автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Теоретические основы построения и программная реализация системы медико-экологической экспертизы для оценки риска здоровью от загрязнения окружающей среды

Р V Б од

1и профессионального образования

Российской федерации Государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

УДК 551.511 + 616.1/3-02:613.863-07

САВВАТЕЕВА Лариса Александровна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

СИСТЕМЫ МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ РИСКА ЗДОРОВЬЮ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Специальность 05.13.18 - Теоретические основы математического моделирования, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998 г.

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом институте

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор А.С.Гаврилов Научный консультант - кандидат медицинских наук, доц. АВ.Ккселез

Официальные оппоненты:

Защита состоится" 18" февраля 1998 г. в 15 час, ауд.505а

на заседании диссертационного совета К.063.31.06

при Государственном Архитектурно-строительном университете

Адрес университета: 198005,2-я Красноармейская, д.4 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан "¡¿' января 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Петухова Надежда Николаевна

доктор технических наук, профессор В.В. Иваницкий кандидат физико-математических наук О ААнисимов

Ведущая организация:

Центр международного сотрудничества по проблемам окружающей среды РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В условиях научно-технической революции, при постоянном расширении направлений и способов воздействия окружающей среды на человека, особое значение придается |роблеме оценки влияния антропогенных загрязнений на здоровье.

Современные методы исследования связываются здесь во многом с разработкой щекватных критериев оценки качества среды, таких, например, как вероятность заболевания риск здоровью) за счет тех или иных факторов воздействия.

Общее число факторов, влияющих на здоровье настолько велико, что для реализа-(ии на практике методологии оценки риска требуется разработка специальной медико-дологической информационной системы, ка основе которой можно было бы не только орга-1изовать сбор, систематизацию, хранение и обработку разнородных исходных данных, но •акже и оценку, обоснование, отображение и распространение данных, и которая могла бы !ыть использована как средство получения новой информации и знаний о риске здоровью гаселения.

Целью работы является создание информационной системы медико-экологической жспертизы для оценки риска здоровью населения за счет таких факторов внешней среды, ак загрязнение атмосферы, питьевой воды и воздействие шума, применительно к задачам, >ешаемым в практике Государственного санитарно-эпидемиологического надзора.

Выбор факторов обусловлен тем, что, с одной стороны, их влияние на организм че-ювеха в настоящее время достаточно надежно формализовано, а с другой — именно они 10минируют в городской среде обитания. Под их непосредственным влиянием находятся в йстоящее время практически все жители крупных и средних городов России.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач: разработка методики информационного обеспечения оценки риска здоровью населения с четом комбинированного воздействия загрязнения различных сред и на основании разно-юдной исходной информации;

оценка чувствительности расчетных значений риска здоровью к погрешностям исходных (энных и обоснование выбора математических моделей для расчета полей загрязнения ггмосферы;

разработка технологии и программных средств для синтеза расчетных полей загрязнения ггмосферы для тех или иных ингредиентов с данными наблюдений за загрязнением литье-юй воды и уровнем шума, с получением, в итоге, полей комбинированного риска здоровью;

разработка технологии и программных средств для анализа полученных полей риска здо-ювью с целью выявления основных факторов, определяющих угрозу здоровью населения в ех или иных локальных пространственных областях;

создание программного продукта, включающего базу данных по токсикологии химических (еществ, методы расчета вероятности проявления токсических эффектов в зависимости от адаваемой экспозиции, определение наиболее вероятных симптомов токсического дейст-

1ИЯ.

Научная новизна у! достозерность работы

Впервые создана и апробирована на практике информационная система медик экологической экспертизы, в рамках , которой реализованы новые методические подходы оценке комбинированного воздействия загрязняющих веществ и расчету вероятности пр< явления токсических эффектов. , > - > ,

Выполнены расчеты по оценке риска здоровью населения от загрязнения атмосфе| ного воздуха для Калининского района Санкт-Петербурга, которые нашли подтверждена данными медицинской статистики по указанному району,-Разработанная система применен для оценки риска от загрязнения в зоне экологической катастрофы (пожара лруда-накопитег нефтепродуктов в Волгограде). Полученные результаты подтверждают эффективность ра работанной информационной системы и доказывают возможность ее использования и дг других промышленных регионов.

