Система внутренних моделей представляет собой последовательную цепь модельных блоков, предназначенных соответственно для расчета мощности выброса загрязнителей, характеристик их распространения в различных средах, уровня риска здоровью, показателей заболеваемости и смертности населения. Каждый блок снабжается моделью (информационным процессором), входными данными и возможностями адекватного представления результатов на выходе. Входными данными каждого модельного блока могут служить: либо измерительные и статистические данные (из баз данных и знаний, экспертных систем) либо результаты модельных расчетов, поступающие с выхода предыдущего блока, либо и те и другие одновременно, причем с весовыми вкладами, учитывающими уровень неопределенности в каждом из них.
Внутренняя модель организована иерархически и содержит несколько уровней пространственной, временной и демографической (социальной) организации, соответствующих, как минимум, региону (области), городу (району), когорте, индивиду. Параллельно предусмотрено несколько уровней иерархии параметров модели, отвечающих разной степени детальности модельного представления процессов (например, коэффициент, описывающий соотношение "доза-эффект", может детализироваться как модель реакции организма человека на воздействие загрязнителя). Если модель функционирует правильно, то чем выше уровень, тем более надежная информация в нем накапливается. В модели постоянно будет происходить фоновый процесс, отвечающий за согласование разных уровней представления информации.
Наиболее известный случай - когда источником выброса является производственный объект топливно-энергетической, металлургической, нефтехимической или химической отрасли, например, ТЭЦ, предприятие черной металлургии, нефтеперерабатывающий завод и т.п. При этом основу методики расчета мощности выброса составляют модели, допускающие, как минимум, три уровня: технологический процесс или рабочее место; отдельное предприятие или группа однотипных предприятий; группа разнотипных предприятий или отрасль. Наиболее апробированные модели используются для уровня рассмотрения отдельного предприятия.
Практически для всех предприятий указанных выше типов имеются стандартные методики расчета параметров выброса, а используемые при этом модели описываются простыми алгебраическими формулами. Они могут использоваться как для отдельного предприятия, так для группы однотипных предприятий, что необходимо при поддержке принятия управленческих решений в масштабе отрасли.
В частности, для расчета выбросов ТЭЦ в атмосферу входными параметрами, взятыми из экологического паспорта предприятия и хранящимися в соответствующей базе данных (БД), служат:
тип используемого топлива;
расход топлива;
тип котла;
температура сгорания;
тип используемых фильтров, а также, возможно, и другие, менее существенные технологические параметры.
Выходными данными модели являются:
объем выбросов в единицу времени т е. их мощность;
концентрация в выбросе основных загрязнителей, таких, как окись углерода, двуокись азота, двуокись серы, твердые частицы и др.;
температура выброса.
Все эти параметры должны входить в общий тип модельного объекта, используемого при расчете выброса. Тип должен содержать полный список возможных параметров. Конкретный экземпляр модельного объекта, предназначенный для использования в задаче, где фигурируют иные производства, должен содержать эти же параметры с точностью до переименования.
Кроме того, эти модели могут содержать разбиение по разным типам технологических процессов, если таковые используются на одном и том же производстве или могут использоваться на нем как альтернативы. Модели уровня технологического процесса должны подчиняться тем же требованиями, которые описаны выше.
На уровне групп предприятий или отрасли модели могут также использовать официально утвержденные удельные коэффициенты выброса на единицу продукции, установленные для наиболее важных типов предприятий по основным загрязнителям. В этом случае каждая модель имеет тип простейшей алгебраической формулы - отношения пропорциональности. Для типов производств, где нормативными документами предусмотрены дополнительные параметры, используемые при расчете удельного выброса, должна быть предоставлена возможность вводить эти параметры в модель. При этом модель может несколько усложняться, переходя в тип, рассмотренный выше для уровня отдельного предприятия.
Другая важная группа моделей расчета выброса в атмосферу касается автомобильного транспорта.
Входными параметрами служат:
тип используемого топлива;
тип двигателя;
характеристики движения (транспортный поток, скорость, время стоянки с включенным двигателем и т.д.).
Выходными параметрами являются:
объем выбросов в единицу времени;
концентрация в выбросе основных загрязнителей;
температура выброса.
Эти модели предназначены для применения только на локальном уровне, примерно соответствуя уровню автотранспортного предприятия.
