ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

МІНІСТЕРСТВА ОХОРОНИ НАВКОЛИШНЬОГО ПРИРОДНОГО

СЕРЕДОВИЩА УКРАЇНИ

МАТВЄЄВА Ірина Валеріївна

УДК 577.344 - 616.3

МОДЕЛЮВАННЯ РАДІОЕКОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

МЕТОДОМ КАМЕРНИХ МОДЕЛЕЙ

ПРИ ОЦІНЦІ ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛОКАЛЬНИХ ЕКОСИСТЕМ

21.06.01 – Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі екології факультету екологічної безпеки Національного авіаційного університету.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Кутлахмедов Юрій Олексійович,

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

Захматов Володимир Дмитрович,

Інститут геохімії навколишнього середовища НАН і МНС України,

провідний науковий співробітник

доктор біологічних наук,

Дружина Микола Олександрович,

Інститут експериментальної патології, онкології і радіобіології

ім. Р.Є. Кавецького НАН України, завідувач відділу радіобіології

Захист дисертації відбудеться « 10 » червня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.880.01 Державного екологічного інституту Міністерства охорони навколишнього природного середовища України за адресою: 03035, м. Київ, вул. Урицького, 35.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного екологічного інституту Міністерства охорони навколишнього природного середовища України за адресою: 03035, м. Київ, вул. Урицького, 35.

Автореферат розісланий « ____ » травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 26.880.01 к. т. н., доцент Тимошенко М. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Постійне зростання масштабів використання радіоактивних речовин та джерел іонізуючого випромінювання в різних галузях промисловості, медицині, науці збільшує вплив іонізуючої радіації на всі компоненти природного середовища. Через це радіонукліди, що випали на територію України внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС, трофічними ланцюгами можуть формувати помітні дозові навантаження на населення України. Насамперед це довгоживучі радіонукліди 137Cs і 90Sr, які становлять основну екологічну небезпеку і мають біотичний характер, оскільки є аналогами макроелементів К та Са, які необхідні для рослин і тварин. В Україні проводиться досить систематичний і детальний моніторинг забруднення продуктів харчування, ґрунтів та води. Ведуться виміри вмісту 137Cs на лічильниках випромінювань людини (ЛВЛ) і за моделями вираховується очікувана доза для населення конкретних селищ. За даними моніторингу молока проводиться оцінка так званої паспортної дози.

Але окрім оцінок та моніторингу діючого стану екологічної безпеки для населених пунктів (НП) України є нагальна потреба, спираючись на ці дані, мати розрахунки за моделями довгострокового прогнозу радіоекологічного стану НП. Такий прогноз дозволить робити вибір та обґрунтування реальних контрзаходів для контролю та управління екологічною безпекою територій та населення забруднених сіл України. Тому розробка відносно простих математичних моделей динаміки розподілу радіонуклідів, що спираються на дані конкретних натурних досліджень, є важливою і актуальною проблемою сучасної екології. З одного боку, цей підхід дозволить в майбутньому мати діючу модель радіоекологічної безпеки для кожного конкретного НП. З другого боку, така діюча модель, що спирається на реальні властивості-параметри екосистеми даного НП, дозволить оцінити можливі екологічні ризики від інших полютантів (важких металів, гербіцидів тощо). Мова іде про встановлення узагальнених параметрів екологічної безпеки і екологічних ризиків, що характерні для даного НП.

В сучасній екології та радіоекології розроблено достатньо підходів та моделей для оцінки екологічної ємності та радіоємності для великих територій, але явно не вистачає методів і моделей, придатних для оцінки та прогнозу стану локальних екосистем для конкретних НП України. Тому конкретизація існуючих узагальнених підходів та моделей є актуальним і важливим завданням сучасної екології. Конче потрібно мати метод оперативного створення моделі екологічної безпеки для конкретних НП, з прив’язкою їх до конкретних умов будь-якого НП, для використання якого від екологів не вимагається спеціальної підготовки. Даний підхід дозволить включити до екологічного паспорту НП діючу математичну модель екологічної безпеки, що може бути верифікована за даними моніторингу. Наявність такої моделі дозволить мінімізувати об’єм та детальність моніторингу, а також прогнозувати критичні ситуації у даній екосистемі. Це дозволить встановити ліміти її екологічної ємності для обмеження надмірного антропогенного тиску на території досліджуваного НП.

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 0104U007170).

Мета та завдання дослідження. Мета роботи – моделювання процесу міграції радіонуклідів трофічним ланцюгом: ґрунт–кормові рослини–корова–молоко–людина, – в умовах Волинської області (за цезієм-137) на прикладі с. Галузія і в умовах Тернопільської області на прикладі с. Коцюбинчики (за стронцієм-90). Встановити параметри та дослідити особливості даного явища. Це дасть змогу мати методи і підхід для контролю, прогнозу та управління радіоекологічною безпекою для локальних екосистем НП України.

