УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

Гаркавий Сергій Федорович

УДК 641.841.1+536.46+632.118.3

ОЦІНКА ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ВТОРИННОГО ЗАБРУДНЕННЯ РАДІОНУКЛІДАМИ НАВКОЛИШНЬОГО ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА ВНАСЛІДОК ЛІСОВИХ РАДІОАКТИВНИХ ПОЖЕЖ

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на оперативно-тактичній кафедрі Черкаського інституту

пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Шкарабура Микола Григорович,

Черкаській інститут пожежної безпеки

ім. Героїв Чорнобиля МНС України, ректор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Лисиченко Георгій Віталійович

Інститут геохімії навколишнього середовища НАН

та МНС України, м. Київ, завідувач відділом проблем

екологічної безпеки

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

Провідна організація: Міжгалузевий науково-технічний центр “Укриття”

НАН України, м. Київ

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

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

Автореферат розісланий “ 22 ” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | Жуковський Т.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Наукова новизна одержаних результатів:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- участь в проведенні натурних вогневих експериментів на радіоак-тивно забруднених лісах та луках.

Другий розділ роботи присвячений обґрунтуванню напряму, робочої гіпоте-зи, загальної методики та основних методів досліджень.

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

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

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

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

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

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

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

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

· прогнозні характеристики вторинного радіоактивного забруднення тери-то-рії та приземної атмосфери в ближньому та дальньому сліді визначаються на основі ланцюга умовних ймовірних явищ.

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

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

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

Експерименти показали, що концентрація радіонуклідів у повітрі в газодимовому шлейфі на висоті 1 м над поверхнею ґрунту спадає з віддаленням від джерела викиду. Цікаво відмітити, що концентрація ізотопів плутонію зростає з віддаленістю чи має локальний максимум. За експериментальними даними були знайдені коефіцієнти ресуспензії для паливного матеріалу (трава+підстилка) в діапазоні (8,0±4,8)Ч10-6 м-1 по 137Cs (4,4±2,6)Ч10-6 м-1 для 90Sr та повної щільності забруднення (ґрунт + трава + підстилка) в діапазоні (1,9±1,1)Ч10-7 м-1 по 137Cs та (1,8±1,5)Ч10-7 м-1 по 90Sr, а також швидкість ресуспензії для (трава+підстилка) в діапазоні (1,2±0,7)Ч10-6 с-1 для 137Cs і (5,2±4,2)Ч10-7 с-1 для 90Sr та і для повної щільності забруднення (ґрунт + трава + підстилка) в діапазоні (2,9±1,7)Ч10-8 с-1 для 137Cs і (4,7±3,8)Ч10-8 с-1 для 90Sr. При попередніх експериментах в жовтні 2001 р. одержані значення цих величин, які відрізняються від наведених, але мають той самий порядок значень. Таким чином одержані певні експериментальні натурні дані важливих характеристик газодимових шлейфів.

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

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

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

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

, [м4/с3] (1)

де G - швидкість виділення теплової енергії при пожежі, або теплова потужність пожежі [Вт]; - коефіцієнт об’ємного розширення газів [К]; Ср - питома теплоємність газу [Дж/кгЧК]; Q=U витрата газу [м3/с]; - площа джерела плавучості – площа пожежі, над якою формується газодимовий факел з конвективною колонкою; ра - щільність атмосфери, [кг/м3]; рф - щільність гарячого газу в факелі, при цьому ра < рф ; U - вертикальна швидкість газу в факелі; g’ = g(ра – рф)/ рф - прискорення сил плавучості.

Газодимовий факел пожежі розглядається як плавучий факел, в якому виконуються підтверджені експериментами дослідників автомодельні та інваріантні співвідношення, які проаналізовані в дисертації з позицій застосу-вання їх для розрахунків газодимових факелів пожежі. В цих співвідношеннях визначним параметром виступає потік плавучості, параметр стратифікації та швидкість вітру VВ.

Для траєкторії плавучого факелу справедливі асимптотичні співвідношення

(2)

де , VП - швидкість бокового вітру; С1,С2 - емпіричні константи, значення яких наведено в дисертації.