Модели образования выброса должны быть способны использовать следующую качественную и количественную экспертную информацию:
соответствие отчетных и реальных выбросов
типичный временной график выброса;
список "чистых" технологий, которые реально могут использоваться для замещения "грязных" технологий и их параметры;
вероятная картина выброса от нестационарных источников (транспорт и т.д.);
паттерны загрязнителей, выбрасываемых совместно.
Указанные модели не должны содержать разбивки по пространству, являясь пространственно однородными, но могут иметь разбивку по времени, соответственно динамике выброса, по типам загрязнителей и др. переменным. При этом форма источника может быть любой - точечной, линейной, площадной и т.д. - поскольку это не нарушает требования однородности.
В текущей версии этот модельный блок пока отсутствует, поэтому на вход модели расчета распространения загрязнителей подаются данные о выбросах из экологических паспортов предприятий или статистические данные о выбросах, поступающие в региональные и федеральные органы Министерства природных ресурсов РФ, хранящиеся в базе данных.
Используемые в данной методике модели допускают как минимум три уровня агрегации:
отдельное облако выброса (клуб, puff);
стационарное распределение концентраций при заданных условиях переноса (погода, картина течений);
средняя картина концентраций за характерный период (сезон, год). Наиболее важным является уровень стационарного распределения.
Согласно проведенным EPA исследованиям, в этом случае модели распространения выброса в воздухе могут быть однотипными, независимо от вида источника - точечного (труба), линейного, площадного или объемного, - различаясь только значениями параметров. Модель должна создаваться, исходя из наиболее сложного для расчета случая точечного источника. За основу должна быть взята структура, характерная для американской модели ISC3ST и отечественной ОНД-86.
Входные данные, хранящиеся в базе данных:
характеристики источника выброса (объем в единицу времени, концентрация загрязнителей, скорость истечения, температура, высота трубы и т.п.);
метеорологические характеристики (скорость ветра, тип устойчивости атмосферы, температура и т.п.);
характеристики местности (город или село, рельеф, наличие и форма близлежащих зданий и т.п.).
Выходные данные:
концентрации загрязнителей в заданной точке с усреднением за заданный период времени;
максимальные концентрации при наихудшей комбинации погодных и др. условий.
Эти данные отображаются на карте в масштабе, соответствующем уровню решаемой задачи - городском или региональном.
Первая группа входных данных получается с предыдущего этапа расчета (расчета выброса). Остальные группы представляют собой параметры соответственно метеорологической и географической модели, поддерживаемой для конкретной территории или сформированной под конкретную задачу. Система предоставляет возможность формирования такой модели на этапе постановки задачи путем импорта аналогичной модели, построенной ранее для другой территории или задачи, а также путем сборки из разных моделей.
Кроме того, должен быть предложен способ построения на основе этих моделей упрощенной модели уровня средней картины концентраций, причем должен быть сокращен объем требуемых входных данных. Детальная информация о рельефе и близлежащих зданиях сведена к нескольким обобщенным характеристикам, атмосферные условия представлены только устойчивым распределением направлений и скоростей ветра и других обычно измеряемых параметров, характеристики источника сведены к объему выброса, концентрации в нем загрязнителя и, возможно, некоторым нормативным характеристикам (температура выброса и т.д.).
Аналогично должны быть подысканы модели распространения выброса в водной среде и почве, совместимые с вышеуказанной структурой по степени детализации параметров и входных данных, а также по пространственно - временному разбиению выходной информации.
Модели уровня стационарного распределения должны допускать разбиение по пространству и времени с переходом на уровень отдельного облака выброса. На этом уровне структура модели должна представлять собой результат численного интегрирования дифференциальных уравнений переноса (типа Фоккера - Планка или подобных). В частности, может использоваться структура, характерная для американской модели CALPUFF. При этом к входным данным, перечисленным выше, добавляются текущие характеристики погодных условий, детализированные во времени и пространстве (в т.ч. в вертикальном измерении).
При переходе от этого этапа обработки к следующему - расчету индивидуального риска для здоровья - должно быть установлено соответствие между выходными узлами предыдущего этапа и входными узлами последующего. В частности, выходные узлы этапа распространения выброса (концентрации загрязнителей, разбитые по точкам, где находятся измерительные станции) должны быть отображены во входные узлы этапа расчета риска здоровью (характерные точки, где происходят основные события экспозиции).
