Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ЦЕЗИЯ-137 В РАСТИТЕЛЬНЫХ РЕСУРСАХ ЛЕСА

Способ оценки удельной активности цезия-137 в растительных ресурсах леса относится к области экологии и предназначен для проведения радиоэкологического мониторинга лесных территорий и радиационного контроля растительных ресурсов в условиях техногенного радиоактивного загрязнения.

Известны способы радиоэкологического мониторинга и оценки удельной активности радионуклидов в объектах окружающей среды (пат. 2112999, 2154937, 2223518, 2197720), включающие отбор проб (почвы, растительности, воздуха и др.) на заложенных по определенным правилам пробных площадях, пробоподготовку, радиологический анализ и интерпретацию результатов, в т.ч. с использованием накопленных баз данных, параметров, установленных заранее фоновых значений загрязнения почв, методов математической статистики и геоинформационных систем для построения карт полей радиационных характеристик.

В предложенном «Способе радиоэкологического мониторинга промышленного региона» (пат. 2112999) пробы (атмосферного воздуха, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, почвы, техногенного грунта, донных отложений, поверхностных, грунтовых и подземных вод, растительности) анализируются только на альфа и бета-активность, по результатам измерений создается база данных, на основе которой строятся карты полей распределения радиационных характеристик. Недостатком способа является отсутствие оценки уровня загрязнения гамма-излучающими радионуклидами (в частности цезием-137).

В предложенном «Способе радиационного мониторинга экосистем по биоиндикации радиоактивного загрязнения территорий по хвое древесных пород» (пат. 2154937) контроль за радиоактивным загрязнением территорий осуществляется на основании отбора, приготовления проб и радиационного анализа хвои деревьев и кустарников. Недостатком способа является использование только одного растительного компонента (хвои), загрязнение которого не позволяет судить о загрязнении других растительных ресурсов.

В предложенном «Способе радиоэкологического мониторинга почв, грунтов и донных отложений» (пат. 2223518) повышение достоверности определения радиационного фона и точности оценки радиационного состояния контролируемого объекта обеспечивается сравнением результатов измерения радиационных параметров исследуемых объектов с фоновым значением. Недостатком способа является использование только одного компонента (почвы, грунта), загрязнение которого не позволяет судить о загрязнении других компонентов экосистемы.

В предложенном «Способе радиационного мониторинга экосистем по радиоактивности почв» (пат. 2197720) описывается отбор проб почвы. Недостатком способа является неудачное обоснование репрезентативного размещения сети отбора проб, основанного на методе конверта. Известно, что, например, на лесных территориях наблюдается значительная пространственная неоднородность поверхностного загрязнения почвы, обусловленная влиянием древесных крон и микрорельефа [1-3].

Оценку качества по радиационному признаку (сопоставление удельной активности радионуклидов в объекте требованиям гигиенических нормативов) лекарственного растительного сырья и пищевых продуктов осуществляют в соответствии с [4, 5], однако в данных документах идет речь об отборе проб и требованиях к лабораторным измерениям либо из партии готовой продукции, либо из партии заготовленного сырья.

Требования к радиационному мониторингу и контролю лесной растительности приводятся в методических указаниях [6-8], применяемые в настоящее время в практике радиационного мониторинга лесных территорий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является Методика организации и ведения радиационного мониторинга в лесах [8]. Данная методика определяет подходы к размещению и закладке участков, требования к отбору образцов почвы и лесной растительности, их пробоподготовку и измерение удельной активности, а также оценку плотности загрязнения почвы и расчет коэффициентов перехода радионуклидов из почвы в растительность.

Недостатком прототипа является оценка уровня загрязнения почвы (территории) по 1 объединенной пробе с участка (пробной площади), отбираемой из 4 точек расположенных в углах площадки. Для выбора (отбраковки) точек отбора почвы проводится сравнение результатов измерения дозиметром мощности эквивалентной дозы гамма-излучения на поверхности почвы со значением мощности эквивалентной дозы на высоте 1 м. Однако данный подход не применим для территории с уровнями загрязнения почвы по цезию-137 менее 185 кБк/м², где техногенный гамма-фон, как правило, перекрывается природным. Указанные недостатки не позволяют обеспечивать необходимую точность и репрезентативность результатов оценки уровня загрязнения почвы и растительных ресурсов цезием-137.

