СИЧ-ориентированный метод оценки годовых доз внутреннего облучения населения в отдаленный период Чернобыльской аварии

В Законе Республики Беларусь «О правовом режиме территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате катастрофы на ЧАЭС» получило юридическое закрепление зонирование территории Республики Беларусь по уровню радиоактивного загрязнения. Все населенные пункты (НП), находящиеся на территории радиоактивного загрязнения, были отнесены к зонам, различающимся по величине плотности загрязнения местности долгоживущими радионуклидами 134Cs, 137Cs, 90Sr, а также 238, 239, 240, 241Pu. Кроме того, при зонировании учитывается отношение средней годовой суммарной эффективной дозы облучения жителей НП к справочным дозам в 1 и 5 мЗв.

Значение дозы облучения по существу является единственным показателем для принятия управленческих решений при ликвидации, а также минимизации последствий чернобыльской аварии. Важность этого дозового показателя была отражена в принятых впоследствии решениях об издании и периодическом обновлении Каталогов доз облучения населения, проживающего в зонах радиоактивного загрязнения.

Были предприняты попытки разработки Каталога доз в 1992, 1994, 1998, 2008 гг., из них Каталоги 1992 и 2004 гг. являются официальными, а рабочие материалы Каталогов 1994 и 1998 гг. использовались в научных целях. Данные Каталогов были получены с использованием специально разработанных методик по определению дозы внешнего и внутреннего облучения. Доза внешнего облучения закономерно снижается во времени, в то время как динамика дозы внутреннего облучения (ДВО) имеет нерегулярный, трудно прогнозируемый характер. Во всех Каталогах, за исключением Каталога 2004 г., в основу оценки ДВО было положено потребление основных продуктов питания: молока, моделирующего весь животноводческий и лесной рацион, и картофеля, который моделировал растительную часть рациона.

Всеобъемлющее проведение контрмер в личном секторе сельского хозяйства и повсеместное восстановление у населения доаварийных пищевых привычек сместило вектор дозофор-мирования в сторону пищевых продуктов леса: грибов, ягод, мяса диких животных. Это обусловлено резким снижением уровня загрязнения продуктов из личных подсобных хозяйств, в то время как загрязнение пищевых продуктов леса не уменьшается, а в отдельные годы даже увеличивается. Это связано со спецификой поведения 137Cs в лесных почвах и невозможностью применения в лесных массивах противорадиационных мероприятий.

Моделирование рациона молоком и картофелем затруднило получение адекватных оценок ДВО вследствие трудностей, возникших при определении коэффициентов, учитывающих лесной компонент рациона. Накопленная к настоящему времени информация по результатам СИЧ-измерений людей, проживающих в зонах загрязнения, позволяет разработать методический подход на основе фактического потребления загрязненного рациона, отражающего СИЧ-измерения.

При помощи результатов СИЧ-измерений среднюю годовую эффективную ДВО можно оценить двумя способами: как среднее значение ДВО жителей НП, полученных по результатам СИЧ-измерений, и путем разработки по данным СИЧ-измерений модельных представлений.

В настоящей работе предлагается многоуровневая СИЧ-ориентированная регрессионная модель для оценки ДВО жителей, проживающих в зонах радиационного загрязнения. В модели реализуется несколько уровней оценки ДВО путем классификации по основным и косвенным признакам дозоформирования.

Материал и методы исследования

Материалом для оценки средних годовых эффективных ДВО жителей НП, расположенных на территории радиоактивного загрязнения, послужили данные СИЧ-измерений базы данных Государственного дозиметрического регистра за период 2005-2007 гг. Для оценки ДВО непосредственно по результатам СИЧ-измерений использовали данные по Брестской, Гомельской и Могилевской областям. Модельные оценки проводили на основе данных СИЧ-измерений по Гомельской области. Информация о плотности загрязнения населенных пунктов 137Cs была представлена Республиканским центром радиационного контроля и мониторинга окружающей среды.

