Оценка эффективности контрмер в сельском хозяйстве после аварии на ЧАЭС

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology of RAAS, Obninsk

A brief description of decision support system FORCON providing advice on agricultural countermeasure strategy on radioactive contaminated territory is presented. The comparative analysis of different strategies of countermeasures implementation in the settlement situated on the contaminated territory is given. It has been shown that implementation of the most effective countermeasures variants could provide a decrease in collective doses from the consumption of food produced in the areas affected by the radioactive contamination by about 3 times.

Рассматривая круг задач , связанных с реаби литацией территорий , подвергшихся радиоак тивному загрязнению , следует отметить , что зна чительная их часть включает в себя проблемы обеспечения рационального ведения сельского хозяйства в неблагоприятных экологических усло виях [1, 2]. Многофакторность и многовариант ность возникающих при этом задач приводят к необходимости разработки и практической реали зации методов и программных средств , обеспечи вающих информационно - аналитическую поддерж ку этих работ , включая создание компьютерных систем для анализа возможных вариантов веде ния сельскохозяйственного производства на ра диоактивно загрязненных территориях и при менения в этих условиях защитных мероприятий .

В настоящее время общая стратегия применения защитных мероприятий в загрязненных районах Российской Федерации направлена на снижение коллективной дозы от потребления содержащих радионуклиды продуктов питания [3]. Вка-честве критериев оценки эффективности контрмер, наряду с традиционно используемыми (снижение уровней загрязнения продукции), следует рассматривать предотвращенную дозу в результате применения контрмер (или экономию дозы), которая рассчитывается как разность коллективных доз облучения населения от употребления содержащих радионуклиды продуктов питания до и после применения защитных мероприятий, затраты на проведение защитных мероприятий и предотвращенная доза, нормированная на затраты.

С целью информационно - аналитического обе спечения решения выделенных выше проблем во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агро экологии использовалась компьютерная система ФОРКОН . Эта система разработана как часть Ме ждународного проекта по изучению последствий аварии на Чернобыльской АЭС совместно с На циональным Центром по радиационной защите Великобритании [4].

В рамках этой системы рассматривается сле дующая схема расчетов и представления ин формации , необходимой для организации се льскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения :

• •    Анализ радиологической обстановки и оп ределение возможных направлений использо вания мероприятий по реабилитации загрязнен ных сельхозугодий .

• •    Моделирование защитных мероприятий с учетом существующих условий . Задание сце нариев их использования . Расчеты затрат на их проведение и изменение уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции после их приме нения .

• •    Анализ эффективности различных сцена риев применения защитных мероприятий и выбор наиболее рациональных вариантов организации сельскохозяйственного производства с учетом реальности осуществления контрмер ( например , наличия необходимых ресурсов , денежных средств и т . д .)

Для обеспечения последующего выбора воз можных вариантов применения контрмер предос тавляется дополнительная информация , включая оценку потенциальных возможностей территории хозяйства с точки зрения производства продукции , удовлетворяющей требованиям радиологических стандартов , оценку эффективности применения контрмер на каждом отдельном поле , а также эф фект от размещения на нем других культур . В со вокупности эта информация позволяет опреде лить , какие действия с точки зрения организации сельского хозяйства были бы наиболее адекват ны . В качестве критериев при оценке радиоло гической обстановки и обосновании применения защитных мероприятий в системе используются :

• •    уровни , ограничивающие использование со держания сельскохозяйственной продукции с точ ки зрения содержания радионуклидов ( ВДУ );

• •    коллективная доза при употреблении про дукции до и после применения защитных ме роприятий , а также экономия дозы в результате проведения контрмер ;

• •    экономические и комбинированные пока затели ( количество и стоимость ресурсов для про ведения контрмер , экономия дозы , нормированная на стоимость мероприятий ).

