Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 1. Описание, постановка и свойства агроклиматического блока модели Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения.

Часть 1. Описание, постановка и свойства агроклиматического

блока модели

Власов О.К.

ФГБУ МРНЦ Минздрава России, Обнинск

Приводится описание и математическая постановка агроэкологического блока радиоэкологической модели транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу. Разработанная модель позволяет проводить в режиме реального времени исследования закономерностей основных процессов, определяющих динамику выпадения радионуклидов 131! и 137Cs из атмосферы на почву и растительность. Проведённые расчёты позволили выявить ряд особенностей динамики загрязнения растительности 131! и 137Cs от погодных условий, осадков в период радиоактивных выпадений, форм нахождения 131! в атмосфере и других параметров модели. Так, установлено, что при сухих выпадениях дозы внутреннего облучения населения 137Cs на единицу плотности выпадения 137Cs будут в 5-10 раз больше, чем при сильных осадках, а дозы внутреннего облучения щитовидной железы 131! будут больше уже в 10-25 раз.

Ключевые слова: модель транспорта радионуклидов йода и цезия, пищевые цепочки, радиационная авария, дозы внутреннего облучения.

Описание модели

Радиоэкологическая модель переноса радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения после радиационных аварий с выбросом радиоактивных продуктов в атмосферу представляет собой модификацию ранее разработанной модели [1, 2]. Система обыкновенных дифференциальных уравнений модели [1, 2] описывает следующие процессы:

• выпадение радионуклидов из атмосферы на местность,

• загрязнение растительности культурных и естественных пастбищ, однолетней и многолетней зелени,

• транспорт радионуклидов по внутренним органам молочного крупного рогатого скота (КРС), загрязнение частного и коммерческого молока,

• транспорт радионуклидов по внутренним органам человека,

• формирование доз внутреннего облучения щитовидной железы (ЩЖ) и всего тела человека за счёт ингаляции и употребления в пищу загрязнённого молока и зелени.

Для расчётов динамики транспорта радионуклидов йода и цезия по трофической цепочке и формирования доз внутреннего облучения ЩЖ и всего тела человека в модели [1, 2] использовался следующий набор входных данных:

Власов О.К. - зав. лаб., д.т.н. ФГБУ МРНЦ Минздрава России.

Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королёва, 4. Тел.: (48439) 9-32-45; e-mail: nrer@obninsk.com.

• годовая динамика среднесуточных температур воздуха в год аварии,

• плотность выпадений 137Cs на местность,

• отношение активностей 131I/137Cs в выпадениях на местность,

• урожайность зелени и пастбищ, рационы и удои молочного КРС,

• суточное потребление молока и зелени городскими и сельскими жителями,

• время введения запретов на потребление местного молока.

Модель [1, 2] использовалась при выполнении следующих работ:

• для реконструкции доз внутреннего облучения 131I ЩЖ и 134+137Cs всего тела населения четырёх областей России, наиболее загрязнённых после чернобыльской аварии,

• в 2000-2004 гг. в международном проекте [5, 6] при реконструкции доз внутреннего облучения 131I ЩЖ и 134+137Cs всего тела когорты молодых людей Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей России и Гомельской и Могилевской областей Белоруссии, загрязнённых после чернобыльской аварии,

• в 2004-2008 гг. при выполнении международного проекта МАГАТЭ “IAEA’s Programme on Environmental Modelling for Radiation Safety (EMRAS)” [4, 7].

В последующие годы модель [1, 2] дорабатывалась путём учёта следующих факторов и процессов:

• форм существования радионуклидов йода и динамики удельных объёмных активностей радионуклидов йода и цезия в атмосфере,

• динамики выпадения радионуклидов йода и цезия из атмосферы на почву и загрязнения сельскохозяйственной растительности с учётом осадков и форм существования йода в атмосфере,

• динамики загрязнения молока с учётом ингаляционного пути поступления радионуклидов йода и цезия в организм молочного КРС,

• типов растворимостей аэрозольных форм радионуклидов йода и цезия в атмосфере при их ингаляционном поступлении в организм молочного КРС и человека.

