Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Концепция оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий: научные основы и технические решения 12
Глава 2 Методология оценки радиоэкологического состояния 57
2.1 Общие положения 57
2.2 Методы и модели оценки радиоэкологического состояния (системы алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации) 75
2.3 Система оценки геоэкологической структуры территории 103
2.4 Система оценки геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории (ГД и ФС) 114
Глава 3 Методология радиоэкологической стандартизации территории как основа диагностики радиоэкологического состояния 157
Глава 4 Методология прогнозирования радиоэкологического состояния территорий 330
Основные результаты диссертационной работы 361
Литература 367
- Концепция оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий: научные основы и технические решения
- Методы и модели оценки радиоэкологического состояния (системы алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации)
- Методология радиоэкологической стандартизации территории как основа диагностики радиоэкологического состояния
- Методология прогнозирования радиоэкологического состояния территорий
Введение к работе
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 (Источники и эффекты ионизирующего излучения. Отчет НКДАР ООН, 2000). Таким образом, методология оценки радиоэкологического состояния территории и слагающих ее природных и геотехнических систем определяется совокупностью методов, развиваемых в геоэкологии, географии, биогеоценологии. Радиоэкологическое состояние природных и геотехнических систем – это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора. Радиационный фактор характеризуется двумя показателями – дозой и активностью (числом распадов) радионуклидов, следовательно, радиотолерантность как диапазон выносливости вида по отношению к радиационному фактору также характеризуется двумя показателями - дозой и активностью радионуклидов в объекте. Первый показатель доза - чаще всего используется при оценке радиочувствительности организма, критерием является смертность. Второй показатель – активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. 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.
Поэтому 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.
Актуальность темы исследования определена необходимостью создания системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории для обеспечения рационального природопользования, оценки качества природной среды, радиационной безопасности, радиационной защиты окружающей среды и населения.
Такая система необходима предприятиям атомной промышленности, деятельность которых регламентируется рядом нормативных документов (НРБ-99, ОСПОРБ-99 и др.). Однако эти нормы и правила не устанавливают допустимые концентрации радионуклидов в природных средах, которые являлись бы эталоном сравнения при радиационном контроле. Приводятся лишь ограничения по дозе облучения населения. Связано это с недостаточным количеством информации и сложностью её получения.
В Публикации 91 МКРЗ (ICRP..., 2003, Основные принципы..., 2004) показано, что для защиты биосферы уже недостаточно следовать устоявшемуся более полувека антропоцентрическому принципу, согласно которому защита биосферы гарантирована и обеспечена защитой человека. Смене парадигмы радиационной защиты послужили накопленные данные в период после Чернобыльской аварии. Подчеркивая сложность биосферы и ограниченность имеющихся знаний, МКРЗ в Публикации 91 (ICRP..., 2003, Основные принципы..., 2004) считает целесообразным изучение референтных животных и растений с оценкой потенциальных доз от распределенных радионуклидов на территориях, особо подчеркивая необходимость изучения воздействий на уровне сообществ и экосистем. Выделение и изучение референтных животных и растений связано с особой проблемой – проблемой экстраполяции данных, так как радиационные эффекты у биологических объектов неоднозначны, объекты сильно различаются по радиочувствительности, то есть проблемы становления новой системы радиационной защиты окружающей среды требуют и разработки новой методологии. Основой такой методологии могут стать методы и системы биоиндикации, построенные на реакции биотических систем разных уровней на воздействие. Преимущество методов биоиндикации доказано широким использованием их для оценки полей миграции вредных веществ, общей загрязненности территорий, экологического состояния, а также для прогноза развития сообществ.
Цель настоящего исследования – разработка концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе взаимосвязанности природных процессов и ее реализация в геоинформационных системах.
Основные задачи:
1) Разработать принципы и критерии оценки радиоэкологического состояния территории на основе методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме. Разработать систему и создать модуль ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории».
