Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Исследование и прогнозное математическое моделирование уровней загрязнения 137 Сs сосновых насаждений в условиях Белорусского Полесья

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Исследование и прогнозное математическое моделирование уровней загрязнения 137 Сs сосновых насаждений в условиях Белорусского Полесья"

¿о £2

О"» . .

~ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

<~и

^ ИНСТИТУТ ЛЕСА

го

с\/

На правах рукописи УДК 630.17:621.039.7

ЖУЧЕНКО ТАТЬЯНА АФАНАСЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ '«Се СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ

АВТОРЕФЕРАТ па соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Специальность - 06.03.03. - Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Гомель 1996

Работа выполнена в Институте леса АН Беларуси

Научные руководители: Директор Института леса АН Беларуси, академик РАСХН, член-корр. АНБ В.А.Ипатъев

Зав. сектором радиологических и химических исследований лесных экосистем Института леса АН Беларуси кандидат физико-математических наук А.М-Дворник

Официальные оппоненты: член-корр АНБ, доктор биологических

наук, завлабораторией радиоэкологии растений Института экспериментальной ботаники Б .И .Якушев

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент факультета повышения квалификации работников лесного хозяйства ЛЛ.Навойчик

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт радиобиологии АНБ

Защита состоится " £? " с^со^ки ¡99£г. в_»V часов

на заседании специализированного совета Д.01.33.01 в Институте леса АН Беларуси (246654, г.Гомель,ул.Пролетарская, 71).

С диссертацией можно ознакомиться в ИЛ АНБ. Отзывы просим присылать в 2-х экземплярах с заверенными подписями по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "¿6 " иал$[ия. /396г.

Ученый секретарь специализированного /// / >

совета, кандидат биологических наук 0Машнина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ,

Актуальность работы. Леса значительно дольше хранят память о ядерных катастрофах по сравнению с другими природным экосистемами, так как сам по себе лес - это наиболее замкнутая консервативная природная экосистема, nie радионуклиды включаются в многолетий экологический цикл круговорота элементов. Лесные экосистемы явились естественным барьером для распространения радионуклидов по территории Беларуси, где каждый четвертый лесной гектар в той или иной степени загрязнен радиоактивными веществами.

Для безопасного использования лесных угодий, поиска и реализации мероприятий по снижению доз облучения населения необходимо иметь обоснованный прогноз загрязненности лесных массивов и лесной продукции на ближайший и отдаленный периоды времени. Получение такого прогноза возможно лишь на основе математической модели миграции радионуклидов в лесных экосистемах, опирающейся на реальные экспериментальные данные многолетних наблюдений за распределением и перераспределением радионуклидов в компонентах лесных биогеоценозов. Таким образом, проблема разработки новых принципов моделирования и получения на их 'основе достоверных прогнозов миграции радионуклидов в лесных экосистемах является весьма актуальной.

Цель работы - установить основные закономерности распределения и перераспределения шСя в лесном биогеоценозе и разработать прогнозы самоочищения сосновых лесных насаждений от радионуклидов в условиях Белорусского Полесья.

Для достижение поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

I. Изучить основные закономерности миграции радиоцезия в различных типах лесных почв и его переход в компоненты сосновых фптоценозов на территории Белорусского Полесья;

2. Разработал, принципы и алгоритмы прогнозной математической модели миграции радионуклидов в лесных экосистемах;

3. Разработать долгосрочный прогноз уровня накопления шСз в сосновых насаждениях, являющихся преобладающей древесной породой на территории Белорусского Полесья;

Новизна и научная значимость настоящего исследования состоит в том, что разработан ноиый метод моделирования миграции радионуклидов в лесных экосистемах, основанный на учете физиологических особенностей

многолетнего цикла созревания древесных растений, результатом которого явилось создание новой прогнозной математической модели ?(ЖЕ£>Т1ЛРЕ. Получен прогноз накопления '"Сб сосновыми насаждениями и их самоочищения, в том числе установлена возрастная зависимость поступления шСв в древесину сосны.

Практическая значимость полученных результатов зак.почается в том, что полученные теоретические и экспериментальные результаты, раскрывающие основные закономерности миграции радионуклидов в • сосновых насаждениях Белорусского Полесья, позволяют планировать объемы и сроки заготовки древесины на загрязненных территориях, оценивать эффективность дезактивации лесных массивов и динамику доз внутреннего и внешнего облучения работников лесного хозяйства.

Обоснованность и достоперность выводов под1верждены большим объемом экспериментальных данных и близким соответствием результатов моделирования и прогнозов с экспериментальными данными независи-мых исследователей и предсказаниями других прогнозных моделей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования распределения '"Се в компонентах соснового экосистем, произрастающих на автоморфных и пщроморфных почвах Белорусского Полесья;

2. Новый метод прогнозирования миграции радионуклидов в лесных экосистемах и прогнозная математическая модель;

3. Зависимость коэффициента перехода |37Сз (из почвы в древесину) от возраста древесного растения;

4. Прогноз динамики распределения шСб в компонентах соснового биогеоценоза.

