РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 746-752
ИЗУЧЕНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИИ НА ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС
УДК 582:574:5391.047
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ В ДРЕВЕСИНЕ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ "БЛИЖНЕГО" СЛЕДА РАДИОАКТИВНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС
© 2007 г. А. Н. Переволоцкий*, И. М. Булавик, Т. В. Переволоцкая,
Л. А. Паскробко, С. Н. Андруш
Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие "Институт радиологии",
Гомель, Республика Беларусь
С использованием камерной модели поведения радионуклидов в лесных экосистемах проведена прогнозная оценка удельной активности 137Cs в древесине. Максимум удельной активности 137Cs в окоренной древесине отмечался в середине 1990-х гг., после чего предполагается снижение с периодом полууменьшения в 22-25 лет.
плотность загрязнения почвы, удельная активность, коэффициент перехода, модели накопления радионуклидов, древесина, хвоя, кора, сосна обыкновенная.
Одна из задач лесной радиоэкологии - прогноз распределения радионуклидов в лесном биогеоценозе для долговременного планирования лесо-хозяйственной деятельности и использования древесины на территории, загрязненной радионуклидами. Для этого был разработан целый ряд математических [1-4] и имитационных [5-14] моделей. В их основу положены различные модельные представления и допущения по особенностям поступления радионуклидов в лесную экосистему, описание поведения радионуклидов в почве, между ее отдельными слоями и в системе "почва-древесное растение".
Максимум удельной активности 137С$ в надземной фитомассе древесных растений, согласно большинству прогнозных расчетов и оценок, ожидался через 12-15 лет после аварийных выпадений. Однако фактически наблюдаемые наибольшие уровни удельной активности радионуклида в надземной фитомассе древесных растений могут существенно отличаться от расчетных в зависимости от древесной породы, возраста, условий местопроизрастания насаждения, интенсивности и характера радиоактивных выпадений и т.д. [15-17]. Так, в средневозрастных сосновых насаждениях на автоморфных почвах он был отмечен через 7-10 лет после аварии на "ближнем" следе аварийных выпадений и через 5-7 лет - на "дальнем" [9, 17].
*Адресат для корреспонденции: Республика Беларусь, 246654 Гомель, ул. Федюнинского, 16, Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие "Институт радиологии"; тел.: (375-0232) 51-95-54; факс: (3750232) 51-68-22; e-mail: rir@server.by.
Указанные расхождения между результатами прогнозных расчетов и фактически наблюдаемыми данными могут быть связаны с отсутствием в научной литературе в достаточном объеме информации о многолетнем перераспределении радионуклидов в лесных экосистемах, являющихся основой для верификации математических моделей. Большей частью эта информация приводится за 3-7-летний срок исследований и только в отдельных сообщениях [15-17] более чем за 10 лет.
Цель настоящей работы - прогнозная оценка удельной активности 137Св в древесине сосновых насаждений с помощью камерной модели на основе многолетних исследований миграции радионуклида.
ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Объектами исследований послужили чистые сосновые насаждения искусственного происхождения II класса возраста, произрастающие на территории "ближнего" следа аварийных выпадений на дерново-подзолистых песчаных почвах, сформированных на рыхлых песках. Проведенные исследования механического состава и агрохимических свойств почв [9] свидетельствовали об однородности этих показателей для различных опытных объектов. Так, доля частиц физической глины в верхних горизонтах почвы не превышала 2.5%, а фракции мелкой пыли (<0.005 мм) в гумусовом горизонте почвы - от 0.7 до 2.8%, максимальное содержание гумуса в верхних горизонтах составляло ~2%. Почвы опытных объектов имели низкое содержание основных элементов питания, высокую гидролитическую кислотность (в
Таблица 1. Лесоводственно-радиационная характеристика опытных объектов на момент их закладки
Ближайший населенный пункт, расстояние до ЧАЭС, направление Тип леса и условия местопроизрастания Возраст, лет Средние Бонитет Радиационные характеристики
диаметр, см высота, м мощность эквивалентной амбиент-ной дозы у-излуче-ния, мкЗв/ч на высоте 3-4 см/на высоте 1 м плотность загрязнения почвы 137С8, кБк/м2
Гнездинка. 34 км. ССЗ Мшистый, А2 20 8.3 9.2 II 4.24/3.10 481
Погонное. 26 км. С Мшистый, А2 25 11.6 12.8 I 17.9/13.0 2590
Крюки. 17 км. СВ Мшистый, А2 20 8.3 7.8 II 55.7/39.6 13875
Кулажин. 20 км. СВ Мшистый, А2 25 10.7 11.5 II 49.2/34.6 18870
Применение. Объект в Кулажине был заложен в 1993 г., остальные - в 1987 г.
верхних горизонтах 5-12 мг-экв/100 г), и как следствие, низкую степень насыщенности почв основаниями - 8-25%. Необходимо отметить также низкие значения рН водной и солевой кислотности. Водно-физические свойства почв, характерные для рыхлых песков, характеризовались низкой водоудерживающей способностью, большой водопроницаемостью, малым содержанием связанной влаги, невысокой плотностью. Подробная лесоводственно-радиационная характеристика опытных объектов приведена в табл. 1.
В каждом из опытных объектов ежегодно осенью проводили отбор элементов надземной фи-томассы древесных растений с одних и тех же модельных деревьев. Методика отбора проб древесины и коры описана в [18]. Отбор проб веток, хвои текущего и прошлых годов формирования проводили в соответствии с [19, 20].
Удельную активность в исследуемых образцах почвы и элементах надземной фитомассы определяли у-спектрометрическим методом с аппаратурной ошибкой измерений <20%.
