.

Оцінка та прогнозування вторинного забруднення радіонуклідами навколишнього природного середовища внаслідок лісових радіоактивних пожеж (автореферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
166 3677
Скачать документ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

Гаркавий Сергій Федорович

УДК 641.841.1+536.46+632.118.3

Оцінка та прогнозування вторинного забруднення радіонуклідами
навколишнього природного середовища внаслідок лісових радіоактивних
пожеж

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на оперативно-тактичній кафедрі Черкаського інституту

пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Шкарабура Микола Григорович,

Черкаській інститут пожежної безпеки

ім. Героїв Чорнобиля МНС України, ректор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Лисиченко Георгій Віталійович

Інститут геохімії навколишнього середовища НАН

та МНС України, м. Київ, завідувач відділом проблем

екологічної безпеки

кандидат фізико-математичних наук, Вітько Валерій Іванович, Український
науково-дослідний інститут екологічних проблем, м. Харків, провідний
науковий співробітник

Провідна організація: Міжгалузевий науково-технічний центр “Укриття”

НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 24 ” червня 2004 р. о 14-00 годині на засіданні
спеціалізованої вченої раді Д 64.812.01 в Українському
науково-дослідному інституті еколгічних проблем за адресою: 61166, м.
Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського
науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул.
Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий “ 22 ” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Жуковський Т.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Після Чорнобильської катастрофи на території України
(Київська, Чернігівська та Житомирська, Рівненська та Волинська обл.)
утворилися зони радіоактивного забруднення (РЗ), перш за все це зони
відчуження, в якій значні площі займають ліси та торфовища. Так, в
Чернігівській області лісами зайнято 20,3%, торфовищами 5,37% території,
з них приблизно 20% лісів, радіоактивно забруднені стронцієм та цезієм з
рівнем 1 Ки/км2 та більше. Ще більш напружена картина в зоні відчуження
ЧАЕС.

Важливим і небезпечним фактором впливу лісових та торфових пожеж на
забруднених територіях України, Білорусі та Росії є перенос
радіонуклідів та розповсюдження (“розповзання”) їх по території, і, що
особливо небезпечно, створення при певних умовах радіоактивного смогу.

При лісових пожежах вигорає кора дерев та кущів, трав’яна підстилка та
гумус і більша частина радіонуклідів переходять в золу, недопал та
аерозоль. Вітром аерозоль, а також зола, переносяться на значну
відстань, забруднюють приземну атмосферу і осідають або вимиваються
дощами. При цьому певна частка радіонуклідів безпосередньо потрапляє в
органи дихання людей та худоби, забруднює території, на яких вирощуються
продукти харчування. Особливу небезпеку становлять смоги в зоні пожежних
факелів. Лісові та торфові пожежі створюють можливість трансграничного
переносу забруднень в прикордонних областях України, Білорусі та Росії.

Здійснення комплексу заходів щодо захисту населення й об’єктів народного
господарства при неминучому “розповзанні” плям радіоактивного
забруднення на територіях, що прилягають до зони відчуження ЧАЕС є
актуальною задачею як у теперішній час, так і майбутньому. Тому розробка
прогностичних моделей динаміки плям РЗ (збільшення площі плями, поява
нових, зміна рівня РЗ) на території, і реалізація цих моделей є
необхідною передумовою для прийняття обґрунтованих рішень, у тому числі
і попереджувального значення, для органів державного і місцевого
керування, у тому числі і для системи МНС.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний
напрямок дослідження з прогнозування вторинного радіоактивного
забруднення територій в зоні відчуження Чорнобильської АЕС внаслідок
лісових та торфових пожеж відповідає сучасним вимогам України і робота
виконувалася у відповідності з Постановою Кабінету Міністрів України від
15 лютого №192 “Про затвердження Положення про організацію оповіщення і
зв’язку у надзвичайних ситуаціях”, Законом України “Про захист населення
і територій від надзвичайних ситуацій техногенного та природного
характеру” та галузевим темпланом науково-дослідних та
дослідно-конструкторських робіт, спрямованих на мінімізацію наслідків
Чорнобильської катастрофи, затвердженим 8 лютого 2002 р. МНС України.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка прогностичної моделі
вторинного радіоактивного забруднення територій на основі системного
аналізу процесів міграції радіонуклідів при пожежах в лісах, забруднених
радіонуклідами, що дозволить застосовувати заходи щодо захисту населення
та управлінню екологічним станом регіонів ЧАЕС.

