Содержание к диссертации
Введение
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1 Перенос радионуклидов из атмосферы на почву и растительность 12
1.2 Распределение и миграция радионуклидов в почвах 18
1.3 Вертикальная миграция радионуклидов в почвах 36
1.4 Горизонтальная миграция радионуклидов в почвах 39
1.5 Поступление радионуклидов из почвы в растения 40
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 66
2.1 Выбор территории и объектов исследования 66
2.2 Методика отбора и подготовки проб 71
2.2.1 Методика отбора и подготовки проб почвы 72
2.2.2 Методика отбора и подготовки проб растений 73
2.3 Методика и аппаратурное обеспечение для обследования площадок 76
2.3.1 Методика измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) 76
2.3.2 Методика измерения плотности поверхностного загрязнения а и р излучателями 77
2.3.3 Спектрометрические и радиохимические методы анализа 78
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 81
3.1 Описание пастбищных угодий и радиологическая обстановка 81
3.1.1 Природно-климатические условия, типы и структура почв изучаемого региона, ландшафтные условия 82
3.1.2 Флористическая характеристика пастбищных угодий 86
3.1.3 Радиологическая обстановка пастбищных участков 95
3.1.4 Содержание и распределение радионуклидов в почве и растительности,... 99
3.2 Оценка миграции долгоживущих радионуклидов в цепи «почва- растение» 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
ВЫВОДЫ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...119
- Перенос радионуклидов из атмосферы на почву и растительность
- Выбор территории и объектов исследования
- Описание пастбищных угодий и радиологическая обстановка
Введение к работе
В мире существует множество мест, подвергающихся воздействию остаточной радиоактивности. Частично эта радиоактивность является результатом деятельности человека, осуществлявшейся в прошлом в мирных целях, частично — результатом военной деятельности и состоит из радиоактивных отходов испытаний ядерного оружия. Испытывая беспокойство о состоянии окружающей среды, участвуя в движении нераспространения военного ядерного потенциала, многие страны обратили свое внимание на обследование и, при необходимости, восстановление районов, подвергающихся воздействию остаточной радиоактивности [52, 53, 54, 93].
Во времена «холодной войны» Центрально-Азиатский регион обеспечивал Советскую программу ядерных вооружений по добыче урановых руд и производству военных материалов для наземных и подземных испытаний. Особенно показательным примером является Казахстан. Небольшая плотность населения, наличие обширных районов, не пригодных для интенсивного земледелия, значительные запасы минерального сырья, сделали Казахстан регионом, удобным для разработки и отработки военных технологий и вооружений.
Около 70 % всех ядерных испытаний бывшего СССР, проведено на территории Казахстана с 1949 по 1989 годы [105]. Большая часть из них, включая 113 воздушных и наземных взрывов, была проведена на Семипалатинском полигоне (СИП) [7]. Здесь проводились испытания первой в СССР атомной (1949г.) и первой в мире водородной (1953 г.) бомб.
Ядерные испытания, проводившиеся на СИП в период с 1949 по 1989 г. создали весьма сложную радиационную обстановку на полигоне, которая эволюционирует во времени. По оценкам специалистов, в результате проведенных ядерных взрывов в окружающую среду внедрено цезия-137 примерно 9x1016 Бк [92]. Это важно учесть, потому что в настоящее время проявляются вторичные эффекты загрязнения территории, связанные с аккумуляцией продуктов деления при подземных ядерных взрывах, особенно в горном массиве Дегелен, и их выносом на дневную поверхность талыми и ливневыми водами. Поэтому при оценке экологических последствий ядерных испытаний необходимо принимать в расчет все количество радиоактивных веществ, сосредоточенных на поверхности и под землей [9,46, 47].
Имеется достаточно данных, позволяющих сделать вывод о том, что на большей части территории полигона уровень остаточной радиоактивности низок или же вообще отсутствует [92, 105].
Тем не менее, исключениями из данного правила являются районы Опытного поля и озера Балапан, где уровень загрязнения довольно высок. Наиболее загрязненной является территория испытательной зоны Опытное поле, где находятся эпицентры наземных и атмосферных ядерных взрывов [58].