Свячь с научио-исследовательскнми работами. В основу настоящей диссертации положен экспериментальный материал, полученный в результате систематического исследования миграции радионуклидов в лесных экосистемах в теченне 1992-1996 годов на территории Белорусского Полесья. Работа выполнялась в рамках государственной программы Республики Беларусь по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Личпын вклад. Работа выполнялась лично автором с 1992 по 1996 год в Институте леса Академии наук Беларуси- Автору принадлежит обоснование выбора и подбор лесных объектов для создания базовой сети многолетнего наблюдения, отбор почвенных" и растительных образцов на протяжении всего периода исследований,

спектрометрические измерения и получение экспериментальных данных, теоретическое обобщение результатов, создание и разшгтие прогнозной модели FORESTLIFE миграции радионуклидов в лесных экосистемах. Апробация и научные публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях: International seminar on freshwater and estuarine radioecology . - Lisbon, Portugal, 1994.; International Confcrence "Radioecology of Peatlands" - St,Peterburg. 1994.; The first international coriference "The radiological consequences of the Chemobyl accident", Minsk, 1996; Technical Committee Meeting on "Cieanup Criteria for Forest and Forestry Product following a Nuclear Accident", IAEA, Vienna, Austria, November, 1995. По материалам диссертации опубликовано 24 научных работы, в том числе одна монография и три авторских свидетельства.

Объем я структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 107 наименований (в том числе 14 на иностранных языках) и приложений. Текстовая часть диссертации изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 23 рисунков и 27 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

¡.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ И МОДЕЛИРОВАНИЮ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В ЛЕСНЫХ

БИОГЕОЦЕНОЗАХ

Лес является чрезвычайно сложнри биологической системой и обладает многофакторностью условии произрастания. В основу решения задач математического моделирования положен системный подход, учитывающий многообразие факторов^ развития лесных экосистем. Сформулированы цели и задачи, на которые направлено создание математической модели миграции радионуклидов, приведено обоснование разработанной методики подбора опытных объектов и их характеристики.

Для выявления закономерностей поведения радионуклидов в лесном биогеоценозе была заложена сеть лесных объектов, расположенных на территориях с уровнями загрязнения почвы l37Cs в диапазоне от 700 до 20000 кБк/м2. Эта сеть состоит из' 16 лесных объектов. Анализ экспериментальных данных, полученных на базовой сети позволил определить основные закономерности миграции в почве, накопления

о

радионуклидов в надземном ярусе и их перераспределения в однотипных лесных насаждениях с большой статистической достоверностью. Значительное влияние ¡¡а скорость миграции радионуклидов в почве и накопление их в древесном ярусе играют степень влагообесяеченностн почвы и ее плодородие. Поэтому изучались закономерности миграции радионуклидов в полярных по степени увлажнения автоморфных и гидроморфных почвах.

Исследование влияния концентрации калия в почве и параметров уровня грунтовых вод на характер миграции 13?С5 в системе "почва-древесное растение" проводилось в специально поставленных для этой цели вегетационных опытах.

В качестве пробных (модельных) площадей исследованы насаждения искусственного происхождения сосняка мшистого II класса возраста, I - II бонитета, без подлеска и преобладанием в напочвенном покрове мха Шребера, почва дерново-подзолистая, песчаная, иногда супесчаная, уклон поверхности не более 5 %. Для исследования миграции радионуклидов в условиях избыточного увлажнения пробные площади были также заложены в лесных насаждениях олиготрофных, мезотрофныч и евтрофных болот Белорусского Полесья.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ В ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ

Миграции !,'Сз в почвах сосновых насаждений исследовалась в 1993 г. на ! О однотипных пробных площадях ближней и дальней зон. Удельная активность почвенного профиля определялась в 20-ти см слое почвы через 1 см до глубины 10 см и далее через 5 см до глубины 20 см. Усредненные отношения запаса ,37Са в каждом слое почвы к его общему запасу в подстилке и в 20-санпшстровом слое почвы для ближней и дальней зон загрязнения приведены на рис.!, из которых видно, что по характеру распределения В7Сз по вертикальному профилю почвы пробные площади заметно разнятся по зонам загрязнения. Результаты анализа по критерию Стыодента показывают, »по полученные усредненные распределения в двух зонах статистически различаются.Сходный характер распределения шСз в зонах позволяет проводить усреднение по слоям почвы для каждой из зон загрязнения. Вышеизложенных факторов свидетельствует о.более активном процессе миграции радионуклидов вглубь почвенного профиля для ближней зоны.

