SOFTWARE FOR EVALUATING THE POSSIBILITY OF PRODUCING PLANT PRODUCTS ON RADIOACTIVELY CONTAMINATED AGRICULTURAL LANDS

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА НА РАДИОАКТИВНО ЗАГРЯЗНЕННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЛЯХ

Научная статья

Титов И.Е.^1, *, Иванов В.В.², Спиридонов С.И.³

¹ ORCID: 0000-0002-5275-3229;

³ ORCID: 0000-0002-4320-1254;

^{1, 2, 3} Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии», Обнинск, Россия

* Корреспондирующий автор (titan13_08[at]mail.ru)

Аннотация

Разработаны программные средства для поддержки принятия решений по ведению растениеводства на сельскохозяйственных землях, подвергшихся радиоактивным выпадениям. Программа GUIPlantRescue предназначена для прогнозирования накопления ¹³⁷Cs в продукции растениеводства, планируемой для выращивания на радиоактивно загрязненных территориях. Программа GUIPlantRevive позволяет рассчитать предельную степень загрязненности ¹³⁷Cs сельскохозяйственного участка для производства безопасной продукции растениеводства заданного вида.

Ключевые слова: компьютерная программа, радиоактивное загрязнение, сельскохозяйственные земли, продукция растениеводства, санитарно-гигиенические нормативы. 

SOFTWARE FOR EVALUATING THE POSSIBILITY OF PRODUCING PLANT PRODUCTS ON RADIOACTIVELY CONTAMINATED AGRICULTURAL LANDS

Research article

Titov I.E.^1, *, Ivanov V.V.², Spiridonov S.I.³

¹ ORCID: 0000-0002-5275-3229;

³ ORCID: 0000-0002-4320-1254;

^{1, 2, 3} Federal State Budget Scientific Institution “All-Russian Research Institute of Agricultural Radiology and Agroecology,” Obninsk, Russia

* Corresponding author (titan13_08[at]mail.ru)

Abstract

The software has been developed to support decision-making on crop production on agricultural lands exposed to radioactive fallout. GUIPlantRescue program is designed to predict the accumulation of ¹³⁷Cs in crop products planned for cultivation in radioactively contaminated areas. GUIPlantRevive program allows calculating the maximum degree of contamination of ¹³⁷Cs agricultural plot for the production of safe crop products of a given type.

Keywords: computer program, radioactive contamination, agricultural land, crop production, sanitary standards.

Введение

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглись обширные территории, на которых активно велось сельскохозяйственное производство. В Российской Федерации радиоактивные выпадения, обусловленные аварией на ЧАЭС, были зарегистрированы на территории 21 субъекта. В зону радиоактивного загрязнения попало более 2,3 млн га сельскохозяйственных земель [1]. Несмотря на положительные результаты, достигнутые в результате реализации мер по ликвидации последствий Чернобыльской аварии, к настоящему времени не удалось полностью обеспечить радиационную безопасность, как проживания населения, так и его хозяйственной деятельности [2]. Одним из важнейших критериев пригодности таких территорий для ведения хозяйственной деятельности является возможность получения пищевой продукции, соответствующей санитарно-гигиеническим требованиям, поскольку потребление населением радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных продуктов питания – это важный фактор формирования дозы внутреннего облучения человека.

Внедрение компьютерных технологий позволяет существенно изменить характер обращения с радиоэкологической информацией, начиная с хранения и обработки результатов измерений радиоактивности в пробах и до составления отчетов и поддержки принятия решений, как по реализации программ контроля, так и проведения мероприятий в сельских хозяйствах.

В связи с этим, оценку возможности производства продукции растениеводства на радиоактивно загрязненных ¹³⁷Cs сельскохозяйственных землях с учетом совокупности разноплановых факторов и особенностей загрязненных территорий целесообразно выполнять на основе специально разработанных программных средств. При этом реабилитационное планирование должно опираться на количественный модельный анализ и основываться на соответствующих системах поддержки принятия решений.