В рамках проекта EMRAS участники йодной группы проводили исследования по оценке возможностей математических моделей для реконструкции транспорта радионуклидов 131I по трофическим цепочкам в интересах радиационной безопасности. Участники этой группы по заданным сценариям входных данных проводили расчёты динамики загрязнения зелени, молока на молочных фермах и активностей 131I в ЩЖ исследуемой когорты населения. Прогностические свойства моделей участников оценивались руководителем группы путём сопоставления расчётных данных с доступными только ему данными прямых измерений (слепое тестирование). Всего было обсчитано три сценария исходных данных для Плавского района Тульской области, региона Варшавы Польши и региона Богемии Чехии. После окончания этого проекта в 2004 г. данные прямых измерений всех трёх сценариев стали доступны для его участников. Частично базы данных йодной группы этого проекта использовались для демонстрации возможностей и прогностических свойств разрабатываемой модели.

Агроклиматический блок

а) Агроклиматическая модель роста растительности

В агроклиматическом блоке модели рассчитываются динамика роста растительности продовольственных и кормовых сельскохозяйственных культур в год аварии и время начала и окончания их потребления. В качестве входной информации используются:

• база данных о годовом ходе среднесуточных температур ТЩ в исследуемых регионах загрязнения (примеры на рис. 1 и 2),

• база данных о суммах эффективных биологических температур, необходимых для наступления основных фаз развития растительности сельскохозяйственных культур Ть (табл. 1),

• база данных урожайности сельскохозяйственных культур в год аварии на ЧАЭС.

Район = "Плавский" Область = "Тульская" Корм= 'Трава культурных пастбищ"

"1 г. л %

• к/ / Н / ч \ А /

• \ У • • •\ / • V, V

у !* 1 • у \ •

и • • ;

60 - 5*. -\> п 30 - 20 - 10 0 0 0 0 0 0 ;о 0 0 0 1

—

Время после аварии, сутки ООО Начало весенней вегетации

ООО Начало пастбищного периода по температурным условиям □ □ □ Начало пастбищного периода по запасу биомассы травы + • • Начало радиоактивных выпадений • • • Температура воздуха (метеоданные)

Температура воздуха (сглаженные данные)

Рис. 1. Динамика среднесуточных температур и даты фаз развития растительности культурных пастбищ в Плавском районе Тульской области.

Область = "Гомельская" Корм = "Трава на зеленый корм"

25- •** • ••<*£ • ч • / \

• * . + * Г 1 * ж 1 * / .. \N • Л* / \*ф * * * •

* 1 * j I X •* * l/** * * 1/ + ; • * “ 1 • Дф

•/* 1 Г V 1 ж * ж* 1 1 ■* | Г V. • #1 1

Т * я • Л • • ф

-40

О о О О ■ ■ ♦ ♦ Д. Л

О 40 80 120

Время после аварии, сутки

Посев

Всходы

Начало сбора урожая, 0,4кг/ы2 Начало радиоактивных шааденин Набор бионассы 1-го урожая Созревание 1-го урожая Набор бионассы 2-го урожая Созревание 2-го урожая Конец вегетации

Теыаература воздуха ( метеодаиные)

Тенвература воздуха (сглаженные иетеоданные)

160

Рис. 2. Фактические данные о динамике среднесуточных температур и расчётные даты фаз развития растительности (травы на зелёный корм) в Гомельской области Белоруссии.

Схема расчёта агроэкологических параметров

Сначала для загрязнённых регионов рассчитывается динамика накопления сельскохозяйственной растительностью сумм эффективных биологических температур в год аварии:

ST" = 'ZTeff(tl) = 2(Tatm(ti)- Tk ), (1)

i i

STeff

k - сумма эффективных биологических температур, суммирование проводится по

времени с шагом 1 сут, Teff - эффективная биологическая температура растительности, равная среднесуточной температуре воздуха (Tatm) минус биологическая температура растительности

данного к-го типа (Tk), таблица 1.

Далее, по данным о динамике суммы эффективных биологических температур, накопленных растительностью (пример на рис. 3), и данным таблицы 1, составленной по данным [3], рассчитываются даты наступления основных фаз развития растительности сельскохозяйственных культур. Примеры результатов расчёта отдельных фаз приведены на рисунках 1, 2 и 4.

Таблица 1

Суммы эффективных биологических температур фаз развития сельскохозяйственных культур

Культура Суммы эффективных биологических температур, градсут Температура окончания вегетации, °С Биологическая температура, °С Сумма эффективных температур в зимней биомассе3 градсут

зазы развития растений

посев1, Ъ всходы1, начало весенней вегетации2, ^0 набор биомассы 1-го урожая, созревание 1-го урожая, ^2 набор биомассы 2-го урожая, ^21 созревание 2-го урожая, ^22

Однолетняя листовая зелень 0 80 250 150 0 0 8 5 0

Многолетняя листовая зелень 0 0 500 100 0 0 7 5 50

Сеяные травы на зелёный корм 0 70 500 100 300 100 15 5 70

Травы естественных пастбищ 0 0 500 100 0 0 7 5 50

Травы культурных пастбищ 0 0 600 100 0 0 7 5 50

- многолетняя растительность,

- однолетняя растительность,

3 - сумма эффективных температур, накопленная в оставшейся на зимний период биомассе растительности.

