Оценка радиационной обстановки на территории Ветковского района с применением ГИС-технологий

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Биологический факультет Кафедра химии ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА ТЕРРИТОРИИ ВЕТКОВСКОГО РАЙОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Дипломная работа

Исполнитель:

студент группы БИ-53 Гилязитдинов Тимур Доналович Гомель 2009

РЕФЕРАТ Дипломная работа: 47 страниц, 3 таблицы, 9 рисунков, 45 источников.

Ключевые слова: ГИС, удельная активность, поглощённая доза, эквивалентная доза, коэффициенты перехода, тематическая карта, вероятность превышения, демография.

Объект исследования: Территория Ветковского района.

Метод исследования: Расчетный с применением официальной информации: плотность загрязнения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, объёмная активность ¹³⁷Cs в молоке населенных пунктов Ветковского района Гомельской области.

Цель работы: Построение тематических карт с целью оценки радиационной обстановки на территории Ветковского района с применением ГИС-технологий.

Результаты исследований: С помощью ГИС был выполнен прогноз изменения плотности загрязнения радионуклидами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs территории Ветковского района с течением времени.

На территории Ветковского района на период 1992 года плотность загрязнения ¹³⁷Cs соствляла 94−1400 кБк/м². В 2008 наблюдается заметное снижении плотности загрязнения ¹³⁷Cs. В 2048 г. произойдёт коренное изменение радиационной обстановки на территории Ветковского района, при этом максимальное значение плотности загрязнения ¹³⁷Cs составит 384 кБк/м².

Схожая ситуация наблюдается с распределением ⁹⁰Sr, как и в случае с ¹³⁷Cs: существенное уменьшение плотности загрязнения придётся на 2048 г.

С использованием ГИС был произведён анализ демографической обстановки в Ветковском районе.

Для Ветковского района характерна тенденция ухудшения возрастной структуры населения, исключение на общем фоне являются районный и хозяйственные центры, в которых демографическая обстановка оптимальна.

С помощью ГИС была построена тематическая карта вероятности производства молока с превышением действующего норматива.

В ряде случаев молоко, как дозообразующий продукт, вносит менее значимый вклад в формировании индивидуальной годовой суммарной дозы в сравнении с другими факторами. Наблюдались единичные превышения РДУ.

Были определены населённые пункты, в которых наблюдается превышение индивидуальной годовой суммарной дозы.

Определяющим фактором в формировании суммарной дозы являются: доза внешнего облучения и внутреннего, связанная с потреблением «даров природы».

• ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЧАЭС — Чернобыльская атомная электростанция ГИС — геоинформационные системы;

РДУ — Республиканские допустимые уровни БД — база данных СУБД — Система управления базой данных КП — Коэффициент перехода САПР — Система автоматизированного проектирования

GPS — глобальная система позиционирования

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития, человечество постоянно сталкивается с ухудшающейся экологической обстановкой, вызванной различными техногенными загрязнителями, в том числе контролируемым и неконтролируемым радиоактивным загрязнением биосферы.

С развитием атомной науки и техники все большее значение для экологии приобретают локальные радиоактивные загрязнения, вызванные авариями на атомных объектах. После таких крупных катастроф, как авария на ЧАЭС, возникла необходимость в проведении широкомасштабных радиоэкологических исследований в различных сферах человеческой деятельности.

К настоящему времени накоплены большие массивы данных о радиологической ситуации на территории загрязненных регионов. Эта информация может быть использована в различных целях. Так полученные данные, например плотность загрязнения, позволяют тяжесть последствий аварии на ЧАЭС, и спрогнозировать изменение этой величины во времени, а, следовательно, разработать мероприятия, которые позволят снизить дозовую нагрузку на население.

Для прогнозирования, в нашем случае, использовались программный продукт MapInfo Professional 9.02, который позволяет:

осуществить прогноз изменения плотности загрязнения радионуклидами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, районов пострадавших от аварии на ЧАЭС, путём визуализации обработанных данных;

оценить демографическую обстановку ряда районов, пострадавших от аварии на ЧАЭС, на основании чего может быть предложен комплекс мероприятий направленный на увеличения уровня жизни в данных районах;

проанализировать продукцию, выпускаемую в районах пострадавших от аварии на ЧАЭС — определить ту часть, которая не соответствует требованиям РДУ-99. На основании чего предложить мероприятия, направленные на снижения поступления радионуклидов в данную продукцию.