Для досягнення поставленої в дисертації мети були сформульовані такі
задачі досліджень:

1. Проведення статистичного аналізу лісових радіоактивних пожеж та їх
наслідків, в тому числі натурних вогневих експериментів.

2. Вивчення вторинного радіоактивного забруднення внаслідок штучно
створеної пожежі на полігоні з радіоактивно забрудненою рослинністю.

3. Наукове обґрунтування схеми зміни балансу радіоактивності та його
складових під час лісової пожежі і після неї.

4. Розробка і наукове обґрунтування прогнозної моделі вторинного
забруднення радіоактивністю території в зоні впливу лісової (торфової)
пожежі з урахуванням переходу радіонуклідів в золу, в газодимовий факел,
подальшого переносу повітряними течіями в дальню зону, а також вітрової
ерозії радіоактивної золи і переносу зі згарищ.

Об’єкт дослідження – процес розповсюдження радіоактивного забруднення
внаслідок лісових, торфових та лугових пожеж.

Предмет дослідження – вторинне радіоактивне забруднення повітря, ґрунту
і рослинності під час лісової пожежі і після неї.

Методи дослідження – радіоактивні аерозолі в нижньому шарі відбирали
ізокінетичними пробовідбірниками ІПА. Для визначення дисперсного складу
радіоактивних аерозолів було задіяно 5-каскадні імпактори ІБФ.

Гамма-спектрометричні вимірювання проводили за допомогою низькофонового
спектрометричного комплексу “ADCAM-300” (США), оснащеного германієвим
детектором “GEM-30185” з роздільною здатністю 1,78 кев на лінії 60Co
1,33 Мев. Активність 90Sr у пробах визначали за стандартним
радіохімічним методом. Хімічний вихід стронцію визначався шляхом
атомно-адсорбційної спектрометрії.

Активність екстрагованого 90Sr вимірювали шляхом радіометрії його
дочірнього радіонукліду, 90Y з використанням ? -, ?- радіометра
“CANBERRA-2400” (США)

Прогноз розповсюдження радіоактивних аерозолів в газодимовому факелі на
основі теорії плавучих факелів та гаусової моделі.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблена прогностична модель вторинного радіоактивного забруднення
територій на основі системного аналізу процесів міграції радіонуклідів
при пожежах в лісах, забруднених радіонуклідами;

вперше запропоновано застосування в моделях балансових співвідношень та
об’єктивних імовірнісних оцінок як виникнення лісових пожеж, так і
метеокліматичних факторів;

науково обґрунтовано та запропоновано методику розрахунку концентрацій
радіоактивності на рівні земної поверхні;

розроблена методика експрес-прогнозу вторинного забруднення
радіонуклідами чистих або відносно чистих територій внаслідок
радіоактивних лісових пожеж.

Практичне значення одержаних результатів. Проведені натурні вогневі
експерименти з контрольною пожежею на радіоактивно забруднених ділянках.
Досліджена динаміка переносу радіоактивного аерозолю, його траєкторія
випадення на поверхню ґрунту та одержані експериментальні дані за
характеристиками газодимових шлейфів, концентраціями в них радіонуклідів
та вторинним забрудненням прилеглих до пожежі територій.