Область = 'Тульская'

Г^аг_гед = 2

ЮООі /

х

/ /

/

30 - 20 - 10 0 0 >0 0 ю 0 0

Время после аварии, сутки

Рис. 3. Динамика накопления пастбищной растительностью суммы эффективных биологических температур в Плавском районе Тульской области.

Оценки динамики роста биомассы растительности выполняются в предположении, что рост биомассы сельскохозяйственных растений пропорционален накопленной сумме эффективных температур [3]. В этом приближении зависимость плотности биомассы растений сельскохозяйственных культур от времени может быть представлена в виде:

Мдг(і) = Уо

о,

0,8 •

однолетние листовые овощи и зелень і < і10

вте„ (і) - ЭТе„ (і 10 )

Эт0" (і 11 ) - эТе„ (і 10 )

, 110 < і < і

11

0, 8 + 0, 2

эте„ (і) - ЭТ" (і 11 )

е" ( 112

1, і 12 < і < івпсі

ЭТе" (112 ) - ЭТе„ (111 )

(2)

, і11 < і < і

12

многолетние листовые овощи и зелень, трава пастбищ

Мдг(і) = У0

б0

1 е

ЭТа,, (112 )

, І < І

10

Б 0

Эт (і) - Бт (і 10 )

0, 8 + 0,2 • Те" Те" 10

ЭТв„ (і 12 )

Бте„(і 11 ) - 5тєН (і 10 )

Бт (і) - Бт (і 11 )

0, 8 + 0,2 • Те" Те" 11

Б

Т"----------------+ У 0

ЭТ" (і 12 )

1 +

ЭТе„ (і 12 ) - ЭТе„ (і 11 )

БТ" (і) - ЭТе„ (і 12 )

ЭТы, ( іепб ) - БТ" ( і 12 )

, і 10 < і < і 11 , і11 < і < і12 , і 12 < і < іЄпс1

(3)

сеяные травы на зелёный корм, 2-3 урожая

МдГ(і) = У0 •

0, і < і-

10

0,8 •

БТе"" (і) - БТе""(і10 )

ЭТ0"(і12 ) - ЭТ0"(і10 )

, і10 < і < і-

11

0,8 + 0,2 • БТеН (і) ^ (і11)

3Те„(і12 ) - 3Те„(і11 ) ЭТ" (і) - ЭТ0„ (і12 )

,і11 < і < і

12

(4)

0,1 + 0,8 • ^ 'е",у, Т ,1',, і12 < і < і21

$ТЄ" (і22 ) - $Т0„ (і12 ) 0,1 + 0,8 + 0,2 •

, і22 < і < і

^Ген ) - вГе„(к2 )

где МдГ - плотность зелёной биомассы растительности, кг/м2; У0 - урожайность сельскохозяйственной культуры, кг зелёной массы/м2; в0ен - сумма эффективных биологических температур в зимней биомассе растительности (табл. 1), °Ссут; STeff(t) - сумма эффективных биологических температур, накопленная растительностью к текущему времени t, °С сут; II - даты наступления фаз развития растительности, сутки после аварии; STeff(tj) - сумма эффективных

биологических температур, необходимая для наступления данной фазы развития растительности (табл. 1), °Ссут.

0

На рисунке 4 приведены расчётные данные о динамике набора биомассы и сроках сбора двух урожаев сеяных трав на зелёный корм в Гомельской области Белоруссии.

Область = "Гомельская" Корн ='Трава на зеленый корн"

I-----------6-.-----------1------------1------------1-------------1

40 0 40 80 120 160

Время посла аварии, сутки

ООО Посев О О О Всходы

■ ■ ■ Начало сбора урожая, 0,4 кг/и3

♦ ♦ ♦ Начало радиоактивных выпадений А Ж Ж Набор биомассы 1-го урожая

♦ ♦ ♦ Созревание 1 -го урожая ххх Набор биомассы 2-го урожая 4- + 4- Созревание 2-го урожая

■ ■ ■ Конец вегетации

■ Запас биомассы

Рис. 4. Динамика набора биомассы сеяных трав на зелёный корм в Гомельской области Белоруссии.

