Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природа радиоактивных эманации и методы и средства определения объемной активности радона 7
1.1 Природа радиоактивных эманации 7
1.1.1 Радоновое поле на территории г. Москвы 8
1.1.2 Радоновое поле на территории Подмосковья 13
1.2 Механизмы появления радона на дневной поверхности 15
1.3 Техногенные источники радона 18
1.4 Влияние радона на живые организмы 21
1.5 Измерение и идентификация радона, торона и продуктов их распада. Преимущества и недостатки различных способов измерения 27
Глава 2. Системный анализ существующих геоинформационных систем управления ресурсами окружающей среды 33
2.1 Общая структура ГИС и ее основные функции 33
2.2 Системно-технический анализ современных геоинформационных систем 36
2.1 Выбор геоинформационной системы 48
2.1.1 Геоинформационная система GeoBuildcr Pro 49
2.1.2 Система обработки растровой графики GeoBuildcr Mosaic 52
2.1.3 Система пространственного моделирования Geo Builder Matrix 52
2.2 Сервер внешней семантики 53
2.3 Использование ГИС для картографирования радиационной обстановки 56
Глава 3. Методика комплексного экологического мониторинга территорий Москвы и Московской области на радоноопасность 59
3.1 Область исследования 63
3.2 Структура базы радиоэкологических данных 65
3.3 Методика обработки данных экологического мониторинга аномалий радона на основе ГИС-технологий 67
Глава 4. Практическое применение современных ГИС-технологий для обработки данных пространственного распределения подпочвенных газов на примере радона.70
4.1 Проведение комплексных экологических исследований строительного участка но адресу: г. Москва, бульвар Маршала Рокоссовского, вл. 5-8 70
4.2 Проведение радиационных и гсорадиолокационных исследований на участке застройки коттеджного поселка Третья охота у дер. Поздняково Красногорского района Московской области 85
4.3 Схема пространственного распределения ГШР по территории г. Москвы 101
Заключение 103
Литература 104
- Радоновое поле на территории г. Москвы
- Общая структура ГИС и ее основные функции
- Структура базы радиоэкологических данных
Введение к работе
Актуальность темы. Радиационная обстановка на Земле за последние несколько десятилетий в связи с проведенными в 20-ом веке ядерными испытаниями, авариями на АЭС, захоронениями радиоактивных отходов и т.д. серьезно ухудшилась. Значительную экологическую опасность для человека и других живых организмов представляет также и измененный под воздействием геологических и антропогенных факторов естественный радиационный фон территорий, в первую очередь обусловленный выходом радона.
Большая значимость проблемы радона привлекает огромное внимание к рієй со стороны Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) и Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН). В России для оценки доз облучения населения от радона еще в 1994 году принята Федеральная целевая программа "Радон".
Пристальное внимание к радоновой проблеме обусловлено тем, что являясь коротко-живущим альфа-излучателем, он вносит значительный вклад во внутреннее облучение человека, вызывая рак легких, а также является признаком несанкционированных радиоактивных захоронений техногенного происхождения.
Особенно эта проблема актуальна в городах-мегаполисах, где развита промышленность, имеется большое число НИИ, работающих с источниками ионизирующего излучения на основе радия, таких как Москвы, Петербург, Екатеринбург и др.
Все это обусловливает актуальность проводимых на современном этапе широкомасштабных исследований по изучению пространственно-временных параметров распределения содержания радона, целью которых является оценка риска заболеваний населением и выбора определенных противорадоновых мероприятий, направленных на защиту населения от воздействия данного радиационного фактора.
Современный этап получения данных об экологических параметрах окружающей среды характеризуется большим объемом первичных данных, обработка, анализ и интерпретация которых представляет собой достаточно сложную задачу. Корректность решения этой задачи определяет в конечном итоге количество и ценность получаемой информации о пространственно-временном распределении проявляющихся динамических свойствах окружающей среды и ее влиянии на биосферу и человека.
Наиболее эффективным средством представления информации являются географические информационные системы (ГИС) различного предназначения. ГИС-технологии позволяют оперативно накапливать, анализировать, отображать на топографической основе данные различных экологических исследований.
