Научные основы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий
На правах рукописи
Маркелов Данила Андреевич
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ, ДИАГНОСТИКИ И
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ
Специальность 25.00.36 – Геоэкология по техническим наукам
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург - 2010
Работа выполнена на кафедре «Приборы контроля и системы экологической безопасности» Северо-Западного государственного заочного технического университета
| Научный консультант - Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Российской академии государственной службы при Президенте РФ, лауреат Государственной премии РФ Гутенев Владимир Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Степанов Александр Михайлович доктор географических наук, профессор Кочуров Борис Иванович доктор технических наук, профессор Шаповалов Дмитрий Анатольевич |
| Ведущая организация: | Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева |
Защита состоится 30 марта 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при Северо-западном государственном заочном техническом университете по адресу 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, в ауд. 200.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.
Автореферат разослан 25 февраля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Иванова И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Актуальность темы исследования определена стратегией национальной безопасности Российской Федерации (Президентом РФ Д.А. Медведевым подписан Указ «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года» (14.05.2009), в которой констатируется:
«23. Основными приоритетами национальной безопасности Российской Федерации являются национальная оборона, государственная и общественная безопасность.
24. Для обеспечения национальной безопасности Российская Федерация, наряду с достижением основных приоритетов национальной безопасности, сосредоточивает свои усилия и ресурсы на следующих приоритетах устойчивого развития:
…экология живых систем и рациональное природопользование, поддержание которых достигается за счет сбалансированного потребления, развития прогрессивных технологий и целесообразного воспроизводства природно-ресурсного потенциала страны.
85. Стратегическими целями обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования являются: сохранение окружающей природной среды и обеспечение ее защиты; ликвидация экологических последствий хозяйственной деятельности в условиях возрастающей экономической активности и глобальных изменений климата.
87. Состояние национальной безопасности в сфере экологии усугубляется сохранением значительного количества опасных производств, деятельность которых ведет к нарушению экологического баланса, включая нарушение санитарно-эпидемиологических и (или) санитарно-гигиенических стандартов потребляемой населением страны питьевой воды, вне нормативного правового регулирования и надзора остаются радиоактивные отходы неядерного топливного цикла»
Для обеспечения рационального природопользования, оценки качества природной среды, радиационной безопасности, радиационной защиты окружающей среды и населения необходимо создание системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе «экологии живых систем».
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 являются методы и системы биоиндикации, построенные на реакции биотических систем разных уровней на воздействие, организованные в географических информационных системах (ГИС).
Цель работы
Повышение экологической безопасности и радиационной защиты окружающей среды и населения путем создания системы оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе взаимосвязанности природных процессов средствами ГИС технологий.
Задачи исследований:
- разработка научно-методических основ оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий с реализацией технических решений в геоинформационных системах;
- разработка принципов и критериев оценки радиоэкологического состояния территории на основе методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории»;
- разработка принципов и критериев 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 с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС «Радиоэкологический стандарт территории»;
- разработка принципов и критериев прогнозирования радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов с реализацией технических решений в разработке и создании модуля ГИС ««Прогноз содержания радионуклидов почве и растениях по числу и обилию видов растений».
Объекты, предметы и методы исследования
Объектами исследования являются природно-технические системы территорий разного ранга. Предметом исследования являются зависимости радиоэкологического состояния территорий от факторов среды, оценка состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий. Основными методами исследования являются экспериментальные исследования и численное моделирование с использованием геоинформационных систем. Применялась ГИС-технология, включающая следующие этапы: создание базы данных в программной среде СУБД Microsoft Access, 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.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработано новое научное направление – методология радиоэкологической стандартизации территории на основе геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории, позволяющее решать крупную народнохозяйственную задачу эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий, путем совершенствования государственного нормирования и стандартов в природопользовании, в оценке состояния окружающей среды.
2 Определена и установлена зональная радиотолерантность биоиндикаторов - 574 видов растений.
3 Создана база данных радиоэкологического состояния типичных фоновых экосистем в зональном спектре европейской территории России; Словакии, уезда Сыпин Китая; созданы геоинформационные системы на районы исследований.
4 Создана база данных радиоэкологического состояния природно-технических систем отчужденных территорий в сфере влияния пунктов временного хранения радиоактивных отходов; созданы геоинформационные системы на районы исследований.
5 Создана база данных сопряженных параметров радиационного и геоэкологического состояния территорий.
6 Разработана и создана компьютерная система оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территорий.
7 Разработана и создана компьютерная система радиоэкологических стандартов территории, определяемых как типовое радиоэкологическое состояние и типовые уровни радиационных параметров в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями.
8 Разработана и создана компьютерная система прогнозирования радиометрических показателей без проведения измерений на основе выявления связей природных факторов с накопительной способностью растений.
Практическая ценность и внедрение результатов работы
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. Созданные модули ГИС составили основу управления природно-техническими системами территорий, включая оценку состояния, обеспечение защиты и восстановления нарушенных территорий. Модули ГИС обеспечивают пользователей и лиц, принимающих решение, информацией о геоэкологическом состоянии территории, как стратегическом ресурсе для создания устойчивого природопользования и национальной безопасности.
Результаты исследования внедрены в практику природопользования при обращении с радиоактивными отходами, что подтверждено актами о внедрении. Научно-техническая продукция оформлена в виде составных модулей баз данных и СУБД, использована для разработки технологии оперативного картографирования, технологии биомониторинга радиоэкологического состояния, технологии радиоэкологической сертификации качества среды, технологии создания биогеоценотических барьеров в 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: Сергиево-Посадский, Волгоградский и Нижегородский. Имеются 62 акта о внедрении.
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- 2009 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.
- Проект 09-05-13567 РФФИ (Грант целевых ориентированных фундаментальных исследований 2009-2010 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.
Достоверность результатов и выводов диссертации
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным планированием экспериментов и выполнением полевых работ с использованием ГИС технологий на основе реализации пяти основных географических принципов: репрезентативности в пространстве, репрезентативности во времени, достоверности, возможности экстраполяции, возможности повтора другими исследователями.
Репрезентативность в пространстве: обеспечивается сочетанием методов ядер типичности с регулярной сеткой; оптимальным размером пробной площади, определяющей область выявления экосистем (для лесов 2020 м, для степей, лугов, полупустынь 1010 м). Репрезентативность во времени: достигается одновременными наблюдениями, «моментальным срезом», то есть проведением исследований в короткий промежуток времени, сезонными 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 путем позиционирования с помощью GPS приемников (Global Positioning System), а также соблюдением трёх предыдущих принципов. Возможность повторения: обеспечивается созданием ГИС и заложением пробных площадей в системе истинных географических координат с помощью GPS-системы. Отбор проб, пробоподготовка осуществлялись по стандартизованным методикам, радиометрические и радиохимические анализы проведены в аттестованных лабораториях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Концептуальные основы технологии оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий, состоящие в том, что взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной геоэкологической структуре территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных, реализованных в конкретных ГИС технологиях.
2. Методология моделирования радиоэкологического состояния территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, реализованная в виде: алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме; создания баз данных, разработке и создания аппаратно-программного комплекса - модуля ГИС «Оценка геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории».
3. Методология радиоэкологической стандартизации территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, реализованная в виде: технологического регламента ГИС технологии, создания баз данных, разработке и создания аппаратно-программного комплекса - модуля ГИС «Радиоэкологический стандарт территории» для эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами территорий.
4. Концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле, о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализованная в виде: систем биоиндикации оценки качества среды обитания по состоянию биоты в природных условиях, представленных сопряженными базами данных радиотолерантности видов растений и их толерантностью к типам режимов факторов, разработки и создания аппаратно-программного комплекса – модуля ГИС «Прогнозирование радиоэкологического состояния территорий».
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, 2009), 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).
Публикации и личный вклад автора
По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: статей в журналах Перечня ВАК – 10, монографий - 2, карта – 1, статей в рецензируемых журналах – 3. Результаты работы вошли в 32 отчета по темам НИОКР ГУП МосНПО «Радон».
Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично, при непосредственном участии и под руководством автора в период 1999-2009 гг. 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.
Структура и объём работы Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 318 наименований. Объём работы составляет 386 страниц, включая 284 рисунка, 81 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования. Анализируется предмет исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен литературный обзор состояния проблемы. Проведено обоснование основополагающих положений концепции, таких как радиоэкологическое состояние, радиационный фактор, радиационный фон, устойчивость к воздействию и ее оценка. Показано, что проблема устойчивости геосистем является одной из наиболее сложных и актуальных проблем теоретической и прикладной геоэкологии, так как именно устойчивость определяет нормирование воздействия на природно-технические системы.
