CC BY
102
Разработка ГИС-технологий реконструкции параметров радиационной обстановки в населенных пунктах загрязненных областей РФ для обеспечения эпидемиологических расчетов на основе официальных данных
Власов О.К., Годько А.М., Шишканов Н.Г., Щукина Н.В.
Медицинский радиологический научный центр РАМН, Обнинск
Авария на Чернобыльской АЭС поставила перед учеными до сих пор нерешенный окончательно непростой вопрос - как ее последствия повлияют на здоровье нынешнего и будущего поколений людей? Его решение во многом зависит и от знания пространственно-временной структуры выпадений продуктов аварии на местности территории загрязненных регионов.
Масштабы и сложность чернобыльской аварии, неполнота данных о радиационных параметрах потребовали серьезных усилий по изучению и прогнозированию радиационной обстановки. Эта работа активно продолжается и в настоящее время в учреждениях Росгидромета, Минздрава РФ, МЧС России, в других учреждениях и организациях как в России, так и за рубежом. В частности, НПО "Тайфун" провел большую работу по восстановлению пространственно-временной картины распространения и выпадения на местность продуктов аварии на Чернобыльской АЭС. Эти исследования, выполненные совместно с Медицинским радиологическим научным центром, были во многом ориентированы на дозиметрическое обеспечение Российского государственного медико-дозиметрического регистра (РГМДР). Некоторые итоги этих комплексных работ опубликованы в выпуске № 3 Бюллетеня "Радиация и риск" за 1993 год. В Приложении 1 к этому выпуску приведены экспериментальные данные о плотности выпадений изотопа 137Cs вследствие аварии на Чернобыльской АЭС на территории большинства населенных пунктов России [1]. Эти данные ограничены населенными пунктами с плотностью выпадений более 37 кБк/м2. Вышедший в 1999 году "Атлас радиоактивного загрязнения европейской части России, Белоруссии и Украины” содержит карты загрязнения в виде изолиний плотностей выпадения 137Cs и не может напрямую использоваться в радиоэкологических исследованиях [2]. Наконец, опубликованный в 2000 году НПО "Тайфун” справочник "Данные по радиоактивному загрязнению территории населенных пунктов Российской Федерации 137Cs, 90Sr и 239+240pu”, также не обладает необходимой полнотой [3]. Между тем, новые задачи, стоящие перед эпидемиологическими подразделениями РГМДР, требуют знания доз облучения населения во всех населенных пунктах всех загрязненных областей РФ.
В нынешних условиях повышенного интереса к эпидемиологическим последствиям аварии на ЧАЭС для населения РФ особое значение для результатов радиационно-эпидемиологических исследований принимает использование только официальных данных и методик. Это в первую очередь относится как к методам реконструкции доз облучения населения, так и используемым параметрам радиационной обстановки на территории РФ.
В данной работе описана ГИС-технология реконструкции плотностей выпадений 137Cs на территории РФ, загрязненной в результате аварии на ЧАЭС. Целью решения этой задачи является обеспечение эпидемиологических расчетов полными данными по радиационному загрязнению местности 137Cs. Технологическая схема решения задачи приведена на рисунке 1. На основе имеющихся официальных данных по загрязнению местности строится полная таблица плотности выпадений 137Cs в населенных пунктах. Затем на основе этой таблицы рассчитываются среднерайонные значения плотностей выпадений 137Cs. Этот параметр используется в эпидемиологических исследованиях, проводимых на базе среднерайонных показателей состояния здоровья населения. В целом задача восстановления плотностей выпадений 137Cs на территории загрязненных областей по официальным данным решается методами геоинформационных систем (ГИС). Основные расчеты проводятся в среде ГИС Manifold. Результаты расчетов представлены в виде базы данных плотностей выпадения 137Cs во всех населенных пунктах, электронных карт с привязкой всех объектов к географическим координатам и проиллюстрированы твердыми копиями этих карт.
Исходные данные
Состав исходных данных приведен в левой части рисунка 1. Задача решалась на основе официальных данных, взятых из следующих источников.
