Nástroj GIS pro včasné prostorové hodnocení radioaktivní kontaminace zemědělských plodin a půdy

Transkript

1 48 tovanou Slnkom čiastočne odtieni galaktickú kozmickú zložku (Rieder, 2001). Tento efekt sa následne prejaví znížením radiačnej záťaže leteckých posádok. Situácia je ilustrovaná na dátach jednej z leteckých spoločností za rok Vyhodnocované osoby boli zoradené podľa obdržanej efektívnej dávky a táto bola okrem HP pre rok 2011 (444 MV) spočítaná aj pre hodnotu HP z obdobia solárneho maxima (901 MV) resp. minima (234 MV) v roku 2001 resp ZÁVER U leteckých posádok spoločností registrovaných v ČR dochádza k systematickému prekračovaniu smernej hodnoty efektívnej dávky a to minimálne o 75 % v každom monitorovacom období. Údaje, ktoré máme zatiaľ pre spoločnosti registrované v SR naznačujú, že ak nedôjde k zmenám pri plánovaní a obsadenosti trás, bude u mnohých členov posádok smerná hodnota prekročená. Poďakovanie Táto práca bola čiastočne podporená grantom ČVUT SGS 10/212/OHK4/2T/14 a programom medzinárodnej spolupráce vo výskume a vývoji Ministerstva školstva, mládeže a telovýchovy ČR INGO. Literatúra [1] BENTON, E. R. BENTON, E. V.: Space radiation dosimetry in low Earth orbit and beyond. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Volume 184, Issues 1 2, September 2001, Pages [2] (CARI, 2012) [3] O Brien, K. O.: Nuovo Cimento, A3, 52 78O. [4] RIEDER, Peter K. F.: Cosmic rays at Earth: Researcher s Reference Manual and Data Book. Elsevier, ISBN Nástroj GIS pro včasné prostorové hodnocení radioaktivní kontaminace zemědělských plodin a půdy Jakub BROM (jbrom@zf.jcu.cz) Jan PROCHÁZKA Václav NEDBAL Hana VINCIKOVÁ, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, Katedra krajinného managementu Deskriptory INIS: BIOMASS; CONTAMINATION; CROPS; FALLOUT DEPOSITS; GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS; MOISTURE; RADIONUCLIDE MIGRATION; SPATIAL DISTRIBUTION 1. ÚVOD Zemědělské hospodaření je významné jak z hlediska produkce potravin a dalších produktů, tak i z hlediska utváření krajiny a tvorby životního prostředí. V tomto pohledu pak případná radiační havárie představuje problém nejenom hospodářský, ale i environmentální a kulturní. Otázky ochrany zemědělské produkce a krajiny před kontaminací radioaktivním materiálem a opatření v případě radiační havárie zasahující zemědělskou činnost a životní prostředí jsou intenzivně diskutovány (viz např. dokumenty EURANOS, Problematika radioaktivní kontaminace zemědělských plodin a nakládání s radioaktivním materiálem v zemědělství je intenzivně diskutována zejména z důvodu dalšího využití zemědělské produkce a půdy a z důvodu možného snížení případné radioaktivní kontaminace zemědělské krajiny. Předkládaný nástroj Biomasa_Kontaminace byl vytvořen jako modul pro geografický informační systém ESRI ArcMap 9.2 ArcInfo. Modul umožňuje orientační výpočty parametrů produkce zemědělských plodin (množství živé biomasy a sušiny na ploše, relativní obsah vody v biomase, index listové plochy) dále využitých k odhadu měrné radioaktivní depozice na povrchu zemědělských plodin a povrchu půdy v raně depoziční fázi radiační havárie za podmínek suché i mokré depozice. Výpočet je proveden pro celé zájmové území, má tedy prostorový charakter vyjádřený v daném geografickém zobrazení a je vztažen ke konkrétnímu časovému okamžiku. Modul rozděluje plochy v zájmovém území do tříd podle úrovně měrné depozice radionuklidu s ohledem na způsob následného managementu a umožňuje orientačně odhadnout výši nákladů na odstranění biomasy ze zemědělských ploch. Modul tak představuje komplexní nástroj využitelný pro rozhodovací procesy