кг/м2

Разработаны сценарии наиболее консервативной (опасной) модели; позволяет рассчитать реальные радиационные параметры дозовых нагрузок на биотические компоненты по реально измеренному содержанию радионуклидов в почве, содержит максимально допустимые значения, рассчитанные, исходя из норматива на население 1 мЗв/год.

ГИС технологии, разработанные в ЦЭГР в виде стационарных и мобильных технологий оперативного картографирования, технологий биомониторинга на основе биотестирования и биоиндикации, технологий создания биобарьеров, позволяют реализовывать практически все операции, связанные с природопользованием при обращении с РАО, а также решать задачи обеспечения радиоэкологической безопасности на природных и урбанизированных территориях, объектах любого хозяйственного назначения, внедренных в природные ландшафты и формирующих геотехнические системы.

Разработанные ГИС «Радиоэкологический стандарт», содержащие базы данных о состоянии территорий в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями, представляют научно-обоснованный методический инструмент выявления природных и техногенных радиоэкологических аномалий. ГИС «Радиоэкологический стандарт» это новый способ оценки по интегральным показателям, представляющий новую парадигму аналитического контроля окружающей среды, высказанную академиком РАН Ю.А. Золотовым (2006): интегральные показатели можно определять любыми аналитическими методами и средствами, они могут быть безразмерными, но выстроенными на хорошо отградуированной шкале, и по разным принципам по типу «электронного носа» или «электронного языка». Видеоэкранные формы модуля представлены на рисунках 6, 7.

Рисунок 6 - Радиоэкологический стандарт т. 52: позиционирование, видеопортрет, радиометрия, геотопология



Рисунок 7- Радиоэкологический стандарт т. 52: позиционирование, видеопортрет, радиометрия, типы режимов факторов

Информация о состоянии природных, урбанизированных и геотехнических систем, представленная в разработанных ГИС, составляет основу и механизм оценки биосферных функций фоновых и эксплуатируемых объектов и территорий для разработки мероприятий по сохранению их биопотенциала.

Полученные результаты в виде разработанных ГИС технологий представляют реальный механизм обеспечения радиоэкологической безопасности, так как позволяют контролировать природопользование при обращении с РАО, прогнозировать воздействие на экосистемы, локализовать загрязнения, реабилитировать и оздоровлять территории.

Глава 4. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

Прогнозирование как научный феномен основано на базе знаний и устоявшихся взаимосвязях процессов и явлений. Накопленный сегодня научный опыт позволяет прогнозировать движение воздушных масс, смены растительного покрова, поведение биоты в тех или иных условиях, а также запасы природных ресурсов. Однако, прогнозировать содержание элементов, в том числе радиоактивных, в почве и растениях еще никто не пытался.

Нами разработана концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле: о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов.

Концепция базируется на фундаментальных знаниях:

- о количественном элементном составе живого вещества биосферы Ковальский, 1974, Покаржевский, 1985, Глазовский, 1987, Перельман, 1961, Алексахин, Нарышкин, 1977);

- о пределах радио- и хемочувствительности (Криволуцкий, 1983, Соколов и др., 1989, Никаноров и др., 1985, Катков, 1985, Поликарпов, Егоров, 1986);

- о приемах оценки состояния окружающей среды в виде систем биоиндикации, биомониторинга, биотестирования, как систем оценки качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях (Бударков и др., 1998, Цыганов, 1983),

- о толерантности биоиндикаторов как ключевом понятии в биоиндикации (Ботаническая география…,1986, Одум, 1975, Цыганов, 1983).

Толерантность (от лат. tolerantia - терпение) в экологии и радиоэкологии трактуется как способность видов существовать в определенных условиях, либо как способность организмов выносить отклонения экологических факторов от оптимального уровня (Быков, 1978, Бударков и др., 1998).

Отсюда встает задача констатации диапазона условий (факторов; параметров среды), при котором могут существовать биологические объекты данного типа.

Разработка теоретических и методических основ концепции толерантности вообще и радиотолерантности, в частности, связана с решением следующих основных вопросов:

определением понятия «толерантность»;

соотношением толерантности с понятиями «устойчивости», «чувствительности», «стабильности», «резистентности», «долговечности», с одной стороны; «возраста», «состояния», «динамики» и т.п., с другой.