Целью данной работы является разработка методики информационно-аналитического обеспечения обработки и картографического отображения данных, получаемых при экологическом контроле радоновых аномалий на территории Московского региона, и их интерпретация с привлечением результатов георадарной и газохимической съемки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие взаимосвязанные задачи:
анализ существующих, выбор и обоснование подходящей для данной цели ГИС;
контроль полей радона из грунта, анализ и обобщение полученной информации;
разработка и формирование базы данных по объемной активности радона в мегаполисе Москвы;
построение карт пространственного распределения объемной активности радона по территории Москвы;
выявление закономерностей появление повышенных значений концентрации радона в местах несанкционированных захоронений радиоактивных отходов и геологических аномалий.
Научная новизна и защищаемые положения:
разработана методика информационно-аналитического обеспечения экологического контроля аномалий радона на основе комплексирования методов измерения плотности потока радона (ППР), методов георадиолокаций и обработки полученных результатов с применением ГИС-технологий;
разработаны структура и алгоритм обработки результатов измерений полей плотности потока радона на основе ГИС-технологий;
методика построения пространственного распределения ППР на территории Московского региона;
алгоритм определения природы источников радона по выявленным радиационным и другим геофизическим аномалиям.
Практическая значимость работы:
разработана методика, позволяющая оперативно отслеживать изменения в радоновом поле на урбанизированных территориях по результатам проводимых радиационных исследований;
разработана методика построения тематических карт по результатам радиоэкологического мониторинга;
построена карта пространственного распределения плотности потока радона из грунта на территории г. Москвы;
разработана методика интерпретации аномалий плотности потока радона с использованием георадарных измерений;
основные результаты работы могут быть использованы для экологического мониторинга урбанизированных территорий.
Личный вклад. Автор принимал активное участие в проведении полевых экспериментов, участвовал в разработке базы данных, адаптировал ГИС GeoBuilder к решаемым задачам, разработал Сервер внешней семантики для ГИС, строил гипсометрические модели данных ППР по Московскому региону.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на 4-ой Всероссийской Научной конференции «Экологическая физика», Москва, 22-24 июня 2004 г. и на 1-ой Научно-практической конференции «Экология мегаполиса», Москва, 21 апреля 2006 г. и обсуждались на семинаре в Госприродоохранном центре Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.
Основные теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 6 работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из 4 глав, введения и заключения. Объем работы составляет 108 страниц, включая 30 рисунков, 10 таблиц. Библиография содержит 58 наименований.
Радоновое поле на территории г. Москвы
Изотопный состав каменноугольных пород определяется преобладанием в них карбонатов. В целом удельные активности ЕРН в этих грунтах невелики (табл.2.5), однако в известняках наблюдаются сравнительно высокие концентрации радионуклидов уранового ряда. Ак-тивность Ra достигает 35 Бк/кг, причем соотношение Ra/ Th составляет 5-7, a Ra/ U близко к 2. Отсутствие равновесия между ураном и дочерним радием, видимо, связано с близостью химических свойств радия и кальция, что приводит к их соосаждению из раствора в порах и трещинах пород. Большая активность К в мергелистых глинах, скорее всего, объясняется присутствием катиона калия в обменном комплексе глинистых минералов.
На размытой неровной поверхности каменноугольных пород залегают отложения юрской системы (J2-3). В основном это средне и верхнеюрские серые и черные плотные слюдистые глины с обломками фауны, сменяющиеся в верхней части глинистыми песками, с прослоями суглинков и глин с включениями фосфоритов. В долинах реки Москвы и ее притоков юрские отложения частично или полностью размыты, мощность их колеблется от первых метров до 20 м и более, глубина залегания невелика. В остальных районах кровля юрских пород залегает на глубинах 20-90 м, реже более 100 м, мощность составляет 40-60 м [25].