В природе не может быть «единой» универсальной устойчивости. Инвентаризация подходов и анализ основных положений, дают основание полагать, что под устойчивостью следует понимать способность систем сохранять основные черты пространственно-временной структуры и поддерживать режимы функционирования в пределах одного инварианта при определенных внешних воздействиях. Сохранение устойчивости природных систем означает поддержание параметров и структуры в тех диапазонах, в рамках которых она может считаться одной и той же классификационной единицей. Обзор современных публикаций (Алексеев, 1983, Бейм и др., 1988, Кожова, Павлов, 1988, Красовский, 1973, Красовский и др.. 1982, Приемы прогнозирования…,1985, Строганов, 1982, Строганов, 1976, Уждавин, 1980, Шварц, 1980, Экологическое прогнозирование, 1986) показал, что проблема оценки устойчивости живых организмов к воздействию, одинакова при изучении всех организмов, независимо от среды их обитания, водной или наземной, и ступени эволюционного развития и характера воздействия. Экстраполяция результатов лабораторных опытов на сообщества и экосистемы затруднена тем, что реакции популяций на действие любых факторов среды не специфичны, на действие различных факторов популяция отвечает «одним и тем же комплектом реакций – общим адаптационным синдромом» (Кожова, Павлов, 1988). В природных условиях существует комплекс воздействий, так называемое явление синергизма, то есть взаимное усиление воздействий от сочетаний факторов, что практически не достижимо в экспериментах. Оптимальным методом оценки устойчивости на современном этапе развития и состояния проблемы является измерение (расчет) всех популяционных характеристик с сопряженным учетом всех факторов среды, в том числе и техногенных, и построение сопряженных кривых в системе координат «доза-эффект», то есть создание моделей.
Основные фоновые биомы развиваются в определенном диапазоне доз внешнегодового облучения. В результате сочетания природных и антропогенных составляющих глобальные радиоактивные выпадения, инжектированные в стратосферу и накопленные к настоящему времени в биосфере, распределились таким образом, что максимум их аккумуляции приурочен к 200-600 с.ш. Во всех существующих сегодня сценариях радиоактивного заражения вследствие ядерной войны именно эта полоса Северного полушария называется наиболее уязвимой по возможной прогнозируемой нагрузке. Поэтому эти территории являются наиболее репрезентативными для оценки радиоэкологического состояния, радиационной нагрузки, реакции биоты на воздействие.
Показано, что взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной геоэкологической структуре территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных, реализованных в конкретных ГИС технологиях.
Радиоэкологическое состояние это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и ее отдельные компоненты, то есть это актуальное состояние объекта с учетом радиационных факторов. Радиационный фактор это радиационный фон на территории, в пределах которой существует и развивается природная или геотехническая система. Радиоустойчивость природных и технических геосистем определяется нами как способность систем выдерживать радиационные нагрузки без нарушения типичной структуры и типичного функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями; задаваемыми регламентом критериев, таких как: а) адресные показатели (координаты; названия региона, зоны, провинции, местности и т.д. как идентификаторы природных условий.); б) показатели ландшафтно-зональных условий (типы климата, водной миграции, почвы, растительности и др.); в) показатели радиоактивного загрязнения (активность, доза); г) показатели внутренней и пространственной структуры геосистем (биоразнообразие, ярусность, мозаичность, экогенетические ряды и др.); д) показатели функционирования геосистем (продукция, биомасса, репродуктивные характеристики, жизненность, организационные критерии и др.); е) показатели радиобарьерной функции геосистем (содержание и запас радионуклидов в биогеогоризонтах). Типичное ландшафтно-зональное состояние территории и слагающих ее природных и геотехнических систем составляет биосферный потенциал территории и определяет эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу в целом, и природные системы, в частности.
Технические решения концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий состоят в создании интегрированного аппаратно-программного комплекса, организованного по модульному принципу, объединенному на единой базе данных с единой системой ввода, хранения и представления информации. Унификация и формализация данных –главные отличительные особенности созданных систем. Унификация достигается созданием единого регламента критериев в соответствии с геоэкологическим (геоботаническим, лесотаксационным, геоморфологическим) описанием пробной площади, созданием справочников для всех критериев регламента. Формализация достигается геокодированием показателей или характеристик в соответствии с разработанными шкалами. Ввод, хранение и обработки информации осуществляются в специально спроектированном модуле ГИС, состоящем из двух комплексов, отличающихся функциями перечнем выполняемых задач. Один комплекс выполняет функции администратора путем решения следующих задач: создание новых проектов; ввода и корректировки данных; корректировки и ввода справочников; экспорт данных по запросу пользователей; администрирование и поддержка работоспособности и безопасности. Второй комплекс решает пользовательские задачи, а именно: импорт данных по разрешению администратора базы; просмотр и визуальный анализ данных; формирование рабочей области; использование встроенного инструментария (минимаксный анализ, статобработка, информационный анализ и пр.); документирование результатов анализа; экспорт результатов в внешние базы. Блок-схемы организации показаны на рисунках 1-2.
Аппаратно- программный комплекс позволяет создать обширную базу данных по геоэкологическим и радиометрическим исследованиям с развитым административным и пользовательским интерфейсом, осуществлять программное сопровождение, а также обеспечивает пользователя необходимым набором инструментов для анализа, прогноза и выдачи рекомендаций при сопровождении, мониторинге геоботанической или радиометрической обстановке в исследуемой области.
Разработанные БД формируют общий интегрированный аппаратно-программный комплекс геоинформационных технологий и обеспечивают разработку, создание и функционирование многоцелевых ГИС. Алгоритмы, модели, модули включены в программное обеспечение автоматизированных рабочих мест (АРМ) из аппаратно-программных комплексов.
Комплекс содержит следующие составные части: 1) территориальный объект - геотехнический (предприятие с зонами отчуждения), природно-территориальный (ландшафт) или урбанизированный (город) комплекс, 2) ГИС: аппаратные средства, программное обеспечение, базы данных (графические и атрибутивные), сценарии принятия решений. Аппаратные средства представляют собой серверы, рабочие станции, GPS-приемники, периферийные устройства (сканеры, плоттеры, дигитайзеры, принтеры и др.), объединенные для ввода, сбора, хранения, обработки, вывода информации.
Рисунок 2 - Блок схема СУБД пользователя
Программное обеспечение представляет собой совокупность различных штатных и оригинальных программ и модулей, направленных на решение конкретных задач: поддержку и ведение ГИС. Базы данных включают блоки информации, представленные в графическом и атрибутивном вариантах.
Разработаны и созданы модули ГИС, составившие техническую реализацию научных основ концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий (рисунок 3). Технические параметры некоторых созданных модулей приведены в таблице 1.
Разработанные и созданные модули, организованные в виде АРМ, позволили разработать и создать новые системы «ГИС Радиоэкологический стандарт территории»: Москвы, республики Карелии, областей Нижегородской, Волгоградской, Мурманской, Костромской, Сергиево-Посадского, Нижегородского, Волгоградского. Мурманского СК «Радон».
Разработанные технологии и базы данных, сопровождают мониторинг, радиационный контроль, эколого-географическое нормирование природопользования, в том числе оздоровление среды, локализацию загрязнений и реабилитацию загрязненных территорий, тем самым обеспечивая управление природно-техническими системами и радиоэкологическую безопасность на радиационно опасных объектах, на территориях разного ранга, в населенных пунктах.
Во второй главе обоснована методология моделирования радиоэкологического состояния геосистем территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории с созданием компьютерной системы.
