Распределение мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения на особо охраняемых природных территориях Ростовской области

Ионизирующее излучение является неотъемлемой частью окружающей среды. Его величина зависит от множества естественных и искусственных факторов. В приземном слое атмосферы значения мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма-излучения, в первую очередь, связаны с типом почв и содержанием в них природных и техногенных радионуклидов. Определение МАЭД гамма-излучения при радиоэкологических исследованиях даёт представление о наличии радиоактивных аномалий на территориях или объектах.

Изучение радиационной обстановки особо охраняемых природных территорий (ООПТ) представляет собой основную задачу, стоящую перед специалистами во многих странах мира [1-3]. На большинстве природных территорий МАЭД варьируется в пределах 0,2-0,4 мкЗв/ч [4-7]. Однако существуют районы с аномально высоким природным радиационным фоном, в которых средние значения МАЭД превышают 10 мкЗв/ч [8, 9]. Широкие пределы вариаций МАЭД в различных регионах мира и наличие радиоактивных аномалий на отдельных территориях делают актуальной проблему оценки особенностей распределения МАЭД гамма-излучения на различных ООПТ при установлении фоновых значений данного показателя.

Результаты многочисленных исследований на различных ООПТ показывают, что антропогенные факторы негативно влияют на экосистемы, однако присвоение статуса заповедника является эффективным средством восстановления качества территории [10-13]. Вследствие минимального

антропогенного воздействия на ООПТ данные территории являются «фоновыми» для сопредельных территорий и территорий, располагающихся в подобных климатических зонах с похожими особенностями рельефа.

В целом комплексные радиоэкологические исследования на ООПТ позволяют решить несколько задач: оценить изменение удельной активности радионуклидов в экосистемах, учесть дозу облучения населения от природных источников ионизирующих излучений, выявить непригодные для деятельности человека территории, а также проанализировать уровень влияния деятельности человека на окружающую среду.

Цель исследования – установление особенностей распределения МАЭД гамма-излучения на крупных и уникальных ООПТ, расположенных в степной зоне юга Европейской части России. До настоящего времени оценка МАЭД на данных ООПТ не проводилась.

Работа является продолжением комплекса исследований, проводимых в Южном федеральном университете (ЮФУ) с целью создания карт территориального распределения и временной динамики МАЭД гамма-излучения на природных, природно-техногенных и урбанизированных территориях. Полученные сведения могут быть использованы как справочная информация для оценки изменений в уровнях МАЭД в приземном слое воздуха из-за различных природных геологических процессов или техногенного влияния на экосистемы.

Материалы и методы

Объектом данного исследования является приземный слой воздуха на ООПТ, расположенных в Ростовской области. Измерения МАЭД проводились в Ботаническом саду ЮФУ (БС); природном биосферном заповеднике «Ростовский» (ЗР), который расположен в южной части Восточно-Европейской равнины в долине Западного Маныча; Персиановской заповедной степи (ПСС) – территория учебно-опытного хозяйства Донского государственного аграрного университета в Октябрьском районе Ростовской области; урочище Чёрная балка (ЧБ) – правый берег реки Северский Донец, юго-западнее хутора Богатов Белокалитвенского района; урочище Каменная балка (КБ) – окраина хутора Недвиговка, Мясниковского района; а также в Приазовской заповед- ной степи (АС) – расположенной вблизи хутора Недвиговка (рис. 1).

Рис. 1. Карта-схема расположения контрольных участков в пределах ООПТ Ростовской области.

Измерения МАЭД на ООПТ проводили с использованием поисковых дозиметров-радиометров СРП-88н, ДРБП-03, ДКС-96 в радиоэкологических экспедициях 2012-2021 гг. Гамма-съёмку выполняли по территории обследуемого участка на высоте 1 м над поверхностью земли [14].

Статистический анализ полученных данных был выполнен с использованием программного обеспечения Statistica 10. Проверку распределений МАЭД гамма-излучения на ООПТ Ростовской области на нормальность проводили с использованием тестов Колмогорова-Смирнова (с поправкой на значимость Лиллефорса) и Шапиро-Уилка. Оценку зависимостей между различными параметрами проводили методами корреляционно-регрессионного анализа. Сравнение параметров выполняли с использованием U-теста Манна-Уитни, однофакторного дисперсионного анализа с использованием критерия Краскелла-Уоллиса с уровнем достоверности 95%. Результаты считали статистически значимыми при уровне достоверности 95%.

Результаты и обсуждение

Для исследования законов пространственного распределения МАЭД изучали как общие по всем ООПТ выборки, так и с их дифференциацией по территориальной принадлежности.

На рис. 2 и в табл. 1 представлены результаты статистической обработки измеренной МАЭД гамма-излучения для всех анализируемых ООПТ за весь период наблюдения.