Гидроморфные почвы имеют целый ряд специфических особенностей, влияющих как на характер произрастания древесных растений, так и на

миграционные процессы радиоактивных веществ и болотных лесных экосистемах. Для исследования миграции ,1ТСэ в торфяпо-болатных почвах отбирались пробы почвы через 5 см до глубины 60 см. Скорость вертикальной миграции шСз в торфяио-болотных почвах значительно превышает этот показатель для минеральных почв (рис.2). В ряду основных типов болот максимальная скорость миграции наблюдается в почве верхового болота, минимальная - низинного болота.

Для корневого поступления шСз необходимо определит!» долю биологически доступных форм нахождения 137Сх в кориеобитаемом слое почвы. Полученное распределение водорастворимой и нонноебменной форм шСз по вертикальному профилю песчаной почвы, как доля от общего содержания, показывает следующее ( табл.).): процентное содержание водорастворимой формы увеличивалось с глубиной от 0.3 до 2.3 % (до 8 см); ионнообменпой - от 2.5 до 11.0% (до слоя 10-15 см).

Таблица 1.

Содержание водорастворимых н иоинообменных форм 137Сб в слоях

минеральной почвы (проценты от общего содержания в почве)

Глубина слоя, см, X Водорастворим ая форма, У Ионнообменная форма, У Сумма водорастворимой и нонно-обмен-ной форм, У

0-1 0.27 2.27 2.54

1-2 0.71 5.75 6.46

2-3 1.05 6.43 7.48

3-4 1.5 6 5.52 7.08

4-5 1.07 7.61 8.68

5-6 1.37 6.30 7.67

6-7 2.33 '7.70 10.30

7-8 0.88 10.00 10.88

8-9 - 10.70 10.70

9-10 - 11.00 11.00

10-15 9.86 9.86

Аппрокси- У=0.43*1пХ+0.62 У нация У=2.57*1пХ+3.84 =3.05*1пХ+4.43

Распределения биологически доступных форм шСв в почве переходного болота имеют такую же четко выраженную тенденцию к увеличению содержания доступных форм с глубиной, однако значительно выше по абсолютным значениям: от 0.9 до 3.6% (до 20см) и от 8.8 до 20.2%, (до 20 см), соответственно. Таким образом, наши исследования свидетельствуют о заметном превышении подвижных форм !37Сб в торфяно-болотных почвах по сравнению с минеральными.

Рис. 1. Распределение СЗ-13Т по вертикальному профилю лесник почв дальней (1) и ближней <2) зон радиоактивного загрязнения

Рис.2. Распределение СЗ-137 по вертикальному профилю торфяно-бодотшк почв различного типа лесных бодот.

1 - песчаные ночш. 2 - евтроФное. 3 - незотрофяое, 4 - олнготроФное болото.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ПРОГНОЗ МИГРАЦИИ »»Се В ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ

Для количественной оценки скорости миграции с целью идентификации моделей проведено описание полученных экспериментальных распределения радионуклидов по почвенным профилям на объектах исследования с помощью различных моделей. Для математического моделирования были выбраны квазндиффузионная и конвективно-диффузионная модели, дающие наиболее достоверную картину миграции радионуклидов по почвенному профилю.

Аппроксимация экспериментальных распределений радионуклидов по глубине почвенного горизо}па по квазидиффузнонной модели проводилась методом наименьших квадратов выражением (I):

Ч(х,1)А * <3 / л.'(тг * Мг* I) * схр( -х2/4 * Мг* I)) +

+ В*С?/т!(тг*М,М)*ехр(-х1М(4йМ,* I)), (1)

где

А и В - вклады первого и второго слагаемых; Мг-и М5 -коэффициенты "быстрой" и "медленной" миграции; I - время; <3 -полный запас радионуклидов; х - глубина почвенного слоя.

В результате получены численные значения коэффициентов миграции, характеризующие скорость перемещения радионуклидов вглубь почвы, Которые приведены в табл.2. "Быстрый" и "медленный" компоненты миграционного процесса отражают суммарное одновременное действие нескольких механизмов.

В рамках конвективно-диффузионной модели миграция радионуклидов описывается выражением:

Ч(х,*) = 0* (1/(л!(©* О* I)* ехр(-(х-V* Ог/4* В* {))-

-у/2 * Б * ехр( -V * х / Б ) * еНс( х / 2 * л/(Б * 0 - V * т/0Л))) ,

где

q - концентрация радионуклидов в почве; Б - коэффициент диффузии; V •• линейная скорость движения радионуклидов под действием потока влага.

Аппроксимация экспериментальных распределений радионуклидов по почвенному профилю в автоморфных почвах ближней и дальней зон загрязнения и гидрсморфных лесных почв данным выражением, можно определить количественное значение коэффициентов Б и V (табл. 3).

Таблица 2.

