Содержание к диссертации
Обозначения и сокращения 4
Введение 5
Глава 1. Пространственная неоднородность физического загрязнения как
экологически значимый фактор 17
. . Основные особенности пространственной неоднородности экологических
условий в городской среде 17
Пространственная неоднородность радиационного загрязнения 23
Пространственная неоднородность шумового загрязнения 28
Пространственная неоднородность электромагнитного загрязнения 31
Электрические и магнитные поля промышленной частоты 33
Электромагнитные поля радиочастотного диапазона 36
1.5 Физическое загрязнение в условиях непроизводственных помещений 40
Факторы, формирующие радиационную обстановку 41
Факторы, формирующие акустическую обстановку 46
Источники электрических и магнитных полей промышленной частоты 49
Источники электромагнитных полей радиочастотного диапазона 54
. , Использование информации о пространственной неоднородности физического
загрязнения в задачах факториальной экологии и экологии человека 60
1.7 Выводы 73
Глава 2. Методы расчета пространственного распределения уровня
электромагнитного поля радиочастотного диапазона в окружающей среде.... 76
Статистические методы 77
Методы, основанные на геометрооптическом приближении 79
Метод, основанный на трассировке лучей 83
Метод вертикальных плоскостей 86
9, Метод конечно-разностного решения уравнений Максвелла во временной
области (FDTD) 88
Метод параболического волнового уравнения (ПВУ) 91
Выводы 96
Глава 3. Прогнозирование электромагнитной обстановки с использованием
геоинформационных систем 99
, . Практическая реализация прогнозирования электромагнитной обстановки в
условиях городской среды на базе геометрооптического приближения 99
Определение пространственного расположения траекторий
распространения электромагнитных волн при геометрическом представлении объектов окружающей среды 99
Расчет ослабления радиосигнала за счет потерь в свободном пространстве. 105
Моделирование эффектов отражения электромагнитных волн 105
3.1.4 Моделирование эффектов дифракции электромагнитных волн 106
, . , Расчет ослабления радиосигнала при прохождении сквозь объемы
' ' зеленых насаждений 109
, , Расчет суммарной величины электромагнитного поля в точке приема,
формирующегося несколькими лучами 109
Адаптация цифровой модели местности для проведения расчета величины
электромагнитного поля ПО
3.2.1 Исходная пространственная модель городского микрорайона 110
,, 7 Адаптация пространственной модели для проведения прогноза
электромагнитной обстановки 112
Использование средств ГИС в задачах прогноза электромагнитной обстановки,
визуализации результатов расчетов и обработки экспериментальных данных 117
3.4 Выводы 123
Глава 4. Обсуждение и анализ экспериментальных данных, полученных в ходе физико-экологического мониторинга жилого микрорайона и
непроизводственных помещений 125
Результаты изучения пространственной неоднородности электромагнитного поля
100 МГц на территории жилого микрорайона 126
Оценка точности прогноза уровня электромагнитного поля 100 МГц в условиях
городского микрорайона 133
Результаты изучения пространственной структуры электромагнитного поля 100 4.3 МГц внутри помещения в условиях проникновения радиосигнала сквозь оконный
проем 139
. . Результаты исследования пространственной неоднородности радиационной
обстановки на примере городского микрорайона 143
. , Результаты изучения пространственной неоднородности шумового загрязнения
на примере городского микрорайона 147
. , Результаты физико-экологического обследования помещений музея
Землеведения МГУ 151
4.7 Выводы 155
Заключение 158
Список литературы 162
Приложение 1. Основные электродинамические характеристики природных
и антропогенных сред 171
Приложение 2. Сведения о районе проведения экспериментальных
исследований 175
П2.1 Общие сведения о районе проведения исследования 175
П 2.2 Природные условия района проведения исследования 180
Приложение 3. Способы адаптации цифровых данных о пространственной
среде для использования в задачах физического моделирования 186
п, . Основные принципы пространственного моделирования в среде
геоинформационных систем 186
„, „ Способы адаптации цифровых данных о пространственной среде для