Предлагаемый подход к оценке риска одобрен экспертным советом северо-западно! Регионального токсиколого-гигиенического информационного центра и включен в качестЕ одного из разделов методических рекомендаций по комплексной гигиенической оценке сп пени напряженности медико-экологической ситуации различных территорий, обусловлена загрязнением токсикантами среды обитания населения, утвержденных для практическое применения Департаментом ГСЭН Минздрава России (№2510/5746-97-32 от 30.07 97г).-

ПрЗКТИЧескэя ценность работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для:

• комплексной санитарно-экологической экспертизы проектных решений в области размещу ния и строительства новых и реконструкции существующих объектов;

• определения приоритетных объектов надзора и обоснования схемы мониторинга окружаь щей среды;

• обоснования экологического, медицинского и социального страхования населения, опред ления экономического ущерба здоровью населения от неблагоприятных факторов округа» щей среды; .. ,., . .„

• оценки санитарно-гигиенического благополучия территории;

• разработки и обоснования комплексных и целевых оздоровительных программ.

• концепция построения информационной системы медико-экологической экспертизы учетом комбинированного воздействия загрязнения различных сред и на основании разн родной исходной информации;

• результаты проведенных исследований по оценке чувствительности расчетного рис здоровью населения в зависимости от воздействия различных факторов среды;

• технология и программное обеспечение для проведения медико-экологической эксперт«; по оценке воздействия загрязнения атмосферного воздуха городов на здоровье населения.

Апробация и публикации работы

Результаты диссертации представлены в 4 публикациях. Перечень публикаций приведен в конце автореферата. Основные результаты докладывались на научных семинарах кафедры МКОА РГГМИ, Сессиях ученого совета РГГМИ, Семинаре врачей-гигиенистов Ленинградской области (Луга, 1994г.), на научно-практических конференциях "Новые методы оценки загрязнения атмосферы городов, промышленных зон и его влияния на здоровье населения" (Санкт-Петербург, 1895) и "Экология большого города" (Санкт-Петербург, 1595), "Включение оценки риска здоровью от загрязнения среды в практику санэпиднадзора" (Санкт-Петербург, 1997).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, что составляет 170 страниц основного текста, в числе которых 45 рисунков, 20 таблиц и списка литературы (200 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, дан обзор методов исследования. Рассмотрены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание и приведены результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер, в ней рассматриваются основные аспекты решения проблемы комплексной оценки медико-экологических последствий загрязнения окружающей среды. Здесь можно выделить три основных этапа.

Первый этап связан, в основном, с накоплением информации о взаимосвязи здоровья человека с загрязнением окружающей среды и с изучением условий распространения загрязнения в атмосфере, воде и почве.

Второй этап характеризуется научным обобщением накопленной информации, а также разработкой и законодательным утверждением регламентов предельного содержания загрязняющих веществ в окружающей среде и выработкой нормативных методик расчета допустимых уровней загрязнения.

Несмотря на достижения второго этапа, существующая практика оценки опасности загрязнения; основанная на сравнении количественных показателей содержания примесей (концентраций) с нормативными регламентами предельного их содержания, не отражает всего многообразия и сложности взаимосвязи здоровья с факторами загрязнения окружающей среды.

На новом этапе возникает необходимость привлечения большого количества данных об антропогенно-ландшафтной нагрузке исследуемой территории. В этой связи подробно рассмотрены основные источники загрязнения окружающей среды и методы оценки влияния этого загрязнения на здоровье человека. Дается описание показателей загрязнения окру-

жающей среды: их классификация по происхождению, физико-химическим и токсическим свойствам. Приводятся основные характеристики источников антропогенных загрязнений.

Показано, что наиболее перспективным направлением в медико-экологических исследованиях является использование тех разделов токсикологии, где обосновывается введение наряду с допустимыми регламентами содержания токсических веществ, также и понятия риска здоровью, определяющего вероятность воздействия вещества на организм в форме того или иного заболевания.'

Следует отметить, что широкое толкование понятия "риск здоровью" предусматривает одновременное рассмотрение обширного комплекса факторов существования человека (образ жизни, условия работы, питание, загрязнение воздуха, воды, почвы и т.д.), только часть из которых может быть отнесено непосредственно к негативному воздействию среды обитания (по оценкам специалистов от 25 до 50% всех регистрируемых заболеваний можно отнести к влиянию экологических факторов). При этом, на современном уровне знания, только некоторые из этих факторов поддаются формализации, т.е. выявлению устойчивых причинно-следственных связей между интенсивностью и результатом воздействия в форме математических соотношений. Существенный прогресс здесь наметился только для таких факторов воздействия, как загрязнение воздуха, питьевой воды, почвы и воздействие шума, а также радиоактивное загрязнение и некоторые другие.