У зв’язку з цим були сформульовані наступні наукові завдання: –

зібрати та проаналізувати необхідні дані щодо особливостей радіоекологічної ситуації на території села Галузія Волинської області та села Коцюбинчики в Тернопільській області; визначити та дослідити радіологічно критичні екосистеми обраних для дослідження селищ; –

побудувати блок-схеми для камерних моделей екосистем обраних НП, визначити необхідні критичні та базові параметри переносу радіонуклідів трофічними ланцюгами; –

дослідити цикл камерних моделей для села Галузія Волинської області; встановити основні шляхи, динаміку та розробити прогноз формування дозових навантажень для населення даного селища; –

дослідити цикл камерних моделей для села Коцюбинчики у Тернопільській області; встановити основні шляхи, динаміку та розробити прогноз формування дозових навантажень для жителів даного села; –

провести порівняльний аналіз особливостей формування радіоекологічної безпеки у вибраних НП України та запропонувати шляхи управління екологічною безпекою та контрзаходи для мінімізації дозових навантажень; –

розглянути можливість використання запропонованого методу камерних моделей для аналогічних екосистем НП України.

Об’єкт дослідження: закономірності міграції радіонуклідів трофічними ланцюгами екосистем вибраних населених пунктів, забруднених у результаті аварії на Чорнобильській АЕС.

Предмет дослідження: математичні моделі динаміки процесу міграції радіонуклідів трофічним ланцюгом: ґрунт–кормові рослини–корова–молоко–людина, – в умовах Волинської області (по цезію-137) на прикладі с. Галузія і в умовах Тернопільської області (по стронцію-90) на прикладі с. Коцюбинчики.

Методи дослідження. У роботі було використано методи та дані натурних експедиційних досліджень вмісту цезію-137 (с. Галузія) та стронцію-90 (с. Коцюбинчики) у ґрунті, рослинах, молоці, коровах (прижиттєво) та у людей (вимірювання на ЛВЛ вмісту цезію-137 для населення с. Галузія), радіометричне

дослідження зразків по стронцію-90 за даними Тернопільської обласної санітарно-епідеміологічної станції (СЕС) щодо села Коцюбинчики; системний аналіз з побудовою блок-схем екосистем вибраних НП та математичне моделювання радіоекологічних процесів з використанням камерних моделей. Для математичних розрахунків використано програмний продукт MAPLE-5.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розроблено і реалізовано метод оцінки та розрахунку параметрів камерних моделей локальних екосистем за даними моніторингу та за літературними даними, використовуючи власну видозміну методу камерних моделей. В даній модифікації замість параметрів швидкості переносу радіонуклідів від одиниці ваги з кожної камери до камери було використано швидкості переносу частки радіонуклідів з камери до камери за одиницю часу (рік). Цей метод дозволяє узагальнити характеристики екосистем та отримати інтегральні характеристики процесу переносу радіонуклідів в екосистемі.

Вперше розроблена та побудована математична модель радіоекологічних процесів типових локальних екосистем з оцінкою формування дозових навантажень для населення на довгостроковий період. Така модель придатна для моделювання практично будь-якого типу локальних екосистем, характерних для території України, і може бути використана для оцінки екологічного стану будь-яких агроекосистем.

За розрахунками на моделях вперше показано, що, в залежності від встановлених параметрів камерних моделей, формування високих дозових навантажень у населення може здійснюватися відносно швидко (с. Галузія), або мати характер повільного накопичення (с. Коцюбинчики). Це означає принципово різну динаміку формування дозових навантажень, що може реально зустрічатися у різних локальних екосистемах України.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблений підхід дозволяє за даними моніторингу встановлювати базові характеристики та параметри камерних моделей будь-яких типів локальних екосистем.

Розроблені математичні моделі локальних екосистем вибраних НП характеризують евристичність і за даними моніторингу дають можливість верифікації ситуації та довгострокового прогнозу радіоекологічної безпеки у досліджуваних НП. Такі моделі мають універсальний характер і при застосуванні до конкретних натурних умов інших НП можуть бути корисні для оцінки, контролю і прогнозу їх екологічної безпеки, як для радіонуклідного забруднення так і для інших полютантів.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто проаналізовано наукову літературу; самостійно виконано пошук та аналіз необхідних для моделювання даних моніторингу; проведено розробку за участю керівника теоретичних камерних моделей для опису явища розподілу радіонуклідів у системі неадитивної взаємодії радіаційного та токсичного факторів; підготовлено матеріали для публікацій; проведено статистичну обробку та аналіз результатів. За участю наукового керівника проведено планування експериментальних робіт, інтерпретацію отриманих результатів, сформульовано завдання та висновки роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати та рекомендації дослідження доповідалися й обговорювалися на науково-практичних конференціях: VI міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених “Політ” (м. Київ, 2006); міжнародній конференції “Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды” (г. Сыктывкар, РАН, 2006); VIII Всеукраїнській науковій конференції студентів, магістрів і аспірантів “Екологічні проблеми регіонів України” (м. Одеса, 2006); ІІІ міжнародній конференції молодих вчених “Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution” (м. Одеса, 2007); міжнародній науково-практичній конференції “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр” (м. Коктебель, 2007); VІІ Міжнародних Новорічних біологічних читаннях (м. Миколаїв, 2007).