На основе анализа радиологической обстано вки в хозяйстве задаются варианты организации производства и применения защитных ме роприятий . При этом для каждого варианта рас считываются показатели , соответствующие ука занным выше критериям , что позволяет в конеч ном итоге выбрать наиболее оправданные спосо бы получения нормативно - чистой продукции . Про ведение в диалоговом режиме такого рода расче тов позволяет принимать гибкие решения с учетом особенностей сложившейся ситуации , что делает систему ФОРКОН достаточно эффективным инст рументом поддержки принятия решений по орга низации сельского хозяйства в зонах радиоак тивного загрязнения . Концептуальная схема сис темы приведена на рисунке 1.

Система ФОРКОН позволяет оценивать эффект использования 12 типов контрмер. Каждый из них включает различные варианты их применения. В течение каждого года после аварии могут рассматриваться различные комбинаций контрмер. Всего в рамках системы допускается оценка эффективности более 300 различных комбинаций защитных мероприятий, отличающихся как по их стоимости, так и по эффективности, что позволяет проводить комплексный анализ широкого круга возможных решений по обеспечению ведения сельскохозяйственного производства в различные периоды времени после радиоактивного загрязнения. Каждая комбинация контрмер определена в системе как отдельный сценарий.

Для сравнительного анализа различных стра тегий применения защитных мероприятий в сель ском хозяйстве использовались данные полевого обследования территории колхоза " Авангард " Жиздринского района Калужской области , а также имеющаяся по этому хозяйству в банке данных ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агро экологии информация о характеристиках и усло виях ведения сельскохозяйственного производст ва . Ранее ( в 1991-1993 гг .) это хозяйство было базовым для отработки технологий ведения сель скохозяйственного производства в загрязненных районах Калужской области , что делает его удо бным объектом для изучения различных стратегий применения защитных мероприятий . Предвари тельный анализ имеющихся данных показал , что это хозяйство как по уровням загрязнения и поч венным характеристикам , так и по другим услови ям ведения сельскохозяйственного производства является типичным для загрязненных районов России , вследствие чего представленные в на стоящей статье результаты носят достаточно об щий характер и применимы для широкого круга ситуаций .

Сельскохозяйственные угодья колхоза " Аван гард " расположены на площади 3456 га , площадь пашни составляет 2234 га , сенокосов - 517 га , па стбищ - 705 га . Общая площадь полевого сево оборота - 1172 га , кормового - 915 га . В хозяйстве имеется молочная ферма , насчитывающая 486 коров . Почвы сельскохозяйственных угодий в ос новном дерново - подзолистые песчаные и легко суглинистые , встречаются торфяно - болотные .

Уровни загрязнения сельскохозяйственных угодий в этом хозяйстве находятся в пределах от 40 до 240 кБк / м ². Особенность ведения сельского хозяйства в колхозе “ Авангард ” состоит в том , что сельскохозяйственные угодья , используемые в качестве сенокосов и пастбищ , размещены на торфянистых почвах , характеризующихся высокой миграционной способностью в системе почва - растение . Защитные мероприятия в хозяйстве носили ограниченный характер . Начиная с 1989 года , в хозяйстве проводились агрохимические и агротехнические контрмеры : вносились в повы шенных дозах калийные удобрения и проводилось известкование почв .

Рис . 1. Концептуальная схема системы ФОРКОН .

В качестве исходного ( базового ) варианта , ис пользованного для сравнительной оценки эффек тивности возможных вариантов ведения се льскохозяйственного производства и оценки эф фективности предлагаемых мероприятий , был принят сценарий , основанный на существующей структуре использования сельскохозяйственных угодий без применения контрмер . Уровни содер жания ¹³⁷Cs в основных видах сельскохозяйствен ной продукции , производимой в хозяйстве в це лом , представлены в таблице 1. Коллективная доза от употребления этой продукции составляет 356,4 мЗв .

