Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

Моделирование радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме с реализацией технических решений в разработке и создании модуля "Геоэкологических исследований территории".

Рубрика Экология и охрана природы
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 04.02.2018
Размер файла 850,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий

Специальность 25.00.36 - Геоэкология по техническим наукам

Маркелов Данила Андреевич

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена на кафедре «Приборы контроля и системы экологической безопасности» Северо-Западного государственного заочного технического университета

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Российской академии государственной службы при Президенте РФ, лауреат Государственной премии РФ Гутенев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Степанов Александр Михайлович

доктор географических наук, профессор Кочуров Борис Иванович

доктор технических наук, профессор Шаповалов Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Защита состоится 30 марта 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при Северо-западном государственном заочном техническом университете по адресу 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, в ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 25 февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Актуальность темы исследования определена стратегией национальной безопасности Российской Федерации (Президентом РФ Д.А. Медведевым подписан Указ «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года» (14.05.2009) , в которой констатируется:

«23. Основными приоритетами национальной безопасности Российской Федерации являются национальная оборона, государственная и общественная безопасность.

24. Для обеспечения национальной безопасности Российская Федерация, наряду с достижением основных приоритетов национальной безопасности, сосредоточивает свои усилия и ресурсы на следующих приоритетах устойчивого развития:

…экология живых систем и рациональное природопользование, поддержание которых достигается за счет сбалансированного потребления, развития прогрессивных технологий и целесообразного воспроизводства природно-ресурсного потенциала страны.

85. Стратегическими целями обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования являются: сохранение окружающей природной среды и обеспечение ее защиты; ликвидация экологических последствий хозяйственной деятельности в условиях возрастающей экономической активности и глобальных изменений климата.

87. Состояние национальной безопасности в сфере экологии усугубляется сохранением значительного количества опасных производств, деятельность которых ведет к нарушению экологического баланса, включая нарушение санитарно-эпидемиологических и (или) санитарно-гигиенических стандартов потребляемой населением страны питьевой воды, вне нормативного правового регулирования и надзора остаются радиоактивные отходы неядерного топливного цикла»

Для обеспечения рационального природопользования, оценки качества природной среды, радиационной безопасности, радиационной защиты окружающей среды и населения необходимо создание системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе «экологии живых систем».

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 являются методы и системы биоиндикации, построенные на реакции биотических систем разных уровней на воздействие, организованные в географических информационных системах (ГИС).

Цель работы

Повышение экологической безопасности и радиационной защиты окружающей среды и населения путем создания системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе взаимосвязанности природных процессов средствами ГИС технологий. геоэкологический информация алгоритм

Задачи исследований:

- разработка научно-методических основ оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий с реализацией технических решений в геоинформационных системах;

- разработка принципов и критериев оценки радиоэкологического состояния территории на основе методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории»;

- разработка принципов и критериев 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 с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС «Радиоэкологический стандарт территории»;

- разработка принципов и критериев прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС ««Прогноз содержания радионуклидов почве и растениях по числу и обилию видов растений».

Объекты, предметы и методы исследования

Объектами исследования являются природно-технические системы территорий разного ранга. Предметом исследования являются зависимости радиоэкологического состояния территорий от факторов среды, оценка состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий. Основными методами исследования являются экспериментальные исследования и численное моделирование с использованием геоинформационных систем. Применялась ГИС-технология, включающая следующие этапы: создание базы данных в программной среде СУБД Microsoft Access, 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.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработано новое научное направление - методология радиоэкологической стандартизации территории на основе геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории, позволяющее решать крупную народнохозяйственную задачу эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий, путем совершенствования государственного нормирования и стандартов в природопользовании, в оценке состояния окружающей среды.

2 Определена и установлена зональная радиотолерантность биоиндикаторов - 574 видов растений.

3 Создана база данных радиоэкологического состояния типичных фоновых экосистем в зональном спектре европейской территории России; Словакии, уезда Сыпин Китая; созданы геоинформационные системы на районы исследований.

4 Создана база данных радиоэкологического состояния природно-технических систем отчужденных территорий в сфере влияния пунктов временного хранения радиоактивных отходов; созданы геоинформационные системы на районы исследований.

5 Создана база данных сопряженных параметров радиационного и геоэкологического состояния территорий.

6 Разработана и создана компьютерная система оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территорий.

