Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»

Показано, что коэффициент перехода TF ¹³⁷Cs из почвы в растения определяется временем его взаимодействия с почвой t и величиной комплексной оценки свойств почвы Sef и не зависит от плотности загрязнения почвы s. Взаимосвязь между блоками системы «почва - растение» в предложенной модели характеризуют...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автори:	Пристер, Б.С., Виноградская, В.Д., Перепелятникова, Л.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2006
Назва видання:	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127905
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение» / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская, Л.В. Перепелятникова // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2006. — Вип. 5. — С. 170-178. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-127905
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1279052025-02-09T13:43:56Z Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение» Обгрунтування та параметризація моделі поведінки ¹³⁷CS в системі “грунт – рослина” Substantiation and parameterisation of the model describing ¹³⁷Cs behaviour in a «soil - plant» system Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Перепелятникова, Л.В. Показано, что коэффициент перехода TF ¹³⁷Cs из почвы в растения определяется временем его взаимодействия с почвой t и величиной комплексной оценки свойств почвы Sef и не зависит от плотности загрязнения почвы s. Взаимосвязь между блоками системы «почва - растение» в предложенной модели характеризуют параметры TF, период полууменьшения коэффициента перехода e T и константа l, отражающая изменения свойств почвы. Параметры модели определены эмпирическим путем для широкого диапазона экологических условий и набора культур, включающего основные компоненты рациона человека и животных. Это позволяет прогнозировать содержание ¹³⁷Cs в основных сельскохозяйственных культурах с точностью, достаточной для оценки радиационной обстановки при загрязнении окружающей среды. Показано, що коефіцієнт переходу TF ¹³⁷Cs з грунту в рослини визначається часом його взаємодії з грунтом t та величиною комплексної оцінки властивостей грунту Sef і не залежить від щільності забруднення грунту s. Взаємозв’язок між блоками системи «грунт – рослина» в запропонованій моделі характеризують параметри TF, період напівзменшення коефіцієнта переходу і константа l, що відображає зміну властивостей грунту. Параметри моделі визначено емпіричним шляхом для широкого діапазону екологічних умов і набору культур, який включає основні компоненти раціону людини і тварин. Це дозволяє прогнозувати вміст ¹³⁷Cs в основних сільськогосподарських культурах з точністю, достатньою для оцінки радіаційної ситуації при забрудненні навколишнього середовища. It was shown ¹³⁷Cs transfer factor (TF) from soil in plant is determined by time of incubation radionuclide in soil t and complex of soil properties Sef and independent from density of soil contaminations. Parameters characterising interrelation among main compartments of a “soil - plant” system as TF, period of half decreasing of TF - e T and constant reflecting changes of a soil properties l. These parameters are determined in empirical way for a wide range of ecological conditions and crops including main components of human and animals diet. The proposed method allows to predict ¹³⁷Cs concentration in main agricultural crops with adequate accuracy for estimate radiation situation after environmental contamination. 2006 Article Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение» / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская, Л.В. Перепелятникова // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2006. — Вип. 5. — С. 170-178. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127905 631.43:539.16.58/90 ru Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля application/pdf Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Показано, что коэффициент перехода TF ¹³⁷Cs из почвы в растения определяется временем его взаимодействия с почвой t и величиной комплексной оценки свойств почвы Sef и не зависит от плотности загрязнения почвы s. Взаимосвязь между блоками системы «почва - растение» в предложенной модели характеризуют параметры TF, период полууменьшения коэффициента перехода e T и константа l, отражающая изменения свойств почвы. Параметры модели определены эмпирическим путем для широкого диапазона экологических условий и набора культур, включающего основные компоненты рациона человека и животных. Это позволяет прогнозировать содержание ¹³⁷Cs в основных сельскохозяйственных культурах с точностью, достаточной для оценки радиационной обстановки при загрязнении окружающей среды.
format	Article
author	Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Перепелятникова, Л.В.
spellingShingle	Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Перепелятникова, Л.В. Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение» Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
author_facet	Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Перепелятникова, Л.В.
author_sort	Пристер, Б.С.