использования в детерминированных моделях физических процессов 189
П 3.2.1 Обеспечение пространственной согласованности и корректности данных... 189
П 3.2.2 Комплексирование метрики пространственных объектов 191
П 3.2.3 Комплексирование семантики пространственных объектов 194
Приложение 4. Методика проведения физико-экологического исследования
и состав измерительного комплекса 196
П 4.1 Методика проведения физико-экологического исследования 196
П4.2 Аппаратура контроля радиационной обстановки 200
П4.3 Аппаратура контроля шумового загрязнения 202
П 4.4 Аппаратура контроля величины магнитного поля промышленной частоты 203
п . . Аппаратура контроля интенсивности электромагнитных полей радиочастотного
диапазона 204
Приложение 5. Санитарно-гигиеническое нормирование физико-
экологических факторов 207
П 5.1 Санитарно-гигиеническое нормирование ионизирующих излучений 207
П5.2 Санитарно-гигиеническое нормирование шума 209
п., Санитарно-гигиеническое нормирование электрических и магнитных полей
промышленной частоты 210
п <- 4 Санитарно-гигиеническое нормирование электромагнитных излучений
радиочастотного диапазона 211
Обозначения и сокращения
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
Аэфф -эффективная удельная активность природных радионуклидов
Бк - Беккерель = 1 распад/сек (единица активности радионуклидов)
В/м - Вольт на метр (единица измерения напряженности электрического поля)
ГИС - географическая информационная система (системы)
дБ - децибел (логарифмическая единица разности уровней)
дБА - децибел по весовой шкале "А" (единица измерения уровня шума)
дБС -децибел по весовой шкале "С" (единица измерения уровня шума)
дБмкВ - децибел относительно уровня в 1 мкВ (единица измерения величины радиосигнала)
дБмВт (dBm) - децибел относительно уровня в 1 мВт (единица измерения мощности радиосигнала)
ЛЭП - линия электропередачи
МГСН - московские городские строительные нормы
мкВт/см - микроватт на сантиметр квадратный (единица плотности потока энергии электромагнитного поля)
мкЗв/ч - микрозиверт в час (единица измерения мощности эквивалентной дозы)
мкР/ч - микрорентген в час (единица измерения мощности экспозиционной дозы)
мкТл - микротесла (единица измерения магнитной индукции)
МП - магнитное поле
МТ - мобильный телефон
МУ - методические указания
МЭД - мощность экспозиционной дозы гамма излучения
НРБ 99 - нормы радиационной безопасности 1999 года
ПВУ - параболическое волновое уравнение
ПДК - предельно-допустимая концентрация
ПДУ - предельно-допустимый уровень
СанПиН - санитарные правила и нормы
СКО - среднеквадратическая ошибка
СМД/СМВ - сверхмалые дозы/сверхслабые воздействия
СН - санитарные нормы
УКВ - ультра короткие волны
э.д.с. - электродвижущая сила
ЭМП - электромагнитное поле
ЭМП ПЧ - электромагнитное поле промышленной частоты (в РФ 50 Гц)
ЭМП РЧ - электромагнитное поле радиочастотного диапазона
FDTD - Finite Difference Time Domain (метод конечно-разностного решения уравнений Максвелла во временной области)
FM - frequency modulation (частотная модуляция, стандарт радиовещания в диапазоне частот 88-108 МГц)
Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение возможностей современной антропогенно-измененной окружающей среды в полной мере выполнять функции среды обитания человека является одной из самых актуальных задач, стоящих перед человеческим обществом. Основными факторами, мешающими среде выполнять эти функции служат разнообразные опасные экологические факторы - химические, физические, микробиологические, часто приводящие к существенному ухудшению условий жизнедеятельности человека [1-4].
Объективная оценка экологической обстановки, в условиях неоднородных многокомпонентных сред, к которым можно отнести большинство антропогенно-измененных территорий, невозможна без адекватной информации о пространственной и временной изменчивости факторов окружающей среды, степени их опасности для здоровья человека, а также без моделирования как самой среды обитания человека, так и процессов взаимодействия с ней человеческого общества, под влиянием которых и происходит формирование экологической обстановки конкретных территорий.
