ІНСТИТУТ АГРОЕКОЛОГІЇ
УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК
УДК 631.413.2: 631.45.3: 633.88
ПЕРЕТЯТКО Євген Євстафійович
Стохастичні ефекти в процесах міграції радіонуклідів у навколишньому
середовищі
03.00.16 – екологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук
К И Ї В – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті агроекології Української академії аграрних
наук.
Науковий керівник доктор фізико–математичних наук,
старший науковий співробітник,
Ясковець Іван Іванович,
Інститут агроекології УААН,
головний науковий співробітник лабораторії радіоекологічного
моніторингу.
Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук,
професор, академік УААН
Тараріко Олександр Григорович,
Інститут агроекології УААН,
головний науковий співробітник відділу природокористування, охорони
навколишнього природного середовища та економіки наукових досліджень.
кандидат сільськогосподарських наук,
Фещенко Володимир Петрович,
Державний вищий навчальний заклад
„Державний агроекологічний університет”,
доцент кафедри загальної екології.
Захист відбудеться “12” березня 2008 р. о 11 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.371.01 Інституту агроекології УААН за
адресою: 03143,
м. Київ, вул. Метрологічна, 12.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту агроекології
УААН, м. Київ, вул. Метрологічна, 12.
Автореферат розіслано “ 11 ” лютого 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат сільськогосподарських наук Я.В.Чабанюк
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Однією із головних задач сучасного ведення
сільського господарства є отримання якісної, в екологічному розумінні,
продукції. Така задача вирішується на фоні значного антропогенного тиску
на навколишнє середовище. Так, у навколишнє середовище з різних причин
потрапила велика кількість забруднювачів, в тому числі радіонуклідів,
які розрізняються за часом життя, фізико–хімічними властивостями та
біологічною доступністю і значимістю.
На сьогодні, значний ступінь забрудненості сільськогосподарської
продукції пов’язується із штучними та природними радіонуклідами, які
потрапили в навколишнє середовище внаслідок аварії на ЧАЕС та при
спалюванні вугілля на теплових електростанціях. Це, в свою чергу,
приводить до значного ризику проживання населення на забруднених
територіях і споживання ним продукції виробленої на місці проживання.
Зокрема, колективна доза опромінення, обумовлена роботою теплових
електростанцій, перевищує відповідне значення від АЕС, що працюють у
штатному режимі.
В сучасних методах прогнозування радіоекологічного стану
використовуються математичні моделі процесів міграції радіонуклідів в
навколишньому середовищі, які базуються на припущенні про просторову
однорідність радіоактивного забруднення й однорідність властивостей
ґрунту.
Радіоактивне забруднення території, обумовлене аварією на Чорнобильській
АЕС, суттєво неоднорідне внаслідок як обставин вибуху на ЧАЕС, так і
характеру осідання радіонуклідів із атмосфери на поверхню ґрунту. Тому
забрудненість продукції, зокрема, рослинницької може змінюватися у
відповідності із флуктуаціями у величині забрудненості та властивостях
ґрунту, або, безпосередньо, у величині коефіцієнта накопичення.
Внаслідок спорадичних змін у раціоні харчування та використання
продукції із різним рівнем забруднення денне надходження полютантів в
організм людини є випадковою величиною. Із-за цього радіаційне
навантаження на населення, як показують безпосередні вимірювання за
допомогою лічильника випромінювання людини (ЛВЛ), має досить широкий
розподіл.
Існування неоднорідностей у забрудненості ґрунту та його властивостях
призводить до існування невизначеностей в оцінці ступеня забрудненості
продукції сільськогосподарського виробництва тваринного та рослинного
походження, а відтак і ризику проживання людини на забрудненій
території. Такі невизначеності носять принциповий характер і не можуть
бути усунуті шляхом удосконалення системи моніторингу забрудненої
території. Існування таких невизначеностей потребує розвитку нових
підходів до опису радіоекологічного стану забруднених радіонуклідами
територій та оцінки ступеня забрудненості сільськогосподарської
продукції та ризику проживання населення на забрудненій території.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась
згідно з тематичними планами Інституту агроекології УААН „Формування
сталих агроекосистем” і входила до науково-технічної програми
„Агроекологічний моніторинг і моделювання сталих агроландшафтів та
агроекосистем” (номер державної реєстрації 0101U003298) та підпрограми
“Агроекологічний моніторинг радіаційно забруднених територій України,
прогноз довгострокового застосування контрзаходів, розробка
альтернативних методів реабілітації сільськогосподарських угідь,
забруднених радіонуклідами” (номер державної реєстрації 0101U003295).
Мета і завдання досліджень. Мета досліджень – розробка теоретичних
підходів до визначення ступеня радіонуклідного забруднення
сільськогосподарської продукції та радіаційного навантаження на
населення, що проживає на радіаційно забруднених територіях Волинської
та Житомирської областей Українського Полісся, які б враховували
стохастичний характер міграції радіонуклідів харчовими ланцюгами рослина
– тварина – людина, рослина – людина.
Відповідно до мети досліджень були поставлені завдання:
розробити математичний метод визначення густини розподілу забрудненості
сільськогосподарської продукції, що вирощується на забруднених
радіонуклідами територіях з урахуванням стохастичного характеру
забрудненості території та фізико – хімічних властивостей ґрунту;
розробити математичний метод визначення густини розподілу радіаційних
навантажень на населення із урахуванням стохастичного характеру
надходження радіонуклідів в організм людини;
на основі аналізу експериментальних даних та теоретичного аналізу
визначити основні джерела надходження радіонуклідів (критичні
екосистеми) в організм людини, які обумовлють широкий спектр
радіаційного навантаження на населення;
розробити математичну модель міграції радіонуклідів у приватні
господарства досліджуваних населених пунктів із урахуванням тісної
взаємодії місцевого населення з лісовою екосистемою.
Об’єкт досліджень – міграція радіонуклідів трофічними ланцюгами.