При расчете средних годовых индивидуальных эффективных ДВО жителей НП с использованием данных СИЧ-измерений принята модель равновесного содержания ¹³⁷Cs в теле человека, когда значение среднего в течение года суточного поступления радионуклида соответствует его среднему суточному выведению. Средняя годовая эффективная ДВО жителей НП ¹³⁷Cs ( E _Н ⁱⁿ _П ^t ) определяется согласно выражению:

n

Е$ = Kd • -Z(Qi /Mi), мзв/год, (1) n“i где KD – коэффициент перехода от удельного содержания 137Cs в теле Ql/M к мощности дозы, для взрослого человека KD равно 2,5 мЗв·год-1/кБк·кг-1 [8, 9]; Qi – содержание 137Cs в организме i-го человека по данным СИЧ-измерений, кБк; Mi – масса тела i-го человека, кг; n – количество обследованных на СИЧ жителей НП.

Для статистической достоверности оценки средней годовой эффективной ДВО жителей конкретного НП по результатам СИЧ-измерений использовали представительные по числу измерений и сезонной равномерности выборки. Количество необходимого и достаточного числа измерений в зависимости от численности жителей в НП приведено в таблице 1 [5].

Таблица 1

Необходимый и достаточный с вероятностью 0,95 объем выборки для достоверной оценки текущих доз облучения жителей в населенном пункте

Численность жителей в населенном пункте	< 100	100 – 1 000	1 000 – 10 000	> 10 000
Объем выборки	не менее 85 % от общей численности	не менее 40 % от общей численности	не менее 10 % от общей численности	680

Содержание 137Cs в теле человека в осенне-зимний период (август-февраль) превышает весенне-летнее значение в 1,5-2 раза. Поэтому был использован критерий равномерности:

1 No 3 - Ne Л \

¹ о • ^{- 3} • ------^в ' ^{- л} ' < 0,33

Nо • - 3 • + Nв • - л • где Nо.-з. - число измерений в осенне-зимний период; Nв.-л. - число измерений в весеннелетний период.

Выполнение данного условия ухудшает точность оценки дозы по сравнению с равномерным по сезонам количеством измерений на 4-8 %.

Из распределения ДВО жителей конкретного НП выявляли критическую группу (КГ), которая представляют собой выборку жителей, прошедших измерение, составляющую 10 % от общей численности проживающих в данном НП и имеющих наибольшие, по сравнению с остальными, индивидуальные ДВО. Среднюю годовую эффективную ДВО у лиц КГ ( EКinГt ) находят из выражения:

ⁿ int                int

E КГ - ЧУ ^ E КГ ,i , n i - 1

где n – численность лиц, составляющих критическую группу; E _К ⁱⁿ _Г ^t _,i – эффективная доза внутреннего облучения i -го лица из КГ, мЗв/год.

Статистическую обработку полученных результатов проводили при помощи пакетов прикладных программ Microsoft Excel, Statistica 6.0. Использовались общепринятые методы вариационной статистики, а также элементы кластерного и дискриминантного анализа [6, 7]. Гипотезу о нормальном распределении величин проверяли с помощью критерия Колмогорова-Смирнова и Шапиро-Уилка [2]. Достоверность различий оценивали по критерию Вилкоксона [1] для примеров, не подчиняющихся закону нормального распределения. Взаимосвязь между факторами дозоформирования и средней годовой эффективной ДВО жителей изучали при помощи корреляционного анализа с расчетом коэффициента корреляции Спирмена.

Результаты и анализ исследований

Обоснование выбора основных и косвенных факторов дозоформирования при отсутствии или недостатке СИЧ-измерений

Имеющаяся СИЧ-информация отличается неоднородностью по количеству измерений, проведенных в загрязненных чернобыльскими радионуклидами НП Республики Беларусь. Наиболее развитой является база данных Гомельской области, однако условия статистической достоверности при оценке ДВО по прямым СИЧ-измерениям выполняются для относительно небольшого числа НП. В то же время существующего объема результатов СИЧ-измерений вполне достаточно для разработки модельных оценок дозы. Задачей моделирования в данном случае является нахождение регрессионных зависимостей в однородных условиях дозоформи-рования между целевым и объясняющим признаками, какими являются ДВО и плотность загрязнения территории НП 137Cs.