Время начала потребления населением лугового щавеля и огородной зелени, а также начало выпаса молочного КРС оценивали по критерию выполнения следующих условий:

а) биомасса продовольственной и кормовой растительности уже достаточна для её потребления и составляет 20 % от её значения на конец фазы роста биомассы,

б) при выполнении условия а) выпас молочного КРС начинался, когда среднесуточная температура воздуха превышала 10 °С (предполагается, что выполнение этого условия необходимо для того, чтобы почва на лугах и пастбищах достаточно просохла).

Результаты расчётов динамики набора растительности пастбищ и времени начала выпаса молочного КРС в сильнозагрязнённых районах Брянской и Калужской областей показывают их существенное различие (рис. 5), обусловленное влиянием погодных условий. Так, в более южной Брянской области набор биомассы растительности пастбищ происходил быстрее и выпас КРС там начался раньше, чем в Калужской области.

Рис. 5. Динамика набора биомассы растительности пастбищ и время начала выпаса молочного КРС в сильнозагрязнённых районах Брянской и Калужской областей.

Перечень расчётных данных агроклиматического блока модели

Агроклиматический блок позволяет рассчитывать следующий набор выходных данных, используемых в остальных блоках модели:

• даты прохождения основных фаз развития растений, сутки после аварии,

• динамика роста плотности сырой биомассы растений основных дозообразующих сельскохозяйственных культур: однолетняя и многолетняя зелень, трава культурных пастбищ для общественного КРС и естественных пастбищ - для частного КРС, кг/м2,

• время начала и окончания пастбищного периода частного и общественного молочного скота, сутки после аварии,

• время начала потребления однолетней и многолетней зелени населением, сутки после аварии,

• время начала потребления городским и сельским населением молока общественного и частного скота, сутки после аварии.

Некоторые результаты расчётов региональных особенностей радиоэкологических параметров в загрязнённых после аварии на ЧАЭС регионах России приведены на рисунках 6-8.

Область = 'Гомельская' Nvar_reg = 3 Корм ='Трава культурных пастбищ'

=t

О)

О.

О

Л \ / V V

/

AQ - 30 - 20 **- 10 —-те- 0 0 ?0 эо 10 50

Время после аварии, сутки

• • • Начало весенней вегетации

А А А Начало пастбищного периода по температурным условиям ■ ■ ■ Начало пастбищного периода по запасу биомассы травы % % % Начало радиоактивных выпадений

♦ * - Температура воздуха (метеоданные)

---------Температура воздуха (сглаженные данные)

Рис. 6. Динамика среднесуточных температур воздуха и агроэкологические параметры растительности культурных пастбищ в трёх температурных регионах Гомельской

и Тульской областей.

S

X-

^ ^

^ ,

-10 0 10 20 30

Время после аварии, сутки

-----естественные пастбища. Тульская обл.

-----культурные пастбища. Тульская обл.

• • • начало выпаса частного КРС, Тульская обл.

А Л Л начало выпаса общественного КРС, Тульская обл.

----- естественные пастбища, Гомельская обл.

- - культурные пастбища, Гомельская обл.

■ ■ ■ начало выпаса частного КРС, Гомельская обл.

♦ ♦♦ начало выпаса общественного КРС, Гомельская обл.

Рис. 7. Динамика роста биомассы травы на пастбищах в трёх температурных регионах

Гомельской и Тульской областей.

Рис. 8. Время выпаса частного молочного КРС в четырёх загрязнённых областях России.

б) Модель динамики радиоактивных выпадений из атмосферы на почву и растительность

Основные соотношения

В основу модели радиоактивных выпадений из атмосферы на почву и растительность положена модель Muller Н., Prohl G. [8] с незначительными изменениями. База данных параметров этой модели [9], зависящих от сельскохозяйственных и агроэкологических условий, была разработана для южной части Германии. Однако, как отмечают авторы этих работ, она может быть использована в качестве первого приближения при адаптации модели к другим агроклиматическим условиям.