7 Разработана и создана компьютерная система радиоэкологических стандартов территории, определяемых как типовое радиоэкологическое состояние и типовые уровни радиационных параметров в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями.

8 Разработана и создана компьютерная система прогнозирования радиометрических показателей без проведения измерений на основе выявления связей природных факторов с накопительной способностью растений.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

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. Созданные модули ГИС составили основу управления природно-техническими системами территорий, включая оценку состояния, обеспечение защиты и восстановления нарушенных территорий. Модули ГИС обеспечивают пользователей и лиц, принимающих решение, информацией о геоэкологическом состоянии территории, как стратегическом ресурсе для создания устойчивого природопользования и национальной безопасности.

Результаты исследования внедрены в практику природопользования при обращении с радиоактивными отходами, что подтверждено актами о внедрении. Научно-техническая продукция оформлена в виде составных модулей баз данных и СУБД, использована для разработки технологии оперативного картографирования, технологии биомониторинга радиоэкологического состояния, технологии радиоэкологической сертификации качества среды, технологии создания биогеоценотических барьеров в 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: Сергиево-Посадский, Волгоградский и Нижегородский. Имеются 62 акта о внедрении.

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- 2009 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.

- Проект 09-05-13567 РФФИ (Грант целевых ориентированных фундаментальных исследований 2009-2010 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.

Достоверность результатов и выводов диссертации

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным планированием экспериментов и выполнением полевых работ с использованием ГИС технологий на основе реализации пяти основных географических принципов: репрезентативности в пространстве, репрезентативности во времени, достоверности, возможности экстраполяции, возможности повтора другими исследователями.

Репрезентативность в пространстве: обеспечивается сочетанием методов ядер типичности с регулярной сеткой; оптимальным размером пробной площади, определяющей область выявления экосистем (для лесов 20Ч20 м, для степей, лугов, полупустынь 10Ч10 м). Репрезентативность во времени: достигается одновременными наблюдениями, «моментальным срезом», то есть проведением исследований в короткий промежуток времени, сезонными 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 путем позиционирования с помощью GPS приемников (Global Positioning System), а также соблюдением трёх предыдущих принципов. Возможность повторения: обеспечивается созданием ГИС и заложением пробных площадей в системе истинных географических координат с помощью GPS-системы. Отбор проб, пробоподготовка осуществлялись по стандартизованным методикам, радиометрические и радиохимические анализы проведены в аттестованных лабораториях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Концептуальные основы технологии оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий, состоящие в том, что взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной геоэкологической структуре территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных, реализованных в конкретных ГИС технологиях.

2. Методология моделирования радиоэкологического состояния территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, реализованная в виде: алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме; создания баз данных, разработке и создания аппаратно-программного комплекса - модуля ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории».

3. Методология радиоэкологической стандартизации территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, реализованная в виде: технологического регламента ГИС технологии, создания баз данных, разработке и создания аппаратно-программного комплекса - модуля ГИС «Радиоэкологический стандарт территории» для эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий.

4. Концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле, о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализованная в виде: систем биоиндикации оценки качества среды обитания по состоянию биоты в природных условиях, представленных сопряженными базами данных радиотолерантности видов растений и их толерантностью к типам режимов факторов, разработки и создания аппаратно-программного комплекса - модуля ГИС «Прогнозирование радиоэкологического состояния территорий».

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, 2009), 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).

Публикации и личный вклад автора

По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: статей в журналах Перечня ВАК - 10, монографий - 2, карта - 1, статей в рецензируемых журналах - 3. Результаты работы вошли в 32 отчета по темам НИОКР ГУП МосНПО «Радон».

Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично, при непосредственном участии и под руководством автора в период 1999-2009 гг. 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.

Структура и объём работы Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 318 наименований. Объём работы составляет 386 страниц, включая 284 рисунка, 81 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования. Анализируется предмет исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой 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. Показано, что проблема устойчивости геосистем является одной из наиболее сложных и актуальных проблем теоретической и прикладной геоэкологии, так как именно устойчивость определяет нормирование воздействия на природно-технические системы.

В природе не может быть «единой» универсальной устойчивости. 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. 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. 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). В природных условиях существует комплекс воздействий, так называемое явление синергизма, то есть взаимное усиление воздействий от сочетаний факторов, что практически не достижимо в экспериментах. Оптимальным методом оценки устойчивости на современном этапе развития и состояния проблемы является 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.