По этим причинам для оценки риска здоровью при медико-экологических исследованиях необходимо привлечение дополнительной информации — неформализованных знаний — субъективных мнений и суждений, получаемых медиками на практике. Как известно, такая информация изначально является несистематизированной, разнородной и характеризуется нечеткими логическими связями.

Взаимосвязи между экологическими и медицинскими данными достаточно сложны и далеко до конца не изучены, поэтому работу с неформализованными данными следует организовать, привлекая концепцию экспертных систем, которые предназначены для решения таких практических задач, в которых бывает затруднительно, а то и просто невозможно использовать формализованные методы. Ценность таких данных нельзя недооценивать, причем их использование (при постоянном пополнении базы знаний), несомненно, должно повышать качество и достоверность проводимой экспертизы.

Связь показателей загрязнения между собой, а также с показателями здоровья населения не может быть однозначно определена на основе знаний, сформулированных в книгах и руководствах в виде общих строгих суждений, законов, моделей, методик, формул и алгоритмов. Очевидно, что те- или иные закономерности носят вероятностный характер, оценку которых должен давать специалист-эксперт. Предлагаемый нами подход к разработке системы, которая .выступает в качестве инструмента, исследования для проведения медико-экологической экспертизы с целью оценки риска здоровью, позволит предоставить этому специалисту наиболее полный материал и выделить ключевые моменты. Такая задача может быть решена с привлечением новой информационной технологии — проблемно-

риентированных геоинформационных систем (ГИС), с включением в их состав экспертных истем, что и является началом третьего этапа решения проблемы оценки влияния загряз-ения окружающей среды на здоровье населения.

Принимаемая методика расчета риска довольно легко может быть адаптирована на течественные нормативы, предназначенные не только для атмосферного воздуха, но и для ругих факторов окружающей среды.

В целом, для расчета суммарного риска используется следующая схема: определяется потенциальный риск здоровью (немедленного, хронического и специфического действия) для каждой отдельной примеси в каждом из анализируемых компонентов окружающей среды (воздух, вода и другие);

для веществ, обладающих однонаправленным или комбинированным действием, проводится определение суммарного риска;

для каждого типа риска (немедленного, хронического и специфического) определяется максимальный риск, создаваемый отдельной примесью или группой, что и рассматривается как итог данного расчета.

Вторая глава посвящена методологии и компьютерному обеспечению расчетов за-эязнения атмосферы. Основой теоретических методов расчета загрязнения атмосферы, вляются, как известно, уравнения гидротермодинамики атмосферы, с использованием ко-эрых возможно построение математических моделей с адекватным описанием разнообраз-ых условий переноса и рассеяния примеси над подстилающей поверхностью сложной груктуры, характерной для условий города (Д.Л. Яайхтман,1970, М.Е. Берлянд, 1975; .И.Марчук, 1982; В.В. Пененко, А.Е.Алоян, 1985, А.С.Монин, А.М.Яглом, 1992; Б.Г.Вагер, :.Д. Надежина, 1979; А.С.Дубов, Л.П.Быкова, С.В.Марунцч, 1978). С целью сопоставления ребований к объему и качеству исходных данных применительно к задачам расчета загряз-ения, проводится сравнительный анализ используемых на практике теоретических моде-:ей.

Так, в качестве основных инженерных методов расчета полей концентрации в на-тоящее время используются так называемые «факельные» модели, основанные на анапи-ических решениях упрощенного полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии с ведением некоторых дополнительных эмпирических соотношений (G.A.Briggs, 1975; F Pas-uill, 1961; D.B.Turner, 1970).

К ним относится так называемая «гауссова модель» факела примеси от стационар-ых источников, основанная на эмпирических зависимостях для дисперсий поперечного и ертикального рассеяния струи примеси ("сигма-кривые" Паскуилла-Гиффорда). Подобная методика рекомендована Агентством по охране окружающей среде США (Enviromental 'rotection Agensy US) для проведения расчетов, носящих нормативный характер. В нашей тране используется сходная по характеру упрощений методика, базирующаяся на с задами вертикальных профилей средней скорости ветра и коэффициентов турбулентности в аде степенных зависимостей с соответствующим подбором параметров этих формул из

эксперимента (методика "ОНД-86" , разработка авторского коллектива под руководством профессора М.Е. Берлянда, 1986 ).

