Моделювання міграції радіонуклідів у типових схилових та гірських екосистемах України

УДК 004.942:504.064.3(477)(042.3)

МОДЕЛЮВАННЯ МІГРАЦІЇ РАДІОНУКЛІДІВ У ТИПОВИХ СХИЛОВИХ ТА ГІРСЬКИХ ЕКОСИСТЕМАХ УКРАЇНИ

21.06.01 - екологічна безпека

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі екології факультету екологічної безпеки Національного авіаційного університету

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, завідувач лабораторії радіоекології відділу біофізики та радіобіології, професор кафедри екології Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Георгієвський Володимир Борисович,

Інститут атомної енергетики імені І. Курчатова,

завідувач відділу математичного моделювання

доктор технічних наук, професор

Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного

простору НАН України,

головний науковий співробітник

Захист дисертації відбудеться “9” червня 2009 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.880.01 Державної екологічної академії післядипломної освіти та управління Мінприроди України за адресою: 03035, м. Київ, вул. Урицького, 35, корп. Б.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державної екологічної академії післядипломної освіти та управління Мінприроди України за адресою: 03035, м. Київ, вул. Урицького, 35, корп. Б.

Автореферат розісланий “24” квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М. М. Тимошенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Природні та техногенні катаклізми, які мають місце в Україні - повені в Карпатах, віддалені наслідки аварії на Чорнобильській АЕС, реальність проектних та позапроектних аварій унаслідок застосування небезпечних технологій, масоване хімічне та радіонуклідне забруднення значних територій тощо - виводять на перший план проблему оцінки і прогнозу стану різного типу екосистем. У зв'язку з цим необхідно обґрунтувати та розробити систему екологічних нормативів на припустимі рівні забруднення, що дозволить приймати оперативні рішення щодо безпеки людей та біоти типових екосистем України і рекомендувати ефективні профілактичні та терапевтичні контрзаходи із захисту біоти та населення, яке використовує такі екосистеми для виробництва, проживання й рекреації.

Особливо актуальні дослідження на схилових та гірських екосистемах, які мають достатньо швидкий перерозподіл радіонуклідів. Актуальність теми дослідження полягає у необхідності глибокого та детального вивчення природних умов і ресурсів схилових та гірських екосистем, можливостей усебічного раціонального використання їх в нових суспільно-економічних умовах, збереження та охорони ландшафтних комплексів з огляду на перспективи розвитку цих регіонів. Умови проживання та господарювання в горах суттєво відрізняються від рівнинних: через специфіку гірських ландшафтів та гірського клімату; розвитком та перебігом природних процесів, явищ, невластивих для рівнин, не завжди передбачуваних вчасно та прогнозованих; частотою небезпечних гідрометеорологічних ситуацій з катастрофічними наслідками, значними матеріальними і моральними збитками.

У силу цих обставин дуже важливими і актуальними є оцінка й прогнозування доз радіаційного опромінення людини для подальшого вивчення та оцінки ризиків, пов'язаних з аваріями на радіаційно-небезпечних виробництвах. Важливо правильно оцінити і спрогнозувати дози від викидів радіоактивних речовин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках теми: “Оцінка граничної радіоємності та екологічної ємності типових екосистем України по відношенню до різних антропогенних навантажень” (№ ДР 0103U005694), а також теми “Наукове обґрунтування технології стабілізації радіоємності екосистем і захисту рослин від природного ультрафіолетового проміння” за програмою “Новітні медико-біологічні проблеми та оточуюче середовище людини” (№ ДР 0104И007170).

Мета та завдання дослідження. Мета роботи - встановлення і дослідження параметрів та особливостей процесу міграції радіонуклідів у типових екосистемах України та математичне моделювання даного явища. Це дасть змогу мати методи і підхід для контролю, прогнозу та управління радіоекологічної безпекою для критичних “вразливих” екосистем України.

У зв'язку з цим були сформульовані наступні завдання:

1. Побудувати блок-схеми для камерних моделей вибраних екосистем схилового та гірського типу, прибережних зон України, визначити необхідні критичні та базові параметри переносу радіонуклідів в обраних екосистемах.

2. На базі експериментальних та літературних даних встановити і обрахувати величини і діапазон варіації числових параметрів швидкостей переносу радіонуклідів камерними моделями для типових схилових, гірських екосистем та прибережних зон України.

3. Побудувати та дослідити цикл камерних моделей для схилових, гірських та прибережних екосистем. Встановити основні шляхи, динаміку та розробити прогноз формування дозових навантажень для населення, що може використовувати вибрані типи екосистем.

4. Побудувати та дослідити цикл камерних моделей для схилових екосистем за умов використання захисних контрзаходів для зниження екологічної небезпеки населення та довкілля.

5. Дослідити можливість страхового захисту населення регіонів від радіаційних ризиків.

6. Дослідити математичну модель схилової екосистеми на стійкість. Провести аналіз впливу зміни параметрів системи диференціальних рівнянь, що описують цю модель, на рівень радіаційного забруднення компонент екосистеми.

Об'єкт дослідження: математичні моделі динаміки процесу перерозподілу та міграції радіонукліда Cs137 (як трасера стану екосистеми) компонентами ландшафтів схилових та гірських екосистем.

Предмет дослідження: особливості розподілу та перерозподілу радіонуклідів у типових схилових та гірських екосистемах, прибережних зонах України, забруднених у результаті аварії на Чорнобильській АЕС або в результаті інших радіаційних аварій.