Предмет досліджень –процеси накопичення радіонуклідів в окремих ланках
трофічних ланцюгів з урахуванням особливостей ведення господарства в
умовах Українського Полісся.
Методи досліджень:
метод функціональних похідних та метод функцій Гріна для аналізу
стохастичних рівнянь, які описують міграцію радіонуклідів трофічними
ланцюгами;
парне кореляційне наближення для знаходження функцій розподілу
радіаційних навантажень на населення;
статистичний підхід при знаходженні функції розподілу забрудненості
рослинницької продукції та радіаційних навантажень на населення на
основі експериментальних даних;
компартментний підхід при математичному моделюванні обігу радіонуклідів
у системі приватного господарства.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
розробці стохастичного підходу до оцінки ступеня забрудненості
радіонуклідами сільськогосподарської продукції та ризику проживання
населення на радіоактивно забрудненій території;
побудові математичної моделі обігу радіонуклідів у приватному
господарстві з урахуванням особливостей його ведення на території
Українського Полісся;
визначенні та аналізі вкладу критичних екосистем у загальне радіаційне
навантаження на населення населених пунктів Волинської та Житомирської
областей.
Практичне значення одержаних результатів. Запропонований метод
статистичного підходу може бути використаний для:
визначення ймовірності отримання сільськогосподарської продукції із
заданим рівнем забруднення в умовах ведення господарства на забруднених
територіях за умов неоднорідності властивостей ґрунту та його
забруднення;
оцінки ступеня ризику проживання населення на забрудненій території за
наявності широкого спектру забруднення основних дозоутворюючих
продуктів;
оцінки реального радіоекологічного стану в умовах взаємодії людини як із
агроекосистемою, так і з лісовою за допомогою використання побудованої
математичної моделі міграції радіонуклідів у системі приватного
господарства з урахуванням ландшафтних особливостей;
прийняття адекватних управлінських рішень щодо ведення господарства в
умовах радіоактивного забруднення та розробки стратегії поведінки
населення при проживанні на радіоактивно забрудненій території за
допомогою застосування моделі міграції радіонуклідів.
Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійним
дослідженням автора в якій проаналізовано відповідну наукову літературу,
висунуто робочу гіпотезу, спільно з науковим керівником обґрунтовано і
розроблено програму досліджень. Проведено всі математичні розрахунки,
побудовано модель міграції радіонуклідів харчовими ланцюгами, а також
виконана математична обробка та аналіз експериментальних даних,
отриманих в результаті експедиційних досліджень.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та
обговорювалися на: міжнародній конференції “Екологія: Проблеми адаптивно
– ландшафтного землеробства” (Житомир, 16 –18 червня 2005 р.); II–ій
міжнародній науково–практичній конференції “Екологія: Проблеми адаптивно
– ландшафтного землеробства” (Івано–Франківськ, 20 –22 червня 2006 р.);
міжнародній науковій конференції “Мікробні біотехнології” (Одеса, 11–15
вересня, 2006р.); міжнародній науково–практичній конференції “Роль
інформаційних технологій у забезпеченні конкурентоспроможності
підприємств” присвяченій 35–річчю кафедри інформаційних систем і
технологій (Полтава, 12–13 жовтня, 2006р.); на семінарах лабораторії
моделювання процесів в агроекосистемах ІАБ УААН; на міському семінарі із
проблем радіоекології (Київ, 2004, 2005 р.), на науковому семінарі із
проблем математичного моделювання та прогнозування стану довкілля
(Національний аграрний університет, 2004, 2005 р.).
Публікації. Результати досліджень за темою дисертаційної роботи
викладено в 10 наукових публікаціях, з них – 5 статей у фахових
виданнях.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 167
сторінках комп’ютерного набору, складається зі вступу, чотирьох
розділів, загальних висновків, рекомендацій для виробництва, списку
використаних 135 літературних джерел, з яких 45 – іноземною мовою.
Дисертація ілюстрована 25 таблицями, 24 рисунками, додатком.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета та основні
завдання досліджень, наведені наукова новизна і практична цінність
одержаних результатів.
Перший розділ дисертації присвячений аналізу математичних моделей
міграції радіонуклідів харчовими ланцюгами, що використовуються у
теперішній час та розгляду механізмів надходження радіонуклідів у
рослини як через кореневу систему, так і позакоренево.
Основні принципи математичного моделювання міграції радіонуклідів
харчовими ланцюгами передбачають розгляд динамічних математичних моделей
та їх класифікації згідно використання функцій утримання і коефіцієнтів
накопичення (наприклад, ECOSYS), або ж розгляду системи диференціальних
рівнянь і використанням ймовірностей переходу між компартментами
екосистеми (PATHWAY, COMIDA, ЕКОМОДЕЛЬ та інші). Проаналізовані недоліки
підходів, використаних при побудові згаданих математичних моделей
міграції радіонуклідів у навколишньому середовищі. Більш детально
розглянута ЕКОМОДЕЛЬ, складова частина якої, а саме “Лісова екосистема”,
покладена в основу виконаного в дисертації моделювання обігу
радіонуклідів на присадибних ділянках на території Українського Полісся.
Розглянуті основні механізми забруднення сільськогосподарської
продукції, які спричинені такими процесами як ресуспензія, вторинне
забруднення, кореневе надходження забруднення.
У першому розділі представлений, аналіз даних радіоекологічного
обстеження типових населених пунктів Українського Полісся: Волинської та
Житомирської областей, які найбільш постраждали внаслідок аварії на
ЧАЕС.
Приводиться загальна характеристика території Українського Полісся, що
вирізняється низинним рельєфом, широкими заболоченими річковими
долинами, позитивним балансом вологи, пануванням дерново–підзолистих і
болотних ґрунтів та високим рівнем ґрунтових вод. На Поліссі
спостерігається значна мозаїчність природних територіальних комплексів.
Характер рельєфу разом з геологічними і гідрологічними особливостями та
кліматичними умовами сприяє значному заболоченню і зволоженню Полісся.