Участки с высоким уровнем гамма-фона на Опытном поле занимают незначительную площадь. Зона загрязнения цезием-137 плотностью 5 Ки/км и выше занимает площадь 10-12 км , что составляет 3 % от общей площади испытательной зоны Опытного поля. Распределение активности внутри этих участков также неравномерно, плотность загрязнения возрастает от периферии к центру до 15-20 Ки/км2 и выше. На границах этих зон уровни загрязнения снижаются до 2-3 Ки/км2, а в области значений от 1 до 2 Ки/км2 простираются за пределы Опытного поля в южном и юго-восточном направлении [57].
В восточной части полигона выделяется участок интенсивного локального загрязнения у искусственного Атомного озера, образованного экскавационным ядерным взрывом 15 января 1965 года, площадью 1 х 8 км . Максимальная плотность загрязнения 100 Ки/км. Уже в полукилометре от границы "пятна" плотность загрязнения падает до фоновых значений (0,15 Ки/км2). Исключение составляет северо-восточная часть, в направлении которой наблюдается след с плотностью загрязнения от 0,2 до 0,3 Ки/км2 [137]. Радиационная обстановка на полигоне эволюционирует со временем. Исследования радиационной обстановки на полигоне показали, что на отдельных участках стали проявляться эффекты вторичного загрязнения [137]. Сюда можно отнести: миграцию радионуклидов подземными водами, вынос радиоактивности на земную поверхность талыми и ливневыми водами, ветровой перенос, миграцию радионуклидов по пищевой цепочке. Эти явления вызывают крайнюю озабоченность, поскольку в настоящее время доступ на территорию СИП открыт, и некоторое заселение полигона уже началось. На территории полигона ведется промышленная добыча угля, поваренной соли, производится выпас скота и заготовка кормов, начата разведка полезных ископаемых.
Эксперты МАГАТЭ [194] определили, что лица, ежедневно посещающие Опытное поле или озеро Балапан, получают годовую дозу порядка ЮмЗв, обусловленную преимущественно внешним облучением. Если в будущем произойдет заселение районов Опытного поля и озера Балапан с целью постоянного проживания, то годовое облучение населения составит, по скромным подсчетам, порядка 100 мЗв/год. Эта годовая доза выше уровня действия, при котором вмешательство следует осуществлять при любых обстоятельствах.
Решение проблем, связанных с реабилитацией территории бывшего ядерного полигона, приводит к необходимости научной разработки и практической реализации методов и путей, обеспечивающих оценку степени влиянии радиоактивных загрязнений почвенно-растительного покрова на живые организмы.
Научной основой обоснования природоохранных мероприятий и выработки предложений о возможной передаче земель бывшего СИП в хозяйственное пользование являются закономерности миграции радионуклидов, их распределения в системе «почва-растение». Известно, что миграция радионуклидов в почве и в звене цепи «почва-растение» зависит от типа почвы и вида растений. Исследование особенностей перехода радионуклидов из почвы в естественную травяную растительность имеет особую значимость в изучении характера радиоактивного загрязнения почвенно-растительного покрова на территории бывшего СИП, что не вызывает сомнений в актуальности этой работы.
Создавшаяся радиационная ситуация и необходимость принятия конкретных мер по охране здоровья населения определили цели и задачи исследований диссертационной работы.
Цель и задачи исследования
Целью работы являлась оценка миграции радионуклидов в системе «почва-растение» на примере отдельных участков Семипалатинского испытательного полигона.
Для достижения поставленной цели исследований были определены следующие задачи:
1. Провести радиоэкологические исследования на выбранных участках Семипалатинского испытательного полигона, как в полевых, так и лабораторных условиях по отобранным образцам проб почв, растительности.
2. Определить агрохимические показатели и физико-химические свойства почв на выбранных участках.
3. Изучить флористические характеристики сельскохозяйственных угодий. Определить доминирующие виды растений.
4. Определить содержание радионуклидов 137Cs, 90Sr, 239Pu в пробах почвы и растений.
5. Рассчитать коэффициенты перехода и накопления радионуклидов в системе «почва-растение».