Методи дослідження. У роботі були використані результати та дані натурних досліджень перерозподілу у схилових та гірських екосистемах, типових для території України, літературний аналіз поведінки даного поллютанта у схилових екосистемах. Було використано модифікований нами метод камерних моделей для моделювання радіоекологічних процесів у схилових та гірських екосистемах.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше розроблено і реалізовано метод оцінки та розрахунку параметрів камерних моделей схилових та гірських екосистем, прибережних зон України за даними моніторингу та за літературними даними.

Розроблена та побудована математична модель схилових та гірських екосистем, прибережних зон України з оцінкою формування дозових навантажень для населення на довгостроковий період. Така модель придатна для моделювання практично будь-якого типу екосистем, характерних для території України. Показано стійкість моделей за Ляпуновим.

Уперше показано за розрахунками на моделях, що, в залежності від параметрів камерних моделей схилових та гірських екосистем, формування дозових навантажень у населення може бути помітним, що потребує контролю та прогнозу з метою забезпечення екологічної безпеки та розробки необхідних контрзаходів.

Важливим науково-технічним досягненням роботи є розробка методу оцінки ефективності контрзаходів через параметри моделювання та конкретний аналіз ефективності вибраних контрзаходів, які можна застосовувати у екосистемах для управління потоками радіонуклідів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений у дисертації підхід дозволяє за даними моніторингу встановлювати базові характеристики та параметри камерних моделей схилових та гірських екосистем, прибережних зон України.

Розроблені математичні моделі схилових та гірських екосистем показують свою евристичність, можливість верифікації за даними моніторингу та довгострокового прогнозу радіоекологічної безпеки у досліджуваних типових екосистемах України.

Розроблені та використані в дослідженнях, математичні моделі мають універсальний характер і після прив`язки до конкретних натурних умов інших типових схилових та гірських екосистем, можуть бути корисні для оцінки, контролю і прогнозу їх екологічної безпеки, як для радіонуклідного забруднення так і для других полютантів. Такі моделі дозволять розробити систему страхового захисту населення в зоні природокористування схилових та гірських екосистем України. Результати роботи використані в лекційній роботі зі студентами.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто проаналізовано наукову літературу, написано статті за темою роботи; самостійно виконано аналіз та пошук необхідних для моделювання даних моніторингу; проведено розробку теоретичних моделей для опису явища розподілу радіонуклідів у схилових та гірських екосистемах, прибережних зонах України; підготовлено матеріали для публікацій; проведено апробацію досліджень на наукових конференціях; проведено статистичну обробку та аналіз результатів. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові дисертаційної роботи належить: [1] - розробка моделі екосистеми схилів, аналіз результатів моделювання міграції радіонукліда у вибраній екосистемі, [2] - розробка моделювання контрзаходів у екосистемі схилів, аналіз та вибір оптимальної системи контрзаходів, [3] - розробка моделі гірської екосистеми, аналіз результатів моделювання міграції радіонукліда у вибраній екосистемі, [4] - аналіз стійкості математичної моделі схилової екосистеми.

Апробація результатів дисертації. Під час дисертаційного дослідження проводилась апробація проміжних і остаточних результатів роботи шляхом оприлюднення на наступних науково-практичних конференціях:

1. VIII Всеукраїнська наукова конференція студентів, магістрантів і аспірантів “Екологічні проблеми регіонів України” (м. Одеса, 19-20 квітня 2006).

2. VII Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа-2006” (м. Київ, 25-27 вересня 2006).

3. Міжнародна науково-практична конференція “I Всеукраїнський з'їзд екологів” (м. Вінниця , 4-7 жовтня 2006).

4. III Міжнародна конференція молодих вчених “Розмаїття живого. Екологія. Адаптація. Еволюція”, присвячена 100-річчю з дня народження видатного українського ліхенолога М. Ф. Макаревич (м. Одеса, 15-18 травня 2007).

5. Міжнародна науково-практична конференція “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр” (м. Коктебель, 4-8 червня 2007).

6. VII Міжнародна наукова конференція студентів та молодих учених “Політ-2007” (м. Київ, 12-13 квітня 2007).

7. VII Міжнародні новорічні біологічні читання (м. Миколаїв, 21-23 грудня 2007).

8. V юбилейная региональная научная конференция “Техногенные системы и экологический риск”, Обнинский государственный технический университет атомной энергетики (г. Обнинск, Калужская область, Россия, 25-26 апреля 2008).

9. Міжнародна-науково практична конференція “Екологічні проблеми техногенно навантажених регіонів” (м. Дніпропетровськ, 14-16 травня 2008).

10. Міжнародна конференція “Радіоекологія: підсумки, сучасний стан та перспективи” (м. Москва, 3-5 червня 2008).

11. III Науково-практична конференція “Моніторинг навколишнього природного середовища: науково-методичне, нормативне, технічне, програмне забезпечення” (АР Крим, м. Коктебель, 22-26 вересня 2008).

12. IV Науково-практична конференція “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів. Оцінка і прогноз екологічних ризиків” (АР Крим, м. Гурзуф, 29 вересня - 3 жовтня 2008).

Публікації. За темою дисертації надруковано 16 наукових праць, із них
4 статті у фахових виданнях, 12 тез доповідей у збірках матеріалів вітчизняних та міжнародних конгресів, з'їздів, конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Матеріали дослідження викладено на
136 сторінках машинописного тексту. Робота складається зі вступу, аналітичного огляду літератури, розділів результатів досліджень, їх аналізу та узагальнення, висновків та переліку використаних джерел, що містить 117 найменувань. Дисертаційна робота ілюстрована 51 рисунками та 29 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, визначено об'єкт, предмет, мету та завдання роботи, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, подано відомості про апробацію та впровадження результатів експериментального дослідження.