Проанализированы современные подходы к оценке радиоэкологического состояния. 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. Поэтому методология оценки радиоэкологического состояния территории и слагающих ее природных и геотехнических систем определяется совокупностью методов, развиваемых в геоэкологии, географии, биогеоценологии. 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 полевых, экспериментальных, дистанционных методов и их интеграция в единой геоинформационной системе. Основными принципами методологии являются: унификация показателей, формализация данных и регламентация процедур и операций. Методы представляют собой совокупность алгоритмов, позволяющих проводить автоматизированную обработку информации:
Рисунок 3 – Модули ГИС технологии
Таблица 1 – Технические параметры некоторых созданных модулей аппаратно-программных комплексов
| № п/п | Наименование модуля аппаратно-программно-го комплекса | Технические параметры | Объем БД Мб | Составные блоки | Число проектов | Назначение и режим работы |
| 1 | ГеоБот – система ввода и хранения данных | Системные требования: процессор класса Pentium III, минимум 256 Мб оперативной памяти, жёсткий диск объёмом2 Гб; язык (СУБД) Access; операционная система: MS Windows 2000/XP и выше | 144 | Видеоэкранные формы, справочники, диалоговые интерфейсы, системы ввода информации, алгоритмы расчета, анализа информационных связей и выбора ограничений, программное обеспечение обработки, ЦКО - карты и космоснимки, базы данных установок и настроек модуля, системы представления и формирования выходной продукции и отчетных форм, руководство пользователя, программы обучающих курсов | 60 | Для ввода, хранения и обработки информации; в режиме реального времени |
| 2 | ОРЗ – оценка опасности радиационного и радиоактивного загрязнения | 16 | Для оценки радиационной опасности с решением задач анализа, мониторинга, и прогноза; в стационарном режиме | |||
| 3 | Типы режимов факторов - ТРФ | 9 | 25 | Для установления экологического ареала геосистем территории по 96 параметрам, для формирования биофильтров и биобарьеров из 2300 видов растений; в режиме реального времени | ||
| 4 | Радиационный контроль окружающей среды: система ввода, хранения и обработки информации | 12 | 4 | Для ввода, хранения и обработки специализированной информации по радиационному контролю окружающей среды; в стационарном режиме | ||
| 5 | Распознавание геоэкологической, геодинамической, функциональной, радиоэкологической структуры территории | 81 | 25 | Для выявления геоэкологической структуры территории, для оценки сорбционно-миграционной способности территории; в режиме реального времени | ||
| 6 | Модели расчета запаса 137Cs в биобарьерах | 50 | 25 | Для расчета содержания и запаса 137Cs в веществе компонентов экосистем как фитофильтрах и биобарьерах; в стационарном режиме | ||
| 7 | Модели расчета доз на биоту | 81 | 25 | Для расчета реальных радиационных параметров дозовых нагрузок на биотические компоненты; в режимах реального времени и стационарном |
ввод, хранение данных в памяти ЭВМ, разработку оптимизационных моделей для решения географических и экологических задач, поиск и создание имитационных моделей.
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 базы данных.
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).
Модели распределения радионуклидов по структурным компонентам фитоценозов – это основной метод оценки вовлечения радионуклидов в фитоценозы. Модели представляют собой блок-схемы компонентов с указанием путей миграции и количества депонированных радионуклидов.
Таким образом, методы моделирования радиоэкологического состояния представляют систему алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме.
1.Оценка радиационной нагрузки на экосистемы определяется как прямыми (инструментальными) так и косвенными методами (выявление поступления и содержания радионуклидов и других загрязнителей в компоненты экосистем, построение ореолов распределения загрязнителей по территории).
2. Оценка экологического состояния осуществляется прямыми измерениями и описаниями объекта в полевых условиях в режиме реального времени, постановкой экспериментов в заданных условиях и обработкой полученных результатов и собранной информации. Основным методическим принципом является сочетание всех названных приемов и их интеграция в единой геоинформационной системе.
3. Оценка техногенных выбросов и сбросов осуществляется методами сравнения распределения радионуклидов в эталонных объектах природной среды с распределением в зонах расположения и влияния геотехнических систем – пунктов захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО).
4. Оценка распределения, миграции и круговорота радионуклидов в природных средах осуществляется методами натурного и имитационного моделирования. Модели распределения радионуклидов по структурным компонентам фитоценозов – это основной метод оценки вовлечения радионуклидов в фитоценозы.
5. Оценка реакции биоты на ионизирующие излучения включает следующие основные направления: оценку состояния фотосинтезирующих организмов; оценку биоразнообразия как генетического фонда планеты; оценку состояния сельскохозяйственных растений, животных и птиц, как источника питания человека. Для оценки воздействия ионизирующих излучений на фитокомпонент экосистем и ответных реакций растений и их сообществ используются следующие методы: радиометрические и радиохимические - для определения содержания радионуклидов в органах и тканях растений, в почве, воде, воздухе; морфометрические - для выявления отклонения ростовых процессов от нормы и наличия терат; популяционного анализа -для выявления наличия и направленности изменений в структуре популяций растений; ценотического анализа - для выявления изменений в видовой и пространственной структуре фитоценозов; сукцессионных исследований - для выявления пространственной структуры и динамики флороценотических комплексов.
6. Установление «нормы реакции» в системе «радиационное воздействие – экологическое состояние – физикогеографические факторы» осуществляется методами, объединяемыми в следующие группы: 1) полевые экспериментальные методы (геоботанические, биогеоценотические, биометрические и др.) для определения параметров (структурно-функциональных особенностей) объекта исследований на контрольных и опытных участках; 2) методы ГИС-технологий, включающие создание блоков информации, характеризующих объекты и их состояние; 3) методы лабораторных экспериментальных исследований, направленные на определение качественных и количественных характеристик фитокомпонента в условиях радиационного воздействия (фитометрические, морфометрические, радиохимические и др.), анализ и интерпретацию полученных данных (статистические, информационные и т.д.).
Разработана система оценки геоэкологической структуры территории на основе сукцессий в виде автономных модулей ГИС. Система оценки геоэкологической структуры территории представляет собой технологию, содержащую совокупность аппаратно-программных средств, методов и информации, организованных в строго определенной последовательности процедур и этапов, таких как:
- создание пространственного «портрета» территории на основе сопряженности материалов дистанционных съемок, картографической информации, натурного обследования территории;
- выявление основных показателей структурно-функциональной организации территории с использованием параметров ТРФ, топологической структуры региональной сукцессионной системы, биоразнообразия, эколого-ценотических комплексов видов;
- оценка биологического потенциала территории на основе бинарной биоиндикации процессов и явлений, расчетов экологической емкости, кислородопроизводительности и др.
Геоэкологическая структура территории представлена классификацией существующих выделов на территории, адекватно представляющей и отражающей ее пространственный портрет или геотопологию. Наиболее разработанной и репрезентативной геотопологической классификацией является классификация сукцессионных систем (Разумовский, 1981, 1999). Главным объектом являются региональные топологические системы, физиономичным индикатором которых выступают растительные сообщества – фитоценозы, позволяющие характеризовать местообитание и гетеротрофные компоненты биоты, которые теснее всего связаны именно с местообитаниями. Сукцессионная система (СС) это саморегулирующаяся система, способная восстанавливаться после любых нарушений в пределах всего своего ареала.
Ареал конкретной СС ограничивают естественно-исторические границы биоты. Динамически взаимосвязанные компоненты СС строго локализованы в пространстве и времени, что определяет их высокие индикационными свойствами. Система предназначена для идентификации, диагностики, распознавания геоэкологической структуры территории по массивам стандартизованных радиоэкологических (геоботанических, лесотипологических и лесотаксационных) описаний.
Диагностика сукцессионных как переменных состояний экосистем основана на использовании критерия наличия или отсутствия видов-индикаторов – руководящих видов; диагностика парцелл – «ассоциаций» осуществляется по критерию господства видов травянистых растений.
Разработанный нами определитель впервые содержит количественные характеристики видов индикаторов и их соотношение. Блок-схема показана на рисунке 4.
Разработаны базы данных для оценки геодинамической и функциональной структуры территории (ГД и ФС), представленной выделами сукцессионной системы как региональной геотопологической системы.
Геодинамическая структура территории отражает соотношение парцелл, ДК и ЭК как элементов структуры региональной сукцессионной системы - ботанико-географического района БГР. Выделение парцелл, ДК и ЭК производится по методу руководящих видов конкретного БГР. Каждый элемент геодинамической структуры характеризуется константными показателями характерного времени и возраста древостоя (в случае его наличия). Запас фитомассы рассматривается как показатель функциональной структуры территории. Запас фитомассы определяется раздельно для травяного яруса парцелл и древостоя. Для травяного яруса база данных по запасу фитомассы создана на основе эмпирических и опубликованных данных. Для древостоя база данных по запасу стволовой древесины создана по расчетным данным региональных таблиц хода роста, перерасчет из кубических метров в весовые единицы осуществляется с учетом плотности древесины каждой породы.
Система оценки ГД и ФС стала базисом для разработки система оценки радиобарьерной функции территории. Теоретическим и практическим обоснованием формирования концепции биобарьерной функции биогеоценозов является следующее положение. Геотехнические системы как совокупность полигонов с радиоактивными отходами, химических и нефтехимических предприятий, газовых хранилищ с окружающими экосистемами в процессе своей работы формируют техногенные геохимические аномалии, рост и развитие которых происходит на фоне природных процессов и явлений, и представляют собой
Рисунок 4 – Блок-схема
биогеоценотический барьер, где термин биогеоценотический отражает функционирование или метаболизм (круговорот веществ) системы, включающий биогеохимическую миграцию веществ, вовлечение их в трофические цепи, трансформацию и накопление. Биобарьерная способность биогеоценозов является биосферной функцией экосистем по удержанию, накоплению, перемещению радионуклидов и других веществ по их компонентам (биогеогоризонтам). Поэтому разработка моделей по оценке содержания и запаса радионуклидов в структурных частях сообщества является приоритетной задачей управления природопользования.
