Введение к работе
Одной из самых актуальных проблем экологической и техногенной безопасное является исследование изменений окружающей среды под влиянием радиоактивных загрязнений. Работы по радиационному мониторинг начались после первых испытаний ядерного оружия в связи с глобальными выпадениями радиоактивных веществ на поверхности почвы, а в последствии - в связи с загрязнением территорий ядерными отходами и в результате аварий на ядерных объектах. Дополнительный толчок этим исследованиям дала авария на Чернобыльской АЭС. Поступая в окружающую среду, радиоактивные вещества концентрируются в почве и их долгосрочное воздействие на население (формирование мощности экспозиционной дозы (МЭД) на местности, поступление в рацион питания и поверхностные воды) в значительной степени зависит от их биологической доступности и времени нахождения в различных слоях почв. Поэтому особую актуальность приобретает обнаружение закономерностей миграции радиоактивішх веществ в грунте районов, подвергшихся воздействию радиации, для прогнозирования эволюции радиоактивных, загрязнений на достаточно длительные сроки,, что позволяет выработать соответствующую программу реабилитации экологически нестабильных районов.
Аетуальность темы. Известно, что большая площадь, загрязненная радиоактивными веществами, принадлежит водосборным бассейнам рек. Существующие исследования поведения радиоактивных веществ в пойменных ландшафтах рек отражают распределение поверхностной активности радиоактивных веществ на протяженных участках пойменной территории, содержание радиоактивных веществ в растительном покрове и поверхностном почвенном глое грунтов водосборных бассейнов, подвергшихся воздействию радиации. В го же время экспериментальным исследованиям и теоретическим построениям феноменологических и аналитических моделей миграции радиоакгивных веществ в грунте водосборного бассейна посвящено незаслуженно мало работ. Частичному восполнению этого пробела и посвящена данная работа.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа :вязана с планами госбюджетной научно-исследовательской работы № 150 92 (Математический мониторинг радиационной обстановки окружающей среды» [К государственной регистрации VA01007494P), которая выполнялась на протяжении 1992-1994 гг, и утверждена приказом Министерства образования Украины (Ка 78 от 21.03.1991 г), в которой автором было выполнено: теорстнчс-:кие исследования распределения радионуклидов в водосборном бассейне реки, разработка полуфеноменологической модели распределения (диффузии) ра-щонуклидов в водосборном бассейне реки, компьютерное моделирование распределения радионуклидов в водосборном бассейне реки, экспериментальные ісследования; а также тематическими планами научно-исследовательской работы кафедры физики Черкасского инженерно-технологического института на [997-1999 гг.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка полу-реноменологической модели вертикальной и горизонтальной миграции радио-
акгивных изотопов в грунте водосборного бассейна для прогнозирования эве люции радиоактивных загрязнений по глубине и на достаточно длительные га риоды времени соответственно.
Для реализации цели в работе необходимо было решить такие задачи:
экспериментально исследовать вертикальное распределение радиоаі тивных веществ в грунте водосборных бассейнов районов, подвергшихся во: действию радиации;
провести компьютерное моделирование миграции радиоактивных в< ществ в грунте водосборного бассейна;
разработать аналитическую модель миграции радиоактивных веществ грунте водосборного бассейна;
проследить влияние жизнедеятельности флоры на процесс связывани радиоактивных веществ в системе грунт - вода и отразить его связь с извес' ным в экологии «феноменом пятнистости».
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна получи ных результатов состоит в том, что:
впервые разработана полуфеноменологическая модель миграции радис активных веществ в грунте водосборного бассейна, позволяющая прогнозир* вать эволюцию радиоактивных загрязнений по глубине и на достаточно длі тельные периоды времени соответственно;
впервые выявлены эффекты самоподобия при миграции радиоактивны веществ в грунте водосборного бассейна;
на основе формализма модели Гирера — Мейнхардта впервые предложе синергетический механизм «эффекта провинции», характеризующего аномал ное распределение радионуклидов одного изотопа на поверхности почв в р< зультате их горизонтальной миграции в лизиметрических водах.