У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано наукову літературу, статті за темою дисертаційного дослідження. Зокрема, розглянуто стан і перспективи розвитку ядерної енергетики в Україні та у світі в цілому. Наш час характеризується стрімким розвитком атомної енергетики: все більше зростають масштаби використання радіоактивних речовин та джерел іонізуючого випромінювання в промисловості, медицині, сільському господарстві, на транспорті. Немає жодної галузі народного господарства, де б в тій чи іншій формі не використовувалася атомна енергія. Вона вносить великий вклад у науково-технічний прогрес, підвищує ефективність виробництва. Але водночас, як показує досвід, великі запаси енергії атома, що використовуються, можуть нанести невичерпну шкоду та страждання не тільки теперішньому, але й наступним поколінням і поставити під загрозу існування людства в цілому.

У роботі розглянуто до уваги дві ситуації: короткочасний вплив сильнодіючого фактору та довготривалий вплив порівняно малоінтенсивного фактору у динамічних умовах схилових та гірських екосистем.

Важливим завданням є вивчення радіоекологічних аспектів впливу радіонуклідів на людину та навколишнє середовище - методів розрахунку та оцінки індивідуальних і колективних доз випромінювання для великих популяцій населення. Актуальними є також проблеми проживання людей і ведення ними господарства на великих територіях, забруднених радіонуклідами внаслідок Чорнобильської аварії, та прогнозування радіоекологічних процесів у майбутньому. Оптимальним рішенням цих проблем може стати моделювання і прогнозування радіоекологічних процесів типовими екосистемами України. Саме моделювання надає можливість оцінювати потенційні наслідки застосування різних стратегій оперативного керування, негативного впливу на екосистему різного виду забруднювачів.

У другому розділі розглянуто моделювання розподілу радіонукліда у різних типах ландшафтів України у випадку аварійних ситуацій. Виконано аналіз стійкості моделей щодо збурення початкових умов. Для моделювання вибрано типові схилові, гірські екосистеми та прибережна зона із залповою аварією на джерелі радіоактивного забруднення. В авторефераті розглянуто перші два випадки.

1. Для модельного дослідження була обрана типова схилова екосистема, що складається з дев'яти камер: ліс, узлісся, лука, тераса, заплава, вода озера, біота, донні відкладення, людина (рис. 1). Для моделювання було важливо вибрати таку екосистему, яка включає всі основні прототипи елементів екосистеми без зайвої деталізації.

Взаємодія між камерами задається за допомогою коефіцієнтів переходу радіонуклідів із однієї камери в іншу за одиницю часу, наприклад, - коефіцієнт переходу радіонуклідів із камери 7 (біота) в камеру 6 (вода) (доля радіонуклідів в камері біота, яка переходить до камери вода за одиницю часу). Дані коефіцієнти вибрані за натурними дослідженнями та залежать від крутизни схилу, характеру покриття (ліс, трава і т.д.), типу ґрунту (чорнозем, дерново-підзолистий, сірий-лісовий та ін.), об'єму стоку, температури повітря, напряму та сили повітря та інших метереологічних параметрів. Розрахунки цих коефіцієнтів базуються на реальних літературних та даних моніторингу у 30-км зоні ЧАЕС про швидкості розподілу та перерозподілу радіонуклідів в екосистемах, що і підтверджує адекватність моделювання.

Цей підхід утворює спеціальний метод розрахунку параметрів, який захищено патентом. Для дослідження міграції радіонукліда складена система диференціальних рівнянь першого порядку, кожне з яких характеризує певну камеру (з урахуванням розпаду радіонукліда для всіх камер, крім камери-людина).

Графічний розв'язок системи диференціальних рівнянь, що описують модель даної екосистеми, подано на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Камерна модель схилової екосистеми

m -запас радіонуклідів

у камерах (%)

t - час після забруднення (рік)

Рис. 2. Розподіл радіонуклідів для камер схилової екосистеми: 1 - камера-ліс; 2 - камера-людина; 3 - камера-узлісся; 4 - камера-лука; 5 - камера-тераса; 6 - камера-заплава; 7 - камера-вода; 8 - камера-донні відкладення; 9 - камера-біота.

Для камери ліс характерний плавний викид радіонуклідів вниз по схилу. Інші камери характеризуються поступовим збільшенням накопичення радіонукліда у камерах з досяганням пікових значень та наступним зменшенням їх вмісту.

Для камери людина максимальне накопичення радіонуклідів становить 22 % від запасу у всій екосистемі, що визначає дозове навантаження на популяцію людей, які користуються даною екосистемою. Основною складовою дози для людей є сільськогосподарська тераса, на якій виробляється сільськогосподарська продукція, що інтенсивно використовується людиною. Встановлено, що при реальних середніх значеннях параметрів зв'язку між камерами, модель дозволяє оцінити та спрогнозувати динаміку розподілу радіонуклідів та встановити значення піків забруднення та часу від можливої аварії на радіаційно-небезпечному виробництві.

2. Для модельного дослідження була обрана типова гірська екосистема, що складається з дев'яти камер: вершина гори, льодовик, альпійська лука, чагарники, ліс, пасовище, агрозона, вода та населення, що використовує ці території (рис. 3), і розглянуто моделювання міграції радіонукліда у цій екосистемі.

Взаємодія між камерами задається за допомогою коефіцієнтів швидкостей переходу радіонуклідів із камери в камеру за одиницю часу в один рік (тут використано значення коефіцієнтів, які отримані з натурних досліджень, літературних даних і розраховано за корисною моделлю, на що отримано патент).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нами розглядалося два випадки забруднення гірської екосистеми:

1) забруднення радіонуклідом відбулося безпосередньо на вершині гори;

2) радіонуклідне забруднення сталося одразу на кількох складових: вершині гори, льодовику та альпійському лузі.