Публікації. За темою дисертації надруковано 10 наукових праць, із них 3 статті у фахових виданнях, деклараційний патент на корисну модель, 6 тез доповідей у наукових збірках матеріалів вітчизняних та міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Матеріали дослідження викладено на 149 сторінках машинописного тексту. Робота складається зі вступу, аналітичного огляду літератури, опису методів дослідження, розділів результатів досліджень, їх аналізу та узагальнення, висновків та переліку використаних джерел, що містить 92 найменувань. Дисертаційна робота ілюстрована 95 рисунками та 9 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено об’єкт, предмет, мету, завдання, систему методів дослідження, сформульовано наукову новизну, практичну значущість роботи, подано відомості про апробацію та впровадження результатів експериментального дослідження.

У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано наукову літературу, статті за темою дисертаційної роботи. У радіоекології можна виділити дві основні тісно взаємопов’язані проблеми: міграцію радіонуклідів та їх накопичення в різних елементах екосистеми. Існують різноманітні радіологічні ситуації, що пов’язані з включенням радіонуклідів у сільськогосподарську сферу. Тому накопичення радіонуклідів рослинами з ґрунту визначає вихідні масштаби включення радіонуклідів у трофічні ланцюги в системі: радіоактивні викиди–ґрунт–сільськогосподарські рослини–сільськогосподарські тварини–людина. Надходження радіонуклідів в рослини залежить від ряду факторів: фізико-хімічних властивостей радіонуклідів, видових особливостей рослин, властивостей ґрунту та його механічної обробки, кліматичних чинників, системи меліорації, внесення добрив тощо. Перехід радіонуклідів з раціону в організми тварин визначається фізико-хімічними властивостями радіонуклідів, а також видовими особливостями та віком тварин.

У другому розділі розглянуто основні методи досліджень, які було використано під час виконання роботи. При вивченні проблеми міграції радіонуклідів в екосистемі математичне моделювання є одним з основних методів організації досліджень. Воно дозволяє виділити істотні особливості явища, що досліджується, та виразити отриманий наближений опис у вигляді системи математичних виразів (моделі), що імітують до певної міри точність поведінки реальної системи. Важливою особливістю даного методу є його інтерактивність. При перевірці чи дослідженні встановлюється відповідність моделі явищу, яке спостерігається. Математична модель ґрунтується на показниках моніторингу, експериментальних даних, що дозволяє організувати комплексне дослідження за принципом динамічної взаємодії моделі та моніторингу.

Для моделювання міграції радіонуклідів в системі ґрунт–рослини характерним є використання камерних моделей. При цьому камерою можна вважати будь-який елемент екосистеми, агроценозу (або його частину), де відбувається накопичення радіонуклідів.

В межах такого підходу агроценоз розглядається у вигляді сукупності однорідних камер, між якими відбувається перенос радіонуклідів, що характеризується деякими функціями kji qj. Ці функції описують інтенсивність потоків радіоактивних речовин між камерами.

При математичному описі переносу речовин в камерних моделях як правило використовують апарат звичайних диференціальних рівнянь:

n n

= У kji qj – У kil qi – л qi (1)

j = 1 і = 1

де qi(t) – вміст радіонукліду в камері i; kji та kil – коефіцієнти переходу між камерами; kji qj – кількість речовини, що надходить за одиницю часу з камери j в камеру i; kil qi – кількість речовини, що виходить за одиницю часу з камери i в камеру l; л qi – постійна радіоактивного розпаду.

Класичні камерні моделі (Бєляєв С. Т., 1989) в дисертаційній роботі було модифіковано таким чином, що замість параметрів швидкості переносу радіонуклідів від одиниці маси з однієї камери до іншої було використано швидкості переносу частки радіонуклідів з камери до камери за одиницю часу.

У третьому розділі проведено аналіз даних з моніторингу села Галузія Маневицького району Волинської області. У цьому розділі використані дані натурних експедиційних досліджень вмісту цезію-137 у ґрунті, рослинах, молоці, коровах (прижиттєво) та у людей (вимірювання на ЛВЛ), дані анкетного опитування населення на територіях вибраних сіл Волинської області, віднесених до другої та третьої зон, що постраждали внаслідок аварії на ЧАЕС; результати експериментальних досліджень на полігонах та в умовах Сарненської дослідної станції (радіометричні та гамма-спектрометричні вимірювання зразків) та описана авторська розробка математичної моделі з використанням камерних моделей.