Построение моделей целесообразно на основе структурной дифференциации территории по пространственной мозаике составляющих ее физиономичных выделов. Нами разработана модель оценки биобарьерной функции на основе геоэкологической, геодинамической и функциональной структуры территории.
Алгоритм построения модели расчета запасов 137Cs в биобарьерах
1 Расчет массы почвенного горизонта 0-10 см (М):
Mпч = h S, (1)
где Mпч – масса почвенного горизонта 0-10 см на тест площади, т;
h – высота горизонта почвы, 0,1 м;
- плотность почвы (1,4 т/м3);
S – площадь выдела, м2.
2 Запас 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см на площади выдела, Бк:
Ао137Cs = Мпч Апч, (2)
где Ао137Cs – запас 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см на площади выдела, Бк;
Мпч – масса почвенного горизонта 0-10 см, т (103 кг);
Апч – содержание 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см, Бк/кг.
3 Запас 137Cs в веществе экосистемы (Бк) рассчитывается с использованием показателя запаса 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см дифференцированно для экосистем климакса (С) и евтрофной гидросерии (Не):
Где Аобщ – запас 137Cs в веществе экосистемы, Бк;
S – площадь выдела (м2);
k – доля запаса 137Cs в почвенном горизонте 0-10 см (доли от 1).
В модель введены три поправочных коэффициента, отражающие зависимость накопления 137Cs в веществе экосистем от породного состава, возраста древостоя, фитомассы, запаса стволовой древесины и сорбционной способности.
Поправочный коэффициент k1 отражает накопительную способность древесины пород-эдификаторов в зависимости от условий произрастания, индицируемых экогенетическим комплексом: ель -0,05 (С), 0,13 (Не), береза – 0,11 (С), 0,22 (Не), осина – 0,41 (С), 1,00 (Не), ольха – 1,00 (С), 0,22 (Не). Поправочные коэффициенты k2 и k3 отражают накопительную способность эдификатора в зависимости от потенциала продуктивности.
k2 рассчитывается по таблицам хода роста как соотношение:
k3 рассчитывается по таблицам хода роста как соотношение:
В окончательном виде:
А137Cs = Аобщ k1 k2 k3, (4)
где А137Cs – запас 137Cs в веществе экосистемы, Бк.
Система содержит созданные БД параметров биобарьеров на основе характеристик геодинамической и функциональной структуры территории с учетом барьерной функции. БД содержит 4 крупных блока, включающие их характеристики и параметры: структура сукцессионной системы (ботанико-географический район; руководящие виды; парцеллы; демутационные комплексы (ДК); экогенетические комплексы (ЭК); породный состав древостоя; формула древостоя; геодинамическая структура территории (соотношение ЭК; характерное время парцелл; характерное время ЭК; возраст и характерное время древостоя); функциональная структура (запас фитомассы травостоя; максимальный запас фитомассы ЭК; диаметр древостоя; высота древостоя; возраст древостоя; запас фитомассы древостоя); биобарьеры: почва, подстилка, грибы, мохово-лишайниковый ярус, травяно-кустарничковый ярус, древостой, биота (в целом), экосистема (в целом); 2) типовая структура распределения радионуклидов по биобарьерам в С-экосистеме - хвойно-широколиственном лесу климакса (С); 3) типовая структура распределения радионуклидов по биобарьерам в Не –экосистеме - ольшанике евтрофной гидросерии (Не). Блок-схема системы представлена на рисунке 5.
Проведена апробация и верификация системы территории тестовых полигонов, относящихся к 5-м основным ботанико-географическим районам: Московскому, Ветлужскому, Тульскому, Волгоградскому, Лапландскому. Подтверждена достоверность вложенной информации и надежность разработанных алгоритмов биоиндикации и биомониторинга текущего состояния территории со всеми слагающими ее экосистемами. Система впервые позволила установить тип метаболизма каждой экосистемы с количественными данными каждой параметрической характеристики, что является основой для рационального природопользования и обеспечения радиоэкологической безопасности окружающей среды и населения. Реализована интеграция системы в единую ГИС по принципу модульности и автономности, то есть формирование модулей на единой аппаратно-программной основе, сбор, ввод, хранение и обработка информации по формализованным и унифицированным регламентам критериев.
Рисунок 5 - Блок-схема системы оценки геодинамической, функциональной, радиобарьерной структуры территории
В третьей главе обоснована методология радиоэкологической стандартизации территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для диагностики радиоэкологического состояния и эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и природные системы с разработкой критериев радиоэкологического стандарта территории, технологического регламента, определяющего перечень и последовательность процедур и операций, составляющих ГИС технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории.
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 диагностики 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).
Технологический регламент как элемент технологии определяет набор и последовательность процедур и операций, необходимых для создания выходной продукции. Нами разработан регламент критериев радиоэкологического стандарта территории, который в общем виде определяет набор параметров, характеризующих местоположение, состав, строение и функционирование территории как совокупности экосистем (таблица 2).
Таблица 2 - Регламент критериев радиоэкологического стандарта территории
| № п/п | Критерий | Характеризуемое свойство экосистем территории | Форма представления информации |
| 1 | Позиционирование | Местоположение | Истинные географические координаты -БД |
| 2 | Видеопортрет | Местоположение, состав, структура | Набор фотографий - БД |
| 3 | Геоэкологическое описание | Состав, структура, функци-онирование | Набор качественных и количественных характеристик - БД |
| 4 | Типы режимов факторов | Экологическая ниша экосистем в экологическом ареале 10 прямодействую-щих факторов среды | Набор количественных ха-рактеристик 10 прямодей-ствующих факторов среды – БД |
| 5 | Геотопологическая структура | Стадия развития экосистем, структура местообитания | Набор количественных ха-рактеристик местообитания экосистем - БД |
| 6 | Радиационные характеристики | Функционирование: накопление радионуклидов в компонентах экосистем | Набор количественных ха-рактеристик содержания радионуклидов в объектах экосистем- БД |
| 7 | Биобарьеры | Состав, структура, функци-онирование: накопление и перераспределение радио-нуклидов в компонентах экосистем | Набор количественных ха-рактеристик содержания и запаса радионуклидов в компонентах экосистем - БД |
| 8 | Дозы на биоту | Функционирование, биопотенциал | Набор количественных ха-рактеристик дозовых нагрузок на компоненты экосистем - БД |
| 9 | Индекс радиационной опасности | Функционирование, биопотенциал | Набор количественных ха-рактеристик не превы-шения (превышения) радиационных нормативов - БД |
Регламент критериев, характеризующих радиоэкологический стандарт территории, определяет перечень и последовательность процедур и операций, составляющих технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории, то есть технологический регламент (таблица 3).
Таблица 3 - Технологический регламент
| № п/п | Вид работы | Научно-техническая продукция | Обору- дование |
| 1 | Создание цифровых карт основ территории области включая тематические приложения (дороги, растительность, почвы, четвертичных отложений, геоморфологических районов, сумма осадков, период с температурой воздуха выше 100, агроклиматическое районирование) | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 2 | Создание атрибутивной базы данных, содержащую всю возможную информацию о ландшафтно-зональных природных условиях территории | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 3 | Наложение разных карт для оптимизации сети обследования территории и построение оптимальной сети мониторинга | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 4 | Создание крупномасштабных цифровых карт основ территории | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 5 | Создание атрибутивной базы данных, содержащую всю возможную информацию о ландшафтно-зональных природных условиях территории | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 6 | Проведение полевых работ: составление описаний, выполнение измерений МЭД, снятие координат, отбор проб почвы, растений, грунта, отработка 2-х мобильных технологий новыми аппаратно-программными комплексами | Материалы и компьютерные базы данных | Автолаборатория, мобильные компьютерные аппаратно-программные комплексы |
| 7 | Выполнение пробоподготовки: высушивание, взвешивание, озоление, подготовка счетных образцов, этикетирование | Пробы | Муфельные печи, сушильные шкафы, вытяжные шкафы, весы, химическая посуда |
| 8 | Выполнение измерений: почва и грунт, биоиндикаторы - гамма-спектрометрия; радиометрия суммарная бета, радиометрия бета > 1,5 МЭВ, радиометрия суммарная альфа; спектральный анализ | Результаты измерений | Измерительная аппаратура |
| 9 | Ввод информации в компьютерную БД | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 10 | Выполнение расчетов и вычислений | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 11 | Разработка БД и ГИС | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
| 12 | Разработка радиоэкологического стандарта территории | Компьютерные базы данных | Компьютеры и периферия |
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.