I • • • 1 Нормальное распределение ^ '( Логнормальное распределение

Рис. 2. Распределение мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения на ООПТ Ростовской области.

Проверка особенности распределения МАЭД гамма-излучения на ООПТ Ростовской области показала, что данное распределение строго не подчиняется ни нормальному, ни логарифмически нормальному закону распределения (табл. 1). При этом среднее арифметическое, среднее геометрическое, модальное и медианное значения МАЭД совпадают в пределах стандартного отклонения при уровне значимости 0,05.

В данном случае при установлении фонового (эталонного) значения МАЭД необходимо использовать верхнюю границу 95% процентиля - 0,20 мкЗв/ч. Для анализа общих тенденций в изменении параметров радиационной обстановки на территории можно оперировать модальным или медианным значением МАЭД гамма-излучения (и мода, и медиана на ООПТ составляют 0,135 мкЗв/ч). В целом МАЭД гамма-излучения для ООПТ Ростовской области не превышает санитарные правила и нормативны Российской Федерации для участков застройки – 0,30 мкЗв/ч [15, п. 5.1.6], согласуется с данными, полученными различными надзорными службами (уровень естественного гамма-фона в Ростовской области составляет 0,08-0,18 мкЗв/ч) [16], и с данными, представленными в ранних исследованиях [17].

Таблица 1 Результаты статистической обработки измеренной МАЭД гамма-излучения по всем ООПТ Ростовской области

Параметр	Значение
Минимум, мкЗв/ч	0,010
Максимум, мкЗв/ч	0,324
Среднее арифметическое, мкЗв/ч	0,128
Среднее геометрическое, мкЗв/ч	0,120
Медиана, мкЗв/ч	0,135
Мода, мкЗв/ч	0,135
Стандартная ошибка, мкЗв/ч	0,0006
Стандартное отклонение, мкЗв/ч	0,042
Дисперсия выборки	0,002
Эксцесс	0,269
Асимметричность	0,254
Распределение Колмогорова-Смирнова, D/D табл	0,0801/0,0195
Количество измерений, шт.	4861

Особенности вариаций МАЭД на отдельных ООПТ Ростовской области представлены на рис. 3 и в табл. 2. В табл. 3 представлены результаты сравнительного анализа МАЭД на различных ООПТ Ростовской области.

Рис. 3. Распределение МАЭД гамма-излучения на заповедных территориях Ростовской области.

МАЭД гамма-излучения на ООПТ Ростовской области изменяется в достаточно широких диапазонах. При этом различия МАЭД, указанные в табл. 3, для всех ООПТ находятся в пределах стандартного отклонения (табл. 2).

В целом широкие вариации МАЭД могут быть обусловлены как неоднородностью территорий исследования – в основном, различием в почвенном покрове, а также размерами участков исследования (контрольных участков и/или мониторинговых площадок). Например, в Ботаническом саду

ЮФУ измерения МАЭД проводили практически по всей территории, в Ростовском заповеднике – на двух площадках размерами по 1,0 га, на территориях остальных ООПТ размеры площадок составляли менее 0,5 га.

Таблица 2

Результаты статистического анализа МАЭД гамма-излучения на различных ООПТ Ростовской области

Параметр	Шифр ООПТ
	ЧБ	ЗР	БС	АС	ПСС	КБ
Минимум, мкЗв/ч	0,050	0,020	0,010	0,020	0,108	0,081
Максимум, мкЗв/ч	0,280	0,324	0,320	0,300	0,270	0,189
Среднее арифметическое, мкЗв/ч	0,146	0,118	0,126	0,122	0,159	0,139
Среднее геометрическое, мкЗв/ч	0,139	0,111	0,117	0,115	0,157	0,136
Медиана, мкЗв/ч	0,140	0,108	0,120	0,120	0,162	0,135
Мода, мкЗв/ч	0,162	0,135	0,120	0,108	0,162	0,162
Стандартная ошибка, мкЗв/ч	0,002	0,001	0,001	0,001	0,001	0,004
Стандартное отклонение, мкЗв/ч	0,043	0,038	0,045	0,040	0,027	0,030
Дисперсия выборки	0,002	0,001	0,002	0,002	0,001	0,001
Эксцесс	-0,251	0,838	0,311	0,758	0,576	-0,739
Асимметричность	-0,029	0,232	0,430	0,344	0,436	-0,150
Распределение Колмогорова-Смирнова D/D табл	0,50/0,05	0,13/0,04	0,09/0,04	0,09/0,04	0,22/0,07	–
Критерий Шапиро-Уилка, W 2 /W к 2 рит	–	–	–	–	–	0,91/0,95
Фоновое значение (95% квартиль), мкЗв/ч	0,216	0,162	0,210	0,189	0,216	0,189
Количество измерений, шт.	648	1003	1509	1302	339	60

