PUBLIC HEALTH IN RADON-AFFECTED TERRITORIES

Full Text

Среднее значение годовой эффективной дозы граждан Российской Федерации (РФ) от всех источников ионизирующего излучения в расчете на одного жителя составляет 3,76 мЗв/год. При этом 86,1 % дозы дают природные источники и 13,6 % -медицинское облучение. Наибольшие значения этой величины в 2016 г. имели место в Республике Алтай (7,2 мЗв), Еврейской автономной области (6,6 мЗв), Республике Тыва и Иркутской области (5,7 мЗв). В восьмидесятые годы ХХ века особую актуальность приобрела проблема канцерогенного воздействия высоких доз ионизирующего облучения на людей в повседневной жизни за счет радона и продуктов его распада. Среднее в расчете на одного жителя РФ значение годовой эффективной дозы облучения населения за счет природных источников по данным за 1998-2016 гг. составляет 3,33 мЗв/год, а для отдельных наиболее облучаемых групп населения - 3-60 и более мЗв/год. Наибольший вклад в суммарную дозу природного облучения россиян (59,50 %) вносит радон [1-3, 6, 7, 11, 12]. Всемирной организацией здравоохранения радон был признан второй по значимости после табакокурения причиной возникновения рака легких. Поэтому в большинстве развитых стран мира, в том числе и в России, стали на государственном уровне приниматься национальные программы по изучению и снижению вредного воздействия радона на здоровье людей. В РФ программа «Радон» была принята в 1994 г. Анализ имеющихся материалов по радоноопасности, связанной с природными и техногенными факторами, воздействующими на человека, считается сложной и недостаточно изученной проблемой, особенно на региональном уровне [4, 5, 9, 15]. До настоящего времени отсутствуют научно обоснованные принципы, приоритеты и механизмы учета факторов влияния радоноопасности в системе комплексного экологического мониторинга. Все это определяет актуальность темы исследования. Выявление закономерностей миграции радона в компонентах природно-антропогенной среды и оценка экологических последствий для населения представляет научно-методологический интерес. Актуальность научных и методических исследований проблемы радоноопасности обусловлена необходимостью прогноза и моделирования миграции радона в системе «человек - окружающая среда». Теоретической и методологической основой работы являются результаты и методы исследований отечественных и зарубежных специалистов в области географии, геологии, геоэкологии [8, 13, 16-18, 20-23, 25-30]. В основу легли результаты исследований, проведенных авторами в Воронежской области в 2006-2017 гг., а также материалы Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Федеральной службы по надзору в сфере природопользования, Федерального государственного унитарного научнопроизводственного предприятия «Аэрогеология», Межрегионального центра по геологической картографии Министерства природных ресурсов и экологии РФ, Федерального государственного унитарного геологического предприятия «Воронежгеология». Материалом для работы послужили данные, полученные в ходе лабораторных экспериментов и полевых работ на территории Воронежской области. Анализ статистических закономерностей пространственного распределения радона проводился на основе научных публикаций по результатам исследований радоновой проблемы на региональном уровне. Целью настоящей работы явилась геоэкологическая оценка радоноопасности территории и ее влияния на состояние здоровья населения. Методы Используемая методика измерений имеет ряд недостатков: при составлении выборок в системе регионального мониторинга не учитывается характеристика геологического пространства; не фиксируются такие значимые характеристики конструкций зданий, как наличие подвальных помещений; полученные данные не используются для моделирования распределения радона в исследуемой среде; не учитывается вклад источников водоснабжения в радоновый баланс жилого фонда. Для построения модели радоноопасности региона разработана методика, основанная на разнородных геоэкологических данных, представленная на рис. 1. Каждый этап этой методики ведет к уточне -нию картографо-математической модели региона. Первым этапом является составление первичной модели распределения радона для прогнозной оценки первичной модели распределения радона, которая используется для прогнозной оценки ра-доноопасности территории и