РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2009, том 49, № 3, с. 346-354
РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 574:539.1.04:53.072.001.57
СИСТЕМНАЯ РАДИОЭКОЛОГИЯ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОЦЕНКА РАДИАЦИОННЫХ РИСКОВ
© 2009 г. С. И. Спиридонов*
ГНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск
Сформулированы предпосылки формирования и задачи системной радиоэкологии как самостоятельного направления радиационной экологии, базирующегося на применении системного анализа и математического моделирования. Обоснована необходимость развития методов этой научной дисциплины, направленных на оценку радиационной устойчивости природных систем и радиоэкологических рисков. На конкретных примерах продемонстрировано применение различных подходов при анализе функционирования лесных биогеоценозов после острого облучения и при изучении последствий радиоактивного загрязнения луговых экосистем для человека и биоты. Обозначены направления дальнейших исследований, сфокусированные на совершенствовании методов системной радиоэкологии, объединенных в рамках единой методологии.
Радиационная экология, системный анализ, математическое моделирование, устойчивость лесных экосистем, радиоэкологические риски.
Системная экология как научная дисциплина, основным методом которой является приложение системного анализа к экологии, была определена Ю. Одумом в середине прошлого века [1]. По мнению этого авторитетного ученого, проблемы, связанные со средой обитания человека, нецелесообразно решать путем проб и ошибок или поисками отдельного решения для каждого случая. Применение системного анализа стало возможным в результате того, что в рамках общей экологии - синтетической науки, находящейся "в спектре" самых различных дисциплин биологического профиля, накоплен объем эмпирической информации, достаточный для количественной обработки. Кроме указанного обстоятельства основными предпосылками формирования системной экологии стали две причины:
• потребность в анализе структуры и прогнозировании функционирования сложных природных объектов (экосистем и их компонентов);
• возможность формализованного описания этих объектов на основе метода математического моделирования, применение которого значительно упростилось в связи с интенсивным развитием компьютерной техники.
В результате открытия явлений радиоактивности и обнаружения естественных радиоактивных элементов в первые десятилетия XX столетия зародилась самостоятельная область знаний -
* Адресат для корреспонденции: 249032 Обнинск, Калужская обл., ГНУ ВНИИСХРАЭ РАСХН; тел.: (48439) 9-6967; факс: (48439) 6-80-66; e-mail: spiridonov.si@gmail.com.
радиационная экология [2]. Основными фундаментальными направлениями радиоэкологии являются изучение закономерностей миграции радиоактивных веществ в экосистемах и исследование действия ионизирующего излучения на сообщества растений, животных и экосистемы в целом [3]. Необходимость решения широкого круга прикладных задач, связанных с загрязнением окружающей среды радиоактивными веществами в результате разработки ядерных технологий, направленных на создание оружия массового поражения и атомной энергетики, привела к бурному развитию этой науки [2-4].
МЕТОДЫ И ЗАДАЧИ СИСТЕМНОЙ РАДИОЭКОЛОГИИ
Поскольку радиационная экология базируется на общеэкологических принципах, основным методологическим подходом к решению радиоэкологических задач является системный анализ, ориентированный на изучение характеристик сложно организованных объектов, многообразия связей между элементами, их разнокачественно-сти и соподчинения [5, 6]. В самом общем виде системный подход выражается в стремлении построить целостную картину изучаемого объекта.
В рамках этого подхода интегрируются разнообразные методы исследования, включающие наблюдения, эксперименты и математическое моделирование, позволяющее выделить существенные стороны исследуемого явления и получить его формализованное описание [7]. Применение
метода моделирования дает возможность систематизировать накопленные эмпирические данные и спланировать проведение экспериментальных работ с целью получения новой информации о радиоэкологических процессах. Любая модель отображает существующий в настоящее время уровень знаний об исследуемом объекте, и моделирование следует рассматривать как средство последовательного изучения и описания объекта.
Математическое моделирование позволяет решать не только фундаментальные, но и прикладные задачи радиационной радиоэкологии, поскольку только с помощью моделей можно осуществлять количественное прогнозирование поведения радионуклидов в экосистемах, а также последствий радиационного поражения и восстановления природных сообществ. Таким образом, можно с полным основанием говорить о системной радиоэкологии, как о научном направлении, основанном на применении системного подхода и математического моделирования к решению фундаментальных и прикладных радиоэкологических задач [8].