Коэффициенты "медленной" и "быстрой" миграции в рамках

дцухкощюнеитцой ква:тдиффузионной модели

Лесная почва Коэффициент миграции

"Медленная" миграция 10-8, смУс "Быстрая" миграция Ю6, см2/с

Песчаная (Ближняя зона) 0.11 ±0.01 0.13 ±0.01

Песчаная (Дальняя зона) 0.08 ±0.01 0.(6+0.02

Торфяно-боиотлая (Евгрофное болото) 6.31 ± 0.70 0.83 + 0.20

Торфяно-болотная (Мезотрофное болото) 6.62 ±0.82 2.98 ± 0.55

Торфяно-болотная (Олиготрофное болото) 7.71 ±0.65 8.70 ± 0.40

Таблица 3.3начения коэффициента диффузии н скорости конвективного

переноса в рамках днффузионно-коквекгпшной модели

Лесная почва Коэффициенты модели

Коэффициент диффузии 10-9,см2/с Скорость конвекции, 10'9, см/с

Песчаная (Ближняя зона) 1.00 ± 0.10 • 0.20 ±0.02

Песчаная (Дальняя зона) 0.86 ± 0.04 0.16+0.01

Торфяно-болотная (Евтрофнос болото) 28.40 ±6.60 2.90 ±0.65

Горфяно-болотная (Мезотрофное болото) 59-ЬО ± 7.45 1.50+0.91

Торфяно-болотная (Олиготрофное болото) 61.80 ± 14.11 0.71 ±036

Рассматриваемая модель удовлетворительно описывает распределение 137Сз в исследуемых почвах. На основе полученных численных характеристик миграционного процесса можно достоверно оценить перераспределение шСв по почвенному профилю в ближайший и отдаленный периоды временя.

Из двухкомпонентной квазндиффузионной модели следует, что среднее смещение радионуклида У можно определить в виде: У = 2*Л1(БМ/7Г).

Это означает, что ниже величин среднего смещения продиффунди-ровало 42% шСз, выпавшего на поверхность. По модельным расчетам получены следующие значения среднего смещения дня торфяно-болотных почв: через 7 лет после выпадения - 6.0 см; через 15 лет - 8.8 см; через 30 лет - 12.6 см; через 60 лет - , ¡7.7 см. Для песчаных почв такие величины составляют соответственно 0.9; 1.3; 1.8 и 2.6 см. Скорость перемещения

радионуклида в торфяно-болотныл почвах чамедляпся с течением времени от 0."6 до 0.17 см/год в интервале до 60 лет от момента аварии.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ НАКОПЛЕНИЯ '"С» СОСНОВЫМИ ФИТОЦЕНОЗАМИ

Одним из важнейших вопросов прогнозного моделирования является вопрос области применимости модели. Необходимо выяснить, зависят ли миграционные процессы в лесных экосистемах от количества выпавших радионуклидов. С этой целью было исследовано поступление 13'Се в древесину сосны в зависимости от запаса радионуклида в почве. Как отмечалось выше, главной отличительной особенностью подбора опытных участков является их природная однотипность по типу леса, возрасту и происхождению. При этом можно предполагать, что из миграционные процессы влияет лишь один фактор - уровень загрязнения. Зависимость удельной активности У древесины сосны от запаса |37Са в гочве с подстилкой X приведена на рис.З. Эти данные были ппрокснадировзны линейной зависимостью вида

¥ = 3.66 * Х-2.01.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в пределах запаса шСз от 700 до 20000 хБк/м2 обнаружена линейная зависимость удельной активности древесины сосны в однотипных насаждений от запаса радионуклида . в почве. Следовательно, коэффициент перехода в древесину сосны при идентичных лесорастительных условиях не зависит от запаса радионуклида. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что процессь! транспорта ,37Сз имеют одинаковый механизм, который не зависит от количества радионуклидов, находящиеся в почве в указанных пределах запаса.

Интенсивность потребления питательных элементов из почвы, з том числе радиоактивных. веществ, из почвы древесными растениями зависит от их возраста. Поэтому, дня учета в создаваемой модели возрастных особенностей перехода и накопления радионуклидов в древесине сосны исследовалось содержание |37Сз в древесине сосны четырех классов возраста - 1Д1ДП.IV. Для определения содержания калия использовались те же пробы древесины, в которых определялась удельная активность 137С5. Рассчитывались коэффициенты перехода шСз из почвы в древесину и усреднялись для каждого класса возраста. Исследования возрастной зависимости интенсивности потребления |37Сз

ио-шулшш установить, чш с увеличением во-;рлста дерева коэффициенты и.реходл и7С$ аз почиы п древесину, как дня глюла в целом, так и для посдеаваршшого наружного слоя снижаются в 6-7 раз' ( рнс.4). Следует отметить, что для сосны » потребление калия с возрастом дерева изменяется аналогичным образам, поэтому для сопоставления на рнс.4. показана зависимость содерлсания калия в древесине сосны в разных классах возраста. Можно констатировать, что интенсивность потребления питательных веществ с возрастом дерева закономерно •снижается, что приводит к более мшкому загрязнению шСе древесины спелых насаждений. С наибольшей интенсивностью происходит накопление шСв в молодых деревьях. Возрастная зависимость коэффициента перехода И7Сб из почвы в древесину сосны разного возраста была аппроксимирована зависимостью вида:

У = 0.429*10° * 11-" * схр( - 0.073 * 4),

где

У - коэффициент перехода шСв из почвы в древесину сосны; I -возраст дерева, лет.