Особливістю ґрунтового покриву Полісся є велика строкатість, зумовлена
рельєфом і характером ґрунтоутворюючих порід, глибиною залягання
ґрунтових вод.
Значну роль у ґрунтовому покриві Полісся відіграють болотні ґрунти. Луки
займають на Поліссі значні площі і є важливими природними кормовими
угіддями.
Важливою рисою радіоекологічної ситуації на території Українського
Полісся є неоднорідність радіоактивного забруднення території та
властивостей ґрунтів. Практично просторові масштаби неоднорідностей у
властивостях ґрунту мають порядок розмірів присадибних ділянок. В
результаті цього маємо широкий розкид у забрудненості практично всієї
сільськогосподарської продукції як рослинного, так і тваринного
походження, а відтак і широкий спектр розподілу радіаційних навантажень
на населення. Як правило, на досліджуваній території стандартне
відхилення (q забрудненості q сільськогосподарської продукції має
порядок середнього значення забруднення: (q (
. На розподіл
радіаційних навантажень на населення, чисто стохастичної природи,
накладається компонента, пов’язана із сезонною зміною раціону
харчування. Отже, аналіз особливостей радіоекологічної ситуації у даному
регіоні призводить до необхідності розвитку методів, які б дозволяли
знаходити імовірнісний розподіл значень забрудненості
сільськогосподарської продукції та спектр радіаційних навантажень серед
населення. Наводяться результати статистичної обробки даних, отриманих в
ході експериментальних досліджень на території Волинської та
Житомирської областей по вимірюванню вмісту радіонукліду 137Cs в
основних продуктах харчування та у типових групах населення.
У другому розділі дисертації перераховуються основні методики
досліджень, які були використані під час виконання експедиційних
досліджень для отримання експериментальних даних, необхідних для аналізу
радіоекологічної ситуації у досліджуваному регіоні Українського Полісся.
Такими даними є:
дані гамма-спектрометричного аналізу проб грунту, сіна, молока,
картоплі, овочів, грибів, тощо.
склад раціону харчування населення,
забруднення радіонуклідами основних компонентів раціону харчування,
вміст радіонуклідів в організмі людини,
використовувані населенням угіддя,
Представлені, також, основні фізико-хімічні показники ґрунтів.
У третьому розділі розглядаються два різних підходи до аналізу
радіоекологічної ситуації на території Українського Полісся із
урахуванням статистичних невизначеностей у вмісті радіонуклідів в різних
компартментах екосистеми. Перший підхід базується на статистичному
аналізі забруднення продукції радіонуклідами, яка входить до раціону
харчування, та знаходженні перших моментів розподілу за допомогою
описової статистики. Ці дані дозволяють знайти наближений аналітичний
вигляд функції розподілу забруднення даної продукції, а відтак, оцінити
долю урожаю, яка має забруднення у певних межах, або перевищує допустимі
значення. Розглядається спрощений вираз для отримання наближеної функції
розподілу. В рамках даної роботи для цієї мети використовується ряд
Еджворта.
Представлені функції розподілу, отримані в результаті теоретичних
розрахунків а також результати описової статистики, отримані на основі
вимірювань. Із приведених даних витікає, що співпадіння функцій
розподілу, отримане на основі ряду Еджворта з експериментальними
функціями розподілу досить добре у випадку, коли значення ексцесу та
асиметричності не набагато перевищують одиницю по абсолютному значенню.
У тому ж випадку , коли ексцес набагато перевищує одиницю як і значення
співвідношення кореня квадратного з дисперсії до середнього, слід
використовувати більше членів наближеного ряду, які включають моменти
більш високого порядку.
В основі другого підходу лежить ідея визначення функції розподілу
розв’язків стохастичного диференціального рівняння, яким описується
процес надходження радіонуклідів в живий організм. Такий підхід
ілюструється на прикладі людини і показано, що він дає можливість знайти
розподіл вмісту радіонуклідів серед населення. Суть методу полягає в
інтерпретації організму людини як динамічної системи, взагалі кажучи із
флуктуючими параметрами, на яку діють сили стохастичного характеру.
Така, n – компартментна, система описується системою n незалежних
диференціальних рівнянь:
(1)
описує швидкість надходження забруднення в і-тий компартмент із
зовнішнього середовища. Члени рівнянь із i = k ((ii ( 0) описують
швидкість біологічної елімінації радіонуклідів із і – го компартменту та
їх фізичний розпад. Швидкість ((t) надходження радіонуклідів в організм
людини визначається наступним чином:
, (2)
де Сi(t) – денне споживання продукту виду i (кг/день), а Vі(t) – вміст
радіонуклідів в i – му компоненті раціону (Бк/кг): VI(t)=KHQS(t), де КН
– коефіцієнт накопичення радіонуклідів, а QS(t) – питомий вміст
забруднення у ґрунті (Бк/кг).
, – дозу, усереднену по всіх можливих реалізаціях стохастичного процесу
((t).
Функція розподілу P(q(t)) навантажень q(t) на живий організм
визначається як функція розподілу розв’язків системи (1) при заданих
статистичних властивостях випадкових процесів ((t) і, взагалі кажучи,
(ik.
надходження радіонуклідів в організм розподілені в інтервалі часу
(0,T) не обов’язково рівномірно, їх число N розподілено у відповідності
із законом Пуассона з параметром
Величина ( має смисл частоти надходження імпульсів активності в живий
організм. Функція g(() описує форму імпульсів і не вважається випадковою
функцією.
.
визначається рівнянням:
(3)
Розглядається випадок, характерний для міграції радіонуклідів трофічними
ланцюгами, де кінцевою ланкою є людина. Метаболізм радіонуклідів 137Cs в
організмі людини представлений на рис.1. Тут k1 и k2 – коефіцієнти
обміну речовиною між компартментами 1(вхідне депо) і 2 (депо фіксації),
а k3 – коефіцієнт біологічної елімінації, а (р – постійна радіоактивного
розпаду.
