Содержание к диссертации
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Особенности исследования систем в экологии человека 17
Особенности качественного и количественного описания состояния популяционного здоровья населения 25
Особенности формирования интегральных индексов популяционного здоровья населения 29
Особенности качественного и количественного описания состояния загрязнения окружающей среды. Комплексная оценка состояния окружающей среды отдельных территорий 34
Особенности комплексной оценки состояния окружающей
среды и популяционного здоровья населения 42
1.6. Особенности поведения загрязняющих веществ
. в экосистемах на примере радионуклидов . 46
1.7. Особенности движения радионуклидов в системе
"почва - растение" 53
Особенности распределения радионуклидов в почве и его математического описания 58
Математическое моделирование процесса прироста биомассы 65
Особенности моделирования миграции радионуклидов в системе "почва-растение" и транспорта радионуклидов в агросфере 70
Выводы 77
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Краткая характеристика экологической ситуации на территории Тульской области 83
Санитарно-эпидемиологическая и медико-демографическая обстановка на территории Тульской области 93
Основные задачи системного анализа при оценивании экологического состояния загрязненных территорий 99
Пространственная структура макросистемы
"почва - растения - сельскохозяйственная продукция"
при оценке последствий миграции загрязняющих веществ 104
Краткая характеристика мигрирующего радионуклида 112
Временные границы прогноза последствий загрязнения
биомассы растений радионуклидами 116
2.7. Цель и задачи исследования 123
3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ
Комплексный индекс оценки экологического состояния загрязненных территорий
Применение комплексного индекса для оценки экологического состояния территории г. Тулы
.163 .167
Применение комплексного индекса для оценки экологического состояния ряда территорий Тульской области, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС
Методика оценивания экологического состояния загрязненной территории на основе комплексного индекса
Выводы
4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
С УЧЕТОМ ИЕРАРХИИ СИСТЕМЫ
4.1. Основные положения формирования относительного индекса
оценки экологической обстановки на загрязненных
территориях 170
Методика оценки экологического состояния отдельных территорий на основе относительного индекса 178
Применение относительного индекса для оценки экологического состояния территории г. Тулы 187
Применение относительного индекса для оценки экологического состояния ряда территорий Тульской области, пострадавших
в результате аварии на ЧАЭС 192
4.5. Основные положения оценивание влияния отдельных показателей
экологического состояния для системы в целом и
для отдельных территориальных элементов 197
Методика оценивания влияния отдельных показателей экологического состояния 206
Выводы ! 218
5. ПРОГНОЗНЫЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ
5.1. Эмпирические модели для оценки интенсивности влияния
отдельных показателей на формирование
экологической ситуации 221
5.2. Математическая модель оценки интенсивности поглощения
и рассеяния ЗВ в пространстве экосистем 230
5.3. Технические средства и методика экспериментальных
исследований последствий загрязнения территории на примере
радионуклида " Cs 238
I ^7
5.4. Эмпирические модели для оценки интенсивности накопления ' Cs
биомассой растений 243
Методика проведения предварительного прогноза накопления радионуклидов биомассой растений 247
Выводы 252
6. МОДЕЛИ ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ
НАКОПЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССОЙ
В ПРОЦЕССЕ ВЕГЕТАЦИИ '.
Вывод основных уравнений математической модели 255
Определение значений коэффициентов математической модели краткосрочного динамического прогноза 259
Прогнозная оценка значений коэффициента накопления радионуклидов растительной биомассой 263
Корректировка коэффициентов математической модели динамического прогноза по данным о средней урожайности 272
Методика проведения краткосрочного динамического прогноза объемов накопления радионуклидов растительной биомассой ....278
ВЫВОДЫ ;; 283
7. ОЦЕНКА ДОЛГОСРОЧНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ МИГРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ
7.1. Математическая модель миграции загрязняющего вещества
в почвенной среде ненарушенной структуры 285
Решение уравнений математической модели миграции . радионуклида в ненарушенной почвенной среде 290
Определение параметров математической модели миграции
радионуклида в ненарушенной почвенной среде 295
7.4. Математическое описание миграции радионуклида в двухслойной
почвенной среде 299
Решение уравнений математической модели миграции радионуклида в двухслойной почвенной среде 309
Определение параметров двухслойной модели 319
7.7. Математическое описание миграции загрязняющего вещества
в двухслойной почвенной среде в условиях поступления его
из атмосферы 325