Розроблена та запропонована до впровадження в МНС України прогностична
модель вторинного забруднення на територіях, що прилягають до зони
відчуження ЧАЕС. Використання моделі дозволить прогнозувати
розповсюдження радіоактивного забруднення внаслідок лісових пожеж та
приймати рішення для безпечного проживання населення на прилеглих
територіях.

Розроблені рекомендації щодо прогнозу вторинного радіоактивного
забруднення місцевості при лісних пожежах на територіях, постраждалих у
результаті Чорнобильської катастрофи. Рекомендується розглядати три
варіанти прогнозу: песимістичний, середній та оптимістичний.

Особистий внесок автора полягає в розробці математичної моделі на основі
використання сучасних досягнень теорії турбулентної атмосферної дифузії
та плавучих атмосферних факелів, розробці на основі цієї моделі методики
прогнозних розрахунків, особистій участі автора в натурному вогневому
експерименті, розробці пропозицій щодо імовірних прогнозів вторинного
радіоактивного забруднення для планування соціально-економічного та
екологічного розвитку регіонів, які знаходяться під впливом наслідків
Чорнобильської аварії.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи на всіх
стадіях її виконання доповідались на Міжнародному науковому семінарі
“Радіоекологія Чорнобильської зони” в 2002 р. в м. Славутичі, на IV
міжнародній науково-практичній конференції “Об’єкт “Укриття”, 15 років:
минуле, сучасне, майбутнє” в листопаді 2001 р. м. Славутич, на I та II
міжнародному симпозіумах “Безпека життєдіяльності в XXI столітті” в 2001
та 2002 рр. в м. Дніпропетровську, на міжнародній науковій конференції
“Предупреждение, ликвидация и последствия пожаров на радиоактивно
загрязненных землях” в 2002 р. у м.Гомель (Білорусь), на
науково-технічній конференції Харківського державного технічного
університету в 2001 та 2002 рр., на науково-технічних семінарах
Черкаського інституту пожежної безпеки імені героїв Чорнобиля МВС
України в 2002 р., VI Conference of the Internetional Chornobyl Center,
2003, Slavutych.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 статей та дві тези у
виданнях України, в тому числі затверджених ВАК (5 одноосібних, 5 – зі
співавторами).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти
розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 149
найменувань та 7 додатків на 28 сторінках. Обсяг роботи становить 163
сторінки машинописного тексту, в тому числі 13 таблиць та 74 рисунків на
36 сторінках.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі розглянута актуальність проблеми, визначена мета роботи та
основні задачі, викладені основні наукові положення і результати, що
виносяться на захист та їх наукова новизна, розглянута практична
значимість.

Перший розділ присвячений аналітичному огляду стану проблеми та наведено
обґрунтування напрямку досліджень.

Наведений огляд існуючої інформації про радіоактивне забруднення
територій, в тому числі й лісових масивів, після Чорнобильської
катастрофи та їх сучасного стану. Наведені карти сумарної площі
забруднених територій, яка складає більше 13 млн.га. Наведені посилання
на дослідження розподілу на територіях радіоактивних забруднень
внаслідок Чорнобильської катастрофи, виконаних в системі МНС України,
інститутами НАНУ і УААН, УкрНДІ лісового господарства та
агролісомеліорації, а також Інституту лісу НАН Білорусі та наукових
інститутів Російської Федерації.

Відмічається вклад в розвиток радіаційної лісової пірології українських
вчених: проф. Кашпарова В.О. зі співробітниками, Архіпова Н.П.,
Бар’яхтара В.Г., Кучми Н.Д., Іванова Ю.О., Краснова В.П., Федотова І.А.,
російських вчених: Душа-Гудим С.І., Гришина А.М., Валендик Є.Н.,
Арцибашева Е.С., Абдурагімова І.М., Огороднікова Б.І., Однолько А.А.,
білоруських вчених: Іпатьєва В.А., Уселі В.В., Гриба Ф.М.

Динаміка сумарного (ліси, болота, луги, орні землі) радіоактивного
забруднення по території, тобто “розповзання” мозаїчних плям забруднення
на території, ще вивчена недостатньо, що свідчить про актуальність
роботи.