До цих формул додаються залежності Бріггса для осі факелу zф(x) для різних атмосферних умов. Це дає змогу в залежності від стабільності атмосфери прогнозувати траєкторії факелу від вертикальної при штилі до факела типу плюмаж, який стелеться по поверхні землі, що дуже важливо для визначення рівня вторинного радіоактивного забруднення, тому що притиснені до поверхні землі газодимові факели приводять до більшої концентрації радіоактивних аерозолів в приземних прошарках повітря та більшої щільності випадінь на поверхню.

П’ятий розділ присвячено розробці методу прогнозу вторинного радіоактив-ного забруднення місцевості в результаті радіоактивних лісових, торфових та лугових пожеж.

Сформульовані передумови методики прогнозування використан-ня балансу радіоактивності; врахування можливості вітрової ерозії радіоактив-ної золи та недопалу зі згарища; здійснення прогнозу за сценарієм песимістич-ним, оптимістичним та середнім; визначення імовірності виникнення пожежі, її площі та тривалості на основі узагальнення статистичних даних про частоту пожеж на територіях, для яких здійснюється прогноз; використання макрохарактеристик плавучих газодимових факелів та усереднення оцінок радіоактивного забруднення. Сформульовані прогнозні сценарії радіоактивних пожеж.

Схема балансу радіоактивності складається, виходячи для моменту часу до початку пожежі, кінця пожежі та після пожежного періоду, як показано на рис.1.

Наведені схеми балансу радіоактивності при лісових та лугових пожежах, та встановлені балансові співвідношення радіоактивності після пожеж.

На основі аналізу статистичних даних сформульовані початкові характе-ристи-ки для прогнозу радіоактивних лісових, торфових, лугових пожеж.

Для визначення теплової потужності пожежі в дисертації використані одержані в результаті статистичної обробки фактичних даних залежність між площею пожежі s та її тривалістю t

(3)

де a і b - емпіричні коефіцієнти, а також формула Теліцина, відповідно до якої S пропорційно t2 . В ці формули на основі аналізу даних лісової пірології в дисертації введений коефіцієнт повноти згорання лісових горючих матеріалів Kпс на стадії активного горіння.

Рис.1. Схема балансу рівня радіоактивності при лісових або лугових пожежах.

R - рівні радіоактивності (Кі,Бк): R - сумарний; Rгр. - верхнього шару ґрунту; RЛГМ - лісових горючих матеріалів; Rзол. - золи та недопалу; RГДФ - газодимового факела; Rгр.з - додаткова активність верхнього шару ґрунту внаслідок контакту з золою; Rв.е - золи, перенесеної вітровою ерозією; Rос – аерозолів, що осіли з газодимового факелу; Rгр. - сумарний верхнього шару ґрунту після пожежі; Rвт.з. - вторинного забруднення прилягаючої до пожежі місцевості; Rат - атмосферного повітря в дальньому сліді пожежі.

В результаті теплота пожежі G та теплова потужність пожежі визначаються за формулами:

, (4)

де Kф - коефіцієнт переходу тепла в газодимовий факел; 0 - середнє значення запасу лісових горючих матеріалів, м3/га; - теплова здатність лісових горючих матеріалів, Дж/м3; S - активна площа пожежі, га.

Розрахунок газодимового факела пожежі виконується за гауссовою моделлю, в яку введене перемінне значення висоти газодимового факелу hф(x) з допомогою універсальних графіків для концентрації радіоактивності в повітрі на рівні поверхні та концентрації радіоактивних аерозолів, що випали на поверхню у вигляді значення комплексу за координатами (x, y) в плані

(5)

які дозволяють просто визначити концентрацію радіоактивності в повітрі на рівні землі C(x,y,z=0), [Бк/м3] та концентрацію радіоактивних аерозолів зі швидкістю осідання Wg на поверхні землі при швидкості вітруVв і потужності виходу радіоактивності в газодимовий факел М0, [Бк/с]. В дисертації наведені вказані графіки для різних категорій стабільності атмосфери по Паскуіллу та висоти газодимового факелу hф. Для урахування фактору випадіння наведені відповідні графіки у вигляді M(x)/M0.