Карты плотностей загрязнения и мощностей экспозиционных доз на территории Брянской, Калужской и Орловской областей взяты из атласа радиоактивного загрязнения европейской части России, Белоруссии и Украины [2]. Атлас разработан в Институте глобального климата и экологии Росгидромета и РАН под научным руководством академика Ю.А.Израэля. Отсканированные карты плотностей выпадения 137Cs и мощностей экспозиционных доз в воздухе приведены на рисунках 2 и 3. В дальнейшем описание технологии проведения расчетов будет иллюстрироваться на примере Брянской области.
Плотности выпадения 137Cs в населенных пунктах загрязненных областей, превышающие 37 кБк/м2, взяты из Приложения 1 к выпуску № 3 Бюллетеня ''Радиация и риск'' за 1993 год [1]. Эти данные обсуждались и были одобрены на заседании Российской научной комиссии по радиационной защите. Электронная топооснова, содержащая границы районов и географическое расположение населенных пунктов, была взята из базы ГИС Регистра. Административно-территориальное деление Брянской области приведено на рисунке 4.
Отметим наиболее характерные черты используемых данных.
Данные по населенным пунктам характеризуются географической неполнотой, поскольку проводились только для тех пунктов, где плотности выпадения 137Cs превышают уровень 37 кБк/м2. Их неполнота проиллюстрирована на рисунке 5.
Данные в виде карт атласа характеризуются географической полнотой, но размытостью значений. Для каждого населенного пункта величина характеризуется интервалом значений плотностей выпадения 137Cs на изолиниях, между которыми этот пункт находится. В отдельных случаях наблюдается незначительное несоответствие данных работ [1, 2] друг другу.
Электронная топооснова из базы ГИС Регистра служит для компоновки данных из первых двух источников в целостный картографический объект.
Для подготовки исходных данных к расчетам потребовалось провести определенную предварительную обработку. Данные из Приложения 1 к выпуску № 3 Бюллетеня ''Радиация и риск'' были предварительно преобразованы в файлы формата Microsoft Office. Оригиналы твердых карт атласа были предварительно отсканированы. Затем была проведена оцифровка и привязка изолиний электронных версий карт к географическим координатам. Для выполнения этой работы потребовалось разработать специальный редактор на языке Visual Basic. Для загрузки топоосновы из ГИС Регистра в среду Manifold был разработан конвертор формата, включенный в состав вышеупомянутого редактора.
Проведение расчетов по реконструкции плотностей выпадения 137Cs в населенных пунктах проводилось, исходя из следующих требований к результату:
• реконструированные плотности выпадений не должны противоречить исходным данным;
• если реконструированная плотность выпадений обусловлена близостью пунктов, по которым есть
данные работы [1], но противоречит карте из атласа, то ее величина в соответствие с данными атласа не приводится.
Технология выполнения расчетов
Основные расчеты проводились в среде ГИС Manifold. Это отражено в средней части рисунка 1. Исходные данные организованы в формате базы Manifold. База состоит из геометрической и семантической частей. В первой части базы данных представлены границы районов, изолинии атласа и населенные пункты в виде геометрических объектов, привязанных посредством географических координат к земной поверхности. Вторая часть базы состоит из полей, связанных с геометрическими объектами и содержащих значения параметров этих объектов. Группировка географических объектов, расчеты их параметров и формирование визуального картографического образа осуществляются посредством организации проектов Manifold. По своему функциональному назначению проекты можно разбить на три группы: формирование и загрузка баз данных, выполнение расчетов, формирование результата.
Расчеты выполняются методами геоинформационных систем в следующем порядке.
Шаг 1. Объединение исходных данных Росгидромета и РНКРЗ.
Точки, соответствующие населенным пунктам с известными значениями плотности загрязнения, и узловые точки изолиний объединяются в один слой. Результат такого объединения на примере Брянской области показан на рисунке 6.
Шаг 2. Пробная реконструкция плотностей выпадения.