Актуальность темы

:

В связи со сложностью проблемы оценки радиоэкологической ситуации на территориях, загрязненных радионуклидами, и прогноза ее развития во времени актуальным является вопрос применения геоинформационных систем, как мощного инструмента для моделирования, управления разнородными базами данных и визуализации результатов.

При решении задач, связанных с оценкой радиоэкологической обстановки, ГИС-технологии позволяют за короткий промежуток времени и с минимальными затратами спрогнозировать динамические процессы на территории загрязненного региона и представить результаты в виде, удобном для дальнейшего принятия решений.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Принципы функционирования и применения ГИС как модели: представление и визуализация исходной информации и результатов расчётов в приложении к радиологическим исследованиям

1.1.1 Основные понятия

ГИС — современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности. Эта технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

На первый взгляд достаточно очевидным является только применение ГИС в обработке аэрои космических снимков и подготовке бумажных карт. Реальный же спектр применений ГИС гораздо шире и базируется на современных информационных технологиях.

Информационные технологии основаны на информационных процессах, которые можно разделить на три больших группы: получение информации, её обработка и представление. Эти процессы обеспечиваются в свою очередь процессами хранения и передачи информации. Иными словами, ввод-обработка/хранение/передача-вывод. Получение информации обеспечивается различными «органами чувств» компьютеров: различными датчиками (давления, температуры, положения в пространстве и т. д.), фотои видеосъемкой (неважно, «напрямую» или через сканер или устройство видеоввода), ручным вводом (с клавиатуры, с дигитайзера, рисованием мышкой и т. п.).

Далее, оцифрованная информация подвергается обработке. Здесь используются алгоритмические и математические модели процессов реального мира. Результаты обработки имеют ценность только после того, как они должным образом представлены. Представление обеспечивает эффективное восприятие информации человеком или передачу ее на исполнительные органы в автоматизированных системах управления.

Пожалуй, главным достоинством ГИС является наиболее естественное для человека представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным в пространстве (т.н. атрибутивной информации). Способы представления атрибутивной информации различны: это может быть числовое значение с датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография, или реальное видеоизображение.

На этапе ввода информации ГИС оказывают большую помощь в наглядном представлении первичной информации, здесь много общего с системами автоматизированного управления производственными и иными объектами (САПР и АСУ).

Если сложный объект может быть представлен в виде некоторой схемы, то ГИС может быть удобным интерфейсом для доступа к информации от ее источников. Важно также и то, что ГИС содержит удобные средства для создания и редактирования таких схем и, естественно, для организации связи с первичными источниками информации.

Отдельным направлением, тесно связанным с ГИС, являются средства геопозиционирования (GPS), обеспечивающие с заданной точностью определение географического положения объектов.

Очевидно и то, что с помощью ГИС может быть организован эффективный доступ к большому объему информации об объектах, имеющих пространственную привязку. Поскольку хранение и поиск больших объемов информации на электронных носителях — задача со своей спецификой, собственно ГИС обычно используют возможности внешних СУБД и эффективность, и надежность такого взаимодействия — важная характеристика ГИС.

1.1.2 Как работает ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т. п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных — векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y. Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой координат (X, Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X, Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

ГИС общего назначения обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализация.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Для выделения из отсканированных карт семантической информации об объектах, обозначенных четкими и однозначными границами (здания, границы земельных участков, газоны, тротуары, улицы и т. п.) существуют автоматические методы, основанные на базах знаний.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения — в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты — в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации можно получать ответы на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка?) На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? (Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если» .

Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта — очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С её помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанцировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

1.1.3 Сферы использования ГИС

Основные типы использования ГИС:

· компьютерная картография и хранение картографических данных;

· пространственный анализ и моделирование;

· принятие решений с помощью ЭВМ;

· системы управления базами данных.

Не существует ГИС, идеально удовлетворяющих всем основным типам приложений. С помощью ГИС-технологий решаются такие типы задач моделирования, как:

· изучение структуры природных и социально-экономических геосистем разного ранга;

· выявление взаимосвязей и взаимообусловленности объектов и явлений, оценка системообразующих связей;

· определение динамики процессов, траекторий возможного развития явлений во времени и пространстве;

· прогнозирование развития и размещения явлений, восстановление прошлых ситуаций (ретрогноз);

· оценка и районирование (регионализация) территории по заданному параметру или набору параметров.

Наибольшее применение ГИС-технологии получили в следующих областях деятельности человека:

· геодезия и картография [12];

· административно-территориальное управление, городской и земельный кадастр;

· инженерные коммуникации;

· транспортное дело;

· лесное хозяйство;

· экология и недропользование;

· нефтяная и газовая индустрия;

· дистанционное зондирование;

· технологии глобального спутникового позиционирования — GPS;

· образование и наука;

· медицина;

· военное дело;

· бизнес;

· службы быстрого реагирования и силовые структуры.