Гаусова модель факелу достатньо просто розраховується за відомими формулами або за наведеними в дисертації графіками, один з яких показано на рис.2 для точкового джерела. Для джерела пожежі з площею S необхідно інтегрування рішень для точкового джерела по площині S, форма якої наперед невідома. Тому в дисертації розроблена методика розрахунку еквівалентної пожежі, площа якої дорівнює площі прогнозованої пожежі, а також обчислюються сумарні та середні викиди радіоактивності в газодимовий факел, тобто виконується балансові співвідношення прогнозованої та еквівалентної пожежі.

Рис.2. Універсальний графік розподілу концентрацій радіоактивності для стану стабільності атмосфери A та висоти підйому факела hф = 10 м (факел типу плюмаж).

В еквівалентній пожежі реальна пожежа з площею S і сумарним виходом радіоактивності M [Бк/с] замінюється лінійною пожежею довжиною по осі у (поперек напрямку вітру) і рівномірно розподіленою по цьому лінійному джерелу потужністю виходу радіонуклідів M0 [Бк/мЧс], так що виконується рівняння балансу

M = M0 D (6)

Зона приземного забруднення та зона випадіння радіонуклідів на поверхню землі в еквівалентній пожежі складається зі смуги шириною D по напрямку вітру по осі х і бокових зон, які враховують поперечну дифузію радіонуклідів по бокових границях факела. Розподіл радіоактивних аерозолів в центральній смузі розраховується по залежностях для лінійного джерела викидів відповідно формулам, наведеним в дисертації, а розподіл в бокових зонах знаходиться за універсальними графіками, як показано на рис.3. при цьому розподіл концентрацій для лінійного джерела і точкових джерел приймається з урахуванням категорій стабільності атмосфери по Паскуіллу. Така схема є спрощеною, але додержання балансу радіоактивності, дозволяє використати її для прогнозних розрахунків.

Рис.3. Схема до розрахунку приземних концентрацій та випадіння по схемі еквівалентної пожежі.

a - джерело пожежі площиною S і потужністю викиду M (Бк/с);б - лінійне джерело викиду потужністю M; в - зона факелу лінійного джерела; г - бокові зони факелу; д - ізолінії значень С ґ VB /M і С ґ VB /M ґ wg для розрахунку концентрацій на рівні землі і випадіння на поверхню землі.

В роботі запропоновано приблизний спосіб розрахунку концентрацій радіоактивності на рівні земної поверхні з допомогою універсальних графіків для точкових джерел для пожеж з конечною площиною S.

При цьому за границі факелу беруться значення концентрацій, які дорівню-ють 0,1 концентрації на осі факелу.

По оцінкам С.І.Душа-Гудим в золі та недопалу на згарищі лісових пожеж знаходиться приблизно 97% радіоактивності лісових горючих матеріалів. Тому вітрова ерозія і перенос радіоактивної золи та недопалу є важливим фактором вторинного радіоактивного забруднення прилеглої місцевості при швидкостях наземного вітру ~10 м/с, а при більших швидкостях вітру, характерних для пилових бур та смерчів, зола та недопал із згарища може бути винесений на великі відстані. В роботі запропонований метод прогнозного розрахунку вторинного радіоактивного забруднення прилеглої місцевості, в якому за напрямком вітру на об’єкт забруднення визначається площа, на якій в складках місцевості та за рослинністю буде відкладатись радіоактивні зола та недопал.

За радіологічними характеристиками пожежі та її площі визначається сумарна радіоактивність золи та недопалу, розраховується середній рівень підвищен-ня радіоактивності на площі забруднення внаслідок відкладення золи та недопалу

rсер = R / S , [Бк/м2], (7)

У дисертації рекомендується розглядати три варіанти прогнозу: за песимістичним сценарієм, за оптимістичним і за середнім.