На протяжении последних 10-15 лет во всем мире все большее распространение при оценке текущего состояния и прогнозе изменений в природных экосистемах и в человеческих популяциях получает концепция экологического риска [5-7]. Являясь междисциплинарным научным направлением, данная концепция направлена на прогнозирование вероятности (или ожидаемой частоты) развития неблагоприятных эффектов от действия факторов среды обитания человека. Концепция экологического риска включает в себя 2 основных элемента: оценку риска (risk assessment) и управление риском (risk management). Оценка риска - анализ генезиса и масштабов риска в конкретной ситуации; управление риском включает в себя анализ рисковой ситуации и разработку обоснованных решений (технологических, управленческих, медицинских), направленных на минимизацию риска.
Ключевой задачей при оценке риска, является изучение соотношения "интенсивность (доза) - эффект" между данным физическим (химическим) фактором окружающей среды и негативными биологическими последствиями. На сегодняшний день хорошо изучены только последствия достаточно сильных воздействий, многократно превышающих те, что встречаются в реальности [8 - 11]. Исследования слабоинтенсивного (т.е. фоновых и субфоновых интенсивностей) физического и химического воздействия обладают недостаточной статистической значимостью, а часто их результаты противоречивы и трудно сравнимы. Наиболее ярко это проявляется при проведении эпидемиологических исследований вблизи конкретных потенциально-опасных объектов, особенно на примере физического загрязнения среды. К общим недостаткам медицинских и санитарно-эпидемиологических методов и критериев оценки биологической опасности комплексного низкоинтенсивного воздействия на
человека в условиях окружающей среды (т.е. не в лабораторных условиях) следует отнести [12, 13]:
серьезную нехватку или практически полное отсутствие объективных данных о величинах индивидуальных/коллективных экспозиций (доз) по тому или иному фактору среды
практически полное отсутствие методик учета реальной пространственной неоднородности экологических факторов окружающей среды
отсутствие единых (стандартизованных) методов анализа данных, использование трудно проверяемой, в том числе косвенной (опросы, анкетирование) информации о состоянии здоровья населения
отсутствие информации о степени потенциальной опасности источников загрязнения, в том числе об относительной опасности в случае наличия нескольких источников (например, системы теле- и радиовещания и сотовой связи)
Также к общим методологическим недостаткам медицинских и санитарно-эпидемиологических методов изучения влияния экологических факторов можно отнести априорное представление о среде обитания человека как о регулярной или локально однородной среде. Однако на сегодняшний день, уровень изучения физических (химических) явлений в большинстве случаев выявил выраженный нелинейный характер их протекания и сложную нерегулярную пространственную структуру загрязнения. Особенно это характерно для физико-экологических факторов:
радиационного фона (особенно на уровнях близких к фоновым)
шумового загрязнения
электрических и магнитных полей промышленных частот (в России 50 Гц)
электромагнитных полей радиочастотного диапазона (30 кГц - 300 ГГц)
Поэтому описание этих феноменов, особенно при оценке их потенциальной опасности как для отдельного человека, так и для человеческих популяций, в принципе должно носить детерминированный характер. При этом степень детализации детерминированного описания экологических условий окружающей среды должна обеспечивать как учет пространственной неоднородности качества среды внутри базовых структурных единиц окружающей среды (например, для города это придомовые участки и дворы с размерами порядка 100 - 300 м, различные функциональных выделы внутри них с размерами 5 - 30 м, а также помещения протяженностью п-10 - п-1 м), так и обеспечивать возможность оценки интенсивности воздействия не только на основные структурные группы населения (выделяемые по возрастному, территориальному или профессиональному признаку) и стремиться к максимально возможному учету сильно вариативной индивидуальной чувствительности к
факторам окружающей среды, в том числе с применением калибровки моделей путем проведения натурных как медицинских, так и мониторинговых обследований с более высокой подробностью.