při radiační havárii a pro následná opatření na zemědělských plochách s cílem snížení radioaktivní kontaminace těchto ploch. Možnosti následných opatření po radiační havárii jsou dány dostupnými technickými prostředky na jedné straně a množstvím adekvátních informací na straně druhé. V případě zemědělské produkce jsou potřebnými informacemi údaje o prostorové distribuci jednotlivých druhů zemědělských plodin v zájmovém území postiženém radiační havárií a kvantitativní údaje o vývoji a produkčních charakteristikách těchto plodin, jako je množství biomasy a podobně. Pro hodnocení prostorové distribuce zemědělských plodin je možné použít nástroje geografických informačních systémů (GIS) (viz např. [1]) a metod dálkového

2 49 průzkumu Země (DPZ) (viz [2, 3, 4]). Pro hodnocení kvantitativních produkčních charakteristik lze využít buď přímých měření v terénu, DPZ nebo matematických modelů (přehled uvádí [5]). Matematické modely umožňují, na základě metod růstové analýzy [6] odhadnout řadu produkčních charakteristik, jako je množství biomasy na ploše a její sušiny, index listové plochy, výši výnosu plodin a další potřebné ukazatele. V současné době je k dispozici řada matematických modelů různé složitosti a přesnosti, sloužících zejména pro účely odhadu výnosu zemědělských plodin, např. Systém Mars (The Mars Crop Yield Forecasting System), CERES atd. Současné komplexní systémy odhadu zemědělské produkce poskytují věrohodné výsledky s dobrou přesností odhadu sledovaných veličin, nicméně jejich využití v oblasti radiační ochrany zemědělských plodin je poněkud komplikované z důvodu požadavku na velké množství vstupních dat, jako jsou data meteorologická, informace o hospodářských zásazích (kultivace půdy, hnojení, použití pesticidů), satelitní data a podobně. Vzhledem k tomu, že získávání a zpracování těchto dat je z hlediska uvažovaného plošného rozsahu radiační havárie a nutnosti rychlosti jednání časově, personálně a finančně velmi náročné, je potřeba využít jednoduššího přístupu, založeného na menším počtu datových vstupů, byť i na úkor přesnosti modelu. Cílem této práce je představit modul, který propojuje možnosti nástrojů GIS s jednoduchým modelovým odhadem produkčních charakteristik pěstovaných plodin a odhadem měrné depozice radioaktivního materiálu na povrchu porostu a na povrchu půdy, včetně orientačního vyhodnocení finančních nákladů na následná opatření. 2. FUNKCE MODULU Předkládaný modul Biomasa_Kontaminace je koncipován jako rozšíření běžně užívaného proprietárního softwarového balíku pro práci v geografických informačních systémech ESRI ArcGIS, pro verzi ESRI ArcMap 9.2 ArcInfo. Důvodem tohoto řešení je značná rozšířenost tohoto softwaru u orgánů státní správy a dalších institucí, je zde tedy předpoklad, že existuje široká skupina uživatelů, kteří modul budou moci a umět bez problémů ovládat. Modul je vytvořen v programovacím jazyce Python TM, jehož instalace a běhové prostředí je součástí instalace programu ArcGIS. Modul je licencován v rámci licence BSD 3 Clause License, je tedy volně šiřitelný a upravovatelný. Oproti předchozí verzi [7] byla významně zvýšena funkcionalita modulu, kterou lze rozdělit do tří částí: 2.1 Odhady produkčních parametrů zemědělských plodin Předkládaný modul umožňuje orientační výpočet, respektive odhad základních parametrů biomasy zemědělských plodin pro jednotlivé obhospodařované plochy v zájmovém území. Modul umožňuje odhad množství živé biomasy, množství sušiny biomasy, relativní obsah vody v pletivech rostlin a index listové plochy. Objemové charakteristiky jsou vypočteny jako množství v t.ha 1 a přepočteny na plochu daného pozemku. Produkční charakteristiky jsou dále použity pro výpočty spojené s otázkou radioaktivní kontaminace zemědělské půdy a pro ekonomické hodnocení následných zásahů. 