Песимістичний прогноз враховує найбільш несприятливі імовірності явищ, які приводять до вторинного радіоактивного забруднення з найбільшими рівнями забруднень в межах зміни балансу радіоактивних забруднень в джерелі пожежі.

Середньостатистичний прогноз враховує середні, медіанні імовірності явищ.

Оптимістичний прогноз оснований на урахуванні найбільш сприятливих імовірностей пожеж та їх характеристик. Цей прогноз, хоча і являє певний інтерес, але не має вирішального значення.

Загальні висновки

1. Встановлені особливості прояву лісових, торфових та лугових пожеж, що виникали після Чорнобильської катастрофи на радіаційно забруднених територіях українського Полісся та визначені їх статистичні параметри: періодичність, площі ураження, швидкість розповсюдження тощо.

2. На основі теорії плавучих факелів рекомендовані залежності для траєкторії факелу, висоти підйому, зменшення концентрації повздовж факелу при різних метеоумовах для газодимових факелів лісових пожеж. Згідно з наведеними в роботі формулами, визначною характеристикою факелу є потік плавучості.

На основі аналізу існуючих підходів до вирішення задачі переносу домішок газодимовими факелами з урахуванням практично доступної інформації про метеоумови найбільш прийнятною моделлю є гаусова модель.

3. Проведені натурні вогневі дослідження в зоні відчуження для контрольованих пожеж та виконана статистична обробка даних лісових радіоактивних пожеж. Встановлено, що розподіл імовірності пожеж за їх площею описується експоненційним законом, а площа пожеж пов’язана з їх тривалістю квадратичним двочленом.

4. Розроблена методика прогнозу імовірності радіоактивного забруднення територій, прилеглих до лісових масивів та торфовищ. У гаусову модель введена перемінна повздовж факелу, висота його підйому розраховується на основі автомодельних рішень для плавучих факелів.

Для практичних розрахунків запропоновано використовувати графіки залежностей C(x,y,z=0) Vв0 та C(x,y,z=0) Vв0 W2, які дозволяють розрахувати концентрації радіонуклідів на поверхні землі та їх щільність при випаданні аерозолів.

Для спрощення розрахунків прогнозних оцінок запропоновано метод експрес-прогнозу.

5. Розроблено алгоритм послідовності визначення початкових даних для прогнозу, розрахунку конкретних характеристик вторинного радіоактив-ного забруднення в песимістичному, оптимістичному та середньому сценаріях прогнозу.

6. Розроблена та рекомендована до впровадження прогностична модель вторинного радіоактивного забруднення територій на основі системного аналізу процесів міграції радіонуклідів при пожежах у лісах, забруднених радіонуклідами.

7. Вперше розроблена методика прогнозу вторинного радіоактивного забруднення внаслідок вітрової ерозії радіоактивної золи і недопалу та показано, що ця складова забруднення при відповідних метеоумовах може бути домінуючою.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гаркавий С.Ф. Лісові пожежі та пожежі на торфовищах на радіоактивно забруднених зонах як фактор розповсюдження радіонуклідів // Проблемы пожарной безопасности. – Харьков: ХИПБ, 2000. – Вып. 7. – С. 67 – 69.

2. Гаркавый С.Ф. Лесные пожары: ближний и дальний перенос продуктов горения //Проблемы пожарной безопасности. – Харьков: ХИПБ, 2000. - Вып. 8. – С. 37-40.

3. Шеренков И.А., Гаркавый С.Ф. Модель загрязнения земной и водной поверхности техногенными выбросами в атмосферу из точечных источни-ков.//Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, 2001. - Вип.12. – С. 88-93.

4. Гаркавий С.Ф. Повторне радіоактивне забруднення території внаслідок пожеж на торфовищах, забруднених радіонуклідами. Національна академія наук України, Міжгалузевий науково-технічний центр “Укриття”, об’єкт “Укриття” ДСП “Чорнобильська АЕС”. Науково-технічний збірник. Проблеми Чорнобиля, вип.10, у 2-х ч. Матеріали IV Міжнародної науково-практичної конференції “Об’єкт “Укриття”, 15 років: минуле, сучасне, майбутнє” 27-30 листопада 2001 р. Ч. 2. – Чорнобиль, 2002. – С.72-75.