Особенно высокие требования к объективности и статистической репрезентативности данных как о фоновых показателях окружающей среды, так и степени ее загрязнения, предъявляют исследования биологической значимости сверхмалых доз и сверхслабых воздействий (СМД/СМВ) физических и химических факторов природного и антропогенного происхождения. Важность и актуальность этой проблемы особенно высока потому, что в большинстве случаев фоновые и около фоновые интенсивности экологических факторов, воздействующих на человека, можно отнести именно к категории сверхмалых и сверхслабых доз/воздействий [5,6,8].
Имеющиеся данные на сегодняшний день данные позволяют утверждать, что для СМД/СМВ физических и химических факторов характерна нелинейная зависимость биологических эффектов от величины дозы/воздействия [8]. Кроме того, для наиболее изученного в рассматриваемом отношении фактора окружающей среды - ионизирующих излучений выявлено, что воздействие СМД/СМВ может быть как крайне необходимым для поддержания жизнедеятельности организмов (например, при полной экранировке естественного радиационного фона происходит значительное угнетение жизненных процессов), так и приводить к значимым всплескам негативных биологических эффектов - появлению хромосомных аберраций, выходу клеток с микроядрами, злокачественным трансформациям и других эффектов, объединяемых под общим термином "гиперрадиочувствительность" [8, 14, 15]. Это предопределяет сложность проведения медико-биологических исследований СМД/СМВ, особенно, в части повышения статистической значимости их результатов, которая в наибольшей степени зависит от наличия объективных и достаточно детализированных в пространственно-временном отношении данных о реальных экологических нагрузках на население и другие биологические системы [9].
В связи с этим, повышение надежности и статистической значимости медицинских и санитарно-эпидемиологических исследований конкретных территорий/объектов/популяций возможно путем развития методов создания детерминированных высоко детализированных моделей окружающей среды, моделирования физических (химических) процессов в ней протекающих, условий жизнедеятельности человека, а также закономерностей функционирования систем человек - среда обитания. При этом одним из наиболее эффективных средств решения данной задачи, на сегодняшний день, является использование геоинформационных систем (ГИС) и технологий, которые позволяют преобразовывать информацию об окружающей среде и ее состоянии в массив структурированных
пространственно - координированных данных и проводить процедуры их формального и неформального анализа. Кроме того, геоинформационные системы обеспечивают приемлемые затраты ресурсов на создание, корректировку, хранение, верификацию и вычислительную обработку созданных моделей, в том числе включающих чрезвычайно большое число элементов и связей между ними.
Основной задачей при управлении экологическим риском является обеспечение возможности прогноза в сложных многокомпонентных экологических системах, к которым можно отнести большинство мест пребывания человека. При этом в качестве критериев обоснованности принятия тех или иных решений, направленных на минимизацию риска для жизни и здоровья населения, все большее распространение получают ряд принципов, изначально разработанных для обеспечения радиационной безопасности, но в настоящее время применяющихся в задачах электромагнитной и акустической экологии [9,16,17]:
Принцип оптимизации (optimisation principle) - требует, чтобы степень воздействия на окружающую среду/человека любого источника загрязнения была снижена настолько, насколько это позволяет совокупность технических, экономических и социальных факторов.
Принцип ограничения экспозиции/дозы (dose-limitation principle) - устанавливает пределы воздействия экологических факторов на индивидуумов, в том числе с учетом кумулятивного эффекта. При этом экспозиция (доза) конкретного человека не должна превышать установленных пределов, даже если за счет этого коллективная экспозиция (доза) может быть уменьшена.
Принцип предосторожности (precautionary principle) - устанавливает принцип презумпции опасности экологических факторов. Т.е. даже при отсутствии окончательных данных о степени опасности фактора или определенной его интенсивности, действия должны быть направлены на снижение его влияния на человека, для минимизации потенциальных негативных биологических эффектов.