2) Разработать принципы и критерии установления радиоэкологического стандарта территории как основы диагностики радиоэкологического состояния в виде типового радиоэкологического состояния и типовых уровней радиационных параметров на пробных площадях в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями. Разработать систему и создать модуль ГИС «Радиоэкологический стандарт территории».
3) Разработать принципы и критерии прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности территории. Разработать систему и создать модуль ГИС
Методика. В основе сбора и обработки информации лежит применение современных технологий и методов. Применялась ГИС-технология, включающая следующие этапы: создание базы данных в программной среде СУБД Microsoft Access 97, обработку информации с применением оригинальных авторских программных разработок, цифрование карт-основ средствами Arc/Info, MapInfo, генерирование электронных карт и создание электронных атласов в программной среде SPANS GIS , SPANS MAP. Планирование экспериментов и выполнение полевых работ осуществлено с использованием ГИС технологий на основе реализации пяти основных географических принципов: репрезентативности в пространстве, репрезентативности во времени, достоверности, возможности экстраполяции, возможност повтора другими исследователями. Отбор проб и пробоподготовка осуществлялись по стандартизованным методикам, применяемым на ГУП МосНПО «Радон». Радиометрические и радиохимические анализы проведены в аттестованных лабораториях ГУП МосНПО «Радон» по аттестованным методикам.
Материалы. Для соблюдения зонального географического принципа и концепции зональных биомов были выбраны следующие регионы исследования: Европейская территория России (профиль в зональном спектре хвойно-широко-лиственных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей, южных степей), Костромская область (экосистемы южной тайги и хвойно-широколиственных лесов), республика Карелия (экосистемы тайги), заповедник «Белогорье» (экосистемы широколиственных лесов, лесостепей, степей)., Нижегородская область (экосистемы южной тайги, хвойно-широколиственных лесов), Волгоградская область (экосистемы степей, полупустынь), Мурманская область (экосистемы тайги, лесотундры, тундры); Подтатранский район Карпатской горной страны в Словакии (экосистемы в ряду высотной поясности); уезд Сыпин провинции Гирин Китая (экосистемы степей). Все материалы по Европейской территории России и отдельным регионам, Словакии и Китаю собраны автором в составе экспедиций Центра эколого-географических разработок (ЦЭГР) ГУП МосНПО «Радон» в 1997-2007 гг.
Научная новизна и теоретическая значимость заключается в разработке нового научного направления – методологии радиоэкологической стандартизации территории на основе геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории, позволяющей решать крупную народнохозяйственную задачу, а именно: осуществлять эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу и природные системы. Новизна состоит в совершенствовании методов исследования объектов геоэкологии и подтверждена новыми знаниями о радиотолерантности 574 видов растений. Автором впервые собраны и приведены данные радиоэкологического состояния типичных фоновых экосистем в зональном спектре; определена и установлена зональная радиотолерантность биоиндикаторов; проведена оценка радиоэкологического состояния экосистем европейской территории России, Словакии, уезда Сыпин Китая; созданы геоинформационные системы на районы исследований. Впервые создана база данных сопряженных параметров радиационного и геоэкологического состояния территорий. Впервые разработана и создана компьютерная система оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территорий. Впервые разработана и создана система радиоэкологических стандартов территории, определяемых как типовое радиоэкологическое состояние и типовые уровни радиационных параметров на пробных площадях в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями. Впервые разработана и создана компьютерная система прогнозирования радиометрических показателей без проведения пробоотбора на основе выявления связей природных факторов с накопительной способностью растений.
Практическое значение работы заключается в разработке методических принципов оценки радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов и создании модулей ГИС как инструментария оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории, позволяющего получать результаты без выполнения радиометрических измерений.
Результаты исследования внедрены в практику природопользования при обращении с радиоактивными отходами в виде составных модулей баз данных и СУБД и использованы при разработке технологии оперативного картографирования, технологии биомониторинга радиоэкологического состояния, технологии радиоэкологической сертификации качества среды, технологии создания биогеоценотических барьеров, развиваемых в ЦЭГР ГУП МосНПО «Радон».