5. Шеренков І.А., Гаркавий С.Ф. Макрохарактеристики газодимових факелів лісових та торфових пожеж. //Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, 2002. - Вип.18. – С.302-309.

6. Гаркавый С.Ф. Лесные пожары в 30-километровой зоне отчуждения ЧАЭС как источник вторичного загрязнения территории радионуклидами. Науковий вісник українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки. Науковий журнал №1(5), 2002. – С.177-181.

7. Шкарабура Н.Г., Гаркавый С.Ф. Метод прогнозного расчета вторичного радиоактивного загрязнения местности в результате радиоактивных лесных, торфяных и луговых пожаров// Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, 2003. – Вип.. 21. – С. 274-281.

8. Гаркавый С.Ф. Изменение баланса радиоактивности в фитоценозе при лесных и луговых пожарах //Міжнародний науковий семінар “Радіоекологія Чорнобильської зони”. Тезиси стендових доповідей. Міжнародна радіоекологічна лабораторія. Славутич, 2002. – С.96.

9. Кашпаров В.А., Лундин С.М., Левчук С.Е., Йощенко В.И., Кадыгриб А.М., Процак В.П., Малоштан И.Н., Гаркавый С.Ф. // Пожары в природных экоценозах на радиоактивно загрязненных территориях как фактор формирования радиоэкологической ситуации. Сб. науч. трудов. Предуп-реждение, ликвидация и последствия пожаров на радиоактивно загрязненных землях. Гомель ИЛ НАН Беларуси, 2002. – Вып.54. – С.145-147.

10. Дисперсный состав радиоактивных аэрозолей при луговых пожарах // Хомутинин Ю.В., Йощенко В.И., Процак В.П., Гаркавый С.Ф., Калетник Н.Н. Труды VI Конференции Международного Чернобыльского центра.– Международное сотрудничество – Чернобыль.– 2003. – С.249-250.

Особистий внесок здобувача: [3] – визначені залежності для розрахунку характеристик газодимових факелів пожеж на основі аналізу плавучих турбулентних факелів, [5] – виконаний аналіз рівнянь імовірності стосовно переносу концентрацій домішок газодимовим факелом, [7] – розроблена методика прогнозу вторинного радіоактивного забруднення місцевості внаслідок вітрової ерозії золи та недопалу, [9] – участь в складі групи при проведенні натурного експерименту з контрольованою пожежею.

Гаркавий С.Ф. Оцінка та прогнозування вторинного забруднення радіонуклідами навколишнього природного середовища внаслідок лісових радіоактивних пожеж. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 21.06.01 – Екологічна безпека. – Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Харків, 2004.

Дисертація присвячена розробці моделі та методики для прогнозування вторинного радіоактивного забруднення місцевості і атмосфери внаслідок пожеж в лісових масивах, торфовищах та луках, які були забруднені радіоактивними частками внаслідок Чорнобильської катастрофи.

Наведений огляд сучасної радіаційно-екологічної ситуації в регіонах України, які постраждали від Чорнобильської катастрофи, лісові, торфові та лугові пожежі на забруднених радіонуклідами територіях є одним із суттєвих факторів вторинного радіоактивного забруднення. В роботі наведена методика досліджень, дані вогневих експериментів в натурних умовах, в тому числі і з участю автора. Узагальнені дані публікацій про радіоактивність газодимових факелів та щодо вторинного радіоактивного забруднення.

Встановлено ланцюг подій процесу вторинного радіоактивного забруднення, найбільш впливаючи фактори цього процесу та їх стохастична або детермінована природа, що лягло в основу прогностичної моделі.

Запропонована модель для розрахунку вторинного радіоактивного забруднення вітровою ерозією радіоактивної золи та попелу зі згарищ.

Ключові слова: вторинне радіоактивне забруднення, модель, методика, прогнозування, баланс забруднення, лісні радіоактивні пожежі, газодимовий факел, осадження радіоактивних аерозолів, перенос радіоактивних забруднень.