Численними дослідженнями було встановлено, що на території с. Галузія формуються значні дозові навантаження у людей внаслідок великих значень коефіцієнтів переходу в системі ґрунт-рослини. Найголовнішими причинами цього явища є торфові та болотні ґрунти, які домінують на даних територіях, високий ступінь зволоження та перезволоження ґрунту, кислі ґрунти, низький рівень вмісту мінеральних речовин на даних територіях. Це сприяє високому рівню забруднення трави та сіна, лісових продуктів – грибів та ягід. Використання забруднених кормових трав веде до міграції радіонуклідів в системі трава–тварина. В цьому випадку рівень вмісту радіонуклідів в молоці та м’ясі суттєво підвищується. Коефіцієнт переходу (КП) застосовують для наземних організмів, коли йдеться про міграцію радіонуклідів трофічними ланцюгами; він відбиває частку радіонуклідів, що потрапляють від одного елемента екосистеми до іншого; коефіцієнт демонструє у скільки разів більшою (або меншою) може бути активність певного радіонукліда в елементах екосистеми порівняно з навколишнім середовищем. Для системи ґрунт–рослина КП – це відношення активності радіонукліда на 1 кг повітряно-сухої біомаси рослини до його вмісту на 1 м2 ґрунту, на якому ці рослини вирощено.

Як відомо, Волинська область є найбільш “чистою” з-поміж п’яти забруднених радіонуклідами областей України за рівнями забруднення Cs-137 ґрунтів, зокрема сільгоспугідь, лісів, лісових урочищ, та площами такого забруднення. При цьому індивідуальні дози опромінення людей у Маневицькому районі Волинської області близькі до доз, які спостерігаються в найбільш забрудненому районі Житомирської області – Народицькому.

Попередні оцінки показали, що для даної території є три основні напрями надходження радіонуклідів Cs-137 до людини, які більш докладно розглянуті нижче. Перший з них – через урочища (пасовища та сіножаті), що є кормовою базою для молочної і м’ясної худоби. Другий напрям надходження через лісові продукти – гриби та лісові ягоди. Третій – присадибна ділянка (город).

Побудована блок-схема камерної моделі (рис. 1) потоків (І–VI) радіонуклідів Cs-137 від трьох пасовищ, однієї сіножаті, лісових продуктів даної місцевості (грибів і лісових ягід) та городньої продукції з присадибних ділянок та проведено її розрахунок.

Структурована блок-схема камерної моделі представлена на рис. 2.

Вказані на схемі параметри (від а12 до а510) означають швидкості переносу радіонуклідів між камерами екосистеми та мають розмірність: частка радіонуклідів, що переноситься між камерами за один рік. Способи та моделі параметрів розрахунку переходу між камерами складають зміст спеціально розробленого та захищеного деклараційного пакету на корисну модель.

Було сформовано систему з диференціальних рівнянь для камер агроекосистеми с. Галузія (див. формулу (1)) і за допомогою програмного продукту MAPLE-5 відповідно її розв’язано. У роботі розглянуто камерну модель потоків радіонуклідів у даному населеному пункті та проведений розрахунок даної моделі.

Рис. 1. Блок-схема основних складових екосистеми с. Галузія Маневицького району Волинської області

Рис. 2. Структурована блок-схема екосистеми, що досліджується

В авторефераті для прикладу проведемо розрахунок для першого пасовища з такими середніми значеннями швидкостей переходу між камерами:

x (t) – камера „ґрунт на пасовищі 1” (коефіцієнт а12 = 0,06);

y (t) – камера „трава на пасовищі 1” (коефіцієнт а23 = 0,38);

z (t) – камера „корови” (коефіцієнт а34 = 0,13 – перехід у молоко; коефіцієнт а35 = ,52 – перехід у м`ясо; коефіцієнт а36 = 0,35 – перехід до відходів життєдіяльності корів);

k (t) – камера „молоко” (коефіцієнт а47 = 0,22 – перехід радіонуклідів у молоко для дітей; коефіцієнт а48 = 0,15 – перехід у молоко для пенсіонерів; коефіцієнт а49 = ,47 – перехід радіонуклідів з молоком до організму робітників; коефіцієнт а410 = 0.1 – вивіз радіонуклідів з молокопродуктами на експорт);

l (t) – камера „діти” (коефіцієнт а57 = 0,005 – перехід радіонуклідів з м`ясом до дітей);

m (t) – камера „пенсіонери” (коефіцієнт а58 = 0,004 – перехід з м’ясом);

n (t) – камера „робітники” (коефіцієнт а49 = 0,47 – перехід з молоком; коефіцієнт а59 = 0,013 – перехід з м’ясом);

o (t) – камера „м`ясо корів” (коефіцієнт а35 = 0,52 – перехід з раціону корів до м’яса);

p (t) – камера відходи „життєдіяльності корів” (коефіцієнт а36 = 0,36);

r (t) – камера „експорт” (коефіцієнт а410 = 0,1 – для молока; коефіцієнт а510 = ,978 – для м’яса).

Кліматичні та інші чинники довкілля враховані нами у виборі мінімальних, середніх та максимальних значень коефіцієнтів переносу радіонуклідів по камерах екосистеми.