Динамика радиоактивных выпадений из атмосферы на почву и растительность описывается системой двух обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений:

dqP dt

d<Tgs

dt

' hvkdg-S?) + KY«.Rdep ■ i(R*,-Sh k=1 k=1

3

Ca dBp

(An+ Ap + hwind + Awet + с ^.) Яр

P f,gr Bpdt

П - K?ygr) • I (vkds Sh + V- кГдг )^ePZ(Rw- ) k=1 *=1

•ca +

a

(5)

бВр

+ (Ар + Лш1п(1 + Лше{ - д ф) Чр ~ К ' адв

где др-удельная активность растительности, кБк/кг; сгдв- удельное поверхностное загрязнение почвы, кБк/м2; Са - объёмная удельная активность воздуха в приземном слое атмосферы,

кБк/м3; Вр - биомасса растительности, кг/м2; 6f - относительные доли форм существования

радионуклидов в атмосфере: к= 1 - элементарная, к=2 - аэрозольная, к= 3 - органическая; к к

Уф и \аз - эффективные скорости сухого осаждения радионуклидов на растения и почву, зависящие от параметров приземного слоя атмосферы, вида растительности и состояния почвенного покрова, м/сут (табл. 2 по данным [8, 9]);

Таблица 2

Скорости сухого осаждения йода и цезия на растительность и почву

Форма радионуклида О S 2 *■§> > V^s> ММ/,С

Г аз (8д) 15 3

Аэрозоль (8а)* 1,5 0,5

Органика (80) 0,15 0,05

* - эффективная скорость осаждения 137Сэ на почву и растительность.

- коэффициент объёмного вымывания йода разных форм из атмосферы дождём, равный отношению объёмных активностей радионуклида в дождевой воде и воздухе (табл. 3, по данным [3, 8]);

Таблица 3

Коэффициент объёмного вымывания йода и цезия из атмосферы дождём

Форма радионуклида вк nw

Газ Аэрозоль* Органика 2-105 МО5 0,1-Ю5

эффективная скорость вымывания 137Cs.

- соответственно, коэффициенты задержки радионуклидов зеленью (gr) и

растительностью пастбищ (f) при сухих выпадениях (dry) и осадках в период выпадений (wet), безразм;

KVgr (О =1" ехР(~ао Л Р f,gr(*)), (6)

«По-0,693

О о№/ (7)

• П - ехр(-щ • р ,>дг(1)))

где ао - константа, 1,75 (м2/кг); рг,д!Ц) - плотность сырой биомассы растительности, оцениваемая по соотношению (1) и температурным условиям года аварии, кг/м2; Яс1ер(1>®0) ~ осадки с начала выпадений, м; 0О - время начала радиоактивных выпадений, сутки после аварии; Зт/ - максимальная толщина слоя дождевой воды, удерживаемая поверхностью растительности, зависящая от её вида и свойств ионов радионуклида: для растительности пастбищ равна для йода 0,1 мм и цезия 0,2 мм [9]; 1.%ах - максимальная поверхностная площадь листовой поверхности растительности на единице площади поверхности почвы, зависящая от вида растительности [8], безразмерная величина, для травы равна 7 [9]; от? - константа размерности,

1 (м2/кг); Йаер - интенсивность дождя в период выпадений, м/сут; 77- доля сухого вещества во

влажной биомассе растительности, зависящая от её вида; Лп- скорость распада радионуклида, сут"1; Лр- скорость самоочищения растительности, 0,02 сут"1 [10]; Х^ПС1 = ктП - скорость очищения растительности от активности под действием ветра, сут"1, величина Нравна 7-10"9 с/м2 [10], и - среднесуточная скорость ветра, принимается равной 3 м/с; = к■ - ско-

рость очищения растительности от активности под действием дождя, сут"1, к - константа, равная {0,02 (1311), 0,034 (137Сз)}Ю3 м"1 [10].

в) Некоторые особенности выпадения 1311 и 137Св на растительность и почву

Исследования особенностей выпадения 1311 и 137Сз на растительность и почву проводились на примере агроклиматических условий 1986 г. - года аварии на ЧАЭС, с использованием базы данных работы [9] для параметров модели радиоактивных выпадений радионуклидов 137Сз и 1311 из атмосферы на растительность и почву. Расчёты выполнялись для удельных объёмных активностей 1311 и 137Сз в облаке на время аварии, равных 1 и 10 кБк/м3, в предположении равенства долей органической и элементарной форм йода (Зд=д,‘0). Полагалось также, что 137Сз существует в облаке только в аэрозольной форме.

Результаты расчётов зависимостей удельных активностей 1311 и 137Св в траве естественных пастбищ на время окончания выпадений от осадков и величины доли аэрозольной формы 1311 в атмосфере За для центральных частей Гомельской области Белоруссии (Ыуаг_гед=3) приведены на рисунке 9. Отметим, что в Гомельской области при прочих равных условиях за счёт большей биомассы растительности в период выпадений удельные активности 1311 и 137Св в траве пастбищ были заметно выше, чем в Тульской (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость удельного загрязнения 1311 и 137Св травы пастбищ от осадков в период выпадений и доли аэрозольной формы нахождения 1311 в облаке как параметра.

