«Радон»
| Вид материала | Автореферат |
| Стандартизации территории как основа диагностики радиоэкологического состояния Технологический регламент Модули ГИС Модуль «Модели расчета доз на биоту» |
- Вятский Государственный Технический Университет Химический факультет Кафедра биотехнологии, 153.48kb.
- О. В. Мосин ядерные реакции и их использование в биологических исследованиях, 342.97kb.
- Инновационные технологии создания подземных аэс малой мощности дмитриев С. А. Моснпо, 45.64kb.
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 инг + ∑ K k j ] (3)
j i 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 β-частиц | Есрβ | МэВ/распад | 0,18 | 0,196-90Sr 0,935-90Y | |
| Энергия α-частиц | Е α | МэВ/распад | - | - | 5,15 |
| Средняя энергия β и γ-излучения | Есрβγ | МэВ/распад | 0.84 | - | - |
| Средняя длина пробега β-частиц в биологической ткани (Еср =1 МэВ) | lβ | м | 4,4 ∙10-4 | 4,4 ∙10-3 | - |
| Длина пробега β -частиц в воздухе (Еср =1 МэВ) | Lβ | м | - | 4,07 | - |
| Длина пробега α-частиц в биологической ткани (Еα =5,0 МэВ) | lα | м | - | - | 3,67∙ 10-5 |
| Длина пробега α -частиц в воздухе (Еα =5,0 МэВ) | Lα | м | - | - | 3,29 ∙10-2 |
| Коэффициент перехода из почвы в грибы | kni | м2/кг | 0,1 | 1 ∙10-4 | 1∙ 10-3 |
| Дозовый коэффициент | εпищ нас | Зв/Бк | 1,3 ∙10-8 | 8,0 ∙10-8 – 90Sr 2,0∙ 10-8 – 90Y | 4,2 ∙ 10-7 |
| Дозовый коэффициент | εвозд 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 | Pβ | мГр/год | 6,8 (Pβ=0,5 amax Еср/ lβρткани) | 10,0 | 60,1 |
| Доза в почве | Pβпч | мГр/год | 20,4 | 30,0 | 4,3 |
| Доза в воздухе | Pβвозд | мГр/год | 0,058 | 9,0 | 55,6 |
| Доза в грибах | Pβгр | мГр/год | 2,8 | 10,0 | 4,4 |
| Доза на червей за счет накопления ими радионуклида из почвы | Pβчерв | мГр/год | 14,7 | 50,9 | 2,2 |
| Доза для высших млекопитающих | Pβмлек | 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
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.