Результаты исследований в виде отдельных модулей ГИС внедрены в системы природопользования при обращении с радиоактивными отходами в спецкомбинаты «Радон» на территории РФ: Волгоградский и Нижегородский.
Получены 35 заявок на выполнение работ по внедрению и созданию ГИС технологий от 9 ФГУП СК «Радон» на период 2008-2015 гг.
Результаты исследования использовались при выполнении проектов:
Программы Правительства Москвы за 1999- 2008 гг.: «Программы совершенствования средств и методов производства при обезвреживании РАО в ГУП МосНПО «Радон»;
Федеральной «Программы оказания ГУП МосНПО «Радон» научной, практической и технической помощи ФГУП спецкомбинатам «Радон» на 2006-2008 гг.»,
Федеральной целевой программы «Интеграция» (проект М0226) на географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в период 1997-1999 гг.
Методические разработки использованы в международном российско-китайском проекте по исследованию уезда Сыпин и города Сыпин в Китае, в практических занятиях студентов естественно-географического факультета Бурятского государственного университета.
На защиту выносятся положения:
1. Концептуальные основы взаимосвязанности природных процессов с оценкой, диагностикой и прогнозированием радиоэкологического состояния территорий.
2. Методология моделирования радиоэкологического состояния на основе ГИС технологий с разработкой системы оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории.
3. Методология радиоэкологической стандартизации территории как основа 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 технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории.
4. 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.
Личный вклад автора. 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.
Апробация работы. Результаты работы доложены на региональных и международных симпозиумах: «Present and Historical Nature-Culture Interactions in Landscapes (Experiences for 3 rd Millenium)» (Прага, 1998), на международном российско-китайском семинаре (Чанчунь, Китай, 1997), в международной российско-китайской экспедиции (уезд и город Сыпин, Китай, 1999), на международном симпозиуме «Ядерные аварии..» (Москва, 2000), международном симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (Екатеринбург, 2000), Международном симпозиуме по биоиндикаторам (Сыктывкар, 2001), на международных симпозиумах «Инженерная экология» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2007), на международном симпозиуме «ПРОБЛЕМЫ ЭКОИНФОРМАТИКИ» (Москва, 2006), на III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), на II Международной конференции «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения» (Курчатов, 2005), на V Международной биогеохимической школе «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2005), на IV международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2006), на Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва, 2006), на XXIII International Cartographic Conference (Moscow, 2007), заседаниях Центра эколого-географических разработок ГУП МосНПО “Радон”.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: монографий - 2, карта – 1, статей в рецензируемых журналах – 4, статей в журналах Перечня ВАК – 8. Результаты работы вошли в 32 отчета по темам НИР ГУП МосНПО «Радон».
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 318 наименований. Объём работы составляет 368 страниц, включая 261 рисунок, 81 таблицу.
Концепция оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий: научные основы и технические решения
Под радиоэкологическим состоянием понимается функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и на ее отдельные компоненты.
Под радиационным фактором понимается радиационный фон на территории, в пределах которой существует и развивается природная или геотехническая система.
Радиационный фон территории складывается из природного радиационного фона и радиоактивного загрязнения, обусловленного антропогенным фактором.
Природный радиационный фон - это естественная радиоактивность, свойственная биосфере Земли. Он является необходимым условием существования биосферы, которая возникла и развивалась в условиях этого фона.
Источники радиационного фона разделяются на: внешние, находящиеся за пределами живых организмов, и внутренние, поступившие в организмы тем или иным путем. Внешние источники природного радиационного фона имеют как земное, так и космическое происхождение. Космическое излучение обусловлено изотопами 1 С и Н. Составляющая внешнего радиационного фона, обусловленная естественными радионуклидами, создается, в основном, радионуклидами, входящими в ряды распада урана и тория, а также калием (40К). В среднем принимают, что эта составляющая приближенно создается на 40% торием с продуктами распада, на 25% - ураном с продуктами распада и на 35% калием (Алексахин, 1982).