Для решения этой задачи используется геометрический метод интерполяции поверхности. По точкам, в которых известны значения некоторого параметра, строится триангуляция топоструктуры, по которой можно определить гладкую поверхность, проходящую через точки с известными значениями параметра. Значения реконструируемого параметра определяются проекцией соответствующих точек на построенную поверхность. В среду Manifold включено программное приложение, реализующее интерполяцию поверхности методом Акима.
Шаг 3. Выявление несоответствий реконструированных параметров картам атласа.
Точки с реконструированными на предыдущем шаге значениями плотностей выпадения раскрашиваются в соответствии с интервалами изолиний атласа. Это выполняется для визуального контроля соответствия реконструированных данных картам атласа. Как правило, пробная реконструкция плотностей выпадения дает значительные расхождения с картами атласа. Вызвано это следующими причинами. Метод Акима дает хорошие результаты при достаточно равномерном расположении точек с известными значениями. Исходные данные как атласа [2], так и приложения 1 [1], такому условию не соответствуют. Интерполяционный метод учитывает градиенты изменения значений и не содержит возможностей программного способа задания ограничения на реконструируемые значения параметров. Это приводит к тому, что в местах редкого расположения точек, вследствие учета только градиентов интерполируемых величин, реконструированные значения могут существенно выходить за граничные значения изолиний атласа [2]. Кроме того, интерполяционный метод ориентирован на работу с множеством точек, поэтому понятие изолиний здесь теряет свой смысл. Как следствие, происходит потеря дополнительной информации атласа [2], связанной с топологией расположения изолиний на картах атласа. Поэтому несоответствия с атласом могут быть обусловлены как особенностями формы самих изолиний, так особенностями их взаимного расположения.
Шаг 4. Внесение экспертных изолиний.
Поскольку в реализованном программном обеспечении геометрической интерполяции не предусмотрено явное задание ограничений на результат интерполяции, это было сделано неявно, посредством внесения дополнительных исходных точек. Как видно из рисунка 6, для большей части населенных пунктов слабо загрязненной территории Брянской области официальные данные содержат сведения только о диапазоне плотностей выпадения 137Cs. В этой части территории области плотность выпадения 137Cs составляет 7,4-18,5 кБк/м2. Поскольку эта часть территории области по изолиниям плотности выпадения остается на границе незамкнутой, применение стандартных процедур среды Manifold приводит к некорректным результатам. Расчетные значения для большей части населенных пунктов в этой зоне выходят за граничные значения изолиний. Поэтому для заполнения такого рода частей территорий загрязненных областей данными привлекалась информация из атласа о мощности экспозиционной дозы (рис. 3). С использованием методики расчета доз внешнего и внутреннего облучения тела человека для всех загрязненных областей [4] рассчитывался коэффициент для пересчета данных атласа об экспозиционной дозе в мкР/ч на август 1995 года к плотностям выпадений 137Cs на это же время. Для Брянской области численное значение этого коэффициента равно 0,27 (мкКи/м2)/(мкР/ч). С использованием этого коэффициента на незамкнутые по изолиниям пограничные части загрязненных областей переносились изолинии мощностей доз, пересчитанные к плотностям выпадения 137Cs. Кроме этого, дополнительный набор точек строится на основе проведения изолиний примерно посередине между изолиниями атласа. Пример построения такого набора дополнительных точек и изолиний показан на рисунке 7. Далее с помощью стандартных процедур среды Manifold определяются плотности выпадения 137Cs для тех населенных пунктов, для которых данные отсутствуют. О качестве применения такого метода расчета можно судить по данным, представленным на рисунке 8. Здесь знаками разной формы показана следующая информация:
• кружки - официальные данные о плотностях выпадений 137Cs в населенных пунктах,
• ромбы - расчетные данные плотностей выпадений 137Cs в населенных пунктах соответствуют данным атласа,
• треугольники - расчетные данные плотностей выпадений 137Сэ в населенных пунктах выходят за граничные значения изолиний, между которыми эти населенные пункты находятся; плотность выпадения 137Сэ в таких населенных пунктах приводилась в соответствие с граничными значениями изолиний с учетом степени близости их расположения к изолиниям.
