Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И МЕТОДОВ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСТУПЛЕНИЯ 137Cs И 90Sr ИЗ 13
ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ
1.1 Процессы, определяющие доступности радионуклидов для
корневого усвоения растениями
1,2 Факторы, влияющие на поступление Cs и Sr из почвы в растения
1.2.1 Физико-химические характеристики радионуклидов и формы га нахождения в почве
1.2.2 Свойства почвы 25
1.2.3 Биологические особенности растений 29
1.3 Методы прогнозирования перехода радионуклидов из почвы в растения
1.3.1. Классификация радиоэкологических моделей 34
1.3.2. Статистические методы анализа эмпирических данных 36
1.3.3. Нейронные сети
ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ПО
КОЭФФИЦИЕНТАМ ПЕРЕХОДА РАДИОНУКЛИДОВ ИЗ 47
ПОЧВЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСТЕНИЯ
2.1 Структура базы данных
2.2 Содержание базы данных 58
2.3 Восстановление отсутствующей информации в базе данных 51
2.3.1. Обоснование подходов к восстановлению пропущенных данных
2.3.2. Алгоритм восстановления пропущенных данных
2.3.3. Моделирование связи между почвенными показателями
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ
ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПОСТУПЛЕНИЯ l37Cs И 90Sr ИЗ 58
ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ
3.1 Формирование выборок данных „
3.1.1. Группировка почв и сельскохозяйственных растений
3.1.2. Анализ резко выделяющихся наблюдений и выбраковка недос- 61
товерной информации
3.1.3. Объединение данных по параметрам поступления ^л
радионуклидов в растения для глобальных и чернобыльских
выпадений
характеристик, определяющих поступление Cs и Sr из почвы в
3.2. Применение факторного анализа для идентификагщи почвенных sq
характері
растения
3.3. Регрессионные модели, связываюгцие коэффициенты перехода 75
радионуклидов в растительность и агрохимические показатели
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ g3
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ
4.1. Алгоритм разработки нейронных сетей
4.2. Характеристики нейронных сетей
4.3. Сравнительный анализ регрессионных моделей и нейронных од
сетей
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕХОДА
РАДИОНУКЛИДОВ В РАСТЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ 94
УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ, ПРИ КОТОРЫХ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ СОБЛЮДЕНИЕ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ
5.1. Динамики перехода Cs в сельскохозяйственные растения после дс аварии на ЧАЭС
5.2. Моделирование динамики перехода Cs из почвы в , qq
сельскохозяйственные растения
5.3. Оценка эффективных периодов полуснижения Cs в і Q2
сельскохозяйственных растениях
5.4. Оценка уровней загрязнения почв, при которых возможно получение продукции растениеводства, соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Актуальность темы, В результате крупных радиационных аварий на Чернобыльской АЭС и производственном объединении "Маяк", а также испытаний ядерного оружия, радиоактивному загрязнению подверглись сельскохозяйственные угодья на территории Российской Федерации и других стран СНГ. В зону радиоактивного загрязнения попали территории 21 субъекта Российской Федерации с общей площадью загрязнения более 50 тыс. км . Наиболее высокие уровни радиоактивных выпадений зарегистрированы в Брянской, Калужской, Тульской и Орловской областях. Основными биологически значимыми долгоживущими радионуклидами, оказывающими влияние на формирование дозы внутреннего облучения населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, в отдаленный период после аварии являются ,37Cs и 90Sr. Эти же радионуклиды, поступившие на поверхность почв сельскохозяйственных угодий при глобальных выпадениях после испытаний ядерного оружия, также участвуют в формировании дополнительного радиационного риска для населения.
Ведение сельскохозяйственного производства на радиоактивно загрязненных территориях и обеспечение населения продукцией, соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам, являются важными и актуальными проблемами (Алексахин и др., 1991, 1994). Изучение закономерностей и оценка количественных характеристик накопления радионуклидов в растениях имеют определяющее значение для организации сельскохозяйственного производства и внедрения защитных мероприятий в районах, подвергающихся загрязнению.