Среднее содержание этих элементов в почвах России составляет: урана -1,5 мг/кг, тория - 6,5 мг/кг, калия - 1,2%. Это соответствует средней у-активности осадочных пород 10-12 мкР/ч (0,12 мкЗв/ч) (Болтнева и др., 1980).
Природный радиационный фон неодинаков на разных участках земной поверхности и зависит от концентрации U, Th, К в подстилающих почвы породах. На земле существуют локальные участки, а нередко и крупные территории, где высокий радиационный фон обусловлен природными причинами. Локальные участки могут быть связаны с выходами радиоактивных подземных вод, зонами разломов, ореолами рассеяния радиоактивных и редкометалльных месторождений. Поэтому при оценке природных, либо техногенных аномалий необходимо сравнивать полученные данные с региональным фоном, а не с кларком для земной коры (Титаева, 2001).
Внутреннее облучение организмы получают от 40К, 14С, 226Ra, 228Ra и дочерних продуктов распада радия (Даниленко, Шевченко, 1981, Романов. 1993).
В результате испытаний ядерного оружия поступило в атмосферу и выпало на земную поверхность 9 МКи Sr и 14 Мки Cs. Эти радиоактивные изотопы составили так называемое глобальное загрязнение поверхности Земли (Рамад, 1981).
Радионуклиды присутствуют во всех слоях географической оболочки Земли и вовлекаются в происходящие между ними процессы обмена веществом и энергией. Радионуклиды, независимо от происхождения (естественные или искусственные), включаются в миграционные потоки и в дальнейшем перемещаются в географической оболочке в соответствии с присущими ей закономерностями функционирования (Акименков, 1993).
Поступая на земную поверхность, радионуклиды включаются в биогеохимические циклы. В результате миграционных процессов они рассеиваются или концентрируются на различных трофических уровнях. Почвенно-растительный покров является основной средой передвижения радионуклидов (Тюрюканова, 1987)
Поступление радионуклидов в почвы происходит: с атмосферными выпадениями и в результате сброса отходов.Существует два пути поступления радионуклидов в растения: корневой и аэральный (некорневой).Поступление радионуклидов из почв в растения является первым звеном в цепочке их перехода из абиотических компонентов экосистем в биотические.Далее в животные организмы радионуклиды поступают в основном по пищевым цепочкам.
Технический прогресс постоянно приводит к перераспределению естественных радионуклидов в самой верхней части литосферы - выносу их из глубины на земную поверхность в более высоких концентрациях, чем это свойственно биосфере. Это вызывает локальное повышение радиационного фона и появление техногенных радиоактивных аномалий. Возникающее таким образом техногенное загрязнение окружающей среды влияет на биогеоценозы, а иногда и изменяет их.
Источниками загрязнения среды естественными и искусственными радионуклидами могут быть самые различные типы производств: атомная и топливно энергетическая отрасли; горнодобывающая и горноперерабатывающая промышленность; производство и использование стройматериалов; производство и использование фосфатных удобрений; производство, связанное с поступлением рассолов нефтяных и газовых месторождений на земную поверхность; добыча и сжигание твердых горючих ископаемых; и др. При этом влияние на окружающую среду оказывают не только действующие, но и остатки давно закрытых предприятий, так как аномалии тяжелых естественных радионуклидов практически вечны (Титаева, 2001).
Наиболее важной геохимической проблемой является миграция радионуклидов из мест захоронения отходов. Миграция из хвостохранилищ твердых отходов происходит под воздействием ветра, осадков и растительности. Ветровая эрозия может возникнуть лишь при нарушении сплошности дезактивирующего покрытия, которое можно предотвратить, своевременно контролируя состояние покрытия. Наиболее существенна ветровая эрозия в районах аридного климата. Для гумидной климатической зоны главную роль играет водная эрозия отходов и миграция радионуклидов с водами, фильтрующимися через толщу отходов.