Актуальность изучения физического загрязнения среды связана с тем, что до настоящего времени физико-экологические факторы подробно изучались преимущественно в условиях лабораторий, тестовых полигонов и ряде узко специализированных производственных сфер (атомной энергетике, при обеспечении работы СВЧ установок, систем радиолокации, в ряде отраслей медицины и т.д.), при этом в рамках гигиенических исследований практически не проводилось объективной оценки реального распределения фоновых и около фоновых интенсивностей физических полей [9,10,13].
Поэтому на сегодняшний день принципиально важную роль для физико-экологических исследований играют достижения таких наук как экологическая геофизика, физика окружающей среды, физика атмосферы и др. Например, в работах [18,19] показано, что методы экологической геофизики являются эффективными (а часто и единственными из практически реализуемых) при прогнозе и предотвращении стихийных бедствий, обеспечении экологической безопасности градостроительства и создании потенциально-опасных объектов (АЭС). При этом одним из сквозных методов исследования, обеспечивающих получение объективной физической информации (в том числе в местах недоступных прямому изучению -толща земной коры, атмосферы), является экспериментальное изучение пространственной структуры физических полей как природного, так и антропогенного происхождения [20, 21], а также методы дистанционного экологического и геофизического мониторинга [22,23].
Также в отличие от традиционных санитарно-гигиенических работ, геофизические исследования являются комплексными, в том числе, включающими изучение влияния физических полей на экосистемы, человека, а кроме того процессы пространственного распределения и переноса загрязняющих веществ и взаимодействия физического (теплового, электромагнитного) загрязнения с физико-географической средой [18]. Отдельно следует отметить, что практически только в рамках геофизических исследований разработаны и используются научные способы поиска, локализации и изучения причин возникновения экопатогенных зон (также называемых геопатогенными) и методы компенсации их воздействия [21]. Таким образом, можно сделать вывод, что комплекс накопленных геофизикой, физикой окружающей среды (атмосферы, гидросферы) знаний, методов исследования (особенно пространственной структуры физических полей) являются основной теоретико-методологической базой физико-экологических исследований.
Обработка и интерпретация данных как экспериментальных исследований, так и результатов прогноза с точки зрения их экологической значимости для окружающей среды и особенно для человека, т.е. в задачах количественной оценки экологического риска, также является весьма актуальной проблемой. При этом основной трудностью является обработка сложной информации различной физической природы, количественных и качественных, пространственных и непространственных данных. Очевидно, что решение этой задачи возможно только при использовании методов системного анализа, включающих в себя определение структуры и взаимосвязей компонентов окружающей среды, их математическое моделирование, оптимизацию структуры используемых алгоритмов и массивов данных [24].
Одними из наиболее важных для физико-экологических исследований являются методы количественной оценки устойчивости экологических систем, учитывающие их пространственную структуру, обеспечивающие максимально возможную пространственную
декомпозицию результатов оценки (на региональном, субрегиональном и локальных уровнях), а также адаптированные для учета фоновых и субфоновых колебаний интенсивности факторов окружающей среды. Подтверждением этому служат результаты работ [25 - 27]. В частности, в [25] детально разработаны понятия "устойчивости" и "упругости" экосистем как с экологических позиций, так и с точки зрения математического моделирования, в [26, 27] определены специальные методы агрегирования и обобщения данных, позволяющих получить одночисловые оценки - индексы устойчивости территорий, базирующихся как на относительной чувствительности отдельных экосистем, так и на их площади, т.е. на базе их пространственной структуры.
Для практической реализации принципов объективной количественной оценки экологической обстановки и их дальнейшей адаптации, например для задач факториальной экологии, очевидно, требуется не только наличие моделей окружающей среды с информацией о пространственно-временной структуре экологических полей, но интеграция в них моделей источников загрязнения и процессов его распространения с учетом локальных особенностей территории. При этом одним из основных условий применимости методов и алгоритмов расчета является возможность проведения детальной пространственной декомпозиции их результатов, в том числе для определения границ зон влияния конкретных потенциально опасных объектов в зависимости от их расположения и технических характеристик.