title	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»
title_short	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»
title_full	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»
title_fullStr	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»
title_full_unstemmed	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»
title_sort	обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷cs в системе «почва - растение»
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
publishDate	2006
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127905
citation_txt	Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение» / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская, Л.В. Перепелятникова // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2006. — Вип. 5. — С. 170-178. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
work_keys_str_mv	AT pristerbs obosnovanieiparametrizaciâmodelipovedeniâ137csvsistemepočvarastenie AT vinogradskaâvd obosnovanieiparametrizaciâmodelipovedeniâ137csvsistemepočvarastenie AT perepelâtnikovalv obosnovanieiparametrizaciâmodelipovedeniâ137csvsistemepočvarastenie AT pristerbs obgruntuvannâtaparametrizacíâmodelípovedínki137csvsistemígruntroslina AT vinogradskaâvd obgruntuvannâtaparametrizacíâmodelípovedínki137csvsistemígruntroslina AT perepelâtnikovalv obgruntuvannâtaparametrizacíâmodelípovedínki137csvsistemígruntroslina AT pristerbs substantiationandparameterisationofthemodeldescribing137csbehaviourinasoilplantsystem AT vinogradskaâvd substantiationandparameterisationofthemodeldescribing137csbehaviourinasoilplantsystem AT perepelâtnikovalv substantiationandparameterisationofthemodeldescribing137csbehaviourinasoilplantsystem
first_indexed	2025-11-26T09:59:11Z
last_indexed	2025-11-26T09:59:11Z
_version_	1849846560170442752
fulltext	170 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 УДК 631.43:539.16.58/90 ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs В СИСТЕМЕ «ПОЧВА - РАСТЕНИЕ» Б. С. Пристер1, В. Д. Виноградская1, Л. В. Перепелятникова2 1 Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Киев 2 Институт гражданской защиты МЧС Украины, Киев Показано, что коэффициент перехода TF 137Cs из почвы в растения определяется временем его взаимодействия с почвой t и величиной комплексной оценки свойств почвы Sef и не зависит от плотности загрязнения почвы σ. Взаимосвязь между блоками системы «почва - растение» в предложенной модели характеризуют параметры TF, период полууменьшения коэффициента перехода eT и константа λ, отражающая изменения свойств почвы. Параметры модели определены эмпирическим путем для широкого диапазона экологических условий и набора культур, включа- ющего основные компоненты рациона человека и животных. Это позволяет прогнозировать содержание 137Cs в основных сельскохозяйственных культурах с точностью, достаточной для оценки радиационной обстановки при загрязнении окружающей среды. Введение Опыт ликвидации радиационных аварий показывает необходимость по возможности точного предсказания уровня загрязнения пищевых продуктов, так как соображения радиационной безопасности населения обусловливают консервативность прогнозов. Обычно, в случае отсутствия надежных данных о параметрах радиационной обстановки и определя- ющих ее факторах, используют верхние значения оценок. При кажущейся гуманности такой консервативности реальная плата за неопределенность оказывается очень высокой: большие объемы контрмер требуют часто непомерных затрат материальных и финансовых ресурсов, не позволяют соблюсти принцип приоритетности и, в результате, существенно снижают эффективность защитных действий. Новые данные о быстром изменении во времени поведения в почве и биологической доступности радиоактивного цезия в широком спектре экологических условий позволяют принципиально уточнить как структуру существующих моделей перехода его из почвы в растения, так и численные значения их параметров [1]. В ходе мониторинга после аварии на ЧАЭС накоплен значительный объем экспериментальных данных о поведении радиоцезия в пищевых цепях, которые использованы для обоснования и параметризации модели поведе- ния в системе «почва - растения». До настоящего времени в прогнозировании содержания радиоцезия в урожае сельско- хозяйственных культур обычно используют коэффициент перехода TF (transfer factor), характеризующий определенные группы почв, т.