Формирование ДВО происходит под воздействием ряда факторов радиационной и нерадиационной природы, её значение в равной степени зависит как от уровня загрязнения и миграционных свойств почвы, так и от социального поведения и пищевых привычек человека. Из множества факторов, прямо или опосредовано оказывающих влияние на среднее значение ДВО, были рассмотрены 15 факторов, из которых для 6 было установлено статистически достоверная корреляция с дозой. В частности, такими факторами являлись: коэффициент перехода 137Cs из почвы в растения (КП), кислотность почвы, относительная площадь продуктивного леса в радиусе 5 км вокруг НП, численность постоянно проживающего населения в НП, число хозяй ств в НП, демографический потенциал НП [4]. Первые два признака, обусловливающие загрязнение пищевой продукции местного производства и произрастания, можно отнести к основным дозообразующим факторам. Остальные признаки, характеризующие социальнодемографические и экологические условия конкретных НП, можно обозначить как косвенные.

Для косвенных факторов был проведен анализ парных корреляций, который показал, что коэффициент корреляции между факторными признаками численностью населения и числом хозяйств в НП составляет 0,99, между факторными признаками относительной площади леса и демографическим потенциалом – 0,75. Известно, что при сильной корреляционной связи с незначительными потерями информации для описания объектов можно использовать одну из двух переменных. Таким образом, для характеристики средней дозы внутреннего облучения наиболее информативными косвенными признаками могут являться численность населения и относительная площадь продуктивного леса. Нужно отметить, что выбранные в ходе анализа косвенные признаки имеют разнонаправленный характер связи в отношении средней дозы внутреннего облучения, что существенно усложняет их формализованное выражение в виде множественной регрессионной зависимости. Поэтому в дальнейшем целесообразно использовать объединенный факторный признак – удельная площадь продуктивного леса, которая рассчитывается как отношение площади продуктивного леса в радиусе 5 км вокруг НП к числу жителей, постоянно проживающих в НП.

Оценка средней годовой эффективной дозы внутреннего облучения с учетом почвенных особенностей территории

При недостатке или отсутствии данных по СИЧ-измерениям для оценки ДВО жителей НП использовали модельные представления, основанные на учете основных и косвенных факторов формирования ДВО. К основным дозообразующим факторам отнесены свойства почв: коэффициенты перехода 137Cs из почвы в основную сельскохозяйственную и лесную продукцию (молоко, говядина и свинина, картофель, грибы) и кислотность почв. Как было установлено [3], на кислых почвах поступление 137Cs в растения увеличивается примерно вдвое.

К косвенным факторам дозоформирования были отнесены: численность жителей в НП и площадь лесных массивов в ареале населенного пункта. Выбранные косвенные факторы вносят наибольший вклад в формирование ДВО, так как близость леса и слабо развитая инфраструктура в малых и средних НП создает определенный уклад хозяйствования, близкий к натуральному. По выбранным основным и косвенным факторам была проведена классификация НП.

Для проведения классификации по основным факторам в районах Гомельской области выбирали НП, в которых за период 2005-2007 гг. было выполнено 30 и более СИЧ-измерений; выделили критическую группу и определили среднее суточное поступление 137Cs в организм исследуемых лиц КГ.

Районы Гомельской области были разбиты на 3 региона, каждый из которых имеет однородные почвенные характеристики. Все типы почв Беларуси объединили в 4 группы, существенно различающиеся по поступлению 137Cs в сельскохозяйственную продукцию: молоко, говядина, свинина, картофель, грибы. Группы почв следующие: песчаные и супесчаные, легко и средне-суглинистые, торфяно-болотные, пойменные.

Для каждого района, расположенного на загрязненных радионуклидами территориях, рассчитывали долю каждой группы почв. Полученные данные использовали для получения взвешенного по набору продуктов питания сельского жителя «почвенного» индекса (Fпочв.), который определяется как:

Fпочв. = Kдост. · Kкисл. , где Kдост. – эффективный коэффициент доступности для растений, отн. ед.; Kкисл. – коэффициент, учитывающий кислотность почв, отн. ед.