Рис. 1 Модель метаболізму радіонуклідів 137Cs в організмі людини
У цьому випадку рівняння (3) приймає вигляд:
, (4)
((p ( 6.3(10–6 діб–1, k1(10.3 діб–1, k2 ( 0.52 діб–1, k3 ( 0.17діб–1).
Для функції розподілу у компартменті 1, після інтегрування по x2 в межах
(0, (), маємо:
(5)
визначаються рівняннями:
, де величина (–1 є тривалість імпульсу активності (час утримання їжі у
кишково – шлунковому тракті (0.16 діб), а ( множник порядку одиниці,
який залежить від форми імпульсу. Величина ((/( ( 0,5 (при триразовому
харчуванні (= 3 діб–1).
.
Суттєвий вклад у форму розподілу вносять основні “дозоутворюючі”
компоненти раціону – молоко, м’ясо і лісова продукція ягоди та гриби, з
високим рівнем забруднення. Ширина густини розподілу визначається, в
основному , дисперсією (2 ( (((((2(T2, де T, у випадку 137Cs , ( tst (
k1/k2k3 (100 днів. Представлена на рис.2 крива отримана за допомогою
функції Pq, у припущенні про гаусів розподіл величин Vi(t) з 25%
розкидом поблизу їх середніх значень. Статистичні дані про забрудненість
продукції представлені у табл.1. При оцінках вважалось, що доросле
населення можна віднести до одного статистичного ансамблю, наявність
груп, які використовують різко відмінний раціон не враховується.
Відмінності на рис.2 в обчислених та виміряних значеннях вмісту
радіонуклідів в організмі людини обумовлені використанням постійного
раціону, який носить, сезонний характер.
Таблиця 1
Характеристики основних компонентів раціону (c. Базар)
Назва продукту Раціон (гр./добу) Забруднення (Бк/кг) Дисперсія (Бк/кг)2
молоко 300 60 800
картопля 400 14 21
м’ясо 15 39 900
гриби 3 33572 103000000
лісові ягоди 50 3924 6164757
Рис.2 Теоретична функція розподілу та розподіл радіаційних навантажень
серед населення населених пунктів Житомирської області
У суттєвій частині, густини розподілу обчислені та отримані на основі
вимірювань ЛВЛ, співпадають. Слід зауважити, що дані вимірювань ЛВЛ
відображають вміст радіонуклідів в організмі людини лише на час
вимірювань і тому разові вимірювання носять лише проміжний оціночний
характер дозових навантажень.
параметрів метаболізму
Аналіз результатів обчислень та експериментальних даних показує, що
дозове навантаження на населення на території Українського Полісся та
значний його розкид визначаються, в основному, використанням лісової
продукції (гриби, ягоди) та природних кормових угідь – випасів та
сіножатей. Лісова продукція (гриби і ягоди, а також молоко та м’ясо)
мають значний вміст радіонуклідів з широким розподілом по абсолютному
значенню, а відтак обумовлюють наявність широкого спектру значень
дозових навантажень серед населення.
Характерні для даного регіону ґрунти мають дуже великі значення
коефіцієнтів переходу радіонуклідів із ґрунту в рослини (коефіцієнт
переходу сягає 300 – 400 Бк.кг–1/кБк.м–2). Отже, навіть не дуже великі
флуктуації у зовнішніх умовах (наприклад, гідрометеоумови), можуть
призвести до значних змін у забрудненні рослинницької продукції.
Пасовища є визначальними дозоутворючими джерелами в ланцюгу: пасовище –
сіно (трава) – ВРХ – молоко(м’ясо) – людина. На цій основі пасовища і
сіножаті, а також лісові екосистеми можна вважати потенційно критичними
у радіоекологічному розумінні.
Критичні екосистеми, їх ознаки, параметри, характеристики були
сформульовані в даній роботі вперше.
Рівень критичності екосистем визначається наступними ознаками:
Рівень радіонуклідного забруднення визначає можливість формування
забруднених радіонуклідами кормів та продуктів харчування. Ця умова
критичності необхідна, але не достатня.
Величиною коефіцієнтів переходу в системі “грунт – кормові рослини”
( або лісові продукти). Цей показник критичності дуже важливий, бо при
значних коефіцієнтах переходу навіть на мало забруднених екосистемах
можливо отримувати забруднені продукти харчування.
Критичність лісових екосистем визначається перевищенням рівнів
допустимих значень забруднення лісових продуктів.
Інтегральний показник критичності екосистем – це дозові навантаження на
населення, що пов`язане із визначеними критичними екосистемами.
?
A
L
v
x
3/4
A
i
o
–
?
?
Fx?L
L
N
P
3/4
o
o
j?
??
)Критичність екосистеми розглядається в радіоекологічному аспекті, коли,
внаслідок особливостей міграції радіонуклідів, рівень радіонуклідного
забруднення окремих ланок екосистеми може перевищувати допустимі рівні.
Контрольним елементом є людина, а саме: вміст радіонуклідів в організмі
людини, і доза при внутрішньому і зовнішньому опроміненні.
При аналізі населених пунктів, проведеному у третьому розділі,
використовується та обставина, що основним дозоутворюючим фактором для
жителів сільських населених пунктів (НП) є використання для годівлі ВРХ
сіна з лісових урочищ. Крім того, використання гною як органічних добрив
на присадибних ділянках, призводить до суттєвого підвищення вмісту 137Cs
у картоплі й овочах. На значення дозового навантаження впливає також
використання іншої лісової продукції, а саме: грибів і ягід.
Основними признаками наявності на досліджуваній території критичних
екосистем є високий рівень доз внутрішнього опромінення та високий
вміст Cs–137 в організмі людей; вміст радіонуклідів (Cs–137) у сіні,
молоці, м`ясі систематично перевищує контрольні рівні; високий ступінь
просторової неоднорідності радіоактивного забруднення; наявність поблизу
населених пунктів лісів.
Для отримання кількісного показника критичності екосистем було обчислено
дозове навантаження на людину.
Потужність дози визначається виразом:
, (7)
, Teff (137Cs)?100 днів. Тут час ефективного виведення радіонуклідів
із організму Teff = TrTb/( Tr +Tb), де Tr – час радіоактивного розпаду а
Tb – час біологічного виведення.