оценки объема проведения радонозащитных мероприятий. Данный этап базируется на обработке результатов геохимических, радиологических, инженерно-геологических и санитарно-гигиенических исследований, проведенных на исследуемой территории. Второй этап исследований предусматривает ранжирование территории по степени радоноопасности участков и выявлению тектонических, радиационных, геохимических аномалий. Для проведения этого этапа используются геологические карты пород, выходящих на дневную поверхность, в которых измеряются: плотность потока радона из грунта, концентрация радона в грунтовом воздухе, воздухопроницаемость грунта. На основе наложения данной информации строятся карты степени радоноопасности грунтов. Четвертый этап предусматривает статистический анализ результатов измерений концентрации радона в воздухе жилых строений. Пятый этап представляет комплексный анализ радоноопасности региона. В результате совмещения картографической информации и натурных измерений определяется набор кластеров, каждый из которых характеризуется пространственными границами, свойствами зданий 41 Медицинская экология Экология человека 2019.01 Этапы работ Алгоритм регионального мониторинга радона Результаты работ I этап Прогнозная оценка радоноопасности территории на основе минимального набора данных -*- 1 .Параметры логнормального распределения радона в регионе. 2. Прогнозное количество зданий в регионе с превышением контрольных уровней радона II этап Выделение селитебных территорий, находящихся в зоне влияния повышенной радоноопасности (тектонические нарушения, геохимические и радиационные аномалии) 1. Прогнозные карты зон повышенного риска радоноопасности. 2. Массив адресных данных жилого фонда, находящегося в зонах, потенциально опасных по радону III этап Дифференциация территорий по степени радоноопасности грунтов на основе геологической информации Карта радонового потенциала верхней толщи пород IV этап Дифференциация помещений по степени радонозащищенности V этап Создание картографической, математической модели радоноопасности региона Система классификации конструкций зданий, характерных для исследуемого региона, по степени радонозащищенности Г еографическая база данных, включающая в себя информацию о радоноопасности геологического пространства, характеристиках строений жилого фонда, параметрах распределения концентрации радона в каждом кластере системы Усовершенствованная система мониторинга радона для снижения экологических рисков для населения Рис. 1. Алгоритм мониторинга региона на радоноопасность и параметрами логнормального распределения радона. Уровень концентрации радона в каждом здании в наиболее общем виде является результатом взаимодействия двух факторов: радоноопасности грунтового основания и радонозащищенности здания. Уровень радонозащищенности здания определяется его конструкцией и строительными материалами, которые зависят от природных и социально-экономических условий. Радоноопасность геологического пространства региона зависит от минерального, гранулометрического состава подстилающих горных пород. В результате многочисленных исследований, проведенных в России и во многих странах мира, установлено, что распределение зданий, выбранных случайным образом по величине концентрации радона, близко к логнормальному распределению. Причем чем более однородна выборка по таким показателям, как радоноопасность геологического пространства и радонозащищенность зданий, тем ближе реальное распределение в ней к логнормальному закону. Плотность логнормального распределения имеет вид: где ^ - параметр масштаба, а - параметр формы, е- основание натурального логарифма Сегментация всей совокупности регионального жилого фонда на отдельные кластеры, каждый из которых состоит из жилых помещений, составляющих относительно однородную выборку по сумме факторов геологических условий и конструкций жилых помещений, позволяет получить несколько наборов реальных измерений, удовлетворяющих параметрам логнормального распределения с уровнем значимости 0,05. Таким образом, моделью распределения радона в жилых помещениях на территории региона можно считать «матрицу», каждая ячейка которой представляет собой сочетание геологических условий и характерных для исследованной территории 42 Экология человека 2019.01 Медицинская экология Рис. 2. Алгоритм деления