Такой подход позволяет проводить корректный прогноз механизмов функционирования и ожидаемых изменений в экологических системах человек - окружающая среда, в том числе при наличии большого числа источников загрязнения в пространственно-сложных условиях, например, в городской среде со сложной трехмерной структурой и пространственной организацией территории.
Осуществление процедур прогнозирования возможно с использованием экологических цифровых проблемно-ориентированных моделей окружающей среды, которые могут быть сопряжены со специализированным программным обеспечением, проводящим расчеты с применением соответствующих математических алгоритмов. Это достигается благодаря совместимости геоинформационных систем со стандартными средами разработки программ и с интерфейсами программирования, что позволяет создавать программные продукты как в виде модулей расширения ГИС, так и независимых программных модулей, работающих во взаимодействии с базовым приложением.
Цели и задачи исследования. Основной целью исследования является разработка методов прогнозирования величины электромагнитного поля в диапазоне частот 100 - 300 МГц (метровый диапазон длин волн) на расстояниях до нескольких километров от источника
излучения на высоте 1,5 - 2,0 м от земли с пространственным разрешением не хуже 30 - 50 м, а также методов экспериментальной оценки пространственной неоднородности электромагнитного загрязнения в условиях города. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Определить границы применимости и эффективности методов расчета пространственного распределения уровня электромагнитного поля радиочастотного диапазона в условиях города для выявления наиболее корректных способов учета многолучевого распространения радиосигнала, позволяющих производить детальную пространственную декомпозицию результатов расчета и реализуемых на стандартных вычислительных мощностях.
Разработать способы адаптации цифровых проблемно-ориентированных моделей местности для использования в задачах прогнозирования электромагнитной обстановки с привлечением стандартных пространственно - координированных данных и функциональных возможностей геоинформационных систем (ГИС).
Провести анализ причин возникновения пространственных неоднородностей физико-экологических факторов в условиях города и жилых/общественных помещений, определить их масштабы и величины градиентов.
Провести экспериментальное изучение пространственной неоднородности электромагнитного загрязнения окружающей среды в условиях городского микрорайона и непроизводственных помещений, и на основе полученных данных оценить точность прогноза уровня электромагнитного поля, в том числе при различных условиях распространения радиоволн и расстояниях от источника радиосигнала.
Объект исследования. Объектом исследования являются физические процессы, формирующие пространственную неоднородность электромагнитного загрязнения, методы их математического моделирования, а также способы создания цифровых моделей окружающей среды и обработки пространственно - распределенных экспериментальных данных.
Предмет исследования. Предметом исследования являются:
границы применимости методов математического моделирования распространения радиоволн в условиях города
способы моделирования пространственных объектов в среде геоинформационных систем
способы преобразования и структурирования метрико-семантической информации о пространстве и пространственных объектах
способы адаптации пространственных моделей, обеспечивающие возможность прогноза электромагнитной обстановки в радиочастотном диапазоне в среде ГИС
способы проведения высоко детализированного физико-экологического мониторинга городских территорий и непроизводственных помещений, обработки и интерпретации полученных в его ходе экспериментальных данных
Методы исследования. При проведении научно-исследовательской работы были использованы следующие методы исследований:
методы математического моделирования
методы пространственного моделирования среды на базе геометрического (векторного) и растрового представления данных о пространстве
методы пространственно - ориентированного математического анализа цифровых пространственно - координированных данных
методы математической статистики
методы математической интерполяции/экстраполяции
метод натурных рекогносцировочных обследований, с применением топографо-геодезических измерений
методы натурных измерений параметров физических полей
Информационная база исследования. Информационную базу исследования составили:
публикации в научных журналах, монографиях, материалы научных конференций и другие литературные источники
отчеты по научно-исследовательским работам, проводившихся с участием автора
результаты экспериментальных исследований и измерений, проведенных автором лично
Научная новизна исследования. Усовершенствованы существующие и разработаны новые подходы к объективной оценке, моделированию, анализу причин возникновения и прогнозу пространственной неоднородности электромагнитного загрязнения окружающей среды в диапазоне 100 - 300 МГц в условиях города с использованием функциональных возможностей геоинформационных систем:
1. Разработаны новые подходы к созданию детерминированных моделей распространения радиоволн в среде геоинформационных систем, основанные на формировании объектно-ориентированной, цельной и топологически - определенной структуры в массивах цифровых пространственно - координированных данных.