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 вышеназванных условий принятые антропоцентрические подходы удовлетворяют и экологическим принципам радиационной безопасности окружающей среды. Введенные дополнения 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 в1996 г.
3) В качестве меры сравнения радиационного воздействия на человека и компоненты экосистем используют критерий – индекс радиационной опасности (ИРО) – отношение реально получаемой дозы к ее предельному значению. Для человека предел дозы ПД составляет1 мЗв/год. Для природных экосистем – максимальная величина дозы, при которой отсутствуют какие-либо радиационные эффекты для этого вида природных организмов.
4) При нормировании воздействия ионизирующего излучения на человека за счет присутствия радиоактивных веществ в объектах окружающей среды для критической группы населения значение ИРО = 1. Далее необходимо определить область значений ИРО для всех биообъектов (ИРОБ).
5) Если ИРОБ < 1, то гигиенический норматив обеспечивает радиационную безопасность биоты.
6) Если ИРОБ > 1, то гигиенический норматив не обеспечивает радиационную защиту окружающей среды.
7) В модели рассчитаны максимально допустимые пределы радиационных параметров по наиболее консервативным сценариям. Алгоритм расчетов показан формулами 1-6. Результаты расчетов приведены в таблице 4.
D = (aiKi вн) + (aiKi вш) + (aiKi инг) + (aiKij) (1)
i i i j i
D = ai [Ki вн + Ki вш + Ki инг + K i j ] (2)
i j
D [Kk вн + Kk вш + Kk инг + K k j ] ai = a [Kk вн + Kk вш + Kk инг + K k j ] (3)
j i j
a [Kk вн + Kk вш + Kk инг + K k j ] = ПД (4)
aдоп = ПД/[Kk вн + Kk вш + Kk инг + K k j ] (5)
j
aдоп ПД/[Kk вн + Kk вш + Kk инг ] = amax (6)
8) Приведенные данные являются пределами радиационных нагрузок для биоты от рассеянных радионуклидов в окружающей среде.
9) Осуществляется расчет индекса радиационной опасности (ИРО) путем сравнения реальных радиационных параметров с предельно допустимыми.
Таблица 4– Параметры модели оценки доз на биоту (ПД на человека 1 мЗв/год )
| Параметр | Обозначение | Размер- ность | Численное значение 137Cs | Численное значение 90Sr*1 | Численное значение 239Pu |
| Коэффициенты перехода | Kk вн + Kk вш + Kk инг | нЗв/(Бк/м2) | 55+97+0,53=152,53 | 53+0+4,2=57,2 | 180+0+5790= 6,0 10-3 |
| Коэффициент перехода из почвы в грибы | kni | м2/кг | 0,1 | 1 10-4 | 1 10-3 |
| Дозовый коэффициент | пищ нас | Зв/Бк | 1,3 10-8 | 8,0 10-8 – 90Sr 2,0 10-8 – 90Y | 4,2 10-7 |
| Дозовый коэффициент | возд нас | Зв/Бк | 5,0 10-5 | ||
| Максимально допустимое содержание в почве | amax | Бк/м2 | 6,56 103 | 17,5 103 | 1,7 102 |
| Максимально допустимое содержание в грибах | amaxгриб | Бк/кг | 6,56102 | 1,75 | 16,6 |
| Доза в тканеэквивалентном слое над почвой | P | мГр/год | 6,8 (P=0,5 amax Еср/ lткани) | 10,0 | 60,1 |
| Доза в почве | Pпч | мГр/год | 20,4 | 30,0 | 4,3 |
| Доза в воздухе | Pвозд | мГр/год | 0,058 | 9,0 | 55,6 |
| Доза в грибах | Pгр | мГр/год | 2,8 | 10,0 | 4,4 |
| Доза на червей за счет накопления ими радионуклида из почвы | Pчерв | мГр/год | 14,7 | 50,9 | 2,2 |
| Доза для высших млекопитающих | Pмлек | мЗв/год мГр/год | 11 15,7 | 26,1 37,3 | 27,1(0,98 через дыхание, 26,1 через пищу) 38,7 |
*1 – Для равновесного состояния 90Sr-90Y
Модель 1: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,2103 кг/м3, глубина слоя 3 см - 1,2103 кг/м3 х 0,03 м3/м2) =0,036103 кг/м2.
Модель 2: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,4103 кг/м3, глубина слоя 10 см - 1,4103 кг/м3 х 0,1 м3/м2)= 0,14103 кг/м2
Для показателя суммарная альфа-активность принято максимально допустимое значение в почве (Уикер, 1985): 11 кБк/м2 – типичное фоновое, 260 кБк/м2 – в местах с нетипично высоким фоном природной радиоактивности за счет альфа-излучателей.
В модуль радиоэкологического стандарта территории включены следующие проекты: Москва, НПК «Радон», Карелия, Мурманск, Кострома, Волгоград, Нижний Новгород. Каждый проект содержит карты экологических, географических, ландшафтных характеристик территории, определяющих типичное ландшафтно-зональное состояние, на основе которых разработана сеть заложения точек (пробных площадей) радиоэкологического стандарта территории. Точка отображает тип территории и содержит следующую информацию: геоэкологическую структуру в виде сукцессионных стадий, геодинамическую структуру в виде характерного и реального возраста древостоя для лесных экосистем, функциональную структуру в виде характерной и реальной биомассы, биобарьерную структуру в виде распределения радионуклидов по компонентам (биогеогоризонтам) экосистем и их запасам в биомассе, дозовую структуру в виде измеренных и нормативных величин содержания радионуклидов в почве, расчетных величин содержания радионуклидов и обусловленных ими поглощенных доз в компонентах экосистем (грибах, дождевых червях, высших млекопитающих), расчетных величин индекса радиационной опасности. Модуль предоставляет возможность выводить на экран информацию по радиометрии каждого вида растений, участвующих в структуре сообщества, в виде таблиц базы данных, в виде таблиц статистики с указанием пределов радиотолерантности, в виде картодиаграмм с точечным представлением информации. Для экстраполяции полученных результатов разработан специализированный алгоритм экстраполяционного картографирования, включающий следующие последовательные процедуры.
1 Ранжирование n видов травостоя по показателю радиоактивности (явления).
2 Ранжирование p характеристик, полученных из карт ландшафтно-зональных характеристик (факторы).
3 Получение таблиц связей.
4 Выборка состояний, для которых частная информация, содержащаяся в каждом из состояний рассматриваемого свойства относительно каждого из состояний изучаемого явления JAi/Bj > 0.
5 Выборка и сохранение для каждого фактора нормированного коэффициента сопряженности рассматриваемого свойства с изучаемым явлением (К).
6 Сортировка и разноска информации для каждого вида таблицы: а) сколько раз и в какую градацию по явлению попадал каждый фактор; б) максимальная сумма весовых частот встречаемости (коэффициентов) К для каждой градации явления по всем факторам
где i=1,2,3 – градации явления;
Si – по каждому природному контуру для i-й градации явления;
j – номер фактора;
Kj – значение коэффициента К для j-го фактора;
Rij = 1, если JAi/Bj > 0, и 0 в противном случае.
7 Составление легенды по максимальной сумме частот встречаемости явления (показателя радиоактивности) и фактора.
Алгоритм позволяет результаты радиоэкологической съемки, выполненной по оптимизированной схеме, экстраполировать на сходные ландшафтно-зональные экосистемы, и перейти от одного типа представления пространственного портрета территории в виде точечных диаграмм к другому – в виде контурной мозаики геоэкологической структуры территории.
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 (2006): 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». 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 обеспечивает пользователей и лиц, принимающих решение, информацией о геоэкологическом состоянии территории, как стратегическом ресурсе для создания устойчивого природопользования и национальной безопасности.
Созданные ГИС «Радиоэкологический стандарт территории» регионов и стран могут стать базовыми при проведении обучающих курсов: Норильский промышленный регион (Россия), республика Карелия (Россия), республика Бурятия (Россия), Костромская область (Россия), Латвия, Литва, Бахрейн, уезд Сыпин (Китай), город Сыпин (Китай).
В четвертой главе обоснована концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализуемого в виде систем биоиндикации оценки качества среды обитания по состоянию биоты в природных условиях, представленных сопряженными базами данных радиотолерантности видов растений и их толерантностью к типам режимов факторов. 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).
Радиотолерантность сообществ регламентируется радиационным фактором (дозой и активностью радионуклидов). Критерием радиотолерантности организмов и их сообществ является наличие нормального типа структуры и функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями, определяемого как норма реакции сообщества.