Таблица 3

Сравнительный анализ МАЭД гамма-излучения (мкЗв/ч), измеренной на ООПТ Ростовской области

ООПТ	ЗР	БС	АС	ПСС	КБ
ЧБ	0,032	0,02	0,02	-0,022	0,005
ЗР		-0,012	-0,012	-0,054	-0,027
БС			0	-0,042	-0,015
АС				-0,042	-0,015
ПСС					0,027

Такой разброс в размерах мониторинговых площадок (контрольных участков) обусловлен как размерами самих заповедников, так и особенностями режимов охраны и использования данных ООПТ. Не стоит исключать и вклад вероятностной природы испускания гамма-квантов, например, при альфа- и бета-распадах природных радионуклидов и искусственного радиоцезия, содержащихся в наземных экосистемах.

Так как территория Ростовской области расположена в чернозёмной (бόльшая часть) и каштановой почвенных зонах, в работе был проведён сравнительный анализ распределения МАЭД, измеренных на ООПТ, расположенных в разных почвенных зонах.

На рис. 4 и в табл. 4 приведены результаты статистической обработки (в том числе и сравнительного анализа) данных МАЭД гамма-излучения для территорий с преимущественно чернозёмными и преимущественно каштановыми почвами.

Как показано в табл. 4, распределения МАЭД гамма-излучения строго не подчиняются ни нормальному, ни логарифмически нормальному закону распределения. Сравнительный анализ МАЭД на ООПТ с преимущественно чернозёмными почвами и преимущественно каштановыми почвами (табл. 4) проводился по медианным значениям МАЭД гамма-излучения. Различия средних арифметических значений МАЭД на ООПТ Ростовской области, расположенных и в районах с распространёнными каштановыми, и в районах с чернозёмными почвами, также находятся в пределах стандартного отклонения (0,04 мкЗв/ч).

Рис. 4. Распределение МАЭД гамма-излучения на заповедных территориях Ростовской области: а) – чернозёмные почвы; б) – каштановые почвы.

Таблица 4

Результаты статистической обработки МАЭД гамма-излучения для ООПТ Ростовской области, расположенных в районах с распространёнными чернозёмными и распространёнными каштановыми почвами

Параметр	Виды почв
	чернозёмная	каштановая
Минимум, мкЗв/ч	0,010	0,020
Максимум, мкЗв/ч	0,320	0,324
Среднее арифметическое, мкЗв/ч	0,131	0,118
Среднее геометрическое, мкЗв/ч	0,123	0,111
Медиана, мкЗв/ч	0,135	0,108
Мода, мкЗв/ч	0,135	0,135
Стандартная ошибка, мкЗв/ч	0,0007	0,0012
Стандартное отклонение	0,043	0,038
Дисперсия выборки	0,0019	0,0014
Эксцесс	0,154	0,838
Асимметричность	0,223	0,232
Фоновое значение (95% квартиль), мкЗв/ч	0,210	0,160
Критерий Фишера, F расч /F кри	1,72/1,52
Однородность дисперсий	+
Критерий Стьюдента, t расч/ t крит	501,09/1,96
Количество степеней свободы, k расч	1997
Количество измерений, шт.	3858	1003

На значительной части Ростовской области расположены сельскохозяйственные угодья, занятые под пашни, а также используемые в качестве сенокосных угодий и для выпаса пастбищных животных. При этом в регионе развита промышленность, атомная энергетика и добыча полезных ископаемых. Крупными промышленными центрами Ростовской области являются города Ростов-на-Дону, Таганрог, Волгодонск (рядом расположена Ростовская АЭС) и Новочеркасск (Новочеркасская ГРЭС). В табл. 5 представлены расстояния (по прямой) от изучаемых ООПТ до данных городов.

Таблица 5

Расстояние между ООПТ и промышленными городами Ростовской области

ООПТ	Ростов-на-Дону	Волгодонск	Новочеркасск	Таганрог
ЧБ	138 км	110 км	100 км	175 км
ЗР	260 км	130 км	230 км	326 км
БС	0 км	230 км	180 км	60 км
КБ	30 км	210 км	60 км	30 км
ПСС	40 км	148 км	11 км	93км
АС	70 км	250 км	100 км	30 км

В зависимости от расстояний от ООПТ до промышленных центров все ООПТ были разделены на три группы по степени оказываемого влияния урбанизации и промышленности на радиационную обстановку данных рекреационных территорий: малое влияние (МВ – расстояние до ООПТ более 100 км), среднее влияние (СВ – расстояние до ООПТ 30-100 км) и повышенное влияние (ПВ – расстояние до ООПТ менее 30 км). Таким образом, к зоне МВ можно отнести Ростовский заповедник и Чёрную балку; к зоне СВ можно отнести Приазовскую степь, Каменную балку; к зоне ПВ – Ботанический сад ЮФУ и Персиановскую степь.