Влияние ряда эдафнчгскнх факторов на накопление ШС& в древесных растениях, изучение которых затруднительно в натурных экспериментах, были исследованы с помощью вегетационной установки. Установлено, что при изменении концентрации КгО в почве от 0.09 до 1.7 г/кг коэффициент перехода в сеянцы сосны уменьшается от 55*104 до 2.7*10-4 м2/кг, то есть в 20 раз. Полученные экспериментальные данные были описаны в рамках теория мономолекуляриой адсорбции Лзнгшора. В пределах концентраций калия от 0.1 до 0.6 г/кг наблюдается удовлетворительное описание с помощью изотермы Лэнгмюра. Таким образом, в пределах концентрации калия от 0.1 до 0.6 г/кг в торфяной почве наблюдается линейная зависимость между обратной величиной коэффициента накопления 137С.«> в сеянцах сосны и концентрацией доступных форм калия.

5. ПРОГНОЗНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ шСэ В СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЯХ

Разработан новый метод прогнозных оценок, и на его основе создана прогнозная математическая модель миграции радионуклидов в лесных экосистемах, получившая название РОКЕЗГПЛРЕ. В основу этого метода положено неиспользуемое ранее в прогнозных оценках накопления

1'ис. з. Зависимость удельной активности древесины сос!ш от запаса Сз-137 в почве

ЮЗ ЛрезесЕпа в целом | {ПсслеавзрнйЕЫй слой Содеяжмше К

Рлс.4. Возрастная зависимость коэффициента перехода С&437 в древесину сосны н содержанке калия •

радионуклидов представление о дереве, как о живо?,! и растущем организме с присущими ему физиологическими особенностями.

Модель состоит из блоков-подмоделей: "Почва" и "Древесные растения". Структурная схема представлена на рис, 5. Результирующая функция почвенного блока модели РК(1), есть функция корневого поступления радионуклидов из по'гвы в древесину. РК(1) представлена, как:

РЬС(с) = * РА(х) * РМ<Ч,х), - РМ(1,х) - прогнозная функция миграции шСз в почве, рассчитанная на основе дауякомпонентной квазндиффузионпой и конвективно диффузионной моделей;

РА(х) - нормализованная функция распределения биологически доступных форм шСх по вертикальному профилю почвы;

РЯ(х) - функция нормированного распределения питающей корневой системы по вертикальному профилю почвы.

Г—"1-!-Г-:-1-

1 гЛ®

^ "-¡¡ужа

КОРЛ

)1:{

побеги^ у . хвоя

» Некоего года)

ДРЕВЕСИН/1

>-

Возрастная зааи-дикость РАО(!)

( Каксгшоше

_КАСЛ)

---

,_I

Радиагьнэч рагпре-

(Израстани! фиоиассы ПВСО.

ГПпсдпьсок " ]

подстилкл

опад

с

Разложение

ПОЧВА

Ксриеоэе леспупж- !_,

Щ)_г

ПСсрнсоаа система

5 Г К^гр; ) Ш _) Ш

\\—а

Рис»5. С>1рз'К'ЩЛ2а;{ схема. модели РОЕЕЬТИРБ

Результирующая функция блока растительности - FAC(t) - функция накопления шСз в древесине, рассчитанная с учетом радиального распределения 137Cs по стволу FRD(t), увеличения биомассы древесины с возрастом FlB(t) и изменения физиологической активности потребления l37Cs FAD(t) rio мере созревания древесины (изменение величины коэффициента перехода - возрастная зависимость). В модели FORESTLIFE возрастная зависимость полагается временной зависимостью коэффициента перехода от возраста дерева.

Процессы перехода и7Сз из почвы в древесину и его аккумуляция в древесине описываются следующими функциями: FTF(t) = FK(t) * FAC(t) * FD(t),

rae

-FD(t) - функция естественного радиоактивного распада u7Cs. Функция FTF(t) определяется, как функция "эффективного" коэффициента перехода î37Cs (м2/кг). 'Эффективный" коэффициент перехода отражает переход !î7Cs из почвы в древесину с учетом возраста дерева н описывает физико-химические процессы поступления радионуклидов в древесное растение.