6. Оценить радиоэкологическую ситуацию и разработать рекомендации по её улучшению. Научная новизна
Впервые проведены комплексные исследования радиоэкологической обстановки на отдельных пастбищных участках территории бывшего Семипалатинского испытательного полигона. Установлено содержание радионуклидов в разных почвенных горизонтах. Выявлено, что цезий и плутоний, в основном, сосредоточены в верхних слоях почвы. Наибольшее содержание стронция выявлено в нижнем горизонте почвы. Проанализированы природно-климатические условия районов СИП с точки зрения миграции радионуклидов. Показано, что при ветровой эрозии, особенно в районах, где происходят пыльные бури, наблюдается вторичное загрязнение территории радиоактивными веществами. По результатам изучения флористической характеристики пастбищных угодий выявлено, что корневая система доминирующих растений сосредоточена в почвенном слое с основным содержанием радионуклидов. Впервые определены коэффициенты накопления и перехода радионуклидов в системе «почва -растение» для разных типов почв полигона.
Практическая значимость работы
Результаты исследований целесообразно использовать для разработки рекомендаций по использованию земель бывшего полигона в хозяйственной деятельности и разработки агрохимических мероприятий.
Для снижения присутствия радионуклидов в сельскохозяйственной продукции на территории бывшего Семипалатинского испытательного полигона необходимо проводить постоянный радиоэкологический мониторинг.
Использование полученных теоретических и экспериментальных данных по миграции радионуклидов позволит моделировать радиационную ситуацию на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне.
Результаты исследований использованы при проведении лекционных и практических занятий для студентов-экологов, радиобиологов. Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты радиоэкологического обследования поведения долгоживущих радионуклидов в почве и растениях на территории Семипалатинского испытательного полигона показало, что радионуклиды сосредоточены в корнеобитаемом слое почвы, что обуславливает их интенсивное поступление в травяную растительность, служащую кормом для сельскохозяйственных животных.
2. Миграция радионуклидов по цепи почва- растение зависит от типа и агрохимических свойств почвы, физико-химических свойств радионуклидов, их биологической доступности. Горизонтальная миграция радионуклидов происходит под действием ветровой эрозии и стока поверхностных вод.
3. Коэффициенты накопления и перехода радионуклидов в системе «почва- растение» свидетельствуют о прямой корреляционной зависимости между концентрацией радионуклидов в растениях и количеством их обменных форм в почвах.
Апробация работы и реализация результатов исследований Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующей радиации» (г.Томск, 2000г.), на Международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (г.Алматы, 2001г.), на II конференции-конкурсе НИОКР молодых ученых и специалистов НЯЦ РК (г. Алматы ИЯФ НЯЦ РК, 2002г.), на II Евразийской Международной конференции «Ядерная наука и ее применение» (г.Алматы, 2002г.), на I городской конференции, посвященной Всемирному Дню охраны окружающей среды «Экологическая ситуация в регионе Курчатова» (г. Курчатов, 2002г.), на II и III Международных научно-практических конференциях «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (г. Семипалатинск, в 2002г. и 2004гг.), на V международной биогеохимической школы "Актуальные проблемы геохимической экологии" (г. Семипалатинск, 2005 г.).
Результаты работы докладывались на заседаниях Научно-Технического Совета РГП НЯЦ РК. По материалам диссертации опубликованы в открытой печати 12 работ.
Личный вклад диссертанта в разработку научных результатов, выносимых на защиту
Автором диссертационной работы выполнены полевые работы по отбору проб окружающей среды (почва, растительность, вода), проведены полевые радиометрические и дозиметрические измерения при отборе проб, определены с помощью навигационных приборов географические координаты мест отбора проб, подготовлены к спектрометрическим и радиохимическим анализам исследуемые пробы, проведены спектрометрические измерения проб, произведены расчеты коэффициенты накопления и перехода радионуклидов в цепи «почва-растение», сформулированы основные положения и выводы. Работа выполнена в 1997-2000 гг. и является частью комплексных исследований проведенных Отделом радиобиологических исследований ИРБЭ НЯЦ РК в рамках проекта К-054 Международного научно-технического центра по теме «Экологические пути миграции радионуклидов на Семипалатинском испытательном полигоне».