Здесь можно отметить, что вся процедура введения дополнительных изолиний применялась только в следующих случаях:
• для слабозагрязненной территории Брянской области с плотностями выпадения 137Сэ от 7,4 до 18,5 кБк/м2 между ее юго-западными сильно загрязненными районами и ее северо-восточной частью, прилегающей к загрязненной южной части Калужской области,
• для граничных участков территорий загрязненных областей с незамкнутыми изолиниями, к примеру, изолинии в юго-восточном выступе Брянской области на рисунке 7.
Шаг 5. Повторная реконструкция плотностей выпадения.
С учетом экспертно добавленных дополнительных точек выполняется повторный расчет методом Акима. Степень соответствия картам атласа зависит от качества дополнительной экспертной информации.
Шаг 6. Выявление несоответствий.
Точки с пересчитанными данными снова раскрашиваются для визуального контроля на соответствие картам атласа. Если должного соответствия не достигнуто, то шаги 4, 5, 6 можно повторить.
Шаг 7. Конечная экспертная правка для соблюдения условий атласа.
Некоторые несоответствия с картами атласа остаются, и для их корректировки эксперт просто отмечает все такие точки и присваивает им новые значения. Значения присваиваются в соответствии со следующими правилами:
• для данных ниже фона - приписать значение 0,06,
• для выбросов за границы интервалов - приписать значения 95% от верхней границы или 105% от нижней границы,
• если выброс обусловлен наличием поблизости пунктов с измеренными значениями, то корректировку не производить; приоритет отдается измеренным значениям, а не изолиниям атласа. Значения плотностей загрязнения на дату аварии в кБк/м2 приведены в таблице 1, где Ь - обозначает нижнюю границу интервала, а f - верхнюю.
Таблица 1
Экспертные изолинии и граничные условия
Интервал {b, t} Интервал на дату аварии в кБк/м2 Середина (b+t)/2 Верх - 0.95xt Низ - 1,05xb
0,1 - 0,2 4,58282 9,16564 0,15=6,87423 8,707358 4,811961
,5 0, ,2 0, 9,16564 22,9141 0,35=16,03987 21,768395 9,623922
0,5 - 1 22,9141 45,8282 0,75=34,37115 43,53679 24,059805
1 - 5 45,8282 229,141 217,68395 48,11961
На основе реконструированных значений плотности загрязнения 137Cs в населенных пунктах геометрическими методами вычисляются средние районные показатели. После этого реконструированные плотности загрязнения могут быть выгружены из среды Manifold в формате Microsoft Office и предоставлены для дальнейших эпидемиологических расчетов.
Результаты расчетов, как видно из правой части рисунка 1, представлены в виде электронных таблиц и электронных карт.
28
Исходные данные
Атлас
радиоактивного
загрязнения
: Брянская
область .
ГИС Регистра
Границы районов Населенные пункты
Радиоэкологическая база данных
Пл( )тно сть
агр язне ния
насе лені ных
пу нкт ов
Л
М
Поддержка ГИС-технологии
Базы Manifold
V. .
* Ь ж.
іметрня
Формирование Формирование
и загрузка результата
баз данных \7
У
V
Выполнение
расчетов
Проекты Manifold
Результаты
Электронные карты Твердые копии
Радиоэкологическая база данных
ті г абл ица
олн ая т
пл отн т с о 1
г а з рязі ени я
п он асел енн ым
п унк
Та Та бли ца
пло тно сти
язне ния
агр
по р айо нам
Рис. 1. Технологическая схема расчетов.
"Радиация и риск", 2001, вып. 12 Материалы Российского государственного
медико-дозиметрического регистра
Рис. 2. Карта радиоактивного загрязнения местности 137Сэ Брянской области.
Рис. 3. Карта мощности дозы гамма-излучения 137Сэ Брянской области.
