Радиоэкологическое моделирование удельных объёмных активностей 131I и 137Cs в атмосфере загрязнённых областей России после аварии на ЧАЭС

Первая работа, посвящённая радиоэкологическому моделированию динамики транспорта радионуклидов 131I и 137Cs в год аварии на ЧАЭС на территории России с использованием динамической имитационной модели [1], была опубликована в 2015 г. [2]. В ней использовалась база данных [3] о плотностях выпадений 137Cs в населённых пунктах (НП), метеоданные об осадках в период выпадений и среднерайонные нормативные данные [4]:

• •    отношения плотностей выпадений ¹³¹I/¹³⁷Cs на 20.05.1986 г.;

• •    время начала и окончания однократных выпадений радиоактивных продуктов аварии на ЧАЭС (среднее время выпадений около 1 сут).

В работе [2] принималось, что отношения активностей 131I к 137Cs в атмосфере из-за отсутствия литературных данных были такими же, как отношения плотностей выпадений 131I/137Cs. Плотности выпадений 131I рассчитывали для величин долей форм газообразной, аэрозольной и органической формы, равных 0,15; 0,7 и 0,15 соответственно. Приводятся также технология и результаты реконструкции среднерайонных удельных объёмных активностей 131I и 137Cs в атмосфере и эффективных осадков (при отсутствии метеоданных) в НП в период радиоактивных выпадений продуктов аварии на ЧАЭС.

Власов О.К.* – зав. лаб., д.т.н.; Щукина Н.В. – ст. науч. сотр., Кочергина Е.В. – зав. лаб., к.м.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России.

По результатам работы [2] была создана база взаимно согласованных радиоэкологических данных для всех 13542 НП Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей:

• •    среднерайонные за период выпадений удельные объёмные активности ¹³¹I и ¹³⁷Cs в атмосфере;

• •    эффективные осадки в НП за период выпадений;

• •    плотности выпадений ¹³¹I и ¹³⁷Cs в НП.

К сожалению, в работе [2] не были проведены расчёты плотностей выпадений 131I по результатам реконструкции его удельных объёмных активностей в атмосфере. Настоящая работа является её продолжением и развитием путём использования базы данных «йодной» группы «Варшавского» и «Пражского» сценариев о динамике активностей 137Cs, 131I и форм его существования в атмосфере проекта МАГАТЭ EMRAS [5]. По результатам отчёта МАГАТЭ [5] была опубликована серия статей [6-13], последовательно излагающих результаты реконструкции, верификации и оценок достоверности динамики транспорта радионуклидов 137Cs и 131I по пищевой цепочке в центральных частях Мазовии и Богемии: атмосфера – выпадения на местность и растительность, метаболизм в организме молочного скота – активность молока.

Результаты выполненных исследований показали, что радиоэкологическая модель [1] обладает вполне удовлетворительными свойствами как динамическими при моделировании динамики транспорта радионуклидов 137Cs и 131I по трофической цепочке, так и интегральными при описании зависимостей этой динамики от местных условий, определяющих эту динамику. Так, среднегеометрические значения отношений расчётных данных к инструментальным данным активностей 131I в молоке в среднем по 13 молочным фермам центральной части Мазовии во всём временном диапазоне его измерений равны 1,1-1,3, в областях её максимальных значений – 1,4-2,1, стандартные отклонения – 1,7-1,9.

Основная особенность базы инструментальных данных по параметрам активностей 131I и 137Cs в атмосфере проекта МАГАТЭ – это продолжительные многократные измерения в течение 1-2 мес. в ограниченном числе мест измерений (10-20). Удельные активности 131I и 137Cs в атмосфере загрязнённых областей России не измеряли, за одним исключением – измерения проводили в июле-августе 1986 г. над развалом активной зоны 4 блока ЧАЭС [14].

