Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный
технический университет»
На правах рукописи
Моделирование оценки экологических рисков
Направление 010400.68– «Прикладная математика и информатика»
Профиль – «Математическое моделирование»
АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ
на соискание академической степени магистра
2015
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО
«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Научный руководитель: | кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры «Прикладная математика и информатика» |
Научный консультант: Рецензент: | старший преподаватель кафедры «Прикладная математика и информатика» кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН |
Ведущая организация: | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет (г. Комсомольск-на-Амуре) |
Защита состоится 17 июня 2015 г. в 8.30 часов г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 321.
Автореферат разослан 10 июня 2015 г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы. Хозяйственная деятельность человека, связанная с использованием ртутьсодержащих соединений, привела к возрастанию потока ртути в окружающую среду. Ртуть, как один из приоритетных экотоксикантов, влияет на человека как в процессе производства, так и в быту. Оценка ртутной нагрузки на организм – сложная задача, которая зачастую носит ориентировочный характер из-за отсутствия адекватного мониторинга и недостатка исследований о содержании ртути не только в объектах окружающей природной среды, пище, но и в условиях производства. Суммарное поступление ртути (особенно ее производного – метилртути) может оказаться чрезмерной нагрузкой для населения, проживающего вблизи источников загрязнения, в том числе вторичных. В ряде работ доказано, что даже при низкой экспозиции происходят нарушения, в первую очередь психологического статуса, эндокринной и иммунной систем. Разработка целенаправленной программы, которая включит в себя мониторинг загрязнения ртутью объектов окружающей среды, здоровья и принципы реабилитации лиц группы высокого риска, необходима вследствие недостаточности в мировой практике опыта реабилитации лиц, подвергшихся воздействию ртути вне производства.
Цель магистерской диссертации – исследование влияния ртути, содержащейся в питьевой воде, на здоровье человека.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
- изучить существующие методики и модели оценки экологического риска, связанного с воздействием ртути;
- изучить степень загрязнения ртутью объектов окружающей среды и провести анализ риска здоровью;
- разработать программный продукт, который позволит рассчитать дозу воздействия ртути и покажет зависимости, основанные на математических моделях;
Объектом исследования является здоровье человека.
Предметом исследования являются влияние токсиканта на человека.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: теоретические (сравнение, анализ), эмпирические (тестирование, изучение литературы и результатов деятельности), практические (методика расчетов).
Научная новизна исследования заключается в создании программного продукта, реализующего практические задачи, и тестировании данного продукта на реальных статистических данных.
Достоверность и обоснованность результатов исследования. Основные положения и выводы, полученные в диссертации, достаточно обоснованы и аргументированы. Сформулированная в диссертации научная задача, заключающаяся в применении математических моделей для исследования воздействия ртути, содержащейся в питьевой воде, на человека, была решена с помощью двух моделей (линейно-квадратичная модель и модель Вейбулла-Гн еденко), создан программный продукт, который былпротестирован на основе реальных статистических данных, предоставленных санэпидемстанцией г. Комсомольск-на-Амуре.
Достоверность и обоснованность основных выводов и результатов диссертации подтверждается результатами сопоставления результатов расчетов, выполненных в соответствии с разработанным программным продуктом, с реальными данными статистики заболеваний и данными, приводимыми в ежегодных докладах «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации».
Практическая значимость. Результаты работы могут послужить основой для разработки комплекса практических рекомендаций, направленных на улучшение медико-экологической ситуации в регионе, и использоваться при формировании целевых профилактических программ. Разработка и внедрение системы мероприятий позволят снизить риск развития хронической интоксикации ртутью среди населения.
Апробация результатов. Результаты работы докладывалась на:
- Международной научно-практической конференции «Актуальные исследования в области безопасности жизнедеятельности», Ярославль, июнь 2015 (отправлена статья на публикацию);
-45-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов», Комсомольск-на-Амуре, апрель 2015 г.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований автором опубликована 1 работа.