За отриманим рішенням побудовані графіки динаміки виносу радіонуклідів та проведено аналіз отриманих результатів. Дані, що отримані за моделями, чітко корелюють з даними натурних досліджень. У результаті нами було отримано розрахункові дані щодо динаміки потоків радіонуклідів по камерах екосистеми, що досліджується.

У четвертому розділі проведено аналіз даних з моніторингу села Коцюбинчики Чортківського району Тернопільської області (аналогічно до с. Галузія). Побудовано блок-схему камерної моделі потоків радіонуклідів Sr-90 у даному НП (рис. 3). Структурована блок-схема екосистеми с. Коцюбинчики аналогічна до блок-схеми с. Галузія (рис. 2).

Рис. 3. Блок-схема основних складових екосистеми с. Коцюбинчики Чортківського району Тернопільської області

Побудовано камерну модель радіоекологічних процесів для с. Коцюбинчики та проведено розрахунок даної моделі. За результатами побудовано графіки динаміки надходження радіонуклідів до людини від усіх складових екосистеми. Проаналізовано результати для цього населеного пункту.

У п’ятому розділі проведено порівняльний аналіз радіоекологічних процесів та екологічної безпеки в селах, що досліджуються (с. Галузія та с. Коцюбинчики). Відомо, що на території України є села, забруднені Cs-137 або Sr-90. Такі екосистеми можуть мати різні особливості радіоекологічних процесів, що безпосередньо впливає на формування дозових навантажень для населення. Дослідженнями було встановлено, що на території ряду сіл України формуються значні дозові навантаження у людей внаслідок великих значень коефіцієнтів переходу в системі ґрунт-рослини та високих рівнів забруднення сіна, молока, м`яса, лісових продуктів – грибів та ягід. Тому важливо було зробити порівняння особливостей радіоекологічних процесів у типових екосистемах селищ України з різними варіантами забруднення.

Нашими дослідженнями було встановлено, що на території Маневицького району (с. Галузія) у Волинській області, забрудненого внаслідок аварії на ЧАЕС в основному Cs-137, формуються значні дозові навантаження у людей внаслідок великих значень коефіцієнтів переходу в системі ґрунт-рослини та високих рівнів забруднення сіна, молока, м’яса, лісових продуктів – грибів та ягід.

Для порівняння та подальшого розвитку даного підходу було важливо перевірити та застосувати цей метод камерних моделей для села, де домінує забруднення не Cs-137, а іншим дозоутворюючим біогенним радіонуклідом – Sr-90. Цей радіонуклід небезпечніший, особливо для дітей, дози опромінення у людей формуються в основному за рахунок вживання молока.

Для таких досліджень нами було обрано село Коцюбинчики Тернопільської області з невеликими рівнями забруднення, оскільки для нього зібрані дані багаторічних вимірювань на базі обласної СЕС, Тернопільської обласної державної проектно-вишукувальної станції хімізації сільського господарства, Тернопільського обласного центру з гідрометеорології та інших установ. На основі аналізу натурних даних, люб’язно наданих нам обласною СЕС, та літературних джерел було встановлено, що цих даних достатньо для моделювання та оцінок.

Попередні оцінки показали, що для даних територій є три основних потоки надходження радіонуклідів Cs-137 та Sr-90 до людини. Перший з них – через урочища (пасовища та сіножаті), рослинність яких є кормовою базою для худоби молочного і м`ясного напрямків. Він формує в середньому 70–80 % усієї дози. Другий потік – надходження радіонуклідів через лісові продукти (гриби та лісові ягоди), що складає близько 10 % загальної дози. Третій – присадибна ділянка (город), він забезпечує в середньому 10–20 % від загальної внутрішньої дози для жителів цих населених пунктів.

Вибрані нами для дослідження села є типовими, тому блок-схеми камерних моделей для них подібні за своєю структурою. Блок-схеми формування дозових навантажень для села Галузія та села Коцюбинчики наведені на рис. 1, 3. В моделі враховані всі основні потоки радіонуклідів цезію-137 та стронцію-90 (інших радіонуклідів на території цих сіл не було встановлено).

У результаті досліджень вдалося знайти та сформувати високий ступінь подібності у блок-схемах камерних моделей у селах, що досліджувалися. Ця подібність дозволила нам побудувати уніфіковані блок-схеми камерних моделей потоків радіонуклідів Cs-137 та Sr-90 від пасовищ, деякі з них сіножаті (сіянки), від лісових продуктів (грибів і лісових ягід) та городньої продукції з присадибних ділянок. Схема розрахунку типової камерної моделі представлена на рис. 2. До блок-схеми камерної моделі (див. рис. 1,3) нами додатково включені також потоки радіонуклідів від сусіднього лісу та від використання городньої продукції. Важливо, що дані села характеризується досить малими рівнями радіонуклідного забруднення ґрунту від 1–2 Кі/км2 Cs-137 (с. Галузія) та по Sr-90 – від 1,2 до 1,3 Кі/км2 (с. Коцюбинчики).