, де Aik – денний раціон продукту і (кг/день), Bik – забруднення і – го
компоненту раціону (Бк/кг), походженням з k – ї екосистеми.
Головним показником наявності критичних екосистем в населених пунктах
вважаються результати вимірювань вмісту 137Cs у пробах молока, як одного
із найбільш важливого компоненту раціону, а також в організмі людей за
допомогою ЛВЛ.
Під критичними екосистемами, в радіоекологічному контексті, розуміємо
такі екосистеми, параметри яких можуть під впливом зовнішніх чинників
змінитися, і зміна яких може помітно змінити радіологічні і
радіоекологічні показники (аж до перевищення допустимих рівнів), із
наступним збільшенням дозових показників для даного НП.
Головним критерієм при виборі населених пунктів, можна вибрати
результати вимірювань вмісту 137Cs у пробах молока, а також в організмі
людей. Після вибору населеного пункту необхідно визначити площі (городи,
рілля, пасовища), які мають найбільшу радіологічну значимість, та на яку
саме групу населення у даному НП вони впливають у першу чергу.
Параметри екосистем, критичних у радіоекологічному розумінні є:
рівень забруднення ґрунту урочищ (Кі/км2 або кБк/м2) і значення
відповідних коефіцієнтів переносу;
відносний внесок площі урочища у загальну площу та ступінь використання
угідь;
інтенсивність переносу радіонуклідів із урочищ на присадибні ділянки
(Бк/рік).
Для прогнозування внеску критичних екосистем у радіаційне навантаження
на населення необхідний моніторинг довкілля за наступними даними:
типи ґрунтів, що переважають; рівні забруднення ґрунту (кБк/м2); рівні
забруднення сіна (Бк/кг); структура ценозу (набір диких трав);
коефіцієнт переходу “грунт – дикі трави”, ((Бк/кг)/(кБк/м2));
агрохімічний склад, зокрема величина рН; забруднення молока, що
пов’язано з критичними урочищами (Бк/кг, Cs–137); квикор. (%) –
коефіцієнт використання урочища–сіножаті.
На підставі запропонованого підходу проаналізовані параметри природних
урочищ навколо населених пунктів: Галузія, Серхів та Прилісне і
визначені критичні урочища навколо цих сіл, узагальнені параметри яких
представлені у табл.2
Таблиця 2
Параметри критичних урочищ за їх внеском в радіоекологічний стан НП
Параметри критичних урочищ Галузія Серхів Прилісне
Загальна площа, га 40,8 66,9 48,6
Сума активностей, % 58,0 80,1 81,1
Коефіцієнт використання, kвикор., % 39,3 44,8 77,1
Для прикладу, в табл.3 наведені параметри урочищ поблизу с. Прилісне
(Волинська обл.)
Таблиця 3
Параметри природних урочищ навколо смт Прилісне
Назва урочища Площа урочища, що використовується, га Забруднення ґрунту,
Кі/км2 Типи ґрунтів, що переважають Врожайність урочища середнє, ц/га
Кіл–ть гос., що пов’язані з конкретним урочищем
Єлисей 150 1,21 торф+пісок 8 50
Глинське 70 1,20 торф’яно-болотний 10 23
Глибоке 103 1,00 торф’яно-болотний 9 34
Дворище 50 2,00 дерново-підзолистий супіщаний 7 16
Камениця 51 1,50 дерново-підзолистий супіщаний 6 17
Огуп (Угул) 100 1,00 торф’яно-болотний 8 33
Кругле 80 0,75 торф’яно-болотний 10 27
Дучін 100 0,60 торф’яно-болотний 9 30
Подібний аналіз був використаний також при дослідженні радіоекологічної
ситуації в Житомирській області для населених пунктів:
Лугинський район: сс. Повч, Рудня Вовчанська, Овруцький район: cс.
Делета, Селезівка, Червоно сілка, Коростенський район: c. Вороневе.
Аналіз наявних даних щодо забруднення лісової продукції показує
потенціальне існування критичних урочищ біля цих населених пунктів:
Вороневе: (Бехівське лісництво, квадрат 3, вид 14.) – забруднення сіна
3249 Бк/кг), Делета : (Бігунське лісництво, квадрат 7, вид 2, 5) –
забруднення сіна 8000 – 9200 Бк/кг), Селезівка: (Бігунське лісництво,
квадрат 53, вид 13, 15) – забруднення сіна 11000 – 13000 Бк/кг.
Біля села Червоносілка (Тхоринське лісництво, квадрат 9, вид 1)
спостерігається забруднення чорниць більше 1000 Бк/кг.
В урочищах Волока та Рудня Брід біля с. Рудня – Повчанська забруднення
сіна сягає приблизно 6000 та 4300 Бк/кг.
У четвертому розділі дисертаційної роботи розглядаються приватні
господарства, які знаходяться під впливом лісових та лугових екосистем
внаслідок антропогенного горизонтального переносу забруднення через
дрова, підстилку, гній та попіл.
Встановлено, що радіонуклідне забруднення деревини для палива на Волині
(у досліджуваних НП) складає всього 30 – 80 Бк/кг при її використанні
для опалювання садиби приблизно в межах 20 – 30 м3 в рік. Попіл (200 –
300 кг/рік), як правило, вносять як добрива. Це дає додаткову активність
3 – 4 % на рік до вже існуючої активності.
Внесення гною (2 – 5 тон/рік) на город дає додаткове радіонуклідне
забруднення ґрунтів на городах.
Експериментальні виміри (табл. 4) показали, що реальна кратність
збільшення забруднення ґрунтів городів, у порівнянні з ділянками, де
гній ніколи не вносився, дорівнює від 1,07 до 9,8 разів. Це свідчить про
помітний додатковий потік радіонуклідів із пасовищ та сіножатей на
городи.
Це надходження активності слід враховувати при аналізі та комплексній
оцінці радіоекологічної ситуації у районах радіонуклідного забруднення.