7.8. Решение уравнений математической модели миграции ЗВ
в двухслойной почвенной среде с учетом поступления ЗВ
из атмосферы 332
7.9. Методика проведения долгосрочного динамического прогноза
распределения радионуклидов в почве 339
7.10. Выводы 344
8. ОЦЕНКА ДОЛГОСРОЧНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ МИГРАЦИИ И НАКОПЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АГРОСИСТЕМЕ
8.1. Математическая модель макропереноса загрязняющих веществ
с сельскохозяйственной продукцией на примере
радионуклида Cs 346
Реализация уравнений компартментной модели 356
Имитационная модель накопления и макропереноса радионуклида
в агросистеме : 364
8.4. Методика проведения анализа долгосрочных последствий
макропереноса радионуклидов в агросистеме 376
8.5. Выводы 379
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 381
ЛИТЕРАТУРА 385
Введение к работе
^Актуальность работы. Основным направлением*. исследовательской деятельности в области экологии и охраны окружающей среды является достижение разумного компромисса между социальными и экономическими потребностями общества и возможностями биосферы удовлетворять их без угрозы для своего нормального функционирования. Актуальность подобных исследований объясняется тем, что современное общество несет колоссальные моральные и экономические последствия от природных, техногенных, экологических и других опасностей, угрожающих человеку во всех сферах его деятельности. Особую остроту данная проблема приобрела для промышленно развитых регионов, находящихся в зоне радиоактивного следа аварии на Чернобыльской АЭС и имеющих стойкое ухудшение показателей популяционного здоровья населения. Возникающие при изучении данной проблемы трудности обусловлены сложностью экологических систем, обладающих большим количеством разнородных взаимодействующих элементов и разветвленной структурой связей между ними. Управление такими системами представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему, так как связано с формированием и обработкой больших объемов информации о текущем состоянии и динамике развития происходящих в них процессов. Одним из наиболее эффективных механизмов управления экологической ситуацией являются экономические методы, реализуемые в виде платы за загрязнение окружающей природной среды, которая представляет собой форму возмещения экономического ущерба от выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и затрат на компенсацию воздействия выбросов и сбросов загрязняющих веществ, а также затрат на проектирование и строительство природоохранных объектов. Действенность данного механизма повышается применением дифференцированных ставок платы за загрязнение на основе коэффициентов экологической ситуации, учитывающих экологическое состояние конкретных территорий.
g В связи с этим Экологическая доктрина Российской Федерации основной задачей в области экологии называет экономическое регулирование рыночных отношений в целях рационального неистощительного природопольд, зования, снижения нагрузки на природную среду и ее охраны на базе реализации в полной мере принципа загрязнитель платит, обеспечения зависимости размеров платы за выбросы и сбросы от их объема и опасности для окружающей среды и здоровья населения. Для реализации поставленной задачи Доктрина считает необходимым создание системы экологического мониторинга, разработку научно обоснованной методики определения размера компенсации за ущерб, наносимый окружающей среде и здоровью граждан в процессе хозяйственной деятельности, при техногенных и природных чрезвычайных ситуациях, а также в результате экологически опасной деятельности, обеспечение обязательной компенсации экологического ущерба окружающей среде и здоровью населения.
Актуальность поставленной проблемы определяется также необходимостью объективной оценки и оперативной инвентаризации экологического состояния загрязненных территорий при создании единой территориальной справочно-аналитической геоинформационной системы, а также автоматизированных систем экологического мониторинга и дальнейшего развития научной и методологической основы для принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности хозяйственной деятельности.
Диссертационная работа связана с исследованиями, выполненными в соответствии, с тематическим планом межрегиональной научно-технической программы "Прогноз", госбюджетных НИР "Разработка и внедрение научных основ оценки экологической обстановки на территориях, находящихся в зоне следа аварии на Чернобыльской атомной электростанции", "Оценка биологической безопасности продуктов Чернобыльской зоны", выполненной в рамках научно-технической программы "Биологическая безопасность и лечебно-профилактическое питание".
Целью работы является установление новых и уточнение существую- щих закономерностей формирования экологической ситуации для разработки методологических положений анализа и оценки экологического состояния загрязненных территорий и совершенствования научных основ управления экологической обстановкой, обеспечения рационального природопользования.