выборки зданий на кластеры до достижения соответствия натурных измерений логнормальному закону конструкций зданий, различающихся по степени радонозащищенности, и описывается параметрами собственного логнормального распределения. Характеристики каждого кластера складываются из следующих составляющих: пространствен -ное положение, конструкция жилых помещений, параметры логнормального распределения. Для получения модели распределения радона в жилых помещениях региона необходимо выявить граничные условия каждого кластера и определить параметры логнормального распределения, характеризующего каждый кластер. Приемлемыми результатами кластеризации регионального распределения можно считать уровень, при котором результаты реальных измерений в каждом кластере настолько близки к логнормальному распределению, чтобы удовлетворять статистическим критериям (с уровнем значимости 0,05). Наиболее значимыми факторами, оказывающими влияние на концентрацию радона и, таким образом, являющимися «фильтрами» для сегментации выборки, являются следующие параметры: этаж, на котором расположено помещение; наличие подвала в здании; материал, из которого изготовлены строительные конструкции; радоноопасность грунтового основания. Последний из перечисленных факторов позволяет делить выборку по границам залегания разных типов пород, различающихся по следующим параметрам: генезис, минералогический состав, гранулометрический состав, возраст. Алгоритм деления выборки представлен на рис. 2. В каждом регионе существуют жилые постройки, находящиеся в зонах радоновых аномалий различного генезиса. Наиболее часто встречающиеся аномалии - участки нарушений сплошного залегания горных пород. Такие участки территории необходимо выделять в отдельный кластер, чтобы не искажать результаты исследования в том кластере, в который «вкраплена» аномальная зона, а с практической точки зрения участки аномально высокой эсхаляции радона из почвы должны обследоваться особенно тщательно, так как вероятность обнаружения в их пределах помещений с высоким содержанием радона существенно выше. Локализация таких зон выполняется на основе геологической и геохимической информации с использованием ГИС-технологий. На основе статистического анализа результатов измерений по России и зарубежным странам разработан алгоритм прогнозной оценки радоноопасности территории. Он базируется на представлении о том, что распределение радона в зданиях близко к логнормальному виду. Для оценки р распределения необходимо использовать усредненную величину, полученную на основании информации об имеющихся замерах на данной территории, средней величине гамма-фона, содержании радона в почвенном воздухе, плотности потока радона из грунтов, содержании радия и/или урана в почве. Получены корреляционные зависимости содержания радона в домах и некоторых вышеперечисленных косвенных прогнозных данных (табл. 1). 43 Медицинская экология Экология человека 2019.01 Таблица 1 Усредненные показатели измерений на территории России и ряда европейских стран Косвенные показатели (AM) Среднее арифметическое ОА Rn в зданиях, Бк/м3 (GM) Среднее геометрическое ОА Rn в зданиях, Бк/м3 у-фон территории нЗв/ч, (у) AM и 0,766 X у -6,9592 GM и 0,5004 X у -4,5458 ППР из грунта, (мБк/м2с) AM и 3,0984 X ППР + 2,5169 GMи 2,0239 X ППР + 1,6441 Таблица 2 Эмпирические соотношения прогнозных показателей радоноопасности грунта Зависимая величина Зависимость Страна, год ППР, мБк/(м2с) ОА радона в почвенном воздухе, кБк/м3, (ОАпочв) почв ППР и 1,223 X ОА почв Россия, 2008 ОА радона в почвенном воздухе, кБк/м3 (ОАпочв) почв Среднегодовая ОА радона в домах, Бк/ м3, (ОАвнутр) внутр ОА и 0,9771 X ОА внутр ’ почв + 20,5 Германия, 2006 ОА и 6,559 X ОА внутр ’ почв 75,825 Хорватия, 2006 ОА и 6,1555 X ОА внутр ’ почв 2,9925 Испания, 2008 ОА и 0,2786 X ОА + внутр ’ почв 35,429 Германия, 2009 ОА и 4,9769 X ОА + внутр ’ почв 35,473 Чехия, 2010 ППР, Бк/(м2ч), (Х) у-фон территории, нЗв/ч, (у) Х и 0,89 X у-0,11 Германия, Швейцария, 2007 Для этого нами были использованы эмпирические соотношения, полученные в ряде европейских стран на основе проведенных измерений (табл. 2) [10, 19, 24]. Поэтому на этапе оценочных работ можно использовать его математическое ожидание. Полученные зависимости использовались нами в прогнозной оценке радоноопасности Воронежской