В настоящее время в окружающей среде присутствует большое количество искусственных (антропогенных) радионуклидов. Они возникают при проведении людьми искусственных ядерных реакций.
Основными источниками поступления искусственных радионуклидов в биосферу являются следующие процессы: - неуправляемые ядерные реакции: а) испытания ядерного оружия и б) технические ядерные взрывы (сейсмическое зондирование, создание плотин, дробление руды, создание подземных хранилищ газа и др.); - управляемые ядерные реакции, осуществляемые в ядерных реакторах: атомных электростанций, атомного морского флота, научно-исследовательских реакциях; - переработка отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах (РХЗ); - захоронение отходов атомной промышленности; - аварии на предприятиях атомной промышленности.
К ионизирующей радиации относят излучения разных типов. Общим для всех типов этого излучения является их способность при прохождении через вещество в актах дискретной передачи энергии ионизировать и возбуждать атомы и молекулы. Ионизирующие излучения вызывают ряд радиационных эффектов у живых организмов и их сообществ.
В повышенных дозах ионизирующая радиация является чуждым для организма фактором, и нет основания полагать, что по отношению к нему в ходе эволюции могли сформироваться какие-либо специальные приспособительные реакции (Гродзин-ский, 1989).
Степень радиационного поражения организмов и сообществ зависит от ряда факторов: величины поглощенной дозы, вида излучателя, характера воздействия, видового состава и др. Выявлены четкие зависимости проявления эффектов от дозы радиации и характера условий, сопутствующих облучению. Как правило, при больших дозах ионизирующего облучения наблюдается гибель клеток и организмов. При облучении малыми дозами организм не погибает, что указывает на наличие способности живых клеток избегать отрицательных последствий облучения.
Методы и модели оценки радиоэкологического состояния (системы алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации)
Методы и модели оценки нагрузки на экосистемы Для оценки нагрузок на сообщества применяют различные методы, как прямые, например, измерение мощности экспозиционной дозы переносным радиометром, или измерение поглощенных доз на местности термолюминесцентными дозиметрами, так и косвенные, например, выявление поступления и содержания радионуклидов и других загрязнителей в компоненты экосистем, или построение ореолов распределения загрязнителей по территории. Наиболее информативными являются картографические методы, позволяющие наложить на одну и ту же территорию распределения различных показателей и определить распределение суммарной нагрузки. Методы и модели оценки экологического состояния 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 всех названных приемов и их интеграция в единой геоинформационной системе. В настоящих исследованиях основным методическим принципом является сочетание всех названных приемов и их интеграция в единой геоинформационной системе. Основными принципами методологии являются: унификация показателей, формализация данных и регламентация процедур и операций. Положения реализованы в видеоэкранных формах, которые соответствуют бланкам сбора информации система ввода, хранения и обработки информации.
Методы составляют основу создания автоматизированных информационных поисковых систем, одной из разновидностей которых являются ГИС. ГИС содержат блоки накопленной фундаментальной географической информации, и названными методами, укомплектованными в СУБД (системы управления Базой данных), способствуют разработке стратегии и тактики исследований, определению недостающих звеньев в информационных системах, выбору оптимальных путей поиска этих звеньев путем планирования исследований, сбора информации и обновления Банка данных.
На основе ГИС осуществляются постановка и проведение полевых работ, лабораторных и натурных экспериментов, поиск и выбор оптимальных вариантов, имитационное моделирование, создание новых ГИС.
