Модели поведения радионуклидов в звене "почва-растение" для систем поддержки принятия решения. Обзор

В настоящее время на различных атомных электростанциях в мире функционирует 444 ядерных реактора, построенных в разные годы, и ещё 51 новый реактор скоро будет введён в эксплуатацию [1]. К ним можно добавить ядерные установки на подводных и надводных судах, предприятия по производству и переработке топливных элементов. Как показывает опыт, нельзя исключать риск возникновения на этих объектах аварийных ситуаций с последующим выбросом в окружающую среду радиоактивных веществ. От своевременности и адекватности управленческих решений о ликвидации и преодолении последствий подобных аварий будут зависеть масштаб негативного воздействия ионизирующих излучений на человека и окружающую среду, величина людских, материальных и иных потерь. Наличие систем поддержки принятия решений для подобных чрезвычайных ситуаций является важным инструментом для оперативного выбора стратегии и тактики действий в аварийных и поставарийных ситуациях.

Цифровые системы поддержки принятия решений с функцией моделирования поведения радионуклидов в окружающей среде и формирования доз облучения человека и биоты являются

Никитин А.Н.* – зам. директора, к.с.-х.н.; Чешик И.А. – директор, к.м.н., доцент; Шуранкова О.А. – зам. зав. лаб. Институт радиобиологии НАН Беларуси. Калиниченко С.А. – в.н.с., к.б.н. Полесский государственный радиационно-экологический заповедник.

важным инструментом для эффективного преодоления последствий и развития пострадавших территорий после аварий, связанных с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. На данный момент разработан ряд подобных моделей, нацеленных как на решение широкого круга проблем (RODOS [2]; RECASS [3]; NARAC [4]; SPEEDI [5]), так и имеющих узкую направленность на определённую фазу развития аварии или ограниченный состав экосистем (MOIRA [6]; STRATEGY [7]; RESCA [8]).

Если система поддержки принятия решений распространяется не только на острую фазу аварии и затрагивает загрязнение поверхности суши, то моделирование поведения выброшенных радионуклидов в звене «почва-растение» становится одной из важнейших её частей. Почва является основным депо большинства техногенных радионуклидов. Их переход в сельскохозяйственную и лесную продукцию является одним из основных процессов, приводящих к формированию доз облучения человека.

Полноценная модель поведения радионуклидов в системе «почва-растение» позволяет проводить «виртуальные эксперименты», направленные на отработку альтернативных вариантов защитных мер с минимальными материальными и временными затратами. Поэтому её наличие даёт возможность обосновать наиболее эффективную стратегию преодоления последствий крупномасштабных аварий с выбросом радиоактивных изотопов в окружающую среду. В комплексе с картографической информацией о загрязнении территории радионуклидами, модулями формирования рационов питания населения и использования природной продукции будет получена прогнозная оценка оптимизируемых параметров – доз облучения населения и затрат на защитные меры – для принятия стратегических решений по управлению пострадавшими от аварии территориями [9].

Основными задачами настоящей работы является обзор существующих и обоснование оптимальных подходов к моделированию поведения техногенных радионуклидов в системе «почва-растение», а также формулировка основных направлений совершенствования моделей прогноза накопления радионуклидов в растениях.

1.    Категории моделей поведения радионуклидов в системе «почва-растение»1.1.    Механистические модели

Любая модель поведения радионуклидов в системе «почва-растение» основывается на математическом описании процессов переноса элементов и их радиоактивных изотопов из почвенной среды в ткани растений с различной степенью упрощения. Механистические модели отличаются наименьшей степенью упрощения описания потоков радионуклидов в почвенной среде и их поглощения растением. Они наиболее сложны и включают значительный набор параметров. Как правило, механистическая модель является сочетанием математического описания адвективного и диффузионного переноса ионов в почвенной среде и кинетики их корневого поглощения с использованием уравнения Михаэлиса-Ментен [10-12].