За розробленою моделлю були отримані розрахункові дані щодо потоків радіонуклідів по камерах досліджуваної екосистеми. Показано, що значні дозові навантаження по трьох групах жителів села (діти, працюючі та пенсіонери) формуються за рахунок постійного вживання молока від корів, які випасаються на пасовищах, що були об’єктом дослідження. Доза від вживання молока становить до 40–60 % для жителів с. Галузія та 70 % від усієї дози для людей у с. Коцюбинчики. Характерно, що рівень щоденного вживання молока для села Галузія становить, за даними експедиційних досліджень, від 0 до 3 літрів, а рівні забруднення молока радіонуклідами Cs-137 (с. Галузія) складають від 40 до 1000 Бк/л. А для с. Коцюбинчики рівні забруднення молока Sr-90 складають від 2 до 30 Бк/л. Діючий норматив на допустимі рівні забруднення молока становить для Sr-90 до 20 Бк/л, а для Cs-137 – 100 Бк/л (ДР-2006).

Зокрема, за даними моделювання нами вставлено, що помітні рівні забруднення молока формуються на цій території не відразу після аварії, а збільшуються з часом. Це пояснює дані досліджень про те, що дійсно суттєві рівні забруднення молока були визначені у с. Галузія тільки в 1993 році, і саме тоді село було віднесене до 2 зони. Водночас для с. Коцюбинчики властивий інший характер накопичення радіонуклідів. Дані вимірювань свідчать про те, що суттєві рівні забруднення молока стронцієм були визначені у с. Коцюбинчики тільки у 1998 році.

На рис. 4 подані дані розрахунків для камерної моделі у с. Галузія, за якими можна простежити динаміку формування дозових навантажень у різних соціальних груп населення даного села за рахунок вживання молока. Верхня крива відображає накопичення радіонуклідів, а значить і дози від вживання молока, для групи працюючих, середня – для дітей, і нижня крива (мінімальна доза отримана від молока) – для пенсіонерів. Зрозуміло, що такий хід кривих обумовлено насамперед раціоном харчування, зокрема великим рівнем вживання молока у працюючих та дітей в с. Галузія, а для пенсіонерів цей рівень споживання значно нижчий. На графіках можна побачити, що для даного села характерне спочатку стрімке, а потім повільніше накопичення колективної дози у різних груп населення.

Для жителів с. Коцюбинчики (рис. 5) характерна інша динаміка накопичення колективної дози. Модель демонструє, що через 20 років після аварії, не варто очікувати помітних доз опромінення населення за рахунок стронцію-90, але з часом ці дози зростають. Тут можна чекати дуже повільного накопичення дози спочатку, а потім її збільшення для всього населення. При цьому максимальні колективні дози можна чекати для працюючих, як і у с. Галузія. Наступними за рівнем накопичення дози можуть бути пенсіонери, а відносно мінімальні дози можна очікувати у дітей с. Коцюбинчики.

Спираючись на дані моделювання, ми побудували графіки динаміки очікуваної дози для трьох виділених соціальних груп у даному селі – працюючі, пенсіонери та діти. Поділ на групи проведено тому, що за даними наукової літератури та даними експедиційних досліджень у означеному селі кількість вживання молока в різних групах населення відрізняється. На рис. 4 і 5 показана динаміка формування дозових навантажень у різних соціальних групах за рахунок вживання основного дозоутворюючого продукту – молока.

Порівнюючи дані розрахунків на рис. 4 та 5, слід відзначити, що загалом дози для с. Коцюбинчики практично вдвічі менші, ніж для с. Галузія. Це зрозуміло, оскільки рівні забруднення у с. Галузія значно більші, ніж у с. Коцюбинчики. Важливо, що практично на 20-й рік після аварії рівень накопичення колективної дози у населення с. Коцюбинчики відчутно менший, ніж для с. Галузія.

Різниця між цими типовими агроекосистемами щодо радіоекологічних процесів та параметрів накопичення колективних доз чітко пов’язана з різними радіонуклідами, кліматичними чинниками, різницею в споживанні продуктів харчування. Позитивну роль у формуванні меншої колективної дози в с. Коцюбинчики відіграє відсутність внеску лісової компоненти у накопиченні колективної дози. В той же час для с. Галузія лісова компонента відіграє провідну роль у формуванні колективної дози в мешканців села. Вважаємо, що ці явища відображають фундаментальні особливості у формуванні колективної дози для населення України щодо агроекосистем при значному внеску лісової складової (приклад с. Галузія) та для випадку агроекосистеми, де відсутня лісова складова накопичення колективної дози.

Проведене дослідження радіоекологічних процесів, що відбуваються у с. Галузія (Волинська область) та с. Коцюбинчики (Тернопільська область), узагальнення та аналіз дозволили зробити такі висновки.