Радиотолерантность сообществ регламентируется радиационным фактором (дозой и активностью радионуклидов). Показателями экстремальных значений радиационного фактора являются минимальные и максимальные фоновые значения дозы и активности, при которых наблюдаются нормальные структура и функционирование организмов и их сообществ. Критерием радиотолерантности организмов и их сообществ является наличие нормального типа структуры и функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями, определяемого как норма реакции сообщества.

Методы оценки радиотолерантности сопряжены с оценками биоразнообразия, типов режимов факторов, структуры и функционирования лесных сообществ, интегрированных в понятии радиоэкологической емкости - характеристики, отражающей максимально возможное поглощение сообществом радиоактивных веществ (численно выражается предельным количеством радионуклидов, поступивших в экосистему, выше которого наблюдается распад экосистемы).

Оценка радиотолерантности производится с учетом радиоэкологической емкости сообществ: в общем случае, чем выше радиоэкологическая емкость, тем шире радиотолерантность.

Региональные пределы толерантности функционирования биогеоценотических барьеров отражают диапазон их существования в многомерном экологическом пространстве. Пределы толерантности определяются крайними (граничными) значениями условий существования биобъектов.

Регламент критериев установления региональных пределов толерантности включает:

координаты экосистемы;

характеристик ареала экосистемы;

параметры экотопа;

параметры сезонной динамики био- и абиотических факторов с учетом метеорологической и климатической обстановки;

характеристики токсикантов;

характеристики антропогенных воздействия (уровень, интенсивность и др.).

В лесной зоне радиотолерантность определяется по развитию и представленности коренных ассоциаций с эдификаторами одной жизненной формы:

для зоны темнохвойных лесов - видов ели, пихты или темнохвойных сосен;

для зоны летнезеленых лесов - листопадных видов дуба.

Для растительных провинций радиотолерантность определяется по развитию и представленности коренных ассоциаций с конкретными эдификаторами:

для Северотаежной провинции зоны темнохвойных лесов - Picea abies (Picea fennica, Picea obovata);

для Центрально-таежной провинции зоны темнохвойных лесов - Abies sibirica;

для Хангайской провинции зоны темнохвойных лесов - Pinus sibirica;

для Анадырской провинции зоны темнохвойных лесов - Picea ajanensis;

для Восточноевропейской провинции зоны летнезеленых лесов - Quercus robur;

для Маньчжурской провинции зоны летнезеленых лесов - Quercus mongolica.

На ландшафтно-региональном уровне (ботанико-географический район) радиотолерантность определяется по критериям развития и представленности региональной сукцессионной системы.

Установление региональных пределов и разработку шкал толерантности функционирования биогеоценотических барьеров в ландшафтно-зональном спектре является основой их территориального зонирования и использования в конкретном регионе, ландшафте, природной зоне; эффективности и надежности использования в конкретных условиях.

Разработанная нами концепция прогнозирования содержания радионуклидов в растениях и почве построена на следующих теоретических положениях.

1. Установление радиотолерантности видов и их сообществ является той информационной базой, на основе которой строится диагностика радиоэкологического состояния территорий и объектов. Радиоэкологическое состояние - это характеристика радиоактивности среды обитания или радиационного фактора.

2. Радиоактивность или 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. Используется показатель - летальная доза (ЛД), при которой погибает либо 100 (ЛД100), либо 50 (ЛД50), либо 30(ЛД30) процентов особей. Второй показатель - активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. Отношение активности в объекте к активности в субстрате или пище является показателем или коэффициентом накопления.

3. 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. То есть 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. Показатели активности являются базовыми при расчетах дозовых значений. Показатель активности радионуклидов, отражающий содержание или накопление их в тканях организмов и компонентах сообществ является специфическим индикационным признаком при индикации радиоэкологического состояния среды на фоновом уровне. Неспецифическими признаками будут любые проявления аномалий роста, развития и функционирования клеток, тканей, органов, организма в целом, нарушения структуры и функционирования сообществ и т.д.