При соблюдении ряда условий механистические модели могут давать очень точную оценку накопления радиоактивного изотопа в растении. Однако, для их параметризации требуется большой набор данных, собранных в специально организованных экспериментах, а отклонение внешних условий от области определения может многократно увеличить неопределённость оценки. Поэтому такие модели практически бесполезны для поддержки принятия решений при возникновении чрезвычайных ситуаций с выбросом радионуклидов в окружающую среду. До настоящего времени ни одна из этих моделей не прошла валидацию на данных полевых наблюдений. Механистические модели, прежде всего, являются инструментом фундаментальных исследований поведения радиоактивных изотопов в окружающей среде.

1.2.    Эмпирические модели

Эмпирические модели по своей структурной организации противопоставлены механистическим. В эту категорию моделей не закладываются предположения о механизмах перехода радионуклидов из почвы в растения. Обычно эти модели находят своё выражение в форме коэффициентов накопления или коэффициентов перехода с дифференциацией для видов/культур, типов и разновидностей почв, разбивкой почв на группы по агрохимическим, агрофизическим и другим признакам [13-15].

Эмпирические модели имеют довольно высокую степень неопределённости вследствие грубого учёта агрохимических и агрофизических характеристик почвы. Применимы они только к тем условиям, при которых проведён сбор радиоэкологических данных. Возможность переноса эмпирических моделей на другие виды растений и почвенные характеристики весьма ограничена [16, 17]. В связи с динамическими процессами перераспределения радионуклидов по физикохимическим формам и вертикальной миграции, эмпирические модели нуждаются в систематическом пересмотре [18]. Основными преимуществами эмпирических моделей являются простота использования и традиционное доверие со стороны заинтересованных лиц или структур.

1.3.    Полумеханистические (полуэмпирические) модели

Разумным балансом между сильной зависимостью от данных механистических моделей и низкой гибкостью эмпирических являются полумеханистические модели. Они включают ограниченный набор параметров, описывающих только ключевые процессы перехода радионуклидов из почвы в растения. Это позволяет уменьшить набор данных, необходимых для обучения модели. Переменные на входе, как правило, включают показатели, не требующие затратных или трудоёмких методов измерения, обычно они доступны из результатов агрохимического мониторинга и радиационного обследования земель. С точки зрения практической применимости моделей, это даёт существенные преимущества.

К полумеханистическим относятся модели перехода радионуклидов из почвы в растения, разработанные Absalom и др. [19, 20], используемые в ряде систем поддержки принятия решений [21]. Tarsitano и др. [22] осуществили пересмотр данных моделей, исключив параметры, не оказывающие существенное влияние на результат, и заново параметризовав на более широком наборе исходных данных. Усовершенствованная модель имеет более простую структуру при одновременном повышении точности.

Сравнение эмпирического подхода и полумеханистической модели [23] в системе поддержки принятия решений показало, что последние позволяют точнее выделять территории с высокой тяжестью радиоэкологических последствий. Также с их помощью можно с достаточной степенью гибкости анализировать различные сценарии применения защитных мер, получать ответы на вопросы «Что, если?». Именно способность адекватно отвечать на подобные вопросы важна для развитой системы поддержки принятия решений.

При разработке полумеханистической модели обычно исходят из предположения о том, что радионуклид может поглощаться корневой системой в растворимой форме, представляющей часть его запаса в почве. Это избавляет от необходимости закладывать слишком большой кон- серватизм в прогноз и позволяет получать более точную оценку загрязнения растений радионуклидами. Отношение удельной активности радионуклида в твёрдой фазе почвы к его удельной активности в почвенном растворе называется коэффициентом распределения (Kd). Brimo и др. [18] было показано, что при расчёте Kd для удельной активности радионуклида в твёрдой фазе следует принимать в расчёт только лабильную фракцию, исключив ту часть запаса, которая не может быть доступна для корневого поглощения в кратко- и среднесрочной перспективе.

После выпадения радионуклида на поверхность почвы его распределение по физико-химическим формам далеко от равновесия. Постепенно доля лабильной фракции изменяется. Эти изменения описываются динамическим фактором (D(t)).