Геодезия и картография. Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

Административно-территориальное управление, городской и земельный кадастр. В данной сфере использования ГИС можно выделить следующие направления:

· Создание и ведение земельного кадастра [16];

· проектирование и анализ городской черты, зон градостроительной ценности, кадастровых районов;

· проектирование и анализ кадастровых кварталов и границ земельных участков;

· инвентаризация городских земель, анализ сложившихся границ отдельных земельных участков, кварталов, создание ситуационных планов, проектирование новых границ земельных участков;

· подготовка и оформление правовых документов на земельные участки.

Решение задач административно-территориального управления:

· создание адресной системы (которая используется и для других задач) [17];

· проектирование и анализ городской черты, границ административных районов [18];

· проектирование и анализ границ избирательных участков, округов, а также результатов выборов;

· обеспечение служб и подразделений милиции, ГАИ, противопожарной безопасности.

Создание и ведение городского кадастра [19]:

· создание цифровых карт различного масштаба для нужд отделов и служб городской администрации [20];

· проведение работ по инвентаризации различных инженерных коммуникаций (электросети, газ, вода и т. д.) и создание на основе проинвентаризированной информации автоматизированных подсистем управления для соответствующих служб и предприятий города;

· моделирование дождевых потоков с целью проектирования и строительства дождевых канализационных сетей;

· учет и оценка всех объектов городской инфраструктуры для формирования устойчивого экономического механизма управления и развития городской территории.

Инженерные коммуникации. Типы задач в сфере инженерных сетей [21]:

· задачи стратегического планирования, прогнозирования и выявления потребностей в развитии инженерных сетей [22];

· задачи конкретного развития и проектирования инженерных сетей;

· задачи инвентаризации объектов распределенной производственной и вспомогательной инфраструктуры предприятий инженерных сетей, ведение технической документации;

· задачи помощи в организации обслуживании клиентов и расчетов с ними за предоставляемые ресурсы (электроэнергию, воду, газ);

· задачи анализа деятельности предприятия и качества обслуживания потребителя;

· задачи оперативного диспетчерского управления в нормальном режиме эксплуатации;

· задачи оперативного реагирования на аварии и чрезвычайные ситуации, в том числе внешние по отношению к данной конкретной инженерной сети;

· задачи обеспечения профилактических и аварийных ремонтных работ;

· задачи обеспечения взаимодействия с другими инженерными сетями на территории, взаимодействия с другими территориальными службами и органами управления;

· задачи мониторинга состояния сетей и предотвращения аварийных ситуаций.

Транспортное дело. Одним из направлений повышения эффективности использования ограниченных финансовых ресурсов является автоматизация как информационных потоков о дорожной сети, так и в дальнейшем обеспечение поддержки принятия управленческих решений в информационной системе.

Так, решение задач управления инфраструктурой автомобильных дорог на уровне региона, связано со сбором, хранением, обработкой и анализом больших объемов разнородной информации. Для интеграции разнородных данных и приведения их к виду, пригодному для анализа и принятия на их основе управленческих решений, на современном уровне, необходимо построение информационной системы.

Такая информационная система должна предоставлять возможность интерактивно отображать информацию о технических, экономических и др. показателях, обеспечивать оперативный контроль за изменением характеристик автодорожной сети, обеспечивать автоматизированную обработку информации обо всех хранимых объектах, представлять результаты обработки в виде таблиц, карт, графических образов и отчетов, структура и содержание которых регламентируется нормативными документами автодорожной отрасли.

Лесное хозяйство. Существующие ГИС-решения могут использоваться для поддержки разнообразных функций управления лесными ресурсами, таких как: разработка долговременной стратегии поставок древесины, прогнозы запасов, выбор системы лесозаготовки, расчет строительства дорог с минимальными затратами, проведение визуального ландшафтного анализа с наложением делянок, решение споров относительно границ собственности, установление границ естественных местообитаний, моделирование сценариев распространения лесных пожаров, осуществление тактического планирования по подавлению пожаров, планирование стратегического управления, планирование подходов к лесу и дорог, дистанционное зондирование и оценка первичных ресурсов лесов, интегрированное управление ресурсами.

Экология и недропользование. ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны.

С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.

