Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий (28.12.2009)

Автор: Маркелов Данила Андреевич

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

Радиотолерантность сообществ регламентируется радиационным фактором (дозой и активностью радионуклидов). Критерием радиотолерантности организмов и их сообществ является наличие нормального типа структуры и функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями, определяемого как норма реакции сообщества.

Установление радиотолерантности видов и их сообществ является той информационной базой, на основе которой строится диагностика радиоэкологического состояния территорий и объектов. Для биосферы Земли, как среды обитания биоты, установлен фоновый, оптимальный диапазон доз, обусловливающий нормальное функционирование экосистем 4 - 500 мрад/г (Поликарпов, Егоров, 1986). Этот диапазон доз выделяется как зона радиационного благополучия. То есть в природных фоновых условиях при оптимальном диапазоне доз, когда не встречается летальных значений (а это десятки и сотни килорад), радиационный фактор целесообразно оценивать по показателю активности радионуклидов в объекте. Показатели активности являются базовыми при расчетах дозовых значений. Показатель активности радионуклидов, отражающий содержание или накопление их в тканях организмов и компонентах сообществ является специфическим индикационным признаком при индикации радиоэкологического состояния среды на фоновом уровне. Неспецифическими признаками будут любые проявления аномалий роста, развития и функционирования клеток, тканей, органов, организма в целом, нарушения структуры и функционирования сообществ и т.д.

Таким образом, показатель активности радионуклидов в биотических объектах на фоновом уровне, отражающий содержание или накопление, характеризуют реакцию биообъекта к радиационному фактору, диапазон значений которой обозначает фоновую (зональную) радиотолерантность. Содержание и накопление радионуклидов в биообъектах обусловливается биогеохимической обстановкой территории обитания или факторами среды. Сопряженный анализ содержания и накопления радионуклидов в биообъектах с факторами среды, характеризующими экосистемы зональных биомов, позволил установить пределы зональной радиотолерантности видов биоиндикаторов по отношению к радионуклидам.

Для этого были решены следующие ключевые задачи: 1) собраны данные, репрезентативно и достоверно отражающие типичные зональные условия, 2) собранные данные приведены в единое информационное пространство, к единой сравнимой шкале показателей, 3) выбраны показатели, которые позволяют однотипно сравнивать и характеризовать разные объекты.

Первая задача решена в результате оптимизации сети заложения пробных площадей и обследования плакорных экосистем зональных биомов. Вторая задача решена путем унификации данных по характеристике условий по факторам среды, их биоиндикацией по толерантности биоиндикаторов и установлением типов режимов 10 прямодействующих факторов на каждой пробной площади. Третья задача выбора сравнимого показателя решена путем расчета для каждого вида параметра - дельты – отклонения от оптимума по каждому фактору среды. Каждый вид имеет свое значение оптимума (медиану) на шкале толерантности, для каждой пробной площади рассчитан тип режима фактора и отклонение его от оптимума для каждого вида, то есть, определена дельта или отклонение от оптимума. В дальнейших расчетах участвует в качестве фактора - дельта, а в качестве явления – показатели активности радионуклидов и коэффициенты их накопления в растениях и почве.

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

1) установление биоразнообразия;

2) определение экологических ареалов и выявление свит, установление типов режимов факторов;

3) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с их толерантностью по отношению к 10 прямодействующим факторам, включающий следующие последовательные процедуры:

-ранжирование n видов биоиндикаторов по показателю радиоактивности (явления),

- ранжирование p дельт отклонений от оптимума, полученных для 10 факторов (факторы),

- получение таблиц связей,

- выборка состояний, для которых частная информация, содержащаяся в каждом из состояний рассматриваемого свойства относительно каждого из состояний изучаемого явления JAi/Bj > 0,

- выборка и сортировка для каждого фактора нормированного коэффициента сопряженности рассматриваемого свойства с изучаемым явлением (К),

где i=1,2,3 – градации явления;

Si – по каждому фактору для i-й градации явления;

j – номер фактора;

Kj – значение коэффициента К для j-го фактора;

Rij = 1, если JAi/Bj > 0, и 0 в противном случае,

- составление матриц по максимальной сумме частот встречаемости явления (показателя радиоактивности) и фактора;

4) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с экологическими свитами аналогично предыдущей схеме;

5) создание каталога радиотолерантных биоиндикаторов с матрицами связей;

6) в дальнейшем процедура сводится к установлению типов режимов факторов, по актуальному типу режима фактора выполняется запрос в БД к каталогу радиотолерантных биоиндикаторов и матрицам связей, и на основе коэффициентов связи выбирается наиболее вероятное состояние явления – диапазон значений содержания или накопления радионуклида в конкретном биоиндикаторе, далее осуществляет расчет содержания радионуклидов в почве.