области. Результаты анализа параметров региональных выборок показывают, что значение а распределения в них колеблется в довольно узком интервале. Нами был сделан статистический анализ результатов измерений, выполненных в рамках национальных радоновых программ 26 стран мира (рис. 3). Результаты В результате анализа было получено значение а = ln (GSD) = 0,820 231 769, которое в дальнейшем использовалось в определении степени радоноопасности Воронежской области. Отклонения результатов реальных измерений от логнормального закона в области низких значений объясняются преобладанием в этом интервале таких факторов, как концентрация радона во внешнем воздухе на данной территории, эсхаляция радона из строительных материалов, а также погрешности средств измерений в областях, близких к нижнему порогу рабочего диапазона. В области высоких концентраций отклонения от предполагаемого распределения обусловлены нахождением зданий в местах «радоновых аномалий» различного генезиса. Поэтому после определения параметров распределения на всей исследуемой территории необходимо произвести корректировку для области высоких значений. Для определения параметров корректировки проанализировали расчетные и полученные в результате измерений значения распределений в диапазонах объемной активности (ОА) радона 200-400 Бк/м3 и более 400 Бк/м3 (рис. 4). 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 In(GSD) In(GSD): SW-W= 0,974770 472; р=0,74ЄЗ; N = 26; Среднее = 0,82 02317 69; StdD/ = 0,151 04581 9; Макс= 1,1 6315081; Мин= 0,47 00036 29; D= 0,1 265264 47; р < n. s.; Лиллиефорса-р < 1 Рис. 3. Гистограмма частот параметра формы (а) по результатам измерений в 26 странах (GSD - стандартное геометрическое отклонение) 44 Экология человека 2019.01 Медицинская экология Рис. 4. Отклонение результатов измерений радона от логнормального распределения в области высоких содержаний В области 200-400 Бк/м3 не выявлено закономерностей отклонения реальных измерений от теоретического тренда. В области значений более 400 Бк/ м3 наблюдается статистически значимое увеличение разницы между расчетными и «измеренными» значениями с ростом средней величины концентрации радона в зданиях. Необходимо отметить, что в регионах с небольшой средней концентрацией радона 20-23 Бк/м3 рассмотренный эффект отсутствует. Таким образом, усовершенствованная комплексная методика проведения мониторинга позволяет: повысить эффективность геоэкологических исследований по выявлению территорий радонового риска, обусловленного зонами влияния тектонических разломов; разрабатывать прогнозные математические модели радоноопасности региона на основе минимального количества данных. Предлагаемый подход позволяет усовершенствовать систему регионального мониторинга радона. На основе методики геоэкологической типизации радоноопасности регионов был проведен анализ территории Воронежской области. Произведена оценка распределения зданий по содержанию в них радона. Материалом для определения параметров логнормального распределения стали данные обследований, проведенные учреждениями Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор), уровень гамма фона и полевые исследования авторов (результаты измерений плотности потока радона из грунтов, преобладающих на территории области). Измерения плотности потока радона (ППР) из грунтов выполнялись с помощью прибора РРА-01М и пробоотборного устройства методом «закрытой камеры». Результаты измерений представлены в табл. 3. Общее количество проведенных замеров - 512. Средневзвешенное значение ППР (с учетом доли территории, занимаемой каждым из видов отложений) составляет 8,22 мБк/м2с. Значение среднего геометрического содержания радона в зданиях, соответствующее этой величине, - 28 Бк/м3. Среднее геометрическое значение ОА радона в Таблица 3 Результаты измерений плотность потока радона из различных типов грунтов на территории Воронежской области Количество измерений Среднее арифме тическое, мБк/м2с Диапазон значений, мБк/м2с Стандартное отклонение Доля площади территории области, занимаемая видом отложений, % Субаэральные образования, делювиальные отложения склонов и аллювиально-делювиальные выполнения древних балок, нижнее звено неоплейстоцена (суглинки с горизонтами погребенных почв 3-6 м), верхнее звено неоплейстоцена (суглинки с горизонтами погребенных почв 1-5 м) 160 