Региональные и местные руководящие структуры широко применяют возможности ГИС для получения оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций между владельцем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования с требованиями дикой природы. Постоянный сбор и обновление данных о границах землепользования может оказать большую помощь при разработке природоохранных, в том числе административных и законодательных мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основе базовых научных экологических принципов и концепций.

По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от меняющихся внешних условий.

Нефтяная и газовая индустрия. Сферы приложения ГИС имеются во всем цикле разведка-добыча-распределение нефти и газа, от изысканий до конечных стадий истощения запасов и снятия оборудования.

· Автоматическое базовое картографирование. С помощью ГИС-пакетов пользователь может построить базовые карты с самыми новыми данными по скважинам, аренде, сейсмике, в любом масштабе, для любой области, с любым уровнем детальности, направляя любую информацию о характеристиках из баз, данных на карту.

· Обработка результатов: используя программное обеспечение ГИС, графическую и текстовую информацию — такую как удостоверенную разведку, данные о добыче, текущая деятельность, спутниковые изображения, аэроснимки, сейсмические данные, карты и планы — можно сохранять и при необходимости быстро извлекать из централизованной или распределенной базы данных.

· Управление арендой. С помощью ГИС человек, связанный с решением земельных вопросов, может точно поддерживать и контролировать арендные записи и график сопутствующих мероприятий, уменьшить ненужную плату за ренту и помочь изыскательским партиям максимизировать возможности освоения.

· Бурение. С помощью программного обеспечения ГИС можно тщательно анализировать буровую информацию, такую как данные о буровом оборудовании и растворе, аномальных давлениях, обсадках, для оценки стоимости бурения и выполнения надежной и эффективной буровой программы.

· Добыча. ПО ГИС идеально подходит для инвентаризации оборудования. Диаграммы по скважинам и коммуникационные схемы легко привязываются к их пространственному положению на карте. ПО можно также использовать для анализа заявок на аренду по добыче, контрактов по хранению, для решения задач бурения и пропорционального распределения, оценки конкурентной деятельности и добычи, выполнения законодательства по охране окружающей среды.

· Управление бассейном. ПО ГИС дает возможность для анализа добычи, пластовых давлений и оценки запасов в комплексной среде обработки данных.

· Совершенствование транспортировки и распределения.

Кроме прикладных задач, связанных с изысканиями и добычей, ПО ГИС дает широкий набор средств для решения задач транспортировки продукции. Функции сетевого моделирования можно применять для прогноза и расчета движения жидкостей по системе трубопроводов. При авариях и поломках на компрессорной станции ПО ГИС применяется для определения всех скважин, питающих систему, обслуживаемую данным компрессором, для нахождения альтернативного пути или определения очередности и процедур для уменьшения вредных последствий для потребителя. Успешно решаются с помощью ПО ГИС и задачи анализа рынков сбыта и др.

1.1.4 Применение геоинформационных систем в радиоэкологии

В литературе встречаются сведения о применении ГИС для анализа риска и оценки чрезвычайных ситуаций, для поверхностного и приповерхностного исследования, имеющие целью обеспечения захоронения радиоактивных отходов.

В связи со сложностью проблемы оценки радиоэкологической ситуации на территориях, загрязненных радионуклидами, и прогноза её развития во времени, актуальным является вопрос применения геоинформационных систем, как мощного инструмента для моделирования, управления разнородными базами данных и визуализации результатов.

При решении задач, связанных с оценкой радиоэкологической обстановки, в частности даже таких — производством сельскохозяйственной продукции на загрязненных землях, ГИС-технологии позволяют за короткий промежуток времени и с минимальными затратами спрогнозировать динамические процессы на территории загрязненного региона и представить результаты в виде, удобном для дальнейшего принятия решений.

1.2 Активность радионуклидов. Производные активности (удельная активность, объёмная активность, плотность загрязнения). Единицы активности

Постановлением Госстандарта от 8 февраля 1984 г. утверждены «Методические указания РД 50−454−84; внедрение и применение ГОСТ 8.417−81 «ГСИ. Единицы физических величин в области ионизирующих излучений».

Наряду с Международной системой единиц используются внесистемные единицы активности и дозовые характеристики полей ионизирующих излучений.

Употребляемое количество радиоактивных веществ принято выражать не в единицах массы, а в единицах активности радионуклида. Объясняется это следующими причинами: если количество применяемых радиоактивных веществ очень мало, измерение их массы часто представляет большие трудности; препараты обычно находятся в запаянных ампулах и не могут быть извлечены без серьезных затруднений; радиоактивные вещества часто используют в смеси с нерадиоактивными; одинаковые количества разных веществ обычно обладают различной активностью, которая со временем уменьшается.