ГИС определяют организацию наблюдений для целей природопользования в пространстве и времени, так как любая географическая задача, так или иначе, сопряжена с определенным масштабом исследования. А это значит, что необходима такая сеть наблюдений, которая бы достоверно отображала географическое разнообразие (совокупность ландшафтов или других природно-территориальных единиц) разных масштабов. Ю.Г. Пузаченко (1976) подчеркивает, что случайная схема исследований при решении географических задач неприемлема, так как она направлена на то, чтобы избавиться от пространственной взаимосвязанности Для оценки пространственной структуры территории и взаимной связи между ее элементами оптимальна регулярная схема наблюдений. Пространственные выделы (ландшафты, урочища, фации и др.) представляют регулярную координату территории, поэтому частота их встречаемости (выделения) определяется, как колебание в пространстве, что позволяет использовать для системы отсчета теорему Котельникова, в которой понятие частоты во времени заменяется понятием частоты в пространстве (Пузаченко, 1976).
Проведение полевых, экспериментальных наблюдений в натурных и лабораторных условиях осуществляется биогеографическими, биогеоценологическими, геофизическими методами, а также методами биоиндикации, экотоксикологии и биотестирования .(Алехин, 1938, Воронов, 1973, Полевая геоботаника, 1972, Программа и методика..., 1974, Андерсон, 1985, Мэгарран, 1992, Раменский, 1929, 1938, Таскаева, Егорова, Вышивкин, 1981, Прилуцкий, Семяшкина, 1983, Соколов, Криволуцкий, Усачев, 1989, Криволуцкий, 1983).
Выбор, модификация и разработка методов полевых и экспериментальных работ осуществляются на стадии планирования эксперимента на основе ГИС.
Соблюдение основных принципов обеспечено следующими методическими приёмами. Репрезентативность в пространстве: обеспечивается сочетанием методов ядер типичности с регулярной сеткой; оптимальным размером пробной площади, определяющей область выявления фитоценоза (для лесов 20x20 м, для степей, лугов, полупустынь 10x10 м). Репрезентативность во времени: достигается либо одновременными наблюдениями, либо «моментальным срезом», то есть проведением иссле дований в короткий промежуток времени, либо сезонными или одноразовыми наблюдениями.
Достоверность: достигается статистически достоверными повторностями наблюдений, созданием унифицированной системы ввода информации, созданием типовых бланков описаний со стандартными шкалами.
Возможность экстраполяции: обеспечивается ландшафтно-зональной привязкой к конкретному контуру карты с помощью GPS (Global Positioning System) методики, а также соблюдением трёх предыдущих принципов.
Возможность повторения: обеспечивается созданием ГИС и заложением пробных площадей в системе истинных географических координат с помощью GPS-системы.
Для сбора информации нами разработай модуль ГИС - система ввода, хранения и обработки информации «Геобот»., который 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. а (альфа-) и р (бета-) разнообразие сообществ как показатели экологического состояния
Нами разработана методика экспресс-анализа экологического состояния территории и реализована в виде программного продукта. Методика представляет собой совокупность алгоритмов, позволяющих проводить автоматизированную обработку информации. Оценка экологического состояния осуществляется в полевых условиях в режиме реального времени путем прямых измерений числа и обилия видов высших растений, ввода информации в базу данных, расчета показателей биоразнообразия, типов режимов 10 прямодействующих факторов, комфортности условий среды и удовлетворительности условий среды для каждого вида растений. Альфа-разнообразие это показатель сложности сообществ и характеризует видовое разнообразие. В простом варианте ото просто число видов на единицу площади. Однако часто наряду с присутствием видов необходимо знать их обилие и соотношение их участий в сообществе, то есть выравненности видов. Для оценки этого показателя используют две теоретические модели, с которыми сравнивают эмпирическое распределение: 1) упорядочение видов по числу встреченных особей (эта модель используется при малом числе встреченных видов), 2) распределение видового обилия: по числу видов, представленных определенным количеством индивидуумов (сравнение эмпирических распределений с теоретическими). Измерение альфа-разнообразия: осуществляют индексами разнообразия, наиболее распространенными являются индекс Шеннона-Уивера, Симпсона.
Методология радиоэкологической стандартизации территории как основа диагностики радиоэкологического состояния
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 диагностшш 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).