Целью создания данных программ является предоставление административно-хозяйственным органам, принимающим решения о ведении сельскохозяйственного производства на радиоактивно загрязненных территориях, достоверной информации, необходимой для принятия решений по ведению хозяйственной деятельности, обеспечивающих производство нормативно чистой продукции.

Методы исследования

Рабочие формулы, используемые программой GUIPlantRescue

Среднее значение загрязненности растительной продукции , согласно статистическому подходу [7], [8], можно получить из следующего соотношения:

    (1)

где параметр  связан с удельным весом почвы ρ и глубиной её равномерно загрязненного слоя h. Параметры в степени экспоненты задаются следующими соотношениями: µ_c = µ_s + µ_k, а σ_c² = σ_s² + σ_k² и зависят от статистических показателей логнормального распределения загрязнения почвы LN(µ_s,σ_s²), а также от параметров логнормального распределения коэффициентов накопления радионуклидов ¹³⁷Cs продукцией растениеводства LN(µ_k,σ_k²).

Величина риска R численно равна доле продукции, загрязненность которой превышает предельно допустимое значение, согласно документам СанПиН. Риск превышения норматива СанПиН выражается следующей формулой

   (2)

где параметр Λ –величина норматива, а erf (x) – функция ошибок, иначе называемая функцией Лапласа.

Рабочие формулы, используемые программой GUIPlantRevive

Предельная средняя плотность загрязнения участка некоторой территории A_R, на которой, согласно статистическому прогнозу, можно производить продукцию растениеводства определенного вида с риском не превышающим величину R выражается следующим образом:

    (3)

где Λ –величина норматива СанПиН, erf ^-1(x) – обратная функция ошибок, а  связан с удельным весом почвы ρ и глубиной её равномерно загрязненного слоя h. Для расчета A_R предполагается, что участок, обладающий предельной загрязненностью, удовлетворительно описывается логнормальным распределения загрязнения почвы LN(µ_s,σ_s²), коэффициент σ_s для которого требуется указать в качестве параметра разброса распределения загрязнения. Переменные в степени экспоненты σ_c² = σ_s² + σ_k² и µ_k связаны со статистическими показателями логнормального распределения коэффициентов накопления радионуклидов ¹³⁷Cs заданным видом продукции растениеводства LN(µ_k,σ_k²).

Используемые в рабочих формулах (2), (3) функции ошибок erf(x) и её обратная erf^-1(x) для ускорения вычислений в программах возможно аппроксимировать простыми аналитическими выражениями [9].

Основные результаты

Программные средства: «GUIPlantRescue - Оценка риска превышения нормативов содержания ¹³⁷Cs в продукции растениеводства на радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных землях» [10] и «GUIPlantRevive - Вероятностная оценка предельных уровней загрязнения сельскохозяйственных земель ¹³⁷Cs для получения безопасной продукции» являются компонентами компьютерной системы.  Эта система предназначена для поддержки принятия решений, обеспечивающих производство безопасной продукции на радиоактивно загрязненных территориях. Программы разработаны в операционной системе MS Windows на языке AutoIt.

Первая из них, GUIPlantRescue, предназначена для получения прогноза о степени загрязненности продукции растениеводства, планируемой для выращивания на загрязненной ¹³⁷Cs территории. Риск превышения норматива численно равен доле продукции, загрязненность которой превышает предельно допустимый уровень, законодательно установленный СанПиН.

Программа имеет интуитивно понятный GUI-интерфейс (рисунок 1), обладает встроенной библиотекой со статистиками коэффициента миграции радионуклида ¹³⁷Cs в системе «почва-растение» для основных видов продукции растениеводства и почвы разного механического состава.