Для юрских пород характерны большие вариации концентраций ЕРН, особенно радионуклидов уранового ряда. В глинистой толще иногда встречаются прослои и линзы грунтов с аномально высокими концентрациями радия, что связано, скорее всего, с формированием на стадии диагенеза условий, благоприятных для концентрирования урана в донных осадках (восстановительные условия, присутствие органики, и т.д.) [41]. Как правило, такие прослои приурочены к черным плотным глинам, содержащим обломки аммонитов (остатки фауны). Активность 22 Ra в них может достигать 60-120 Бк/кг. Мощность активных прослоев - 0,5-3,0 м. Однако, в целом, вопреки распространенному мнению, активность радия в юрских глинах не превышает 25-30 Бк/кг и в среднем составляет 20,4 Бк/ кг, что соответствует средним значениям для глин. Доля образцов с высокими активностями радия составляет 20% от общего количества проб юрских глин. В верхней (песчаной) части толщи встречаются скопления фосфоритов, в Подмосковье они слагают крупное Егорьевское месторождение [21]. Фосфори-ты всегда содержат большое количество урана [41]. Удельная активность Ra в них достигает 400 Бк/кг.
Отложения мелового возраста (К), представленные песками тонко- и мелкозернистыми, пылеватыми, иногда с прослоями глин и алевритов, сохранились достаточно полно лишь в южной и юго-западной части города, где их мощность достигает 80 м. На остальной территории они были почти полностью уничтожены длительной эрозией и денудацией в кайнозойскую эру и сохранились лишь фрагментами. Изотопный состав этих грунтов довольно однороден, активности ЕРН близки к средним по Москве.
Венчает разрез толща четвертичных отложений (Qn-iv), на большей части территории города представленная переслаиванием моренных (ледниковых) суглинков, озерно-аллювиальных водно-ледниковых песков и супесей. В долинах рек Москвы и Яузы выделяются три надпойменные террасы, сложенные аллювиальными (речными) и озерными разнозернистыми песками. Отложения пойм представлены песками, в меньшей степени гравийно-галечниковыми грунтами, супесями и суглинками, часто заиленными, с прослоями и линзами торфов. В юго-западных и северных районах города моренные и водно-ледниковые отложения перекрыты покровными глинами, образующими чехол мощностью 1-4 м. Местами, в пределах древних озерных котловин, распространены озерно-болотные супеси и глины с прослоями сапропелита, торфа и мергеля. Общая мощность четвертичных отложений колеблется от 5-10 м до 35-40 м. В пределах древних доледниковых долин, выполненных озерно-аллювиальными песками, супесями и суглинками, мощность четвертичных пород достигает 50 м [25].
В целом максимальное содержание радионуклидов в четвертичных грунтах характерно для глин различного генезиса, минимальные концентрации радиоактивных элементов наблюдаются в песках и озерно-болотных мергелях. Однако аллювиальные пылеватые пески, слагающие пойму, за счет присутствия в них органики, глинистости и заиленности, часто содержат относительно высокие концентрации радионуклидов уранового ряда (до 25 Бк/кг, при среднем для песков 5-Ю Бк/кг.). Соотношение 232Th/226Ra в таких грунтах близко к 0,5. Аномально высокие активности22 Ra (до 75 Бк/кг) встречаются в гравийно-галечниковых грунтах и связанных с ними крупнозернистых песках, что объясняется присутствием в них гальки и гравия гранитов, для которых характерны относительно высокие концентрации урана [41].
Особое положение в разрезе занимают техногенные образования, представляющие собой перекопанные четвертичные породы, содержащие строительный и бытовой мусор, отходы производства, погребенные дорожные покрытия, остатки старых фундаментов, и т.д. Техногенные образования широко развиты в центральной части города, где мощность их в среднем составляет 4-6 м, реже более 10 м. На окраинах города мощность техногенных грунтов редко превышает 1-2 м [25]. Содержание ЕРН в насыпных грунтах, в основном, соответствует содержанию их в породах, слагающих насыпной грунт. Превышения содержания радионуклидов в техногенных грунтах по сравнению с их естественными аналогами могут указывать на наличие в этих грунтах радиоактивного загрязнения.