При выработке формализованных представлений о закономерностях поведения природных сообществ под воздействием радиационного фактора нельзя не учитывать следующие важные аспекты:
• способность экосистемы в целом (и ее компонентов) к формированию комплекса ответных реакций на внешнее воздействие, направленных на поддержание ее структуры и функционирования;
• неопределенность проявления негативных эффектов, обусловленная вариабельностью действующего фактора и чувствительности компонентов природной системы.
Первый аспект, связанный с развитием процессов поражения и восстановления, диктует необходимость изучения устойчивости экосистем и их компонентов к действию радиационного фактора. Решение этой задачи возможно на основе анализа экспериментальных данных, описывающих поведение рассматриваемого объекта в течение длительного времени. В случае отсутствия возможности "отслеживания" поведения природной системы посредством наблюдений и сбора эмпирической информации для оценки ее устойчивости целесообразно использовать динамические модели.
Неопределенность ответных реакций экосистемы и ее компонентов в ответ на техногенное воздействие обусловливает необходимость учета вероятностного аспекта при оценке и прогнозировании последствий этого воздействия. Количественными показателями, характеризующими вероятности негативных эффектов, являются радиационные (радиоэкологические) риски.
Постановка задачи
^факторы^)
^объекты^
^критерии^)
(^эффекты^}
Анализ зависимостей доза-эффект
значения критериев ч -_____рисков
Оценка и прогнозирование воздействия
дозовые нагрузки
Оценка рисков
Управление рисками
Рис. 1. Основные этапы анализа радиоэкологических рисков.
Выбор метода оценки риска определяется в первую очередь степенью информационного обеспечения показателей, необходимых для расчета. К таким показателям относятся характеристика радиационного фактора (дозовая нагрузка) и критерий оценки риска, отражающий чувствительность природного объекта к действию этого фактора (рис. 1).
При использовании детерминированных значений критериев риска и статистических распределений дозовых нагрузок, реализуется подход, который можно определить как "полувероятностный" [9]. В том случае, если в качестве критериев риска рассматриваются общепризнанные дозовые пределы или утвержденные нормативы, оцениваются вероятности превышения этих показателей, представляющие собой нормативные риски. Следует подчеркнуть, что при обосновании детерминированных критериев риска, требующем понимания механизмов действия ионизирующего излучения на различных уровнях организации природных систем, трудно избежать субъективизма.
В рамках интегрального вероятностного подхода к оценке радиоэкологического риска в качестве входных данных используются статистические распределения как дозовой нагрузки, так и критерия оценки риска. При этом учитываются неопределенности, присущие природному объекту и свойствам окружающей среды, которые определяют интенсивность радиационного воздействия. Вероятностный риск может быть представлен в виде интеграла перекрывания распре-
Рис. 2. Методы и модели, необходимые для решения
основной задачи системной радиоэкологии.
делений, характеризующих действующий фактор и критерий риска [10].
Оценка последствий действия ионизирующего излучения на компоненты экосистем может быть выполнена на основе как фактических, так и прогнозируемых рисков. Для идентификации фактических нормативных рисков достаточно получить выборки экспериментальных данных, характеризующих содержания радионуклидов в природных объектах, определить статистические распределения доз облучения и оценить вероятности превышения дозовых стандартов. Основываясь на результатах такой оценки можно разработать, в случае необходимости, план дальнейших, более детализированных исследований. Кроме того, определение фактических рисков достаточно в условиях квазиравновесной ситуации, в рамках которой воздействие радиационного фактора носит хронический характер. Расчет прогнозируемых рисков выполняется с использованием радиоэкологических моделей и соответствующих методов оценки неопределенностей.
Таким образом, основную задачу системной радиоэкологии, решение которой основано, с одной стороны, на анализе динамики поведения природных систем (предполагающим оценку их устойчивости), а с другой - на оценке неопределенности радиационных и пострадиационных эффектов, можно квалифицировать как прогнозирование радиоэкологических рисков (рис. 2).
Комплексная оценка последствий радиоактивного загрязнения экосистем включает следующие этапы:
• прогноз поведения радионуклидов и их накопления в компонентах экосистем и продукции, употребляемой в пищу человеком;
• прогноз дозовых нагрузок на компоненты экосистем и человека;
• прогнозирование развития и оценка устойчивости экосистем в условиях радиоактивного загрязнения;
• анализ последствий действия радиационного фактора на компоненты экосистем и человека с использованием методов оценки радиоэкологических рисков.
"Инструментами" прогнозирования являются миграционные и дозиметрические модели, а также модели функционирова
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.