Агрохимические контрмеры. Для оценки эффективности применения агрохимических ме- роприятий под зерновыми культурами были выполнены расчеты для двух основных для этой зоны культур - озимой ржи и ячменя. При этом изучалась эффективность 7 возможных вариантов внесения в различных дозах минеральных удобрений, органических удобрений и известкования почв (таблица 2). При анализе результатов, представленных в таблице 2, следует отметить, что эффективность применения агрохимических мероприятий с точки зрения снижения загрязнения продукции для озимых и яровых (ячменя) культур достаточно близка. Однако по критерию предотвращенной дозы на единицу затрат эти контрмеры значительно отличаются.

Таблица 1

Содержание ¹³⁷Cs в сельскохозяйственной продукции при стандартных технологиях ,

Бк / кг (1996 г .)

Вид продукции	Содержание 137Cs в сельскохозяйственной продукции , Бк / кг ( л )
	Среднее значение	Стандартное отклонение
Озимая рожь ( зерно )	Продукция растениеводства 5,2 (671)	6
Ячмень ( зерно )	12,5 (189)	22
Картофель	9,5 (1260)	7
Грубые корма	72,3 (6590)	29
Сочные корма	14,5 (7150)	48
Зеленые корма	35,3 (8958)	75
Пастбищный период Молоко                   1	Продукция животноводства 13,5 (802)                  1	28
Мясо	32,6 (20)                   1	41
Стойловый период Молоко	4,1 (1093)	5
Мясо	10,2 (27)	8

Примечание: В скобках указано количество произведенной продукции в тоннах.

Таблица 2

Сравнительная оценка эффективности применения агрохимических мероприятий

Мероприятия	Среднее содержание 137Cs в продукции, Бк/кг	Предотвращенная доза, чел.-мЗв	Затраты, тыс. руб. (в ценах 1996 г.)	Предотвращенная доза, нормированная на затраты чел.-мЗв/млн руб.
		Ячмень (зерно)
Обычные технологии	12,5	0,0	0,0	0,0
N 80 P 120 K 160	7,0	6,3	18,5	0,34
Известь 1,5Hг + N 60 P 60 K 60	5,9	11,2	16,3	0,69
Известь 1,5Hг + N 60 P 60 K 60 + навоз 60 т/га	5,6	10,7	134,6	0,08
Известь 1,5 Hг + N 80 P 90 K 160 + навоз 60 т/га	5,0	4,3	148,4	0,03
	Озимая рожь (зерно)
Обычные технологии	5,2	0,0	0,0	0,0
N 80 P 120 K 160	3,1	8,5	50,0	0,17
Известь 1,5Hг + N 60 P 60 K 60	2,3	15,4	69,2	0,22
Известь 1,5Hг + N 60 P 60 K 60 + навоз 60 т/га	2,4	13,6	81,5	0,17
Известь 1,5Hг + N 80 P 90 K 160 + навоз 60 т/га	2,2	5,5	401,4	0,01

Наиболее эффективным комплексом, обеспечивающим максимальное снижение поступления 137Cs, является применение известкования в 1,5 норме по гидролитической кислотности в сочетании с повышенными дозами минеральных удобрений (N80Р90К120) и органических удобрений (60 т/га). В то же время, следует отметить, что внесение под озимые культуры навоза требует довольно больших затрат (около 400 млн рублей в ценах 1996 года), что приводит к необходимости комплексного подхода к оценке эффективности мероприятий. Кроме того, экономия дозы в результате применения этих контрмер, как правило, очень низка, что связано с увеличением урожайности в результате применения этих мероприятий, и, как следствие, с увеличением выноса радионуклидов с сельскохозяйственной продукцией. Близкую эффективность имеет применение известкования в сочетании с обычными или несколько повышенными дозами минеральных удобрений. Вто же время анализ дополнительных критериев (предотвращенная доза на единицу затрат составляет для 1996 г. 0,22 мЗв/млн руб.) показывает, что эта контрмера является наиболее эффективной, как с точки зрения радиологических критериев (уменьшение содержания 137Cs в продуктах и уменьшение внутреннего облучения), так и расходов.