Структура и объем. Магистерская диссертация состоит из введения, общей характеристики, трёх глав, заключения и списка литературы. Объем работы - 125 страниц, в том числе 19 рисунков, 1 таблица, 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение раскрывает актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, объект, предмет, указываются научная новизна, практическая значимость, достоверность и обоснованность результатов исследования.
В первой главе рассматриваются теоретические аспекты оценки риска влияния ртути на здоровье человека.
На здоровье населения существенно влияет состояние окружающей среды. Среди вредных химических веществ, загрязняющих окружающую среду, особое место занимает ртуть, во всех странах мира включённая в списки загрязняющих веществ первого класса опасности. В непроизводственных условиях основные пути воздействия ртути на человека – через воздух, пищу, питьевую воду.
В итоге усиления техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть стала представлять собой опасность для здоровья человека. Попав в окружающую среду, ртуть может переноситься на значительные расстояния и сохраняться в природных средах в течение длительного времени. Также ртуть накапливается в живых организмах.
Таким образом, ртуть – это глобальный загрязнитель, влияние которого проявляется в регионах на значительном удалении от мест его происхождения.
Элементарная ртуть и метилртуть токсичны для центральной и периферической нервной системы. Вдыхание паров ртути может оказывать вредное воздействие на нервную, пищеварительную и иммунную системы, легкие и почки и может приводить к смерти. Неорганические соли ртути оказывают коррозийное воздействие на кожу, глаза и желудочно-кишечный тракт и могут приводить к интоксикации почек при проглатывании. Неврологические и поведенческие расстройства могут наблюдаться после вдыхания, проглатывания или кожного контакта с различными соединениями ртути. Симптомы включают тремор, бессонницу, потерю памяти, нервно-мышечные расстройства, головные боли, а также когнитивную и моторную дисфункцию. Зарегистрированы случаи воздействия на почки – от повышенного уровня протеина в моче до почечной недостаточности.
Для достоверной оценки уровня риска нужно выявить наиболее критические области и, чтобы снизить их, проанализировать уровни неопределённости.
Модели оценки риска могут быть точечными и стохастическими. Если модель точечная, то все параметры и переменные в любой момент времени обладают точными значениями. В стохастических же моделях переменные имеют вид функций распределения. Подавляющее большинство методов оценки риска для здоровья населения по-прежнему применяют точечные значения для всех переменных.
Оценка риска проходит в несколько этапов:
1) идентификация опасности (способность химического соединения наносить вред организму или относительная токсичность вещества);
2) оценка воздействия или экспозиции – контакт организма (рецептора) с химическим, физическим, биологическим агентами;
3) oценка зависимости «доза-эффект», отражающей количественную связь между уровнем воздействия и возникающими в результате этого вредными эффектами в состоянии здоровья (собственно ответ или реакция). При этом определяется, к какому типу вредных эффектов относится изучаемое вещество: канцерогены или неканцероген. Ртуть относится к неканцерогенам;
4) характеристика риска – завершающая часть оценки риска и начальная фаза управления риском, на которой интегрируются все данные, полученные на предыдущих этапах, проводится совокупный анализ степени их надёжности.
Во второй главе описываются существующие методики оценки риска влияния вредных компонентов на здоровье человека, даётся их краткая характеристика.
Различают следующие методы анализа риска (рисунок 1):
Рисунок 1 – Методы анализа риска
Методы могут применяться независимо или дополнять друг друга, причем, качественные методы могут включать количественные критерии риска (в основном, по экспертным оценкам с использованием, например, матрицы «вероятность-тяжесть последствий» ранжирования опасности). Полный количественный анализ риска может включать все указанные методы или некоторые из них.
