«Радон»

Вид материала

Радиоэкологического состояния
1.Оценка радиационной нагрузки на экосистемы
3. Оценка техногенных выбросов и сбросов
4. Оценка распределения, миграции и круговорота радионуклидов в природных средах
5. Оценка реакции биоты на ионизирующие излучения
6. Установление «нормы реакции» в системе «радиационное воздействие – экологическое состояние – физикогеографические факторы»

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6

Глава 2 МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ

РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Запас фитомассы рассматривается как показатель функциональной структуры территории.

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

Система оценки ГД и ФС включает в себя следующие блоки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1 – Блок-схема

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.