е. применяют дискретные оценки в соответ- ствии с их классификацией. Значения всех количественных характеристик в каждой класси- фикационной группе почв варьируют в широком интервале от 2 до 20 раз, что обусловливает неоправданно высокий коэффициент запаса. С целью повышения точности прогноза прове- дено экспериментальное обоснование модели поведения 137Cs в системе «почва - растение». Материалы и методы Исследования динамики содержания 137Cs в почвах и урожае 16 сельскохозяйст- венных культур, формирующих, в основном, рационы питания человека и кормления животных, начаты с 1987 г. Образцы почв и сельскохозяйственных культур отбирали в 31 коллективном хозяйстве, расположенных в наиболее загрязненных районах пяти областей Украины. С 1991 г. отбор проб проводили в 12 хозяйствах этих же районов. Основные типы исследованных почв являются представительными для Украины. Их агрохимические свойства представлены в табл. 1. ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 171 Таблица 1. Агрохимические свойства исследуемых типов почв Украинского Полесья Тип почвы pH Гумус, % Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы K, мг/100 г почвы Ил, % Торфяно-болотная 3,8 - 6,6 - 2,3 - 19,0 2,0 - 18,5 - Дерново-подзолистая 3,9 - 7,2 0,38 - 3,2 2,9 - 20,1 2,4 - 20,0 5,0 - 19,3 Серая лесная 4,9 - 6,6 0,60 - 2,1 7,5 - 19,9 4,0 - 12,6 12,1 - 32,4 Чернозем 5,4 - 7,5 1,5 - 3,9 10,5 - 33,1 11,6 - 37,1 24,7 - 27,2 На каждом поле, где отбирали пробы растений, были отобраны пробы почв для определения агрохимических свойств и плотности загрязнения (не менее девяти полей в каждом хозяйстве). Методика отбора проб обеспечивала пространственное совмещение (сопряжение) проб растений и почвы, т. е. пробы растений отбирали с той же площади, что и пробы почвы. Средний образец с каждого поля состоял из 25 отдельных образцов, отоб- ранных по методу конверта (пять конвертов по пять образцов), что обеспечивало хорошую представительность результатов. Шаг конвертов изменялся пропорционально размерам поля. Средний образец злаковых растений отбирали с площадки 0,5 × 0,5 м2 в 25 повторнос- тях на каждом поле; средний образец пропашных культур и овощей состоял из 50 растений (отбирали по 10 растений в пяти рядках). Таким образом, в контролируемых хозяйствах ежегодно отбирали представительные образцы каждого вида культур. Образцы растений высушивали до воздушно-сухого состояния и измельчали. Почвы отбирали буром диаметром 10 см на глубину пахотного горизонта 20 - 25 см. Усредненные образцы почвы высушивали, измельчали, просеивали сквозь сито с размером отверстий 1 мм и помещали в чашки Маринелли. Концентрацию 137Cs в растениях и почве определяли на высокоэффективном низкофо- новом гамма-спектрометре “ADCAM-300” с полупроводниковым детектором “GEM-30185” из высокочистого германия производства EG&ORTEC (USA). Время измерения обеспечи- вало не менее чем 10 %-ную надежность результатов. Для разработки динамических моделей и определения их параметров использовано более 3000 значений TF (пар «почва - растение»). Важная особенность использованных в работе данных состоит в том, что они были верифицированы с использованием таких критериев, как «степень доверия» и «экспертная оценка», учитывающих абсолютные значе- ния параметров и их соответствие свойствам почв и основным радиоэкологическим закономерностям. Значения TF в каждый год исследования были усреднены для каждой культуры на одном и том же типе почвы. Каждая экспериментальная точка представлена минимум тремя и максимум 15 значениями TF. Динамика TF 