Следует также отметить , что некоторые за щитные мероприятия могут иметь двойственный эффект . Так , применение повышенных доз мине ральных удобрений на низкоплодородных почвах , обеспечивающих достаточно хороший результат с точки зрения уменьшения загрязнения зерновых культур , может привести к увеличению коллектив ной дозы от потребления этих продуктов населе нием . Это можно объяснить тем , что увеличение дозы внесенных удобрений приводит к увеличе нию урожайности , и , в связи с этим , к увеличению количества радионуклидов , поступающих в рацион питания населения . С другой стороны , при менение известкования на кислых почвах вместе с уменьшением доступности ¹³⁷Cs для растений приводит к уменьшению содержания питательных веществ в почве и , как следствие , к уменьшению урожайности . Это показывает необходимость взвешенного подхода в принятии крупномасштаб ных решений по применению агрохимических контрмер .

Изменение структуры землепользования . Ре зультаты проведенных расчетов показывают , что изменение структуры землепользования является эффективным вариантом контрмер для рассмат риваемого хозяйства . Так , только исключение торфяных почв из числа полей , используемых для выращивания фуражных зерновых культур и вы паса животных , и их использование для выращи вания зерновых культур , характеризующихся ми нимальным накоплением радионуклида , обеспечи вает ежегодное уменьшение коллективной дозы от потребления растениеводческой и животно водческой продукции от 25 до 48%, причем со держание ¹³⁷Cs в молоке в пастбищный период может быть уменьшено более чем в 2 раза . Сле дует также подчеркнуть , что применение этой контрмеры приведет к увеличению содержания ¹³⁷Cs в зерновых культурах , что требует примене ния агрохимических контрмер . Расчеты затрат на применение контрмер такого типа носят сложный характер и не рассматривались в рамках пред ставленного анализа . В то же время можно ожи дать большего эффекта от применения этих контрмер и эффективность такой практики будет высокой в течение длительного промежутка вре мени .

Применение контрмер в кормопроизводстве и животноводстве . При оценке эффективности ме роприятий , направленных на снижение перехода радионуклидов в продукцию животноводства , рас - сматривались 9 сценариев :

• 1    - поверхностное улучшение пастбищ ;

• 2    - коренное улучшение пастбищ и сенокосов ;

• 3    - поверхностное улучшение пастбищ и се нокосов ;

• 4    - поверхностное улучшение сенокосов и па стбищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений N 60 P 90 K 120 ;

• 5    - коренное улучшение сенокосов и пастбищ ;

• 6    - коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удоб рений N 60 P 90 K 120 ;

• 7    - коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удоб рений N₆₀P₉₀K₁₂₀, известкование полей под силос ными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений N 60 P 90 K 120 ;

• 8    - применение ферроцинсодержащих пре паратов в пастбищный период , перезалужение сенокосов и известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз мине ральных удобрений ;

• 9    - коренное улучшение лугов и пастбищ с из весткованием ( по 1,5 Нг), а также внесение повы шенных доз минеральных удобрений . Известкова ние полей под силосными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений .

Проведенный анализ позволяет сделать вы вод , что наиболее эффективным , с точки зрения снижения коллективной дозы на единицу затрат , является комплекс , включающий применение ферроцина в пастбищный период , перезалужение сенокосов и известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз мине ральных удобрений . Экономия дозы для этого ва рианта достигает 117 чел .- мкЗв . Однако необхо димость постоянного применения ферроцина в течение длительного времени и определенные трудности с его закупкой приводят к необходимо сти использования более традиционных вариан тов , связанных с улучшением лугов и пастбищ . Данные , представленные в таблице 3, показыва ют , что эффективность традиционных приемов ( варианты 2-7) достаточно высока . Экономия до зы , нормированная на затраты , находится в диа пазоне от 0,4 до 0,7 мЗв / млн руб . При этом эф фект от этих контрмер будет отмечаться и в тече ние нескольких последующих лет . Наиболее эф фективными по снижению дозы являются вариан ты 6 и 7 ( коренное улучшение сенокосов и паст бищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений N ₆₀ P ₉₀ K i₂₀ и коренное улучшение сено косов и пастбищ с внесение повышенных доз ми неральных удобрений N 60 P 90 K 120 , с допо лнительным известкованием полей под сило сными культурами и внесением повышенных доз минеральных удобрений N 60 P 90 K 120 ).