Модели распространения выброса должны быть способны использовать следующую качественную и количественную экспертную информацию:
типичные экстремальные ситуации распространения выброса (связанные с метеоусловиями и т.п.);
вероятные места и моменты времени, где достигаются высокие концентрации, но которые могут ускользнуть от мониторинга (связанные с расположением зданий и пр.);
возможные химические превращения в ходе распространения загрязнителей, в т.ч. взаимодействие разных загрязнителей;
вероятные переносы загрязнителей между различными средами;
репрезентативность несистематически измеряемых концентраций (в почве, продуктах питания и т.п.);
оценка роли вторичных явлений распространения выброса (оседание, вымывание и т.п.);
данные о концентрациях по лично проведенным исследованиям;
источники вероятных искажений в измерениях концентраций (методика измерений, расположение станций).
При переходе к следующему этапу обработки информации - расчету распространения выброса - должно быть установлено соответствие между выходными параметрами этапа расчета ожидаемого выброса и входными параметрами последующего этапа. При этом следует помнить, что каждый параметр может иметь разные значения в разных узлах, распределенных по пространству, времени и другим переменным. Например, выходные узлы - объемы и др. параметры выброса, разбитые по типам технологических процессов ,- должны быть отображены во входные узлы этапа распространения выброса, разбитые согласно положениям источников-труб или группам таких источников.
В текущей версии системы для расчета концентраций загрязнителей используется "внешняя" модель - американская программа ISC3ST. В перспективе на базе отечественной методики ОНД-86 планируется создание специальной "внутренней" модели расчета. Помимо моделирования процессов распространения загрязнителей она позволит также уточнять значения предельно допустимых выбросов предприятий, расположенных в конкретной местности, определять необходимую величину высоты труб-источников выбросов. Результаты расчетов концентраций и/или соответствующие данные экологического мониторинга, хранящимися в базах данных, будут подаваться затем на вход модельного блока расчета риска здоровью.
Используемые для этих целей модели включают как минимум три уровня: индивид; группа (отобранная по условиям экспозиции, по социальной структуре или по половозрастным признакам); популяция населенного пункта или региона. Наиболее важными в данном случае представляются индивидуальный и популяционный уровни.
Расчет индивидуального риска здоровью.
В силу своей специфики данная методика ориентирована прежде всего на решение задач локального (городского, районного) масштаба, т.е. на индивидуальный и групповой уровень.
Индивид, фигурирующий в этой модели, может рассматриваться сам по себе (например, с целью сопоставления с данными регистров здоровья, в ходе эколого-эпидемиологических исследований на индивидуальном уровне и т.д.), либо же как представитель группы (с целью экстраполяции результатов на групповой или популяционный уровень).
Расчет риска включает моделирование условий экспозиции к загрязнителям, что, в свою очередь (предполагая известными из предыдущих этапов расчета средние концентрации загрязнителей в первичных носителях на местности), требует :
моделирования процессов переноса загрязнителей из первичных в контактные носители;
моделирования событий контактов индивидуумов с контактными носителями;
моделирования процессов контакта носителей с границами человеческого организма и всасывания (абсорбции) загрязнителей из контактных носителей в организм.
Расчет риска предусматривает также моделирование процесса воздействия дозы загрязнителя на человеческий организм, что, в свою очередь, требует:
моделирования процесса накопления дозы, включая динамику поступления и вывода токсиканта из организма;
моделирования вида устойчивой кривой "доза-риск", с учетом разных возможных типов риска;
моделирования процесса формирования итоговой величины риска, адаптированной к постановке задачи пользователем (характерному временному интервалу, острым или хроническим формам и др.).
Полная модель, включающая в себя все вышеуказанные части, должна содержать в качестве ядра подмодель, реализующую стандартную методику EPA по расчету риска.
В ней используются как минимум следующие типы данных.
Данные о концентрации загрязнения, которые разбиваются по следующим признакам:
по событиям экспозиции, которые сопоставляются с территориями и временными интервалами при импорте концентраций с этапа расчета концентраций;
по экспонированным когортам;
типам загрязняющих веществ;
по средам - первичным носителям, включающим, как минимум, воздух, воду и почву.
Данные о коэффициентах переносах (трансфера) из первичных носителей в контактные с разбивкой по следующим признакам:
по событиям экспозиции;
по типам загрязняющих веществ;
Данные о сценариях экспозиции и событиях, из которых они состоят, для каждой когорты:
средние продолжительности воздействия;
частоту воздействия: количество дней в течение года и количество лет;
параметры потребления контактных носителей (средние и предельные): объем вдыхаемого воздуха, потребление питьевой воды и т.п.;
средняя масса тела.