Следующим важным компонентом полумеханистической модели является расчёт соотношения между удельной активностью радионуклида в почвенном растворе ( С soilsolution ) и в биомассе или хозяйственно значимой части растения ( SA plant ). Отношение удельной активности радионуклида в растении к его удельной активности в почвенном растворе (биодоступной форме) называется коэффициентом концентрирования ( CF ).

SA plant    ^CF X C sotlsohitton -

Крупные ядерные аварии, как правило, сопровождаются выбросом существенной общей активности радиоизотопов цезия с продолжительным периодом полураспада [24]. После острой фазы аварии эти радионуклиды часто становятся основными дозообразователями. Хотя биологические функции цезия для растений малоизучены, физико-химические свойства этого элемента подобны калию, играющему большую роль в их росте и развитии. Поведение цезия в системе «почва-растение» имеет ряд особенностей, затрудняющих прогноз перехода его радиоактивных изотопов по пищевым цепям. В силу названных причин наибольшее внимание в разработке полумеханистических моделей уделяется именно радиоактивным изотопам цезия [19, 20, 22, 25].

Разработка полумеханистических моделей для других радионуклидов находится до настоящего времени на ранней стадии развития. Beresford и др. [26] указывают на необходимость решения этого вопроса, прежде всего, в отношении радиоактивных изотопов стронция. В одной из первых полумеханистических моделей накопления 90Sr в качестве входных параметров, кроме собственно плотности загрязнения радионуклидом, используются разновидность почвы по механическому составу, содержание в ней обменного кальция и pH [6].

Таким образом, полумеханистические модели являются оптимальным сочетанием научной обоснованности заложенных в них принципов построения и практической применимости.

2.    Полумеханистические модели накопления радиоактивных изотопов цезия растениями

Полумеханистические модели поведения радиоизотопов цезия в системе «почва-растение» учитывают такие процессы, как распределение радионуклида между растворимой, лабильной и прочно фиксированной формами, влияние растворимого калия на интенсивность корневого потребления цезия, а также его распределение между почвенным раствором и обменной сорбцией в почвенном поглощающем комплексе.

Согласно современным представлениям, АТФ-зависимые переносчики калия в корнях растений, активизирующиеся при недостатке данного макроэлемента в почвенном растворе, имеют высокое сродство к цезию, в отличие от каналов пассивного транспорта калия [27, 28]. Это приводит к резкому увеличению накопления радиоактивных изотопов цезия в растении в условиях дефицита калия. В полумеханистических моделях эту зависимость описывают уравнением вида [29]:

log (CF) = -b _t x 1од(С _к) - b ₂ , (2)

где log – десятичный логарифм; b 1 и b 2 – видоспецифичные коэффициенты (Tarsitano и др. [22] было показано, что b 1 может быть единым для широкого набора видов растений); C K – концентрация K⁺ в почвенном растворе, моль/л.

На основании обобщения большого набора данных Tarsitano и др. [22] было показано, что для моделирования концентрации K+ в почвенном растворе можно использовать следующее уравнение:

£  _ _________ ^Kexch __________

cfwhum.+c2 •wclay-c3 ^K exch где Kexch – концентрация обменного калия в почве, смоль/кг; whum – доля органического вещества в почве, г/г; wclay – доля фракции <2 мкм в механическом составе почвы, г/г; c1, c2, c3 – коэффи- циенты уравнения.

Концентрация радиоактивных изотопов цезия в почвенном растворе является важным внутренним параметром полумеханистической модели. Наиболее выраженное влияние на этот показатель оказывают время после выпадения радионуклидов, механический состав почвы, содержание органического вещества [30].