Таким образом, показатель активности радионуклидов в биотических объектах на фоновом уровне, отражающий содержание или накопление, характеризуют реакцию биообъекта к радиационному фактору, диапазон значений которой обозначает фоновую (зональную) радиотолерантность.

Содержание или накопление радионуклидов в биообъектах обусловливается биогеохимической обстановкой территории обитания или факторами среды. То есть сопряженный анализ содержания или накопления радионуклидов в биообъектах с факторами среды, характеризующими экосистемы зональных биомов, позволил установить пределы зональной радиотолерантности видов биоиндикаторов по отношению к радионуклидам и тем самым создать информационно-методическую базу для системы биоиндикации радиоэкологического состояния территории.

Для этого необходимо было решить следующие ключевые задачи: 1) собрать данные, репрезентативно и достоверно отражающие типичные зональные условия, 2) привести собранные данные в единое информационное пространство, к единой сравнимой шкале показателей, 3) выбрать показатели, которые позволяют однотипно сравнивать и характеризовать разные объекты.

Первая задача решена в результате оптимизации сети заложения пробных площадей и обследования плакорных экосистем зональных биомов.

Вторая задача решена путем унификации данных по характеристике условий по факторам среды, их биоиндикацией по толерантности биоиндикаторов и установлением типов режимов 10 прямодействующих факторов на каждой пробной площади.

Третья задача выбора сравнимого показателя решена путем расчета для каждого вида параметра - дельты - отклонения от оптимума по каждому фактору среды. Каждый вид имеет свое значение оптимума (медиану) на шкале толерантности, для каждой пробной площади рассчитан тип режима фактора и отклонение его от оптимума для каждого вида, то есть, определена дельта или отклонение от оптимума. В дальнейших расчетах участвует в качестве фактора - дельта, а в качестве явления - показатели активности радионуклидов и коэффициенты их накопления в растениях и почве.

Выявление зональной радиотолерантности биоиндикаторов осуществляется путем анализа закономерностей накопительной способности биоиндикаторов с выделением радиотолерантных экоморф (позиционирование видов на шкале радиотолерантности).

Радиотолерантность как диапазон выносливости вида при радиационном воздействии определяется двумя показателями радиоактивности - дозой и активностью радионуклидов в объекте.

Первый показатель доза - чаще всего используется при оценке радиочувствительности организма, критерием является смертность. Используется показатель - летальная доза (ЛД), при которой погибает либо 100 (ЛД100), либо 50 (ЛД50), либо 30(ЛД30) процентов особей.

Второй показатель - активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. Отношение активности в объекте к активности в субстрате или пище является показателем или коэффициентом накопления.

Мы использовали показатель активности радионуклидов в биоиндикаторах в качестве показателя радиотолерантности: минимум - минимально измеренная активность (как правило, это значение чувствительности прибора), максимум - реально измеренное наибольшее значение активности или реально рассчитанное наибольшее значение коэффициента накопления. Критерием радиотолерантности является нормальное состояние объекта, выявленное в типичном плакорном местообитании, отражающем зональные условия.

Алгоритм оценки радиотолерантности биоиндикаторов разработан на основе базы данных, собранных в европейской территории России в 116 пробных площадях, составляющих единый профиль по градиенту природных факторов.

Прямодействующие факторы, определяющие экологическую нишу вида растений, можно разделить на две группы: одну группу представляют факторы зональные (терморежим, континентальность, влажность и морозность климата), вторую группу представляют ценоэдафические факторы (увлажнение почв, солевой режим почв, кислотность почв, богатство почв азотом, переменность увлажнения почв, режим затенения-освещения). Эти факторы обусловливают и накопительную способность растений по отношению к радионуклидам. Первая группа факторов определяет продолжительность вегетационного периода и интенсивность метаболизма, а вторая группа факторов - интенсивность метаболизма и доступность элементов питания. Априорные тенденции зависимостей показаны в таблице 2.

Нами проанализированы пределы толерантности 574 видов по отношению к 10 прямодействующим факторам. Эта информация является нормативной для решения ряда прикладных задач. Для каждой географической точки профиля определены экологические свиты видов, типы режимов факторов, а также комфортопы, то есть, определена комфортность окружающей среды по каждому конкретному фактору для фитоценозов.