Алгоритмы, модели, модули включены в программное обеспечение автоматизированных рабочих мест (АРМ) из аппаратно-программных комплексов. Выходная продукция организована как модуль ГИС, включающий аппаратные средства, программное обеспечение, базы данных (графические и атрибутивные). Каждый критерий технологического регламента представляет отдельную оригинальную технологию с встроенными базами данных. Для примера рассмотрим техническое решение получение информации по критерию 8 - дозы на биоту .
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 вышеназван ных условий принятые антропоцентрические подходы удовлетворяют и экологиче ским принципам радиационной безопасности окружающей среды. Введенные допол нения 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 в 1996 г. 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 ОД м3/м2)= 0,14-103 кг/м2 Для показателя суммарная альфа-активность принято максимально допустимое значение в почве (Уикер, 1985): 11 кБк/м - типичное фоновое, 260 кБк/м - в местах с нетипично высоким фоном природной радиоактивности за счет альфа-излучателей.
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 реа-лизовывать 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 (1986): 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».
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.
Модуль ГИС «Радиоэкологический стандарт территории Волгоградской области» Радиоэкологический стандарт территории Волгоградской области содержит следующие блоки: геоэкологическая структура и геотопология, типы режимов факторов, раднобиобарьерные функции экосистем, радиационные параметры, дозы на биоту, индекс радиационной опасности
Растительность. 30 % территории области заняты естественной растительностью, остальные 70 % - сельскохозяйственными землями. С северо-запада на юго-восток наблюдается постепенный переход от черноземно-степной зоны к зоне полупустынной. В черноземно-степной зоне распространены разнотравно-злаковые и злаковые ассоциации травянистой растительности. На территории сухих каштановых степей растительный покров беднее и представлен более сухолюбивыми растениями. Здесь господствует типчаково-белополынная ассоциация; на ее фоне встречается растительность солонцов: черная полынь, камфоросма, прутняк. На юго-востоке в полупустынной зоне резко выражена комплексность растительного покрова, в которую входят следующие ассоциации: типчаково-белополынная, типчаково-прутняково-белополынная, житняково-белополынная, чернополынная, чернополынно-камфоро-смовая и др.
Методология прогнозирования радиоэкологического состояния территорий
Прогнозирование как научный феномен основано на базе знаний и устоявшихся взаимосвязях процессов и явлений. Накопленный сегодня научный опыт позволяет прогнозировать движение воздушных масс, смены растительного покрова, поведение биоты в тех или иных условиях, а также запасы природных ресурсов. Однако, прогнозировать содержание элементов, в том числе радиоактивных, в почве и растениях еще никто не пытался.
Нами разработана концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле: о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов.
Концепция базируется на фундаментальных знаниях: - о количественном элементном составе живого вещества биосферы Ковальский, 1974, Покаржевский, 1985, Глазовский, 1987, Перельман, 1961, Алексахин, Нарышкин, 1977); - о пределах радио- и хемочувствительности (Криволуцкий, 1983, Соколов и др., 1989, Никаноров и др., 1985, Катков, 1985, Поликарпов, Егоров, 1986); - о приемах оценки состояния окружающей среды в виде систем биоиндикации, биомониторинга, биотестирования, как систем оценки качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях (Бударков и др., 1998, Цыганов, 1983), - о толерантности биоиндикаторов как ключевом понятии в биоиндикации (Ботаническая география..., 1986, Одум, 1975, Цыганов, 1983).
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).
Разработка теоретических и методических основ концепции толерантности вообще и радиотолерантности, в частности, связана с решением следующих основных вопросов: - определением понятия «толерантность»; - соотношением толерантности с понятиями «устойчивости», «чувствительности», «стабильности», «резистентности», «долговечности», с одной стороны; «возраста», «состояния», «динамики» и т.п., с другой.