В третьей главе на примере города Комсомольска-на-Амуре проводится оценка влияния ртути, содержащейся в питьевой воде, на здоровье человека, описывается принцип работы программного продукта, с помощью которого можно рассчитать дозы и построить графики зависимостей между дозами токсиканта (ртути) и реакцией на них. Данный программный продукт был создан для автоматизации расчетов по рассмотренной теории с использованием среды программирования EmbarcaderoRADStudio. Пользователю предлагается ввести исходные данные для двух групп населения. По введенным данным производится расчет суммарной дозы поступления ртути в организм человека и при необходимости строятся графики зависимости «доза-отклик».
Входные данные для модели: характеристика источника выброса. Выходные данные: суммарная дозы поступления ртути в организм человека с питьевой водой и зависимости между дозой токсиканта и реакцией на нее. Исходные данные для построения модели взяты из статистики о содержании ртути в питьевой воде за последние четыре года по городу Комсомольску-на-Амуре.
В соответствии с первым этапом оценки риска проводится идентификация опасности. В Комсомольске-на-Амуресуществует проблема загрязнения окружающей среды. Загрязнены подземные воды, малые водоёмы, основной источник водозабора — Амур — подвержен сильному антропогенному воздействию. Из-за построенных ГЭС и сброса сточных вод в верхней части Амура (г. Хабаровск) и Китай — в Амуре наблюдается высокая бактериальная загрязнённость, что не позволяет использовать её для рекреационных целей и вынуждает хлорировать питьевую воду повышенными дозами, что приводит к обострению проблемы образования канцерогенных хлорорганических соединений.
При расчётах используются модель Вейбулла-Гнеденко и линейно-квадратичная модель.
Модель оценки риска, использующая распределение Вейбулла-Гнеденко, описывается выражением:
,
где a и b – положительные параметры. Функция qе(D) моделирует зависимость «доза-отклик» и дает оценку частости риска, привносимого токсикантом:
.
Коэффициенты а и b высчитываются как:
или 
Линейно-квадратичная модель использует другую связь для отражения взаимосвязи «доза-отклик»:
.
Коэффициенты a и b также находятся, если известны две пары значений по экспериментальным исследованиям. Пусть значению D1 соответствует частостьqе,1, а величине D2 – частость qе,2, тогда коэффициенты вычисляются следующим образом:
или .
Для обеих моделей нужно также рассчитать частость риска, высчитываемую следующим образом:
Частости появления негативных эффектов в группе риска и в контрольной группе рассчитываются по нижеследующим формулам:
где Ec и Еt – количества негативных эффектов в группе риска и в контрольной группе, Nc и Nt – численность контрольной группы и группы риска соответственно.
Все дозы рассчитываются по определённым формулам, представленным ниже.
Формула для расчёта средней суточной дозы при пероральном поступлении химических веществ с питьевой водой:
где I – поступление токсиканта с питьевой водой, мг/(кгЧдень);
Cw – концентрация вещества в воде, мг/л; V – величина водопотребления, л/сутки (стандартное значение – 2 л/сутки для взрослых, 1 л/сутки для детей); EF – частота воздействия, дней/год (стандартное значение – 350 дней/в год); ED – продолжительность воздействия, лет (стандартное значение – 30 лет для взрослых, 6 лет для детей);BW – масса тела, кг (стандартное значение – 70 кг для взрослых, 15 кг – для детей); AT – период осреднения экспозиции, лет (30 лет для взрослых, 6 лет – для детей; если рассчитываемый токсикант является канцерогеном – 70 лет).