Таблица 3

Уровни содержания 137Cs в продукции животноводства (Бк/кг (л)) и предотвращенные дозы для различных сценариев применения мероприятий на сенокосах, пастбищах и посевах кормовых культур

Показатели	Варианты применения защитных мероприятий
	Базовый	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Содержание 137Cs в продукции животноводства в пастбищный период
Молоко	13,5	10,4	6,6	7,2	5,9	4,2	3,9	3,9	2,6	0,8
Мясо	32,6	26,1	15,2	18,1	14,7	10,5	9,7	9,7	0,5	1,9
	Содержание 137Cs в продукции животноводства в стойловый период
Молоко	4,1	4,1	3,1	3,1	2,8	2,5	2,4	1,5	3,1	1,5
Мясо	10,2	10,2	7,8	7,8	7,1	6,2	6,1	3,7	7,1	3,7
Предотвращенная доза, мЗв	0,0	26	83	71	89	110	113	126	117	157
Стоимость ресурсов (млн руб.)	0,0	58	113	11	203	201	204	292	131	335
Предотвращенная доза на ед. затрат (мЗв/млн руб.)	-	0,7	0,6	0,4	0,5	0,6	0,4	0.9	0,5	0,47

Представленные результаты наглядно иллюст рируют существующие возможности по снижению доз облучения населения от употребления про дуктов питания , производимых на загрязненной территории . Они охватывают широкий спектр воз можных решений и показывают , что в зависимости от ситуации и экономических возможностей за щитные мероприятия могут обеспечить снижение уровней загрязнения продукции животноводства от 1,3 до 15 раз и , как следствие , снижение кол лективной дозы от 7% до 45%.

Сочетание контрмер различных типов . Мак симального снижения поступления ¹³⁷Cs в проду кцию можно добиться на основе сочетания вы деленных выше наиболее эффективных вари антов использования кормовых угодий и при менения агротехнических и агрохимических меро приятий на пахотных угодьях . Представленные выше результаты позволяют выделить несколько рациональных вариантов организации сельскохо зяйственного производства и проведения меро приятий , которые могут быть приняты в качестве оптимальных в зависимости от конкретной ситуа ции ( наличия тех или иных ресурсов , имеющихся средств и т . д .). В качестве примера организации производства , включающего все типы защитных мероприятий , описанных выше , рассмотрим сле дующий сценарий :

• •    исключение торфяных почв из числа полей , используемых для выращивания фуражных зерно вых культур и выпаса животных ;

• •    проведение известкования под зерновыми и кормовыми культурами , включая внесение мине ральных удобрений в повышенных дозах (N 70 P 90 K 140 );

• •    коренное улучшение пастбищ , пересев мно голетних трав с проведением известкования и внесением повышенных доз минеральных удобре ний .

Результаты расчетов , соответствующие этому варианту , позволяют оценить максимальную сте пень снижения поступления ¹³⁷Cs все - льскохозяйственную продукцию в совхозе " Аван гард " за счет всего комплекса рассмотренных ме роприятий в этом хозяйстве и показывают , что снижение дозовых нагрузок за счет потребления продуктов питания может достигать 65%. Наи большее снижение может быть достигнуто в про дукции животноводства ( до 5 раз ), снижение в продукции растениеводства может составить от 2 до 3 раз . Затраты на проведения этого варианта контрмер в хозяйстве составляют 499 млн рублей в ценах начала 1996 г .