Для кожного випадку складена відповідна система диференціальних рівнянь. Моделювання дозволяє розглядати будь-які варіанти забруднення екосистем. Другий випадок є найбільш ймовірною ситуацією у разі повітряного переносу радіонуклідів, зокрема після Чорнобильської аварії. Результати моделювання зображені на рис. 4 та рис. 5. За результатами досліджень наявна суттєва відмінність між наслідками забруднення у цих випадках. Найбільш небезпечним для людини є другий випадок забруднення, тобто забруднення великої частини гори: це підвищує величину прогнозованої колективної дози для населення (більш ніж у 3 рази). А знаючи відсоток надходження радіонуклідів до популяції людей, можна обчислити прогнозовану колективну дозу при різних запасах радіонуклідів в екосистемі.

m - запас радіонуклідів

у камерах (%)

t - час після забруднення (рік)

Рис. 4. Забруднення гірської екосистеми (забруднення вершини гори): 1 - вершина гори; 2 - людина; 3 - ліс; 4 - чагарники; 5 - трава альпійської луки; 6 - льодовик; 7 - пасовище.

m - запас радіонуклідів

у камерах (%)

t - час після забруднення (рік)

Рис. 5. Забруднення гірської екосистеми (рівномірне забруднення значної частини гори): 1 - вершина гори; 2 - трава альпійської луки; 3 - льодовик; 4 - чагарники; 5 - ліс; 6 - людина; 7 - пасовище.

Аналіз результатів моделювання показує, що відбувається інтенсивний перерозподіл радіонукліда в даній гірський екосистемі. Вміст радіонукліда в усіх камерах, крім першої мають пік, котрий пов'язаний з двома процесами - накопиченням та скиданням радіонукліда. Відбувається накопичення радіонукліда в популяції населення, що використовує дану гірську екосистему. Розрахунки за моделлю вказують на те, що частина радіонукліда, яка формує колективну дозу у людей, зростає у часі і досягає помітних значень 5,4 % від усього запасу у першому випадку та 17 % у другому. Це означає зростання прогнозованої колективної дози у разі рівномірного забруднення значної частини гори і визначає потенційно великий ризик забруднення екосистеми.

Для розробленої математичної моделі розповсюдження радіоактивного забруднення в екосистемах схилів, яка описана у вигляді системи лінійних диференціальних рівнянь зі сталими коефіцієнтами:

де - вектор невідомих з компонентами, які характеризують рівень радіоактивного забруднення () в камерах екосистеми схилів, - час у декадах (10 років), - матриця сталих коефіцієнтів радіоактивного розпаду і послідовного перенесення забруднення з однієї камери в іншу, проведено аналіз стійкості цієї системи диференціальних рівнянь. Характеристичний многочлен матриці має тільки від'ємні дійсні корені: Це свідчить про стійкість нульового розв'язку системи по відношенню до збурення початкових умов (стійкість за Ляпуновим) і асимптотичну стійкість системи, тобто можна стверджувати, що .

Розроблена математична модель стійка, тому дозволяє обчислити стан радіоактивного забруднення для різних випадків викиду радіоактивних речовин у схилових екосистемах та оцінити вплив цього забруднення на формування колективної дози для населення. Наявність такої моделі дозволяє оцінити дозові навантаження на біоту екосистем та на людей і тим самим встановити екологічні нормативи на припустимі скиди та викиди радіонуклідів (та інших полютантів) у схилові екосистеми та пропонувати ефективні контрзаходи.

У третьому розділі проведено аналіз ефективності запропонованих контрзаходів щодо зменшення дозового навантаження на популяцію людини. Однією з головних проблем радіоекології є міграція радіонуклідів у екосистемах. Ця проблема стала особливо гострою після аварії на ЧАЕС. І хоча минуло вже багато часу після катастрофи, наслідки її ми ще будемо відчувати не один десяток років. Ця проблема набула глобального масштабу, а її соціальні, економічні правові і моральні аспекти стали предметом широкого та гострого обговорення на всіх рівнях сучасного суспільства. Тому важливо правильно оцінити і спрогнозувати дози від викидів радіоактивних речовин. При оцінюванні радіоекологічної небезпеки основним (але не єдиним) критерієм є доза для населення - за нею можна прогнозувати ризик наслідків опромінення.

Одним з напрямків розробки контрзаходів можуть бути рішення, які здатні управляти розподілом і перерозподілом радіонуклідів в реальних ландшафтах. Основні процеси перерозподілу радіонуклідів відбуваються на схилових екосистемах на водозбірних площах річок, боліт і т.п. Таким чином, є потреба у створенні спеціальної системи контрзаходів, які здатні обмежувати міграцію радіонуклідів схилами і тим самим зменшувати екологічну небезпеку таких територій.

Для дослідження нами була обрана типова схилова екосистема із дев'яти камер: ліс, узлісся, луг, тераса, заплава, вода, біота, донні відкладення, людина (див. рис. 1) та запропоновані такі контрзаходи.

1) Побудова підпірних стінок між камерами. Побудова кам'яної (бетонної) стіни у ґрунті на достатню глибину, щоб зупинити рідкий та твердий стік (ерозію), і, таким чином мінімізувати міграцію радіонуклідів у нижчі елементи схилового ландшафту.

2) Побудова доріг. Дороги, заасфальтовані чи бетонні, за рахунок твердого покриття та кюветів можуть уповільнювати та переправляти стоки полютантів. Це може бути використано як один із варіантів вибору контрзаходів для зменшення дозового навантаження на людину.