Таблиця 4.
Відношення вмісту Cs–137 у пробах ґрунту на городах, куди вносився гній
та попіл, до значення в пробах ґрунту на прилеглих ділянках, куди гній
та попіл не вносився
Назва
села Середнє значення Діапазон значень Діапазон значень питомої
активності (Бк/кг)
Градиськ 6,25 3,65– 9,82 18 – 195
Серхів 3,06 2,40 – 4,30 30 – 287
Галузія 2,82 1,07 – 4,28 44 – 356
Прилісне 1,88 39,20 – 220,00 39 – 220
Рівень денного вживання грибів для людей може сягати 8 – 20 г/день і
більше, що формує досить значний вміст радіонуклідів в організм людей.
При цьому діапазон забруднення усіх видів грибів становить від 500 до
35000 Бк/кг (суха маса) по Cs–137. Рівні забруднення лісової ягоди
чорниці становлять від 100 до 1400 Бк/кг по Cs–137. Споживання грибів та
ягід може давати збільшення індивідуальної дози внутрішнього опромінення
в середньому на 20 %, проте є багато сімей, де цей внесок більший.
Отже, згідно проведених досліджень, маємо помітний вплив лісових
продуктів харчування на формування дози у населення за рахунок
додаткового надходження радіонуклідів Cs–137 в організми людей із
лісової екосистеми.
Перенесення радіоактивності із однієї екосистеми в іншу, стимульований
діяльністю людини, є регіональною особливістю побуту населення в
Українському Поліссі і до сих пір не враховувався при математичному
моделюванні міграції радіонуклідів
Для кількісного аналізу радіоекологічного стану населених пунктів, за
умови тісної взаємодії населення із лісовою екосистемою потрібне
дослідження обігу радіонуклідів у лісовій екосистемі. Для опису лісової
екосистеми в моделі ПГ використана компартментний метод. Функціональна
схема лісової екосистеми представлена на рис.4 трьома агрегованими
блоками: ґрунт, лісові дерева та підлісок.
Рис. 4 Функціональна схема лісової екосистеми
Відповідна математична модель, записується у вигляді системи лінійних
диференціальних рівнянь типу:
(8)
де Сi – концентрація радіоцезію в і–му компартменті(Бк/кг), aji –
коефіцієнт швидкості переходу, згідно функціональній схемі,
радіонуклідів з j–го компартменту в i–ий за одиницю часу (у випадку
незв’язаних компартментів aji=0), ( – константа фізичного розпаду
радіонуклідів, fi – швидкість осідання (сухого та вологого) забруднення
із атмосфери на відповідний компартмент, де його концентрація становить
Ca, і=1,2,…,N, N – кількість компартментів, Ci0 – початкове значення
вмісту радіонуклідів у i – му компартменті. Ca – концентрація
забруднення у повітрі, а у величинах fi враховується значення біомаси
відповідного компартменту, який перехоплює забруднення із атмосфери.
При заданих початкових умовах Ci0 система рівнянь (8) розв’язується
чисельним методом Рунге–Кутта четвертого порядку точності.
На рис. 5 представлені модельні розрахунки вмісту радіонуклідів в
основних компартментах лісової екосистеми біля с. Рудня–Повчанська
(Лугинський район) у Житомирській області приблизно 130 км на південний
схід від Чорнобильської станції (51(09(П.Ш., 28(35(З.Д.). Початкове
забруднення (137Сs) на момент 1 травня 1986 року складало 555кБк/м2.
Грунт, в основному, дерново–підзолистий піщаний суглинок, який
характеризується низькими природними добривами та високим
водопроникненням. Домінуюча рослинність – сосна звичайна, середній вік
–50 років, в сусідстві з розкиданими по території лісу березами віком 25
– 30 років. Підлісок густий і складається з декількох видів чорниць,
перловика блакитного та різнотрав‘я.
Рис. 5 Динаміка накопичення Cs–137 в компартментах лісової системи,
розрахована за допомогою компютерної програми ECOMODEL
Представлені розрахунки якісно відповідають експериментальним даним,
отриманими робочою групою міжнародного проекту BIOMASS. Розходження у
величині забруднення деревини (( 20 – 40 %, по різних роках) можна
віднести на рахунок не врахування при обчисленнях впливу кліматично –
погодних умов.
Результати розрахунків дають підстави для приділення особливої уваги
веденню ПГ, що тісно пов’язані з лісом, в районах радіоекологічного
ризику, оскільки основними джерелами антропогенного надходження
забруднення на територію ПГ можуть бути деревина для опалювання будинків
та підстилка, трава і сіно, які інтенсивно використовуються населенням.
Як видно із концептуальної схеми міграції радіонуклідів (рис.4),
розробленої на основі проведеного аналізу, формуються три основних
потоки надходження радіонуклідів харчовими ланцюгами на територію
присадибних ділянок:
Перший основний потік Cs–137 формується на пасовищах і через продукти
тваринництва надходить до людини та формує в середньому 70% від
загальної дози.
Другий потік радіонуклідів формується за рахунок внесення “брудного”
перегною ( за натурними вимірами, 1000 – 8000 Бк/кг ) на городи, та
через городню продукцію до людини; цей внесок може становити в
середньому 10 % від основної дози.
Третій потік надходження радіонуклідів до людини у досліджуваному
регіоні пов`язаний із вживанням продуктів лісу – грибів, лісових ягід
та, вторинний, використання деревини як палива. Встановлено що це може
формувати доповнення до дози для людей 20%, і більше, від загальної
дози.
ВИСНОВКИ
Неоднорідність у радіонуклідному забруднення території та фізико –
хімічних властивостей ґрунту призводить до значного розкиду забруднення
сільськогосподарської рослинницької та тваринницької продукції.
Наявність широкого розподілу вмісту радіонуклідів у всіх видах харчових
продуктів та невизначеність раціону, призводить до значного розкиду
значень вмісту радіонуклідів в організмі людини. Як правило, 30 – 40 %
населення має більший вміст радіонуклідів за вказаний у довідниках по
Паспортизації населених пунктів. В такій ситуації середні
характеристики не адекватно відображують радіоекологічну ситуацію,
оскільки процес надходження радіонуклідів в організм людини є
стохастичним.
