ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДАМИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЛЕСНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ПОЖАРОВ

Краткое содержание

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: С.І. Душа-Гудим, А.М. Гришина, Є.Н. Валендик, Е.С. Арцибашева, І.М. Абдурагімова, Б.І. Огороднікова, А.А. Однолько, білоруських вчених: В.А.Іпатьєва, В.В.Уселі, Ф.М.Гриб.  

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

У 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 ветрової ерозії радіоактивної зони та недопалу;

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

- участь в проведенні натурних вогневих експериментах на радіоак­тивно забруднених лісах та луках.

Другий розділ роботи присвячений обґрунтуванню напряму, робочої гіпоте­зи, 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 імовір­носний 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 також ймовірним як і результат, одержаний з використанням більш спрощених методів. Тому в дисертації автор використовує такі методи:

· визначення частоти та ймовірності 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 по рекомендаціями лісової пірології;

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

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

· прогнозні характеристики вторинного радіоактивного забруднення тери­то­рії 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 (контрольо­ваних пожеж) 1997 р., проведених УкрНДІСГР у Новозибківському лісхозі РФ 1993 р. (А.А. Однолько) та інших.

У 2002 р. автор брав участь в огньовому експерименті, який проводився групою співробітників УкрНДІСГР під керівництвом проф. Кашпарова В.О.  та В. Йонзеш експериментальна ділянка розміром 60 х 60 м в районі с. Чисто­галівка в зоні відчуження поблизу ЧАЕС з відбором радіоактивних аерозолів в нижньому шарі повітря ізокінетичним пробовідбірниками ІПА та вимірю­ванням осадження піднятого аерозолю з використанням горизонтальних планшетів, покритих тканиною Петрянова. У відібраних пробах вимірювались в лабораторії за допомогою гама-спектроскопії активність радіоцезія та радіохімічним методом ⁹⁰Sr та паливних трансуранових елементів. Відносна похибка вимірювань становила 10-20% для радіоцезію, 10-30% для радіострон­цію, до 30% для радіоплутонію. Під час експериментів у жовтні 2001 р. в 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 грунту спадає з відстанню від джерела викиду. Цікаво відмітити що концентрація ізотопів плутонію зростає з відстанню, чи має локальний максимум. За експериментальними даними були знайдені коефіцієнти ресуспензії для паливного матеріалу (трава+підстілка) в діапазоні (8,0±4,8)×10-6 Бк/м3 по ¹³⁷Cs (4,4±2,6)×10-6 Бк/м3 для ⁹⁰Sr та повної щільності забруднення (грунт + трава + підстилка) в діапазоні (1,9±1,1)×10-7 Бк/м3 по ¹³⁷Cs та (1,8±1,5)×10-7 Бк/м3 по ⁹⁰Sr, а також швидкість ресуспензії для (трава+підстілка) в діапазоні (1,2±0,7)×10-6 с-1 для ¹³⁷Cs і (5,2±4,2)×10-7 с-1 для ⁹⁰Sr та і для повної щільності забруднення (ґрунт + трава + підстилка) в діапазоні (2,9±1,7)×10-8 с-1 для ¹³⁷Cs і (4,7±3,8)×10-8 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 в випадку лугових пожеж підняті в повітря радіоактивні аерозолі осаджуються поблизу джерела пожежі і таким чином перерозподіл радіоактивності відбувається розширення або “розповзання” радіоактивності джерела пожежі по прилеглій території, але в випадку експери­ментальної лугової пожежі значного перерозподілу радіоактивності не відбу­лось. 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 і атмосфери в зоні впливу радіоактивної пожежі розглядається як марковський імовірносний 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 ймовірності 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 плавучим турбулентним факелам, в яких показано автомодельність цього явища в широкому діапазоні  -  від експериментальних лабораторних даних до великих пожеж.