Данные о токсичности загрязнителей в виде:
характеристик удельного риска для каждого загрязнителя в виде фактора наклона кривой "доза-эффект" или референтной концентрации;
После завершения расчета риска по стандартной методике получаются следующие выходные данные в разбивке по группам населения, первичным средам, загрязнителям, нашедшие свое отображение на карте соответствующего масштаба:
оценки пожизненного риска избыточных раковых заболеваний;
характеристика пожизненного риска хронических нераковых заболеваний через отношение индивидуального воздействия;
ранжировка риска по группам населения, первичным средам, загрязнителям.
При необходимости расчета риска в рамках одной задачи для разных территорий, не пересекающихся по точкам экспозиции одних и тех же групп, или по разным интервалам времени, не пересекающимся по периодам экспозиции и формирования риска, задача сводится к многократному расчету риска по стандартной методике для различных исходных условий.
Полная модель расчета индивидуального риска должна включать как минимум следующие расширения стандартной методики:
учет коэффициента чувствительности к конкретному токсиканту, характерного для рассматриваемого индивида или группы (в т.ч. в виде распределения вероятности, представляющего одну из компонент описания неопределенности);
возможность решения обратной задачи оценки нормативных концентраций загрязняющих веществ в первичных средах, исходя из заданного допустимого уровня риска и предполагая одновременное пропорциональное изменение концентраций во всех точках экспозиции;
учет токсичности, заданной в виде предельно допустимой концентрации для комбинации "загрязнитель - среда";
учет имеющихся в базе знаний качественных правил вида "если - то", определяющих тип риска по нозологическим группам и острым или хроническим формам.
возможность задания в модели функции взаимодействия рисков, связанных с разными загрязнителями или нозологиями: суммирование, доминирование "по максимуму" риска, потенцирование или подавление и т.д.
расчет спектра рисков одного типа, связанных с различными характерными интервалами времени формирования/проявления (в частности, острых и хронических).
Описанная выше методика может считаться достаточно корректной в отношении расчета риска приобрести раковое заболевание в случае малых средних ежедневных пожизненных дозах. В то же время результаты расчета риска нераковых заболеваний, основанного на анализе доз, превышающих референтные значения (RfD) или экспозиции при воздействии среднесуточных концентраций (ПДКсс), не являются (в отличие от случая раковых заболеваний) достаточно определенными и практически пригодными. Это связано с тем, что при воздействии более высоких чем ПДК концентраций линейная зависимость "доза-эффект" не отражает динамики нарастания риска по мере роста уровней экспозиции. Последнее связано с тем, что реакция организма человека на воздействие больших уровней концентраций особенно сильно токсичных веществ носит явно нелинейный (катастрофический) характер. Таким образом, референтные концентрации загрязнителей (ПДК) не применимы для химических соединений с остронаправленным механизмом действия, эффект действия которого определяется в первую очередь максимальным значением экспозиции, а не ее средней величиной. Следовательно, из факта превышения ПДК можно лишь сделать вывод о возможности (вероятности) риска неблагоприятных эффектов без его детализации.
Расчет популяционных показателей риска для здоровья.
Для решения этой задачи был выбран способ агрегирования результатов расчета индивидуального риска для перехода на уровень популяционного риска (примерно соответствующего региональному уровню). Он использует представление популяции как совокупности групп с одинаковыми условиями экспозиции к загрязнителям. Он включает в качестве частного случая усреднение индивидуальных рисков по группам с весами, соответствующими численности этих групп.
Кроме того, предложен способ построения на основе моделей индивидуального риска упрощенной модели популяционного уровня, при этом должен быть сокращен объем требуемых входных данных. Детальная информация о сценариях экспозиции для каждой группы населения сводится к нескольким обобщенным характеристикам, типичным для условий соответствующей территории. Допускается использование в качестве умолчания стандартного сценария экспозиции, используемого в методике EPA. Детальная информация о концентрациях по каждому загрязнителю и среде должна быть сведена к нескольким обобщенным характеристикам, описывающим структуру загрязнений, типичную для соответствующей территории.