Алгоритм представляет следующую схему анализа: 1) установление биоразнообразия, 2) определение экологических ареалов и выявление свит, 3) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с их толерантностью по отношению к 10 прямодействующим факторам, 4) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с экологическими свитами, 5) создание каталога радиотолерантных биоиндикаторов.

В качестве радиационных показателей использованы следующие: содержание по эталону 238+239 Pu (А Бк/кг); коэффициент накопления по эталону 238+239 Pu (Кн); содержание по эталону 90Y+90Sr(А Бк/кг); коэффициент накопления по эталону 90Y+90Sr (Кн); содержание 90Sr (А Бк/кг); коэффициент накопления 90Sr (Кн); содержание 40K (А Бк/кг); коэффициент накопления 40K (Кн).

Анализ реальных связей и тенденций проведен методом информационно-логического анализа. В качестве явления рассмотрены максимальные содержания (абсолютные значения) и максимальные коэффициенты накопления (отношение содержания в растении к содержанию в почве) радионуклидов по показателям , , 90Sr, 40К. В качестве факторов рассмотрены отклонения от оптимума по каждому фактору и для каждого вида растений (всего 49 видов). Рассчитано и проанализировано более 4000 матриц отношений.

Выделены виды, которые всегда содержат большое количество радионуклидов, и виды, которые всегда содержат низкое количество радионуклидов. Поэтому для системы биоиндикации в первую очередь необходимо установить факторную обусловленность накопительной способности биоиндикаторов.

Как показывает анализ связей, накопительная способность вида определяется его толерантностью к 10 прямодействующим факторам, характер зависимости носит специфический характер для каждого вида. Составлены матрицы отношений и определены значимые диапазоны, характеризующие радиотолерантность биоиндикаторов (таблица 3).

Анализ связи радиотолерантности биоиндикаторов с их экологическими свитами отражает зависимость накопительной способности биоиндикаторов от условий среды и, по сути, дает возможность установить диапазоны или пределы радиотолерантности сообществ видов, то есть перейти на другой более высокий иерархический уровень организации биоты.

Собранная информация и проведенный анализ позволили впервые установить на фоновом типично ландшафтно-зональном уровне радиотолерантность видов растений и их экологических свит, тем самым создать нормативно-базовую информацию в виде каталогов биоиндикаторов для решения разнообразных задач природопользования.

Выявленные связи накопительной способности растений по отношению к радионуклидам с факторами среды дают основание прогнозировать содержание радионуклидов на территориях по толерантности видов растений.

Каталоги биоиндикаторов с конкретными значениями радиационных показателей и сопряженных характеристик факторов среды составили фундаментальную базу данных, не имеющих аналогов в мировой практике.

Моделирование лесных сообществ как биобарьеров (Соболев и др.. 2000, Маркелов А.В., 1988, 2000, Маркелов Д.А., 1999) на основе их радиотолерантности проведено с использованием регламента критериев, включающего типологическую принадлежность сообщества (тип, формация и т.д.); топологическую принадлежность данного типа сообществ (положение в структуре региональной сукцессионной системы); возраст конкретного насаждения.

Показано, что радиотолерантность лесных насаждений определяется возрастом (рост значений от молодняков к спелым насаждениям, с последующим падением на стадии перестойных насаждений) и положением в ряду сукцессионной динамики (рост значений от пионерных к коренным сообществам с последующим падением на стадии климакса); радиотолерантность биобарьеров снижается в ряду сукцессионных смен эдификаторов «ольха-осина-береза-ель» и определяется типолого-возрастной структурой конкретного насаждения; диапазон радиотолерантности с учетом возрастной структуры древостоя может различаться в 1,5 - 3 раза.

Структура каталога радиотолерантных лесных сообществ отражает уровни их организации: топологический, ценотический, популяционно-видовой,организменный.