Одним из ключевых процессов для моделирования поведения радиоцезия в системе «почва-растение» является постепенный переход в малодоступные и недоступные формы вследствие его фиксации на выветренных гранях (FES) и проникновения в межслойные пространства глинистых минералов с последующей интеграцией в кристаллические решётки. Ёмкость и избирательность прочной фиксации цезия на минеральных частицах почвы (переход в малодоступную форму) выражается посредством параметра RIP (radiocaesium interception potential). В первом приближении величину RIP можно определить по содержанию в почве фракции глинистых минералов и органического вещества [20]:

log ₁₀ (RIP ciay ) = a ₁ -a ₂ - ^ ^h^^m .                                                    (4)

W

На почвах с содержанием органического вещества до 80-90% основная доля лабильного цезия сосредоточена на FES, роль обычного поглощающего комплекса почвы невелика [31]. Кон- центрацию радионуклида в почвенном растворе довольно хорошо описывается посредством уравнений:

KDld ay =

RlP clay ^c K ^+b 3 ^ ^C NH4

C cs =

SA

labil Cs

^w clay ^KDl clay ^+K d-min

где b 3 – коэффициент, показывающий соотношение силы вытеснения из FES ионов Cs ионами аммония по сравнению с ионами калия; C NH4 – концентрация ионов аммония в почве; SA^l C_s ^bU - удельная активность лабильной фракции радиоактивного изотопа цезия в почве (Бк/кг). Под лабильной фракцией в данном случае понимается тот запас радионуклида, который может быть доступен для корневого поглощения в течение вегетационного периода (растворённая, обменная и сорбированная на FES формы); Kd min – коэффициент распределения изотопов Cs между остальными (не минеральными частицами <2 мкм) компонентами твёрдой фазы почвы и почвенным раствором.

Накопленные экспериментальные данные позволяют утверждать, что доля лабильной фракции от общего запаса цезия зависит преимущественно от времени, прошедшего после выпадения, и может быть описана с помощью двух констант (быстрая - k f_ast и медленная - k _slow ) кинетического уравнения первого порядка и доли радиоизотопов, включённых в быструю кинетикУ ( P fast )-

^^(t) = ^P fast ' exp^(—k fast ' ^t) + (^ ^{— P} fast ) ' ^^P^{( — k} slow ' t) - ⁽⁷⁾

В настоящее время имеется лишь ограниченный набор данных, позволяющих объективно оценить параметры k f_ast , k _slow , P f_ast , и факторы, влияющие на них. Процессы перераспределения радиоактивных изотопов цезия в сторону фиксированных форм продолжаются десятилетиями. В то же время, параметризация существующих полумеханических моделей осуществлена на основании кратковременных экспериментов, продолжительностью от нескольких дней до нескольких лет. Поэтому математическое выражение процессов снижения биологической доступности радиоактивных изотопов цезия со временем, используемое в этих моделях, подвергается обоснованному сомнению [18].

3.    Ключевые направления развития полумеханистических моделей поведения радионуклидов в системе «почва-растение»

Результаты независимой валидации полумеханистических моделей показали недостаточную точность получаемых с их помощью результатов. Модель Absalom и др. разработана для злаковых растений на почвах, типичных для условий умеренной зоны Европы. Попытки использования модели для других культур [32-34], почвы Маршалловых островов [35] или условий Японии после аварии на АЭС Фукусима [25] показали её ограниченность и необходимость дальнейшего улучшения.

Brimo и др. [18] установили, что для сроков более 20 лет после выпадения радиоактивных изотопов цезия на почву все существующие полумеханистические модели дают заниженные на один-два порядка величины коэффициентов накопления. Результаты, наиболее близкие к реальным, даёт модель [25], нуждающаяся в определении RIP почвы. Результаты моделирования имеют большую неопределённость и практически полное отсутствие согласованности с наблюдаемыми значениями перехода 137Cs по цепочке «почва-пастбищные растения-молоко коров». Среди объяснений этих расхождений: отличие коэффициентов концентрирования цезия из почвенного раствора в надземные части растений тех видов, которые произрастают на реальных пастбищах, от модельных видов (пшеница, райграс); роль почвенных частиц [36] на надземных частях растений в поступлении 137Cs в организм коров.