Удельная активность древесины в заданный момент времени может быть рассчитана по формуле: А(!) = Z * FTF(t),

где

A(t) - удельная активность древесины, Бк/кг;

Z - запас 137Cs на момент аварии ( ! 986 год), кБк/кг.

Расчеты в рамках модели FORESTLIFE показывают, что концентрация l37Cs в древесине сосны достигнет максимального значения к 2000 году ( ± 2 года для разного возраста деревьев). Величины максимума концентрации ,37Cs изменяются от IV к I классам возраста сосны (IV : III : II : I) в соотношении 1 :3.3:6.5 :8.1, то есть наибольшего загрязнения древесины следует ожидать в насаждениях молодого возраста. Период полуснижения концентрации' 1370s в древесине от положения максимума загрязнения (в 2000 году), рас..читанный в рамках модели FORESTLIFE, составляет 27 (± 1) год. Динамика коэффициента перехода li?Cs из почвы в древесину сосны разного возраста изображена на рис. б.

Модель FORESTLIFE позволяет рассчитать динамику запаса радионуклидов в надземной фитомассе и оценить периоды полуочищення лесных экосистем, то сеть периоды полууменылешш запасов радио-

нуклидов в различных компонентах фитоценоза от положений максимума. Эти параметры могуг быть рассчитаны на основе прогнозов уровней удельной активности в различных компонентах с учетом изменения их биомассы с возрастом насаждения. Расчеты показывают, что в надземной фитомассе в 1994 году было сосредоточено около 4% полного запаса ШС$, к 2007 году содержание шСз достигнет максимума (6%).

Для подтверждения модели сравнивались результаты расчетов с экспериментальными данными других научных лабораторий и прогнозными расчетами других моделей. На рис. 6 представлены экспериментальные данные различных авторов в сравнении с расчетными прогнозами модели РОЯЕ£ГПЛРЕ. Таким образом, результаты прогнозов модели РОЯЕЗПЫРБ удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными других независимых лабораторий и прогнозами других моделей.

Модель РСЖЕЗПЛРЕ для определения своих параметров требует ' только одного года сбора экспериментальных данных и обязательный набор экспериментальных данных, необходимый для расчетов в рамках прогнозной модели РСЖЕБГПЛРЕ должен быть представлен запасом радионуклидов в лесном биоценозе; типом леса; возрастом насаждения.

■ 4ч-

К1 ; 0-1

1986

11|1111и||||1и|1|1||||

1991 1996 2001 Время лет

Рис. б. прогноз изменения "эффективного" коэффициента перехода Сз-137 из почвы в древесину сосны различных классов возраста. Символы - данные независимых исследований для верификации модели.

выводы

На основе систематического исследования мтрацпи шС.ч в сосновых насаждениях Белорусского Полесья можно сделать следующие выводы:

1. Выявлено, что коэффициент перехода шСз из почвы в древесину сосны зависит от возраста древесного растения, для сосны I класса возраста он составляет 3.5 ± 1.0 и уменьшается к IV классу до 0.5 ± 0.1.

2. Установлено, что скорость миграции в торфяио-болотных лесных почвах Беларуси значительно превышает скорость миграции в минеральных почвах. С наибольшей скоростью 137С$ мигрирует в почвах болот верхового типа.

3. Зависимость удельной аютшностн древесины сосняков мшистых одного в-»расга от запаса 137Сб в корнеобнтаемом слое почвы в диапазоне запаса от 600 до 20000 кБк/мг носит линейный характер; коэффициент перехода |37Са из почвы в древесину таких насансдешш не зависит от запаса радионуклида в почве.

4. Предложен новый метод прогнозной оценки радиационного загрязнения лесных экосистем, основаный на учете физиологических особенностей развития древесных растений и возрастной зависимости коэффициента перехода радионуклидов из почвы в древесные растения. На основе этого метода создана прогнозная математическая модель РОИЕЗТЫРЕ миграции радионуклидов в лесных экосистемах.

5. На основе модели Р011Е£>ТЫРЕ рассчитана динамика загрязнения древесины сосны, прогнозные оценки показывают, что в настоящее время коэффициент перехода |37Сз в дрсзеснну сосны продолжает увеличиваться и достигнет максимального значснияк 2000 ± 2 году, то есть через 14-15 кет после аварии. Затем будет происходить постепенное очищение древесины от положения максимума с периодом полуснижеиия 27+2 лет.

6. Получены прогнозные оценки динамики перераспределения |37Сз между компонентами соснового биогеоценоза, свидетельствуют о процессе увеличения содержания |37Сз в надземной фптомасее ,*о 6% от общего запаса к 2007 году.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жученко ТА. Особенности вертикальной миграции 137Сэ в лесных почвах. II Тсз.докл. Третья республиканская конференция. "Научно-практические аспекты сохранения здоровья людей подвергшихся

радиационному воздействию в результате аварии на Чернобыльской АЭС". Гомель, 1992. 15-17 апреля чЛ, с. 26.