Для адекватної оцінки радіаційної ситуації в населених пунктах слід
використовувати функції розподілу радіаційних навантажень серед
населення.
Характерною особливістю радіоекологічного стану на території
Українського Полісся є раніше не обговорюваний механізм горизонтального
переносу радіоактивного забруднення, стимульованого антропогенною
діяльністю. Цей механізм обумовлений ландшафтними особливостями
території та побутом населення. Процеси переносу радіоактивного
забруднення із використовуваних урочищ на присадибні ділянки (сіно –
гній) призводять до збільшення вмісту радіонуклідів на присадибних
ділянках до 10 разів, а з лісу по схемі “дрова – зола – добрива”
призводить до 5 % збільшення активності щорічно.
Суттєвість горизонтального антропогенного переносу радіонуклідів вимагає
при розробці математичних моделей використання ландшафтного підходу,
який реалізований у даній роботі при розробці математичної моделі обігу
радіонуклідів у системі приватного господарства.
.
Основною задачею радіоекологічного моніторингу селітебних територій в
регіоні Українського Полісся є виділення критичних екосистем, які є
основними джерелами надходження радіонуклідів в організм людини і, в
основному, визначають ступінь ризику проживання населення на забрудненій
радіонуклідами території.
На забрудненій радіонуклідами території Українського Полісся сформовані
три основні потоки міграції радіонуклідів харчовими ланцюгами. Перший,
основний потік Cs–137, формується на пасовищах і через продукти
тваринництва обумовлює основну частину дози внутрішнього опромінення,
яка становить в середньому 70% від загальної дози. Другий потік
радіонуклідів формується за рахунок внесення “брудного” гною на городи,
та через городню продукцію надходить до людини; цей внесок може
становити в середньому 10 % від основної дози. Третій потік надходження
радіонуклідів до людини пов`язаний із вживанням продуктів лісу – грибів,
лісових ягід та використання деревини як палива.
Побудована модель обігу радіонуклідів у приватному господарстві дозволяє
оцінювати радіоекологічний стан у будь–якому регіоні Українського
Полісся та прогнозувати поведінку радіонуклідів в кожному компартменті
приватного господарства.
Розрахунки згідно побудованої моделі підтверджують ризиковий характер
господарювання на прилеглих до лісу ділянках землі, із–за дуже
повільного зниження концентрації Cs–137 в ґрунті та можливих сплесках
росту активності в таких компартментах як зелена біомаса та
м’ясо–молочні продукти, внаслідок зміни гідрометеоумов.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ
Для оцінки ступеня радіоактивного забруднення рослинницької продукції
слід використовувати методи із використанням функції розподілу
радіонуклідного забруднення рослинницької продукції, які дозволяють
оцінювати долю продукції із заданим вмістом радіонуклідів.
Проведений у роботі аналіз радіоекологічної ситуації на території
Волинської та Житомирської областей обґрунтовує використання методів
оцінок дозових навантажень на населення стохастичних методів із
використанням функції розподілу радіаційного навантаження.
Основною задачею радіоекологічного моніторингу селітебних територій в
регіоні Українського Полісся є виявлення критичних екосистем, які є
основними джерелами надходження радіонуклідів в організм людини.
Для прийняття управлінських рішень по організації та ведення сільського
господарства на місцевому рівні із урахуванням конкретних ландшафтних
умов рекомендується використовувати комп’ютеризовану модель екосистеми
приватного господарства, як складову частину загальної моделі обігу
радіонуклідів в екосистемах “ЕКОМОДЕЛЬ”.
Список робіт, опублікованих за темою дисертації
Ясковець І.І., Прокопенко Л.А., Протас Н.М., Перетятько Є.Є. Визначення
величини ймовірності вмісту радіоактивного забруднення в рослинницькій
продукції на території зі статистичними неоднорідностями забруднення.
Методичні рекомендації. – Київ. –РПВ ПДАА.–2004.–22 с.
Ясковець І.І., Тарасенко Р.О., Прокопенко Л.А., Перетятко Є.Є., Заїтов
В.Р. Моделювання міграції радіонуклідів у критичних агроекосистемах з
урахуванням горизонтального переносу. //Науковий вісник Національного
аграрного університету., –2005 р. – Вип.90.– с. 129 – 134.
Ясковец И.И., Прокопенко Л.А. Перетятко Е.Е., Протас Н.М. Определение
функции распределения радиационных нагрузок на население.
//Агроекологічний журнал, –2005 р.. –Вип. 3.– с. 52–57
Прокопенко Л.А., Романчук Л.Д., Перетятко Є.Є., Камишний О.В. Динамічна
модель міграції 137Cs по органах гусей у процесі їх росту.
//Агроекологічний журнал. –2006 р.. –Вип.1.– с. 79 – 84.
Перетятко Є.Є., Прокопенко Л.А., Ясковець І.І. Метод розширення
динамічних компартментних моделей міграції радіонуклідів у лісових
екосистемах. //Агроекологічний журнал. –2006 р.. –Вип.2.– с. 58 – 64.
Москалець В.В., Перетятко Є.Є. Москалець В.І., Протас Н.М.,
Полінкевич В.А., Мисловська О.І., Мисловський О.Л.. Вплив агрозаходів на
інтенсивність накопичення радіонуклідів у продукції рослинництва.
//Агроекологічний журнал, –2006 р.. –Вип.2.– с. 64 – 70.
Ясковець І.І., Кутлахмедов Ю.О., Писаренко П.В., Прокопенко Л.А., Протас
Н.М., Москалець В.В., Перетятко Є.Є., Москалець В.І. Принципи та методи
виявлення екологічних наслідків при оцінці критичних екосистем.