3) Комбінований метод - “підпірна стінка та дорога”. Для моделювання та вибору оптимального контрзаходу було розглянуто комбінований метод. Результати моделювання дозволяють вибрати найбільш ефективний контрзахід.

Оптимальним варіантом серед розглянутих є той, який передбачає розміщення підпірної стінки і дороги між узліссям та лукою, оскільки тоді дозове навантаження для людини зменшиться до 4 % від запасу (замість 22 %) (рис. 6). Загальну картину щодо ефективності застосування оптимального контрзаходу зображено у табл. 1. Тут видно, що зменшення вмісту радіонуклідів спостерігається не тільки у камері людина, але і у камерах заплава, вода, біота і донні відкладення.

m - запас радіонуклідів

у камерах (%)

t - час після забруднення (рік)

Рис. 6. Графік накопичення радіонуклідів для камери людина: 1 - без застосування контрзаходу; 2 - із застосуванням контрзаходу.

Таблиця 1

Накопичення радіонуклідів у камерах з підпірною стінкою та дорогою між узліссям та лукою

Примітка. У дужках для порівняння наведені дані моделювання без застосування контрзаходу.

Моделювання радіоекологічних процесів у схилових екосистемах дозволяє вибрати оптимальну систему контрзаходів по захисту екосистем щодо формування дозових навантажень на людину. Моделювання показало, що оптимальним контрзаходом для захисту екосистеми є комбінація підпорної стінки та дороги, що проведені поперек схилу між камерами узлісся та лука. Це дозволяє зменшити дозове навантаження не менше ніж на 8-10 %. Розроблений підхід дозволяє для реальних ландшафтів вибрати оптимальний алгоритм та стратегію для різних контрзаходів.

У четвертому розділі розглянуто можливість застосування методу страхового захисту при радіаційному забрудненні в екосистемах. В останні роки вдосконалюється економічний механізм охорони навколишнього середовища України. Але основними недоліками економічного механізму є відсутність дієвих стимулів зниження негативного впливу на навколишнє середовище, відсутність належних умов для раціонального використання природних ресурсів та застосування ресурсозберігаючих технологій, а також недостатність обсягів платежів за забруднення навколишнього середовища та використання природних ресурсів. Ті ставки, що використовуються на сьогоднішній день у разі забруднення навколишнього середовища, не дозволяють ні попередити, ні компенсувати екологічний збиток.

Тому важливе значення має такий елемент економічного механізму охорони навколишнього природного середовища, як екологічне страхування. Отже, на нашу думку, повинне здійснюватися добровільне та обов'язкове державне екологічне страхування підприємств, установ, а також громадян, об'єктів їх власності на випадок екологічного та стихійного лиха, аварій та катастроф.

Метою нашої роботи було підрахування величини економічного збитку від радіоактивного впливу на здоров'я людей (виникнення злоякісних пухлин, спадкових ефектів), що мешкають на схилових ландшафтах для визначення фінансових гарантій з метою страхування ризиків. Урахування особливостей ландшафтів при оцінці радіаційних ризиків є доцільним, оскільки саме від типу ландшафту залежать швидкості міграції радіонуклідів і, як наслідок, прогнозована колективна та індивідуальна доза для населення. Тому це потрібно враховувати при підрахунках, які будуть визначати вартість страхових полісів.

Для підрахунку оцінки збитків від негативного впливу на здоров'я людини у випадку аварійних ситуацій нами були використані попередні дослідження розподілу радіонукліда у типових екосистемах схилів України. У разі виникнення аварійних ситуацій і викиду радіонукліда на екосистеми схилів колективна доза для населення нами була підрахована раніше в залежності від швидкостей міграції . Вона залежить від величини накопичення радіонуклідів у камері людина, де накопичення радіонуклідів складає 11 %, 22 %, 33 % при мінімальних, середніх та максимальних швидкостях міграції відповідно.

Підрахування збитків для мешканців населеного пункту у кількості 40000 чоловік при активності радіонукліда у 40 Кі на поверхні ґрунту даного населеного пункту виконувались за такою схемою (рис. 7). Проведені підрахунки показали результати, що зображені в таблиці 2.

Отже, зі збільшенням швидкостей переміщення радіонукліда по схилу збільшуються і величини колективних (від до ) та індивідуальних доз (від 0,75 мЗв до 6 мЗв) опромінення, і кількість потерпілих (від 210 до 1680 чоловік із 40000чол. населення), і економічний збиток нанесеної шкоди здоров'ю людини. Це веде і до збільшення персонального ризику захворювань, що спричиняють злоякісні пухлини та спадкові ефекти.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Схема підрахунку можливих збитків та прогнозованої кількості потерпілих

Таблиця 2

Значення прогнозованих доз та збитків при радіаційному забрудненні схилової екосистеми

Його значення можуть становити , та при мінімальних, середніх та максимальних швидкостях перерозподілу радіонуклідів. Значення персонального ризику та індивідуального персонального збитку будуть визначати вартість страхового полісу без нарахувань страхової компанії.

Зрозуміло, що при максимальних швидкостях міграції радіонуклідів потрібно не тільки використовувати страхування ризиків, але й застосовувати контрзаходи, бо вже при індивідуальній еквівалентній дозі у 0,5 Зв відбувається обов'язкове відселення.

ВИСНОВКИ

1. В даній роботі був реалізований новий перспективний напрямок радіоекології - розробка циклу камерних моделей щодо міграції радіонуклідів у типових екосистемах України з використанням інтегральних оцінок частки радіонуклідів, що переходять з камери до камери. Реалізація цього підходу дозволила встановити взаємозв'язок між основними вхідними та вихідними швидкостями, що описують взаємозв'язок між компонентами екосистеми, кількісно оцінити параметри моделі та скласти прогноз міграції радіонуклідів для різних швидкостей переходу радіонуклідів із камери в камеру.