Методика "ОНД-86" является нормативным документом и предназначена для расчет! рассеяния примеси от выбросов промышленных предприятий. Эта методика, вообще говоря фактически неприменима для расчета поля загрязнения при конкретных метеорологически; условиях, а может использоваться лишь для оценки максимально возможной приземно« концентрации примеси при наихудших условиях рассеяния. В этом качестве она применяет ся для определения предельно допустимых выбросов (ГЩВ) предприятий на стадии их про вотирования или реконструкции..

Мехзду тем, эксперименты по изучению рассеяния примеси в атмосфере при таки опасных ситуациях, как конвекция и инверсия при слабом ветре, указывают на важные осо бенности процессов рассеяния при этих условиях (например, эффект опускания факела np¡ конвекции и или его поперечное растяжение за счет сдвига ветра при инверсии), которые и воспроизводятся ни с помощью методики "EPÄ-US", ни с помощью "ОНД-86". А это факти чески означает, что и рассчитываемые при их помощи максимальные приземные концентра ции как раз при наиболее опасных метеоусловиях не вполне адекватны реальности.

Процесс совершенствования методов расчета полей концентрации связан с приме нением численных методов интегрирования уравнений гидротермодинамики атмосферы. ( этой цепью были проанализированы существующие мезомасштабные модели пограничног слоя атмосферы, учитывающие влияние несднородносгей подстилающей поверхности.

Методы расчета турбулентного режима пограничного слоя атмосферы в этих модепя могут быть условно разделены на элементарные, двухпараметрические и методы, основа» ные на уравнениях для моментов второго порядка Как элементарные, так и двухпараметри ческие методы базируются на использовании так называемой градиентной гипотезы — прея положении о линейной связи напряжений и потоков с соответствующими градиентами ос родненных величин, где в качестве коэффициента пропорциональности выступает имеющи тензорную природу коэффициент турбулентного обмена (так называемая К-теория).

В ряде работ было показано, что в цепях наиболее адекватного описания всех осс бенностей турбулентного распространения примеси в атмосфере, следует применять мете ды, основанные на использовании уравнений для моментов второго порядка, а для расчет переноса и рассеяния примеси - методы стохастического моделирования турбулентно диффузии (J.L Lumley, 1880; W. Redt, 1980; R.G. Lamb, 1982; A.C. Таврился 1988,1992).

С сметание гидродинамической модели пограничного слоя и метода стохастическог моделирования (метода Монте-Карло) для расчета "траекторий движения частиц примесе (ГДМ+МК), наилучшим образом подходит для расчета рассеяния примеси от разнообразны по типу источников в разных условиях при штилях и слабом ветре; при наличии осадков; учетом бризовых эффектов (влияние водоемов); в условиях пересеченной местности; >в прс странственных областях со сложными границами, к которым относится городская или про-

л ы тленна я застройка; при аварийных выбросах, а также загрязнения, вызванного термиче-жи неоднородным площадным источником (пожаром).

Применение на практике численных моделей с такими широкими возможностями со-1ряжено, однако, со значительными проблемами, как информационного, так и технологиче-:кого характера. К числу последних следует, в частности, отнести наличие в распоряжении тользователей высокопроизводительной вычислительной техники, что стало реальным тишь в последние годы в связи с массовым внедрением персональных компьютеров, осна-ценных процессорами Pentium с тактовой частотой свыше 100 мгц.

Между тем, и в этом случае, имеется два принципиально разных пути построения информационной системы: необходимо либо заранее рассчитать все возможные варианты, а затем организовать каким-либо образом их хранение по типу так называемых "электронных атласов", либо использовать в каждом случае некоторую адаптированную к возможностям имеющейся у пользователя ПЭВМ численную модель, позволяющую достаточно точно воспроизводить поле концентрации для того или иного набора исходных параметров.

Автором прозеден анализ всего перечня параметров, влияющих на приземную концентрации примеси при ее распространении от источников различных типов. Общее число этих параметров оказывается настолько велико, что количество возможных в этих условиях конфигураций искомого поля концентрации исчисляется миллионами, что заведомо исключает вариант построения информационной системы по типу «электронного атласа».

Было показано, что привлечение моделей, в которых адекватно описываются процессы переноса и рассеяния примесей, наиболее подходит для получения полей концентрации с целью их дальнейшего использования в системе оценки риска здоровью от загрязнения. При этом учет всех доступных данных о загрязнении среды наилучшим образом удовлетворяет требованию полноты системы по компонентам загрязнения среды, а учет всего многообразия возможных условий рассеяния примесей — по дискретности по времени и пространству. Понятно, что для применения описанных методов расчета необходима поддержка большого количества исходных данных, характеризующих параметры и свойства антропогенного ландшафта. Это может быть обеспечено только с использованием современных ГИС -технологий.