Наведені дані, необхідні для прогнозування переходу радіонуклідів у
газодимовий факел і золу під час лісової пожежі (перш за все роботи
проф. С.І. Душа-Гудим). Відзначено, що продукти горіння, які надходять у
газодимовий шлейф, приводять до зростання концентрації радіонуклідів на
два-три порядки і перенос радіонуклідів може досягти до 59% їх вмісту в
горючому матеріалі.

Характерною в цьому відношенні була ситуація 1992 р., коли виникло
багато лісових радіоактивних пожеж. На постах контролю фіксувались піки
концентрацій радіоактивності, які перевищували фонові на один-два
порядки, а на відстані від джерела пожежі 5-10 км зафіксовано зростання
концентрації 137Cs у 8-10 разів. Розбіжність оцінок рівня радіоактивного
забруднення пояснюється тим, що формування газодимового факелу суттєво
залежить від конкретної метеорологічної ситуації на час пожежі,
виникнення конвективних течій повітря, ступеня вигорання лісової
підстилки, яка вміщує основну долю радіонуклідів, виду лісової пожежі і
т.д. Саме тому для прогнозу необхідний імовірнісний підхід і
найголовніше – урахування балансу сумарної радіоактивності в джерелі
лісової пожежі та тієї частки, яка переходить у газодимовий факел.

Розглянутий стан вивчення газодимових факелів на основі аналізу
фундаментальних праць Моніна А.С., Яглома А.М., Сеттона О.М.,
Прістлі С.У., Лайхтман Р.Л., Тернера Дж.Е., Роді В., Валендика Е.Н.,
Матвєєва П.Н., Сафонова М.А. та інших.

В результаті аналізу сучасного стану проблеми вибрані та обґрунтовані
напрямки досліджень за темою дисертації, а саме:

– розробка балансової моделі переходу радіонуклідів в газодимовий шлейф,
подальшої “долі” цих радіонуклідів (осадження на поверхню в ближній
зоні, перенос атмосферними течіями в дальню зону);

– розробка на основі існуючих підходів та моделей методу розрахунку
формування газодимового факелу радіоактивної пожежі, переносу
радіонуклідів та їх осадження на території, яка “накривається”
газодимовим факелом, а також вітрової ерозії радіоактивної зони та
недопалу;

– розробка на основі розгляду послідовності фізичних подій лісової
пожежі як марковського випадкового процесу методики імовірного
розрахунку переносу та міграції радіонуклідів при радіоактивних лісових
пожежах;

– участь в проведенні натурних вогневих експериментів на радіоактивно
забруднених лісах та луках.

Другий розділ роботи присвячений обґрунтуванню напряму, робочої
гіпотези, загальної методики та основних методів досліджень.

Найбільш суттєвим, на жаль, неминучим і погано контрольованим, фактором
є лісові, лукові та торфові пожежі на радіаційно забруднених територіях.
Саме тому конче необхідний імовірнісний прогноз таких явищ та їх
наслідків.

Для досягнення мети роботи сформульована така робоча гіпотеза: перенос
радіоактивних забруднень при лісових та торфових пожежах являє собою
певну послідовність в часі таких подій: лісова пожежа ? формування
газодимового факелу ? перехід радіонуклідів з лісових горючих матеріалів
в аерозолі та газову фазу газодимового шлейфу ? рух радіоактивно
забрудненого шлейфа під дією приземних вітрів у їх напрямку, дифузійне
розповсюдження радіоактивності в поперечному по відношенню до осі факелу
напрямку ? випадіння радіоактивних аерозолів на поверхню землі (“сухе”
випадіння без дощів та “мокре” випадіння при дощах) ? формування
додаткових плям радіоактивного забруднення територій в “ближній” до
джерела пожежі зоні та утворення підвищеного радіоактивного фону
приземного повітря як у “ближній”, так і в “дальній” зоні. Інтегрування
таких результатів за кількістю та ймовірністю лісових пожеж на масиві
дає узагальнений імовірнісний прогноз вторинного радіоактивного
забруднення лісового масиву та прилеглих до нього територій. Урахування
вітрової ерозії згарищ лісових пожеж дозволить брати до уваги цей дуже
важливий, а іноді й найбільш важливий фактор.