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. Поэтому эти территории являются наиболее репрезентативными для оценки радиоэкологического состояния, радиационной нагрузки, реакции биоты на воздействие.

Показано, что взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной геоэкологической структуре территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных, реализованных в конкретных ГИС технологиях.

Радиоэкологическое состояние это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и ее отдельные компоненты, то есть это актуальное состояние объекта с учетом радиационных факторов. Радиационный фактор это радиационный фон на территории, в пределах которой существует и развивается природная или геотехническая система. Радиоустойчивость природных и технических геосистем 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. как идентификаторы природных условий.); 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 геосистем (биоразнообразие, ярусность, мозаичность, экогенетические ряды и др.); д) показатели функционирования геосистем (продукция, биомасса, репродуктивные характеристики, жизненность, организационные критерии и др.); е) показатели радиобарьерной функции геосистем (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.

Технические решения концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий состоят в создании интегрированного аппаратно-программного комплекса, организованного по модульному принципу, объединенному на единой базе данных с единой системой ввода, хранения и представления информации. Унификация и формализация данных -главные отличительные особенности созданных систем. Унификация достигается созданием единого регламента критериев в соответствии с геоэкологическим (геоботаническим, лесотаксационным, геоморфологическим) описанием пробной площади, созданием справочников для всех критериев регламента. Формализация достигается геокодированием показателей или характеристик в соответствии с разработанными шкалами. Ввод, хранение и обработки информации осуществляются в специально спроектированном модуле ГИС, состоящем из двух комплексов, отличающихся функциями перечнем выполняемых задач. Один комплекс выполняет функции администратора путем решения следующих задач: создание новых проектов; ввода и корректировки данных; корректировки и ввода справочников; экспорт данных по запросу пользователей; администрирование и поддержка работоспособности и безопасности. Второй комплекс решает пользовательские задачи, а именно: импорт данных по разрешению администратора базы; просмотр и визуальный анализ данных; формирование рабочей области; использование встроенного инструментария (минимаксный анализ, статобработка, информационный анализ и пр.); документирование результатов анализа; экспорт результатов в внешние базы. Блок-схемы организации показаны на рисунках 1-2.

Аппаратно- программный комплекс позволяет создать обширную базу данных по геоэкологическим и радиометрическим исследованиям с развитым административным и пользовательским интерфейсом, осуществлять программное сопровождение, а также обеспечивает пользователя необходимым набором инструментов для анализа, прогноза и выдачи рекомендаций при сопровождении, мониторинге геоботанической или радиометрической обстановке в исследуемой области.

Разработанные БД формируют общий интегрированный аппаратно-программный комплекс геоинформационных технологий и обеспечивают разработку, создание и функционирование многоцелевых 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 блоки информации, представленные в графическом и атрибутивном вариантах.

Разработаны и созданы модули ГИС, составившие техническую реализацию научных основ концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий (рисунок 3). Технические параметры некоторых созданных модулей приведены в таблице 1.

Разработанные и созданные модули, организованные в виде АРМ, позволили разработать и создать новые системы «ГИС Радиоэкологический стандарт территории»: Москвы, республики Карелии, областей Нижегородской, Волгоградской, Мурманской, Костромской, Сергиево-Посадского, Нижегородского, Волгоградского. Мурманского СК «Радон».

Разработанные технологии и базы данных, сопровождают мониторинг, радиационный контроль, эколого-географическое нормирование природопользования, в том числе оздоровление среды, локализацию загрязнений и реабилитацию загрязненных территорий, тем самым обеспечивая управление природно-техническими системами и радиоэкологическую безопасность на радиационно опасных объектах, на территориях разного ранга, в населенных пунктах.

Во второй главе обоснована методология моделирования радиоэкологического состояния геосистем территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории с созданием компьютерной системы.

Рисунок 1 - Блок схема СУБД администратора

Рисунок 2 - Блок схема СУБД пользователя

Проанализированы современные подходы к оценке 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. 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.