Проведен подробный анализ границ применимости методов расчета пространственного распределения уровня электромагнитного поля радиочастотного диапазона в условиях города с точки зрения возможностей пространственной декомпозиции результатов расчетов, учета многолучевого характера распространения сигнала и реализуемости в системах пространственного моделирования.
В среде геоинформационной системы ArcView впервые реализованы процедуры прогнозирования местоположения и анализа причин возникновения зон с неблагоприятной экологической обстановкой в условиях многолучевого распространения радиоволн в пространственно сложной городской среде на базе геометрооптического приближения. Среднеквадратическая точность прогноза составила от 3 - 5 дБ до 8,5 дБ.
Развиты и экспериментально подтверждены новые представления о среде обитания человека, как о среде с высокой локальной неоднородностью экологических условий. Проведен анализ причин возникновения пространственных неоднородностей физико-экологических факторов в условиях города и жилых/общественных помещений, определены их масштабы и величины градиентов.
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены автором лично, либо в соавторстве при непосредственном его участии. В работах, написанных в соавторстве диссертанту принадлежит участие в постановке задаче, определении методов ее решения, создании и адаптации пространственных моделей, проведении натурных экспериментов и интерпретации их результатов.
Практическая значимость исследования. Результаты проведенной научно-исследовательской работы могут быть использованы в следующих сферах практической деятельности:
При разработке методических руководств по проведению и организации комплексного многофакторного экологического мониторинга городских территорий и непроизводственных помещений.
При определении экспозиций (доз) по экологическим факторам при проведении эпидемиологических и медицинских исследований.
Планировании и экологической сертификации радиопередающих объектов в условиях плотной многоэтажной застройки, в том числе при большой плотности их расположения
К* Прогнозе изменений электромагнитной обстановки при увеличении/уменьшении мощности, расположения и иных характеристик действующих радиопередающих
объектов, в том числе при разработке мер по снижению уровня экологической нагрузки на население
Апробация результатов исследования и публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 11 публикациях, в том числе в разделе коллективной монографии, в 4-х статьях в научных журналах - "Наукоемкие технологии", "Нелинейный мир", "Вестник Московского университета" (серия география) и журнале "ArcReview" и препринте. Ниже приведен перечень публикаций в которых опубликованы основные результаты диссертации:
Сухоруков А.П., Дудов Р.А., Королев А.Ф., Потапов А.А., Турчанинов А.В. Квазиоптические методы в задачах моделирования распространения радиоволн вдоль поверхности Земли //Нелинейный мир. - 2005. — № 1-2 — Т. 3 — С. 107 — 115.
Королев А.Ф., Краснушкин А.В., Потапов А.А., Турчанинов А.В. Возможности геоинформационных технологий в анализе больших объемов слабоструктурированной физико-экологической информации //Наукоемкие технологии. - 2005. - № 1 - Т. 6 - С. 42 -
47.
Воробьева Т.А., Краснушкин А.В., Потапов А.А. Изучение и картографирование физического загрязнения городской среды //Вестник Московского университета. Серия 5. География. - 2005. - № 4 - С. 35 - 39.
Потапов А.А. Система ArcGIS в задачах комплексного физико-экологического обследования помещений //ArcReview - 2004. - № 4 (31). - С. 13.
Краснушкин А.В., Денисенко О.В., Марголина И.Л., Потапов А.А. Экология жилища -новое направление в геоэкологии и природопользовании //География, общество, окружающая среда. Том III: Природные ресурсы, их использование и охрана /Под ред. проф. А.Н. Геннадиева и чл.-корр. РАН Д.А. Криволуцкого. М.: "Издательский дом Тородец", 2004.-С. 117-122.
Потапов А.А. Пространственная неоднородность физического загрязнения как экологически значимый фактор. Препринт. М.: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006. - 54 с.