2. Ипатьев В.А., Дворник A.M., Жученко ТА. и др. О потреблении 1J7Cs древесными растениями на гндроморфных почвах. II Тезисы докладов Радиобиологического съезда, 1993г., Киев, с.424

3. Ipatyev V., Dvornik' A., Zhuchenko Т., et al. Modeling of secondary contamination of freshwater sources of swamp origin. //Book of abstracts International seminar on freshwater and estuarine radioecology Lisbon, Portugal, 1994,p.70

4. Дворник A.M., Жученко ТА., Ипатьев БА. Моделирование загрязненности 1J7Cs сосновых насаждений. //Материалы междунар. пауч.симпозиума "Медицинские аспекты радиоактивного воздействия на население, проживающее на загрязненной территории после аварии на Чернобыльской АЭС ".Гомель, 1994г. С.39-40.

5. Дворник A.M., Жученко ТА., Ипатьев В.А. Влияние типа почвы и возраста насаждений на перераспределение 137Cs в сосняках.// Материалы междунар. науч.симпозиума "Медицинские аспекты радиоактивного воздействия на население, проживающее на загрязненной территории после аварии на Чернобыльской АЭС"'. Гомель, 1994г. C.4I-42.

6. Ипатьев ВА., Дворник A.M., Жученко ТА. и др. Способ выращивания древесных растений с регулируемым содержанием радионуклидов. //Авторское свидетельство Российской федерации N 93009530/15-008443 от 19.02.93г.

7. Dvomik A.M., Zhuchenko ТА., ipatyev VA. Behavior of radiocesiurn in forest peat soils of Belarus Polesye. Materials of Internation Conf. "Radioecology of Peatlands",St.Peterburg, 1994,p. 19-22.

8. Ипатьев В., Дворник A.M.....Жученко ТА. и др. Лес и Чернобыль//

Проблемы лссовсдення и лесоводства. Научные труды ИЛ АНБ, вып.37. Гомель, 1993, с.34-43.

9. Dvornik A.,Ipatyev V., Zhuchenko Т. Method оГ predictive estimate of pine wood contamination with l37Cs. II Abstracts by the authors of Belarus-Japan Sympothium "Acute and Late Consequence Nuclear Catastrophes: Hirosima-Nagasaki and Chernobyl", 3-5 Oct.1994

10. Дворник A.M., Жученко ТА. Оценка возможности загрязнения грунтовых вод радиоцезием при миграции в торфяных почвах.// Тезисы докладов 4 республиканской конференции "Научно-практические аспекты сохранения здоровья людей подвергшихся радиационному воздействию в результате аварии на Чернобыльской АЭС".Мопшев,1994.

11. Ипатьев В.А., Дворник А.М...... Жученко ТА. Лес и Чернобыль.

Изд.Сгекер, Минск, ¡995,340с

12. Schel! W., Dvomik А., ... Zhuchenko Т., et. al. A forest and natural ecosystem model for short and long tenn distribution of radionuclides from nuclear accidents, IIProceedings of an International Symposium on Environmental Impact of Radioactive Releases, IAEA-SM-339/193P,Vienna Austria,8-12 May, j 995,p.830-836.

13. Дворник A.M., Жученко ТА. Прогнозирование поведения Cs-iJ1 в лесных экосистемах на основе модели FORESTLIFE. Тезисы докладов Международной научной конференции "Десять лет после Чернобыльской катастрофы (научные аспекты проблемы)".28-29 февраля 1996. Минск. С .88.

14. WJSchell, I.Linkov, Dvomik A., Zhuchenko Т. et al. Model-directed sampling in Chernobyl forest: general metodoiogy and 1994 sampling program. The Science of the Total Environment 180 (1996) 229-240

15. Дворник A.M., Жученко ТА, Поведение mCs в лиственных лесах па загрязненных, землях Беларуси. //Тезисы 5 межпунар.конф."Чернобыль-96. Итоги 10 лет работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС", Зеленый Мыс, 1996, с.265.

16. Дворник A.M., Жученко ТА. Прогноз динамики загрязнения ,37Cs сосновых лесов Беларуси. //Тезисы 5 междушр.к-оиф. "Чернобыль-96.Итоги 10 лет работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС",Зеленый Мыс. 1996, с.266.

17. Belli М., Tikhomirov F„ Dvomik A..Zhuchenko Т. et.al. Behaviour of radionuclides in natural and semirtaturai environments. Final report ECP-5,ECSC-EC-EAEC,Brussels-Luxemburg, 1996,147p.