Установление радиотолерантности видов и их сообществ является той информационной базой, на основе которой строится диагностика радиоэкологического состояния территорий и объектов. Для биосферы Земли, как среды обитания биоты, установлен фоновый, оптимальный диапазон доз, обусловливающий нормальное функционирование экосистем 4 - 500 мрад/г (Поликарпов, Егоров, 1986). Этот диапазон доз выделяется как зона радиационного благополучия. То есть в природных фоновых условиях при оптимальном диапазоне доз, когда не встречается летальных значений (а это десятки и сотни килорад), радиационный фактор целесообразно оценивать по показателю активности радионуклидов в объекте. Показатели активности являются базовыми при расчетах дозовых значений. Показатель активности радионуклидов, отражающий содержание или накопление их в тканях организмов и компонентах сообществ является специфическим индикационным признаком при индикации радиоэкологического состояния среды на фоновом уровне. Неспецифическими признаками будут любые проявления аномалий роста, развития и функционирования клеток, тканей, органов, организма в целом, нарушения структуры и функционирования сообществ и т.д.
Таким образом, показатель активности радионуклидов в биотических объектах на фоновом уровне, отражающий содержание или накопление, характеризуют реакцию биообъекта к радиационному фактору, диапазон значений которой обозначает фоновую (зональную) радиотолерантность. Содержание и накопление радионуклидов в биообъектах обусловливается биогеохимической обстановкой территории обитания или факторами среды. Сопряженный анализ содержания и накопления радионуклидов в биообъектах с факторами среды, характеризующими экосистемы зональных биомов, позволил установить пределы зональной радиотолерантности видов биоиндикаторов по отношению к радионуклидам.
Для этого были решены следующие ключевые задачи: 1) собраны данные, репрезентативно и достоверно отражающие типичные зональные условия, 2) собранные данные приведены в единое информационное пространство, к единой сравнимой шкале показателей, 3) выбраны показатели, которые позволяют однотипно сравнивать и характеризовать разные объекты.
Первая задача решена в результате оптимизации сети заложения пробных площадей и обследования плакорных экосистем зональных биомов. Вторая задача решена путем унификации данных по характеристике условий по факторам среды, их биоиндикацией по толерантности биоиндикаторов и установлением типов режимов 10 прямодействующих факторов на каждой пробной площади. Третья задача выбора сравнимого показателя решена путем расчета для каждого вида параметра - дельты – отклонения от оптимума по каждому фактору среды. Каждый вид имеет свое значение оптимума (медиану) на шкале толерантности, для каждой пробной площади рассчитан тип режима фактора и отклонение его от оптимума для каждого вида, то есть, определена дельта или отклонение от оптимума. В дальнейших расчетах участвует в качестве фактора - дельта, а в качестве явления – показатели активности радионуклидов и коэффициенты их накопления в растениях и почве.
Нами проанализированы пределы толерантности 574 видов по отношению к 10 прямодействующим факторам. Эта информация является нормативной для решения ряда прикладных задач. Для каждой географической точки профиля определены экологические свиты видов, типы режимов факторов, а также комфортопы, то есть, определена комфортность окружающей среды по каждому конкретному фактору для фитоценозов. Алгоритм представляет следующую схему анализа:
1) установление биоразнообразия;
2) определение экологических ареалов и выявление свит, установление типов режимов факторов;
3) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с их толерантностью по отношению к 10 прямодействующим факторам, включающий следующие последовательные процедуры:
-ранжирование n видов биоиндикаторов по показателю радиоактивности (явления),
- ранжирование p дельт отклонений от оптимума, полученных для 10 факторов (факторы),
- получение таблиц связей,
- выборка состояний, для которых частная информация, содержащаяся в каждом из состояний рассматриваемого свойства относительно каждого из состояний изучаемого явления JAi/Bj > 0,
- выборка и сортировка для каждого фактора нормированного коэффициента сопряженности рассматриваемого свойства с изучаемым явлением (К),
где i=1,2,3 – градации явления;
Si – по каждому фактору для i-й градации явления;
j – номер фактора;
Kj – значение коэффициента К для j-го фактора;
Rij = 1, если JAi/Bj > 0, и 0 в противном случае,
- составление матриц по максимальной сумме частот встречаемости явления (показателя радиоактивности) и фактора;
4) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с экологическими свитами аналогично предыдущей схеме;
5) создание каталога радиотолерантных биоиндикаторов с матрицами связей;
6) в дальнейшем процедура сводится к установлению типов режимов факторов, по актуальному типу режима фактора выполняется запрос в БД к каталогу радиотолерантных биоиндикаторов и матрицам связей, и на основе коэффициентов связи выбирается наиболее вероятное состояние явления – диапазон значений содержания или накопления радионуклида в конкретном биоиндикаторе, далее осуществляет расчет содержания радионуклидов в почве.
В качестве явления рассмотрены содержания (абсолютные значения) и коэффициенты накопления (отношение содержания в растении к содержанию в почве) радионуклидов по показателям,, 90Sr, 40К. В качестве факторов рассмотрены отклонения от оптимума по каждому из 10 факторов и для каждого из 49 видов растений. Рассчитано и проанализировано более 4000 матриц отношений. Блок схема показана на рисунке 6, где отображены возможности работы системы в 2-х режимах:1-ый - подбор эталонной территории, 2- ой прогноз содержания радионуклидов в биоиндикаторах и почве.
Система представляет собой аппаратно-программный комплекс, содержит базы данных о толерантности 2000 видов растений к 10 прямодействующим факторам среды, о состоянии более 116 объектов в диапазонах природных факторов в интервале широт 440 и 570 с.ш.; функционирует в режиме реального времени; позволяет осуществлять диагностику на любой территории в пределах лесной и степной зон; позволяет прогнозировать содержания радионуклидов в почве и растениях без отбора проб и выполнения измерений – только на основе визуального определения числа и обилия видов растений.
Система верифицирована в лесной зоне на тестовых территориях Клинско-Дмитровской гряды, Костромской области, Нижегородской области, Карелии, в степной зоне Волгоградской области, в ландшафтах Белогорья, в урбосистеме - ландшафтах Москвы. Проверка показала, что система предоставляет возможность однозначного прогноза (индикации) содержания радионуклидов в почве и растениях.
Система открыта для пополнения и обновления базы данных, что делает перспективным ее использование и для диагностики радиоактивно загрязненных земель, выведенных из хозяйственного использования. Такие территории представляют собой «радиационные заповедники» (Криволуцкий, 1999), на которых развиваются естественные природные процессы динамики экосистем с участием радионуклидов, такие земли становятся источником дополнительного переоблучения биоты и человека, требуют постоянного мониторинга и разработки мер по снижению опасности.
Рисунок 6- Блок-схема системы
Основные результаты диссертационной работы
1 Разработана концепция оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе взаимосвязанности природных процессов и осуществлена ее реализация в геоинформационных системах.
Взаимосвязанность природных процессов проявляется в физиономичной пространственной организационно-структурной форме слагаемых геосистем территории, распознаваемой методами биоиндикации, разработанными на основе сопряженных баз данных. Радиоэкологическое состояние это функционирование (существование) природной или природно-антропогенной (геотехнической) системы в условиях воздействия радиационного фактора на систему в целом и ее отдельные компоненты. Радиоустойчивость биогеоценозов (экосистем) определяется нами как способность систем выдерживать радиационные нагрузки без нарушения типичной структуры и типичного функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями. Типичное ландшафтно-зональное состояние территории и слагающих ее природных и геотехнических систем составляет биосферный потенциал территории и определяет эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу в целом, и природные системы, в частности.
Технические решения концепции оценки, диагностики и прогнозирования радиоэкологического состояния территорий состоят в создании интегрированного аппаратно-программного комплекса, организованного по модульному принципу, объединенному на единой базе данных с единой системой ввода, хранения и представления информации. Унификация и формализация данных –главные отличительные особенности созданных систем. Унификация достигается созданием единого регламента критериев в соответствии с геоэкологическим (геоботаническим, лесотаксационным, геоморфологическим) описанием пробной площади, созданием справочников для всех критериев регламента. Формализация достигается геокодированием показателей или характеристик в соответствии с разработанными шкалами
2. Разработана методология моделирования радиоэкологического состояния геосистем территории на основе ГИС технологий как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории с созданием компьютерной системы. Концепция реализована в геоинформационных системах с использованием методов моделирования радиоэкологического состояния в виде алгоритмов получения эмпирической и расчетной информации по единой унифицированной схеме и представлена системой оценки геоэкологической, геодинамической, функциональной и радиобарьерной структуры территории в виде автономных модулей ГИС как совокупности аппаратно-программных средств, методов и информации, организованных в строго определенной последовательности процедур и этапов, таких как: распознавание геотопологической структуры территории по определителю сукцессионной системы путем выбора конкретного ботанико-географического района (БГР) и руководящих видов; распознавание парцелл с установлением характерного времени парцелл травостоя – как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы; определение возраста древостоя (при наличии в описании древостоя) для каждой из древесных пород по видовой принадлежности древесной породы, диаметру и высоте – как элемента геодинамической структуры; распознавание ЭК с определением характерного времени и возраста древостоя (при его наличии) – как элементов геодинамической структуры конкретной экосистемы; определение запаса фитомассы парцелл травостоя – как элементов функциональной структуры; определение максимального запаса фитомассы ЭК – как элементов функциональной структуры; осуществление расчета реального запаса стволовой древесины реальной экосистемы с учетом возраста древостоев – как элемента функциональной структуры; осуществление расчета содержания и запаса радионуклидов в биогеогоризонтах экосистемы – как элемента радиобарьерной структуры территории.
