способ радиоэкологического мониторинга промышленного региона

Формула изобретения

Способ радиоэкологического мониторинга промышленного региона, включающий пробоотбор атмосферного воздуха, пробоподготовку, анализ проб на содержание естественных и техногенных радионуклидов и автоматизированную обработку данных анализа, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют пробоотбор почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности, затем проводят пробоподготовку отобранных проб путем полного разложения проб высокочастотным нагревом, подготовленные пробы направляют на малофоновую установку для оценки альфа- и бета-активности, при превышении в пробе альфа- и/или бета-активности в два раза по отношению к среднему значению удельной активности пробу направляют на дополнительные анализы на альфа- и/или гамма-спектрометры, при этом определяют количественные и качественные содержания радионуклидов, а также определяют содержание трития, углерода-14 и никеля-63 на низкоэнергетическом жидкосцинтилляционном анализаторе, записывают результаты измерения в аналитическую базу данных, размещенную на файл-сервере информационно-аналитической системы, в которой в качестве базового набора инструментальных средств разработки этой системы выбран пакет MS Office, в который составной частью входит MS Access, по результатам обработки проводят оценку радиоэкологической обстановки региона на основе геоинформационной системы путем построения электронных карт полей распределения радиационных характеристик и выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов, определяя состояние радиационной обстановки на территории промышленного региона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к радиоэкологическому мониторингу промышленного региона при оценке радиационной обстановки в регионе и влияния специализированных предприятий на загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.

Известен способ оценки радиационной обстановки и реабилитации загрязненных радионуклидами территорий, включающий отбор проб из объектов природной среды, обработку проб, анализ на содержание радионуклидов, выделение и очистку радионуклидов, методы их определения [1]. Вместе с тем, известна радиоэкологическая геоинформационная система, состоящая из банка данных и информационной системы, с помощью которой оценивают радиационную обстановку путем определения уровней загрязнения радионуклидами района обследования [2] .

Наиболее близким к предлагаемому является способ радиационного мониторинга окружающей среды в районе объекта, содержащего радиоактивные вещества. Способ осуществляют путем отбора проб из объектов природной среды обработки проб, анализа их на содержание радионуклидов, автоматизированной обработки аналитических данных и построения карт [3].

Однако известные способы не обеспечивают регулярного контроля и достоверной оценки интегральной радиационной нагрузки на объекты окружающей среды, не учитывают глобальный перенос радиоактивных веществ и степень накопления их в природных средах, что не позволяет в динамическом режиме получить необходимую информацию о состоянии окружающей среды и загрязнениях радионуклидами территории промышленного региона.

С целью повышения достоверности оценки и контроля радиоактивных загрязнений в регионе с плотной промышленной застройкой и сложным рельефом предлагается данный способ радиоэкологического мониторинга промышленного региона. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что наряду с пробоотбором атмосферного воздуха дополнительно осуществляют пробоотбор почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности. Затем проводят пробоподготовку отобранных проб путем полного разложения проб высокочастотным нагревом, радиохимического выделения и электролитического осаждения радионуклидов. Подготовленные пробы направляют на малофоновую установку для оценки альфа- и бета-активности. При превышении в пробе альфа- и/или бета-активности в два раза по отношению к среднему значению удельной активности пробу направляют на дополнительные анализы на альфа- или гамма-спектрометры, определяя количественные и качественные содержания естественных и техногенных радионуклидов. Кроме того, определяют содержание трития, углерода-14 и никеля-63 на низкоэнергетическом жидко-сцинтилляционном анализаторе. Результаты измерений записывают в аналитическую базу данных, размещенную на файл-сервере информационно-аналитической системы, в которой в качестве базового набора инструментальных средств разработки этой системы выбран пакет МS Office, в которую составной частью входит МS Access. По результатам обработки проводят оценку радиоэкологической обстановки региона на основе геоинформационной системы путем построения электронных карт полей распределения радиационных характеристик и выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов, определяя состояние радиационной обстановки на территории промышленного региона.

Промышленная деятельность предприятий, использующих или вырабатывающих радиоактивные материалы, приводит к изменению в окружающей среде, обусловленному постоянным поступлением в нее целого ряда характерных радионуклидов, их накоплением их и миграцией. Особый характер изменения радиационной обстановки происходит на территории региона, где расположены десятки и сотни промышленных предприятий, осуществляющих выбросы радиоактивных отходов в окружающую среду. Поэтому территорию промышленного региона надо рассматривать как зону наблюдения предприятий, использующих радиоактивные вещества.