В качестве явления рассмотрены содержания (абсолютные значения) и коэффициенты накопления (отношение содержания в растении к содержанию в почве) радионуклидов по показателям ((, ((, 90Sr, 40К. В качестве факторов рассмотрены отклонения от оптимума по каждому из 10 факторов и для каждого из 49 видов растений. Рассчитано и проанализировано более 4000 матриц отношений. Блок схема показана на рисунке 6, где отображены возможности работы системы в 2-х режимах:1-ый - подбор эталонной территории, 2- ой прогноз содержания радионуклидов в биоиндикаторах и почве.

Система представляет собой аппаратно-программный комплекс, содержит базы данных о толерантности 2000 видов растений к 10 прямодействующим факторам среды, о состоянии более 116 объектов в диапазонах природных факторов в интервале широт 440 и 570 с.ш.; функционирует в режиме реального времени; позволяет осуществлять диагностику на любой территории в пределах лесной и степной зон; позволяет прогнозировать содержания радионуклидов в почве и растениях без отбора проб и выполнения измерений – только на основе визуального определения числа и обилия видов растений.

Система верифицирована в лесной зоне на тестовых территориях Клинско-Дмитровской гряды, Костромской области, Нижегородской области, Карелии, в степной зоне Волгоградской области, в ландшафтах Белогорья, в урбосистеме - ландшафтах Москвы. Проверка показала, что система предоставляет возможность однозначного прогноза (индикации) содержания радионуклидов в почве и растениях.

Система открыта для пополнения и обновления базы данных, что делает перспективным ее использование и для диагностики радиоактивно загрязненных земель, выведенных из хозяйственного использования. Такие территории представляют собой «радиационные заповедники» (Криволуцкий, 1999), на которых развиваются естественные природные процессы динамики экосистем с участием радионуклидов, такие земли становятся источником дополнительного переоблучения биоты и человека, требуют постоянного мониторинга и разработки мер по снижению опасности.

Рисунок 6- Блок-схема системы

Основные результаты диссертационной работы

1 Разработана концепция оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе взаимосвязанности природных процессов и осуществлена ее реализация в геоинформационных системах.

Взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной организационно-структурной форме слагаемых геосистем территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных. Радиоэкологическое состояние это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и ее отдельные компоненты. Радиоустойчивость биогеоценозов (экосистем) определяется нами как способность систем выдерживать радиационные нагрузки без нарушения типичной структуры и типичного функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями. 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

2. Разработана методология моделирования радиоэкологического состояния геосистем территории на основе ГИС технологий 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. Концепция реализована в геоинформационных системах с использованием методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме и представлена системой оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории в виде автономных модулей ГИС как совокупности аппаратно-программных средств, методов и информации, организованных в строго определенной последовательности процедур и этапов, таких как: распознавание геотопологической структуры территории по определителю сукцессионной системы путем выбора конкретного ботанико-географического района (БГР) и руководящих видов; распознавание парцелл с установлением характерного времени парцелл травостоя – как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы; определение возраста древостоя (при наличии в описании древостоя) для каждой из древесных пород по видовой принадлежности древесной породы, диаметру и высоте – как элемента геодинамической структуры; распознавание ЭК с определением характерного времени и возраста древостоя (при его наличии) – как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы; определение запаса фитомассы парцелл травостоя – как элементов функциональной структуры; определение максимального запаса фитомассы ЭК – как элементов функциональной структуры; осуществление расчета реального запаса стволовой древесины реальной экосистемы с учетом возраста древостоев – как элемента функциональной структуры; осуществление расчета содержания и запаса радионуклидов в биогеогоризонтах экосистемы – как элемента радиобарьерной структуры территории.

3. Разработана 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.

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 и природные системы, реализованную в виде модулей ГИС «Радиоэкологический стандарт территории». Разработан регламент критериев радиоэкологического стандарта территории, который в общем виде определяет набор параметров, характеризующих местоположение, состав, строение и функционирование территории как совокупности экосистем и содержит следующие позиции: позиционирование, видеопортрет, геоэкологическое описание, типы режимов факторов, геотопологическую структуру, радиационные характеристики, биобарьеры, дозы на биоту, индекс радиационной опасности. Разработан технологический регламент, определяющий перечень и последовательность процедур и операций, составляющих технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории и содержит следующие процедуры: создание цифровых карт основ, создание атрибутивных баз данных, оптимизация сети обследования путем наложения серии карт, создание крупномасштабных ЦКО территории, создание атрибутивных баз данных, проведение полевых работ, выполнение пробоподготовки, выполнение измерений, ввод информации в БД, выполнение расчетов и вычислений, разработка БД и ГИС, разработка радиоэкологического стандарта территории. Созданы модули ГИС «Радиоэкологический стандарт территории», которые содержат информацию о типичном радиоэкологическом состоянии территории в соответствии с ландшафтно-зональными условиями и представляют собой фундаментальную основу экологического нормирования природопользования.

Биобарьеры с накопленными радионуклидами, смоделированные на основе геодинамической и функциональной структуры территории в сфере воздействия ПХРО, 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.

4 Разработана концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализуемого 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.

Концепция базируется на фундаментальных знаниях:

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


загрузка...