Рис. 1 – Внешний вид GUI интерфейса компьютерной программы GUIPlantRescue

 

Для автоматической установки некоторой части исходной информации пользователь может путем выбора из выпадающих списков задать следующую информацию:

- вид продукции растениеводства: зерно злаков, кукурузы, бобовых; листовые овощи; фрукты, картофель/корнеплоды; а также травяные корма, получаемые с пастбища или сенокоса;

- характеристику механического состава почвы (песок, суглинок, глина и органическая почва).

В качестве результата выбора пользователя в поля редактирования автоматически подставляются величина удельного веса почвы, глубина загрязнения почвы ¹³⁷Cs (по умолчанию - 0.2 м), значения статистик коэффициента накопления (µ_k,σ_k²), которые приводятся в рекомендациях МАГАТЭ [11], а также величина норматива СанПиН.

В разделе «Загрязненность территории радионуклидом Cs-137» исходные данные о загрязненности можно внести в двух различных режимах ввода данных – Мониторинг/Статистика, которые переключаются и отмечены соответствующей режиму надписью кнопки, причем Мониторинг – режим по умолчанию. При переключении режима Мониторинг надпись кнопки меняется на Статистика.

В режиме Мониторинг в полях ввода подраздела «Мониторинг загрязнения территории» можно указать величину среднего значения (математическое ожидание) и стандартного отклонения (квадратный корень из величины дисперсии) загрязненности почвы, которые обычно получают как результат анализа данных мониторинга.

В режиме Статистика в полях ввода подраздела «Статистика распределения загрязнения» следует указать значения соответствующих коэффициентов, которые могут быть получены из анализа логнормального распределения LN(µ_s,σ_s²) загрязнения территории.

По умолчанию в разделе «Загрязненность территории радионуклидом Cs-137» при открытии программы GUIPlantRescue используются статистические данные, полученные в результате мониторинга радиоактивно загрязненной территории Злынковского района Брянской области. Результаты работы программы выводятся в виде следующих трех величин: средней активности почвы, средней загрязненности продукции, риска превышения СанПиН норматива в продукции.

Вторая программа, GUIPlantRevive, предназначена для получения прогноза о предельной степени загрязненности участка ¹³⁷Cs, которая позволяет производить безопасную продукцию растениеводства заданного вида. Уровень безопасности характеризуется заданным значением риска превышения норматива. Риск численно равного доле продукции, загрязненность которой превышает предельно допустимую, установленную документами СанПиН (рисунок 2).

 

Рис. 2 – Внешний вид GUI интерфейса компьютерной программы GUIPlantRevive

 

Для автоматической установки некоторой части исходной информации пользователь может путем выбора из выпадающих списков задать следующую информацию:

- вид продукции растениеводства: зерно злаков, кукурузы, бобовых; листовые овощи; фрукты; картофель/корнеплоды; а также травяные корма, получаемые с пастбища или сенокоса;

- характеристику механического состава почвы (песок, суглинок, глина и органическая почва).

В качестве результата выбора пользователя в поля редактирования автоматически подставляются величина удельного веса почвы, глубина загрязнения почвы радионуклидом цезия (по умолчанию - 0.2 м), значения статистик коэффициента накопления (µ_k,σ_k²), которые приводятся в рекомендациях МАГАТЭ [11], а также величина норматива СанПиН.

В разделе «Предельная загрязненность радионуклидом Cs-137» можно указать величину коэффициента σ_s, характеризующую наиболее вероятный уровень разброса предельной загрязненности почвы, имеющей логнормальное распределение.

По умолчанию в разделе «Предельная загрязненность радионуклидом Cs-137» при открытии программы GUIPlantRevive используется значение коэффициента σ_s загрязненной территории Злынковского района Брянской области.

В разделе «Норматив загрязненности продукции СанПиН» указывается соответствующая величина для выбранного вида продукции растениеводства.

В разделе «Риск превышения СанПиН норматива» в продукции указывается величина допустимого риска, позволяющая полагать производимую продукцию растениеводства безопасной.

Результаты работы программы выводятся в виде двух величин: средние значения предельной загрязненности почвы предполагаемого участка и предельной загрязненности продукции, которую предполагается выращивать на этом участке.