К настоящему времени накоплен большой объем информации о распределении основных биологически значимых долгоживущих радионуклидов в системе почва - растения. Для решения широкого круга практических задач сельскохозяйственной радиоэкологии необходимым этапом является разработка баз данных, включающих коэффициенты перехода долгоживущих радионуклидов из почвы в растения и почвенные характеристики. Информация, содержащаяся в таких базах данных, может быть использована для разработки математических моделей, предназначенных для прогнозирования содержания радионуклидов в продукции растениеводства. Результаты прогностических оценок могут применяться для разработки научно-обоснованных мероприятий по снижению содержания радионуклидов в продукции растениеводства, производящейся на территории, загрязнённой радионуклидами, и разработки рекомендаций по ведению сельскохозяйственного производства на этих территориях.
Для прогнозирования накопления долгоживущих радионуклидов в сельскохозяйственной растительности в отдаленный период после радиоактивных выпадений целесообразно использовать статистические методы и модели, связывающие коэффициенты перехода радионуклидов в растения с совокупностью почвенных характеристик (Прохоров, 1981; Фесенко и др., 1993). Отработка новых научно-обоснованных методов количественной оценки интенсивности накопления радионуклидов в сельскохозяйственной продукции -важное направление развития современной сельскохозяйственной радиоэкологии. Одним из наиболее современных и перспективных методов, позволяющим описывать нелинейные взаимосвязи между указанными показателями, является метод нейронных сетей. Разработка динамических моделей, предназначенных для прогнозирования изменения коэффициентов перехода радионуклидов в сельскохозяйственную растительность после радиоактивных выпадений, также является значимым аспектом этой научной дисциплины (Константинов и др., 1970; Фесенко и др., 1997, 2002; Санжарова и др., 1996; Спиридонов и др., 2001, 2005). Эти модели могут быть использованы для оценки накопления радионуклидов в сельскохозяйственной продукции при анализе гипотетических аварийных ситуаций на объектах ядерного топливного цикла.
Комплекс статистических методов и моделей является необходимым инструментом для решения прикладных задач сельскохозяйственной
8 радиоэкологии, связанных с оперативным прогнозом интенсивности перехода радионуклидов из почвы в растительность. Разработка и совершенствование методов количественной оценки последствий радиоактивного загрязнения агроэкосистем является актуальным направлением исследований.
Цель исследования. Целью диссертационной работы являлось прогнозирование накопления долгоживущих радионуклидов 137Cs и 90Sr в растениях на основе современных статистических методов и моделей.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1.разработка и заполнение базы данных, включающей информацию о характеристиках почв и содержании долгоживущих радионуклидов (J Cs и 90Sr) в почве и сельскохозяйственной растительности;
2.проведение факторного анализа по выявлению совокупности связей между почвенными характеристиками и коэффициентами перехода долгоживущих радионуклидов в растительность с выделением различных по значимости факторов;
3.разработка комплекса регрессионных моделей, связывающих коэффициенты перехода долгоживущих радионуклидов в растительность и почвенные характеристики;
4.разработка совокупности нейронных сетей, предназначенных для прогнозирования перехода долгоживущих радионуклидов в сельскохозяйственные растения;
5.сравнительный анализ точности прогнозирования коэффициентов перехода радионуклидов в растения на основе регрессионного моделирования и нейронных сетей; б.разработка комплекса моделей, описывающих динамику перехода i37Cs из почвы в сельскохозяйственные растения;
7.оценка эффективных периодов полуснижения содержания l37Cs в сельскохозяйственных растениях для различных периодов времени после радиоактивных выпадений;
8.оценка уровней загрязнения почв Cs, при которых возможно получение сельскохозяйственной продукции, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим нормативам.
Теоретический вклад и научная новизна. На основе анализа накопленной радиоэкологической информации, с учетом основных факторов, влияющих на поступление долгоживущих радионуклидов в растения, разработана база данных, включающая коэффициенты перехода радионуклидов в растения и совокупность почвенных характеристик. Впервые разработан и применен алгоритм восстановления отсутствующих в обрабатываемом информационном массиве данных. С целью формирования представительных по объему статистических выборок применен метод объединения данных по параметрам поступления радионуклидов в растения для глобальных и чернобыльских выпадений.