Показано [37], что наиболее существенным фактором ошибок существующих полумехани-стических моделей является некорректный расчёт доли лабильной фракции 137Cs. Существующие модели основаны на полуэмпирических уравнениях, параметризованных с использованием методов линейной регрессии на данных краткосрочных экспериментов и в предположении об обратимости процессов перехода цезия между фазами с различной биологической доступностью. Таким образом, требуется совершенствование полумеханистических моделей поведения радионуклидов в системе «почва-растение», направленное на снижение ошибки прогноза при одновременном расширении области применения. Мы считаем, что достижение этой цели возможно при решении следующих приоритетных задач:

• •    введение новых или альтернативных параметров в существующие модели, позволяющих повысить их точность и упростить использование;

• •    учёт дополнительных факторов, оказывающих влияние на переход радионуклидов в растения;

• •    повышение уровня обобщения моделей с адаптацией к локальным условиям исследуемых территорий;

• •    использование методов машинного обучения для интеграции в модели информации, накопленной в смежных областях знаний (почвоведение, агрохимия, экология, физиология растений и др.);

• •    разработка моделей для более широкого набора радиоактивных изотопов;

• •    включение оценки неопределённости в результаты моделирования;

• •    интеграция полумеханистических моделей поведения радионуклидов в геоинформаци-онные системы;

• •    поддержание достаточного уровня интерпретируемости и наглядности результатов моделирования.

3.1.    Введение новых или альтернативных параметров в существующие модели 3.2.    Учёт дополнительных факторов, оказывающих влияние на переход радионуклидов в растения

Совершенствование моделей не должно сопровождаться их чрезмерным усложнением или увеличением количества входных параметров, затрудняющих оценку в условиях практического применения. Эффективное использование модели поведения радионуклидов в системе поддержки принятия решения при ликвидации и преодолении аварий с выбросом радионуклидов в окружающую среду требует наличия входных данных с соответствующим качеством и в достаточном количестве. Это ставит перед такой моделью дополнительные требования: данные либо должны быть легко и быстро получаемыми, либо доступны из результатов мониторинга территорий. При этом необходим поиск оптимального соотношения между лёгкостью получения входных данных и надёжностью оценки загрязнения сельскохозяйственной продукции техногенными радионуклидами.

В отношении характеристик почвы целесообразно использовать имеющиеся для многих территорий карты почвенного покрова, данные крупномасштабного обследования почвенного фонда, фитоиндикационные показатели характеристик почв. Для получения последних могут привлекаться не только результаты наземных исследований, но и данные дистанционного зондирования.

К числу перспективных методов можно отнести инфракрасную спектроскопию выщелатов из почвы. Он позволяет не только оценить влагоёмкость почвы и содержание в ней органического вещества, но и коэффициенты распределения многих металлов [38-40]. Представляют интерес инициативы по построению глобальных карт минерального состава почв, а также других ключевых характеристик. В этой связи необходимо упомянуть работу Ito и Wagai по построению мировой карты глинистых минералов [41].

При разработке полуэмпирической модели важно отобрать факторы, оказывающие существенное влияние на целевой показатель – удельную активность радионуклида в заданных частях растения, исключив фоновые, не оказывающие статистически значимое влияние на целевой показатель. С учётом определённой степени взаимозависимости между многими потенциальными входными параметрами, следует отбирать те из них, значения которых могут быть легче получены.

Набор входных параметров модели должен быть максимально единообразным для различных видов растений и регионов Земли. В противном случае, теряются многие преимущества полумеханистических моделей. Тем не менее, перечень важных факторов может изменяться в зависимости от физико-химических свойств того или иного элемента, а также в связи с основным назначением системы поддержки принятия решения и фазы радиационной аварии.

Анализ литературных данных показал, что ни одна из существующих полуэмпирических моделей не учитывает такие факторы, как флуктуация метеорологических условий, особенности геологии и климата региона, влияние почвенных микроорганизмов. Между тем, известно, что геологические факторы, определяющие минералогический состав материнской породы, могут оказать сильное влияние на K d и долю биодоступной фракции радионуклида [42]. Климатические факторы оказывают множественное и разностороннее влияние на поведение радиоактивных изотопов в системе «почва-растение» посредством изменения состояния радионуклидов в почвах, физиологии растительных организмов, интенсивности внекорневого поступления и т.п. [43]. Показано, что водный режим почвы с частой сменой переувлажнения и засухи ускоряет процессы фиксации цезия в межслойных пространствах глинистых минералов [44]. Метеорологические условия оказывают влияние на интенсивность накопления растениями радионуклидов, главным образом, посредством изменения концентрации их биодоступных форм в ризосфере при различной влажности почвы [45-47].