Рисунок 3 - Модули ГИС технологии

В настоящих исследованиях основным методическим принципом является сочетание полевых, экспериментальных, дистанционных методов и их интеграция в единой геоинформационной системе. Основными принципами методологии являются: унификация показателей, формализация данных и регламентация процедур и операций. Методы представляют собой совокупность алгоритмов, позволяющих проводить автоматизированную обработку информации:

Таблица 1 - Технические параметры некоторых созданных модулей аппаратно-программных комплексов

№ п/п

Наименование модуля аппаратно-программно-го комплекса

Технические параметры

Объем БД Мб

Составные блоки

Число

проектов

Назначение

и режим работы

1

ГеоБот - система ввода и хранения данных

Системные требования: процессор класса Pentium III, минимум 256 Мб оперативной памяти, жёсткий диск объёмом2 Гб; язык (СУБД)

Access;

операционная система:

MS Windows 2000/XP и выше

144

Видеоэкранные формы, справочники, диалоговые интерфейсы, системы ввода информации, алгоритмы расчета, анализа информационных связей и выбора ограничений, программное обеспечение обработки, ЦКО - карты и космоснимки, базы данных установок и настроек модуля, системы представления и формирования выходной продукции и отчетных форм, руководство пользователя, программы обучающих курсов

60

Для ввода, хранения и обработки информации; в режиме реального времени

2

ОРЗ - оценка опасности радиационного и радиоактивного загрязнения

16

Для оценки радиационной опасности с решением задач анализа, мониторинга, и прогноза; в стационарном режиме

3

Типы режимов факторов - ТРФ

9

25

Для установления экологического ареала геосистем территории по 96 параметрам, для формирования биофильтров и биобарьеров из 2300 видов растений; в режиме реального времени

4

Радиационный контроль окружающей среды: система ввода, хранения и обработки информации

12

4

Для ввода, хранения и обработки специализированной информации по радиационному контролю окружающей среды; в стационарном режиме

5

Распознавание геоэкологической, геодинамической, функциональной, радиоэкологической

структуры территории

81

25

Для выявления геоэкологической структуры территории, для оценки сорбционно-миграционной способности территории; в режиме реального времени

6

Модели расчета запаса 137Cs в биобарьерах

50

25

Для расчета содержания и запаса 137Cs в веществе компонентов экосистем как фитофильтрах и биобарьерах; в стационарном режиме

7

Модели расчета доз на биоту

81

25

Для расчета реальных радиационных параметров дозовых нагрузок на биотические компоненты; в режимах реального времени и стационарном

ввод, хранение данных в памяти ЭВМ, разработку оптимизационных моделей для решения географических и экологических задач, поиск и создание имитационных моделей.

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 базы данных.

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).

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 (выявление поступления и содержания радионуклидов и других загрязнителей в компоненты экосистем, 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 представлена классификацией существующих выделов на территории, адекватно представляющей и отражающей ее пространственный портрет или геотопологию. Наиболее разработанной и репрезентативной геотопологической классификацией является классификация сукцессионных систем (Разумовский, 1981, 1999). 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. Сукцессионная система (СС) это саморегулирующаяся система, способная восстанавливаться после любых нарушений в пределах всего своего ареала.

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. Блок-схема показана на рисунке 4.

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

Геодинамическая структура территории 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 стала базисом для разработки система оценки радиобарьерной функции территории. Теоретическим и практическим обоснованием формирования концепции биобарьерной функции биогеоценозов является следующее положение. 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

Рисунок 4 - Блок-схема

биогеоценотический барьер, где термин биогеоценотический отражает функционирование или метаболизм (круговорот веществ) системы, включающий биогеохимическую миграцию веществ, вовлечение их в трофические цепи, трансформацию и накопление. Биобарьерная способность биогеоценозов является биосферной функцией 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 разработана модель оценки биобарьерной функции на основе геоэкологической, геодинамической и функциональной структуры территории.

Алгоритм построения модели расчета запасов 137Cs в биобарьерах

1 Расчет массы почвенного горизонта 0-10 см (М):

Mпч = h S, (1)

где Mпч - масса почвенного горизонта 0-10 см на тест площади, т;

h - высота горизонта почвы, 0,1 м;

- плотность почвы (1,4 т/м3);

S - площадь выдела, м2.

2 Запас 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см на площади выдела, Бк:

Ао137Cs = Мпч Апч, (2)

где Ао137Cs - запас 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см на площади выдела, Бк;

Мпч - масса почвенного горизонта 0-10 см, т (103 кг);

Апч - содержание 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см, Бк/кг.