С целью оценки чувствительности расчетных значений приземной концентрации загрязняющих веществ, и, соответственно, расчетного риска здоровью, к погрешностям входной информации, в работе были определены предельные погрешности исходных данных по учету мощности источников выброса, заданию рельефа и метеорологических характеристик.

На основе полученных оценок было выявлено, что при проведении расчетов поля приземной концентрации для реальных метеорологических условий с использованием численных моделей, суммарная погрешность не превысит 40-50%. Поскольку, с другой стороны, вариации максимума приземной концентрации за счет суточного хода или влияния застройки составляют 1-2 порядка, а при наличии рельефа эта величина составляет до 400% ,

то оказывается, что реально описываемая в моделях пространственно-временная иэменчи востъ поля концентрации значительно превышает погрешность ее расчета. Именно этот вывод и дает основания к использованию численных моделей класса «ГДМ+МК» для оценю загрязнения приземного слоя атмосферы в реальных метеорологических ситуациях, с уче том, разумеется, доверительных интервалов ошибок задания исходных данных.

В нашем случае важной стороной является не только оценка погрешности уровня за грязнения, но и оценка погрешности риска здоровью, обусловленного этим загрязнением. £ качестве примера на рис.1 показана зависимость погрешностей рисков хронического токси ческого действия от класса опасности при 30%-ном изменении уровня загрязнения.

В целом, для оценки риска токсических эффектов, развивающихся при длительной воздействии загрязнения атмосферы, необходимо знать времеч:,>ю динамику этого загряз нения. В реальных условиях поля приземной концентрации характеризуются пространствен но-временной изменчивостью. Пространственная изменчивость связана с наличием репье фа, застройки, а также динамических и температурных неоднородностей подстилающей по верхности. Временная изменчивость обуславливается изменчивостью климатических и ме теоропогических характеристик исследуемых территорий.

Погрешность в определении риска хронических токсических эффектов при 30%-ном изменении уровня загрязнения.

Рис. 1.

Для описания всего многообразия полей загрязнения, получаемых с учетом множест ва параметров исходных данных, и дальнейшего расчета по ним полей риска здоровьк предложен метод оценки полей загрязнения на основе построения адекватной этому многс образию статистической функции распределения концентрации. Было подтверждено, чт изменчивость поля концентрации примеси, обусловленная погодно-кпиматаческими услс виями территории, хорошо описывается двухпараметрической функцией логнормального

распределения, где параметры характеризуют среднее значение концентрации примеси (фон) и ее дисперсию.

Результаты статистической обработки фактических данных наблюдений для Санкт-Петербурга и Саратова подтверждают полученный теоретический результат. При этом отклонение эмпирической функции распределения от логнормального может указывать на то, что реальную изменчивость концентрации нельзя объяснить только погодно-климатической изменчивостью. Причины следует искать э других процессах, например, в непостоянстве источников загрязнения (неритмичные выбросы).

В качестве примера на рис. 2 приведено сопоставление расчетной и эмпирической функций распределения примеси "Азота диоксид" в точке наблюдения, расположенной вблизи автомагистрали (Санкт-Петербург, ул.Бакунина). Шкала рисунка здесь выбрана так, чтобы линейная зависимость соответствовала логнормальному закону. Пересечение прямой с осью ординат дает значение концентрации, наблюдающейся в 50% случаев (медиана), а наклон прямой характеризует изменчивость (дисперсию) концентрации — чем круче наклон, тем больше изменчивость.

Сопоставление расчетной и эмпирической функций распределения примеси "Азота диоксид" вблизи автомагистрали (Санкт-Петербург).

Рис. 2.

С учетом имеющихся неопределенностей в удаленности точек наблюдений от автотрассы, из этого рисунка можно сделать вывод, что функция распределения, полученная по расчетным данным, в цепом, достаточно хорошо согласуется с функцией распределения, построенной по данным наблюдений.

В заключительных разделах второй главы обсуждаются проблемы современного компьютерного обеспечения медико-экологических исследований. Рассмотрены основные принципы организации информационных систем, концепции построения и типы баз данных, дан обзор программных продуктов, используемых на Российском и зарубежном рынке. Проанализированы современные направления развития технических и программных средств и возможности их применения в целях разработки комплексов программ, направленных на прозедение медико-экологических экспертиз.