Естественная вариабельность почвенных микробиологических сообществ, микоризация корневой системы и использование микробиологических удобрений способны изменить биологическую доступность радионуклидов и интенсивность их поступления в растения [48-50]. Решение об учёте данных факторов в полуэмпирических моделях должно приниматься на основании объективного анализа, учитывающего повышение точности прогноза от включения дополнительных факторов в модель, а также затрат на параметризацию модели и подготовку прогноза.

Биологическая доступность многих радионуклидов (изотопы стронция, плутония, урана, америция и др.), поступивших в окружающую среду в результате аварий на объектах ядерного топливного цикла и при ядерных взрывах, зависит от динамики их высвобождения из топливных частиц. Обзор литературных источников показал, что ни одна из существующих моделей поведения радионуклидов в системе «почва-растение» не учитывает эти процессы.

3.3.    Повышение уровня обобщения моделей с адаптацией к локальным условиям

Точность любой модели повышается с включением в неё специфической для местных условий информации. Это позволяет улучшать точность прогноза загрязнения растений долгоживущими техногенными радионуклидами. В случае радиационной аварии полученные с помощью модели оценки должны сопоставляться с данными радиационного контроля и мониторинга. На основании этого может приниматься решение о целесообразности дальнейшего совершенствования модели с целью снижения неопределённости и принятия более обоснованных управленческих решений.

Важным направлением развития систем поддержки принятия решений в области радиационной защиты является возможность автоматической интеграции данных радиационного мониторинга и контроля и дообучение на них ключевых параметров моделей. В качестве примера развития данного направления можно привести европейские проекты HARMONE и CONFIDENCE [51].

Последствия аварии на АЭС Фукусима показали важность наличия информации о региональных особенностях окружающей среды и используемых сельскохозяйственных практиках для различных регионов [52, 53].

Невозможно получить данные, отражающие поведение радионуклидов в отношении всего спектра сочетаний видов растений и характеристик почв. По данным МАГАТЭ [13], для большинства элементов, имеющих радиоактивные изотопы (Cu, Eu, P, Nb, Ba, Na, Cr, Zr, Ca, Y, Ag, Fe, La, Cd, Sb, Pm, Tc, Ru и Po), коэффициенты накопления известны только для 10% сочетаний «растение-группа почв», а для ряда элементов (Nd, Pr, Rh и W) коэффициенты перехода получены по данным единичных измерений или экспертной оценки с использованием элементов-аналогов.

Полумеханистические модели, построенные на закономерностях изменения биодоступности элементов в почве и физиологических процессах их корневого поступления, призваны снизить неопределённость в прогнозе перехода радиоактивных изотопов по пищевым цепям. Но для этого необходим поиск универсальных закономерностей, позволяющих получить количественную оценку биологически доступных форм радионуклидов в почве, интенсивности их корневого поглощения и перераспределения в растении. Работа в этом направлении должна вестись по трём направлениям:

• 1.    Обобщение накопленных ранее обширных данных научных экспериментов, результатов радиационного контроля и мониторинга.

• 2.    Продолжение работ по накоплению радиоэкологических данных, особенно для тех сочетаний радионуклидов, природно-климатических условий и видов растений, информации по которым недостаточно.

• 3.    Привлечение данных из смежных областей науки, способных повысить надёжность или универсальность модели.

3.4.    Использование методов машинного обучения для интеграции в модели информации, накопленной в смежных областях 3.5.    Включение оценки неопределённости в результаты моделирования 3.6.    Интеграция полумеханистических моделей поведения радионуклидов в геоинформационные системы

Разработка общих полумеханистических моделей, которые могут быть применимы для широкого спектра условий и практически любого региона Земли, наряду с накоплением данных для параметризации этих моделей, является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед современной радиоэкологией и радиационной защитой.