Методика дослідження враховує детерміновані та стохастичні особливості
окремих стадій процесу, який представлений у вигляді послідовності
вказаних вище явищ, характеристик та кінцевого результату.

При визначенні узагальненої методології дослідження для досягнення
поставленої мети прогнозу, тобто оцінки ситуації в майбутньому, автор
виходив із посилання, що більш-менш детальне математичне моделювання на
базі математичних рівнянь переносу з урахуванням непередбаченості
конкретних метеоумов, характеристик пожежі дає результат, який буде так
само імовірним, як і результат, одержаний з використанням більш
спрощених методів. Тому в дисертації автор використовує такі методи:

??визначення частоти та імовірності пожеж, типу пожежі, площі пожежі та
тривалості на основі статистичної обробки зібраних фактичних даних по
Чернігівській, Київській та Житомирській областях;

??запаси лісових горючих матеріалів та їх характеристик визначаються за
рекомендаціями лісової пірології;

??радіоактивне забруднення лісових екосистем визначається за існуючими
картографічними даними, а також результатами досліджень УкрНДІСГР, ДНІ
радіології НАНУ, публікаціями С.І. Душа-Гудим;

??аеродинамічні характеристики газодимового факелу розраховуються на
основі теорії турбулентних плавучих факелів за автомодельними
залежностями, які підтверджені порівнянням з фактичними лабораторними і
натурними даними в широкому діапазоні значень та гаусової моделі
переносу домішок в атмосфері з точкових джерел;

??прогнозні характеристики вторинного радіоактивного забруднення
території та приземної атмосфери в ближньому та дальньому сліді
визначаються на основі ланцюга умовних ймовірних явищ.

Третій розділ роботи “Експериментальні (натурні) дослідження та їх
методики” присвячений результатам основних натурних експериментів, які
являють собою штучно контрольовані пожежі на спеціально виділених і
облаштованих радіоактивно забруднених ділянках. Такі експерименти
проводяться підібраною і підготовленою командою і в останньому
експерименті брав участь автор.

Наведені дані результатів натурних огньових експериментів
(контрольованих пожеж) 1997 р., проведених УкрНДІСГР у Новозибківському
лісгоспі РФ 1993 р. (А.А. Однолько) та інших.

У 2001–2002 р. автор двічі брав участь у вогневих експериментах, які
проводилися групою співробітників УкрНДІСГР під керівництвом проф. В.О.
Кашпарова та к.б.н. В..І Йощенка на експериментальних ділянках розміром
60 х 60 м в районі с. Чистогалівка в зоні відчуження ЧАЕС з відбором
радіоактивних аерозолів в нижньому шарі повітря ізокінетичним
пробовідбірниками ІПА та вимірюванням осадження піднятого аерозолю з
використанням горизонтальних планшетів, покритих тканиною Петрянова.
Дисперсний склад аерозолів вимірювався за допомогою 5-каскадних
імпакторів ІБФ. У відібраних пробах вимірювались в лабораторії за
допомогою гама-спектроскопії активність радіоцезію та радіохімічним
методом 90Sr та паливних трансуранових елементів. Відносна похибка
вимірювань становила 10-20% для радіоцезію, 10-30% для радіостронцію, до
30% для плутонію. Під час експериментів у жовтні 2001 р. у приземному
шарі до висоти 500-600 м переважаючий вітер південно-західний швидкістю
2-5 м/с, а під час експерименту в квітні 2002 р. переважав північний
вітер з швидкістю приблизно 3 м/с.