8,1 4-47 7,5 54 Аллювиальные отложения голоцена (пески, суглинки, до 20 м), аллювиальные отложения надпойменных террас верхнего и среднего звена неоплейстоцена (пески, суглинки, глины. Обычно до 25 м) 128 5,8 2-42 7,4 33 Делювиальные отложениями склонов и аллювиально-делювиальные выполнения древних балок (Суглинки. До 25 м) 80 13,4 6-21 5,8 6 Субаэральные образования городской серии (Суглинки с горизонтами погребенных почв, иногда песков и глин. До 8 м) 80 16,7 5-56 13,2 6 Дочетвертичные отложения 64 10,1 6-16 3,5 1 45 Медицинская экология Экология человека 2019.01 строениях Воронежской области, по результатам измерений Роспотребнадзора в 2009 г., составляет 25,857 48 Бк/м3. Средняя величина гамма-фона в области около 90 нЗв/ч (10 мкР/ч). Значение среднего геометрического концентрации радона в зданиях при таком гамма-фоне составляет около 40.5 Бк/м3. Значение среднего геометрического содержания радона в зданиях, рассчитанное как усредненный показатель по гамма-фону, данным ППР и ОА радона в жилых домах, составляет 31.5 Бк/м3. То есть параметр р распределения радона в зданиях области равен 3,434. В качестве параметра с логнормального распределения радона в зданиях используем значение, полученное по выборке 26 стран мира с = 0,820 231 769. Результаты расчетов приведены в табл. 4. В связи с тем, что значение среднего арифметического менее 40, корректировка распределения в области высоких концентраций не требуется. Таблица 4 Результаты прогнозных расчетов радоноопасности Воронежской области Доля жилых помещений Воронежской области, превышающих контролируемые уровни, % Уровень ОА радона, Бк/м3 с = 0,82 Min с = 0,47 Max с = 1,16 >400 0,08 0,00 1,27 200-400 0,95 0,00 3,81 Обсуждение результатов По результатам первого этапа обследования можно сделать вывод, что Воронежская область относится к радонобезопасным регионам. Расчетное число жилых помещений с превышением допустимого уровня ОА радона составляет около 0,1 %. На основе анализа геологической информации проведено «выделение» зон повышенного риска в местах влияния тектонических разломов. Наибольшая плотность зон влияния тектонических разломов наблюдается вдоль долин рек Дон и Хопер. Наиболее крупные участки повышенной плотности находятся в Лискинском, Острогожском, Новохоперском, Грибановском, Павловском и Хохоль-ском районах. В этих районах степень повышенной радоноопасности необходимо учитывать при планировании строительства объектов промышленного и гражданского назначения (рис. 5). Определена длина разломов, пересекающих населенные пункты. На основании этих значений рассчитано количество домов индивидуальной застройки, которые могут находиться в местах локализаций радоновых аномалий. Это позволяет выявлять строения с высоким содержанием радона. Наибольшая длина участков пересечения разломными зонами селитебных территорий наблюдается в Лискинском и Павловском районах. Проведен анализ заболеваемости раком легких (РЛ) и другими формами злокачественных новообразований (ЗНО) на территории Воронежской области [14]. По заболеваемости РЛ наиболее сложная ситуация сложилась на севере и северо-западе области. Заболеваемость ЗНО отражает общее экологическое состояние окружающей среды. Существенное повышение уровня заболеваемости какой-либо нозологической формой по сравнению Рис. 5. Отклонение от усредненного соотношения заболеваемости раком легкого и остальных форм онкологических заболеваний 46 Экология человека 2019.01 Медицинская экология с остальными формами ЗНО означает присутствие канцерогенного фактора или суммы факторов, специфически воздействующих на определенную систему человеческого организма. С этой точки зрения мы дифференцировали районы Воронежской области по степени отклонения заболеваемости РЛ от среднего уровня. Для этого проанализировали такие показатели, как заболеваемость РЛ, заболеваемость всеми остальными формами ЗНО, и отношение этих значений. Отношение заболеваемости РЛ к остальных форм онкологических заболеваний растет пропорционально РЛ. Для определения степени отклонения заболеваемости РЛ в районах области от общей тенденции рассчитали относительное отклонение реальных значений от линии регрессии. Было выявлено, что в ряде районов заболеваемость РЛ намного превосходит динамику других форм ЗНО (см. рис. 5). На общем фоне особенно выделяются показатели