Общими недостатками всех рассмотренных способов является трудоемкость (отбор, пробоподготовка и спектрометрический анализ проб почвы и растительности), продолжительность исследований, не учитываются связи между компонентами лесной экосистемы (накопительная способность растений и ее зависимость от почвенных условий и уровня радиоактивного загрязнения территории).

Сущность предлагаемого способа, в отличие от указанных аналогов, заключается в совокупности действий по оценке удельной активности цезия в растительных ресурсах, включающих 2 этапа:

1) предварительный: проведение исследований по созданию региональной аналитической базы поправочных коэффициентов (ПК) к данным полевых измерений плотности загрязнения почвы цезием-137 портативным гамма-спектрометром, учитывающих характер распределения техногенного цезия в профиле почвы и ее свойства, и коэффициентов перехода (КП) радионуклидов из почвы в целевые (индикаторные, хозяйственно ценные) виды растительных ресурсов, в зависимости от их видовой принадлежности и лесорастительных (почвенных) условий;

2) основной: оценка удельной активности цезия в растительных ресурсах на конкретных участках лесопользования по данным полевых измерений плотности загрязнения почвы цезием-137 портативным сцинтилляционным гамма-спектрометром с учетом ПК и КП с использованием ГИС-технологий при совмещении базы полевых измерений с лесотаксационными данными.

Технический результат: повышение достоверности оценки удельной активности (качества по радиационному признаку) растительных ресурсов, возможность прогноза качества ресурсов по радиационному признаку и одновременной оценки всего спектра лесных ресурсов исследуемого участка, а также сокращение суммарного времени работы измерительной аппаратуры.

Технический результат достигается тем, что способ оценки удельной активности цезия-137 в растительных ресурсах леса включает закладку пробных площадей, отбор образцов почвы и лесной растительности, их пробоподготовку, измерение удельной активности в отобранных образцах, оценку плотности загрязнения почвы и коэффициентов перехода радионуклидов из почвы в растительность, отличающийся тем, что на предварительном этапе создают региональную радиоэкологическую базу, состоящую из коэффициентов перехода (КП) радионуклидов цезия-137 из почвы в конкретные виды растительных ресурсов и поправочных коэффициентов (ПК) к результатам полевых измерений плотности загрязнения почвы портативным спектрометром, зависящим от характера распределения техногенного цезия в профиле почвы и ее свойств, путем закладки пробных площадей с учетом перечня хозяйственно ценных (пищевых, лекарственных, технических, индикаторных видов для радиоэкологического мониторинга) видов растительных ресурсов, диапазона условий произрастания ресурсов (типов лесорастительных условий) и площади, занимаемой данными условиями на территории региона; оценки пространственной неоднородности загрязнения почвы цезием-137 на пробной площади портативным гамма-спектрометром методом маршрутной съемки с географической привязкой полученных результатов; определения ПК в пределах однородных участков в ходе закладки точек съемки портативным спектрометром с дальнейшим отбором образцов почвы стандартным цилиндрическим пробоотборником на глубину 20 см с разделением почвенных кернов на пятисантиметровые слои для лабораторных гамма-спектрометрических измерений (формула расчета поправочного коэффициента устанавливается экспериментально на основе обработки результатов полевых и лабораторных оценок плотности загрязнения почвы всех пробных площадей, характеризующих регион исследований); оценки КП в пределах однородных участков в характерный период заготовки ресурса; на основном этапе оценка удельной активности цезия-137 в растительных ресурсах на конкретных (производственных) участках лесопользования проводится по данным полевых измерений плотности загрязнения почвы цезия-137 портативным гамма-спектрометром методом маршрутной съемки и расчета удельной активности на основе совмещения базы полевых измерений (построения карты (поверхности) загрязнения территории) с лесотаксационными данными (тематической картой типов лесорастительных условий) с использованием коэффициентов радиоэкологической базы для конкретных почвенных (лесорастительных) условий и характерных для них видов растительных ресурсов.