2.2 Prostorové hodnocení radioaktivní kontaminace zemědělských ploch Modul umožňuje, na základě zadání vrstvy měrné depozice daného radionuklidu v prostoru (např. výstupy z předpovědních modelů), vypočítat průměrnou měrnou aktivitu depozice radionuklidu pro jednotlivé zemědělské plochy. Na základě výpočtu intercepčního faktoru umožňuje rozdělit úroveň radioaktivní depozice na depozici radionuklidu na rostlinách a na povrchu půdy. Výpočet zahrnuje otázku atmosférických srážek, modul tedy umožňuje výpočet jak suché, tak i mokré depozice daného radionuklidu. Podle úrovně kontaminace jsou podle referenčních úrovní OIL [8] plochy rozděleny do tří tříd v návaznosti na další možné zásahy na jednotlivých plochách zemědělské půdy, tzn. na plochy bez zásahu, s omezeným zásahem a plochy s měrnou aktivitou radiace ohrožující zdraví člověka. 2.3 Orientační ekonomické zhodnocení zásahů Modul umožňuje orientačně odhadnout cenu sklizně, případně odstranění biomasy z ploch. Částka na dané aktivity je zde brána jako jedna komplexní hodnota pro danou plodinu, zahrnující všechny potřebné náklady. Všechny vypočtené parametry jsou vztaženy k danému časovému okamžiku (dni) v roce, který zpravidla koresponduje s okamžikem radiační havárie nebo s obdobím raně depoziční fáze případné kontaminace. 3. PŘEHLED OBSAHU MODULU 3.1 Růstový model Růstový model je založen na modelování růstu zemědělských plodin, kdy předpokladem je, že přírůst sušiny plodin odpovídá sigmoidní (logistické) křivce v závislosti na čase. Množství živé biomasy je pak dáno součtem sušiny a obsahu vody v pletivech rostlin. Obsah vody v pletivech má, v relativní škále, předpokládaný klesající trend v průběhu sezóny. Množství sušiny lze vypočítat na základě logistické funkce: = [t.ha 1 ] (1) + kde W max je maximální množství sušiny v produkci plodiny a t je škálovanou funkcí času, za předpokladu, že se křivka při zvolené hodnotě asymptoticky blíží limitním hodnotám. Hodnotu t vypočteme podle vzorce:

3 50 t = n. t s m [bezrozm.] (2) kde n a m jsou škálovací hodnoty a t s je škálovaná hodnota času vypočtená podle vzorce: = [bezrozm.] (3) kde t akt je hodnota pro daný den v rámci uvažovaného období, t 0 je minimální uvažovaná hodnota (např. den výsevu) a t max je maximální hodnota (např. den sklizně), kdy množství sušiny dosahuje maxima. Výpočet množství živé biomasy závisí na obsahu vody v pletivech, který můžeme charakterizovat pomocí relativního obsahu vody v pletivech (RWC, %). Zde lze uvažovat postupný pokles obsahu vody v pletivech v průběhu vegetační sezóny, kdy předpokládáme, že vyšší cévnaté rostliny jsou v průběhu vegetačního cyklu z hlediska vodního provozu značně konzervativní [9]. V tomto pohledu lze výpočet relativního obsahu vody v pletivech zobecnit podle rovnice: = kde RWC max je předpokládaná maximální hodnota a RWC min je předpokládaná minimální hodnota RWC v průběhu vegetační sezóny. Vlastní množství živé biomasy (B) na ploše vypočteme z hodnot RWC a sušiny následovně: Hodnotu maximálního možného množství biomasy (B max ) vypočteme analogicky: Dalším významným produkčním ukazatelem porostu je index listové plochy (LAI), který je dále využit pro výpočty radiační kontaminace biomasy. Vlastní průběh vypočtené křivky LAI je značně generalizován na základě testovacích dat, kdy je křivka pro LAI vypočtena v krocích následovně: kde LAI je listová plocha (m 2.m 2 ) a LAI max je maximální listová plocha pro danou plodinu (m 2.m 2 ). X je empirická