2. Вперше проведено моделювання міграції радіонуклідів для найбільш типових екосистем України - схилових, гірських та прибережних зон України. Результати моделювання показали, що такі екосистеми характеризуються досить високими швидкостями розподілу і перерозподілу радіонуклідів, тому складають високу екологічну небезпеку регіонів України. Це дозволило обчислити величини прогнозованих колективних та індивідуальних доз опромінення населення, що використовують дані екосистеми. Сама величина колективної дози найбільш адекватно характеризує ступінь екологічної небезпеки території.

3. Для обраних типових екосистем України побудовано відповідні блок-схеми, вибрані параметри взаємозв'язку між камерами, за допомогою яких встановлені характер і динаміка розподілу радіонуклідів елементами екосистеми. Розглянуті різні варіанти швидкостей переходу радіонуклідів із камери в камеру. Це дозволило підрахувати значення персональних радіаційних ризиків населення в залежності від зміни швидкостей параметрів моделі екосистем.

4. Результати моделювання міграції радіонуклідів вперше показали суттєву різницю між розподілом радіоактивних речовин у різних типах екосистем, характерних для України. Схилові екосистеми мають помітну динаміку перерозподілу радіонуклідів від 11 до 33 % від запасу радіонуклідів у екосистемі.

5. Вперше показано, що вибір оптимальної стратегії проведення захисних заходів (контрзаходів) для мінімізації радіаційних ризиків повинен ґрунтуватися на аналізі та прогнозі радіаційної ситуації в різних типах екосистем та визначення тенденції в її зміні. Це зумовлює визначення прогнозованих оцінок вмісту, кількості радіонуклідів в основних структурних одиницях екосистем та оцінки ефективності контрзаходів. Отримані результати показують, що динамічні моделі, які описують основні особливості дії контрзаходів, можуть бути зручним та ефективним інструментом для оцінки необхідності проведення контрзаходів та обґрунтування оптимальних стратегій їх застосування.

6. Результати моделювання радіоекологічних процесів методом камерних моделей у екосистемах схилів надають можливість вибору ефективної системи контрзаходів. Проведені дослідження вперше показали, що найбільш ефективним із запропонованих контрзаходів на пізніх строках аварії є облаштування, зокрема, підпірної стінки та дороги між узліссям та лукою типової схилової екосистеми.

7. Дослідження моделей типових схилових, гірських екосистем України показали стійкість цих екосистем за Ляпуновим з достатнім запасом стійкості. Це дозволяє застосовувати метод камерних моделей для опису і міграції радіонуклідів будь-якими екосистемами України.

8. Вперше розглянуто можливість застосування методу страхового захисту як ефективного засобу управління екологічними ризиками в екосистемах. Для ефективного застосування страхового захисту населення потрібна чітка реконструкція доз опромінення населення постраждалих регіонів України. Моделювання радіоекологічних процесів методом камерних моделей дозволяє отримати набір таких моделей для прогнозу та динаміки формування доз і ризиків для населення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Петрусенко В. П. Оцінка і прогноз розподілу радіонуклідів у типовій екосистемі схилів для ландшафтів України / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов // Вісник НАУ. - 2006. - № 2. - С. 134-136. Особистий внесок: розробка моделі екосистеми схилів, аналіз результатів моделювання міграції радіонукліда у вибраній екосистемі.

2. Петрусенко В. П. Аналіз ефективності контрзаходів для захисту екосистем на схилових ландшафтах методом камерних моделей / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов // Вісник НАУ. - 2006. - № 4. - С. 163-165. Особистий внесок: розробка моделювання контрзаходів у екосистемі схилів, аналіз та вибір оптимальної системи контрзаходів.

3. Петрусенко В. П. Моделювання радіоекологічних процесів у гірських екосистемах, характерних для України / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов // Вісник НАУ. - 2007. - № 1. - С. 14 -17. Особистий внесок: розробка моделі гірської екосистеми, аналіз результатів моделювання міграції радіонукліда у вибраній екосистемі.

4. Петрусенко В. П. Аналіз стійкості динамічної моделі екосистеми щодо міграції радіонуклідів / В. П. Петрусенко, І. П. Шмаков, Ю. О. Кутлахмедов // Ядерна фізика та енергетика. Інститут ядерних досліджень. - Київ. - 2008. - № 2. - С. 73-77. Особистий внесок: аналіз стійкості математичної моделі схилової екосистеми.

Патент

5. Пат. 31886 Україна, МПК G 06 Q 50/00. Спосіб визначення параметрів стану екологічної безпеки екосистеми : Пат. 31886 Україна, МПК G 06 Q 50/00 Кутлахмедов Ю. О., Криворотько В. М., Родіна В. В., Матвєєва І. В., Петрусенко В. П., Галяткіна Т. М., Тихенко О. М. (Україна) ; Національний авіаційний університет ; Інститут міського господарства. - № u 2007 14048 ; Завл. 14.12.2007 ; Опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8 (2008). - 2 с.

Тези конференцій

6. Петрусенко В. П. Застосування методу камерних моделей для оцінки і прогнозу розподілу радіонуклідів у типових схилових екосистемах України / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов // Екологічні проблеми регіонів України : матеріали VIII Всеукр. наук. конф. студентів, магістрантів і аспірантів (Одеса, 19-20 квіт. 2006 р.). - Одеса : ОДЕКУ, 2006. - С. 196-197.