Выдвигаются основные требования к структуре и информационному насыщению компьютерных систем, обеспечивающих проведение медико-экологической экспертизы для оценки риска здоровью от факторов окружающей среды. Такие системы должны, в первую очередь, удовлетворять требованиям полноты охвата информации, для чего в них должны быть предусмотрены:

• поддержка баз данных, аккумулирующих медицинскую и экологическую информацию, и включающие сведения об их территориальной и временной привязке, источнике поступления и достоверности;

• наличие данных об антропогенно-природном ландшафте местности;

• механизм экспертной оценки как самих данных, так и получаемых на их основе выводов о риске здоровью от загрязнения окружающей среды;

• аппарат анализа исходной информации и, в зависимости, от ее полноты, возможность выбора схемы (или схем) исследования.

Для того, чтобы система могла максимально охватить весь спектр реально наблюдаемых условий загрязнения, в нее должны быть включены блоки моделирования и расчета фактического антропогенного загрязнения окружающей среды. В настоящее время пока это достижимо только для атмосферы, однако, система должна быть ориентирована на подключение блоков моделирования и по другим средам. Полученные путем объединения (синтеза) интегральные оценки о степени экологической напряженности и риска здоровью должны быть отображены и представлены специалисту-эксперту, для выявления наиболее неблагополучных территорий, с тем, чтобы для них проводить анализ и детальное исследование факторов, обуславливающих риск здоровью. Для этого система должна обеспечивать поддержку средств визуализации и сопоставления полученных результатов, а также «блокоЕ объяснений», по которым получаются выдаваемые системой заключения.

В третьей главе диссертации рассмотрены основные задачи и этапы разработки информационной системы медико-экологической экспертизы с включением элементов экспертных систем.

При проведении анализа существующей литературы (Н.А.Агаджанян, 1996 И.И.Барышников, Ю.И.Мусийчук, 1992; Е.Н.Беляев, 1996; Е.И.Гончарук, Ю.В.Вороненко 1989; А.В.Киселев, 1996; А.А.Келлер, 1988; М.А.Пинигин, 1989) установлено, что в настоя щее время для наиболее эффективной работы экспертов по оценке влияния загрязнения нг здоровье необходимо выполнение двух основных условий:

•обеспечение эксперта всей необходимой для принятия решений информацией;

• возмажнсхггъю быстрого, многоеариантного анализа этой информации.

Основным препятствием здесь является наличие сложно формализуемых данных о факторах загрязнения, а также об их влиянии на здоровье. Следовательно, одним из перспективных методов исследования будет привлечение знаний, организованных с помощью экспертных систем. В главе подробно рассмотрены особенности решения задач разработки экспертных систем применительно к вопросу построения системы медико-экологической экспертизы. Особое внимание уделено сложностям структурирования знаний предметной области, а также вопросам объединения знаний о различных факторах загрязнения среды.

Методология практического использования подобных систем предусматривает последовательное применение процедуры синтеза (расчет комбинированного риска за счет всех факторов влияния), выявление пространственных областей повышенного риска, и, наконец, - процедуры анализа (выявление основных источников загрязнения, вносящих определяющий вклад в риск здоровью). Проведение заключительной процедуры такого рода позволит выработать комплекс мероприятий по последовательному ослаблению или устранению негативных факторов среды, и, в итоге, выработать рекомендации по снижению общей заболеваемости населения.

Названные принципы легли в основу разработанной нами системы "ЭКОМЕД", которая разрабатывалась как один из аналитических модулей экологического программного комплекса (ЭПК) «ZONE», создаваемого на протяжении ряда пет группой специалистов под руководством профессора А.С. Гаврилова (А.С. Гэврилов, Г.И. Воронов, А.В. Киселев, А.П. Щербо и др., 1992).

Система «Экомед» обеспечивает накопление и обработку данных, включающих данные как о загрязнении среды, так и о токсико-химических свойствах загрязняющих веществ. Важными ее компонентами являются блоки пополнения баз данных (включая редакторы) и базы знаний (подключение новых модулей экспертизы). Медико-экологическая экспертиза для оценки риска здоровью от факторов окружающей среды проездится с использованием модулей расчета фактического загрязнения атмосферы. Интегральные оценки степени экологической напряженности и риска здоровью отображаются с помощью карт, таблиц и графиков, сопровождаемых необходимыми текстами пояснений.

Схема работы системы "ЭКОМЕД" представлена на рис. 3.