Традиционно разработка качественных радиоэкологических моделей основывается на экспериментальных результатах, получение которых требует определённых временных и ресурсных затрат. Но важные для радиоэкологии закономерности могут быть выведены из информации об особенностях поведения отдельных элементов в почвенной среде (почвоведение), корневого и внекорневого их потребления растениями (физиология растений). Использование уже имеющихся знаний и экспериментальных материалов из этих областей науки позволит снизить издержки на разработку моделей. Этих же результатов позволит добиться и использование ранее накопленных разрозненных данных о поведении радионуклидов в окружающей среде и оценок их содержания в различных частях растений.

Практически невозможно определить параметры модели в отношении всех видов растений и животных, но для их оценки можно использовать филогенетическую принадлежность, экологические, биохимические, генетические и другие особенности видов [54-56], их семантическое положение в корпусе научных документов. Базовые закономерности изменения биологической доступности радионуклидов в почве могут быть получены на основании информации о поведении стабильных аналогов или химически близких элементов. Серьёзный прогресс здесь может быть достигнут за счёт использования методов Байесовой статистики, машинного обучения, обработки больших данных и геоинформационного анализа. Методы трансферного обучения и дообучения позволят быстро оптимизировать вычислительные компоненты системы поддержки принятия решений для малоизученных сочетаний «вид растения-радионуклид-почвенные условия» в случае чрезвычайной радиологической ситуации.

Наличие подходов, позволяющих интегрировать информацию из разрозненных результатов научных экспериментов и наблюдений в единую модель, позволяет существенно снизить затраты на разработку моделей за счёт повторного использования данных [57]. Подобное решение должно стать наиболее востребованной формой обобщения научных знаний, результатов радиационного контроля и других данных, полученных при ликвидации последствий радиационных аварий. Оно позволит оперативно использовать накопленный ранее опыт для поддержки принятия решений в области радиационной защиты.

Важной характеристикой модели поведения техногенных радионуклидов в системе «почва-растение», помимо её универсальности, является возможность анализа источников и величины неопределённости прогноза. В любом моделировании необходимо знать не столько точечную прогнозную оценку, сколько наиболее вероятный диапазон значений целевого показателя. Информация о статистическом распределении оценки не менее важна, чем центральный момент оценки. Если неопределённость оценки при прогнозе эффективности того или иного защитного мероприятия не превышает разницу с базовым сценарием, то возникает вопрос о целесообразности затрат на его внедрение. При реализации европейских проектов CONFIDENCE [51] и TERRITORIES проведена комплексная работа по анализу величины неопределённости модельных оценок доз облучения на различных стадиях развития аварий с выбросом радионуклидов в окружающую среду и поиску способов её снижения. Разработка комплекса моделей с использованием набора реалистичных диапазонов входных переменных и параметров можно рассматривать как один из возможных способов оценки неопределённости прогноза [58, 59].

Чем полнее знание о механизмах поведения радионуклидов, локальных почвенных особенностях и биологических особенностях растения, тем меньше неопределённость прогноза. Также неопределённость прогноза зависит от точности расчёта параметров модели. Чем больше данных доступно для обучения модели, тем точнее можно определить её параметры, при условии, что в основу заложены верные предположения о механизмах поведения радионуклидов. Поэтому исключительно важно иметь достаточный объём качественных данных на этапах разработки модели, её обучения, верификации и использования для прогноза. Всё это говорит о важности разработки алгоритмов постоянной подстройки параметров модели на основе накапливаемых данных.

Интеграция модели поведения радионуклида в системе «почва-растение» в геоинформа-ционную систему, содержащую информацию о пространственном распределении количественных значений входных параметров этой модели, загрязнении территории радионуклидами, характере использования земель и других показателях, является важным этапом формирования системы поддержки принятия решения [60]. По сути, именно на этом шаге модель обретает реальную практическую значимость и раскрывает свой потенциал для оценки последствий радиационных аварий и обоснования защитных мер. В качестве примера интеграции полумеханисти-ческой модели накопления 137Cs сельскохозяйственными культурами и геоинформационной системы можно привести работы [21, 33, 61]. Примером подобного интегрированного решения для лесных экосистем может быть работа [62], результаты которой позволяют выделить территории с наиболее высокими уровнями радиационных рисков от лесных пожаров.