funkce: = ( + ) (8) + + Všechny ukazatele produkce porostů jsou v rámci modulu počítány pouze pro interval hodnot času t 0 až t max, respektive pro hodnoty t s 0 až 1. To znamená, že pokud + [%] (4) = = [t.ha 1 ] (5) = [t.ha 1 ] (6) < ( ) [m 2.m 2 ] (7) je zvolena hodnota t akt větší než t max nebo menší než t 0, je výsledek produkčních ukazatelů roven Výpočet měrné depozice radionuklidu na povrchu rostlin a na povrchu půdy Pro rozhodování o množství depozice radioaktivního materiálu na povrchu porostu a povrchu půdy je vypočten intercepční faktor f w, který je ukazatelem, jak velká frakce depozice zůstává na povrchu porostu. Hodnota závisí na indexu listové plochy porostu a úhrnu srážek v průběhu depozice. Podle Müllera a Pröhla (cituje [10]) lze intercepční frakci (faktor) depozice radioizotopu f w v časné fázi radiační havárie vypočítat podle vzorce: ( ) = [rel.] (9) kde k je specifický faktor pro daný kontaminant (I: k = 0.5; Sr, Ba: k = 2; Cs a ostatní radionuklidy: k = 1), S je tloušťka vodního filmu na rostlinách (mm) a R je úhrn srážek (mm). Hodnota S je 0,15 0,3 mm se střední hodnotou 0,2 mm [10]. Výpočet depozice na povrchu rostlin vychází z předpokladu, že depozice na povrchu rostlin je poměrnou částí celkové depozice danou intercepčním faktorem: kde D biomasa je měrná depozice radioizotopu na povrchu rostlin a D celk je celková měrná radioaktivní depozice zadávaná jako vstup do modelu. Měrná depozice radioizotopu na povrchu půdy je pak rozdílem mezi celkovou měrnou depozicí a měrnou depozicí na povrchu porostu: V případě, že jsou hodnoty produkčních ukazatelů rovny nule, je vypočtena pouze měrná depozice radioaktivního materiálu na povrchu půdy. 3.3 Výpočet nákladů na sklizeň biomasy Pro jednotlivé zemědělské pozemky je cena sklizně, respektive hospodářského zásahu (Kč) jednoduše vypočtena jako cena sklizně dané plodiny na ha krát plocha daného pozemku. Hodnota je pro jednotlivé plodiny vypočtena pouze pro interval hodnot času t 0 až t max. 4. VSTUPY MODULU = [Bq.m 2 ] (10) = [Bq.m 2 ] (11) Vstupy modulu jsou prostorová distribuce plodin na sledovaném území; produkční parametry pěstovaných plodin; den v roce, pro který má být proveden výpočet (den, kdy došlo k radiační havárii); rastrová vrstva měrné depozice radioizotopu pro daný stav; radioizotop,

4 51 pro který je proveden výpočet; referenční úrovně radioaktivity pro nakládání s rostlinným materiálem a půdou a pro možnost vstupu na pozemky; vrstva nebo hodnota úhrnu srážek v zájmovém území v průběhu depozice radionuklidu a přehled nákladů na sklizeň plodin. Z uvedeného přehledu vyplývá, že vstupů pro výpočet je velké množství. Aby bylo možné zohlednit rozdíly v produkci v různých pěstitelských oblastech České republiky a přihlédnout k dalším specifikům, jako je např. vliv ročníku, nejsou parametry modelu pevně zakomponovány do struktury modulu, ale vstupují do něj externě v podobě databázových tabulek. To umožňuje flexibilní možnost změny parametrů podle potřeby zpracovatele dat. Zdrojem dat pro hodnocení prostorové distribuce plodin v zájmovém území může být celá řada podkladů, jako je digitální vrstva půdních bloků Český LPIS, spravovaná Ministerstvem zemědělství ČR, data dálkového průzkumu Země (viz např. [11, 12]), data od místních hospodařících subjektů, vlastní terénní průzkum a podobně. Pro včasné a účelné využití modulu je potřeba mít podklady o aktuální distribuci plodin v zájmovém území průběžně k dispozici ve formě digitální vektorové GIS vrstvy. Zde může jako matrice posloužit existující digitální vrstva LPIS, do které se přidají informace o plodinách získané od hospodařících subjektů, případně