Заключение

Совершенствование расчетного инструментария (моделей и соответствующих программных средств) является необходимой предпосылкой решения радиоэкологических задач, связанных с необходимостью принятия решений по реабилитации сельскохозяйственных земель, подвергшихся радиоактивному загрязнению.

Разработанные программные средства GUIPlantRescue и GUIPlantRevive позволяют эффективно решать прямую и обратную задачи, связанные с прогнозированием накопления ¹³⁷Cs в продукции растениеводства и оценкой предельной степени загрязненности ¹³⁷Cs сельскохозяйственных угодий. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Атлас современных и прогнозных аспектов последствий аварии на Чернобыльской АЭС на пострадавших территориях России и Беларуси (АСПА Россия-Беларусь) / под ред. Ю.А. Израэля и И.М. Богдевича. − Москва-Минск: Фонд «Инфосфера» – НИА-Природа, 2009. – 140 с.
2. Панов А.В. Радиоэкологическая оценка сельскохозяйственных земель и продукции юго-западных районов Брянской области, загрязненных радионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС / А.В. Панов, П.В. Прудников, И.Е. Титов, В.В. Кречетников, А.Н. Ратников, О.А. Шубина // Радиационная гигиена. 2019. Т. 12. № 1. С. 25-35.
3. Remediation of Contaminated Environments / Eds. G. Voigt and S. Fesenko. Elsevier, 2009. – 477 p.
4. Yatsalo B.I. Decision Support System for Risk Based Land Management and Rehabilitation of Radioactively Contaminated Territories: PRANA approach // Int. J. Emergency Management, Vol. 4, № 3, 2007. – Р. 504-523.
5. Сотникова Н.А. База данных по технологиям ведения растениеводства на радиационно-загрязненных территориях, составленная по результатам научных исследований / Сотникова Н.А., Панов А.В., Курбаков Д.Н. // Агрохимический вестник, 2015, № 2. – С. 15-18.
6. Иванов В.В Компьютерная программа для оценки эффективности реабилитационных мероприятий на сельскохозяйственных угодьях, подвергшихся радиоактивному загрязнению / Иванов В.В., Спиридонов С.И., Куртмулаева В.Э. // Агрохимический вестник. 2016. № 2. С. 23-26.
7. Спиридонов C.И. Вероятностная оценка накопления радионуклидов в сельскохозяйственной продукции и допустимых уровней радиоактивного загрязнения почв / Спиридонов C.И., Иванов В.В. // Радиац. биология. Радиоэкология. 2013. Т. 53. №1. С. 95-103
8. Иванов В.В. Статистическое прогнозирование накопления радионуклидов в растениях. / Иванов В.В., Спиридонов С.И. (2019). http://doi.org/10.5281/zenodo.2593433
9. Alessandro Soranzo Very simply explicitly invertible approximations of normal cumulative and normal quantile function / Alessandro Soranzo, Emanuela Epure // Applied Mathematical Sciences, Vol. 8, 2014, no. 87, 4323-4341
10. Иванов В.В. Программа для ЭВМ GUIPlantRescue (версия 1.0) «Оценка риска превышения нормативов содержания ¹³⁷Cs в продукции растениеводства на радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных землях» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019660175 от 01.09.2019
11. Handbook of parameter values for prediction of radionuclide transfer in terrestrial and freshwater environments. Vienna: International Atomic Energy Agency. 2010. 208 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Atlas sovremennyh i prognoznyh aspektov posledstvij avarii na CHernobyl'skoj AES na postradavshih territoriyah Rossii i Belarusi (ASPA Rossiya-Belarus') [Atlas of current and forecast aspects of the consequences of the Chernobyl accident in the affected areas of Russia and Belarus]/ pod red. YU.A. Izraelya i I.M. Bogdevicha. − Moskva-Minsk: Fond «Infosfera» – NIA-Priroda, 2009. – 140 p. [in Russian]