С\ша1ифоррщ]да«»4с11сгаш1мижо-эш1огмсской эзюкрмы "Эымс^'

Всвдух Дшнье о захржиенщ среды Расчеты

Веда

ПиЕа Измереюи

Базы знаний

Мэдрлираокта. \рэи сн загргл кпт окружцеией среды Мзделисцгнки река зафиисли здоровью 1 иесдети

Дшнье о здоровье тееленш раадемосп>, заболеваемость смгршсхлъ

Базы данных

Химивд- Данныео

фгошески: токнпеском

свойлва действии

загрязняет»« загризншшис

вещхяв вещзст

Вгдосгорбазы згалий.

?/Ьсаншм логичеозэго вьвсда

Мдауль шкяисния, редактирования и ви-зуализащи баз данных

Ксмплекаая сдала влияния захрюнгния среда ка вдэровье ксележх.

)

Мх^ль вгауглюацни

Карты Оковки Таблицы Схемы

Рис.3

В этом качестве система "ЭКОМЕД" в настоящее время применяется в ряде крупных регионов (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Димитровград, Сургут, Сокол, Саратов и других).

В заключительных разделах третьей главы приведены конкретные примеры медико-экологических экспертиз применительно к отдельным районам Санкт-Петербурга и Волгограда.

Для Калининского района Санкт-Петербурга последовательно описан процесс исследования воздействия на здоровье населения загрязнения атмосферного воздуха, создаваемого выбросами промышленных предприятий и автотранспортом. Расчет полей призем

. А„. - 15

ых концентраций загрязняющих веществ был выполнена помощью ЭПК "ZONE", при этом расчет принимались поля приземных концентраций для всех примесей (90 наименований), вбрасываемых источниками рассматриваемой области.

Поля загрязнения были рассчитаны при задании различных фактических погодных :повий, а их статистические характеристики - для климатических периодов (по сезонам, и ПЯ всего года). •-■.-... ',■.•■

Область расчета была определена для всей территории района (16X16км). Учиты-ались выбросы примерно 4000 промышленных источников « 50 основных автотрасс ранга.

. Потенциальный риск (%) здоровью от загрязнения атмосферы ,

Рис. 4 _____

В связи с тем, что каждая из примесей выбрасывается разными источниками, рас-читанные поля приземных концентраций для каждой примеси показывают загрязнение азных участков территории района. Сопоставление и совместный анализ этих полей явля-тся утомительным и не может дать целостной картины. В этом случае было бы логичным олучить некую суперпозицию полученных полей концентрации в виде некоторого инте-рального поля. Такой интегральной характеристикой является поле токсичности (риска),

полученное с учетом рисков воздействия от отдельных примесей и дальнейшего вычислен комбинированного риска от воздействия всех примесей (Рис.4).

В целом, поле токсичности отображает зоны наиболее опасного загрязнения. Крог. того, при дальнейших исследованиях поле риска от загрязнения в одной среде (атмосфер можно будет рассматривать совместно с полями риска, создаваемыми другими фактора», загрязнения (шумом, радиацией, водой).

Далее, в любой интересующей точке рассчитанного интегрального поля, например, районе детских садов или в зонах опасного загрязнения, где поле имеет локальные максим мы, проводится анализ токсического действия примесей. Одновременно осуществлял« анализ показателей заболеваемости населения Калининского района г. Санкт-Петербург для чего использовались сведения о фактической заболеваемости, предоставленные в наи распоряжение районными поликлиниками.

На основе статистической обработки данных об общей заболеваемости детей и ра считанных рисков хронического токсического действия примесей, можно сделать вывод наличии статистической связи (коэффициент корреляции - 0.7). Нуль-гипотеза об отсутсты такой связи отвергается на 95%-ном уровне значимости. Этот результат важен в том смысл что проводимые ранее неоднократные попытки установить прямую статистическую взаим связь между заболеваемостью и загрязнением атмосферы, проводимые разными авторам не привели к успеху.

Вопрос о достоверности статистической связи увеличения заболеваемости в свя: именно с загрязнением, тем не менее остается в значительной степени открытым. Это об словлено тем, что обнаруженный рост заболеваемости может быть вызван помимо загрязн ния рядом других показателей (социальных, демографических, медицинских), которые в н шей работе не рассматривались. В целом, проведенная нами работа по оценке риска здор вью от загрязнения в Калининском районе могла бы быть принята в качестве основы мед ко-экологической экспертизы, если бы входные данные о заболеваемости были бы получен по данным специально организованных медико-эпидемиологических наблюдений, в которь были бы учтены и другие показатели, влияющие на здоровье.

Применение системы "ЭКОМЕД" для оценки загрязнения воздуха, возникшего в р зультате экологической катастрофы (пожара нефтепродуктов в Волгограде 1996т) послужш для оперативного выявления областей наибольшего загрязнения и определения потенц альной опасности здоровью от этого загрязнения.