jiným způsobem. Právě možnost získat informace o prostorové distribuci plodin od hospodařících subjektů např. ve formě osevních postupů, považujeme za nejvhodnější způsob získání těchto dat. Hospodařící subjekty mohou navíc poskytnout doplňkové informace, které nelze získat jiným způsobem. Dálkový průzkum Země a terénní průzkum mohou sloužit k doplnění a validaci údajů od hospodařících subjektů. Produkční parametry jsou představovány souborem hodnot pro každou plodinu, jako je maximální množství sušiny na ploše, maximální hodnota LAI, maximální a minimální relativní obsah vody v porostu a doba setí, respektive počátku vegetačního období v daném roce pro ozimé plodiny a doba sklizně. Parametry produkčních vlastností plodin jsou zde uvažovány jako integrální hodnoty, kdy např. maximální množství sušiny na plochu je výsledkem celého množství různých faktorů, jako je působení teploty, množství (suma) fotosynteticky aktivní radiace za vegetační období a podobně. Časové hodnoty jsou vyjádřeny jako pořadové číslo dne v roce (0 365). Zdrojem rastrové vrstvy měrné depozice radioizotopu pro daný stav mohou být např. výstupy z předpovědních modelů, jako jsou modely HAVAR RP a HARP (ÚTIA AVČR v.v.i.), ESTE (AB-merit, Trnava) a podobně. Důležitým předpokladem je zde umístění výstupu modelu do souřadného geografického systému, shodného s ostatními použitými prostorovými daty (vrstva plodin, prostorová distribuce srážek). Úhrn srážek hraje významnou roli z hlediska depozice radioizotopu na povrchu rostlin a půdy. Modul umožňuje zohlednit množství srážek v období radiační havárie. Hodnoty jsou do modulu zadávány buď jako hodnota úhrnu srážek pro dané území za srážkovou epizodu nebo jako prostorově vyjádřená vrstva v rastrovém formátu. Posledním vstupem je úhrn nákladů na odstranění biomasy z pozemků, respektive sklizeň biomasy. Hodnoty jsou uvedeny formou externí databázové tabulky, kde je možné individuálně nastavovat hodnoty nákladů pro jednotlivé plodiny. 5. VÝSTUPY A JEJICH POUŽITÍ Výstupem modulu je vektorová polygonová vrstva, která prostorově odpovídá vrstvě plodin v zájmovém území. K vektorové vrstvě je připojena databázová tabulka, ve které jsou uvedeny hodnoty vypočtených veličin popsaných v kapitole Funkce modulu, které je možné dále zobrazovat a zpracovávat buď přímo pomocí nástrojů GIS, nebo pomocí tabulkových a databázových nástrojů. Výstupy modulu jsou podrobně popsány v návodu k modulu [13]. Je potřeba poznamenat, že výstupem modulu jsou spíše hrubé odhady produkčních parametrů založené na omezeném množství vstupních informací (viz výše). Důvodem je minimalizace vstupů oproti precizním modelům pro odhad zemědělské produkce, kdy množství vstupů pro precizní model (teplotní, světelný a vlhkostní režim v průběhu vegetačního období, půdní podmínky atd.) může být limitující pro možnosti jeho využití. Domníváme se, že pro dané účely je schopnost odhadu produkčních parametrů pomocí předkládaného modulu dostatečná. Ukázka odhadu sušiny, živé biomasy a hodnoty indexu listové plochy pro pšenici ozimou je uvedena na obr. 1. Použití modulu je cíleno především na problematiku včasného stanovení radioaktivní kontaminace zemědělských plodin a zemědělské půdy v rané fázi radiační havárie. Zde je důležité prostorové hledisko zpracování dat, které umožňuje, prostřednictvím nástrojů GIS, vyhodno- Obr. 1. Ukázka odhadu živé biomasy, sušiny a indexu listové plochy pšenice ozimé pomocí modulu Biomasa_Kontaminace. Lokalita Přeseka, 2008