Формула для расчёта средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при ингаляционном поступлении химических веществ, испаряющихся из питьевой воды:
где
где CDI – средняя концентрация в воздухе, мг/м3; Xb – вспомогательная величина, отражающая вклад водных процедур в общую ингаляционную нагрузку:
Xh – вспомогательная величина, отражающая вклад питьевой воды (кроме, водных процедур) в общую ингаляционную нагрузку:
Theta – эффективность массопереноса вещества из воды в воздух:
T – температура в квартире, °К (T = 273 + 20 = 293°K); t – температура в квартире, °С (20° C); Н – константа закона Генри, Па-м3/моль (значения содержатся в химических справочниках, базе данных SARETbase, базах данных к программе по оценке межсредовых переходов и расчету доз многосредового воздействия. Может быть рассчитана по величине растворимости вещества в воде и давлению его паров); R – универсальная газовая постоянная (8,31); Dw – коэффициент диффузии в воду, см2/с (для большинства неорганических веществ коэффициент диффузии близок к нулю):
- для органических веществ,
Da – коэффициент диффузии в воздух, см2/с (для большинства неорганических веществ коэффициент диффузии близок к нулю):
– для органических веществ,
IRr – скорость вентиляции в покое, м3/(кгЧч) (стандартное значение – 0,007 м3/(кгЧч)); Ira – скорость вентиляции при активной деятельности, м3/(кгЧч) (стандартное значение – 0,02 м3/(кгЧч)); Tr – продолжительность сна, отдыха, ч (стандартное значение – 8 часов); Tb – время, затрачиваемое на умывание, принятия душа, ванны, мин/день (стандартное значение – 30 мин/день); Th – общее время пребывания в жилище, ч/день (стандартное значение – 16 ч/день); VRb – скорость вентиляции в ванной комнате, м3/мин (стандартное значение – 0,5 м3/мин); VRh – скорость вентиляции в квартире, м3/ч (стандартное значение – 360 м3/ч); Wh – общее водопотребление в квартире, л/ч (стандартное значение – 30 л/ч); Wb – водопотребление для умывания, душа, ванны, л/мин (стандартное значение – 8 л/мин), MW – молекулярная масса вещества, г/моль.
Формула для расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при накожной экспозиции водопроводной (питьевой) воды (поглощенная доза):
где DAD – поглощенная доза, мг/(кгЧдень), DAe – абсорбированная доза за одно событие на экспонируемую площадь кожи, мг/см2 – событие:
- для неорганических и высоко ионизированных органических веществ;
SA – площадь участка кожи, см2 (18000 см2; ребенок: 6600 см2); Kp – коэффициент кожной проницаемости, см/ч:
Kow – коэффициент распределения октанол/вода (Значения содержатся в химических справочниках, базе данных SARETbase, базах данных к программе по оценке межсредовых переходов и расчету доз многосредового воздействия):
где S – растворимость вещества в воде (значения содержатся в химических справочниках, базе данных SARETbase, базах данных к программе по оценке межсредовых переходов и расчету доз многосредового воздействия).
Формула для расчёта потенциальной дозы:
Потенциальная доза – количество химического вещества, которое потребляется или вдыхается, или его количество, содержащееся в разных средах и находящееся в соприкосновении с кожей.
Формула для расчёта среднесуточной дозы:
Среднесуточная доза/концентрация (ADD/ADC) – потенциальная суточная доза/концентрация, усредненная за период воздействия химического вещества. Период усреднения для хронических воздействий обычно принимается равным: для взрослых - 30 лет, для детей в возрасте до 6 лет - 6 лет.
Результат расчётов в программе представлен на рисунке 2
Рисунок 2 – Результат расчёта доз
Если пользователь желает провести исследование по модели Вейбулла-Гнеденко и линейно-квадратичной модели, он переходит на следующий экран, где вводит статистические данные по группам населения и производит расчет по соответствующей модели. Результаты расчета имеют вид графических зависимостей: пользователь может посмотреть зависимости по каждой модели в отдельности и в совмещенном виде (рисунок 3).
Рисунок 3 – График зависимости «доза-отклик», сравнение двух моделей
В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 45-й научно-технической конференции аспирантов и студентов (г. Комсомольск-на-Амуре, 2015 г.). В 4 ч. Ч. 2 / редкол.: (отв. ред.) и др. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. – 413 с.
ISBN 978-5-7765-1169-1