їа
2
їа
О
и
£
ф
Рогн Е ДИ Н І
ДцгірооскиВ
Жукоигаий
Брянский
Жнряїннскмй
Вигсшичскый
Карамовскнй
СцрпжсікнЙ
■асиоі ирцфнй
йрдит.-й
ПСШИПГ.КНЙ
Ний нинекий
Униз чеки й
Клипцппг.кий
Стородцбсхий
ЬрассшекиЙ
>ваЭыбкйЬски1
Трубчевшвй
іогарский’
іморнчскн
Сузинекий
Зпинкицегл й
КлимапігкиА
Спский
"Радиация и риск", 2001, вып. 12 Материалы Российского государственного
Рис. 5. Полнота данных радиоактивного загрязнения 137Сб населенных пунктов Брянской области.
Рис. 6. Исходные данные Росгидромета и РНКРЗ.
Рис. 7. Дополнительные экспертные изолинии.
и
<л
їа
2
їа
О
и
2
2
Ф
"Радиация и риск", 2001, вып. 12 Материалы Российского государственного
Рис. 9. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения 137Сэ Брянской области.
и
Іа
2
їа
О
и
2
2
Ф
Плетмое™ загряз н*мня ( к5 к і ** м )
О «Сходны;#
#> рісчішьіа Д *кеп*рты*
"Радиация и риск", 2001, вып. 12 Материалы Российского государственного
Рис. 11. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения 137Сэ Калужской области.
и
(О
їа
2
їа
О
и
2
2
Ф
Плотнее™ загрязнения ^ кИк / кв.м ) б исходные О расчетные Д жспіртньїе
М14ЛМННМ
7.4 -13.5 18,5-37 37-555 555 ■ 148Ю
"Радиация и риск", 2001, вып. 12 Материалы Российского государственного
Рис. 13. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения 137Сэ Орловской области.
Итоговая карта плотностей выпадений 137Cs в Брянской области на уровне населенных пунктов и изолиний на местности приведена на рисунке 8. По этим данным рассчитываются соответственно среднерайонные значения и средние значения плотности выпадений по районам, окружающим областные центры.
Карта среднерайонных плотностей выпадений 137Cs в Брянской области, полученная путем пространственного осреднения плотностей выпадений 137Св по территории районов, приведена на рисунке 9. Построенные таким же образом карты плотностей выпадений 137Cs в Калужской и Орловской областях приведены на рисунках 10-13.
Непосредственно база данных плотностей выпадения 137Св в населенных пунктах и их среднерайонные значения используются при реконструкции средних и индивидуальных (при наличии индивидуальных данных радиометрии тела) доз облучения внешнего и внутреннего облучения всего тела у проживающих в загрязненных областях. И непосредственно при проведении предварительных оценок в эпидемиологических исследованиях, когда в качестве показателя радиационной обстановки используется плотность выпадений 137Св. С использованием данных об изотопном составе выпадений продуктов Чернобыльской аварии на территории РФ [4], полученные база данных и электронные карты плотностей выпадения 137Св легко пересчитываются к плотностям выпадений 1311. Эти данные, дополненные сведениями о динамике выпадений продуктов аварии [4], позволяют в свою очередь провести реконструкцию средних возрастозависимых и индивидуальных (при наличии индивидуальных данных радиометрии щитовидной железы) доз облучения щитовидной железы населения всех загрязненных областей РФ.
Литература
1. Радиация и риск. - 1991. - Вып. 3. - Приложение 1. - М.-Обнинск, 1993.
2. Атлас радиоактивного загрязнения европейской части России, Белоруссии и Украины. (Разработан в Институте глобального климата и экологии Росгидромета и РАН под научным руководством академика Ю.А.Израэля). - М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1998.
3. Данные по радиоактивному загрязнению территории населенных пунктов Российской Федерации 137Св, 9<^г и
2 40Ри: Справочник. - Обнинск: НПО “Тайфун”, 2000.
4. Реконструкция средней накопленной в 1986-1995 гг. эффективной дозы облучения жителей населенных пунктов Российской Федерации, подвергшихся радиоактивному загрязнению вследствие аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году: Методические указания, МУ 2.6.1.579.96. - Москва, 1996.