Действия, реализующие способ в полевых условиях, осуществляются в теплый сезон года (при температуре окружающего воздуха от 5°C до 40°C) в периоды установления влажности грунтов (после снеготаяния или интенсивных дождей) до характерного для данной местности (лесорастительных условий) состояния при относительной влажности воздуха до 80%.

На предварительном этапе применяются: портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр, стандартные пробоотборники почвы, измельчающие устройства для почвенных и растительных образцов, измерительные кюветы и стационарное сцинтилляционное гамма-спектрометрическое оборудование; на основном этапе - исключительно портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр.

Пример

На радиационно загрязненных лесных территориях Пензенской области (уровень загрязнения почвы цезием-137 до 185 кБк/м²) были проведены радиоэкологические исследования.

В различных почвенно-экологических (лесорастительных) условиях закладывались пробные площади. Характеристика 2 пробных площадей приведена в таблице 1.

Выбор пробных площадей проводился по данным таксационного описания, при этом выбирались участки с ровным рельефом.

Исследования проводились в августе-сентябре при температуре окружающего воздуха от 15-25°C и относительной влажности воздуха 50-70% в период характерной для данной местности влажности грунтов.

На пробной площади для оценки средней поверхностной плотности загрязнения почвы участка размером 50×50 м осуществлялась пешеходная гамма-съемка портативным гамма-спектрометром МКС-01 А «Мультирад» с программным обеспечением «Прогресс-Навигатор». Детектор спектрометра во время полевой съемки располагается вертикально на высоте 1 м от поверхности почвы, скорость движения при съемке способом параллельных профилей не более 2 км/ч, период одного измерения 6 с.

Далее на пробной площади закладывалось не менее 5 точек для изучения характера перераспределения радионуклидов по почвенному профилю (точки выбирались по показаниям спектрометра при условии соответствия уровня загрязнения в точке среднему уровню загрязнения пробной площади) на пробной площади.

В каждой точке проводились измерения портативным спектрометром на высоте 1 м в течение не менее 100 с (при периоде одного измерения 6 с), после этого проводился отбор проб почвы стандартным пробоотборником (о 40 мм, на глубину 20 см) равномерно в радиусе 0,1, 0,5 и 1 м от вертикальной оси детектора с разделением кернов на 5 см слои.

Затем на пробной площади проводился отбор проб хозяйственно ценных (пищевых, лекарственных) видов растений: в точке отбора проб растительности проводился цикл измерений на высоте 1 м над почвой в течение не менее 100 с (1 измерение 6 с).

Отбор проб почв, растительности, пробоподготовка и спектрометрические измерения на стационарном спектрометре МКС-01 А «Мультирад» проводился в соответствии с [6-9].

Результаты измерения приведены в таблицах 2 и 3.

По данным наших исследований установлена зависимость результатов оценки плотности загрязнения почвы (P) по данным полевых измерений портативным спектрометром (P_скан) и лабораторных измерений почвы, отобранной из точки полевой съемки (P_лаб) [10]:

P_лаб=P_сканПК

ПК=(0,02x+0,05)^-1

где x - доля содержания цезия-137 в слое почвы 0-5 см от общего содержания в слое 0-20 см, %.

Таким образом, для почвенных условий (тип лесорастительных условий B₂ - свежая суборь) ПП Чаадаевского участкового лесничества среднее значение ПК=0,59; для почвенных условий (тип лесорастительных условий С₂ - свежая судубрава) ПП Краснооктябрьского участкового лесничества среднее значение ПК=1,3 8.

В таблице 3 приведены результаты определения коэффициента перехода КП радионуклидов цезием-137 из почвы в растения (столбцы 3-5).