Для своевременного выявления изменения радиационной обстановки, определения тенденции изменения окружающей среды, дозиметрической нагрузки на население и возможных последствий для объектов природной среды разработан данный способ радиоэкологического мониторинга региона, существо которого заключается в следующем.

Радиоэкологический мониторинг региона проводят на некоторой сети наблюдения, содержащей n узлов, в каждом из которых осуществляется отбор N элементов окружающей среды, результаты анализа которых представляют собой некий информационный слой, оперирующий с объемом информации I₂. Пусть для приведенных обозначений выполняются следующие соотношения:



где Т_i - периодичность отбора проб для i элемента окружающей среды;

К_i1 - коэффициент, учитывающий справочную и вспомогательную информацию.

В регионе существуют L объектов в виде предприятий и организаций, использующие радионуклиды в своей деятельности. Пусть каждый i объект обладает l_i радиоактивными источниками. Для данных обозначений справедливо соотношение



где К_i2 - коэффициент, учитывающий справочную и вспомогательную информацию для данного слоя.

В регионе функционирует система автоматизированного сбора радиационной информации, состоящая из m датчиков, каждый из которых проводит измерение М параметров. Пусть периодичность опроса каждого датчика по i параметру Т_i, тогда объем данных I₃ для такого слоя будем оценивать из соотношения



Для осуществления природоохранной деятельности в регионе размещен пункт захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО), на котором функционирует технологическая схема переработки и захоронения J типов радиоактивных отходов. Объем сведений I₄ для системы захоронения можно получить, используя зависимость



Каждая база содержит информацию по своему направлению, которая отображается на картографической подложке определенного масштаба и степени детализации. Каждая база имеет удаленные пользователи, которых может быть s. Каждый удаленный пользователь поставляет в информационный слой r записей и получает доступ к информации в объеме R записей.

Имеется S привилегированных пользователей, в виде региональных органов надзора, осуществляющих периодический контроль в объеме q записей. Существует W подобных региональных и национальных центров, образующих единое информационное пространство в области радиоэкологического мониторинга с объемом информации G.

Будем считать, что в предметной области регионального радиоэкологического мониторинга (РЭМ) для принятых обозначений выполняется комплекс следующих соотношений:



где z - число информационных блоков в каждой региональной системе.

Схематическое отображение предметной области региональной системы радиоэкологического мониторинга, удовлетворяющее условиям в выражении (5), приведено на фиг.1. Зоны, отмеченные окружностями, относятся к стационарным постам радиационного контроля (СПРК).

Такое содержание предметной области региональной системы РЭМ характерно для любого региона России, на территории которого расположены предприятия и организации, использующие радиоактивные материалы в своей деятельности.

Способ может быть использован в любых географических условиях умеренно-континентального климата на территории любого промышленного города с учетом местных особенностей ландшафта при опробовании различных природных сред. Пробы отбирают из следующих природных сред: атмосферный воздух, атмосферные осадки и сухие выпадения, снеговой покров, почвы, донные отложения, растительность, поверхностные, грунтовые и подземные воды.

Пробоотбор атмосферного воздуха проводят в стационарных точках (постах) в течение всего года, один раз в неделю при нормальном режиме. В аварийном режиме пробоотбор осуществляют с любой технически доступной частотой в зависимости от скорости ветра.

Пробоотбор атмосферных осадков и сухих выпадений осуществляют в стационарных точках с периодичностью один раз в 10 дней при нормальном режиме. В аварийном режиме периодичность пробоотбора зависит от переноса воздушных масс.

Пробоотбор снегового покрова проводят в конце сезона снегостояния.

Пробоотбор почв и техногенного грунта проводят один-два раза в год, в основном в переходные сезоны - весной и осенью.

Пробоотбор донных отложений в стационарных точках проводят в течение всего года один раз в месяц, в режимной сети - один раз в год в летнюю межень. В аномальном режиме частота пробоотбора зависит от уровня и характера радиационного загрязнения.

Отбор проб поверхностных вод осуществляют в период паводка и летнюю межень. В стационарных точках в течение всего года с периодичностью один раз в месяц при нормальном режиме. В аварийном режиме частота пробоотбора зависит от уровня и характера радиационного загрязнения. В режимной сети - два раза в год, в период паводка и летнюю межень.