2. Panov A.V. Radioekologicheskaya ocenka sel'skohozyajstvennyh zemel' i produkcii yugo-zapadnyh rajonov Bryanskoj oblasti, zagryaznennyh radionuklidami v rezul'tate avarii na CHernobyl'skoj AES [Radioecological assessment of the agricultural lands and products in south-west districtsof the Bryansk region contaminated by radionuclides as the result of the Chernobyl NPP accident]/ A.V. Panov, P.V. Prudnikov, I.E. Titov, V.V. Krechetnikov, A.N. Ratnikov, O.A. Shubina // Radiacionnaya gigiena. [Radiation Hygiene] 2019. Vol. 12. № 1. P. 25-35. [in Russian]
3. Remediation of Contaminated Environments / Eds. G. Voigt and S. Fesenko. Elsevier, 2009. – 477 p.
4. Yatsalo B.I. Decision Support System for Risk Based Land Management and Rehabilitation of Radioactively Contaminated Territories: PRANA approach // Int. J. Emergency Management, Vol. 4, № 3, 2007. – Р. 504-523.
5. Sotnikova N.A. Baza dannyh po tekhnologiyam vedeniya rastenievodstva na radiacionno-zagryaznennyh territoriyah, sostavlennaya po rezul'tatam nauchnyh issledovanij [The database of technologies of plant growing on the areas with radioactive contaminations]/ Sotnikova N.A., Panov A.V., Kurbakov D.N. // Agrohimicheskij vestnik [Agrochemical Herald], 2015, № 2. – P. 15-18. [in Russian]
6. Ivanov V.V Komp'yuternaya programma dlya ocenki effektivnosti reabilitacionnyh meropriyatij na sel'skohozyajstvennyh ugod'yah, podvergshihsya radioaktivnomu zagryazneniyu [Computer code for efficiency assessment of rehabilitation actions on radioactively contaminated agricultural lands]/ Ivanov V.V., Spiridonov S.I., Kurtmulaeva V.E. // Agrohimicheskij vestnik [Agrochemical Herald]2016. № 2. P. 23-26. [in Russian]
7. Spiridonov C.I. Veroyatnostnaya ocenka nakopleniya radionuklidov v sel'skohozyajstvennoj produkcii i dopustimyh urovnej radioaktivnogo zagryazneniya pochv [Probabilistic assessment of radionuclide accumulation in agricultural products and acceptable levels of soil radioactive contamination]/ Spiridonov C.I., Ivanov V.V. // Radiac. biologiya. Radioekologiya [Radiation biology. Radioecology]. 2013. Vol. 53. №1. P. 95-103 [in Russian]
8. Ivanov V.V. Statisticheskoe prognozirovanie nakopleniya radionuklidov v rasteniyah [Statistical prediction of radionuclide accumulation in plants]. / Ivanov V.V., Spiridonov S.I. (2019) http://doi.org/10.5281/zenodo.2593433 [in Russian]
9. Alessandro Soranzo Very simply explicitly invertible approximations of normal cumulative and normal quantile function / Alessandro Soranzo, Emanuela Epure // Applied Mathematical Sciences, Vol. 8, 2014, no. 87, 4323-4341
10. Ivanov V.V. Programma dlya EVM GUIPlantRescue (versiya 1.0) «Ocenka riska prevysheniya normativov soderzhaniya ¹³⁷Cs v produkcii rastenievodstva na radioaktivno zagryaznennyh sel'skohozyajstvennyh zemlyah» [Computer program GUIPlantRescue (version 1.0) "Risk assessment of exceeding the standards for the content of ¹³⁷Cs in crop production in the contaminated agricultural lands»] / Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM [Certificate of state registration of computer programs] № 2019660175 publ. 01.09.2019
11. Handbook of parameter values for prediction of radionuclide transfer in terrestrial and freshwater environments. Vienna: International Atomic Energy Agency. 2010. 208 p.