Активность (А) — мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени: чем больше распадов испытывают атомы данного вещества в секунду, тем больше его активность

(1.1)

Таким образом, активность — это физическая величина, характеризующая число распадов в единицу времени. Единица активности радионуклида в СИ — беккерель (Бк). Беккерель равен активности радионуклида в источнике (образце), в котором за 1с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Применяют также дольные и кратные единицы мкБк, мБк, сБк, КБк, МБк и др.

Внесистемная единица активности — Кюри (Ки).

Кюри — единица активности радионуклида в источнике, равная активности нуклида, в котором происходит 3,7?10¹⁰ актов распада в 1 с.

Внесистемная единица активности кюри связана с Беккерелем следующим образом:

1Ки = 3,7? 10¹⁰ расп./с = 3,7? 10¹⁰ Бк;

1Бк = 2,7? 10-¹¹ Ки.

Кроме этой основной единицы, существуют также производные единицы: милликюри (мКи), микрокюри (мкКи), килокюри (кКи).

Происхождение этой единицы следующее — если в закрытый сосуд поместить радий, то вначале количество радона (эманации радия), являющегося продуктом распада радия, будет возрастать, но так как сам радон также распадается (с периодом полураспада, равным 3,82 суток), то, в конце концов, установится равновесие между вновь возникающим радоном и распадающимся. При этом число ежесекундно совершающихся актов распада будет оставаться практически постоянным, если не учитывать изменение массы самого радия, которое происходит весьма медленно, с периодом полураспада около 1600 лет. Поэтому радиоактивность радия может быть сравнена с радиоактивностью радона, находящегося в равновесии с некоторым количеством радия. Единица радиоактивности Ки представляет собой радиоактивность радона, находящегося в равновесии с одним граммом радия. Количество радона, соответствующее радиоактивности 1 Ки, имеет массу 6,51?? 10-⁶ г и содержит 1,78?10¹⁶ атомов. Альфа-частицы, испускаемые радоном (не учитывая последующих продуктов его распада), способны создать в воздухе ионизационный ток насыщения 0,92 мА.

Для измерения концентрации радиоактивного препарата иногда применяется единицы эман и махе [34]:

1 эман = 10-¹⁰ Ки/л воздуха или воды = 3,7 Бк/л;

1 махе = 3,64 эман = 3,64?10-¹⁰ Ки/л = 13,47 Бк/л;

1 эман = 0,275 махе.

В литературе иногда встречается упоминание о тритиевой единице (т.е.). 1 т. е. = 3,26 пКи или 120,6 мБк/л.

Активность радионуклида с течением времени уменьшается по закону радиоактивного распада:

(1.2)

где A (t), A₀ — активность нуклида в источнике в текущий и начальный (t = 0) моменты времени соответственно; л = In 2/T_½ = 0,693/ T_½ — постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени; T_½ — период полураспада — время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, при этом активность радионуклида уменьшается в два раза.

Для смеси радионуклидов суммарная активность, А определяется из уравнения:

(1.3)

где A_0i — активность i-го нуклида в момент времени t = 0; л_i — постоянная распада i-го нуклида.

Поскольку радиоактивные вещества могут находиться в различных физических состояниях, то наряду с основным понятием активности используются производные от нее величины.

Концентрация активности радиоактивного вещества часто определяется величиной удельной А_m (или объемной А_V) активности, представляющей отношение активности (А) радионуклида в исследуемом веществе к его массе (m) или объему (V).

(1.4)

(1.5)

Для оценки радиоактивного загрязнения территории (плотности радиоактивного загрязнения), т. е. присутствия радиоактивных веществ на поверхности предметов, в почве, внутри материала или в другом месте в количестве, превышающем уровни, установленные ныне действующими «Нормами радиационной безопасности 1999 года» — НРБ-99, применяют величины радиоактивности, отнесенные к единице площади — Kи/км² или кБк/м². В связи с тем, что единица Бк — величина незначительная, а Ки — подчас «громоздкая», удобно употреблять кратные или дольные их значения. Например, единицы удельной концентрации обозначаются: кБк/кг, МБк/кг, ГБк/кг; мКи/т, мкКи/т и т. п., а объемной концентрации в жидкостях и газах — МБк/л, кБк/мл, нКи/см³ и т. д.