Отбор проб грунтовых и подземных вод проводят при наличии захоронения радиоактивных отходов на территории промгорода с периодичностью один раз в год или в зависимости от уровня радиоактивного загрязнения и скорости миграционных процессов.

Отбор проб растительности осуществляют в конце вегетационного периода.

Сеть пробоотбора зависит от площади контролируемой территории промышленного города или региона. Региональный масштаб 1:500000; 1:200000. Территориальный (районный) 1:50000; 1:20000. Детальный (локальный) 1:2000; 1:100.

При региональном масштабе работ проводят аэрогамма-съемку с использованием средств малой авиации. На основе мотодельтаплана разработан измерительный комплекс, позволяющий регистрировать территории с повышенным содержанием радионуклидов. Детальный анализ территории на выявленных аномальных участках проводят с помощью носимых и наземных мобильных средств.

На территории промышленного города и основных автомагистралях проводят авто-гамма спектрометрическую съемку (АГС), задачами которой являются: регулярный контроль радиационного фона на фиксированных маршрутах, обнаружение очагов радиоактивного загрязнения и контроль маршрутов вывоза радиоактивных отходов.

Радиационный гамма-фон (РГФ) измеряют круглосуточно, ежечасно по стационарной режимной сети. Информацию о РГФ передают периодически на центральный пост и в органы городского управления и защиты населения.

Кроме того. РГФ измеряют в каждой из проб, отобранной из вышеперечисленных природных сред, а также на территории промышленных, научных, жилищно-коммунальных и других подобных объектах городской инфраструктуры.

На городских стационарных постах (ГСП) осуществляют контроль за состоянием радиационного фона, радиоактивности атмосферного воздуха и атмосферных осадков.

Стационарные посты радиационного контроля удалены от промышленного города на расстояние 70-100 км в направление основного переноса воздушных масс. Отбор проб на них осуществляют из тех же природных сред, что и в промгороде.

Отобранные пробы анализируют на содержание естественных радионуклидов (уран, торий, калий-40 и др.), техногенных радионуклидов (цезий-134, цезий-137, стронций-90, радий-226 и др.).

Минимально детектируемая активность (МДА) для некоторых нуклидов при проведении разных видов и условий лабораторных анализов приведена в таблице.

Анализ величин минимально детектируемых активностей, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод о гарантируемом выполнении нормативных документов, регламентирующих содержание радионуклидов в компонентах окружающей среды, таких как НРБ-96 и "Уровни контроля за содержанием радионуклидов в окружающей среде г.Москвы". Применяемое аналитическое оборудование позволяет проводить измерения содержания радионуклидов в компонентах окружающей среды на уровне естественных фоновых значений, например, фоновое содержание Сs-137 в донных отложениях составляет величину порядка 7,5 Бк/кг (с. 12 "Уровни контроля за содержанием радионуклидов в окружающей среде г.Москвы", N 11 от 19.12.95, М., 1995).

Подготовка отобранных проб для их дальнейшего радиометрического и спектрометрического анализа происходит в радиохимической лаборатории.

Для количественного определения удельной активности изотопов урана-234, 238 и изотопов плутония-239, 240, 238, 242 в почвенных пробах используется предварительная радиохимическая подготовка проб, которая включает в себя следующие процессы: предварительное разложение твердых проб, которое осуществляется в микроволновой печи марки MLS 1200 MEGA; выделение радионуклидов из проб; электролитическое осаждение радионуклидов.

На основе технологии с высокочастотным нагревом проводят полное разложение исследуемых проб, используя микроволновую печь.

Пробы измеряют относительно образцовых альфа- и бета-источников с содержанием нуклидов, геометрией и плотностью, близкой к измеряемому образцу. К таким радиометрам относятся наиболее распространенные альфа- и бета-установки с разными техническими характеристиками типа КРК-1, NRR-610, НТ-1000.

Для всех контролируемых объектов определяются средние за данный период величины: средняя концентрация радиоактивности аэрозолей в воздухе, средняя объемная радиоактивность воды и донных отложений, средняя удельная радиоактивность почвы, средняя удельная радиоактивность растительности.

Средняя удельная активность исследуемой пробы определяется как среднее арифметическое значение трех ее независимых измерений.