Поворинского и Новохоперского районов. Существенные отклонения от общего тренда говорят о том, что на общем фоне канцерогенных факторов в этих районах наблюдается негативное воздействие на органы дыхательной системы. В северо-восточных районах области отклонения можно объяснить влиянием Хоперского тектонического разлома. В южных районах негативное влияние может оказывать перенос загрязнителей с территории Донбасса. Таким образом, изучение радоноопасности Воронежской области выявило зоны геоэкологического риска для проживания населения по линии Хоперского тектонического разлома и по долине реки Дон. Неглубокое залегание докембрийского фундамента и выход его на поверхность также усиливает радоно-опасность территории. В пределах области у ст. Лиски имеется месторождение радоновых вод, на базе которого создан курорт по лечению различных видов заболеваний, где отмечена позитивная роль радона. Наряду с другими факторами радоноопасность территории отражается на здоровье населения, и особенно на онкологических заболеваниях органов дыхания. Благодаря своим химическим, физическим и радиоактивным свойствам радон является уникальным естественным трассером различных процессов, происходящих в природе. Во-первых, образование радона происходит с постоянной скоростью, зависящей только от содержания радия в материнской породе, и подчиняется закону радиоактивного распада. Во-вторых, являясь химически инертным элементом, радон не вступает в химические реакции в естественных условиях. То есть набор факторов, определяющих транспортировку радона, ограничен только физическими процессами. В-третьих, радиоактивные свойства и отсутствие химических связей существенно упрощают задачу по определению содержания радона в среде. В-четвертых, сравнительно короткое время жизни (период полураспада 3,8 дня) позволяет получить дополнительный источник данных для понимания динамики исследуемых процессов и получать скорости продвижения потоков вещества. На основе проведенных исследований получены следующие выводы: 1. Комплексный геоэкологический мониторинг радоноопасности территории следует рассматривать как основной методологический подход в изучении характера территориального распределения радона. 2. При комплексном мониторинге радона необходимо учитывать природный фон, конструкцию зданий и показатели онкологической заболеваемости населения как основные элементы, влияющие на условия жизнедеятельности населения. 3. Разработан механизм ГИС-контроля радо-ноопасности территорий, который в сочетании с картографическими моделями позволяет оперативно определить степень комфортности проживания населения. 4. Геотектоническая типология размещения селитебных территорий позволяет выделить три основных типа населенных пунктов с функциональной доминантой степени радоноопасности. 5. Для комплексной оценка территории на радо-ноопасность необходима организация регионального банка данных. 6. При изучении рисков возникновения онкологических заболеваний важно учитывать отклонения от усредненных соотношений нозологических форм для выявления факторов, влияющих на заболеваемость раком легкого. 7. В зонах повышенного риска радоноопасности необходима организация длительного мониторинга на селитебных территориях. Авторство Никифоров Д. В. осуществил получение, анализ и интерпретацию данных; Межова Л. А. существенно переработала статью на предмет важного интеллектуального содержания; Кульнев В. В. внес существенный вклад в концепцию и дизайн исследования и подготовил первый вариант статьи; Луговской А. М. окончательно утвердил присланную в редакцию рукопись; Никанов А. Н. внес существенный вклад в медицинскую часть концепции исследования; Кизеев А. Н. внес существенный вклад в анализ и интерпретацию данных; Репина Е. М. участвовала в анализе данных.

About the authors

D V Nikiforov

Voronezh State Pedagogical University

Voronezh

L A Mezhova

Voronezh State Pedagogical University

Voronezh

V V Kulnev

Voronezh State University

Voronezh

A M Lugovskoi

Moscow State Regional University

Mytischi

A N Nikanov

Kola Research Laboratory for Occupational Health

Email: krl_s-znc@mail.ru
Kirovsk

A N Kizeev

N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of Kola Science Centre RAS

Apatity, Russia

E M Repina

Voronezh State University

Voronezh

References

Supplementary files