137Cs из почвы в сельскохозяйственные культуры Плотность загрязнения почв 137Cs в контролируемых хозяйствах изменялась в широ- ких пределах от 100 до 3000 кБк⋅м2. В этих условиях оценивать параметры динамики коэф- фициента перехода радиоцезия из почвы в растения можно только после исследования зависимости удельной активности радионуклида SA от плотности загрязнения почвы σ. Парадигмой радиобиологии является прямая зависимость накопления радионуклидов в природных и биологических цепях от количества атомов радиоактивного элемента [2], однако в период после аварии на Чернобыльской АЭС линейная зависимость SA = f(σ) опровергалась рядом исследователей [3, 4]. Если принять нелинейность такой зависимости, то можно прийти к абсурдному выводу о повышенной радиационной опасности чистых территорий по сравнению с более загрязненными. Анализ 641 сопряженной пары «почва - растение» для различных типов почвы и видов растений в разные сроки после аварии подтвердил существование прямой зависимости Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ, Л. В. ПЕРЕПЕЛЯТНИКОВА ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 172 SA = TF⋅σ ( 2R ≈ 0,90). Полученные данные позволяют сделать важный вывод о том, что в конкретных условиях величина TF не зависит от величины σ и коэффициенты перехода можно сравнивать независимо от уровня загрязнения почвы, при котором их значение было определено. Независимость TF 137Cs от плотности загрязнения почвы свидетельствует о том, что абсолютное значение содержания доступных для растения форм радионуклида черно- быльских выпадений на дальних следах возрастает прямо пропорционально увеличению общего содержания его в почве [5]. Установлено, что удельная активность 137Cs в сельскохозяйственных культурах быстро уменьшалась во времени (табл. 2). Сопоставление абсолютных значений SA 137Cs в урожае изученных сельскохозяйственных культур показывает значительные видовые разли- чия в накоплении 137Cs: наименьшие на черноземе с высоким содержанием глинистых минералов, наибольшие - на торфе, где очень низкое содержание иловатой фракции в целом. На одном и том же типе почвы накопление 137Cs в сене трав в 8 - 30 раз выше, чем в зерне злаков. Таблица 2. Изменение во времени удельной активности 137Cs в урожае некоторых сельскохозяйственных культур на различных типах почвы Киевской области Годы Культура, тип почвы, район Сено естественных трав, торфяно-болотная, Полесский Томаты, дерново-подзолистая, Бородянский Свекла, серая лесная, Белоцерковский Озимая пшеница, чернозем, Фастовский 1987 68740 780 80 44 1989 22090 930 94 37 1994 - 31 53 - 1998 2460 20 19 5,9 2001 2810 12 25 4,6 Анализ 48 выборок TF(t), характеризующих его динамику на протяжении 17 послеаварийных лет, для 16 сельскохозяйственных культур и четырех типов почв показал (рис. 1, a) постепенное снижение TF во времени. Функция TF = f(t) является экспоненци- альной и состоит из 2 компонент – быстрой (q - quikly) и медленной (s - slowly). Все кривые зависимости TF 137Cs от времени t (рис. 1, б) можно аппроксимировать экспоненциальной функцией вида               ⋅−⋅+      ⋅−⋅⋅= + s e s q e qsq T t a T t aTFtTF 693.0exp693.0exp)( 000 (1) где sqsq TFTFTF 000 +=+ - экстраполированы к 1986 г. (год выпадений) (табл. 3); qa0 , qs aa 00 1−= - доли первоначального содержания нуклида в почве с периодами полууменьше- ния q eT и s eT (обменная и фиксированная формы) (табл. 4). Значения qTF0 и sTF0 для всех исследуемых сельскохозяйственных культур уменьшаются от 10 до 40 раз в таком ряду почв: торфяно-болотная, дерново-подзолистая, серая лесная, чернозем, а в ряду культур от сена естественных трав до зерна зерновых в 3 - 33 раза. Внутри групп культур различия в их значениях не превышали двух раз. Доля формы 137Cs в почве qa0 , TF для которой уменьшается во времени быстро (обменная фракция), в начальный период времени после выпадений составляет 0,87 - 0,99 и ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 173 уменьшается