На рис. 5 представлены ящичные диаграммы распределения МАЭД гамма-излучения на ООПТ Ростовской области в зависимости от степени антропогенного влияния.

Рис. 5. Распределение МАЭД гамма-излучения на рекреационных территориях по степени антропогенного влияния.

Ниже приведены результаты статистической обработки и сравнительного анализа распределения МАЭД гамма-излучения на ООПТ Ростовской области в зависимости от антропогенного влияния крупных промышленных центров региона исследования. Расчётные данные при уровне значимости р=0,05 представлены в табл. 6.

Распределения МАЭД гамма-излучения на рассматриваемых территориях также не подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Поэтому сравнительный анализ МАЭД гамма-излучения на данных зонах проводился по медианным значениям гамма-фона. Следует отметить, что средние арифметические, средние геометрические, модальные, медианные и фоновые значения МАЭД гамма-излучения для ООПТ с различной степенью антропогенного влияния совпадают в пределах стандартного отклонения (неопределённости измерений).

В табл. 7 приведены расчётные (F расч ) и критические (F крит ) значения критерия Фишера для каждой из территорий, результаты расчётов значения t-критерия Стьюдента и степеней свободы.

Таблица 6

Результаты статистической обработки МАЭД на ООПТ Ростовской области с различными уровнями антропогенного влияния

Параметр	Степень влияния
	МВ	СВ	ПВ
Минимум, мкЗв/ч	0,020	0,020	0,010
Максимум, мкЗв/ч	0,324	0,300	0,320
Среднее арифметическое, мкЗв/ч	0,129	0,123	0,132
Среднее геометрическое, мкЗв/ч	0,121	0,116	0,123
Медиана, мкЗв/ч	0,135	0,120	0,135
Мода, мкЗв/ч	0,135	0,108	0,120
Стандартная ошибка, мкЗв/ч	0,001	0,001	0,001
Стандартное отклонение	0,042	0,039	0,045
Дисперсия выборки	0,002	0,002	0,002
Эксцесс	0,145	0,708	0,116
Асимметричность	0,213	0,310	0,207
Фоновое значение (95% квартиль), мкЗв/ч	0,189	0,189	0,200
Количество измерений, шт.	1651	1362	1848

Таблица 7

Значения критерия Фишера и t-критерия Стьюдента для выборок на рекреационных территориях в зависимости от антропогенного влияния

Параметр	СВ			ПВ
	F расч /F крит	t расч	k расч	F расч /F крит	t расч	k расч
МВ	2,26/1,07	9,11	746	1,10/1,03	4,65	1813
СВ	–	–	–	2,49/1,07	4,72	852

Как видно из табл. 7, однородность дисперсий для распределения МАЭД гамма-излучения отсутствует на ООПТ с различной степенью антропогенного влияния. Для сравнения гамма-фона на данных территориях необходимо использовать t-критерий Стьюдента, учитывающий неоднородность выборок. Для нахождения критического значения (t крит ) число степеней свободы k определяли при уровне значимости р=0,01. В табл. 8 приведены численные различия МАЭД гамма-излучения для ООПТ с различной антропогенной нагрузкой.

Таблица 8

Различия МАЭД гамма-излучения на рекреационных территориях в зависимости от антропогенного влияния

Параметр	СВ	ПВ
МВ	0,027	0,020
СВ	–	0,007

Максимальное различие в МАЭД гамма-излучения, наблюдаемое между ООПТ с различной степенью антропогенной нагрузки, составляет 0,027 мкЗв/ч. Несущественными различиями в уровнях гамма-фона можно считать различие до 0,04 мкЗв/ч, которое входит в пределы неопределённости измерений МАЭД гамма-излучения (в стандартное отклонение).

В целом различия в МАЭД гамма-излучения могут быть обусловлены в большей степени неопределённостью измерений (стандартным отклонением), а также, в меньшей степени, особенностями рельефа, содержанием радионуклидов в почвах данных территорий.

Выводы

По результатам исследования распределения гамма-фона на ООПТ Ростовской области фоновым (эталонным) значением МАЭД можно считать значение 0,128±0,042 мкЗв/ч (среднее арифметическое МАЭД гамма-излучения, полученное при усреднении результатов измерений на всех ООПТ) для природных и урбанизированных территорий степных регионов с умеренным континентальным климатом, слаборасчленённым равнинным рельефом и каштановыми и чернозёмными почвами на глинах и лессовидных суглинках.

При расширении географии исследования ООПТ Ростовской области ожидается незначительная корректировка (не выходящая за границы доверительного интервала, определённого стандартным отклонением) эталонной МАЭД для данного региона, обусловленная различием в почвенном покрове, а также размерами участков исследования.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Государственное задание в сфере научной деятельности 2023 г.). Проект № FENW-2023-0010/(ГЗ0110/23-11-ИФ).