Идея работы состоит в том, что разработка методологии анализа и
оценки экологического состояния загрязненных территорий основывается на
статистической информации о распределении и взаимозависимости парамет
ров состояния популяционного здоровья населения и загрязнения природной
среды, адекватных математических моделях взаимодействия отдельных по
казателей экологического состояния и динамики переноса загрязняющих ве-
іществ в геосистеме загрязненной территории. к
Основные научные положения, защищаемые автором: оценка экологического состояния основывается на анализе состояния и взаимосвязи двух основных экологических компонентов системы загрязненной территории - популяционного здоровья населения и окружающей природной среды - и должна учитывать структуру иерархии взаимодействий между этими компонентами системы; ;
формирование количественных оценок экологического состояния проводится на основе совместной математической обработки множества значений медико-демографических показателей (заболеваемости или смертности), характеризующих популяционное здоровье населения, и множества значений показателей загрязнения, характеризующих состояние окружающей среды конкретной территории;
оценка интенсивности влияния отдельных показателей на формирование экологической ситуации на загрязненной территории проводится с помощью регрессионных зависимостей изменения обобщенного показателя безопасности экологической обстановки на данной территории - средней
1 продолжительности жизни - от изменений уровня отдельных экологических показателей;
изменение значений уровня отдельных показателей загрязнения определяется,, в основном, процессами макропереноса загрязняющих веществ (ЗВ), наименее исследованными из которых являются процессы накопления и переноса ЗВ по трофическим цепям, в частности, в системе почва - растения - сельскохозяйственная продукция;
оценка последствий миграции ЗВ в пространстве и по структуре связей между элементами системы загрязненной территории проводится на основе математических моделей динамики процессов макропереноса радионуклида (РН) n7Cs, основного дозообразующего элемента на территории радиоактивного следа аварии на ЧАЭС;
предварительный краткосрочный (в пределах одного вегетационного цикла растений) прогноз накопления РН растениями (без фактического посева и уборки урожая) проводится с использованием регрессионных зависимостей коэффициента накопления от физико-химических параметров почвы;
динамический краткосрочный прогноз накопления РН растениями (контроль динамики накопления в ходе процесса вегетации растений') моделируется системой дифференциальных уравнений, ^описывающих взаимосвязь процесса накопления РН с динамикой прироста биомассы;
долгосрочный прогноз изменения удельной активности почвенного слоя, необходимой для оценки масштабов перехода РН из почвы в растения с помощью КН, в условиях агротехнического воздействия проводится с помощью математической модели, предусматривающей выделение по вертикали двух почвенных слоев и рассматривающей миграцию РН между этими слоями, а также между двумя основными фазами почвы, на основе закономерностей конвективно-диффузионного переноса;
долгосрочный прогноз накопления и макропереноса радиоактивности с сельскохозяйственной продукцией в агросистеме осуществляется на основе
11 компартментного подхода к моделирования сложной системы' с взаимодействующими элементами, приводящего в рассматриваемом случае к системе из дифференциальных уравнений для описания потоков производства и обмена продукцией- между элементами и уравнений связи для параметров состояния агросистемы;
Новизна научных положений:
предложен комплексный индекс интегральной оценки экологического состояния системы загрязненной территории, отличающийся тем, что его значения рассчитываются в виде взвешенной суммы главных компонент объединенного множества значений показателей состояния популяционного здоровья населения (заболеваемости или смертности) и загрязнения окружающей среды, полученных на основе обработки методами факторного анализа корреляционной матрицы, отражающей тесноту взаимосвязей этих показателей;
предложен относительный индекс оценки экологического состояния отдельных территорий, отличающийся тем, что он формируется в виде вектора экологических приоритетов территориальных элементов на основе применения метода анализа иерархий к исследованию иерархии структурных взаимодействий основных компонентов системы загрязненной территории, при этом в качестве количественной характеристики уровня взаимосвязи показателей популяционного здоровья и загрязнения природной среды предложено использовать корреляционные отношения, характеризующие функциональные зависимости между парами этих показателей;
разработана методика определения нормированного индекса экологического состояния, на основе объединения вектора экологических приоритетов отдельных показателей, полученного на основе комплексного индекса, и вектора экологических приоритетов территориальных элементов;
предложено использовать нормированный индекс при определении значений коэффициентов экологической ситуации, применяемых при расчете
дифференцированных ставок платы за загрязнение окружающей среды для конкретной территории;
'. предложено в качестве интегральных оценок влияния показателей состояния популяционного здоровья и загрязнения окружающей среды на формирование экологической ситуации на конкретной территории использовать коэффициенты уравнения регрессии для изменения средней продолжительности жизни в зависимости от изменения показателей экологического состояния;
в качестве оценки интенсивности процессов поглощения и рассеяния ЗВ в пространстве загрязненной территории предложено использовать значения соответствующего параметра разработанной математической модели конвективно-диффузионного переноса ЗВ в приземных слоях атмосферы;
установлены с достаточной степенью адекватности числовые значения
параметров эмпирических уравнений множественной регрессии, связыва-
ющих коэффициенты накопления Cs наиболее распространенными культу
рами с физико-химическими характеристиками основных типов почв терри
тории Тульской области и характеризующих интенсивность перехода радио
нуклида в трофические цепи; ''
'.-. установлены закономерности динамики накопления РН растениями в
ходе процесса вегетации, отличающиеся тем, что накопление радио
активности рассматривается во взаимосвязи с динамикой прироста
растительной биомассы, для математического описания этих процессов
получена система обыкновенных дифференциальных уравнений логисти
ческого типа;
определены значения параметров логистических уравнений накопления РН для зеленой массы и продуктивных частей ряда сельхозкультур, и предложены теоретические расчетные зависимости для получения прогнозных оценок коэффициентов накопления, использующие значения этих параметров;
установлены закономерности вертикального конвективно-диффузионного переноса радионуклида в почве, подвергающейся агротехнической обработке, отличающиеся представлением почвы в виде двух разнородны» слоев, между которыми происходит перенос РН, а также учетом двухфазной структуры почвы для верхнего перемешиваемого слоя;
предложено обобщение двухслойной модели вертикальной миграции РН в почве на случай почв ненарушенной структуры, позволяющее частично учитывать экспериментально наблюдаемые явления "быстрого" и "медленного" вертикального переноса РН и обобщение двухслойной модели на случай длительного поступления загрязняющих веществ из приземного слоя атмосферы;
на основе компартментного подхода разработана имитационная модель для автоматизированного прогноза и текущего контроля выведения 13 Cs из почвы растениями и оценки последствий дальнейшего переноса РН с сельскохозяйственной продукцией.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических физических методов, методов математической физики, математической статистики и современных достижений^, вычислительной техники;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза по предлагаемым моделям с данными натурных наблюдений и экспериментальных исследований (в среднем отклонения не превышали 25...35 %), а также значительным объемом фактических данных, обработанных в ходе вычислительных экспериментов.