Практическое значение полученных результатов. Практическое зн; чепие полученных результатов состоит в том, что:
- найденная универсальная зависимость вертикального распределена
концентраций радиоизотопа wSr по глубине для группы грунтов водосборны
бассейнов рек открывает возможность реального прогнозирования распределі
ния радиоактивных веществ по глубине для разных регионов, что существенн
необходимо для выработки программы их дальнейшей реабилитации;
разработана экспериментальная методика восстановления концентрат онных профилей стронция по глубине в местах отбора проб всего лишь по дву измерениям концентраций 90Sr {Сі, hi} и {С2, h2} в грунтах водосборных баї сейнов рек, имеющих близкие значения рН солевой вытяжки.
разработано аналитическое обоснование полуфеноменологической мс дели миграции радиоактивных веществ в грунте водосборного бассейна с уч< том как обмена растворимой радиоактивной примесью между почвой и лизі метрической водой, так и диффузией примеси в грунт и её уносом при схо^ весеннего паводка. Модель реализована в виде программного продукта на язь ке TURBO PASCAL;
показана возможность преднамеренного формирования в системах pi акций с диффузией таких диссипативных структур, которые позволили бы pi
ільно и технолотчески разделять радиоактивные изотопы с близкими значеними коэффициентов диффузии.
Объект исследования радиоактивные вещества в грунте водосборных їаессинов рек.
Предмет исследования - миграция радионуклидов 90Sr в грунтах воло-:борных бассейнов рек Чернобыльского (р.Припять и р.Уж) и Уральского р.Теча) регионов.
Методы исследования:
снинтилляпионная/S-спектрометрия проб грунтов, взятых из водосбор-шх бассейнов рек Чернобыльского (р. Принять и р. Уж) и Уральского (р. 1сча) эегионов;
компьютерное моделирование вертикальной и горизонтальной миграции радиоакгивных изотопов в грунте водосборного бассейна ігри разрабо т ке юлуфеноменологической модели;
численное моделирование задачи Гирера-Мейнхардта методом диффе-эенциально-разностной аппроксимации эволюционных уравнений в частных іроюводньгх и сведение их к задаче Коши с последующим решением полученной системы обыкновенных дифференциальных уравнений при помощи метода \дамса-Нордикса-Гира-
Личный вклад соискателя. Все результаты, которые составляют основ-юе содержание работы, получены лично автором, а именно:
1. Разработана полуфеноменологическая модель вертикальной и горизон
тальной миграции радиоактивных изотопов в грунте водосборного бассейна.
2. Получены экспериментальные энергетические спектры изотошю-
эалиашгошгого состава проб грунтов водосборных бассейнов Уральского
р.Теча) и Чернобыльского (р.Припять и р.Уж) регионов.
3. Установлено, что вертикальное распределение концентраций радио-
тзотопа у Sr по глубине для определенного класса грунтов происходит самопо
добным образом и не зависит от начальной (поверхностной) концентрации и
вредней глубины диффузии-данного изотопа для группы грунтов водосборных
эассейнов рек, имеющих близкие значения рН солевой вытяжки.
Найдена ушшерсальиая зависимость вертикального распределения концентраций радиоизотопа 90Sr по глубине для группы грунтов водосборных бас-:ейнов рек.
-
Разработана экспериментальная методика восстановления концентрационных профилей стронция по глубине r местах отбора проб.
-
Разработано аналитическое обоснование полуфеномснологическон модели миграции радиоактивных веществ в грунте водосборного бассейна.
-
Выявлено влияние жизнедеятельности флоры на процесс связывания радиоактивных изотопов в системе грунт-вода и его связь с известным в экологии «феноменом пятнистости».
-
Предложен синергетический механизм «эффекта провинции».
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результата диссертации докладывались и обговорены на Международной научно — практической конференции «Экологическая и техногенная безопасность»
(Харьков, 2000), 22"'" International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Sydney, Australia, 2000), International Conference «Ecology of Carpathian region» (Mish-kolz, Hungary, 2000).
Публикации, Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в сборниках научных трудов и в 1 статье в материалах конференции.
Структура днесертадии. Диссертационная робота состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 117 наименований. Работа содержит І 25 страниц текста, 32 рисунка, 1 таблицу и 1 приложение.
