Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Опыт изучения последствий испытания ядерного оружия и различных по масштабу ядерных аварий показывает, что лесные экосистемы могут являться одной из наиболее загрязненной радионуклидами частью биосферы, влияющей на жизнедеятельность человека.
Крупномасштабная Чернобыльская катастрофа вызвала радиоактивное загрязнение лесов многих стран, но в наибольшей степени пострадали Беларусь, Россия и Украина, территории которых отличаются относительно высокой лесистостью и большой плотностью населения. В первую очередь остро встала проблема реабилитации пострадавших территорий, для решения которой необходима реальная радиоэкологическая оценка подвергшихся радиоактивному загрязнению лесных экосистем. Эта оценка включает в себя целый спектр задач по разработке методологии исследований загрязненных лесных экосистем, изучению основных закономерностей и механизмов поведения радионуклидов в системе "почва - древесное 'растение", математическому моделированию и прогнозированию радиационной обстановки, определению структуры формирования и динамики доз облучения населения от леса и лесной продукции, оценке эффективности контрмер, направленных на снижение радиационного риска населения..
Известны работы академика Алексахина P.M., профессора Тихомирова Ф.А., профессора Прохорова В.М. и других авторов, в которых на примерах Кыштымской аварии, глобальных выпадений и модельных экспериментов были раскрыты основные закономерности миграции радионуклидов в лесных экосистемах. Однако, обширные загрязненные территории после чернобыльского выброса, для которых характерно многообразие лесорастительных условий и различие в физико-химических формах выпавших нуклидов, требуют особого методологического подхода к исследованиям поведения радионуклидов в этих природных экосистемах.
В настоящее время в мире разработано несколько прогнозных математических моделей локального и глобального характера, описывающих миграцию радионуклидов в лесных экосистемах, авторами которых являются W.Schell и I.Linkov, Тихомиров Ф.А. и Мамыхин С, G.Shaw, Алекса-хин P.M., Фесенко СВ. и Avila R. и др. Все эти модели для расчета прогнозов требуют многолетних натурных наблюдений, что ограничивает возможность их оперативного использования.
Для образовавшейся после Чернобыльского выброса огромной территории с различными вариациями состава и возраста лесных насаждений, гидрологических и почвенных условий, большим диапазоном уровня за-
грязнения и многообразия форм выпадения радионуклидов механический перенос модельных прогнозов практически некорректен.
Существенной особенностью радиоактивного загрязнения лесных экосистем является их большая значимость в формировании дозы облучения населения в течение длительного периода времени. Не случайно поэтому все категории работников лесного хозяйства отнесены к критической группе, получающей 2-3 кратное превышение дозы облучения по сравнению с другими категориями населения. Кроме того, в зависимости от местоположения региона вклад лесного компонента во внутреннюю дозу облучения к настоящему времени составляет 30 - 70% (Шевчук В.Е., 1996).
Таким образом, разработка методологии исследования лесных экосистем после крупномасштабных ядерных аварий с учетом специфики формирования радиационного режима в различных условиях произрастания и плотностей радиоактивного загрязнения, моделирование процессов миграции радионуклидов, прогнозирование их поведения и оценка влияния радиоактивных лесов на население является весьма актуальной проблемой, имеющей как теоретическое, так и практическое значение для получения достоверной научно обоснованной радиоэкологической оценки лесов и реабилитации загрязненных территорий. В итоге решение этой проблемы позволит создать эффективную систему защитных мероприятий и уменьшить степень радиационного риска населения.
Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнялась в рамках проектов, входящих в состав государственных и международных научных программ: Государственной программы преодоления последствий катастрофы на ЧАЭС, утвержденной Госкомитетом РБ по науке и технологиям, 1991-1995гг., номер госрегистрации 19941830, и 1996-2000 гг. номера госрегистрации 19961071, 19973940, 19981938; научно-исследовательские работы Академии наук Беларуси по важнейшим проблемам естественных, технических и общественных наук, раздел 2.33.8. Проблемы леса, номер госрегистрации 19951417, 1992-1995 гг.; Государственной программы фундаментальных исследований Национальной академии наук Беларуси за 1996-2000гг. "Закономерности переноса естественных и техногенных радионуклидов в биосфере, формирование дозо-вых нагрузок, биологические эффекты хронического действия радиации и повышение радиоустойчивости организма", номер госрегистрации 19961685; Государственной программы "Разработать и внедрить новые системы интенсивного ведения лесного хозяйства, ресурсосберегающие технику и технологии, обеспечивающие выполнение лесами экологоэко-номических функций, уменьшение последствий аварии на Чернобыльской АЭС и рациональное использование лесосырьевых ресурсов", утвержденной Госкомитетом РБ по науке и технологиям, номер госрегистрации 19973221, 1997-1998 гг.; Государственной программы "Реабилитация за-
грязненных территорий. 4.3. Научное обоснование и разработка комплексных программ реабилитации административных районов на загрязненных территориях", утвержденной Госкомитетом РБ по науке и технологиям, номера госрегистрации 19974300, 19972240, 1996 - 1997 гг.; Международное сотрудничество Европейская комиссия, Беларусь, Российская Федерация, Украина Project ЕСР-5 "The behaviour of radionuclides in natural and semi-natural environments", Contract No.: COSU-CT-91-0005, 1991-1995гг.; Международное сотрудничество Европейская комиссия, Беларусь, Российская Федерация, Украина Project: INCO-COPERNICUS FORECO "Forest Ecosystems: Classification of Restoration Options, Considering Dose Reduction, Long-Term Ecological Quality and Economic Factors", Contract No.: ERB-IC15CT96-0202, номер госрегистрации 19973221, 1997-2000г.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является комплексная радиоэкологическая оценка лесных экосистем, загрязненных радионуклидами в результате крупномасштабных ядерных аварий.