Автор выражает искреннюю признательность научным руководителям д.б.н., профессору М.С. Панину и к.ф-м.н., доценту М.К. Мукушевой, а также к.б.н. Б.К. Карабалину за ценные советы, всестороннюю помощь, внимание и поддержку при проведении исследовательской работы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, описания объектов, материалов и методов исследований, изложения результатов проведенных исследований, заключения, выводов и списка использованных источников, включающего 202 наименований, в том числе иностранных - 29 Материалы диссертации изложены на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирована 15 рисунками, 8 таблицами.
Перенос радионуклидов из атмосферы на почву и растительность
Радиоактивное загрязнение природных сред после ядерного взрыва возникает в результате распространения радиоактивных продуктов взрыва [3, 51,52,62,201].
Радиоактивные продукты ядерного взрыва либо образуются в результате деления ядер материала горючего или взаимодействия нейтронов взрыва с веществом изделия (включая ядерное горючее) и окружающей среды, либо представляют собой радиоактивные изотопы (тритий, изотопы урана, плутония и т.п.), содержавшиеся до взрыва в самом изделии.
Величина радиоактивного загрязнения определяется в основном количеством радиоактивных продуктов, попадающих в атмосферу при взрыве, и степенью (а также характером) рассеяния этих продуктов в атмосфере (т.е. метеорологическим фактором) [44, 45, 51, 52, 53, 54, 200].
При прогнозировании загрязнения местности в местах ядерных взрывов необходимо учитывать, главным образом, количество радиоактивности q, образующейся при взрыве, ее долю ф, попадающую в атмосферу (или формирующую источник загрязнения) и выпадающую на местность, и метеорологические условия, определяющие степень рассеивания продуктов в атмосфере, и их перенос от места взрыва [48,49].
Необходимо знать геометрию источника загрязнения (основного облака, облака базисной волны и т.д.) и функции распределения активности в этом источнике (в каждой точке) по скоростям падения частиц. Для прогноза изотопного состава необходимо дополнительно знать зависимость коэффициентов фракционирования для различных радионуклидов от размера (или скоростей падения) частиц [51, 90].
Непосредственно в момент испытания ядерного устройства формируется зона радиоактивного загрязнения территории, которая будет зависеть от формы следа радиоактивного облака. Конфигурация последнего, в свою очередь, определяется параметрами взрыва, скоростью и направлением движения воздуха на разных уровнях, состоянием атмосферы, морфологическими особенностями местности и т.д. [132, 191].
Не имея информации о движении воздушных масс в период испытания ядерного оружия, трудно оценивать степень влияния взрывов на СИП на территорию Западной Сибири. В тоже время обращает на себя внимание тот факт, что взрывы всех мегатонных ядерных устройств на данном полигоне производились в осенние месяцы (сентябрь-ноябрь). Установить направление основных потоков воздушных масс в это время является крайне важной задачей при оценке радиоэкологической ситуации на севере Западной Сибири [132].
Перенос радионуклидов из атмосферы на растительность включает в себя следующие процессы:
— выпадение (обычно выражается через скорость оседания Vq);
— поглощение (выражается, как правило, через долю захваченного вещества г, определяемую как отношение суммарного выпадения к той его части, которая изначально была поглощена растительностью);
— удержание (обычно выражается через период полувыведения под влиянием выветривания Т определяемый как период снижения в два раза концентрации в растительности, выраженной в показателях массы или через содержание на единицу поверхности после начального осаждения).
Все три параметра изменяются в зависимости от размера частиц и химических свойств осажденного вещества, особенностей поверхности растительности или грунта, преобладающих погодных условий и состояния наземной растительности [151].
Выпадение. В настоящее время опубликовано достаточно много данных, полученных на основе экспериментальных и полевых исследований. Значительная часть этих работ выполнена Чеймберленом и его сотрудниками, которые выявили следующие три важных процесса: гравитационное оседание, инерционное взаимодействие и осаждение путем вихревой диффузии [151].