5 52 cení stavu celého zájmového území zasaženého radiační havárií v co nejkratším čase po havárii. Modul je tak vhodný pro použití při rozhodovacích procesech při radiační havárii a pro rozhodování o následných opatřeních na zemědělských plochách s cílem snížení radioaktivní kontaminace těchto ploch. Předpokládanými uživateli modulu pak mohou být dotčené orgány státní správy zodpovědné za radiační ochranu zemědělské krajiny. Díky možnosti využití modulu pouze pro hodnocení produkčních ukazatelů zemědělských plodin bez vstupů týkajících se radioaktivní kontaminace a ekonomického hodnocení, je modul možné využít i v dalších oblastech, jako jsou např. environmentální modelování, zemědělské účely a podobně. 6. ZÁVĚR Předkládaný modul je v současné době použitelný jako nástroj pro hodnocení prostorové distribuce zemědělských plodin a jejich produkčních charakteristik v zájmovém území, pro rozdělení případné radioaktivní kontaminace mezi porosty zemědělských plodin a půdu a orientační nákladové výpočty pro následná opatření. Modul tak může být použit v rozhodovacím procesu v raně depoziční fázi případné radioaktivní kontaminace zemědělských plodin v zájmovém území. Do budoucna předpokládáme zpřesnění výpočetního modelu a rozšíření ekonomické (nákladové) části hodnocení. Poděkování Tato práce vznikla na základě řešení a finanční podpory výzkumných projektů VF a VG a díky konzultacím s pracovníky SÚRO, v.v.i. (Hůlka, Prouza, Mihalík) a UTIA AV ČR, v.v.i (Pecha, Hofman). Literatura [1] PRIYA, S. SHIBASAKI, R.: National spatial crop yield simulation using GIS-based crop production model. Ecological Modelling 135, 2001, str [2] OETTER, R. COHEN, W.B. BERTERRE- TCHE, M. MAIERSPERGER, T.K. KENNE- DY, R.E.: Land cover mapping in an agricultural setting using multiseasonal Thematic Mapper data. Remote Sensing of Environment 76, 2000, str [3] PINTER. P.J. HATFIELD, J.L. SCHEPERS, J.S. BARNES, E.M. MORAN, M.S. DAU- GHTRY, C.S.T. UPCHURCH, D.R.: Remote Sensing for Crop Managament. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. Vol. 69. No. 6, 2003, str [4] FUMIN, Z. ZAICHUN, Z. YAOZHONG, P. TANGAO, H. JINSHUI, Z.: Application of remote sensing technology in crop acreage and yield statistical survey in China. Meeting on the Management of Statistical Information Systems (MSIS 2010). Daejeon, Republic of Korea, 2010, str [5] AHAMED, T. TIAN, L. ZHANG, Y. TING, K.C.: A review of remote sensing methods for biomass feedstock production. Biomass and Bioenergy 35, 2011, str [6] KVĚT, J. NEČAS, J. ONDOK, J.P.: Metody růstové analýzy (Studijní zpráva). Ústav vědeckotechnických informací, Praha, [7] KEPKA, P. BROM, J. PROCHÁZKA, J. VIN- CIKOVÁ, H. PECHAROVÁ, E.: Vývoj nástrojů GIS pro rozhodovací proces při radiologické kontaminaci zemědělské půdy. 18(56), No. 5 6, 2010, str [8] IAEA: Generic Assessment Procedures for Determining Protective Actions During a Reactor Accident. IAEA-TECDOC-955, IAEA, Vídeň, [9] LARCHER,W.: Fyziologická ekologie rostlin. Academia, Praha, [10] PRÖHL, G.: Radioactivity in the terestrial environment. In Scott, E.M. (ed.): Modelling Radioactivity in the Environment. Elsevier, Amsterdam; Boston, 2003, str [11] VINCIKOVÁ, H. HAIS, M. BROM, J. PRO- CHÁZKA, J. & PECHAROVÁ, E.: Use of remote sensing methods in studying agricultural landscapes a review. Journal of Landscape Studies 3, 2010, str [12] VINCIKOVÁ, H. PROCHÁZKA, J. & BROM, J.: Timely identification of agricultural crops in the Temelín NPP vicinity using satellite data in the event of radiation contamination. Journal of Agrobiology, 27, 2010, str [13] BROM, J. PROCHÁZKA, J. NEDBAL, V. VINCIKOVÁ, H.: Modul Biomasa_kontaminace pro ESRI ArcMap 9.2 ArcInfo. SW + návod k použití. Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, České Budějovice, 2013.