7. Петрусенко В. П. Дослідження ефективності контрзаходів по захисту екосистем від радіоактивного забруднення ландшафтів методом камерних моделей / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов // Авіа - 2006 : матеріали VII міжнар. наук.- техн. конф. - К. : НАУ, 2006. - Т. 2. - С. 32-35.

8. Петрусенко В. П. Моделювання та управління радіоекологічними процесами в схилових екосистемах для мінімізації ризику / В. П. Петрусенко //
I Всеукраїнський з'їзд екологів : матеріали наук.-практ. конф. (Вінниця, 4-7 жовт., 2006 р.). - Вінниця : УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2006. - С. 98.

9. Петрусенко В. П. Разработка и применение модифицированного метода камерных моделей в радиоэкологии / В. П. Петрусенко, И. В. Матвеева, Т. В. Галяткина, Ю. А. Кутлахмедов // Биоразнообразие. Экология. Адаптация : материалы III Междунар. конф. молодых ученых (Одесса, 15-18 мая 2007 г.). - Одесса : Печатный дом, 2007. - С. 258-259.

10. Петрусенко В. П. Дослідження ефективності застосування контрзаходів по захисту схилових екосистем від радіоактивного забруднення / В. П. Петрусенко // Екологічна безпека техногенно-перевантажених регіонів та раціональне використання надр : матеріали Міжнар. наук.-практ. конф. (Коктебель, 4-8 черв. 2007 р.). - К. : НПЦ “Екологія. Наука. Техніка”, 2007. - С. 143-146.

11. Петрусенко В. П. Оцінка динаміки поведінки радіонукліда в гірських екосистемах / В. П. Петрусенко // ПОЛІТ-2007 : матеріали VII Міжнар. наук. конф. студентів та молодих учених. - К. : НАУ, 2007. - С. 182.

12. Матвеева И. В. Применение теории радиоемкости и камерных моделей при исследовании разного типа экосистем / И. В. Матвеева, В. П. Петрусенко, Т. В. Галяткина, О. И. Тихенко, В. М. Криворотько // Міжнародні Новорічні читання : зб. наук. праць. - Миколаїв : МДУ імені В. О. Сухомлинського, 2007. - Вип. 7. - С. 195-198.

13. Кутлахмедов Ю. А. Моделирование процессов распределения и перераспределения радионуклидов в различных типах екосистем и оценка экологического риска для биоты / Ю. А. Кутлахмедов, В. В. Родина, И. В. Матвеева, В. П. Петрусенко, В. М. Криворотько // Техногенные системы и экологический риск : материалы V региональной науч. конф. (Обнинск, 25-26 апр. 2008 г.). Обнинск, 2008. - С. 71-75.

14. Кутлахмедов Ю. О. Особливості міграції та перерозподілу радіонуклідів у гірських екосистемах / Ю. О. Кутлахмедов, В. П. Петрусенко // Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф. “Екологічні проблеми техногенно-навантажених регіонів”, присвяченої 10-річчю кафедри екології. - Дніпропетровськ : Національний гірничий університет, 2008. - С. 71-73.

15. Кутлахмедов Ю. О. Теория и модели радиоемкости в современной радиоэкологии / Ю. О. Кутлахмедов, В. И. Корогодин, В. В. Родина, И. В. Матвеева, В. П. Петрусенко, А. Г. Саливон, А. Н. Леньшина // Междунар. конф. “Радиоэкология : итоги, современное состояние и перспективы” (Москва, 3-5 июня 2008 г.) : сб. материалов / под ред. Р. М. Алексахина. - Обнинск : Фабрика овсетной печати, 2008. - С. 177-193.

16. Петрусенко В. П. Моделювання та оцінка розповсюдження прибережними екосистемами / В. П. Петрусенко, Ю. О. Кутлахмедов, В. М. Криворотько // Матеріали третьої наук.-практ. конф. “Моніторинг навколишнього природного середовища : науково-методичне, нормативне, технічне, програмне забезпечення”. - К. : НПЦ “Екологія. Наука. техніка”, 2008. - С. 94-96.

17. Петрусенко В. П. Екологічне страхування як стимул до підвищення безпеки виробництва та природокористування / В. П. Петрусенко, І. В. Матвєєва, В. М. Криворотько, Ю. О. Кутлахмедов // Матеріали четвертої наук.-практ. конф. “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів. Оцінка і прогноз екологічних ризиків”. - К. : НПЦ “Екологія. Наука. техніка”, 2008. - С. 84-86.

АНОТАЦІЯ

екосистема радіонуклід гірський схиловий

Петрусенко В. П. Моделювання міграції радіонуклідів у типових схилових та гірських екосистемах України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. - Національний авіаційний університет, Київ, 2009.

У дисертації розглянуто моделювання радіоекологічних процесів у схилових та гірських екосистемах. Для аналізу екологічної безпеки у типових схилових та гірських екосистемах створені блок-схеми екосистем. З натурних даних та на основі теоретичного аналізу вибрані параметри швидкостей переходів полютанту (Cs-137). На цій основі проведено моделювання процесів міграції та перерозподілу радіонуклідів у екосистемах методом камерних моделей. Показано, що схилова та гірська екосистеми активно і досить швидко перерозподіляють радіонукліди. Найбільшу екологічну небезпеку становлять випадки, коли початковому забрудненню підпадає значна частина схилу. Тому, за допомогою моделювання можна оцінити та спрогнозувати динаміку розподілу радіонуклідів у таких екосистемах та встановити можливі дозові навантаження на людей, що використовують ці екосистеми.