В рамках процедуры идентификации почвенных характеристик, определяющих поступление 137Cs и 90Sr в растительность, использован статистический метод факторного анализа. Предложенный подход может служить методической основой разработки детальной радиоэкологической классификации почв.
Впервые для прогнозирования накопления радионуклидов в сельскохозяйственной растительности применен метод нейронных сетей, с помощью которого разработан набор сетевых моделей. Проведено сравнение результатов прогнозирования на основе моделей, созданных с использованием классического метода регрессионного анализа и нейронных сетей, показавшее преимущество последних.
Разработана методика оценки плотностей загрязнения почв радионуклидами, на которых возможно выращивание нормативно чистой
10 растениеводческой продукции. При реализации методики получены конкретные результаты для различных групп почв и видов сельскохозяйственных растений.
Практическая значимость результатов исследований. Разработана база данных, включающая информацию о содержании l37Cs и 90Sr в почве и растениеводческой продукции (в период времени с 1981 по 2002 гг.) для различных областей Российской Федерации, Украины и Белоруссии. Информация, представленная в базе данных, может быть использована для анализа закономерностей протекания радиоэкологических процессов и решения ряда практических задач. В ходе создания базы было произведено восстановление недостающих данных на основе разработанного алгоритма, который может применяться в дальнейшем при работе с информационными системами.
В результате применения многомерных статистических методов идентифицированы почвенные характеристики, определяющие интенсивность перехода долгоживущих радионуклидов в сельскохозяйственную растительность. Установление этих характеристик имеет практическую значимость при разработке методов количественного прогнозирования корневого поступления радионуклидов и разработке радиоэкологической классификации почв.
Разработан комплекс регрессионных моделей, которые могут использоваться для оценки накопления JCs и Sr в растительности в зависимости от значений агрохимических показателей почв в отдаленный период после радиоактивных выпадений. Создан набор нейронных сетей, которые могут применяться для решения практических задач, связанных с радиоэкологическим прогнозированием в рамках квазиравновесной ситуации.
На основе анализа экспериментальных данных разработан комплекс моделей, описывающих динамику перехода 137Cs из почвы в сельскохозяйственные растения. Модели параметризованы для почв различных групп, выделенных с использованием радиоэкологической классификации. Представлены результаты оценки значений эффективных периодов полуснижения содержания 137Cs в сельскохозяйственных растениях для различных периодов времени после радиоактивных выпадений. Осуществлен прогноз уровней загрязнения почв Cs, при которых возможно получение сельскохозяйственной продукции, удовлетворяющей принятым в настоящее время нормативам.
Основные положения, выносимые на защиту:
База данных, включающая информацию о содержании долгоживущих радионуклидов { Cs и Sr) в почве и сельскохозяйственной растительности.
Результаты применения факторного анализа для идентификации почвенных характеристик, определяющих поступление Cs и Sr из почвы в растения.
Комплекс статистических моделей и нейронных сетей, предназначенных для прогнозирования накопления долгоживущих радионуклидов в сельскохозяйственной растительности в отдаленный период после радиоактивных выпадений.
Комплекс динамических моделей, описывающих изменение коэффициентов перехода долгоживущих радионуклидов из почвы в сельскохозяйственные растения.
Значения эффективных периодов полуснижения содержания l37Cs в сельскохозяйственных растениях для различных периодов времени после радиоактивных выпадений.
Результаты прогнозирования уровней загрязнения почв " Cs, при которых возможно получение пригодной к употреблению сельскохозяйственной продукции.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях, в том числе: на
12 конференции молодых ученых «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» (Владимир, 2004); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «ЛОМОНОСОВ - 2005» (Москва, 2005); Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2005 года: экологические проблемы XXI века» (Республика Беларусь, Гомель, 2005); Всероссийской конференции «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, 2005); Международной конференции «Metals in the environment» (Вильнюс, 2006); Международном научном семинаре "Радиоэкология Чернобыльской зоны", (Славутич, 2006) Апробация диссертации состоялась на межлабораторном научном семинаре ВНИИСХРАЭ 12 октября 2006 г.
Публикация работ. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в виде научных статей и тезисов докладов, 1 статья принята в печать.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 30 таблиц. Список литературы содержит 139 источников, в том числе 34 иностранных.