00_а1гСэ_1 - удельная объёмная активность 37Сэ в облаке, кБк/м3; Оа1г_1_Сэ - отношение удельных объёмных активностей 1311/137Сэ в облаке, приведённое к времени аварии; 0_с1ерО, 0_с1ер1 - время начала и конца радиоактивных выпадений; Ыуаг_гед - номер температурного региона.

Основной особенностью данных на рисунке 9 является нелинейность зависимостей удельных активностей 137Св и 1311 в траве от осадков за период выпадений в логарифмических координатах. Основная причина такой нелинейности обусловлена тем, что при осадках менее

0,1 мм за время выпадений поверхностное загрязнение растительности обусловлено «сухими» выпадениями; при осадках более 0,1 мм и менее 2 мм их вклад в загрязнение растительности начинает увеличиваться, и при больших осадках загрязнение растительности обусловлено только «мокрыми» выпадениями. Дополнительной, не менее важной причиной нелинейного вида зависимостей на рисунке 9 для 1311, является существенное различие (до порядка величины) в скоростях «сухого» и «мокрого» осаждения 1311 на растительность и почву для разных форм существования 1311 в атмосфере.

Естественно, что и зависимости логарифмов отношений удельных активностей 137Св и 1311 (при ненулевой доле аэрозольной формы) в траве к логарифму плотности выпадения 137Св также не линейны. Отметим, что с увеличением плотности выпадения 137Сз величины этих отношений сильно убывают (рис. 10). Происходит это вследствие того, что в период дождя поверхность листьев растительности может удержать только очень небольшой слой дождевой воды (величина этого слоя определяется параметром При сильном дожде большая часть дож-

девой влаги вместе с вымытой из атмосферы активностью уже не задерживается растительностью, а стекает с неё на почву.

Здесь важно отметить, что поступление радионуклидов с зеленью и молоком в организм человека, а, следовательно, и величина доз его внутреннего облучения будет прямо пропорциональна удельному загрязнению сельскохозяйственной растительности. Зависимости этих доз, нормированных на плотность выпадения 137Св, от плотности выпадения 137Св будут иметь такой же нелинейный вид, как на рисунке 10.

Рис. 10. Зависимость отношений удельных активностей 137Св и 1311 в траве к плотности выпадения 137Сз от плотности выпадения 137Св и доли аэрозольного йода

в облаке как параметра.

00_а1гСэ_1 - удельная объёмная активность 137Сэ в облаке, кБк/м3; Оа1г_!_Сэ - отношение удельных объёмных активностей 1311/137Сэ в облаке, приведённое к времени аварии; 0_с1ерО, 0_с1ер1 - время начала и окончания радиоактивных выпадений.

Из зависимостей ненормированных удельных активностей 1311 и 137Св в траве от плотности выпадения 137Сз, приведённых на рисунке 11, видно, что при изменении плотностей выпадения 137Сз на почву в 200 раз удельная активность травы для 137Св изменяется только в 20 раз, а для 1311 с долей аэрозольной формы, большей 0,5, только в 30-50 раз. Фактически это означает, что при сухих выпадениях дозы внутреннего облучения населения 137Св на единицу плотности выпадения 137Св будут в 5-10 раз больше, чем при сильных осадках, а дозы внутреннего облучения ЩЖ 1311 будут больше уже в 10-25 раз.

Одним из параметров модели выпадений радионуклидов на растительность является максимальная толщина слоя дождевой воды, удерживаемой на её поверхности (Б„,1). Параметр Б"/ зависит от типа растительности, фазы её развития. В модели выпадений он является наиболее неопределённым.

131 137 137

Рис. 11. Зависимость удельных активностей I и Се в траве от плотности выпадения Се, приведённых к дате аварии, от плотности выпадения 37Св и доли аэрозольного йода

в облаке как параметра.

00_а1гСэ_1 - удельная объёмная активность 137Сэ в облаке, кБк/м3; Оа1г_!_Сэ - отношение удельных объёмных активностей 1311/137Сэ в облаке, приведённое к времени аварии; 0_с1ер0, 0_с1ер1 - время начала и окончания радиоактивных выпадений.