В результате проделанной работы были выявлены основные закономерности распределения естественных радиоактивных элементов в грунтах, слагающих верхнюю часть разреза г. Москвы. По особенностям распределения ЕРН в разрезе можно выделить ком п
плекс отложений каменноугольной системы, содержание радионуклидов в которых определяется их преимущественно карбонатным составом и перекрывающую их толщу мезозой-четвертичных песчано-глинистых пород, где решающим фактором в распределении ЕРН является дисперсность грунтов. Средние значения удельных активностей радионуклидов и диапазон их изменений в грунтах г. Москвы приведены в таблице 1.1. Аномально высокие концентрации радионуклидов уранового ряда (до 150 Бк/кг) наиболее часто встречаются в юрских глинах, где они сформировались за счет особых условий осадкона-копления, а также бывают приурочены к скоплениям фосфоритовых конкреций в верхневолжских песках верхней юры и кравийно-галечниковым горизонтам в четвертичных отложениях.
Общая структура ГИС и ее основные функции
ГИС комплектуются как графические станции, использующие разнообразные средства для ввода и отображения информации. Для организации ГИС с большими информационными массивами требуются мощные рабочие станции, возможно также использование выделенных серверов при организации многопользовательской сети.
В качестве устройств ввода графической информации могут использовать сканеры или дигидайзеры. В состав графической системы входит также монитор, причем его разрешение должно удовлетворять решаемым задачам.
Информационный блок (базы данных). Информационные массивы в ГИС объединяются в базы данных, доступ к которым обеспечивается СУБД. Основное назначение баз данных заключается в обслуживании информационных потребностей пользователя, а также поддержке системы моделей ГИС. В БД хранится не только фактологическая информация на определенный момент времени, но также начальные условия и коэффициенты уравнений модели, используемых в режиме имитационного моделирования.
Для поиска и выборки данных используются различные команды запросов пользователя. Использование или комбинирование различных команд дает возможность представлять результаты запроса в различном виде: табличном, графическом, картографическом. В зависимости от запроса, фактическая информация может быть дополнена статистически параметрами: средним значением, дисперсией и т. д.
Блок моделей. Данный блок включает программное обеспечение, предназначенное для различных операций по обработке данных. Поскольку ГИС строится как многоцелевая и многофункциональная информационно-моделирующая система, то в ее состав включаются пакеты прикладных программ, а также банк стандартизованных моделей.
Центральное место в ГИС занимает система автоматизированного картографирования. При организации ГИС могут быть использованы уже готовые модели или программные блоки, отвечающие требованиям решаемых задач. Стандартизация частных моделей, моделирующих отдельные свойства ландшафта или его компонентов (почва, растительность, миграция веществ в ландшафте) упрощает процедуру информационного обеспечения моделей, а главное, дает возможность использовать имеющийся опыт в области моделирования конкретных процессов в ландшафте при решении новых задач.
Важное место в ГИС отводится блоку экспертного моделирования и экспертных оценок. В данной части ГИС ведущая роль отводится эксперту, специалисту в конкретной предметной области. Работа данного подблока ГИС состоит в автоматизации традиционных методов анализа и синтеза геокологической информации, выполняемых экспертом на основе набора эмпирических правил.
Система управления диалогом пользователя. Функционирование ГИС как целостной системы обеспечивается системой управления диалогом пользователя. Данный блок осуществляет взаимосвязь между отдельными подсистемами ГИС, организуя диалоговое взаимодействие пользователя с системой. В зависимости от решаемой задачи выполняется автоматическая настройка ГИС на ее решение. Для этого из банка моделей выбирается необходимая модель, из информационного блока все необходимые данные.
Диалоговый режим ГИС рассчитан на пользователей различной степени подготовленности: прикладных программистов, аналитиков и исследователей и случайных пользователей. Для каждого типа пользователя выбирается свой уровень ведения диалога.
Так, для случайных пользователей общение с ГИС осуществляется с помощью системы команд, оформленных в виде «меню». Возможности взаимодействия пользователя с системой при таком типе диалога весьма ограничены. Для подготовленного пользователя (аналитика) обычно существует система макрокоманд, комбинирование которыми даст возможность решать многие задачи по взаимодействию пользователя с ГИС.