Регламент критериев структуризации радиотолерантных лесных сообществ топологического уровня включает показатели идентификации сообществ к природной зоне; провинции; округу; району (сукцессионной системе); экогенетическому комплексу; демутационному комплексу; парцелле.Регламент критериев установления лесных сообществ ценотического уровня включает показатели положения сообществ в иерархии типов растительности (лесной); формаций; ассоциаций; ярусной (вертикальной) структуры; горизонтальной (парцеллярной) структуры; синузиальной структуры; ценотипов (эдификатор, ассектатор).

Для организменного уровня регламент критериев подразумевает использование параметров абсолютного возраста особи, пол, биометрические (размерные) характеристики.

Критерием зональной радиотолерантности установлено нормальное состояние объекта, выявленное в типичном плакорном местообитании, отражающем зональные условия. Показателями радиотолерантности установлены: 1) диапазон значений содержания или накопления радионуклидов в биоиндикаторах от минимума до максимума, 2) положение диапазона на общей шкале значений (содержания или накопления радионуклидов). Минимум - минимально измеренная активность, или реально рассчитанное наименьшее значение коэффициента накопления; максимум - реально измеренное наибольшее значение активности или реально рассчитанное наибольшее значение коэффициента накопления.

Для популяционно-видового уровня регламент критериев отражает таксономический ранг и внутрипопуляционные характеристики сообществ: отдел, класс, порядок, семейство, род, вид; элемент половозрастной структуры (пол, возрастной спектр - класс возраста и т.д.), тип стратегии.

Анализ зональной радиотолерантности видов проведен методом ординации диапазона содержания или накопления радионуклидов в растениях каждого вида (или их частях: листьях, ветках) на общей шкале. Покажем решение задачи на примере.

Таблица 2 - Оценка влияния прямодействующих факторов на накопительную способность биоиндикаторов (Кн)

№	Группа факторов	Факторы	Тенденции	Обусловленные процессы
1	Зональные	Терморежим климата {Tm}		1) - продолжительность вегетационного периода, 2) - интенсивность метаболизма
2		Континентальность климата {Kn}
3		Влажность климата {Om}
4		Морозность климата {Ct}
5	Ценоэдафические	Увлажнение почв {Hd}		1) - интенсивность метаболизма, 2) - доступность элементов питания
6		Обобщённый солевой режим почв {Tr}
7		Кислотность почв {Rc}
8		Богатство почв азотом {Nt}
9		Переменность увлажнения почв {fH}
10		Режим затенения {Lc}

Таблица 3 - Характер связи максимального содержания (А) и накопления (Кн) радионуклидов в биоиндикаторах с их толерантностью к 10 факторам*

№	Фактор	Оптимум вида		90Sr	40K
			А	Кн	А	Кн	А	Кн
1	Терморежим климата {Tm}	>9	-	-	3	-	-	-
		7-9	-	-	1	-	-	-
2	Континентальность климата {Kn}	9-12	3	3	3	3	-	3
		7-9	1	1	1	1	-	-
3	Влажность климата {Om}	8-9	1	1	1	1	-	-
		6-7	3	3	3	3	-	-
4	Морозность климата {Ct}}	7-8	3	-	-	-	-	-
		6-7	1	-	-	-	-	-
5	Увлажнение почв {Hd}	10-14	1	-	-	1	-	-
		5,5-10	3	-	-	3	-	-
6	Обобщённый солевой режим почв {Tr}}	4,5-11	3	-	-	-	-	-
		8-10	-	-	3	3	-	-
		6-8	1	-	-	-	-	-
		4,5-7	-	-	1	1	-	-
7	Кислотность почв {Rc}	9-11	-	-	3	-	3	3
		6-7	-	-	1	-	1	1
8	Богатство почв азотом {Nt}	6-8,5	-	-	1	-	-	-
		3-6	-	-	3	-	-	-
9	Переменность увлажнения почв {fH}	8-9	3	-	-	1	-	3
		<8	1	-	-	3	-	1
10	Режим затенения {Lc}	-	-	-	-	-	-	-

* Характер связи: 1 - максимум накопления в оптимуме, 3 - максимум накопления при максимуме отклонения от оптимума.