При превышении в пробе альфа- и/или бета-активности в 2 раза по отношению к среднему значению удельной активности эту пробу направляют на дополнительный анализ на радиохимическое выделение альфа-нуклидов с последующим измерением на альфа-спектрометрическом или на гамма-спектрометрическом комплексах.

При спектрометрическом определении радионуклидного состава проб используются различные спектрометры с полупроводниковыми германиевыми детекторами. Разрешающая способность детектора в зависимости от энергии регистрации изменяется от 1,2 до 2,6 КэВ, что позволяет анализировать пробы с низким содержанием активности и разрешением пиков с близкими энергиями.

Диапазон гамма- и рентгеновского спектрометра позволяет определять энергии гамма-квантов от 1,0 КэВ до 3,0 МэВ и выше, в этот диапазон входят излучения гамма-квантов исследуемых радионуклидов.

При анализе альфа-нуклидов: урана, тория, плутония, полония подготовленные пробы отправляются на полупроводниковый альфа-спектрометр, где определяются количественные и качественные характеристики анализируемой пробы.

Определение содержания трития, углерода-14 и никеля-63 в твердых и жидких пробах осуществляют на низкоэнергетическом жидко-сцинтилляционном анализаторе.

Программное обеспечение для спектрометрических и радиометрических установок позволяет включить их в единый комплекс радиоэкологического мониторинга. Установки представляют собой электронно-физические приборы, которые могут работать как автономно, так и в информационно-аналитической системе.

Запись результатов измерений в аналитическую базу данных осуществляют на файл-сервере информационно-аналитической системы. В качестве базового набора инструментальных средств разработки информационной системы выбран пакет MS Office, адаптированный для решения аналитических задач, в том числе пробоподготовки, измерения альфа-, бета-,гамма-спектров проб и обработки результатов измерений. Составной частью МS Office является система управления базами данных (СУБД) МS Access. СУБД Access включает в себя основные элементы в виде таблиц, форм, запросов, макросов и процедур. МS Access работает в режиме коллективного доступа к базам данных различных форматов и является средством для хранения данных на серверах локальной сети, в которую подключены различные аналитические установки.

Данные измерений, хранящиеся в таблицах файл-сервера, извлекаются с помощью запросов и отображаются на основе использования форм с выводом информации на экран. Для выполнения вычислений или преобразования данных анализов используют встроенные функции или функции, написанные в Access Basic.

Для доступа к информации на файл-сервере используют автоматизированные рабочие места в виде форм различных технологических звеньев радиоэкологического мониторинга. Их использование на основе коллективного доступа позволяет выполнять задачи по вводу, редактированию и анализу данных, связанных с радиоэкологическим мониторингом местности.

Использование пакета Microsoft Office позволяет решать широкий спектр задач обеспечения радиоэкологического мониторинга и вокруг него. Однако в пакете Microsoft Office не представлены возможности работы с таким неотъемлемым элементом радиоэкологического мониторинга, как картография.

Для создания возможности работы с картографическими объектами в составе геоинформационной системы (ГИС) были использованы встроенные функции объектно-ориентированного программирования на основе применения МS Windows API, Borland OWL 2.0, а также инструментальные VBX-библиотеки, входящие в состав Borland Visual Solution Pack 1.0.

Программное обеспечение позволяет манипулировать данными радиоэкологического мониторинга в контексте географической карты. Файл конфигурации обеспечивает доступ к набору карт, объединенных общей системой координат. В диалоге пользователь выбирает нужную ему карту и определяет область, которая будет загружена в память ЭВМ.

Оценку радиоэкологической обстановки региона проводят на основе ГИС путем построения электронных карт полей распределения радиационных характеристик. Анализ карт проводится для выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов на территории региона. Анализируя результаты мониторинга по отдельным наиболее загрязненным зонам региона, выделяют участки для более детального обследования их и информируют органы региональной администрации о состоянии радиационной обстановки с предложениями организационных мероприятий по их реабилитации.

Кроме того, по полученной информации судят о региональном состоянии природных сред и передают информацию в единый центр.

В случае возникновения аварии межрегионального уровня по информации с РСП возможно определить направление развития радиационной обстановки.