18. Belli M., Tikhomirov F., Dvomik A.,Zhuchenko T. et.al. Dynamics of radionuclides in forest environments. In:The radiological consequences of the Chernobyl accident-Proceeding of the first international conference, Minsk, Belarus, 18-22 March 1996, ECSC-EC-EAEC, Brussels-Luxemburg, 1996,p.69-80. •

19. Shaw G., Kliashtorin A., Dvomik A. Zhuchenko Т., et al. Modelling radiocacsium fluxes in forest ecosystems. In:The radiological consequences of the Chernobyl accident-Proceeding of the first international conference, Minsk, Belarus, 18-22 March 1996, ECSC-EC-E AEC. Brussels-Luxemburg, 1996, p.221 -224.

19. Ruhra W.jSteiner M, Dvomik A., Zhuchenko Т., et al. Dynamic of radionuclides behaviour in forest soils. In:The racioiogical consequcnces of the Chernobyl accident-Proceeding of the first international conference,

Minsk, Belarus, 18-22 March 1996, ECSC-EC-EAEC .Brussels-Luxemburg, 1996, p.225-228.

20. Ипатьев В А., Дворник A.M., Жученко ТА. и др. Способ выращивания древесных растений с минимальным содержанием радионуклидов в биомассе растений на автоморфных почвах.// Авторское свидетельство Российской федерации 94009798/13(009668)от 22.03.94.

21. Дворник A.M., Жученко Т.А., Ипатьев' В А. О моделировании и прогнозе миграции U7Cs в гидроморфных почвах лесных экосистем Белорусского Полесья. /Доклады Академии наук Беларуси. 1996. т.40. N 1. С.81-84,

22. Дворник A.M., Жученко ТА. Поведение 137Cs в сосновых насаждениях Белорусского Полесья: моделирование и прогноз. //АНРИ, Журнал по радиационной экологии. М. 1995. N3/4. С. 59-66.

23. Ипатьев В .А., Дворник ' А.М., Жученко ТА. Фактор влагообеспеченности почв в исследовании. процесса накопления радионуклидов древесными растениями. //Труды Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства. "Гидромелиорация: наука -производству". Санкт-Петербург. 1996. С.92-93,

24. Ипатьев ВА., Дворник A.M., Жученко ТА. и др. Способ выращивания древесных растений. // Авторское свидетельство Республики Беларусь 1080 от 21.12.94г.

РЕЗЮМЕ -

Жученко ТЛ. Исследование н прогнозное математическое моделирование уровней загрязнения 137Св сосновых насаждений в условиях Белорусского Полесья.

Ключевые слова: лесные экосистемы, радионуклиды, миграция, коэффициент перехода, моделирование, прогнозирование .

Диссертационная работа посвящена исследованию поведения шСз в сосновом биогеоценозе. На основе установленных закономерностей разработан новый метод прогнозирования и математическая модель РОЯЕЗТЫРЕ миграции радионуклидов в лесных экосистемах. Получен прогноз динамики накопления II очищения от шСб сосновых насаждений.

Жучэнка ТА. Даследванне i прагнознае матоматычнае мадаированне узроуняу забруджвання 137Cs сасновых насаджэнняу у умовах

Клточавые словы: лясиыя экас|'стэмы, рад1енуклщы, мирацыя, каэфщыент пераходу, мадол1раванне, прагназ1рвання.

Дыссертацыйная работа прысвечана даследаванню пав од in U7Cs у сасновым б1ягеацэнозе. На падставе усталяваных заканамернастяу распрацован новы метад прагназ1рвання и матзматычная мадэль FORESTLIFE мнрацыи радыенуклидау в лясных экаЫстэмах. Атрыман прагноз дьнш.пю назапашання i ачыщэння ад 137Cs сасновых насаджэнняу.

Zhuchenko T.A. Investigation and predictive mathematic modelling of 137Cs contamination levels in pine stands under the conditions of Byelorussian Polesye.

Key words: forest ecosystems, radionuclides, migration, transfer factor, modelling, prediction.

The dissertation work is devoted to the study of 137Cs behavior in the pine biogeocoenosis. On the basis of the established regularities a new method of prediction and a mathematic model FORESTLIFE for radionuclide migration in forest ecosystems are developed. The dynamics of ,37Cs accumulation and cleanup in pine stands are predicted.

РЭ310МЭ

Беларускага Палесся.

SUMMARY

Автореферат

Жученко ТА. Исследование и прогнозное математическое моделирование уровней загрязнения шСз сосновых насаждений в условиях Белорусского Полесья.

Подписано к печати 22.11.1996г.

Формат бумаги 60 х 84 1 /16. Бумага писчая № 1. Печ л. 11.5 Зпк. № 630. Тираж 100 экз.

Отпечатано: г.Гомель, Институт леса АН Беларуси, 254654, уп. Пролетарская, 71