Блок оценки и принятия решений. Результаты работы ГИС анализируются в блоке оценки и принятия решений. Следует отметить, что система управления диалогом пользователя неразрывно связана с блоком оценки и принятия решений посредством формирования набора сценариев, выборов методов отображения (табличного, картографического) получаемых результатов.
Блок оценки, как и диалоговая система, рассчитан на различные режимы работы ГИС. Наиболее простой - использование ГИС как информационно-справочной системы, более сложный, касается разработки автоматизированной методики анализа результатов имитационного моделирования.
Выбор сценариев напрямую связан с оценкой геоэкологических ситуаций и во многом опирается на знание эксперта о наиболее типичных или вероятных условиях поведения изучаемого природного объекта под воздействием возмущающих факторов.
В современных системах контроля и управления качеством окружающей среды важное место занимает оперативность получения результатов машинного прогнозирования. Требуется в сжатые сроки просмотреть различные сценарии моделирования, проанализировать полученные результаты и предложить наиболее оптимальные управленческие решения, опирающиеся на результаты работы моделей ГИС.
Поскольку ГИС создаются как многоцелевые информационные системы, предназначенные для решения по управлению ресурсами окружающей среды, то в свой состав они включают модули для работы с массовой информацией по различным свойствам компонентов геосистемы.
Структура базы радиоэкологических данных
Базой данных (БД) можно назвать любую совокупность данных, если она отвечает трем основным требованиям: неизбыточность, исчерпывающая полнота и наличие структуры. Требование исчерпывающей полноты очевидно, оно означает, что при построении БД не должна быть забыта ни одна из единиц информации, которая может потребоваться при работе с содержащейся в базе информацией. Требование неизбыточности означает, что каждая единица информации должна присутствовать в БД лишь один раз. Под структурой БД понимают некую систему правил, позволяющих не только отыскать каждую запись или ее отдельные элементы, но и связать эти элементы между собой. Выделение структуры осуществляется в два этапа: выделение некоторого подмножества связей между данными и введение специальных средств, реализующих эти связи.
Любая БД всегда специализирована, поэтому эффективность ее использования во многом зависит от того, в какой степени выбранная структура отвечает потребностям пользователя или характеру его запросов. Таким образом, задача создания структуры данных есть не что иное, как задача выбора из всего множества связей, существующих между объектами, лишь некоторого их числа, которое и определит структуру. К структуре предъявляется требование открытости, т.е. возможность легко изменять как количество записей, так и логические связи между полями. В связи с необходимостью постоянного изменения и развития БД ее реструктуризация по мере добавления новых записей должна быть простой. Наличие хорошо организованной БД во много раз упрощает процессы обработки информации, а в отдельных случаях (очень большие объемы данных со сложной структурой) такие процессы вообще оказываются возможными лишь при наличии такой базы. С помощью БД можно задавать вопросы и получать ответы на вопросы, не предусмотренные заранее, а также выполнять работы по синтезу, необходимому для административного управления. Процесс принятия управленческих решений зависит от объема и качества информации. Чтобы предоставить необходимую информацию в определенное время лицам, которым разрешен доступ к ней, следует обеспечить соответствующий уровень проектирования и ведения БД. На рис. 3.2 представлена структура разработанной БД.
Структура базы представлена тринадцатью таблицами данных, связанных друг с другом определенными отношениями, также созданы формы для удобства занесения данных обследования, информация об участке проведения работ и сведения о заказчике.
В БД заносятся не только результаты радиационных исследований, но и информация о месте проведения измерений (административный округ и район), площадь участка измерений, дата проведения работ, также имеющаяся информация о заказчике и др.
Вводимые через специальную форму (рисунок 3.3) результаты измерений попадают в таблицу DataObsl.
![Методическое обеспечение экоаналитического контроля технологических сред в зонах предприятий по утилизации О-изобутил-S-[(2-диэтиламино)этил] метилтиофосфоната (RVX)](/i/i/4708/572659.png "Методическое обеспечение экоаналитического контроля технологических сред в зонах предприятий по утилизации О-изобутил-S-[(2-диэтиламино)этил] метилтиофосфоната (RVX) Густылева Людмила Константиновна")