1.3 Коэффициенты пропорциональности. Динамика коэффициентов перехода по трофической цепи почва — растительность — животноводческая продукция

Трофическая, или пищевая цепь описывает взаимодействия организмов, через которые в экосистеме происходит преобразование веществ и энергии. В описании этих взаимодействий основным является связь «пища — потребитель». В состав пищи каждого вида обычно входит не один, а несколько видов. В свою очередь каждый вид может служить пищей для многих видов. Поэтому трофические цепи образуют трофическую сеть. Поскольку экологическая система в отсутствие ее нарушений пребывает в определенном равновесном состоянии, потоки веществ характеризуются известным постоянством скоростей, которые, впрочем, подвергаются определенным сезонным колебаниям. Попавшие в экосистемы радионуклиды заполняют эти трофические сети.

Биогеохимический круговорот радионуклидов, осуществляющийся посредством функционирования трофических цепей, включает в себя:

· поглощение растениями, животными, микроорганизмами отдельных радиоактивных изотопов, при этом происходит постепенное перемешивание радионуклидов с их изотопными и неизотопными носителями и их включение в состав биологических структур;

· выделение надземными частями и корневыми системами растений радионуклидов в составе определенных соединений, вымывание из листьев дождями подвижных радионуклидов, например, цезия;

· выделение животными продуктов, образующихся в результате пищеварения, которые поступают в почву в составе новых соединений или как их примеси;

· отмирание надземных и подземных органов растений — листового опада или растений, завершивших свой онтогенез;

· разложение органических остатков микроорганизмами, сопровождающееся включением радионуклидов в состав бактериальной массы или их переходом в почвенный раствор.

В результате совокупного действия биогеохимических и физико-химических процессов происходит перераспределение радионуклидов в масштабе ландшафта. За более или менее продолжительный интервал времени установится относительное равновесное состояние распределения радионуклидов, при котором будет достигнут постоянный уровень содержания радионуклидов в биомассе отдельных звеньев трофических цепей со свойственными им сезонными колебаниям. Как уже отмечалось, помимо биогеохимического превращения радионуклидов, сопряженных с трофическими цепями, благодаря ряду геохимических процессов и таких явлений, как эрозия грунтов, смыв, формирование твердого стока, пылеперенос и т. п. всегда имеет место утечка радионуклидов из биогеохимического круговорота и расширение ареала распространения радионуклидов в среде. Со временем устанавливаются постоянные значения потоков латерального и вертикального переноса радионуклидов как показатели их утечки из конкретной трофической цепи. Такой структурой миграции радионуклидов определяется характер их концентрирования в отдельных компонентах ландшафтов.

Поскольку радионуклиды выпали на поверхность почв и на растительный покров, то они оказались сосредоточенными в самом поверхностном слое, будучи поглощенными, там почвенным поглощающим комплексом или находясь в составе органического вещества отмерших осенью частей загрязненных ими растений. Зона, в которой размещена основная часть поглощающих минеральные вещества корневых систем, находится глубже места сосредоточения радионуклидов, и поэтому должно было пройти определенное время, чтобы радионуклиды могли проникнуть к корнеобитаемой зоне, что обеспечивает их корневое поступление в растения. Там, где не было вспашки, еще и поныне радионуклиды не достигли корнеобитаемой зоны, и биогеохимические циклы установились лишь в отдельных частях ценоза, например, в лишайниково-моховом ярусе.

На пахотных почвах радионуклиды были «размазаны» по профилю почвы.

Биогенные свойства радионуклидов. Степень участия радионуклидов в биогеохимических циклах определяется тем, с какой эффективностью используются в жизнедеятельности растений соответствующие тем или иным радионуклидам носители. Такая эффективность носителей определенных химических элементов называется их биогенностью.

Показателем биогенности элемента является отношение содержания элемента в живом организме к кларку биосферы. Чем выше значение биогенности элемента, тем полнее вовлекается в биогеохимические циклы радионуклид, для которого этот элемент является носителем.

Для характеристики биогенности радионуклидов используют следующие величины:

Мерой аккумуляции радиоактивных веществ в организме служит коэффициент накопления (K_A) представляющий собой отношение их содержания в организме к концентрации в окружающей среде:

(1.6)

почвенный коэффициент пропорциональности (К_П):

(1.7)

Количество поступивших в организм радиоактивных веществ отражает коэффициент биологического поглощения (К_БП), представляющий собой в случае с растениями отношение концентрации радионуклидов в зольном остатке растений к содержанию в почве:

(1.8)

коэффициент дискриминации (КД):

(1.9)

Эти единицы характеризуют скорость вовлечения радионуклидов в растительность, как в основное звено биогеохимического круговорота веществ, и их использование позволяет количественно описывать движение радионуклидов в тех или иных экосистемах и ландшафта.