Основным преимуществом предложенного способа является достоверное выявление зон загрязнений радионуклидами территории региона. Кроме того, при составлении электронных карт различных масштабов региона, подготовленных за определенный период наблюдений, можно судить о динамике и тенденциях изменения радиационной обстановки, определить источники радиоактивного загрязнения, дать прогноз миграции радионуклидов.

Пример. Радиоэкологический мониторинг на территории Московского региона осуществляют следующим образом.

Проводят пробоотбор атмосферного воздуха, атмосферных осадков и сухих выпадений, снегового покрова, почв и техногенного грунта, донных отложений, поверхностных, грунтовых и подземных вод, а также и растительности.

Масштаб пробоотбора выбран 1: 200000 в целом для региона и 1:2000 для детализации аномальных зон.

Радиационный гамма-фон измеряют периодически по стационарной режимной сети. На территории региона и основных маршрутах транспортировки радиоактивных отходов проводят авто-гамма- спектрометрическую съемку.

На городских стационарных постах осуществляют контроль за состоянием радиационного фона, радиоактивности атмосферного воздуха и атмосферных осадков.

На стационарных постах радиационного контроля региона отбор проб осуществляют из вышеперечисленных природных сред.

Для количественного определения удельной активности радионуклидов проводят радиохимическую подготовку проб путем предварительного разложения высокочастотным нагревом, выделения радионуклидов из проб и электролитическим осаждением радионуклидов.

Для оценки альфа- и бета-активности пробы направляются на радиометрические измерения. При превышении в пробах альфа- и/или бета-активности в 2 раза по отношению к среднему значению удельной активности эти пробы направляют на дополнительный альфа-спектрометрический и/или гамма-спектрометрический анализ.

Определение содержания трития и углерода-14 в пробах осуществляют на низкоэнергетическом жидко-сцинтилляционном анализаторе.

Результаты измерений поступают в базу данных информационно-аналитической системы, работающей в режиме коллективного доступа.

Данные измерений, хранящиеся в таблицах, извлекаются с помощью запросов и отображаются на основе использования форм. Вид форм базы данных для гамма-спектрометрических измерений представлен на фиг.2а, а форма для альфа-спектрометрических измерений - на фиг.2б.

Радиоэкологическую обстановку региона оценивают путем анализа электронных карт полей распределения радиационных характеристик. Анализ карт проводят для выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов на территории региона, выделяют участки для более детального обследования, и информируют администрацию о состоянии радиационной обстановки с предложениями организационных мероприятий по их реабилитации.

Вид поля распределения осредненных нормированных к контрольному уровню показателей радиоактивного загрязнения почвы показан на фиг.3, где уровни показателя получены путем деления эффективной удельной активности грунта к контрольному уровню, равному 200 Бк/кг.

В результате проведения радиоэкологического мониторинга Московского региона определены радиационные характеристики объектов окружающей среды, прослежена их динамика, составлены электронные карты региона в целом и его отдельных районов.

Учитывая, что Московский регион находится в условиях интенсивного антропогенного воздействия, выполнены работы по составлению радиационных характеристик объектов окружающей среды региона.

Полученная информация дала возможность провести радиоэкологическое районирование территории Московского региона и составить радиоэкологические карты районов.

Региональные наблюдения сочетаются с получением оперативной информации на стационарных постах радиационного контроля и пунктах автоматизированного измерения радиационного фона.

Информация, полученная по рассмотренной схеме, отличается широтой охвата на уровнях всего региона, необходимой степенью детальности, объективностью и является итоговой для принятия эффективных управленческих решений.

Основным преимуществом предложенного способа является достоверное выявление зон загрязнений радионуклидами территории региона. Кроме того, при составлении электронных карт различных масштабов региона, подготовленных за определенный период наблюдений, можно судить о динамике и тенденциях изменения радиационной обстановки, определить источники радиоактивного загрязнения, на основе многофакторного анализа радиационных характеристик с оценкой как текущего состояния, так и прогноза ситуации путем моделирования различных сценариев поведения радиационной обстановки в будущем, что в конечном счете позволяет значительно снизить риск облучения населения региона и предотвратить радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Таким образом проведение работ в области радиоэкологического мониторинга крупного промышленного региона на современном уровне ведется с применением комплекса технических и организационных мер, с использованием новейшего электронно-физического оборудования для измерения содержания радионуклидов в различных компонентах окружающей среды и комплекса аппаратно-программных средств, позволяющих оперировать с большими массивами разнообразной информации.