Методичні рекомендації. – 2006 р. – Київ
Ясковець І.І., Кутлахмедов Ю.О., Писаренко П.В., Прокопенко Л.А., Протас
Н.М., Москалець В.В., Перетятко Є.Є., Москалець В.І. Методика визначення
критичних екосистем та їх вкладу в радіаційне навантаження на населення.
Методичні рекомендації. – 2006 р. – Київ
Москалець В.В., Прокопенко Л.А., Перетятко Є.Є., Полінкевич В.А., Протас
Н.М., Пулинець А.С. Радіоекологічна ситуація на території Житомирського
Полісся. // Агроекологічний журнал. –2007 р. –Вип.1.– с. 55 – 62
Ясковець І.І., Кутлахмедов Ю.О., Кутлахметов В.О., Прокопенко Л.А.,
Москалець В.В., Протас Н.М., Перетятко Є.Є. Параметри критичних
екосистем на території Українського Полісся. // Агроекологічний журнал.
–2008 р. –Вип.1.– (у друці)
Анотація
Перетятко Є. Є. Стохастичні ефекти в процесах міграції радіонуклідів у
навколишньому середовищі. – Рукопис.
Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських
наук за спеціальністю 03.00.16 – екологія. – Інститут агроекології
Української академії аграрних наук, Київ, 2008.
У дисертаційній роботі викладені результати досліджень по розробці
стохастичного підходу до оцінки ступеня забрудненості радіонуклідами
сільськогосподарської продукції та ризику проживання населення на
радіоактивно забрудненій території. У роботі приведений метод для
визначення та аналізу вкладу критичних екосистем у загальне радіаційне
навантаження на населення населених пунктів Волинської та Житомирської
областей. На основі запропонованого підходу побудована математичну
модель обігу радіонуклідів у приватному господарстві з урахуванням
особливостей його ведення на території Українського Полісся. Побудована
модель надає змогу для прийняття адекватних управлінських рішень щодо
ведення господарства в умовах радіоактивного забруднення та розробки
стратегії поведінки населення при проживанні на радіоактивно забрудненій
території за допомогою застосування моделі міграції радіонуклідів.
Вперше проаналізовано та показано існування антропогенного
горизонтального переносу радіоактивного забруднення та наведено оцінку
реального радіоекологічного стану в умовах взаємодії людини як із
стандартною агроекосистемою, так і з лісовою.
Ключові слова: радіонуклід, цезій-137, міграція, моделювання,
забруднення.
Аннотация
Перетятко Е. Е. Стохастические эффекты в процессах миграции
радионуклидов в окружающей среде. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата сельскохозяйственных
наук за специальностью 03.00.16 – экология. – Институт агроэкологии
Украинской академии аграрных наук, Киев, 2008.
В диссертационной работе изложены результаты исследований по разработке
стохастического подхода к оценке степени загрязненности радионуклидами
сельскохозяйственной продукции и риска проживания населения на
радиоактивно загрязненной территории.
В работе приведен метод определения и анализа вклада критических
экосистем в общую радиационную нагрузку на население населенных пунктов
Волынской и Житомирской областей. На основе предложенного подхода
построена математическая модель миграции радионуклидов в частном
хозяйстве с учетом особенностей его ведения на территории Украинского
Полесья. Построенная модель предоставляет возможность для принятия
адекватных управленческих решений относительно ведения хозяйства в
условиях радиоактивного загрязнения и разработки стратегии поведения
населения при проживании на радиоактивно загрязненной территории с
помощью применения модели миграции радионуклидов. Впервые
проанализировано влияние антропогенного горизонтального переноса
радиоактивного загрязнения и приведена оценка реального
радиоэкологического состояния в частных хозяйствах в условиях
взаимодействия человека как со стандартной агроэкосистемой, так и с
лесной.
Характерные для Украинского Полесья неоднородности в радионуклидном
загрязнении и в физико–химических свойствах почвы приводят к
существенному разбросу значений загрязненности сельскохозяйственной
продукции и, следовательно, широкому распределению радиационных нагрузок
на организм человека. Исследована роль случайных флуктуаций в параметрах
метаболизма на перераспределение радионуклидов 137Cs между органами
человеческого организма, причем наиболее существенное влияние имеют
длинновременные флуктуации.
Ключевые слова: радионуклид, цезий-137, миграция, моделирование,
загрязнение.
summary
Peretyatko E. . Stochastic effects in processes of migration of
radionuclides in an environment. – The manuscript.
Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of
agricultural sciences candidste on a speciality 03.00.16 – ecology. –
Institute of agroecology UAAN, Kiev, 2008.
In this thesis the results of the stochastic approach to the estimation
of degree of nuclides pollution of agricultural production and risk of
residing of population on the territory polluted by radionuclides are
presented.
Dynamics of distribution of radionuclides on compartments of the human
organism is researched. Is shown the influence of fluctuation in
metabolic parameters on this distribution.
In thesis the method of definition and the analyze of contribution of
the critical ecosystems in the common radioactive loading on the
population of inhabited localities of the Volynsk and Zhitomir area are
presented. On the basis of the offered approach the mathematical model
of radionuclides migration in a private enterprise on territory of the
Ukrainian Polesie is developed. This model gives an opportunity for
acceptance of optimal administrative decisions concerning to agriculture
management in the conditions of radioactive pollution and for
development of strategy of behavior of population that residing on
radionuclides polluted territory
For the first time the anthropogenous horizontal transfer of radioactive
pollution is analysed and the estimation of a real radioecological
condition in inhabited localities with account of the interaction of the
population with agroecosystem, and forest are presented.
Keywords: radionuclide, Cesium-137, migration, modeling, polutation.
PAGE 20
k1
г
k2
k3
q1
q2
U
2
1
fu
а12
fl
а62
Блок
“Підлісок”
а23
ft
Блок
“Лісове дерево”
Блок
“Грунт”
а76
а27
а45
а34
Атмосфера, Са
Підстилка С2
Грунт С1
Мобільна та фіксовані фракції
Деревина
Корені підліску С7
Підлісок (надземний) С6
Листя С5
Корені С3
а21
1
2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