Практическое значение работы заключается в том, что методики оценки экологического состояния загрязненных территорий могут быть использованы при определении очередности и состава профилактических мероприятий по улучшению экологической ситуации, выборе на-
правлений и конкретного вида'хозяйственной деятельности на данной территории, а также в качестве нормативной основы при разработке планов социально-экономического развития территорий с учетом экологического фактора, для оценки реальной стоимости земельных участков территорий с учетом экологического фактора при расчетах дифференциальной ренты, в преподавании экологических дисциплин. Установленные закономерности формирования экологической ситуации и количественная оценка экологического состояния отдельных территорий обеспечивают возможность совершенствования эколого-экономических механизмов разработки и функционирования системы дифференцированных ставок платы за загрязнение окружающей среды и арендной платы за землепользование, а также для корректировки стоимостных ставок природно-ресурсного потенциала территории;
программные продукты и разработанные компьютерные приложения позволили на основе имеющейся информации сформировать базу данных по фактическому загрязнению природных сред и базу данных показателей по-пуляционного здоровья населения, проживающего на этих территориях, а также провести вычислительный эксперимент по оценке экологического состояния территории г. Тулы и ряда территорий Тульской области, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС;
усовершенствованные методики прогноза накопления и переноса РН с растительной биомассой, реализованные в виде комплекта прикладных программ, позволяют повысить достоверность прогнозных оценок объемов накопления и переноса РН с растительной биомассой и, как следствие, достоверность оценок СГЭД, получаемых на их основе. Предложенные способы определения динамических параметров процессов, связанных с накоплением радиоактивности, обладают умеренной трудоемкостью и обеспечивают требуемый уровень достоверности прогнозной информации.
Реализация работы. Разработанная методика оценки экологического состояния загрязненных территорий была использована экологическим комитетом администрации Тульской области, аналитической группой
Тульского областного общества по охране природы при анализе сложившейся экологической ситуации и разработке комплекса эффективных технических < мероприятий по мониторингу окружающей среды. Усовершенствованные методики прогноза накопления RH растениями и прогноза СГЭД, а также способы определения динамических параметров накопления и миграции РН использовались при анализе развития радиологической ситуации на территориях Тульской области, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы в Тульском государственном университете при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР по межрегиональным научно-техническим программам, а также при изучении курсов "Промышленная * экология. Защита биосферы" и "Радиационная безопасность" для студентов специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов".
Апробация работы. Научные положения и практические рекомен1 дации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1994-2002 гг.), проблемных советах межрегиональной научно-технической программы "Прогноз" (г. Тула, 1993-1995 гг.), VI Всероссийской научно-методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека" (г. Новочеркасск, 1994 г.), Международной научно-технической конференции "Энергосбережение, экология и безопасность" (г. Тула, 1999 г.), Международной конференции "Освоение недр и экологические проблемы" (г. Москва, 2000 г.), Международного экологического конгресса " Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности "(г. Санкт-Петербург, 2000 г.), Научно-практической конференции "Экология XXI века в Тульском регионе" (г. Тула, 2001 г.), 2-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования (г. Тула, 2002 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 38 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 8 глав, изложенных на 414 страницах машинописного текста, содержит 58 ил-~ люстрации, 46 таблиц, список литературы из 304 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды Тульского государственного университета за организационно-методическую помощь и содействие, оказанные при выполнении и обсуждении работы.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