ВИСНОВКИ

1. В роботі розроблено та вперше застосовано модифікований метод камерних моделей, у якому використано параметри-швидкості переходу радіонуклідів між камерами екосистеми, а не швидкості переходу, розраховані на одиницю ваги або об’єму. Цей підхід дозволяє здійснювати загальну системну оцінку стану потоків радіонуклідів та прогнозувати їх динаміку.

2. Створено системний тип радіологічного дослідження населених пунктів, який охоплює основні ланки: ґрунти, сіно, корови, молоко, лісові продукти, людей. Показано, що для досліджуваної території України (на прикладі агроекосистем с. Галузія та с. Коцюбинчики) є три основні потоки надходження радіонуклідів Cs-137 та Sr-90 до людини. Перший з них – через урочища (пасовища та сіножаті), рослинність яких є кормовою базою для молочної і м’ясної худоби. Він становить близько 70–80 % загальної дози для жителів цих населених пунктів. Другий – присадибна ділянка (город), він складає близько 10–20 % від загальної дози. Третій потік – надходження радіонуклідів через лісові продукти (гриби та ягоди), що становить біля 10від загальної колективної дози (характерний для с. Галузія).

3. Розроблено та проаналізовано камерні моделі реальних екосистем села Галузія Маневицького району Волинської області та села Коцюбинчики Чортківського району Тернопільської області, що зазнали впливу аварії на Чорнобильській АЕС. В моделях враховані всі основні потоки радіонуклідів цезію-137 та стронцію-90. Блок-схеми для камерних моделей включають всі основні пасовища. До блок-схем, там де це необхідно, включені також потоки радіонуклідів від лісових продуктів (гриби та ягоди), а також – від використання городньої продукції.

4. У результаті моделювання отримано оцінки та прогноз очікуваного забруднення радіонуклідами Cs-137 та Sr-90 продуктів харчування людей (молока та м’яса), що відображено у значеннях колективних дозових навантажень для людей.

5. За результатами моделювання визначено, що у селищах типу Галузія, помітні дозові навантаження сформувались не одразу після аварії, а тільки у 1992– 1994 роках. Зараз, через 20 років після аварії на ЧАЕС, у людей формуються дози опромінення від цезію-137: від 40 до 80 людино-зіверт. На даних територіях є великий внесок у колективну дозу лісової складової. Для селищ типу Галузія характерне помітне накопичення колективної дози для населення протягом 30– 40 років після аварії, що становитиме біля 1 % від запасу радіонуклідів цезію-137 в даній екосистемі.

6. Для селищ типу Коцюбинчики, де домінує забруднення стронцієм-90 та відсутня лісова складова колективної дози, формуються незначні дози опромінення у перші десятиліття після аварії на ЧАЕС: через 20 років колективна доза становить 0,3–0,5 людино-зіверт. Накопичення певної дози у с. Коцюбинчики на 40-й рік після аварії очікується незначне, не перевищуватиме 0,1 % від запасу радіонукліду стронцію-90 в даній екосистемі. Але з часом тут можна чекати досить стрімкого накопичення колективної дози. У результаті досліджень виявлено закономірність невпинного збільшення колективної дози у селах зі стронцієвим забрудненням. Це означає, що екосистеми такого типу з часом можуть стати небезпечними.

7. Встановлено за даними моделювання та верифіковано за даними натурного дослідження обласної СЕС, що значна частина колективної дози не формується локально в даних селах, а експортується на інші території через вивіз молока, м’яса і лісових продуктів. Таке явище експорту колективної дози за межі сіл є загальною характеристикою для всієї території України. Отримані результати свідчать, що екологічна безпека даної території може бути досягнута лише за умов використання системи захисних контрзаходів.

8. Запропоновано модифіковану камерну модель, придатну для моделювання практично будь-якого типу локальних екосистем, характерних для території України, яка може бути використана для оцінки, контролю і прогнозу їх екологічного стану як для радіонуклідного забруднення, так і для інших полютантів агроекосистем.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Моделювання радіоекологічних процесів методом камерних моделей на прикладі села у Волинській області / І. В. Матвєєва, В. Р. Заїтов, Ю. О. Кутлахмедов [та ін.] // Вісник Національного авіаційного університету. – 2005. – № 3. – С. 173–176.

2. Особливості радіоекологічних процесів у селі Тернопільської області, оцінених за методом камерних моделей / І. В. Матвєєва, Ю. О. Кутлахмедов, В. М. Ісаєнко [та ін.] // Вісник Національного авіаційного університету. – 2006. – № 2. – С. 126–128.

3. Порівняння радіоекологічних процесів на прикладі сіл, забруднених Cs-137 та Sr-90 оцінених за методом камерних моделей / І. В. Матвєєва, Ю. О. Кутлахмедов, В. М. Ісаєнко [та ін.] // Ядерна фізика та енергетика. Національна Академія наук України. Інститут ядерних досліджень. – 2006. – № 2 (18). – С. 93–98.