в ряду почв: чернозем, серая лесная, дерново-подзолистая, торфяно-болотная почва. Таким образом, распределение 137Cs между обменной и фиксированной формами существенно зависит от типа почвы. Рис. 1. Динамика коэффициента перехода TF 137Cs: а - в зеленую массу кукурузы для раз- личных типов почвы: 1 - торфяно-болотной; 2 - дерново-подзолистой; 3 - серой лесной; 4 - чернозема; б - для озимой пшеницы на дерново-подзолистой почве. Таблица 3. Средние значения коэффициентов перехода 137Cs для основных групп культур, экстраполированных на 1986 г., м2⋅⋅⋅⋅кг-1 Группа культур Тип почвы Торфяно- болотная Дерново- подзолистая Серая лесная Чернозем qTF0 sTF0 qTF0 sTF0 qTF0 sTF0 qTF0 sTF0 Сено естественных трав 218 22 25 0,78 10 0,49 - - Сено сеяных злаковых трав 89 4,7 6,0 0,38 4,8 0,11 3,7 0,019 Зеленые корма кукуруза, люцерна, клевер 35 1,4 3,4 0,37 1,5 0,18 1,9 0,039 Овощи капуста, томаты, огурцы - - 3,3 0,17 2,0 0,031 1,4 0,014 Клубни, корнеплоды лук, свекла, картофель 11 0,84 1,5 0,10 0,55 0,064 0,56 0,017 Зерновые озимая пшеница, ячмень, рожь 6,6 0,81 0,80 0,10 0,57 0,048 0,35 0,019 Кратность различий, раз 33 27 31 7,8 18 10 11 2,8 На одном типе почвы различия значений периодов полууменьшения коэффициента перехода радиоцезия q eT и s eT не выходят за пределы точности их определения для всех культур. Это позволяет сделать вывод о том, что динамика TF 137Cs обусловлена не биоло- гическими особенностями растений, а спецификой взаимодействия нуклида с почвой. Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ, Л. В. ПЕРЕПЕЛЯТНИКОВА ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 174 Таблица 4. Средние значения периодов полууменьшения TF 137Cs для обменной ( q eT ) и селективно сорбированной ( s eT ) форм радионуклида в почве для основных групп культур, годы Группа культур Тип почвы Торфяно- болотная Дерново- подзолистая Серая лесная Чернозем q eT s eT q eT s eT q eT s eT q eT s eT Сено естественных трав 0,87 5,7 2,1 28 1,6 26 - - Сено сеяных злаковых трав 0,92 6,6 2,0 11 1,9 35 1,3 53 Зеленые корма кукуруза, люцерна, клевер 0,97 7,1 1,8 24 1,7 36 1,2 91 Овощи капуста, томаты, огурцы - - 1,5 14 1,7 26 1,3 124 Клубни, корнеплоды лук, свекла, картофель 0,88 6,4 2,2 21 1,7 46 1,3 136 Зерновые озимая пшеница, ячмень, рожь 0,88 6,9 1,8 39 1,8 75 1,2 66 Среднее для всех культур 0,89 6,6 1,8 28 1,8 50 1,3 112 Кратность различий, раз 1,2 1,4 1,8 6,9 1,1 3,5 1,4 5,0 Модель процессов трансформации форм 137Cs в почве, определяющих наблюдаемую динамику TF, можно описать, используя следующие представления. Ион Cs+ усваивается корневой системой растения только из почвенного раствора. Концентрация цезия в растворе, в основном, определяется процессами сорбции его на органических, органо-минеральных коллоидах и заряженных поверхностях минералов - первый этап поглощения. Второй этап - поглощение 137Cs на местах селективной частично обменной сорбции FES, локализованных в устьевых областях кристаллической решетки глинистых минералов группы 2:1 [6]. На протяжении третьего этапа 137Cs постепенно переходит в центры экстремально высокой селективности HAS (межпакетные пространства глинистых минералов). Характерное время установления равновесия между звеньями цепи: WS (водно-растворимая форм) - RES (обменно поглощенная форма) - минуты-часы; RES-FES - месяцы-годы; FES-HAS - десятки лет. Сопоставляя значения периодов полууменьшения коэффициентов перехода радиоцезия с характерными временами, можно предположить, что q eT характеризует скорость транс- формации обменных ионов цезия из RES в прочно сорбированные FES, а s eT - из FES в высокоселективные формы HAS. Скорость перехода 137Cs из RES в FES характеризуется средним значением периода полууменьшения концентрации радионуклида q eT для всех типов почв и составляет 1,4 года (0,9 - 1,8 лет). Скорость перехода из FES в HAS оценивается s eT , который изменяется для различных почв от 6,6 до 112 лет. Продолжительность времени взаимодействия радионуклида с почвой после аварии пока еще меньше значений s eT , поэтому точность определения его не может быть высокой. Анализ данных табл. 4 позволяет отметить тенденцию снижения q eT в интервале почв от дерново-подзолистых до чернозема, максимально быстрое снижение доступности было отмечено для торфяных почв. Отношение содержания легко- и труднодоступных форм 137Cs уравновешивается в почве через 3 - 5 периодов q eT , т.