В методических указаниях [4] для всех районов 4-х самых загрязнённых областей России – Брянской, Калужской, Орловской и Тульской – приведены отношения плотностей выпадений 131I/137Cs. База данных Национального радиационно-эпидемиологического регистра (НРЭР) содержит данные плотностей выпадений 137Cs и 131I на 20.05.1986 г. для всех НП этих областей.

С учётом этих обстоятельств представлялось целесообразным использовать базу данных измерений параметров активностей 137Cs и 131I в атмосфере для достижения цели данной работы [5]. Цель исследования – создание взаимно согласованной базы радиоэкологических данных в НП для оценок доз внутреннего облучения населения в загрязнённых областях России в год аварии на ЧАЭС по динамической имитационной модели.

Материалы и методы

В настоящей работе производили сценарные расчёты с использованием следующих вариантов данных относительных долей форм существования 131I в атмосфере (табл. 1).

Таблица 1

Сценарные варианты долей форм существования 131I в атмосфере

Параметр	Вариант данных относительных форм существования 131I в атмосфере
	1	2	3	4	5
Время после аварии, сут	2,4-6,0	3,2-6,0	2,9-4,4	2,9-4,4	2,9-4,4
SI gas	0,36	0,36	0,24	0,12	0,15
Si aer	0,55	0,23	0,7	0,85	0,7
SI org	0,09	0,41	0,06	0,03	0,15

Примечание: 1 - «Варшавский» сценарий; 2 - «Пражский» сценарий; 3 - 3I aer =0,7; 4 - 3I aer =0,85; 5 - параметры расчёта из работы [2].

Расчёт SI gas (относительная доля газообразного ¹³¹1) и Si org (относительная доля органического ¹³¹I) в вариантах данных относительных долей форм существования ¹³¹I в атмосфере (3 и 4 в табл. 1) производили по соотношениям (1):

fU      ^Wars

S l gas+org = (1 — S l aer ) = 0,45; ——— = wars = 0,25 ; S l gas =0,75 xS I gas+org ; S org =0,25 x3 l gas+org ,    (1)

f‘gas   f*gas где 3Iorg - относительная доля органического 1311 в атмосфере; Slgas - относительная доля газообразного 131I; Slaer - относительная доля аэрозольного 131I.

Величину ff^£r— оценивали по данным «Варшавского» сценария с прямыми измерениями f^gas форм 131I в атмосфере в г. Варшаве (рис. 1).

Рис. 1. Динамика относительных долей форм ¹³¹I в атмосфере по данным прямых измерений, «Варшавский» сценарий.

Как следует из данных на рис. 1 и табл. 2, величина S org / S I gas в интервале времени 2,5-10 сут после аварии практически не зависит от времени измерения активности органической и газообразной форм ¹³¹I со средним значением и стандартным отклонением, равными 0,37±0,1.

Таблица 2

Отношения относительных долей δIorg/δIgas в «Варшавском» сценарии

	Время выпадений, сут
	2,4-6,0	6,0-10	2,4-10
δI org /δI gas Среднее значение δI org /δI gas	0,36	0,4	0,44
	0,4±0,08

На первом этапе исследований настоящей работы из эталонной базы файлов НП [3] был скомпилирован эталонный файл радиоэкологической информации НП Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей (табл. 3).

Таблица 3

Структура входного файла данных

1*	2*	3*	4*	5*	6*	7**	8***
TersonNP	TersonRN	minCsRN, кБк/м2	minIodRN, кБк/м2	CsNP, кБк/м2	IodNP, кБк/м2	Rain, мм/сут	База EMRAS

Примечание: * – база данных НРЭР о плотностях выпадений ¹³⁷ Cs во всех 13157 НП 4-х областей; NP – населённый пункт; RN – район; ** – данные ВНИИГМИ МЦД о динамике осадков за период апрель-май 1986 г. на 36 метеостанциях и 68 метеопостах 4-х областей; *** – база данных EMRAS активностей ¹³⁷ Cs, ¹³¹ I и относительных долей форм его в атмосфере [6]; TersonNP – код НП; TersonRN – код района; minCsRN – минимальная плотность выпадений ¹³⁷ Cs в районе; minIodRN – минимальная плотность выпадений ¹³¹ I в районе; CsNP – плотность выпадений ¹³⁷ Cs в НП; IodNP – плотность выпадений ¹³¹ I в НП; Rain – осадки.