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

5. Моделирование радиоэкологических процессов методом камерных моделей при оценке экологической безопасности на примере сел в Волынской области / И. В. Матвеева, О. М. Тихенко, Ю. А. Кутлахмедов [и др.] // Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды : труды (тезисы) междунар. конф. – Сыктывкар : РАН, Уральское отделение, Коми научный центр, Институт биологии, 2006. – С. 45–46.

6. Матвєєва І. В. Порівняння радіоекологічних характеристик безпеки територій України методом камерних моделей / І. В. Матвєєва, Ю. О. Кутлахмедов, В. М. Криворотько // Політ : VI міжнарод. наук. конф. студентів та молодих учених. – К. : НАУ, 2006. – С. 289.

7. Матвєєва І. В. Оцінка радіаційної та екологічної безпеки різних агроекосистем України методом камерних моделей / І. В. Матвєєва, Ю. О. Кутлахмедов // Екологічні проблеми регіонів України : VIII Всеукр. наук. конф. студентів, магістрів і аспірантів. – Одеса, 2006. – С. 162-163.

8. Matveeva I. V. Development and application of the modified method of box models in radioecology / I. V. Matveeva, V. P. Petrusenko, Yu. A. Kutlakhmedov // Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution : proceedings of III international young scientists conference, 15-18 May, 2007. – Оdessa, 2007. – Р. 258-259.

9. Особливості радіоекологічних процесів на прикладі сіл, забруднених Cs-137 та Sr-90, оцінених за методом камерних моделей / І. В. Матвєєва Ю. О. Кутлахмедов, В. М. Ісаєнко [та ін.] // Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр : міжнар. наук.-практ. конф., 4_червня, 2007. – Коктебель, 2007. – С. 146-149.

10. Применение теории радиоемкости и камерных моделей при исследовании разного типа экосистем / Ю. А. Кутлахмедов, Н. В. Родина, И. В. Матвеева [и др.] // VІІ Міжнародні Новорічні читання : зб. наук. праць, випуск 7, 21–22 грудня 2007 / під ред. С. В. Гетманцева. – Миколаїв : МДУ ім. В. О. Сухомлинського, 2007. – С. 195–198.

АНОТАЦІЯ

Матвєєва І. В. Моделювання радіоекологічних процесів методом камерних моделей при оцінці екологічного стану локальних екосистем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01. – екологічна безпека. – Національний авіаційний університет, Київ, 2007.

У дисертації розглянуто результати аналізу потоків радіонуклідів цезію-137 на прикладі села Галузія Волинської області та села, що забруднене стронцієм-90 (село Коцюбинчики у Тернопільській області). Аналіз зроблено модифікованих нами методом камерних моделей. Були створені блок-схеми екосистем, та розроблені математичні моделі за методом камерних моделей. Це дозволило оцінити шляхи формування дозових навантажень внутрішнього опромінення за рахунок продуктів харчування для різних верств населення – працюючих, пенсіонерів та дітей – і спрогнозувати динаміку цих навантажень у подальші роки після аварії на Чорнобильській АЕС. Встановлено, що дозові навантаження у цих селах формуються по-різному в залежності від радіонукліду, структури пасовищ та рівнів їх забруднення.

В результаті роботи створено модель системного типу радіологічного дослідження локальних екосистем населених пунктів, що охоплює основні ланки: ґрунти, сіно, корови, молоко, лісові продукти, людей.

Ключові слова: агроекосистеми, екологічна безпека, камерні моделі, трофічні ланцюги в екосистемах, дозові навантаження на людину, математичне моделювання екосистем.

АННОТАЦИЯ

Матвеева И. В. Моделирование радиоэкологических процессов методом камерных моделей при оценке экологической ситуации для локальных экосистем. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – экологическая безопасность. – Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

В диссертации рассмотрены результаты анализа потоков радионуклидов цезия-137 на примере села Галузия Волынской области и села, загрязненного стронцием-90 (с. Коцюбинчики Тернопольской области).

Анализ проведен модифицированным нами методом камерных моделей. Были созданы блок-схемы экосистем и разработаны математические модели методом камерных моделей. Это позволило оценить пути формирования дозовых нагрузок от внутреннего облучения за счет употребления продуктов питания для разных когорт населения – работающих, пенсионеров и детей – и таким образом спрогнозировать динамику этих нагрузок в последующие годы после аварии на Чернобыльской АЭС. Установлено, что дозовые нагрузки в этих селах формируются по-разному: в зависимости от вида радионуклида, структуры пастбищ и уровней их загрязнения.

В диссертации применен разработанный нами системный тип радиоэкологического исследования населенного пункта, который включает основные звенья трофической цепи: почва, сено, животные, молоко, лесные продукты, люди. Для моделирования использован метод математического моделирования с помощью камерных моделей, что позволяет иметь адекватную оценку и прогноз радиоэкологических процессов в таких экосистемах.

Данными моделирования подтверждено и верифицировано результатами натурного экспедиционного исследования в с. Галузия и с учетом данных, полученных