Пожар, как источник зафязнения, в данном случае представлялся как площадной термич ский источник. Характеристики источника загрязнения отображали состав сгораемых нефт продуктов и интенсивность теплового выброса. При отсутствии точных данных о химическс составе нефтеотстойника, был рассмотрен ориентировочный состав продуктов горения к мазутоподобной жидкости с 5-10% примесью серы. Следует отметить, что точность расчет разумеется, сильно зависит от точности исходных данных, однако даже такие ориентирово ные расчеты в экстремальных условиях пожара дали возможность оценить основ

ные характеристики горения. Расчеты были выполнены для фактически наблюдаемых метеоусловий, по ним получали поле вероятности немедленного токсического действия.

Анализ поля вероятности немедленного токсического действия выявлял территории, на которых загрязнение наиболее опасно для населения. Далее, с использованием базы данных о токсическом действии примесей, было установлено, какие проявления в изменении состояния организма человека следует ожидать от их воздействия. Данные расчетов сопоставлялись с результатами фактических замеров концентраций и отображались на картах-схемах для их анализа и принятия решений. Согласование результатов расчетов полей загрязнения и данных измерений позволяет сделать вывод, что полученные результаты расчетов могут быть приняты в качестве базовых, для оценки влияния этого загрязнения на здоровье населения. Расчеты, проведенные нами с учетом реальных метеоусловий, наблюдавшихся в период пожара, показали, что в зоны опасного загрязнения, в зависимости от направления ветра, попадали практически все населенные пункты южной части города. Временами, в период усиления ветра, зона опасного загрязнения простиралась до центральных районов города (более 30 км).

Анализ полей загрязнения на основе информационной базы системы "ЭКОМЕД" показал, что в период кратковременного резкого увеличения загрязнения воздуха, который возник во время пожара, реакция населения проявляется в виде неспецифических токсических эффектов, которые возникают как защитно-приспособительная реакция организма. В это время следует ожидать увеличения обращаемости в медучреждения с жалобами не только на органы дыхания и сердечно-сосудистой системы, но и на обострение хронических заболеваний, что и было зафиксировано в сообщениях органов здравоохранения (увеличение обращаемости в "Скорую помощи" в районах, близких к очагу горения, на 50%).

В «Заключении» диссертации сформулированы основные выводы из проделанной работы, которые сводятся к следующему.

• обоснованы современные требования к системам, предназначенным для медико-экологических экспертиз;

• предложена схема построения системы медико-экологической экспертизы для оценки риска здоровью населения от загрязнения окружающей среды с применением элементов экспертных систем;

• оценены погрешности расчетов полей концентрации примеси в приземном слое в зависимости от погрешностей задания исходных данных;

• предложен метод расчетной оценки функции распределения значений концентрации примеси в приземном слоен путем организации циклического расчета с возможностью последующего получения статистических характеристик риска здоровью;

• предложена структура информационной базы и реализован алгоритм функционирования системы медико-экологической экспертизы для оценки риска здоровью населения от загрязнения окружающей среды ; осуществлена их программная реализация в форме программного продукта «Экомед»;

• обоснована применимость системы для оценки медико-экологической ситуации в конкретных регионах на примере Калининского района г. Санкт-Петербурга и г. Волгограда;

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ.РАБОТАХ

1. Методические подходы к формированию структуры медико-экологического программной комплекса для ЭВМ //Материалы международной конференции "Загрязнение окружающе: среды. Проблемы токсикологии и эпидемиологии". Москва-Пермь, 1993г., с.190-191 /Соавторы А.В.Киселев, А.П.Щербо, К.В.Негриенко/.

2. Принципы построения медико-экологической экспертной системы //Итоговая сессия учено го совета РГГМИ. Тезисы доклада научной конференции. Санкт-Петербург: 1994г., с 10.

3. Методические рекомендации по оценке риска здоровью населения от загрязнения атмо сферного воздуха. Теоретические основы и руководство пользователя //Санкт-Петербург" Дейта, 1995,54с./Соавтор А.В.Киселев/

4. Методологический подход к построению медико-экологической экспертной системы. //Итоговая сессия ученого совета РГГМИ. Тезисы докладов. Санкт-Петербург: изд. РГГМИ, 1997г., с. 117-116. /Соавтор А.В.Киселев/

ПОДПИСЛЖ) КПЕЧАТИ 13.01.98 Г. ТИР. 100 экз. БЕСПЛАТНО.