Гаркавый С.Ф. Оценка и прогнозирование вторичного загрязнения радионуклидами окружающей природной среды в результате лесных радиоактивных пожаров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – Экологическая безопасность. – Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена разработке модели и методики для прогнозирования вторичного радиоактивного загрязнения местности и атмосферы в результате пожаров в лесных массивах, торфяниках, лугах подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате Чернобыльской катастрофы.

Приведен обзор современной радиационно-экологической ситуации в регионах Украины, пострадавших от Чернобыльской катастрофы, и особенно лесных биоценозов. Лесные, торфяные и луговые пожары на загрязненных радионуклидами территориях являются одним из существенных факторов вторичного радиоактивного загрязнения. Сформулирована методика исследований, приведены данные огневых экспериментов в натурных условиях, в том числе с участием автора. Обобщены данные публикаций о радиоактивности газодымовых факелов и вторичного загрязнения. Процессы вторичного радиоактивного загрязнения рассматриваются как цепочка событий, определяющие факторы и их стохастическую или детерминированную природу, что легло в основу прогностической модели.

В теоретическом обосновании прогностической модели при рассмотрении последовательности физических событий, определяющих перенос и вторичное радиоактивное загрязнение в результате лесного пожара, как марковских случайных процессов используется уравнение Колмогорова-Эйнштейна для вероятности, эквивалентом которого является уравнение турбулентной диффузии примеси в газодымовом факеле.

На основе теории плавучих турбулентных факелов и гауссовой модели предложены зависимости для высоты подъема газодымового факела в условиях штиля в стратифицированной атмосфере и подъема и траектории факела при сносящем боковом ветре.

Выдвинуто положение о необходимости составления и учета суммарного баланса радиоактивности в источнике пожара, изменением этого баланса в результате пожара и вынос за пределы пожарища суммарного количества радиоактивности, осаждения на прилегающую территорию, накрываемой газодымовым факелом и переноса ветровым течением мелкодисперсных аэрозолей в дальний след пожара.

В разработанной прогностической модели будущих возможных ситуаций используются вероятностные исходные параметры и метеофакторы и рассматриваются три вероятных сценария вторичного радиоактивного загрязнения: пессимистический наихудший, оптимистический наименее худший и средний. Исходные характеристики (частота пожаров, площади пожара) принимаются на основе выполненной в работе статистической обработки и анализа фактических данных, метеоданные для конкретной местности – по данным справочников.

Предложена модель для расчета вторичного радиоактивного загрязнения ветровой эрозией радиоактивной золы и пыли с пожарищ.

Приведена модификация модели для торфяных радиоактивных пожаров и луговых радиоактивных пожаров.

Ключевые слова: вторичное радиоактивное загрязнение, модель, методика, прогнозирование, баланс загрязнения, лесные радиоактивные пожары, газодымовой факел, осаждение радиоактивных аэрозолей, перенос радиоактивных загрязнений.

Garkaviy S. Estimation and prediction of secondary environment contamination by radionuclides as a result of wood radioactive fires. – A manuscript.

The thesis for a Doctor’s degree of the Candidate of Engineering Sciences on Specialty 21.06.01 – Ecological safety. – Ukraine scientific and research institute of the ecological problems, Kharkiv, 2004.

The dissertation is devoted to a working out of the model aimed the forecasting of he repeated radioactive pollution of the locality and atmosphere as a result of fires in forest, peat-bodges and meadows, what have been polluted by Chernobyl accidents. That forecasting is necessary for the planning social-economic development and the ecology situation on the territories, suffered by Chernobyl accident in Ukraine, Russia and Belorussia.

It is listed the survey of the to-day radioactivity ecology situation in the regions of Ukraine, that suffered by Chernobyl accident and especiallysituation of forest biocenosis.

In dissertation the methods of investigations have been formulated, presented the data of experiment during the controlled burning of forest or meadow ecosystems on prepared sites. The data of scientific publication on radioactive gaze-smoke plumes and repeated radioactivity pollution of territory are summarized.

On the base of fulfilled process there are defined the chain of events, the essential factors and their probabilistic or