Потапов А. А. Применение ГИС в физико-экологическом мониторинге помещений //Тезисы докладов четвертой всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)". М.: МГУ, 2004 - С. 206 - 207.
Краснушкин А.В., Потапов А. А. Учебный физико-экологический практикум //Тезисы докладов четвертой всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)". М.: МГУ, 2004 - С. 227 - 228.
Потапов А.А. Электромагнитная безопасность населения, проживающего в непосредственной близости от ЛЭП, на примере ЮЗАО г. Москвы //Сборник тезисов докладов по материалам Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2001", секция Географии /Отв. редактор доц. А.Н. Иванов. М.: МГУ, 2001 - С. 97.
Потапов А.А. Изучение физико-экологических факторов в пределах типичного жилого микрорайона на территории ЮЗАО г. Москвы //Сборник тезисов докладов по материалам XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов -2004", секция Географии /Отв. редактор доц. А.Н. Иванов. М.: МГУ, 2004 - С. 105.
11. Потапов А.А. Физико-экологическое обследование жилых и общественных зданий с применением геоинформационных технологий (на примере Музея Землеведения МГУ) //Материалы секции музееведения конференции "Ломоносовские чтения'УПод редакцией С.А. Ушакова, И.А. Ванчурова, В.Г, Ходецкого. М.: МГУ, 2004 - С. 44 - 45.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII и XI международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2001" и "Ломоносов - 2004", на заседаниях международной конференции "Ломоносовские чтения 2004" и на IV Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика) 2004" (секции "прикладные аспекты экологической физики" и "вопросы экологического образования"), а также на семинарах Центра гидрофизических исследований и кафедры биофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Основные положения, выносимые на защиту:
В среде геоинформационных систем возможно создание цифровой проблемно-ориентированной трехмерной модели городской среды, обеспечивающей проведение прогноза пространственного распределения уровня электромагнитного поля в диапазоне частот 100 - 300 МГц и процедур физико-экологического мониторинга с пространственным разрешением 5 - 10 м и менее.
Геометрооптические методы расчета пространственного распределения уровня электромагнитного поля радиочастотного диапазона в наилучшей степени позволяют:
моделировать многолучевое распространение радиосигнала
производить расчеты с любым пространственным разрешением (до 5-Ю м и менее), в том числе с варьирующимся по изучаемой территории
производить идентификацию конкретных объектов местности, влияющих на распространение радиоволн
могут использоваться при геометрическом описании объектов городской среды, принятом при создании цифровых моделей местности
нетребовательны к вычислительным ресурсам
обладают высокой точностью расчета (среднеквадратическая ошибка 5-8 дБ)
3. Корректная детерминированная модель многолучевого распространения
электромагнитного загрязнения в диапазоне 100 - 300 МГц, использующая
геометрооптическое приближение, включает в себя моделирование эффектов отражения
электромагнитных волн от вертикальных плоскостей строений и земли, дифракции
электромагнитных волн на вертикальных и горизонтальных кромках зданий, а также
расчет затухания электромагнитной волны в свободном пространстве и в массивах зеленых насаждений. При этом вертикальные стены домов рассматриваются как зеркала, коэффициент отражения от которых зависит от электродинамических свойств поверхности.
4. Экспериментальные исследования позволили оценить среднеквадратическую точность прогноза ЭМП 100 МГц, которая составила от 3 - 5 дБ до 8,5 дБ, и выявили наличие перепадов поля с амплитудой более 5 дБ на расстояниях:
80 - 200 м для открытых участков местности
30 - 50 м для территории с плотной многоэтажной застройкой, а также
наличие зон резких перепадов (до 15 - 20 дБ) поля на расстояниях 10 -15 м в зонах перехода радиотень/оптическая видимость антенн и уровень земли/8 - 14 этаж здания
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 5-ти приложений. Общий объем диссертации - 170 страниц, приложений - 42 страницы. Общее число рисунков в работе - 84, таблиц - 50. Список литературы включает в себя 160 наименований.