е. вклад этих форм в загрязнение растений становится сравнимым через 3 - 5 лет после выпадений. Через 5 - 6 лет концентрация Cs+ в почвенном растворе преимущественно определяется десорбцией ионов из центров FES. Этот процесс и определяет радиационную ситуацию в отдаленный период после аварии. ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 175 Прогнозирование перехода 137Cs из различных типов почв в растения Прогнозирование перехода радионуклидов в растения из почв разных типов является одной из ключевых задач современной радиоэкологии. Анализ данных, накопленных после чернобыльской аварии, показал, что тесная функциональная зависимость между TF 137Cs и основными свойствами почвы (pH почвенного раствора, емкость поглощения катионов Е и содержание органического вещества ОВ, содержание обменных калия и кальция) сохраня- ется только в очень узком интервале. Наблюдается варьирование этих интервалов для различных характеристик [7]. Представляется целесообразным для характеристики почвы использовать комплексную оценку свойств почвы (КОСП) [8]. Для обоснования способа оценки КОСП, как среды геохимической и биогенной миграции радионуклидов, мы предложили представить почву в качестве природного тела, объединяющего три фазы: твердую – минеральный скелет, жидкую – почвенный раствор и промежуточную - квазикристаллическую или квазижидкую (органическое вещество, комп- лексы органического вещества с минеральным каркасом, мицеллы и др.) (рис. 2). Оценить свойства почвы количественно можно только на основе представления о неразрывной связи всех компонентов системы. Рис. 2. Схематическое представление почвы, как трехфазной системы, и основные свойства и функции фаз, определяю- щие распределение ионов между твердой и жидкой фазами. Не показаны газо- вая среда и биота. Усвоение веществ корнями пропорционально десорбции ионов с площади сорбцион- ной поверхности (емкости). Мы предлагаем рассматривать эту площадь как эффективное сечение реакции обмена, зависящее для конкретного радионуклида от свойств i-й почвы. Экспериментально оценить такую величину очень сложно, поэтому рассмотрим более простой эмпирический метод. В трехмерном пространстве (рис. 3), измерения которого представляют взаимно перпендикулярные векторы - свойства почвы, определяющие полноту и прочность сорбции иона, эффективное сечение реакции для i-й почвы может быть представлено площадью треугольника Sefi, вершины которого лежат в соответствующих значениям векторов точках на осях рНi, ОВi и Еi или CПОi. Параметры, используемые для нахождения Sefi, имеют разную размерность, поэтому их значения должны быть нормированы. Величину рН целесообразно нормировать на значе- ние, соответствующее нейтральной реакции почвенного раствора рНmax = 7, содержание ОВ и СПО - на высшие значения для ряда рассматриваемых почв – в нашем случае ОBmax = 6 % и СПОmax = 40 мг-экв/100 г почвы соответственно. Сопоставимость данных различных авторов можно обеспечить только при соблюдении единого принципа нормирования. Если характе- ристики почвы окажутся больше назначенных значений, нормированная величина параметра будет больше единицы. Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ, Л. В. ПЕРЕПЕЛЯТНИКОВА ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 176 Рис. 3. Графическое представление спо- соба нахождения комплексной оценки свойств почвы как площади сечения объема трехфазной системы в трех- мерном пространстве: Sef1 - для дерново- подзолистой почвы, Sef2 - для чернозема. Обработка данных о накоплении 137Сs исследуемыми культурами на всех типах почвы (рис. 4) показала, что зависимость TFij от площади сечения Sefi может быть хорошо (R2 ≈ 0,80) аппроксимирована степенной зависимостью, представленной ниже. Рис. 4. Зависимость коэффициента перехода TF 137Cs в растения от комплексной оценки свойств почвы Sef по триаде OВ-pH-СПО: a - в 1989 г. для: 1 - зеленой массы кукурузы, 2 - плодов томатов, 3 - клубней картофеля; б - для сеяных трав в различные годы: 1 - 1987, 2 - 1989, 3 - 1994, 4 - 2001. j ijij SefSefTFTF λ−⋅== )1(0 (2) где TFij – коэффициент перехода радионуклида из i-й почвы в j-ю культуру; TF0j(Sefi = 1) - TF 137Cs в j-ю культуру из почвы, площадь эффективного сечения Sefi = 1; λj – показатель степени для j-й культуры, отн. ед.-1. Параметр TF0j(Sefi = 1) по смыслу представляет собой вероятное значение TF 137Cs в j-ю культуру из i-й почвы, нормированные значения параметров которой равны 1. Его значение может быть использовано в качестве критерия сродства j-й культуры к радиоцезию. Показатель степени λj характеризует влияние изменения сорбционных свойств i-й почвы на накопление 137Cs j-й культурой. Чем выше λj, тем медленнее уменьшается TF по мере улучшения свойств почвы. ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 177 Усредненные за период 1987 - 2001 гг. параметры уравнения (2) для некоторых сель- скохозяйственных культур, сеяных и природных луговых трав приведены в табл. 5. Таблица 5. Параметры уравнения 2 для сельскохозяйственных культур, произрастающих на разных типах почв (1994 г.) Культура TF0j(Sefi=1), м2⋅кг-1 Показатель степени λj Сено естественных трав 0,47 0,96 Сено сеянных злаковых трав 0,32 0,77 Зеленые корма кукуруза, люцерна, клевер 0,34 0,79 Овощи капуста, томаты, огурцы 0,28 0,86 Клубни, корнеплоды лук, свекла, картофель 0,022 1,1 Зерновые озимая пшеница, ячмень, рож 0,011 1,7 На основании рассмотренных закономерностей и модельных представлений была предложена формула расчета концентрации SAij 137Cs (Бк⋅кг-1) в j-й культуре, выращиваемой на i-й почве для времени t после аварии: ( ) ( )                     ⋅−⋅+      ⋅−⋅⋅⋅=      ⋅−⋅= − t T at T aSefSefTFt T tSA s e s q e q ijij j 693,0 exp 693,0 exp1 693,0 exp 000 2/1 0 λσ (3) Выражение в квадратных скобках в уравнении (3) описывает динамику TF, обуслов- ленную трансформацией форм радионуклида в почве с помощью характерных параметров q eT , s eT , qa0 , sa0 . Выражение перед квадратными скобками описывает изменение TF в зависимости от физико-химических и агрохимических свойств почвы. Выражение перед фигурной скобкой отражает изменение σ0 вследствие физического распада T1/2 радионуклида после выпадений. Численные значения всех параметров для 137Cs представлены выше. Разработка модели и определение ее параметров в широком диапазоне почв и видов растений позволяет существенно снизить консерватизм прогнозов и оптимизировать затраты на ликвидацию последствий радиационных аварий. Выводы На территориях, загрязненных выпадениями после аварии на ЧАЭС, TF 137Cs не зависит от плотности загрязнения почвы σ. Динамика доступности 137Cs для усвоения рас- тениями описана убывающей двухэкспоненциальной зависимостью. Ведущую роль в умень- шении уровня загрязнения растений после выпадений играют процессы трансформации форм радионуклида в почве, интенсивность которых существенно превосходит скорость процессов самоочищения. Параметры, характеризующие взаимосвязь между компонентами системы “почва - растение”, такие как TF0j, Te и λj, определены эмпирическим путем для широкого интервала почвенных условий, видов растений и 17-летнего периода наблюдений. Предложенный метод позволяет прогнозировать концентрацию 137Cs в основных сельскохозяйственных культурах не дискретно для каждого типа почвы, как в методе группирования, а непосредственно для почвы с конкретными агрохимическими свойствами. Это позволяет повысить точность прогнозов и уменьшить их консерватизм. Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ, Л. В. ПЕРЕПЕЛЯТНИКОВА ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 178 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Пристер Б.С. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС для сельского хозяйства Украины // Исследования ЦПЭР. – К., 1999. - № 20. - 104 с. 2. Клечковский В.М., Целищева Г.Н. О поведении радиоактивных продуктов деления в почвах, их поступлении в растения и накоплении в урожае. - М.: Изд-во АН СССР, 1956. - С. 3 - 74. 3. Кнатько В.А., Агеец В.Ю. Оценка зависимости коэфициента перехода 137Cs и элементов мине- рального питания растений // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999.- Т. 39, № 6. - С. 675 - 682. 4. Beresford N.A., Howard B, Strand P et al. Fluxes of radionuclides // Time dependent optimization of strategies for countermeasures use to reduce population radiation dose and reclaim abandoned land (RECLAIM). Strategies for countermeasures use to reduce population radiation dose and reclaim abandoned lands EU Contract № ERBIC15 CT 960209. - 2000. 5. Prister B.S., Barjakhtar V.G., Perepelyatnikova L.V. et al. Experimental Substantiation of the Model Describing 137Cs and 90Sr Behavior in a Soil-Plant System // Еnvіronmental Science and Pollution Research. Speсial Issue of the International Journal. - 2003. - No. 1 - P. 126 - 136. 6. Коноплев А.В. Подвижность и биологическая доступность радиоцезия и радиостронция аварийного происхождения в системе "почва - вода": Дис. … д-ра биол. наук. - Обнинск, 1997. - 319 с. 7. Пристер Б.С., Перепелятникова Л.В., Дугинов В.И., Хомутинин Ю.В. Основные факторы, определяющие поведение радионуклидов в системе почва-растения // Проблемы с.-х. радиологиии: Сб. науч. тр. / Под ред. Н. А. Лощилова. - К., 1992. - Вып. 2. - С. 108 - 117. 8. Пристер Б., Бизольд Г., Девиль-Кавелин Ж. Способ комплексной оценки свойств почвы для прогнозирования накопления радионуклидов растениями // Радиационная биология. Радиоэколо- гия. - 2003. – Т. 43, № 6. - С. 688 - 696. Поступила в редакцию 14.03.06 ОБОСНОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 5 2006 179 12 ОБГРУНТУВАННЯ ТА ПАРАМЕТРИЗАЦІЯ МОДЕЛІ ПОВЕДІНКИ 137Cs В СИСТЕМІ “ГРУНТ - РОСЛИНА” Б. С. Прістер, В. Д. Виноградська, Л. В. Перепелятнікова Показано, що коефіцієнт переходу TF 137Cs з грунту в рослини визначається часом його взаємодії з грунтом t та величиною комплексної оцінки властивостей грунту Sef і не залежить від щільності забруднення грунту σ. Взаємозв’язок між блоками системи «грунт - рослина» в запропонованій моделі характеризують параметри TF, період напівзменшення коефіцієнта переходу eT і константа λ, що відображає зміну властивостей грунту. Параметри моделі визначено емпіричним шляхом для широкого діапазону екологічних умов і набору культур, який включає основні компо- ненти раціону людини і тварин. Це дозволяє прогнозувати вміст 137Cs в основних сільськогоспо- дарських культурах з точністю, достатньою для оцінки радіаційної ситуації при забрудненні навко- лишнього середовища. 12 SUBSTANTIATION AND PARAMETERISATION OF THE MODE L DESCRIBING 137Cs BEHAVIOUR IN A «SOIL - PLANT» SYSTEM B. S. Prister, V. D. Vynogradskaja, L. V. Perepelyatnikova It was shown 137Cs transfer factor (TF) from soil in plant is determined by time of incubation radionuclide in soil t and complex of soil properties Sef and independent from density of soil contaminationσ. Parameters characterising interrelation among main compartments of a “soil - plant” system as TF, period of half decreasing of TF - eT and constant reflecting changes of a soil properties λ. These parameters are determined in empirical way for a wide range of ecological conditions and crops including main components of human and animals diet. The proposed method allows to predict 137Cs concentration in main agricultural crops with adequate accuracy for estimate radiation situation after environmental contamination.

Обоснование и параметризация модели поведения ¹³⁷Cs в системе «почва - растение»

Репозитарії

Схожі ресурси