Расчёты выполняли по имитационной агроэкологической дифференциальной модели [1], верифицированной в ходе выполнения проекта EMRAS [6] и серии статей [7-13]. С учётом того, что максимальные размеры районов во всех 4-х областях не превышают несколько десятков километров и малы по сравнению с расстояниями от ЧАЭС, как и в работах [2, 6], используется предположение об однородности распределений продуктов аварии в атмосфере над всеми районами этих областей. Из-за отсутствия литературных данных о районированных параметрах активностей 137Cs и 131I в атмосфере над территорией 4-х областей их значения задавали сценарно (табл. 4) и корректировали последовательно в ходе взаимного согласования базы радиоэкологических данных: атмосфера – выпадения – эффективные осадки.

Объёмные удельные активности 131I и 137Cs в атмосфере реконструировали по двум моделям облака.

Модель облака 1. Удельные объёмные активности 131I и 137Cs в атмосфере над НП с ме- теоданными об осадках реконструировали по трём параметрам входного файла НП поля: CsNP, IodNP, Rain (табл. 3) и соотношениям (2):

О Г* (П =----=-----OL--------; ОТРО) =       ^ас^-,

'         Odep^l^Fl.kArfk +Rdep(ty*WIk)    CS V J   (vCS +Rdep(t)xWk')xedep где 8i и 8cs - плотность выпадений 1311 и 137Cs соответственно, кБк/м2; a, = aCs x 8i/Cs, здесь 8^, – среднерайонное отношение плотностей выпадений 131I к 137Cs; θdep – продолжительность выпадений, сут; O'et и OcS? — средние за период выпадений объёмные активности 1311 и 137Cs в облаке соответственно, кБк/м3; FI,k – средние за период выпадений относительные доли форм существования 131I в атмосфере (к=1 – газообразная, к=2 – аэрозольная и к=3 – органическая), их значения задавали сценарно; v^ - эффективные скорости осаждения на почву газообразной, аэрозольной и органической форм 1311 в атмосфере, равные 2; 0,2; 0,02 мм/с соответственно [6]; vdS - эффективная скорость осаждения 137Cs на почву, равная скорости осаждения аэрозольной формы 131I 0,2 мм/сек; Rdep - осадки, мм/сут; w£ - коэффициент объёмного вымывания йода трёх форм его существования из атмосферы дождём, равный отношению объёмных активностей радионуклида в дождевой воде и воздухе 2x105 - для газообразной формы 131I, 1x105 - для аэрозольной и 1x104 - для органической формы, для 137Cs - 1x105 [7].

Модель облака 2. Средние удельные объёмные активности ¹³¹I и ¹³⁷Cs в атмосфере над районами реконструировали по двум параметрам входного файла НП minCsRN и minIodRN (табл. 3) и соотношениям (3) в предположении, что они были обусловлены «сухими» выпадениями: dry_(t.          ^ O^dry(t}

• ^{4l W}   e d^^ F ,*^   ^W   v d _s ^_ер .                             (3)

В начале были проведены расчёты плотностей выпадений 131I в НП с удельными активностями в атмосфере, полученными в предположении, как в работе [2], что отношения активностей 131I/137Cs в атмосфере равны их эталонным значениям в плотностях выпадений, пересчитанным ко времени начала выпадений [3]. Сопоставление расчётов по обеим моделям облака в виде диаграмм их рассеивания приведено на рис. 2.

liRiin - 1.64 pDry - 2.42   и Raia - 1.33   о Dry * 1

n.ioiHocib выпадения (4 137. кБк/м'2

выпадения, халой ооо облако, модель 2," супе" выпадения

□□□ облако, модель 1. выпадения с осадками аал ("сухие" выпадения, расчет) минимальные плотности в районах

ООО (выпадения с осадками по метеоданным). расчет/ эталон --- интерполяция

Рис. 2. Зависимости отношений удельных активностей ¹³¹I к ¹³⁷Cs в атмосфере (левая ось Y) и отношений расчётных плотностей выпадений ¹³¹I к их эталонным значениям (правая ось Y) от плотностей выпадений ¹³⁷Cs в НП; ц и а - среднее значение и стандартное отклонение; dry и rain – «сухие» выпадения и выпадения с осадками.