Переход радионуклидов из почвы в растения. Растения при полном отсутствии видимых следов лучевого поражения, могут накапливать значительные количества радиоактивных веществ, в частности вышеупомянутых ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, концентрация которых у растений отдельных видов может в десятки раз превышать их содержание в почве, и поэтому урожай может оказаться непригодным для использования в пищевых и кормовых целях. Поэтому крайне важным является изучение закономерностей поступления в растения, накопления и распределения в продуктивных органах отдельных радиоактивных веществ.

При изучении таких закономерностей было замечено, что ⁹⁰Sr ведёт себя сходно с кальцием, a ¹³⁷Cs — с калием. Было установлено, что максимальная концентрация ⁹⁰Sr всегда обнаруживается у видов растений богатых кальцием (известные кальциефилы — растения семейства бобовых, некоторые представители семейства розоцветных, лютиковых), а наибольшее количество ¹³⁷Cs — в объектах, богатых калием (калиефилы — овощной перец, картофель, свекла, капуста, кукуруза, овес, виноград).

При одинаковой плотности загрязнения почв ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr поступление ⁹⁰Sr из почв в растения в среднем в 10 раз выше, чем ¹³⁷Cs.

Накопление радионуклидов в урожае сельскохозяйственных культур зависит не только от плотности загрязнения почв, но и типа почв, их свойств и биологических особенностей самих культур. Например, величина перехода ¹³⁷Cs в многолетние злаковые травы на торфяно-болотных и аллювиальных (пойменных) почвах в 2−3 раза выше, чем на дерново-подзолистых. Поэтому особенно высок риск производства молока цельного и мяса говядины с превышением допустимых норм по содержанию радионуклидов при скармливании сена и зеленой массы трав с торфяных и пойменных почв.

Существенное влияние на размеры поступления радионуклидов в культуры оказывают агрохимические свойства и гранулометрический состав почв В зависимости от содержания в почвах подвижного калия, накопление ¹³⁷Cs в зерне может изменяться на 40−80%, в сене многолетних злаковых трав на 10−42%.

В 2−3 раза различаются коэффициенты перехода радионуклидов при возделывании культур на почвах разного гранулометрического состава. Так, на суглинистых почвах содержание ¹³⁷Cs в сене многолетних злаковых трав на пахотных землях в 1,5−2 раза, а в условиях поймы в 2−2,5 раза ниже, чем на песчаных.

Повышенному переходу радионуклидов в урожай культур способствует переувлажнение почв. На глееватых и глеевых почвах переход радионуклидов в травы в 4 и более раз выше по сравнению с почвами нормального увлажнения. Поэтому на заболоченных почвах высокая степень загрязнения травяных кормов и молока наблюдается даже при относительно низких плотностях загрязнения ¹³⁷Cs (74−185 кБк/м²) и ⁹⁰Sr (11,1−37 кБк/м²).

Биологические особенности растений проявляются в их разной способности поглощать радионуклиды из почвы Установлено, что при одинаковой плотности загрязнения дерново-подзолистых супесчаных почв переход ¹³⁷Cs в зерно озимой ржи в 8 раз ниже, чем в семена ярового рапса, в 20 раз — в сравнении с зерном люпина. По накоплению ⁹⁰Sr различия между зерновыми и зернобобовыми культурами еще резче до 38 раз. Сортовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше (до 1,5 3 раз), но их также необходимо учитывать при подборе культур.

Переход радионуклидов из растений в продукцию животноводства. Радиоактивные вещества поступают в организм сельскохозяйственных животных через желудочно-кишечный тракт в составе кормов, а при пастбищном содержании, кроме того, вместе с дерниной и частичками почвы.

Переход радионуклидов из рациона в молоко. Повышенный интерес исследователей к миграции радионуклидов в звене корм — молоко вызван тем, что молоко и молочные продукты обуславливают 25−100% поступление радиоактивных веществ в организм человека.

Скорость перехода радионуклидов в молоко зависит от некоторых факторов: физико-химических свойств радионуклида, пути и ритма поступления его в организм. В длительных многомесячных опытах на коровах с годовым удоем 3000−4000 кг было установлено, что постоянный уровень содержания радиостронция в молоке отмечается уже на 4−6-й день после перевода животных на кормление «грязными» рационами. Концентрация радионуклида в молоке находилась в прямой зависимости от текущего поступления в рацион. Общее содержание ⁹⁰Sr в суточном удое молока варьировало от 0,20 до 6,21% его количества в рационе, причем между уровнем суточной продуктивности коров и выделением ⁹⁰Sr наблюдалась тесная корреляция.