3. Разработана методология радиоэкологической стандартизации территории как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности для диагностики радиоэкологического состояния и эколого-географической регламентации радиационного воздействия на биосферу и природные системы с разработкой критериев радиоэкологического стандарта территории, технологического регламента, определяющего перечень и последовательность процедур и операций, составляющих ГИС технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории.
Типичное ландшафтно-зональное состояние территории и слагающих ее природных и геотехнических систем составляет биосферный потенциал территории и определяет эколого-географическую регламентацию радиационного воздействия на биосферу и природные системы, реализованную в виде модулей ГИС «Радиоэкологический стандарт территории». Разработан регламент критериев радиоэкологического стандарта территории, который в общем виде определяет набор параметров, характеризующих местоположение, состав, строение и функционирование территории как совокупности экосистем и содержит следующие позиции: позиционирование, видеопортрет, геоэкологическое описание, типы режимов факторов, геотопологическую структуру, радиационные характеристики, биобарьеры, дозы на биоту, индекс радиационной опасности. Разработан технологический регламент, определяющий перечень и последовательность процедур и операций, составляющих технологию по оценке и созданию радиоэкологического стандарта территории и содержит следующие процедуры: создание цифровых карт основ, создание атрибутивных баз данных, оптимизация сети обследования путем наложения серии карт, создание крупномасштабных ЦКО территории, создание атрибутивных баз данных, проведение полевых работ, выполнение пробоподготовки, выполнение измерений, ввод информации в БД, выполнение расчетов и вычислений, разработка БД и ГИС, разработка радиоэкологического стандарта территории. Созданы модули ГИС «Радиоэкологический стандарт территории», которые содержат информацию о типичном радиоэкологическом состоянии территории в соответствии с ландшафтно-зональными условиями и представляют собой фундаментальную основу экологического нормирования природопользования.
Биобарьеры с накопленными радионуклидами, смоделированные на основе геодинамической и функциональной структуры территории в сфере воздействия ПХРО, представляют эксплуатационный ресурс территории, от надежности функционирования которого зависит длительность безопасной работы предприятий по обращению с РАО. Биобарьеры с накопленными радионуклидами, смоделированные на основе геодинамической и функциональной структуры территории города или природного ландшафта, представляют потенциал или ресурс территории, от надежности функционирования которого зависит безопасность окружающей среды и населения.
4 Разработана концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов, реализуемого в виде систем биоиндикации оценки качества среды обитания по состоянию биоты в природных условиях, представленных сопряженными базами данных радиотолерантности видов растений и их толерантностью к типам режимов факторов.
Концепция базируется на фундаментальных знаниях:
- о количественном элементном составе живого вещества биосферы Ковальский, 1974, Покаржевский, 1985, Глазовский, 1987, Перельман, 1961, Алексахин, Нарышкин, 1977);
- 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).
Критерием зональной радиотолерантности установлено нормальное состояние объекта, выявленное в типичном плакорном местообитании, отражающем зональные условия. Показателями радиотолерантности установлены: 1) диапазон значений содержания или накопления радионуклидов в биоиндикаторах от минимума до максимума, 2) положение диапазона на общей шкале значений (содержания или накопления радионуклидов). На основе расчета и анализа более 4000 матриц связей радиационных показателей биоиндикаторов с их экологическими свитами по каждому фактору среды установлена зависимость накопительной способности биоиндикаторов от условий среды, установлены диапазоны или пределы радиотолерантности видов. Собранная информация и проведенный анализ позволили впервые установить на фоновом типично ландшафтно-зональном уровне радиотолерантность видов растений и их экологических свит, тем самым создать нормативно-базовую информацию в виде каталогов биоиндикаторов для решения разнообразных задач природопользования.
Система представляет собой аппаратно-программный комплекс, содержит базы данных о толерантности 2300 видов растений к 10 прямодействующим факторам среды, о состоянии более 116 объектов в диапазонах природных факторов в интервале широт 440 и 570 с.ш.; функционирует в режиме реального времени; позволяет осуществлять диагностику на любой территории в пределах лесной и степной зон; позволяет прогнозировать содержания радионуклидов в почве и растениях без отбора проб и выполнения измерений – только на основе визуального определения числа и обилия видов растений.
Основные публикации, отражающие содержание диссертации
Публикации в изданиях, включенных
в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий
1 Markelov D.A. Zinc Accumulation by the Slime Mold Fuligo septica (L.) Wiggers in the Former Soviet Union [Текст] / Zhulidov D.A., Robarts R.D., Zhulidov A.V., Markelov D.A., etc. // Journal Environmental Quality – 2002. – №31 – C. 1038-1042.
2 Маркелов Д.А. Система радиоэкологических стандартов зональных биомов как основа рационального природопользования [Текст] / Д.А. Маркелов // Проблемы региональной экологии. – 2008. –.№ 2. – С. 144-149.
3 Маркелов Д.А. Модуль ГИС «Эколого-географический, радиационный, химический стандарт природного комплекса Москвы – основа регулирования антропогенного загрязнения [Текст] / Д.А. Маркелов // Проблемы региональной экологии. – 2008. –.№ 3. – С. 190-194.
4 Маркелов Д.А. ГИС технология прогнозирования радиоактивности растений и почвы [Текст] / Д.А. Маркелов // Проблемы региональной экологии. – 2008. –.№ 4. – С. 113-120.
5 Маркелов Д.А. Экотехнология распознавания экологического ареала территории на основе биоиндикации типов режимов факторов [Текст] / Д.А. Маркелов // Проблемы региональной экологии. – 2008. –.№ 4. – С. 168-171.
6 Маркелов Д.А. Методика оценки экологического состояния территории [Текст] / Д.А. Маркелов, О.Е. Полынова // Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». – 2008. – №2. – С. 106-111.
7 Маркелов Д.А. Проекты биомониторинга для диагностики радиоэкологического состояния объектов и территории [Текст] / Д.А. Маркелов, О.Е. Полынова // Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». – 2008. – №2. – С. 112-123.
8 Маркелов Д.А. Биоиндикация радиационного фона [Текст] / Д.А. Маркелов // Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». – 2008. – №3. – С. 104-111.
9 Маркелов Д.А. Разработка концепции радиотолерантности лесных сообществ как биобарьеров при радиационном воздействии [Текст] / Д.А. Маркелов // Экология урбанизированных территорий. – 2008. –.№ 3. – С. 12-23.
10 Маркелов Д.А. Устойчивость и барьерная функция санитарно-защитной зоны пункта обезвреживания РАО по данным, полученных с помощью геоинформационных технологий [Текст] / Д.А. Маркелов, А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, С.А. Дмитриев, А.И. Соболев и др. // Медицина труда и промышленная экология. – 2006. –.№ 2. – С. 42-48.
Статьи в рецензируемых журналах
11 Маркелов Д.А. Методика оценки радиоэкологического состояния территории на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов [Текст] / Д.А. Маркелов // Аридные экосистемы. – 2004. –.№ 22-23. – С. 145-153.
12 Маркелов Д.А. Оценка экологического состояния земель (почвы) по биосферным функциям [Текст] / Д.А. Маркелов, М.А. Григорьева // Вестник Бурятского университета. Сер. 3, География, Геология – 2006. – №6. – С. 201-211.
13 Маркелов Д.А. Экономика природопользования с учетом биосферного потенциала земель [Текст] / Д.А. Маркелов, М.А. Григорьева // Вестник Бурятского университета. Сер. 3, География, Геология – 2006. – №7. – С. 162-171.