Как можно видеть из данных на рис. 2, расчётные плотности выпадений 131I больше эталонных значений в 2,4 раза при выпадениях с осадками и в 1,6 раза больше эталонных значений при «сухих» выпадениях. Поэтому в настоящей работе реконструкцию объёмных активностей 131I и 137Cs в атмосфере производили по модели облака 1 с плотностями его выпадений в НП из эталонной базы данных [3]. При этом равенство расчётных и эталонных плотностей выпадений сохранялось автоматически.

Результаты

На первом этапе создания базы взаимно согласованных радиоэкологических данных сначала из файла входных данных НП (табл. 3) была сделана выборка из всех 104 районов – 72 района с метеоданными об осадках. Затем по соотношениям (2) для всех НП в этих районах и (3) для всех районов было рассчитано 2 набора данных удельных активностей ¹³¹I в атмосфере - Q^ и Q^ (рис. 3). В районах с несколькими НП с метеоданными рассчитывали их среднерай-

Рис. 3. Диаграмма рассеивания среднерайонных удельных объёмных активностей ¹³⁷Cs (а) и ¹³¹I (б) в атмосфере по двум моделям облака: ось Х – модель 1 (выпадения с осадками); ось У – модель 2 («сухие» выпадения).

Slope – угловой коэффициент регрессионных зависимостей, при полном совпадении результатов равен 1; µ, σ – среднегеометрические значения и стандартные отклонения отношений (модель 2)/(модель 1) соответственно для 137Cs и 131I.

На рис. 3 показано практически полное, с точностью до 10%, совпадение результатов расчётов объёмных активностей 137Cs и 131I в атмосфере над районами по обеим моделям. Это свидетельствует о вполне удовлетворительном согласии расчётных значений с базой данных осадков и плотностей выпадений 137Cs и 131I.

На втором этапе для варианта «Варшавского» сценария форм существования 131I в атмосфере (табл. 2) по обеим моделям сначала производили прямые и перекрестные расчёты плотностей выпадений 137Cs и 131I по соотношениям (2) и (3), преобразованных к виду для расчётов плотностей выпадений по объёмным удельным активностям 137Cs и 131I в атмосфере. Затем строили диаграммы рассеивания для минимальных плотностей выпадений 137Cs и 131I в районах (рис. 4) и для плотностей их выпадений в НП с метеоданными 131I (рис. 5).

Данные диаграмм рассеивания, реконструированные по усреднённым по обеим моделям облака плотностей выпадений 137Cs и 131I в НП (рис. 4), и их минимальные плотности выпадений в районах (рис. 5) показывают их вполне удовлетворительное согласие с эталонными данными, с размахами средних значений отношений в 0,97-1,3 и стандартных отклонений в 1,7-2,3 раза.

Результаты оценок влияния форм 131I в атмосфере на результаты реконструкции его удельных объёмных активностей в атмосфере и плотностей выпадений для всех вариантов форм йода приведены на рис. 6 и в табл. 4.

a

s

а

plod = 1.3

clod = 1.7

Slopelod = 1

К

a

$

б

Рис. 4. Диаграмма рассеивания плотностей выпадений ¹³⁷Cs (а) и ¹³¹I (б); ось Х – минимальные выпадения в районах, ось Y – реконструкция.

а

Плотность выпадения IA131 в НП. кБк/мЛ2

ла а реконструкцияя

---эталон

-■-■ регрессия

б

Рис. 5. Диаграмма рассеивания плотностей выпадений ¹³⁷Cs (а) и ¹³¹I (б) в НП; ось Х – минимальные выпадения, ось Y – реконструкция.