Диапазон общей шкалы по содержанию в биоиндикаторах по эталону 90Y+90Sr (А Бк/кг) составляет 50-4500 Бк/кг. Весь диапазон разбит на 45 градаций с интервалом в 100 Бк/кг, объединенных в 5 групп градаций с интервалом 900 Бк/кг. Рассмотрены виды, встреченные не менее чем на 5-ти точках. Позиционирование вида на шкале характеризуется шириной диапазона и его положением от начала шкалы (таблица 4).

В результате анализа выделены: 1) по положению от начала шкалы: виды ориготопные (ориго-начало, топос- место)-начало лежит в первой группе градаций (< 900 Бк/кг), эутопные (эу-хорошо, типично) - начало лежит во второй группе градаций (900-1800 Бк/кг), гемитопные (геми - полу)- начало лежит в третьей группе градаций (1800-2700 Бк/кг), мультитопные (мульти - много) - начало лежит в четвертой группе градаций (>2700 Бк/кг), 2) по ширине диапазона: виды стенотопные (стено-узкий) - диапазон составляет менее 20% шкалы, субмезотопные (суб-промежуточный, мезо-средний) диапазон составляет 20-40 % шкалы, мезотопные диапазон составляет 40-60 % шкалы, субэвритопные (суб- промежуточный, эври - широкий) диапазон составляет 60-80% шкалы, эвритопные диапазон составляет более 80% шкалы. С учетом характеристик по обоим показателям и реальной их встречаемости выделено 12 радиотолерантных экоморф: мультистенотопная - (1 биоиндикатор), гемистенотопная - (1), эустенотопная - (4), оригостенотопная -(115), гемисубмезотопная - (4), эусубмезотопная - (9), оригосубмезотопая - (43), эумезотопная - (3), оригомезотопная -(6), эусубэвритопная -(2), оригосубэвритопная -(6), оригоэвритопная - (5).

В название экоморф добавляется обозначение показателя радиоактивности, например оригомезотопная по , оригомезотопная по 90Sr и т.д.

Для оценки информативности выявленных диапазонов зональной радиотолерантности биоиндикаторов рассчитан коэффициент агрегированности данных - Кагр:

Кагр= Число градаций диапазона/Число встреч,

Диапазоны радиотолерантности, выявленные в результате анализа, составили информационную базу данных для разработки системы биоиндикации радиоэкологического состояния территории. Здесь необходимо еще раз подчеркнуть, что все рассматриваемые в работе параметры зональной радиотолерантности относятся к плакорным экотопам биомов при фоновых значениях радиационного фактора. В условиях радиоактивного загрязнения содержание радионуклидов в растениях и, соответственно, общая толерантность видов растений по отношению к накоплению радионуклидов будут значительно превышать те уровни, которые выявлены в данной работе.

Дальнейшая процедура по созданию системы включала определение экологических ареалов и выявление свит или расчет типов режимов факторов (ТРФ). Для каждой пробной площади профиля (рис.1) определены экологические свиты видов, типы режимов факторов, а также комфортопы, то есть, определена комфортность окружающей среды по каждому конкретному фактору для фитоценозов. Комфортопы отображают степень отклонения от оптимума (100%).

Созданные в результате анализа таблицы ТРФ содержат информацию о конкретных условиях среды и комфортности для каждого вида растений. Далее для каждого вида проведен расчет дельты - отклонения от оптимума по отношению к 10 прямодействующим факторам. Для дельты по каждому фактору установлены: единый шаг (ширина градации) и разное число градаций дельты в зависимости от общего реального диапазона характеристик фактора.

Расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с дельтой по отношению к 10 прямодействующим факторам составил основу системы прогноза. Прямодействующие факторы, определяющие экологическую нишу вида растений, можно разделить на две группы: одну группу представляют факторы зональные (терморежим, континентальность, влажность и морозность климата), вторую группу представляют ценоэдафические факторы (увлажнение почв, солевой режим почв, кислотность почв, богатство почв азотом, переменность увлажнения почв, режим затенения-освещения). Эти факторы обусловливают и накопительную способность растений по отношению к радионуклидам. Первая группа факторов определяет продолжительность вегетационного периода и интенсивность метаболизма, а вторая группа факторов - интенсивность метаболизма и доступность элементов питания.

...