Задачи исследования:
разработка методологии исследования лесных экосистем, загрязненных радионуклидами в результате ядерных аварий;
анализ радиоэкологических и лесоводственных факторов, существенно влияющих на процессы миграции радионуклидов в системе "почва - древесное растение"
разработка прогнозной математической модели миграции радионуклидов в основных типах леса Беларуси и расчет прогноза динамики содержания U7Cs в компонентах лесных биогеоценозов;
исследование и анализ закономерностей, разработка математических моделей формирования доз внутреннего и внешнего облучения населения от леса и его продукции и прогноз их динамики;
оценка радиоэкологической эффективности контрмер по снижению содержания радионуклидов в продукции лесного хозяйства.
Объект и предмет исследования. Объектом исследований являются лесные экосистемы Беларуси, загрязненные радионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС.
Гипотеза. Миграция радионуклидов в лесных экосистемах является результатом комплексного воздействия сложных физико-химических, биологических и физиологических процессов, направленность и интенсивность протекания которых определяется условиями произрастания, свойствами древесных растений и самих радионуклидов. При математическом моделировании миграционных процессов в лесных экосистемах предполагается, что радионуклиды включены в круговорот питательных элементов и на их перераспределение оказывают доминирующее воздействие следующие процессы и факторы: миграция в почве, биологическая доступность, строение корневых систем древесных растений, возрастная вариация коэффициентов перехода, интенсивность нарастания биомассы.
Параметры математических функций определяются по натурным измерениям и подтверждение рабочей гипотезы осуществляется путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.
Методология и методы проведенного исследования. Методологической основой исследования является системный подход к изучению закономерностей поведения радионуклидов в лесных экосистемах. Согласно этому подходу закономерности и характеристики миграционных процессов устанавливаются на сети экспериментальных объектов, у которых существенно изменяется только один фактор влияния при достаточной схожести остальных факторов. Описание миграционных процессов и расчет прогнозов динамики содержания радионуклидов в лесной продукции и динамики доз облучения производится методами математического моделирования.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые разработана система комплексной радиоэкологической оценки лесных экосистем в условиях крупномасштабного радиоактивного загрязнения. Получены новые экспериментальные результаты, раскрывающие ряд закономерностей миграционных процессов радионуклидов в лесных экосистемах: установлена линейная зависимость концентрации 137Cs в древесине сосны от запаса радионуклида в почве, определено влияние степени водо-обеспеченности почвы на коэффициент перехода 137Cs в древесные растения и выявлены возрастные вариации древесных растений в интенсивности потребления B7Cs. Предложен новый метод прогнозирования динамики содержания радионуклидов в компонентах лесного фитоценоза, основанный на учете физиологических особенностей созревания древесных растений. На основе этого метода разработана оригинальная математическая модель поведения радионуклидов в лесных экосистемах, отличающаяся от ранее применявшихся прогнозных моделей ограниченным набором исходных данных, получаемых в течение одного вегетационного сезона. Впервые для Беларуси рассчитан долгосрочный прогноз поведения 137Cs в различных типах лесных насаждений.
Разработаны новые феноменологические модели оценки доз внешнего и внутреннего облучения населения от загрязненных радионуклидами лесов и их продукции. Предложен новый метод экспрессной оценки дозы внутреннего облучения населения от потребления пищевой продукции леса, зависящий от лесистости и уровня загрязнения и позволяющий рассчитывать дозы облучения на основе камерального обследования лесов, примыкающих к населенному пункту. Проведена модельная оценка радиоэкологической эффективности контрмер, направленных на снижение содержания радионуклидов в древесных растениях.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные в диссертации результаты вносят крупный научный вклад в развитие радиоэкологии леса, связанный с оценкой, прогнозированием радиоэколо-
гической обстановки в загрязненных радионуклидами лесных экосистемах и обоснованием в них системы защитных мероприятий. Теоретические и экспериментальные результаты работы являются научно-методологической основой для разработки систем поддержки принятия оперативных решений для управления лесами в чрезвычайных ситуациях после ядерных авариях. Разработанные математические модели поведения радионуклидов в лесных экосистемах могут быть использованы при прогнозировании радиационной обстановки, оценке эффективности контрмер, направленных на снижение радиационного риска, и реабилитации загрязненных территорий. Предложенная информационно-аналитическая система является действенным инструментом для оперативной оценки уровней загрязнения радионуклидами продукции лесного хозяйства с использованием ограниченного набора исходной информации.