Для сопоставления уровней накопления в элементах надземной фитомассы определялся коэффициент перехода (пропорциональности) или (Кп, п х 10-3 м2/кг) как частное от деления удельной активности радионуклида в том или ином элементе (Бк/кг) на плотность загрязнения почвы (Бк/м2). Данные по динамике Кп 137Cs приведены на рис. 1 [17]. На их основе были рассчитаны удельные активности в элементах надзем-
ной фитомассы сосновых насаждений при плотности загрязнения почвы 3700 кБк/м2 (100 Ки/км2) и активность в исследуемых элементах фитомассы на единице площади насаждения (кБк/м2) (табл. 2). Последний показатель был рассчитан исходя из таблиц хода роста сосновых насаждений [21].
Прогнозирование распределения 13^ в экосистеме соснового леса было проведено на основе
балансовой модели, отражающей перемещение радионуклидов между основными компонентами (камерами, компартментами) лесной экосистемы в виде потоков (кБк/м2), системой конечно-разностных аналогов дифференциальных уравнений I порядка (основные положения и ограничения данной модели изложены [5, 6, 22], поэтому остановимся только на дополнениях, использованных нами). Модель содержит 7 компонентов, между которыми возможен как прямой, так и транзитный перенос (например, из почвы в хвою) (рис. 2). В общем случае, активность в /-ой компоненте в следующем году (С/,, + А{) определяется активностью в /-ой компоненте (Сг (), пропорциональной доле радионуклида Ът,,, оставшейся в рассматриваемой компоненте в течение временного шага; активностью 13^ (Ст (), перешедшей из сопредельных т-компонент в рассматриваемую и пропорциональной некоторым коэффициентами (а/ т).
Система уравнений, описывающих распределение 13^ (номера уравнений совпадают с номерами компонент на схеме модели): минеральная часть почвы 0-20 см
С1, t + At Ът, 1 С1, t + а1, 6 С6, t + а1, 2 С2, t Ът, 1 = 1- а2, 1- а7, 1- а5, 1
древесина ствола (окоренная)
С2, t + At = Ът, 2С2, t + а2, 1 С2, t + а2, 4С4, t Ът, 2 = 1- а4, 2 а3, 2 а1, 2
кора ствола
С3, t + At _ Ът, 3С3, t + а3, 2С2,1 Ъш, 3 = 1 - аб, 3
ветки с корой
С4, t + At = Ът, 4С4, t + а4, 2С4, t + а4, 5 С5, t Ът, 4 _ 1- а5, 4 а2, 4 аб, 4
(1)
(2)
(3)
£п13^, п х 10-3 м2/кг 2
90.0 70.0
50.0 30.0
10.0 8.0 6.0
4.0 2.0
0.9 0.7 0.5
X
1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 Годы
Рис. 1. Многолетняя динамика Кп 137С8 в элементах надземной фитомассы сосняков мшистых II класса возраста на "ближнем" следе аварийных выпадений [17]. 1 - окоренная древесина, 2 - кора ствола, 3 - 1-летняя хвоя, 4 - 1-летние побеги, 5 - 2-летняя хвоя, 6 - ветки с корой.
хвоя 1- и 2-летняя
С5, г + Аг = Ьт, 5 С5, г + а5, 1 С1, г + а5, 4С4, г Ьт, 5 = 1- а1, 5 а4, 5 а6, 5
а63
Кора
а32
Хвоя С5, t 5
а45 а54
Ветки С4, t 4
а24 а42
2 Древесина С2, t
а65
а51
а12
а21
(5)
Подстилка
Сб ,
1
Почва 0-20 см
С1, t
а11
7 Почва >20 см
С7, t
Рис. 2. Блок-схема камерной модели перераспределе-
ния 137С8 в сосновом биогеоценозе.
подстилка
С6, г + Аг = Ьт, 6С6, г + аб, 5 С5, г + аб, 4С4, г + аб, 3 С3 Ьт, 6 = 1- а2, 1- а7, 1- а5, 1
минеральный слой почвы (>20 см)
С
7, г + А г
= Ьт, 7С7, г + а7,1 С1,
(6)
(7)
Распределение 137С8 в экосистеме происходит в период установившегося корневого поступления (с 1991 г.), поэтому вторичным аэральным загрязнением пренебрегаем. Модель дискретна с временным шагом 1 год и в течение этого срока усредняется сезонная динамика накопления 137С$, изменения его биологической доступности в почве и т.д. Параметры уравнений (Ьт ,, aj, т) считаются постоянными в течение моделируемого времени, что также приводит к увеличению ошибки прогноза. Учтен радиоактивный распад - сумма запаса радионуклидов во всех компонентах в текущем году должна была быть меньше по сравнению с прошлым на величину постоянной распада. Компонента "почва >20 см" условно отражает слой почвы, в который вносится 137Св за счет миграции, но из которого его выхода не происходит, а активность радионуклида убывает за счет радиоактивного распада.
Определение параметров уравнений и их ошибок (Ьт ,, а, т) проводили с использованием паке-
3
С
3, t
16
Таблица 2. Фитомасса (ц/га) и активность (кБк/м2) 137Cs в структурных компонентах сосняков на единицу площади насаждения
Элементы надземной фитомассы Активность 137Cs, кБк/м2
Годы хвоя минераль-
древесина кора текущего года прошлогодняя ветки подстилка ная часть 0-20 см всего
1991 843 70 64 29 38 44 51 17 133 3 3 1517 2183 3700
1992 882 92 67 26 38 55 5
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.