По (Бударков и др., 1998), радиочувствительность организма рассматривается как частное проявление общей неспецифической резистентности. Резистентность (лат. resistere - сопротивляться) понимается как устойчивость организма к действию физических, химических и биологических факторов, вызывающих патологию; радиорезистентность - как выражение реактивности, как защитного приспособительного акта и ответ на действие различных факторов, в том числе и ионизирующего излучения. Формирование радиорезистентности или радиочувствительности осуществляется в соответствии с общими закономерностями формирования реактивности.
Реактивность формируется под влиянием ряда факторов. В процессе индивидуального развития организма происходит последовательное развертывание кода наследственной информации; генотип организма реализуется в конкретные формы (фенотип) во взаимодействии со средой, где протекает развитие. На данный врожденный фон и приобретенные организмом свойства к моменту рождения накладываются проявления специфической и неспецифической реактивности, формирующейся в процессе развития под влиянием окружающей среды. Кроме факторов, влияющих на реактивность и формирующих индивидуальный реактивный стереотип, имеет значение и исходное функциональное состояние организма.
Таким образом, составляющими реактивность (радиочувствительность) организма являются стабильный компонент - врожденный, генетически обусловленный и полустабильный, приобретенный в процессе онтогенеза. Наряду со специфической и неспецифической реактивностью реализуется и лабильный компонент, обусловленный исходным функциональным состоянием организма.
Для оценки реактивности, как радиочувствительности, предложено использовать показатели, характеризующие, как минимум, типологическую принадлежность, возраст (стадию развития) и местообитание (Даренская, Короткевич, 1997). Радиоус 331 тойчивость региональных топологических систем определяется их положением в ряду сукцессионной динамики, степенью гетерогенности пространственных сочетаний.
Таким образом, толерантность можно определить как способность организмов и их сообществ выносить отклонения экологических факторов от оптимального для них уровня. Толерантность оценивается амплитудой экстремальных значений экологических факторов.
Универсальной, «единой» толерантности не существует. Экстраполяция результатов лабораторных опытов затрудняется тем, что реакции биообъектов (организмов. популяций, сообществ, экосистем) на действие любых факторов среды не специфичны: на действие различных факторов они отвечают «одним и тем же комплектом реакций - общим адаптационным синдромом» (Кожова, Павлов, 1988). При этом для природных систем различных уровней организации различными будут и критерии толерантности (таблица 68).
Радиотолерантность сообществ регламентируется радиационным фактором (дозой и активностью радионуклидов). Показателями экстремальных значений радиационного фактора являются минимальные и максимальные фоновые значения дозы и активности, при которых наблюдаются нормальные структура и функционирование организмов и их сообществ. Критерием радиотолерантности организмов и их сообществ является наличие нормального типа структуры и функционирования в соответствии с ландшафтно-зопальными условиями, определяемого как норма реакции сообщества.
Методы оценки радиотолерантности сопряжены с оценками биоразнообразия, типов режимов факторов, структуры и функционирования лесных сообществ, интегрированных в понятии радиоэкологической емкости - характеристики, отражающей максимально возможное поглощение сообществом радиоактивных веществ (численно выражается предельным количеством радионуклидов, поступивших в экосистему, выше которого наблюдается распад экосистемы).
Оценка радиотолерантности производится с учетом радиоэкологической емкости сообществ: в общем случае, чем выше радиоэкологическая емкость, тем шире ради отолерантность.
Радиотолерантность лесных сообществ различных уровней организации рассматривается в связи с такими свойствами живых организмов, как их стенотопность и эвритопность, ценофильность (свойства к совместному обитанию) и ценофобность (обитание вне зависимости от биотического окружения) и др.
На организменном уровне учитываются индивидуальные возрастные, половые особенности в связи с конкретными условиями существования; на популяционно-видовом уровне, кроме того, - факторы сезонности, продуктивности (биомасса), численности, жизненных стратегий и других популяционных показателей; на ценотиче-ском уровне (с учетом критериев первых двух уровней) - особенности организации сообществ (в первую очередь горизонтальная и вертикальная структура); на топологическом уровне, наряду с вышеуказанными характеристиками — ареалы (топология) сукцессионных систем.