Область = "Брянская" 0_dep0 = 2.9 day 0_dep1 = 3.8 day

QO airCs 1 = 1 — QairJ_Cs = 10

“ 3

Осадки за период выпадений, мм

1311, Swl=0.075 мм AAA 1311, Swl=0.1 5 мм ♦ ♦ ♦ 1311 ,Swl=0. 3 MM ООО 137Cs, Swl=0.075 мм AAA 13?cs, Swl=0.15 MM ООО 137CS, Swl=0.3 MM

Рис. 12. Зависимость удельных активностей 131I и 137Cs в траве от осадков за период выпадений и максимальной толщины слоя дождевой воды, удерживаемой растительностью (Swt).

Q0_airCs_1 - удельная объёмная активность 137Cs в облаке, кБк/м3; Qair_I_Cs - отношение удельных объёмных активностей 131I/137Cs в облаке, приведённое к времени аварии; 0_depO, 0_dep1 - время начала и окончания радиоактивных выпадений.

Однако расчёты показали (рис. 12), что зависимости удельных активностей 1311 и 137Св в траве от осадков за период выпадений от этого параметра практически не зависят. Так, при изменении Б" в 4 раза от 0,075 до 0,3 от принятых в соотношении (7) значений удельная активность 1311 и 137Сз даже при осадках, равных 40 мм, изменяется всего в 1,5 раза.

Пример динамики удельных активностей 137Св в траве пастбищ и сенокосов в центральной части Брянской области приведён на рисунке 13. Расчёты выполнялись для удельных объ-

131 137 3

ёмных активностей I и Се в облаке на время аварии, равных 10 и 1 кБк/м , в предположении равенства долей органической и элементарной форм йода (3д=30) и осадков в период выпадений 1 мм. Величина относительной доли аэрозольной формы 1311 в облаке принималась равной 0,7. Полагалось также, что 137Св существует в облаке только в аэрозольной форме.

Время после аварии, сутки

А А А Зеленая биомасса травы сенокосов, кг/м2

©—О—© Трава пастбищ

В □ Трава сенокосов

### Сено первого укоса

■ ■ ■ Сено второго укоса

ААА Начало стойлового сешна

Рис. 13. Динамика удельных активностей 137Cs в траве пастбищ и сенокосов в центральной

части Брянской области.

По сценарию расчётов полагается, что укосы травы на сено проводятся за одни сутки, а остаток сырой биомассы травы пастбищ после сенокоса равен 0,2 кг/м2. Из результатов расчёта следует, что удельная активность травы пастбищ после сенокосов убывает значительно быстрее, чем на пастбищах, за счёт более быстрого нарастания новой незагрязнённой растительности на остатках нескошенной травы.

Пример динамики удельной активности 131I и 137Cs растительности пастбищ и плотностей выпадения 131I и 137Cs на почву под растительностью в центральной части Орловской области приведён на рисунке 14.

Быстрый спад удельной активности 137Cs в траве обусловлен процессами её самоочищения под действием ветра, осадков и нарастания чистой биомассы. Аналогично для 131I происходит более быстрый спад ещё и за счёт его радиоактивного распада. Рост поверхностной активности 137Cs на почве под растительностью продолжается и после окончания выпадений за счёт самоочищения растительности.

Область = 'Орловская'

-

*2

ш и 100

0)

я

т 00

О

во

о

а

2 40

и

я

X

- 20

£

-йгО-Агв й- -вд—Є

20 30 40 50

Время после аварии, сутки

• Растительность естественных пастОищ ; Растительность культурных пастбищ С- С- О Почва под растительностью естественный пастбищ А' Д 'Д Почва под растительностью культурных пастбищ

20

Рис. 14. Динамика удельной активности 1311 и 137Св в растительности пастбищ и плотностей выпадения 1311 и 137Св на почву под растительностью в Орловской области.

Таким образом, приведённые материалы свидетельствуют, что разработанная модель позволяет в режиме реального времени проводить исследования закономерностей основных процессов, определяющих динамику выпадения радионуклидов 1311 и 137Св из атмосферы на почву и растительность. Проведённые расчёты позволили выявить ряд особенностей динамики загрязнения растительности 1311 и 137Св от погодных условий, осадков в период радиоактивных выпадений, форм нахождения 1311 в атмосфере и других параметров модели.

Так, установлено, что после аварии в весенний период и одинаковых погодных условиях на местности:

• при осадках в период выпадений зависимости удельных активностей 137Св и 1311 в траве от плотности выпадений 137Св не могут быть аппроксимированы линейными или степенными зависимостями, основной причиной нелинейного вида этих зависимостей для 1311 является существенное различие (до порядка величины) в скоростях «сухого» и «мокрого» осаждения 1311 на растительность и почву для разных форм его существования в атмосфере;

• удельная активность травы на сельскохозяйственных угодьях после сенокосов убывает значительно быстрее, чем на пастбищах, за счёт более быстрого нарастания новой растительности из остатков нескошенной загрязнённой травы;

• при сухих выпадениях дозы внутреннего облучения населения 137Св на единицу плотности выпадения 137Сз будут в 5-10 раз больше, чем при сильных осадках, а дозы внутреннего облучения ЩЖ 1311 будут больше уже в 10-25 раз.