Коэффициент перехода КП (transfer factor Tf) [8, 11] отражает зависимость содержания радионуклида (удельной активности, Бк/кг) в растении от уровня его содержания в почве (поверхностной плотности загрязнения, кБк/м²):

.

Установлено, что накопительная способность растений существенно зависит от почвенных (лесорастительных условий) [1, 3, 12], что позволяет использовать одни и те же значения КП для конкретного вида растения в аналогичных почвенных (лесорастительных) условиях.

В столбцах 6 и 7 таблицы 3 приведены данные оценки удельной активности цезием-137 в растительных ресурсах, проведенной по результатам полевой съемки портативным спектрометром с учетом ПК и КП. Принимая во внимание, что неопределенность измерений составляет в среднем ±10%, то можно говорить о совпадении результатов оценки «традиционным» (пробоотбор и измерение проб растительности в лабораторных условиях) и предлагаемым (полевая оценка плотности загрязнения почвы и последующий расчет удельной активности радионуклидов в растительности с учетом ПК и КП) способом.

Следует отметить, еще одно преимущество предлагаемого способа - возможность оценки удельной активности видов растений (плодов), характерных для данных условий обитания, но отсутствующих в момент проведения обследования на данном участке, что раздвигает временные рамки проведения радиационных обследований.

Таким образом, последовательность действий для реализации способа, имеет следующий порядок:

1. Предварительный этап.

1.1 Для радиационно загрязненной лесной территории региона (субъекта Федерации, лесничества) определяется перечень хозяйственно ценных (пищевых, лекарственных, технических, индикаторных видов для радиоэкологического мониторинга) видов растительных ресурсов.

1.2 Определяется диапазон условий произрастания данных ресурсов (типов лесорастительных условий) по литературным данным.

1.3 С учетом распространенности (значимости) данных условий произрастания и уровня загрязнения подбираются и закладываются пробные площади для оценки коэффициентов перехода (КП) радионуклидов из почвы в данные виды растений и поправочных коэффициентов (ПК) для результатов полевой оценки поверхностной плотности загрязнения почвы:

1.3.1 Закладка и описание пробных площадей проводится в соответствии с [13, 14].

1.3.2 На пробной площади проводится уточнение типа лесорастительных условий по растениям индикаторам [15].

1.3.3 Оценивается поверхностная плотность загрязнения почвы цезием-137 (пространственная неоднородность загрязнения) портативным гамма-спектрометром, с ПО позволяющим сохранять результаты съемки в электронную базу данных с географической привязкой:

1.3.3.1 Методом маршрутной съемки по параллельным профилям проводится предварительное сканирование участка (скорость движения не более 2 км/ч, расстояние между профилями 10 м и период одного измерений не более 6 с, ось детектора перпендикулярна поверхности почвы). При съемке необходимо учитывать пространственный «сдвиг» результата расчета плотности загрязнения для каждой точки, характеризующий участок, пройденный за период измерения.

1.3.3.2 Оценивается вариация значений плотности поверхностного загрязнения. В случае большой вариации (недостаточно однородной совокупности, V>35%) строится карта изолиний с помощью ГИС-технологий и оценивается наличие пространственного скопления точек со значениями, превышающими установленный порог аномальности (в качестве порога можно использовать правило «3s» [16]). При необходимости участок разбивается на элементарные однородные участки, аномальные участки при дальнейшем исследовании исключаются.

1.3.3.3 Определяется количество точек съемки (N) для обеспечения требуемой точности оценки плотности загрязнения (p) по формуле [17]:

N=(1,96·V)²/p²

где V - коэффициент вариации; 1,96 - поправочный коэффициент для уровня вероятности 0,95 и 0,99;

1.3.3.4 В каждой точке, равномерно расположенной в пределах участка (элементарного участка), проводится цикл измерений на высоте 1 м над почвой в течение не менее 100 с (период измерения не более 6 с).