Код формы Г 131. С*-5

Рис. 6. Зависимости отношений расчётных удельных объёмных активностей ¹³¹I и ¹³⁷Cs в атмосфере по модели 1 к модели 2 от форм йода в атмосфере.

Коды форм 131I соответствуют сценарным вариантам: 1 – «Варшавский» сценарий;

2 – «Пражский» сценарий; 3 – δI aer =0,7; 4 – δI aer =0,85; 5 – Cs.

Таблица 4

Отношения расчётных плотностей выпадений к их величинам в «эталонной» базе для 137Cs и 131I (для сценарных вариантов форм йода в атмосфере)

Выпадения	Вариант формы существования 131I в атмосфере
	1                          1	2              1	3               1	4
	среднее значение/стандартное отклонение 137Cs
«Сухие» выпадения Выпадения с осадками «Сухие» выпадения Выпадения с осадками	1,16/1,72 1,13/2,31
	среднее значение/стандартное отклонение 131I
	1,49/1,81 0,87/1,76	1,55/1,82 0,85/1,7	1,43/1,79 0,9/1,84	1,33/1,77 0,97/1,98

Примечание: 1 – «Варшавский» сценарий 2 – «Пражский» сценарий; 3 – δI aer =0,7; 4 – δI aer =0,85.

Полученные данные показывают сравнительно слабую зависимость как активностей 131I в атмосфере в пределах 1.3-1,7, так и его плотностей выпадений. Данные табл. 4 для варианта «Пражского» сценария показывают наихудшее согласие расчётных данных с их эталонными значениями.

Величины среднеобластных отношений расчётных плотностей выпадений 137Cs и 131I к эталонным данным [3] по моделям облака 1 и 2 практически одинаковы, с точностью до ±10% (табл. 5).

Таблица 5

Отношение расчётных плотностей выпадений 37Cs и 131I к эталонным данным [3]

Отношение плотностей выпадений расчёт/(эталон [3])	Среднегеометрические	Область
	значения µ и стандартные отклонения σ отношений 137 Cs и 131 I	Брянская	Калужская	Орловская	Тульская	4 области
«сухие» выпадения/ми-нимальная плотность в районе [3]	µCs σCs µIod σIod	1,17 2,06 1,34 2,16	1,14 1,45 1,25 1,44	1,17 1,61 1,38 1,67	1,14 1,52 1,31 1,51	1,16 1,72 1,33 1,77
	µCs	1,24	0,99	1,15	1,10	1,13
выпадения с осадками в	σCs	2,30	1,77	2,75	2,04	2,31
НП/выпадения в НП [3]	µIod	1,05	0,90	0,96	0,93	0,97
	σIod	1,94	1,60	2,34	1,74	1,98

В качестве примера на рис. 7 приведены зависимости среднерайонных отношений плотностей «сухих» выпадений 137Cs и 131I от минимальных плотностей их выпадений в районах Калужской области для варианта 4 формы существования 131I в атмосфере (табл. 1).

Как видно, и для этого случая среднеобластные значения расчётных отношений близки к единице с существенным разбросом по районам от 0,7 до 3для 137Cs и от 0,5 до 5 для 131I.

Приведём результаты сопоставления удельных активностей 131I в атмосфере, полученные в настоящей работе, с аналогичными данными [2] (рис. 8).

Как видно, более корректный метод расчётов активностей 131I по сравнению с работой [2] привёл к существенному уменьшению активностей 131I как в атмосфере в 1,5-2,1 раза, так и в выпадениях в 1,6-2,4 раза.

Результат реконструкции среднерайонных удельных объёмных активностей 131I в атмосфере представлен в виде карты на рис. 9.