После прекращения скармливания лактирующим коровам «грязных» кормов концентрация ⁹⁰Sr в молоке резко снижается. В одном из опытов, когда дойные коровы в течение 145 дней получали корма с высоким содержанием радиоактивного стронция, отмечалось, что уже через двое суток после перевода животных на «чистые» корма содержание ⁹⁰Sr в молоке составляло примерно 50%. Наличие в молоке радиоактивного стронция даже в отдаленный период после окончания скармливания «грязных» кормов объясняется постоянным поступлением радионуклида из костной ткани скелета (депо ⁹⁰Sr) в кровь и далее в молочную железу и молоко.

Переход радиоактивного цезия из рациона в молоко коров выше по сравнению с радиостронцием. Как и в опытах со ⁹⁰Sr, при изучении закономерностей перехода радиоцезия из рациона в молоко был отмечен рост его содержания в молоке по мере увеличения суточного удоя. Указывается, что выведение ¹³⁷Cs в расчете на 1 л молока с уменьшением удоев увеличивается. В разносторонних исследованиях на коровах с различными суточными удоями было установлено, что концентрация ¹³⁷Cs в литре молока колеблется в пределах 0,40−1,68%, составляя в среднем 0,84%.

Переход радионуклидов в мясо и субпродукты. После орального поступления продуктов ядерного деления и нейтронной активации сельскохозяйственным животным переход радионуклидов из рациона в мясо обусловлен физико-химическими свойствами радионуклидов, видом животных и их возрастом, причём у молодых животных переход и депонирование радионуклидов всегда выше, чем у взрослых. Поступая в кровь, часть радионуклидов выводится через экскреторные органы (у лактируюших животных, кроме того, с молоком, у птицы — с яйцом), а некоторое количество задерживается в органах и тканях. В условиях непрерывного хронического поступления ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs с кормом равновесное состояние радионуклидов в органах и тканях (Бк/кг) достигается примерно через 30−40 дней после начала скармливания загрязненных кормов. В дальнейшем у растущих животных концентрация радионуклидов в мышечной ткани и внутренних органах практически не изменяется.

Радионуклид ⁹⁰Sr практически полностью задерживается в скелете, а его концентрация в мышцах и внутренних органах исчисляется десятыми (у свиней) или сотыми (у крупного рогатого скота) долями процента содержания радионуклида в суточном рационе. Для ¹³⁷Cs характерно его равномерное распределение в организме за одним исключением: в скелете концентрация радиоцезия примерно в 2−3 раза ниже, чем в мягких органах и тканях. Концентрация обоих радионуклидов во внутреннем жире и сале примерно в 20−30 раз ниже их концентрации в мясе и субпродуктах.

Переход радионуклидов в яйца кур. Постоянный уровень концентрации ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs отмечается в куриных яйцах на 5−7-е сутки после начала потребления радионуклидов с рационом. В белке и желтке одного яйца в сумме накапливается 1,4% суточного поступления с рационом ⁹⁰Sr и примерно 2,7% ¹³⁷Cs.

1.4 Доза внутреннего и внешнего излучения. Единицы дозы

1.4.1 Поглощенная доза

Результатом воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты являются различные радиационные эффекты — обратимые и необратимые физико-химические или биологические изменения в этих объектах, зависящие от силы воздействия и условий облучения.

Физические величины, функционально связанные с радиационным эффектом, называются дозиметрическими. Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза излучения (D) — это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной облучаемым объектом, в расчете на единицу массы вещества, из которого состоит объект:

(1.10)

Единица поглощенной дозы в СИ — грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Применяют также дольные и кратные единицы мкГр, мГр, МГр и др.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения является — рад. Рад равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 100 эрг. Таким образом, 1рад = 0,01 Гр.

1.4.2 Эквивалентная доза

В повседневной жизни человек подвергается хроническому облучению естественными и искусственными источниками ионизирующих излучений в малых дозах. Установлено, что в этом случае биологический эффект облучения зависит от суммарной поглощенной энергии и вида (качества) излучения. По этой причине для оценки радиационной безопасности при хроническом облучении человека в малых дозах, т. е. дозах, не способных вызвать лучевую болезнь, используется эквивалентная доза ионизирующего излучения.

Эквивалентная доза (H) ионизирующего излучения определяется как произведение поглощенной дозы (D) на средний коэффициент качества (k) ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани стандартного состава.