Эффективный коэффициент доступности К дост . рассчитывают в предположении, что ДВО формируется из потребления молока и грибов по 40 % от интегрального значения дозы и на 20 % из потребления мяса и картофеля:

К дост . ⁼0^,4^·К п мол . ⁺ 0^,4^·К п гр . ⁺ 0^,2^·К п карт .

Для расчета K кисл . использовали выражение:

Kкисл. = 1 + ŋ, где ŋ – доля почв в районе с РН <5.

При расчете K дост . использовали данные, представленные в таблице 2 [5].

Таблица 2

Продукт	Тип почвы
	песчаные, супесчаные	легко и средне-суглинистые	торфяно-болотные	пойменные
Молоко	0,2	0,07	0,6	0,3
Говядина	0,6	0,25	2,0	0,5
Свинина	0,3	0,10	1,0	0,2
Картофель	0,06	0,04	0,2	0,08
Грибы	12	4	20	8

Коэффициент перехода ( КП ) ¹³⁷Cs в звене « почва - продукт » для групп почв , м ²/ кг · 10^-3

Эффективный коэффициент K дост . вычисляли для каждого района по следующей формуле:

K Дост . = Z «I ■ "“ * . •                                        (5)

где ε i – доля i -й группы почв в районе; K i ^{дост .} – показатель доступности i -й группы почв.

По полученным значениям F почв . все НП были классифицированы с помощью процедуры кластерного анализа на три региона: Полесский, Северо-Восточный и Центральный.

Суточное поступление ¹³⁷Cs в организм жителя с СИЧ-измерениями можно оценить по его «СИЧ-дозе». ДВО жителя от инкорпорированного ¹³⁷Cs за период времени от t 1 до t 2 определяется соотношением:

t ₂

E int ( 1 1 ,1 2 ) = "D J Q(t)dt , мЗв,                      (6)

M t1

где K_D – коэффициент перехода от удельного содержания ¹³⁷Cs в теле человека к мощности дозы его внутреннего облучения, (мЗв-кг)/(кБк-сут); М - масса тела обследуемого человека, кг; Q – активность ¹³⁷Cs в теле человека.

В предположении равновесного содержания 137Cs в организме:

Q = qr ,                                                (7)

Aeff где q - суточное поступление 137Cs в организм, кБк/сутки; Aeff - эффективная скорость выведения 137Cs из организма [8, 9].

Соотношение для годовой дозы внутреннего облучения человека при 1 2 = 1 1 + dt 1 ( dt 1 =365 суток) принимает следующий вид:

Year K D q

Ein1   = MT Aefr d11 ■                              (8)

Из (8) получаем выражение для оценки суточного поступления 137Cs в организм взрослого человека по величине годовой дозы его внутреннего облучения:

Year

— _ int^,vl eff

■

Kd ■ dt i

Перепишем (9) в виде: q _ K_q ■ E Year ■ M ,

z

K_q _--- eff— , кБк/[(мЗв-кг) сутки].                                         (11)

Kd ■ dt1

Для взрослого человека с учетом данных [8, 9]: Я в» ( 18)=0,007-сутки " ¹, K D (18)=6,8-10 " ³ (мЗв-кг)/(кБк-сут), численное значение K_q (18) равно 0,3.

ДВО жителей с СИЧ-измерениями пересчитывались к суточному поступлению 137Cs в их организм по соотношению (10). Для каждого региона была построена регрессионная модель линейной зависимости суточного поступления 137Cs от плотности загрязнения территории.

q _ a + b ■ ocs ,                                                          (12)

где O cs - плотность выпадения ¹³⁷Cs на территории, кБк/м².

Полученные регрессионные зависимости представлены на рисунке 1.

Значение свободного члена в выражениях для расчета суточного поступления можно интерпретировать как «импорт дозы».

Таблица 3

Коэффициенты линейной зависимости суточного поступления 137Cs от плотности загрязнения территории

Регион	a	b
Полесский	47	0.52
Северо-Восточный	8.4	0.34
Центральный	28	0.12

Расчет дозы внутреннего облучения критической группы населения с учетом почвенных региональных особенностей по суточному поступлению 137Cs выполняли, используя выражение (13):

E Year int

(^Cs ) =

KD M