1.3.3.5 Рассчитывается среднее значение поверхностной плотности загрязнения почвы цезием-137 и ее неопределенности.

1.3.4 Оценивается значение ПК

1.3.4.1 Для расчета поправочного коэффициента стандартным пробоотборником (Ø 40 мм) с пробной площади отбирается 1 объединенный образец почвы на глубину 20 см и 1 объединенный образец почвы на глубину 5 см, почвенный образец помещают в двойной полиэтиленовый пакет и снабжают этикеткой (объем объединенного образца должен составлять 1 дм). Точки отбора почвенных кернов располагают равномерно на участке с однородной плотностью поверхностного загрязнения.

1.3.4.2 В лабораторных условиях проводится пробоподготовка и измерение почвенных образцов в соответствии с [6-9].

1.3.4.3 Поправочный коэффициент ПК для конкретного типа почвенных условий определяется по формуле:

ПК=(0,02x+0,05)^-1

где x - доля содержания цезия-137 в слое почвы 0-5 см от общего содержания в слое 0-20 см, %.

(при уровнях радиоактивного загрязнения более 185 кБк/м² и применении иного спектрометрического оборудования формула расчета поправочного коэффициента устанавливается экспериментально на основе обработки результатов полевых и лабораторных оценок плотности загрязнения почвы всех пробных площадей, характеризующих регион исследований: для этого на каждой площади закладывается не менее 1 точки, где проводятся измерения портативным спектрометром на высоте 1 м, после этого отбираются пробы почвы стандартным пробоотборником (ø 40 мм, на глубину 20 см (в переувлажненных условиях глубина пробоотбора может достигать 50 см) равномерно в радиусе 0,1, 0,5 и 1 м от вертикальной оси детектора с разделением кернов на 5 см слои).

1.3.5 Оценивается значения КП для различных видов растительных ресурсов, представленных на пробной площади.

1.3.5.1 В пределах однородных участков в характерный период заготовки ресурса проводится отбор проб растительности (в случае продолжительного периода заготовки обозначаются точки отбора проб растительности и отбор проб проводят не менее 3 раз: в начале, середине и конце сезона заготовки) в соответствии с [6-8], объем пробы растительности должен быть не менее 1 дм³, отбор растений проводят таким образом, чтобы обеспечить ее возобновление; отобранный растительный материал помещают в двойной полиэтиленовый пакет, снабжают этикеткой;

1.3.5.2 В лабораторных условиях проводится пробоподготовка и измерение растительных образцов в соответствии с [6-9].

1.3.5.3 По данным лабораторных измерений растительности и почвы рассчитываются коэффициенты перехода радионуклидов из почвы в растения (в пересчете на воздушно-сухую массу растений).

1.4 Формируется региональная база коэффициентов перехода радионуклидов (КП) из почвы в целевые виды растительных ресурсов и поправочных коэффициентов (ПК) к данным полевых измерений плотности загрязнения почвы цезием-13 7 портативным гамма-спектрометром (база может быть также сформирована по имеющимся данным других исследователей или мониторинговых наблюдений) для диапазона условий произрастания растительных ресурсов (типов лесорастительных условий).

2. Основной этап.

2.1 На конкретной территории обследования (предполагаемой заготовки одного или нескольких ресурсов) проводятся полевые измерения поверхностной плотности загрязнения почвы цезием-137 портативным гамма-спектрометром методом маршрутной съемки по параллельным профилям (скорость движения не более 2 км/ч, расстояние между профилями не менее 10 м, ось детектора перпендикулярна поверхности почвы).

2.2 В ходе камеральной обработки результатов рассчитывается удельная активность в видах растительных ресурсов с учетом ПК и КП для типов почвенных (лесорастительных) условий, встречающихся на территории обследования. При обработке результатов используются ГИС-технологии: совмещение базы полевых измерений (построение карты (поверхности) загрязнения территории) с лесотаксационными данными (тематической картой типов лесорастительных условий).