Выбор территории и объектов исследования
Для проведения исследований миграции радионуклидов по цепочке «почва-растение» были выбраны населенные пункты, прилегающие к наиболее опасным радиационно-загрязненньтм местам. В качестве мест обследования выбраны зимовки с пастбищными угодьями, прилегающими к Опытному полю и атомному озеру «Чаган».
Населенные пункты (зимовки и летовки) и прилегающие к ним пастбища, определялись по картам М 1:100000, и уточнялись с представителями органов местной власти - акимами сельских округов.
Создание и разработка картографической базы данных велась специализированным для этого программным продуктом (ArcView и Arclnfo) и компьютерной техникой (дигитайзеры, сканер). Были оцифрованы и нанесены на карту:
- выбранные для обследования населенные пункты,
- границы полигона,
— водоемы и реки,
— дороги.
Совместно с чабанами были определены ареалы выпаса скота. Ареалы выпаса с/х животных КСХП «Чаганский» - зимовка Шаган и «Акжарский» -зимовки Кызыл-Кудук, Тактайколь, Тулпар представлены на рисунке 1.
Основной вклад в радиоактивное загрязнение территории полигона внесли на земные и экскавационные (подземные с выбросом грунта) ядерные взрывы. Было проведено 30 наземных ядерных взрыва в испытательной зоне Опытное поле и 4 экскавационных ядерных взрывов в испытательной зоне Балапан и в районе Дегелена.
Указанные ядерные взрывы сформировали основные следы радиоактивной загрязненности, вытянутые от Опытного поля в юго-восточном и юго-западном направлениях и небольшой след в северовосточном направлении. Длина юго-восточного следа (по уровню загрязнения 0,5 Ки/км" в настоящее время) составляет около 100 км, ширина 4-5 км., средняя удельная загрязненность 137Cs - 0,8-1 Ки/км2 при максимальной - 1,5-2,0 Ки/км . Юго-западный след длиной 80 км, шириной 4-5 км имеет среднее значение удельной загрязненности 0,5-0,8 Ки/км при максимальной 5 Ки/км в северной части следа. Участок загрязнения площадью около 600 км распространяется к северо-востоку от площадки Опытное поле, среднее значение плотности загрязнения 0,3 Ки/км .
Общая картина (данные аэрогаммасъемки) загрязнения территории полигона гамма активными радионуклидами, в основном это 137Cs, представлена на рисунке 2 [114,131].
Видно, что радиоактивная загрязненность территории полигона цезием не равномерна и носит характер либо протяженных "следов" от воздушных и наземных взрывов, либо локальных пятен, различающихся по площади и уровню загрязненности. В пределах полигона региональный фон по l37Cs несколько выше, чем средний глобальный фон по территории Казахстана.
Наиболее загрязненной является территория испытательной зоны Опытное поле, где находятся эпицентры наземных и атмосферных ядерных взрывов. Участки с высоким уровнем гамма-фона на Опытном поле занимают незначительную площадь. Зона загрязнения Cs плотностью 5 Ки/км2 и выше занимает площадь 10-12 км2, что составляет 3 % от общей площади испытательной зоны Опытного поля.
Распределение активности внутри этих участков также неравномерно, плотность загрязнения возрастает от периферии к центру до 15-20 Ки/км и выше. На границах этих зон уровни загрязнения снижаются до 2-3 Ки/км , а в области значений 1-2 Ки/км простираются за пределы Опытного поля в южном и юго-восточном направлении.
Описание пастбищных угодий и радиологическая обстановка
Территория СИП и прилегающих районов расположена в Казахском мелкосопочнике. Прииртышская равнина имеет высоту над уровнем моря 200-300 м. На северо-западе - злаковые степи на темно-каштановых почвах. Южнее - полынно-злаковые степи на светло-каштановых почвах с пятнами солонцов и солончаков. На крайнем юге - полынная и полынно-солянковая пустыня на бурых почвах. В горных массивах, на черных каштановых и горно-луговых почвах - разнотравные луга.