Картографические издания
14 Россия. Карта районирования территории России по степени экстремальности развития эколого-геоморфологических ситуаций [Карты] : [Тематическая карта] / картографические работы, дизайн и подготовка к изданию Институт географии РАН в 2005 г., авторский макет ООО «ДИ ЭМ БИ» в 2006 г., картографическая основа Роскартография в 2003 ; соавторы: А.Е. Козлова, Г.П. Локшин, И.В. Чеснокова, Э.А. Лихачева, Д.А. Тимофеев, А.В. Кошкарев, Д.А. Маркелов, К.В. Горецкий – 1: 9 000 000, 90 км в 1 см – М.: ООО «ДиЭмБи», 2006. – На 1 листе.
Монографии
15 Маркелов Д.А. Зональные особенности биоразнообразия и радиоэкологического состояния растительных сообществ [Текст] / Д.А. Маркелов – М.: Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 1999. – 58 с.
16 Маркелов Д.А. Радиоэкологическое состояние территорий (оценка, диагностика, прогнозирование) [Текст] / Д.А. Маркелов - М.: ИАЦ «Энергия», 2008. - 146 с.
Статьи, доклады и тезисы в трудах и материалах симпозиумов
17 Маркелов Д.А. Прогнозирование содержания радионуклидов в почве и растениях на основе зональной радиотолерантности биоиндикаторов / Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения: Материалы II Международной конференции. - Институт радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК. 6-8 сентября 2005 г. - Том 1. - Курчатов: 2005.- С. 146-157.
18 Маркелов Д.А. Радиоэкологическое нормирование природопользования / Минеева Н.Я., А.В. Маркелов, Маркелов Д.А. и др. / Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения: Материалы II Международной конференции. Институт радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК. 6-8 сентября 2005 г.- Том 1. - Курчатов: 2005. - С. 122-145.
19 Маркелов Д.А. Разработка и моделирование систем биодоочистки и реабилитации территорий/ Минеева Н.Я., А.В. Маркелов, Маркелов Д.А. и др./ Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения: Материалы II Международной конференции. Институт радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК. 6-8 сентября 2005 г. - Том 1.- Курчатов: 2005.- С. 205-215.
20 Маркелов Д.А. Разработка структуры ГИС «Радиоэкологическое состояние эталонов природы – особо охраняемых природных территорий (ООПТ) Москвы и Московского региона»/ С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, … Д.А. Маркелов и др. // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2004 г. – М.: «IBDG», 2006. - Вып.12. – С. 63-71.
21 Маркелов Д.А. Разработка и создание базы данных радиоэкологических параметров для сертификации качества среды при обращении с радиоактивными отходами/ С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, … Д.А. Маркелов и др // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2004 г. – М.: «IBDG», 2006. - Вып.12. –С. 78-84.
22 Маркелов Д.А. Система прогнозирования радиоактивности почвы и растений /Экологические проблемы регионального мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов Московского регионального отделения Российской академии естественных наук (РАЕН) по экологическому мониторингу окружающей среды. – М: Изд. Российской академии естественных наук, 2006. – С.35-48.
23 Маркелов Д.А. Геоинформационные технологии обеспечения радиоэкологической безопасности на основе биоиндикации./ А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, Д.А. Маркелов и др. /Экологические проблемы регионального мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов Московского регионального отделения Российской академии естественных наук (РАЕН) по экологическому мониторингу окружающей среды. – М: Изд. Российской академии естественных наук, 2006– С.25-34.
24 Маркелов Д.А. Биодиагностика радиоэкологического состояния природного комплекса Москвы на основе геоинформационных технологий /Н. Я. Минеева, А.В. Маркелов, … Д.А. Маркелов и др./ Экологические проблемы регионального мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов Московского регионального отделения Российской академии естественных наук (РАЕН) по экологическому мониторингу окружающей среды. – М: Изд. Российской академии естественных наук, 2006– С.89-94.
25 Маркелов Д.А. Обучающая программа «Оценка экологического состояния территории» / Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Материалы IV международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 19-21 октября 2006 г. - Т. 2. - Семипалатинск, 2006. - С. 587-591.
26 Маркелов Д.А. Оценка барьерной функции биогеоценотических барьеров для ПЗРО России / А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, Д.А. Маркелов, и др./ Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Материалы IV международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 19-21 октября 2006 г. - Т. 2. - Семипалатинск, 2006 - С. 374-382.
27 Маркелов Д.А. Сертификация качества среды промышленных площадок предприятий по биосферному потенциалу / Н.Я. Минеева, А.В. Маркелов, С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, Д.А. Маркелов, и др. / Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Материалы IV международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 19-21 октября 2006 г. - Т. 2. - Семипалатинск, 2006- С. 72-79.
28 Маркелов Д.А. Разработка системы эколого-географических, радиационных, биогеохимических стандартов геосистем СИЯП как основы устойчивого развития региона и прогноза его биосферного функционирования / Панин М.С.,Н.Я. Минеева, … Д.А. Маркелов и др./Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Материалы IV международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 19-21 октября 2006 г. - Т. 2. - Семипалатинск, 2006- С. 245-251.
29 Маркелов Д.А. Модуль «Эколого-географический, радиационный, химический стандарт европейской территории Российской Федерации – основа прогноза и предотвращения антропогенного загрязнения окружающей среды» / Геохимия биосферы: Доклады Международной научной конференции. Москва, 15-18 ноября 2006 г. Смоленск: Ойкумена, 2006. – С. 223.
30 Маркелов Д.А. ГИС технологии радиоэкологической безопасности: аппаратно-программные средства и геоинформационное обеспечение / А.В. Маркелов, Д.А. Маркелов и др./ Геохимия биосферы: Доклады Международной научной конференции. Москва, 15-18 ноября 2006 г. Смоленск: Ойкумена, 2006– С. 221-223
31 Маркелов Д.А. Технология создания геоинформационной системы для целей рационального природопользования (города, района, региона) на основе интеграции новейших аппаратно-программных средств ГИС и глобальной спутниковой навигационной системы / А.В. Маркелов, Д.А. Маркелов и др./Материалы VII Международного симпозиума «Проблемы экоинформатики» (5 - 7 декабря 2006г. Москва, Россия). – М., 2006– С.219-223.
32 Маркелов Д.А. Разработка структуры многофункциональной ГИС «Радиоэкологическая безопасность территорий РФ /А.И. Соболев, С.А. Дмитриев, … Д.А. Маркелов и др. // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2005 г. – М.: «IBDG», 2007. - Вып.13. – с. 58-66.
33 Маркелов Д.А. Разработка биомониторинга природопользования при обращении с радиоактивными отходами /С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, … Д.А. Маркелов и др.// Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2005 г. – М.: «IBDG», 2007. - Вып.13– с.67-73
34 Маркелов Д.А. Разработка структуры радиоэкологического сертификата качества среды при обращении с РАО /А.И. Соболев, С.А. Дмитриев … Д.А. Маркелов и др.// Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2005 г. – М.: «IBDG», 2007. - Вып.13– с.74-83.
35 Маркелов Д.А. Оценка барьерной функции сообществ как биогеоценотических барьеров /А.И. Соболев, С.А. Дмитриев … Д.А. Маркелов и др. // Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2005 г. – М.: «IBDG», 2007. - Вып.133– с.84-92.
36 Маркелов Д.А. ГИС технологии радиоэкологической безопасности территорий /А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, Д.А. Маркелов и др. / Геоэкологические проблемы современности: межвуз. сб. науч. тр. - вып. 9. - Владимир: ВГПУ - 2007.– с.172 -180.
37 Маркелов Д.А. Методология радиоэкологической стандартизации территории. /А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, Д.А. Маркелов и др./ Геоэкологические проблемы современности: межвуз. сб. науч. тр. - вып. 9. - Владимир: ВГПУ - 2007.– с.181 -194.
38 Маркелов Д.А. Радиоэкологический стандарт территории Волгоградской области: геотопология, радиобиобарьерные функции экосистем/ А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева, С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, и др./ Геоэкологические проблемы современности: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып.9. - Владимир: ВГПУ - 2007. – С.204 -208
39 Маркелов Д.А. Разработка системы оценки геодинамической и функциональной структуры территории (ГД и ФС)/ А.В. Маркелов, Н.Я. Минеева,С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, и др/ Материалы Международного симпозиума «Инженерная экология-2007 (совместно со школой – семинаром молодых ученых)» (4 - 6 декабря 2007г. Москва, Россия). – М., 2007. - С. 55-59.
40 Маркелов Д.А. Мобильные ГИС технологии /Маркелов А.В., Н.Я. Минеева, С.А. Дмитриев, А.И. Соболев, Э.В. Горенков, и др/ Геоэкологические проблемы современности: Доклады 2-ой Международной конференции, Владимир.- 2008 г.- С. 148-157.