Предлагаемый способ обеспечивает достижение следующих технических результатов: повышение достоверности оценки фактической удельной активности (качества по радиационному признаку) растительных ресурсов (за счет возможности проведения в короткий срок значительного числа измерений плотности загрязнения почвы цезием-137, учета влияния почвенных свойств на распределение и подвижность радионуклидов в почвенном профиле и биологических (радионакопительных) особенностей растений), возможность прогноза качества ресурсов по радиационному признаку и одновременной оценки всего спектра лесных ресурсов исследуемого участка (на основе оценки плотности загрязнения территории и использования ПК и КП), а также сокращение суммарного времени работы измерительной аппаратуры (отсутствие на 2 этапе отбора проб почвы и растительности, пробоподготовки и лабораторных измерений).

Источники информации

1. Щеглов, А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах / А.И. Щеглов. М.: Наука, 1999. - 268 с.

2. Израэль, Ю.А. Радиоактивное загрязнение природных сред в результате аварии на Чернобыльской атомной станции / Ю.А. Израэль. М.: Изд-во «Комтехпринт», 2006. - 28 с.

3. Переволоцкий, А.Н. Распределение ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в лесных биогеоценозах / А.Н. Переволоцкий. Гомель: РНИУП «Институт радиологии», 2006. - 255 с.

4. ОФС 42-0011-03. Определение содержания радионуклидов в лекарственном растительном сырье. Стронций-90 и цезий-137. Отбор проб, анализ и оценка результатов. - Введ. 16.06.2003. - Б.м., 2003. - 12 с.

5. Радиационный контроль. Стронций-90 и цезий-137. Пищевые продукты. Отбор проб, анализ и гигиеническая оценка. Методические указания МУК 2.6.1.1194-03" (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 20.02.2003).

6. Методические указания по оценке радиационной обстановки в лесном фонде Российской Федерации на стационарных участках (для части территории, загрязненной радионуклидами при аварии на Чернобыльской АЭС), утв. приказом Федеральной службы лесного хозяйства России от 21.12.1993 №337.

7. Методика выполнения гамма-спектрометрических измерений активности радионуклидов в пробах почвы и растительных материалов, утв. приказом Федеральной службы лесного хозяйства России от 05.09.1994 №192.

8. Методика организации и ведения радиационного мониторинга в лесах // Научно-техническая информация в лесном хозяйстве. Выпуск №7. - Минск: «БЕЛГИПРОЛЕС». - 2006. - 55 с.

9. Методика измерения активности радионуклидов с использованием сцинтилляционного гамма-спектрометра с программным обеспечением «Прогресс». -Менделееве: ГНМЦ "ВНИИФТРИ", 2003.

10. Гончаров, Е.А. Применение портативных спектрометров для оценки плотности загрязнения ¹³⁷Cs лесных территорий / Е.А. Гончаров, С.Г. Васин, A.M. Татарников // АНРИ - 2012. - №4 - С.45-50.

11. Лурье, А.А. Вопросы прикладной радиоэкологии лесных экосистем в постчернобыльскую эпоху / А.А. Лурье. - М.: МСХА, 2000. - 20 с.

12. Марадудин, И.И. Основы прикладной радиоэкологии леса / И.И. Марадудин, А.В. Панфилов, В.А. Шубин. - М.: ВНИИЛМ, 2001. - 224 с.

13. ОСТ 56-69-83. Пробные площади и лесоустроительный метод закладки - М.: ЦБНТИлесхоз, 1984. - 60 с.

14. Программа и методика биогеоценологических исследований. М.: Наука, 1974. - 403 с.

15. Козловский, В.Б. Определение типов лесорастительных условий / В.Б. Козловский. - М.: Лесная промышленность, 1965. - 40 с.

16. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман, Н.С. Касимов. - Москва Издательство Московского государственного университета, 1999. - 610 с.

17. Чертко, Н.К. Математические методы в географии / Н.К. Чертко, А.А. Карпиченко. - Минск: БГУ, 2008. - 202 с.