До настоящего времени практически отсутствуют модели поведения радионуклидов в масштабе ландшафтов. Важным шагом в этом направлении следует признать работу [63]. Большинство имеющихся разработок основывается на относительно кратковременных экспериментах, после чего осуществляется экстраполяция на более крупные масштабы в пространстве и времени. При этом сохраняется большая потребность в моделях, описывающих долговременное изменение поведения радионуклидов в ландшафтах различного типа, учитывающие такие процессы, как перераспределение радиоизотопов по физико-химическим формам, их вертикальная миграция, перераспределение с эрозией и ресуспензией. Одним из направлений развития здесь может быть объединение тематических карт (топография, типы почв, растительности, землепользования) с картами радиоактивного загрязнения на различных стадиях поставарийных последствий. Анализ таких данных позволит получить знания, важные для понимания процессов миграции и перераспределения техногенных радионуклидов в окружающей среде. Отсутствие надёжного подхода для агрегации пространственно-распределённых данных из различных источников сдерживает прогресс в этом направлении.

3.7.    Интерпретируемость и наглядность результатов моделирования

Прозрачность работы модели, интерпретируемость и наглядность промежуточных и конечных результатов важны для их использования в работе лицами, принимающими решение по реабилитации территорий, загрязнённых радионуклидами. В этой связи упрощение модели, а также отказ от использования слишком абстрактных объектов являются довольно важными характеристиками.

Высокий уровень доверия сложился к эмпирическим моделям вследствие их простоты. Однако их консервативность, необходимость постоянного пересмотра при переносе на новые регионы или с течением времени, очень ограниченные возможности проведения виртуальных оценок эффективности защитных мер не позволяют назвать их лучшим выбором для систем поддержки принятия решений, как это было показано выше. Но при разработке полумеханистических моделей поведения радионуклидов в системе «почва-растение» необходимо также учитывать потребности и ожидания вовлеченных в процесс реабилитации сторон и лиц, принимающих решения.

Заключение

Модель перехода радионуклидов из почвы в растения является важным элементом систем поддержки принятия решений в области ликвидации и преодоления последствий аварий с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду, а также для проектирования радиационноопасных объектов. Для большинства долгоживущих дозообразующих радионуклидов искусственного происхождения почва является основным депо накопления, а переход в растения – начальным звеном одного из основных путей формирования дозы облучения населения. Полумеханис-тические модели поведения радионуклидов в звене «почва-растения» являются наиболее гиб- ким и целесообразным с практической точки зрения решением. Эмпирический подход, не учитывающий базовые механизмы изменения биологической доступности радионуклидов и их поглощения растениями, требует постоянного обновления и уточнения параметров перехода. Механистические модели мало применимы в реальных условиях.

Для снижения уровней неопределённости прогноза, повышения удобства и широты применения полумеханистические модели нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Ключевыми направлениями развития полумеханистических моделей поведения радионуклидов в звене «почва-растение» являются:

• -    введение новых или альтернативных параметров в существующие модели, позволяющих повысить их точность и упростить использование;

• -    учёт дополнительных факторов, оказывающих влияние на переход радионуклидов в растения;

• -    повышение уровня обобщения моделей с подстройкой к локальным условиям;

• -    использование методов машинного обучения для интеграции в модели информации, накопленной в смежных областях;

• -    разработка моделей для более широкого набора радиоактивных изотопов;

• -    включение оценки неопределённости в результаты моделирования;

• -    интеграция полумеханистических моделей поведения радионуклидов в геоинформаци-онные системы;

• -    поддержание достаточного уровня интерпретируемости и наглядности результатов моделирования.

Работа выполнена в рамках задания 3.04 НИР 1 Государственной программы научных исследований «Природные ресурсы и окружающая среда».