Для аналізу ефективності контрзаходів щодо захисту екосистем від радіоактивного забруднення створена блок-схема схилової екосистеми. Проведено моделювання процесів міграції радіонуклідів в схилових екосистемах методом камерних моделей з використанням контрзаходів. Результати моделювання дозволяють оцінити та обрати оптимальний алгоритм вибору контрзаходів.

Розроблені камерні моделі типових схилових екосистем дозволили нам провести оцінку колективної дози та радіаційних ризиків для населення, що використовує ці екосистеми. На цій основі проведено розрахунок очікуваних збитків від дозових навантажень і оцінку колективних та індивідуальних ризиків та збитків. Запропоновано алгоритм та схему страхового захисту населення для даного типу екосистем. Показано, що даний алгоритм може бути застосований для страхового захисту людей в інших типах екосистем та радіаційних ситуаціях.

Ключові слова: екосистема, схил, екологічна безпека, камерні моделі, математичне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Петрусенко В. П. Моделирование миграции радионуклидов в типовых склоновых и горных экосистемах Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. - Национальный авиационный университет, Киев, 2009.

В диссертации рассмотрено моделирование радиоэкологических процессов в склоновых и горных экосистемах. Для анализа экологической безопасности в типичной склоновой экосистеме создана блок-схема экосистемы. Из натурных данных и на основе теоретического анализа выбраны параметры скоростей переходов поллютанта (Cs-137). На этой основе проведено моделирование процессов миграции и перераспределения радионуклидов в типичном склоне методом камерных моделей. Показано, что склоновая экосистема активно и достаточно быстро перераспределяет радионуклиды. В результате моделирования можно оценить и спрогнозировать динамику распределения радионуклидов в типичной склоновой экосистеме и установить возможные дозовые нагрузки на людей, которые используют части такой склоновой экосистемы.

Для анализа и моделирования радиоэкологических процессов в горных экосистемах, типичных для территории Украины, использован метод камерных моделей. На основе литературных и экспертных данных выбраны реальные значения скоростей обмена радионуклидами между элементами горного ландшафта. Нами использованы наши результаты, полученные при моделировании склоновых экосистем, которые были трансформированы к условиям горного ландшафта, где скорости перераспределения радионуклидов (Cs-137) значительно больше. Оценка экологической безопасности горного ландшафта, загрязненного радионуклидами проведена через оценку дозовых нагрузок на людей, которые используют типичную горную экосистему для получения продукции и для рекреации. Показано, что в горной экосистеме происходит быстрое накопление дозовых нагрузок для людей, что может составлять от 6 до 17 % от начального запаса в экосистеме. Наибольшую экологическую опасность составляют случаи, когда начальному загрязнению подвергаются все элементы горного ландшафта, а не только его вершина.

Для анализа эффективности контрмер по защите экосистем от радиоактивного загрязнения создана блок-схема склоновой экосистемы. Проведено моделирование процессов миграции радионуклидов в склоновых экосистемах методом камерных моделей с использованием контрмер. Результаты моделирования позволяют оценить и выбрать оптимальный алгоритм выбора контрмер.

Разработанные камерные модели типичных склоновых экосистем позволили нам провести оценку коллективной дозы и радиационных рисков для населения, которое использует эти экосистемы. На этой основе проведен расчет ожидаемых ущербов от дозовых загрузок и оценка коллективных и индивидуальных рисков и ущербов. Предложен алгоритм и схема страховой защиты населения для данного типа экосистем. Показано, что данный алгоритм может быть применен для страховой защиты людей в других типах экосистем и радиационных ситуациях.

Ключевые слова: экосистема, склон, экологическая безопасность, камерные модели, математическое моделирование.

SUMMARY

Petrusenko Valentina Pavlovna. Modeling of radionuclide migration in typical slope and mountain ecosystems of Ukraine. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of Engineering science іn specialty 21.06.01 - ecological safety. - National aviation university, Kyiv, 2009.

In the dissertation the following basic results of modelling of radioecological processes in slope and mountain ecosystems are submitted. For block-scheme of ecosystems were created for the analysis of ecological safety in typical of slope ecosystems. The parameters of speeds of transitions of the pollutant (Cs-137) were chosen based on the actual data and the theoretical research. According to those parameters, modelling of the processes of migration and relocation of radionuclides in a typical slope using the box models method was carried out. It was shown that slope ecosystems redistributed radionuclides guite actively and quickly. As a result of modelling it has become possible to estimate and to predict the dynamics of radionuclide distribution in a typical slope ecosystem.

The block-scheme of slope ecosystem was created for the analysis of the efficiency of counter-measures on protection of ecosystems from radioactive contamination. Modelling of processes of radionuclide migration in slope ecosystems was conducted by the application of the box models method with the use of counter-measures. The results of modelling allow estimation and selection of the optimum algorithm of counter-measures choice.

The developed boxes models of the typical slope ecosystems allowed us to carry out the estimation of the collective doze and radiation risk for the population that uses these ecosystems. The calculation of expected damages from the load dozes and the estimation of collective and individual risks and damages was carried out. The algorithm and the scheme of insurance protection of the population for the given type of ecosystems were proposed. It was shown that the given algorithm could be applied for insurance protection of people in other types of ecosystems and radiation situations.

Key words: ecosystem, slope, ecological safety, box models, mathematical modelling.

____________________________________________

Підписано до друку 22.04.2009 р. Формат 60х90/16.

Ум. друк. арк. 0,9. Обл.-вид. арк. 0,9.

Тираж 100. Зам. 31.

____________________________________________

«Видавництво “Науковий світ”»®

Свідоцтво ДК № 249 від 16.11.2000 р.

м. Київ, вул. Боженка, 17, оф. 414.

200-87-13, 200-87-15, 8-050-525-88-77

Размещено на Allbest.ru