Експерименти показали, що концентрація радіонуклідів у повітрі в
газодимовому шлейфі на висоті 1 м над поверхнею ґрунту спадає з
віддаленням від джерела викиду. Цікаво відмітити, що концентрація
ізотопів плутонію зростає з віддаленістю чи має локальний максимум. За
експериментальними даними були знайдені коефіцієнти ресуспензії для
паливного матеріалу (трава+підстилка) в діапазоні (8,0?4,8)?10-6 м-1 по
137Cs (4,4?2,6)?10-6 м-1 для 90Sr та повної щільності забруднення (ґрунт
+ трава + підстилка) в діапазоні (1,9?1,1)?10-7 м-1 по 137Cs та
(1,8?1,5)?10-7 м-1 по 90Sr, а також швидкість ресуспензії для
(трава+підстилка) в діапазоні (1,2?0,7)?10-6 с-1 для 137Cs і
(5,2?4,2)?10-7 с-1 для 90Sr та і для повної щільності забруднення (ґрунт
+ трава + підстилка) в діапазоні (2,9?1,7)?10-8 с-1 для 137Cs і
(4,7?3,8)?10-8 с-1 для 90Sr. При попередніх експериментах в жовтні 2001
р. одержані значення цих величин, які відрізняються від наведених, але
мають той самий порядок значень. Таким чином одержані певні
експериментальні натурні дані важливих характеристик газодимових
шлейфів.

Результати експерименту показали, що радіоактивність, яка перейшла в
газодимовий факел, є досить малою, і у випадку лугових пожеж підняті в
повітря радіоактивні аерозолі осаджуються поблизу джерела пожежі і таким
чином відбувається перерозподіл радіоактивності, розширення або
“розповзання” радіоактивності джерела пожежі по прилеглій території, але
у випадку експериментальної лугової пожежі значного перерозподілу
радіоактивності не відбулось. Це підтверджує висунуту автором тезу про
необхідність врахувати зміну балансу радіоактивності по території та
приземній атмосфері в ближній та дальній зонах (відносно джерела
пожежі).

Четвертий розділ присвячено аналізу і теоретичному обґрунтуванню
прогностичної моделі прогнозування вторинного радіоактивного забруднення
місцевості внаслідок лісових, торфових та лугових радіоактивних пожеж.
Процес вторинного радіоактивного забруднення території та атмосфери в
зоні впливу радіоактивної пожежі розглядається як марковський
імовірнісний процес – ланцюг стохастичних подій при стохастичних
зовнішніх умовах (метеоумови, характеристики вітру, стан приземної
атмосфери), коли початкове явище теж випадкове. Тому умовний розподіл
ймовірності значень випадкової функції концентрації радіоактивних
забруднень визначається відомим рівнянням Смолуховського, а щільність
імовірності визначається рівнянням Колмогорова-Ейнштейна. Такий підхід є
передумовою прогнозування вторинного радіоактивного забруднення
внаслідок радіоактивних пожеж.

Задача формування газодимового факелу вирішена на основі робіт
Бетчелора, Тернера, Роді по плавучих турбулентних факелах, в яких
показано автомодельність цього явища в широкому діапазоні – від
експериментальних лабораторних даних до великих пожеж.

Основним параметром плавучого газодимового факелу є потік плавучості
(buoyant flux) П, пов’язаний з об’ємною витратою газу в газодимовому
факелі Q співвідношенням:

, [м4/с3] (1)

6

6

f

h

o

Z

¬

®

????????\O¬

) – питома теплоємність газу [Дж/кг?К]; Q=(U витрата газу [м3/с]; ( –
площа джерела плавучості – площа пожежі, над якою формується газодимовий
факел з конвективною колонкою; ра – щільність атмосфери, [кг/м3]; рф –
щільність гарячого газу в факелі, при цьому ра

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Ответить

Курсовые, Дипломы, Рефераты на заказ в кратчайшие сроки
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020