Результаты прогнозного моделирования и полученные экспериментальные данные использованы для разработки методологии реабилитации загрязненных территорий Гомельской и Могилевской областей Беларуси, а также при создании радиоэкологической модели МАГАТЭ FORM, в международных проектах и программах ЕСР-5, INCO-COPERMCUS, BIO-MASS. Разработанная автором методология по радиоэкологическому исследованию лесных экосистем применена в международной модельно-ориентированной программе пробоотбора в чернобыльских лесах 1994 года (Schell W., 1996). Результаты исследований защищены 3 авторскими свидетельствами. Методы моделирования и прогнозы использованы в учебном процессе Брянской инженерно-технологической академии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Методология исследования лесных экосистем, загрязненных радионуклидами в результате крупномасштабных ядерных аварий, включающая радиоэкологические и дозоформирующие аспекты и позволяющая провести оценку влияния леса на формирование и динамику радиационной обстановки региона;
Анализ закономерностей и механизмов поведения ' 7Cs в системе "почва - древесные растения", определяющих доминирующие факторы влияния на поступление и перераспределение радионуклидов в лесных экосистемах;
Теоретическое описание процессов поступления и накопления радионуклидов в древесном ярусе и метод прогнозирования, основанный на физиологических особенностях развития древесных растений;
Система математических моделей миграции радионуклидов в лесных экосистемах и формирования дозы облучения населения от леса и его продукции, которая дают возможность научно обосновано прогнозировать перераспределение радионуклидов в компонентах лесного биогеоценоза и динамику дозовых нагрузок различных профессиональных групп населения;
Долгосрочные прогнозы уровней загрязнения Cs компонентов лесного биогеоценоза и дозы внешнего облучения населения от леса и оценка доз внутреннего облучения от потребления пищевой продукции леса; результаты радиоэкологической оценки контрмер, направленных на снижение уровня загрязнения радионуклидами лесных фитоценозов, являющиеся научной основой планирования и проведения различных видов лесохо-зяйственных работ и системы защитных мероприятий при реабилитации загрязненных территорий.
Личный вклад соискателя. Работа выполнялась автором с 1992 по 1998 год в Институте леса НАН Беларуси. Представленные в диссертации научные результаты в большинстве своем получены лично автором, часть из них выполнены под его руководством в соавторстве.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены на международных конференциях, симпозиумах и совещаниях, посвященных радиоэкологии естественных экосистем:
Сорбционные средства и методы защиты человека и животных, Гомель, 1992; Радиобиологический съезд, Киев,1993; Международная конференция по радиоэкологии торфяников, Санкт-Петербург, 1994; Рабочее совещание консультантов технического комитета МАГАТЭ "VAMP", Вена, Австрия, 1994; Международный симпозиум по радиоэкологии пресноводных источников и эстуарий, Лиссабон, Португалия, 1994; Международный симпозиум по медицинским аспектам радиоактивного воздействия на население, проживающее на загрязненной территории после аварии на Чернобыльской АЭС, Гомель, Беларусь, 1994; Белорусско-Японский симпозиум по ближайшим и долгосрочным последствиям чернобыльской катастрофы, Минск, Беларусь, 1994; Республиканская конференция: Научно-практические аспекты сохранения здоровья людей подвергшихся радиационному воздействию в результате аварии на Чернобыльской АЭС, Могилев, 1994; Рабочее совещание консультантов технического комитета МАГАТЭ "Критерии очистки загрязненных территорий", Вена, Австрия, 1995; Международная симпозиум по влиянию радиоактивных выбросов на, Вена, Австрия, 1995; Международная конференция по управлению ядерными отходами и реабилитации окружающей среды, Берлин, 1995; Международное рабочее совещание: Экологический статус загрязненных территорий, Минск, Беларусь, 1995; Международная конференция по радиологическим последствиям Чернобыльской аварии, Минск, Беларусь, 1996; Международная конференция: Десять лет после.Чернобыльской катастрофы (научные аспекты проблемы), Минск, Беларусь, 1996; Международная конференция: Чернобыль-96. Итоги 10 лет работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС, Зеленый Мыс, Украина, 1996; Международная конференция по проблемам экологической защиты населения, Гомель, 1998; Международной конференция "Фундаментальные и прикладные аспекты радиобиологии: биологические эффекты малых доз и радио-
активное загрязнение среды (радиоэкологические и медико-биологические последствия катастрофы на ЧАЭС)", Минск, Беларусь, 1998.
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, в том числе 1 монография, 18 статей в научных журналах и сборниках, 14 тезисов конференций и 3 авторских свидетельства. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 337 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, приложений. Работа состоит из 289 страниц машинописного текста, включает 39 рисунков, 75 таблиц, 19 приложений. Список использованных источников содержит 234 наименований.