Модели расчета риска используют следующую качественную и количественную экспертную информацию:
основные группы риска по каждому типу опасности для данной территории;
основные события (сценарии) экспозиции к загрязнителям и группы со схожими сценариями экспозиции;
соотношение рисков, связанных с производством и со средой обитания;
социальные и другие факторы, влияющие на риск, для данной группы населения;
вероятные нозологии, связанные с окружающей средой, для данной группы (если возможно, с разбивкой по загрязнителям);
оценка разброса индивидуальной чувствительности к загрязнителям внутри данной группы населения;
оценка потребления различных сред - носителей загрязнения разными группами населения;
рекомендации по применению тех или иных коэффициентов токсичности при токсикологическом подходе к оценке риска.
схема отклика организма на загрязнение среды, учитывающая обратимые (физиологические) реакции и острые эффекты.
При переходе от этого этапа обработки к следующему - расчету характеристик заболеваемости (обращаемости) - должно быть установлено соответствие между выходными узлами предыдущего этапа и входными узлами последующего. В частности, выходные узлы этапа расчета риска (пожизненные или аналогичные им риски, разбитые по экспозиционным группам населения) должны быть отображены во входные узлы этапа расчета риска здоровью (половозрастные группы в разбивке по территориям).
Расчет условного (относительного) риска.
Принимая во внимание сложность и многоаспектность понятий "опасность" и "риск", необходимо прежде всего дать их определения применительно к проблеме построения интегрированных критериев качества окружающей среды. Здесь под условной опасностью правомерно понимать степень возрастания вероятности (риска) развития неблагоприятных эффектов и их выраженности (т.е. медико-биологической и социальной значимости, тяжести) в случае определенного превышения ПДК в течение заданного промежутка времени.
Условной эта опасность названа потому, что ее оценка ограничена имеющимися в настоящее время данными о вредных эффектах, вызванных исследованными концентрациями химических веществ. В отличие от показателей потенциальной опасности, рассматриваемое понятие отражает прогнозируемый риск и тяжесть воздействия концентраций, в определенное число раз превышающих ПДК. Ниже под термином "условный риск" понимается некая функция, интегрально отражающая вероятность и тяжесть возможных биологических ответов на воздействие загрязнителя атмосферного воздуха. Расчетная формула записывается так:
величина условного риска равна произведению показателя угла наклона зависимости "концентрация-условный риск", интегрально характеризующего опасность превышения ПДК, на логарифм отношения фактической концентрации загрязнителя к ПДК либо на логарифм самой концентрации.
Более подробное изложение приведено в методике расчета условного риска. Входными данными для расчета служат значения концентраций загрязнителей (поступающие с предыдущего модельного блока либо из БД) и ПДК (из БД). На выходе - значения условного риска для здоровья.
Последний представляет собой интегральную характеристику воздействия конкретного загрязнителя на здоровье населения, позволяющую непосредственно связать между собой значения концентраций химического вещества с эпидемиологическими параметрами заболеваемости населения т.е. с конечным эффектом. Данная характеристика служит одновременно и дополнением и обобщением риска, описанного в выше. В частности, она позволяет учитывать нелинейные эффекты острого воздействия больших концентраций загрязнителя. При этом, хотя время экспозиции и не входит явно в расчет условного риска, его влияние учитывается в значении наклона зависимости "концентрация-риск", либо может быть найти свое отражение путем замены величин среднесуточных ПДК на их среднегодовые аналоги. Кроме того, за счет нелинейных эффектов логарифмической зависимости при больших и малых значениях аргумента (значения концентрации или отношений концентрации к ПДК) влияние величины времени экспозиции становится пренебрежимо малым.
Платой же за универсальность условного риска служит относительность данной характеристики, в отличие от абсолютного риска (см. расчет индивидуального и группового риска), Возможно, что последняя, в некоторых случаях, может послужить, своего рода репером, для первой.
Поэтому получаемые с помощью этой методики результаты носят ориентировочный характер, т.е. отражают тенденцию к увеличению частоты ряда заболеваний (в частности, органов дыхания) при повышении концентраций загрязнителей уровней ПДК.
Актуальность проблемы связи получаемых оценок риска с заболеваемостью и смертностью населения определяется следующими причинами:
отсутствием корректных методик пересчета значений индивидуального и группового риска в значения риска популяционного;
значения риска (даже популяционного и условного) не связаны жесткой детерминированной зависимостью с реальной заболеваемостью и смертностью населения, что существенно затрудняет реализацию процедур поддержки принятия решений в области экологической эпидемиологии.
Несмотря на то, что рассматриваемая проблема не нашла еще своего законченного решения, полученные уже сегодня результаты безусловно заслуживают внимания, по крайней мере, в плане постановки.