В степях водятся преимущественно грызуны: краснощекий суслик, тушканчик, хомяк, полевая мышь, заяц беляк. Водится также волк, лисица -корсак, степной хорь, сайгак и др. Из птиц- различные жаворонки, в приозерных районах гуси, утки, кулики. Из пресмыкающихся - ящерицы и степная гадюка.
Климатические условия территории региона играют важную роль при формировании радиационной обстановки на территории полигона.
Климат для района полигона - резко континентальный, характеризуется большой контрастностью, значительной суточной и годовой амплитудой. Температурный режим определяется циркуляцией воздушных масс и радиационным фактором (солнечная радиация).
Среднемесячные температуры июля от плюс 19 до плюс 22 С, абсолютный максимум летом доходит до плюс 42 С, а января от минус 14 до минус 18 С, абсолютный минимум температуры воздуха достигает до минус 45 С. Здесь наблюдается смена климатических поясов от сухого (вдоль реки Иртыш со средними годовыми температурами от плюс 0,6 до плюс 5 С и среднегодовым количеством осадков 250-300 мм до умеренно-влажного (в горном обрамлении региона, где среднегодовые температуры меняются от плюс 1 до минус 4 С, а среднегодовое количество атмосферных осадков достигает 400-600 мм). Максимум атмосферных осадков выпадает в мае-июне и октябре-ноябре. Распределение направлений и скорости ветра имеют сложный характер. Отмечается частая смена направлений и скорости ветра даже в течение одних суток.
Среднее число дней с устойчивым снежным покровом составляет 140-150 дней. Высота снежного покрова 20-50 см. При этом в ноябре - декабре она чаще не превышает 3-12 см. Низкие температуры в сочетании с недостаточно мощным снежным покровом в некоторые зимы обуславливают промерзание почвы на 1-1,3 метра. Запас воды в снеге находится в пределах 40-60 мм. Основным показателем континентальности климата является величина колебаний годовой амплитуды температуры воздуха. Для территории полигона она составляет 36,8 С, что свидетельствует о жарком засушливом лете и холодной зиме.
Ветровой режим носит преимущественно материковый характер. Рельеф местности вносит определенный вклад в направление местных ветров. Зимой преобладают юго-восточные ветры, а летом - северозападного. Средние скорости ветра изменяются по сезонам года, диапазон от 4 до 7 м/сек. Территория полигона относится к числу районов с дефицитом атмосферных осадков, засушливость местного климата усиливается за счет пустынь Средней Азии и юга Казахстана. Континентальные местные условия определяют неустойчивый характер выпадения осадков. В засушливые годы, на которые приходится в среднем 5-6 лет за десятилетний период, осадков выпадает в полтора раза меньше характерной для этой местности нормы. Одной из особенностей является то, что выпадение осадков летом чаще носит ливневый характер.
Зимой довольно, часты (от 3 до 15 дней в месяц) снежные метели. В теплое время года отмечаются пыльные бури. Однако, в общем в летний период ветровая деятельность ослабевает.
Средняя месячная относительная влажность воздуха в 13 часов изменяется в пределах от 37 % в мае и июле до 74 % в декабре. Абсолютный дефицит влажности воз духа бывает от 0,3-0,8 мб в декабре-январе до 10-20 мб в июле.
Перед отбором проб почво-грунта проводилась морфологическое описание почв, где визуально определялось гранулометрический состав, структура, признаки поверхности и тип почвы. При этом гранулометрический состав определяли по классификации К.А. Качинского, структура почв по С.А. Захарову, а совокупность внешних признаков по методике используемых в почвенно-мелиоративных исследованиях [28, 103, 126].
Радиоэкологическое исследование почвы начинали с полевого описания и отбора почвенных образцов для анализа. Для описания почв необходимы почвенные разрезы (шурфы), т.е. специально выкопанные ямы. Почвенный разрез выкапывают шириной 60-80 см, длиной 150-200 см и глубиной 100-150 см. В целях облегчения труда и изучения почв прилегающих (соседних) ключевых участков допускается закладка в необходимом количестве полуям (контрольных разрезов) на меньшую глубину (30-60 см).