Для сравнительного анализа стратегий применения контрмер рассматривались 4 сценария. В рамках первого сценария рассмотрена ситуация, при которой контрмеры не применялись, а снижение уровней загрязнения продукции и, как следствие, дозовых нагрузок на население, определялось изменением биологической доступности 137Cs в почве. Второй из них включает вариант, связанный с изменением структуры землепользования при отсутствии других защитных мероприятий, в третьем рассмотрен сценарий, включающий сочетание различных контрмер, который обеспечивает максимальный эффект от их применения. Вка-честве 4-го сценария рассматривалась реальная ситуация, сложившаяся в рассматриваемом хозяйстве после аварии на Чернобыльской АЭС. Оценка доз для этой ситуации проводилась на основе данных радиационного контроля сельскохозяйственной продукции, проводимого службами Минсельхозпрода России. Таким образом, выбранные стратегии применения защитных мероприятий охватывают широкий круг возможных ситуаций и позволяют оценить пределы возможностей человека в смягчении последствий этой аварии в сельском хозяйстве. В качестве критериев для сравнения выбранных сценариев рассматривалась предотвращенная доза и изменение содержания 137Cs в критических продуктах питания.

Результаты расчетов , представленные на ри сунке 2, показывают , что рациональное изменение структуры землепользования в хозяйстве позво ляет уменьшить коллективную дозу на 30-40%, ав результате применения защитных мероприятий коллективная доза от употребления содержащих радионуклиды продуктов питания могла быть сни жена примерно в 3 раза . Реальное снижение этой величины в 1989-1992 гг . составляло от 40 до 50% и было связано главным образом с исключением ведения выпаса животных на наиболее загрязнен ных пастбищах на торфяных почвах .

Годы

Рис . 2. Динамика изменения коллективной дозы в результате потребления продуктов питания , произведенных в хозяйстве .

Из рисунка 2 видно , что дозы , рассчитанные на основе данных радиационного контроля ( реальная ситуация ) для первого периода после аварии (1987 г .), практически равны дозам без примене ния защитных мероприятий . Это показывает , что контрмеры в рассматриваемом хозяйстве были начаты с определенным опозданием ( в 1989-1990 гг .) и имели сравнительно невысокую эффектив ность .

Полученные результаты хорошо согласуются с объемами и сроками проведения контрмер на территории России, подвергшейся загрязнению. Так, в период с 1987 по 1988 гг. защитные мероприятия в широких масштабах применялись толь- ко в наиболее загрязненных районах Брянской области, в Калужской области их внедрение началось в 1989-1990 гг. и объемы их применения были ограниченными.

Представленные на рисунке 2 данные в целом согласуются с оценками , отражающими изменение содержания ¹³⁷Cs в наиболее важных дозообра зующих продуктах . В качестве примера на рисунке 3 приведено изменение среднегодовых уровней содержания этого радионуклида в молоке . Видно , что потенциально уровни содержания ¹³⁷Cs вмо - локе могли быть снижены от 7-8 раз в первый пе риод после аварии и до 3-4 раз в 90- е годы .

Рис . 3. Динамика изменения содержания ¹³⁷Cs в молоке при различных вариантах применения защитных мероприятий .

Представленные расчеты позволяют оценить потенциально возможные варианты , связанные с несвоевременным проведением защитных меро приятий . Так , при отсутствии проведения контрмер коллективная доза за первые 10 лет после аварии на Чернобыльской АЭС составила бы 12,4 чел .- мЗв , а при интенсивном их внедрении с 1987 года 4,2 чел .- мЗв . Кроме этого оценки , сделанные на основе реальных данных , показывают , что при менение контрмер в рассматриваемом хозяйстве не было достаточно эффективным , а экономия дозы за 10 лет после аварии составила около 2 чел .- мЗв или около 25% от потенциально возмож ной .

В целом представленные примеры ясно по казывают потенциальные возможности в уме ньшении отрицательного эффекта радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий . Одно временно с этим , данные результаты подчеркива ют потребность в гибких инструментальных сред ствах для анализа долгосрочных стратегий приме нения контрмер .