Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования  радиоэкологического состояния территорий (24.02.2009)

Автор: Маркелов Данила Андреевич

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.

Рисунок 2 - Блок схема СУБД пользователя

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.

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.

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:

Рисунок 3 – Модули ГИС технологии

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

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

3 Типы режимов факторов - ТРФ

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

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

5 Распознавание геоэкологической, геодинамической, функциональной, радиоэкологической

структуры территории


загрузка...