Рис. 7. Зависимости среднерайонных отношений плотностей «сухих» выпадений ¹³⁷ Cs и ¹³¹ I от минимальных плотностей их выпадений в районах Калужской области для варианта 4 формы существования ¹³¹ I в атмосфере (табл. 1).

pClRain = 0.49 pCIDry = 0.67

pDepRaia = 0.61 pDepDry = 0.41 oDepRaiu = 1.33 о DepDiy = 1

CodFormI=”085”

Плотность выпадения CsA137, кБк/мЛ2

• • • • облако, модель 2, ” сухие” выпадения аал облако,модель 1, выпадения с осадками ♦ ♦ ♦ "сухие” выпадения, расчет/[1]

ООО выпадения с осадками по метеоданным, расчет'[1]

Рис. 8. Зависимости отношений удельных активностей ¹³¹ I в атмосфере и плотностей его выпадений в работе [2] к данным в настоящей работе от плотностей выпадений ¹³⁷ Cs в районах; расчёт по варианту 4 (табл. 1).

На заключительном этапе работ по созданию взаимно согласованной базы радиоэкологи- ческих данных по соотношению (4) рассчитывали эффективные осадки во всех НП Брянской,

Калужской, Орловской и Тульской областей (рис. 10).

R =

dep Cs

® depicts

Vds vCs

^ Cs

, мм/сут.

Рис. 9. Карта среднерайонных удельных объёмных активностей ¹³¹I в атмосфере для всех 4-х областей России.

Реконструированные данные среднерайонных удельных объёмных активностей 137Cs и 131I в атмосфере и осадки в НП за период основных выпадений 4-х областей России добавлены в эталонный файл НРЭР. В настоящее время эталонный файл используется для реконструкции динамики транспорта радионуклидов по трофической цепочке: выпадения –- растительность – организм молочных коров – молоко – организм человека. Верификация расчётной модели производится на данных радиометрии молока и жителей загрязнённых областей России в год аварии на ЧАЭС.

Оценки неопределённостей. Неопределённости реконструкции удельных активностей ¹³⁷Cs и ¹³¹I в атмосфере оценивались как средние по обеим моделям стандартные среднегеометрические отклонения отношений на рис. 3, σ cloud =1,6.

Неопределённости реконструкции плотностей «сухих» выпадений ¹³⁷Cs и ¹³¹I оценивались как стандартные среднегеометрические отклонения отношений результатов их расчётов по модели 1 (облако выпадений с осадками) с их минимальными плотностями выпадений в районах на рис. 4, v*^r_e^y p =1,7.

Неопределённости реконструкции плотностей выпадений ¹³⁷Cs и ¹³¹I с осадками оценивали как стандартные среднегеометрические отклонения отношений результатов расчётов их выпадений с осадками в НП по модели 2 (облако «сухих» выпадений), рис. 5, а ^р.^ =23, a'dep.-i =2,0.

Рис. 10. Карта эффективных осадков в НП Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей.

Заключение

Предложен и реализован метод реконструкции среднерайонных удельных объёмных активностей 131I в атмосфере после аварии на ЧАЭС с использованием базы данных проекта МАГАТЭ EMRAS. Реализация этого метода привела к существенному уменьшению (в 2-2,5 раза) их значений в эталонной базе радиоэкологических данных [3].

Реконструкция двух вариантов удельных активностей 137Cs и 131I в атмосфере над районами: а) по минимальным плотностям их выпадений в районах и «сухих» выпадениях) и б) по плотностям их выпадений и осадкам в населённых пунктах показала практически их полное, с точностью до 5%, совпадение со стандартным среднегеометрическим отклонением, равным 1,5.

Реконструированные в населённых пунктах по усреднённым удельным активностям 137Cs и 131I в атмосфере плотности выпадений и минимальные плотности выпадений в районах показывают их вполне удовлетворительное согласие с эталонными данными, с размахами средних значений отношений в 0,97-1,3 и стандартных отклонений в 1,7-2,3 раза.

Неопределённости удельных активностей 137Cs и 131I в атмосфере, оценённые в величинах стандартных среднегеометрических отклонений, одинаковы и равны1,6.