Литература

1. Власов О.К., Питкевич В.А. Агроклиматическая модель оценки транспорта радионуклидов по пищевым цепочкам и формирования доз внутреннего облучения населения //Радиация и риск. 1999. Вып. 11. С. 65-86.

2. Иванов В.К., Цыб А.Ф. Медицинские радиологические последствия Чернобыля для населения России: оценка радиационных рисков. М.: Медицина, 2002. 392 с.

3. Шашко Д.И. Агроклиматические ресурсы СССР. Л.: Г идрометеоиздат, 1985.

4. Bartuskova M., Malatova I., Berkovskyy V., Krajewski P., Ammann M., Filistovic V., Homma T., Horyna J., Kanyar B., Nedveckaite T., Vlasov O., Zvonova I. Radioecological assessments of the Iodine working

group of IAEA’s EMRAS programme: Presentation of input data and analysis of results of the Prague sce-

nario //Radioprotection. 2009. V. 44, N 5. P. 295-299.

5. Cardis E., Kesminiene A., Ivanov V., Malakhova I., Shibata Y., Khrouch V., Drozdovitch V., Maceika E.,

Zvonova I., Vlassov O., Bouville A., Goulko G., Hoshi M., Abrosimov A., Anoshko J., Astakhova L., Chekin S., Demidchik E., Galanti R., Ito M., Korobova E., Lushnikov E., Maksioutov M., Masyakin V., Nerovnia A., Parshin V., Parshkov E., Piliptsevich N., Pinchera A., Polyakov S., Shabeka N., Suonio E., Tenet V., Tsyb A., Yamashita S., Williams D. Risk of thyroid cancer after exposure to 131I in childhood

//J. Nat. Cancer Inst. 2005. V. 97, N 10. P. 724-732.

6. Drozdovitch V., Khrouch V., Maceika E., Zvonova I., Vlasov O., Bratilova A., Gavrilin Y., Goulko G., Hoshi M., Kesminiene A., Shinkarev S., Tenet V., Cardis E., Bouville A. Reconstruction of radiation doses in a case-control study of thyroid cancer following the Chernobyl accident //Health Physics. 2010. V. 99, N 1. P. 1-16.

7. Environmental Modelling for Radiation Safety (EMRAS). A Summary Report of the Results of the EMRAS Programme (2003-2007), IAEA-TECDOC-1678. Vienna: IAEA, 2012.

8. Muller H., Prohl G. ECOSYS-87: a dynamic model for assessing radiological consequences of nuclear accidents //Health Physics. 1993. V. 64, N 3. P. 232-252.

9. Muller H., Prohl G. ECOSYS for Excel (version 1.4E). A radioecological model for assessing contamination of foodstuffs and radiation exposure following a release of radionuclides. ConRad Consulting in Radioecology, Schumannstr. 12, D-85598 Baldham.

10. Till J.E., Meyer H.R. Radiological assessment: A textbook on environmental dose analysis. NUREG/CR-3332, ORNL-5968. Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission, 1983.

Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in the food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population.

Part 1. Description, formulation and properties of agroclimatic model

Vlasov O.K.

Medical Radiological Research Center of the Russian Ministry of Health, Obninsk

Mathematical statement of the agroecological component of radioecological model for transport of iodine and caesium radionuclides in food chains after radiological accident and atmospheric discharge of radioactive substances is described. The model allows real-time investigation of basic processes, determining dynamics of 131I and 137Cs fallout from an atmosphere on soil and vegetation. Some features of dynamic of contaminating vegetation with 131I and 137Cs in relation to weather conditions, precipitation at the time of radioactive fallout, form of radioiodine, forms of presence of 131I in atmosphere and other parameters. In case of dry fallout internal dose to population from 137Cs related to density of the radionuclide precipitation will be 5-10 times higher the dose to population following heavy rainfall. Internal thyroid dose from 1311 will be 10-25 times higher.

Key words: model of iodine and caesium radionuclides transport, food chains, radiation accident, internal doses.

Vlasov O.K. - Head of Laboratory, D. Sc., Tech. MRRC.

Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel.: (48439) 9-32-45; e-mail: nrer@obninsk.com.