3 Запас 137Cs в веществе экосистемы (Бк) рассчитывается с использованием показателя запаса 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см дифференцированно для экосистем климакса (С) и евтрофной гидросерии (Не):

Где Аобщ - запас 137Cs в веществе экосистемы, Бк;

S - площадь выдела (м2);

k - доля запаса 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см (доли от 1).

В модель введены три поправочных коэффициента, отражающие зависимость накопления 137Cs в веществе экосистем от породного состава, возраста древостоя, фитомассы, запаса стволовой древесины и сорбционной способности.

Поправочный коэффициент k1 отражает накопительную способность древесины пород-эдификаторов в зависимости от условий произрастания, индицируемых экогенетическим комплексом: ель -0,05 (С), 0,13 (Не), береза - 0,11 (С), 0,22 (Не), осина - 0,41 (С), 1,00 (Не), ольха - 1,00 (С), 0,22 (Не). Поправочные коэффициенты k2 и k3 отражают накопительную способность эдификатора в зависимости от потенциала продуктивности.

k2 рассчитывается по таблицам хода роста как соотношение:

k3 рассчитывается по таблицам хода роста как соотношение:

В окончательном виде:

А137Cs = Аобщ k1 k2 k3, (4)

где А137Cs - запас 137Cs в веществе экосистемы, Бк.

Система содержит созданные 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 и характерное время древостоя); функциональная структура (запас фитомассы травостоя; максимальный запас фитомассы ЭК; диаметр древостоя; высота древостоя; возраст древостоя; запас фитомассы древостоя); биобарьеры: 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). Блок-схема системы представлена на рисунке 5.

Проведена апробация и верификация системы территории тестовых полигонов, относящихся к 5-м основным ботанико-географическим районам: Московскому, Ветлужскому, Тульскому, Волгоградскому, Лапландскому. Подтверждена 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. Реализована интеграция системы в единую ГИС по принципу модульности и автономности, то есть формирование модулей на единой аппаратно-программной основе, сбор, ввод, хранение и обработка информации по формализованным и унифицированным регламентам критериев.

В третьей главе обоснована методология радиоэкологической стандартизации территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для 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 ГИС технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории.

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).

Рисунок 5 - Блок-схема системы оценки геодинамической, функциональной, радиобарьерной структуры территории

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 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 (таблица 2).

Таблица 2 - Регламент критериев радиоэкологического стандарта территории

№ п/п

Критерий

Характеризуемое свойство

экосистем территории

Форма представления информации

1

Позиционирование

Местоположение

Истинные географические координаты -БД

2

Видеопортрет

Местоположение, состав, структура

Набор фотографий - БД

3

Геоэкологическое описание

Состав, структура, функци-онирование

Набор качественных и количественных характеристик - БД

4

Типы режимов факторов

Экологическая ниша экосистем в экологическом ареале 10 прямодействую-щих факторов среды

Набор количественных ха-рактеристик 10 прямодей-ствующих факторов среды - БД

5

Геотопологическая структура

Стадия развития экосистем, структура местообитания

Набор количественных ха-рактеристик местообитания экосистем - БД

6

Радиационные характеристики

Функционирование: накопление радионуклидов в компонентах экосистем

Набор количественных ха-рактеристик содержания радионуклидов в объектах экосистем- БД

7

Биобарьеры

Состав, структура, функци-онирование: накопление и перераспределение радио-нуклидов в компонентах экосистем

Набор количественных ха-рактеристик содержания и запаса радионуклидов в компонентах экосистем - БД

8

Дозы на биоту

Функционирование, биопотенциал

Набор количественных ха-рактеристик дозовых нагрузок на компоненты экосистем - БД

9

Индекс радиационной опасности

Функционирование, биопотенциал

Набор количественных ха-рактеристик не превы-шения (превышения) радиационных нормативов - БД

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 (таблица 3).

Таблица 3 - Технологический регламент

п/п

Вид работы

Научно-техническая продукция

Обору-

дование

1

Создание цифровых карт основ территории области включая тематические приложения (дороги, растительность, почвы, четвертичных отложений, геоморфологических районов, сумма осадков, период с температурой воздуха выше 100, агроклиматическое районирование)

Компьютерные базы данных

Компьютеры и периферия

2

Создание атрибутивной базы данных, содержащую всю возможную информацию о ландшафтно-зональных природных условиях территории

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.