авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Геоэкологические особенности миграции радионуклидов cs-137 и sr-90 в почвенно-растительных комплексах степной зоны оренбургской области

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РАХИМОВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

Геоэкологические особенности миграции радионуклидов

Cs-137 и Sr-90 в почвенно-растительных комплексах степной зоны Оренбургской области

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пермь 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Ефремов Игорь Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гершанок Валентин Александрович

кандидат биологических наук,

доцент Юдичев Евгений Николаевич

Ведущая организация: Пермский государственный технический

университет

Защита диссертации состоится 23 ноября 2006 в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.05 в Пермском государственном университете по адресу: г.Пермь, ул.Букирева 15, в зале заседания ученого совета. Факс: (342) 237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета

Автореферат разослан « » октября 2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат географических наук, доцент И.А. Старков

Актуальность темы диссертации

Основным реальным источником радиоактивного загрязнения почвенно-растительного комплекса являются глобальные радиоактивные выпадения из атмосферы долгоживущих радионуклидов после ядерных испытаний, а также выбросы техногенных радионуклидов, связанные с работой предприятий ядерного топливного цикла.

Основным источником поступления радионуклидов в наземные пищевые цепи является почва. В результате выпадений радионуклиды поступают на земную поверхность, аккумулируются в почве, включаются в биогеохимические циклы миграции и становятся новыми компонентами почвы. Почва является наиболее важным инерционным звеном, и от скорости миграции радионуклидов в почве во многом зависят темпы их распространения по всей цепочке. В результате перемещения в почве и последующего корневого поглощения радиоактивные вещества поступают в части растений, представляющие пищевую или кормовую ценность (Алексахин, Васильев, Дикарев, 1992).

Cs-137 и Sr-90 являются ведущими с точки зрения радиационной опасности нуклидами на территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению с периодом полураспада соответственно 30,17 и 28,6 года (Корнеев, Паваляев, Алексахин, 1988).

По данным исследований (НПО «Радиевый институт» им. В.Г. Хлопина, 1993; НПО «Тайфун», 1991; ТОО «ТЭН-информ», 1993; Молчанова, Караваева, Михайловская, 1997), на территории Оренбургской области имеется несколько потенциальных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами: эпицентр ядерного взрыва Тоцкого войскового учения, след радиоактивного облака, распространившегося после взрыва, а также места проведения подземных ядерных взрывов. Вместе с тем значительный интерес представляет исследование динамики радионуклидов Cs-137 и Sr-90, обусловленных глобальными выпадениями из атмосферы.

Имеются сведения (Самусик, 1999), что миграционные свойства Cs-137 и Sr-90 в почвенно-растительных комплексах существенно отличаются в зависимости от типа почв, механического состава и видовых различий растений. В связи с этим является актуальным вопрос выявления закономерностей миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 в биогеоценозах степной зоны, а также изучение влияния физико-химических свойств почв на поступление Cs-137 и Sr-90 в растения.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является исследование особенностей профильной миграции и поведения радионуклидов Cs-137 и Sr-90 в системе почва-растение в зависимости от физико-химических параметров почв.

Для достижения указанной цели предусматривается решение следующих задач:

- исследование вертикальной миграции и определение закономерностей распределения радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по профилю в зависимости от физико-химических свойств почв естественных экосистем степной зоны;

- исследование физико-химических свойств почв степной зоны Оренбургской области;

- исследование накопления радионуклидов Cs-137 и Sr-90 растениями естественных и агроэкосистем степной зоны;

- определение закономерностей изменения содержания радионуклидов Cs-137 и Sr-90 в растениях в зависимости от физико-химических параметров почв;

- построение регрессионных зависимостей содержания радионуклидов Cs-137 и Sr-90 в растениях от физико-химических свойств почв на основе метода группового учета аргументов;

- разработка методики оценки поступления радионуклидов в растения, учитывающая содержание цезия-137 в растениях и физико-химические параметры почв;

- разработка технологии восстановления почв, загрязненных радионуклидами Cs-137 и Sr-90.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются почвенно-растительные комплексы степной зоны, подверженные глобальным выпадениям радионуклидов. Изучалась вертикальная миграция радионуклидов в почвах различных типов и накопление радионуклидов растениями степной зоны.

Научная новизна работы:

- предложена методика оценки интенсивности вертикальной миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю;

- для оценки поступления радионуклидов в растения разработана методика, учитывающая содержание цезия-137 в растениях и физико-химические параметры почв;

- разработана математическая модель миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах, учитывающая процессы диффузии, сорбции твердой фазой почвы и корнями растений;

- определены ряды активности поглощения радионуклидов Cs-137 и Sr-90 растениями естественных и агроэкосистем степной зоны;

- предложен алгоритм технологии восстановления почв, загрязненных радионуклидами, с использованием метода фитомелиорации, в сочетании химических и микробиологических факторов воздействия на почву и растения.

Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором, состоят в разработке математической модели миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах, учитывающей процессы диффузии, сорбции твердой фазой почвы и корнями растений; предложена методика оценки поступления радионуклидов в растения на основе регрессионных зависимостей, построенных методом группового учета аргументов, учитывающих физико-химические свойства почв; предложена технология восстановления почв, загрязненных радионуклидами в условиях степной зоны.

Теоретическая и практическая ценность и реализация результатов работы заключается в разработке методики на основе алгоритма самоорганизации, учитывающей содержание цезия-137 в растениях и физико-химические параметры почв, которая позволяет прогнозировать содержание цезия-137 в растениях с учетом физико-химических свойств почв. Методика позволяет по выделенным физико-химическим показателям почвы определить содержание радионуклидов в растениях. Предложена технология восстановления почв степной зоны, загрязненных радионуклидами. На загрязненных участках предполагается выращивание специально подобранных видов растений степной зоны, обладающих свойством накапливать значительное количество радионуклидов, для извлечения из почвы радионуклидов корневой системой и максимального концентрирования их в наземной биомассе и последующей ее уборке и утилизации. Использование в предлагаемом способе водных растворов нитрата аммония и микроорганизмов позволит интенсифицировать переход радионуклидов в растворимые формы для усвоения корневой системой растений, получения максимальной биомассы растений, аккумулирующих радионуклиды, и значительного сокращения вегетационного периода.

Материалы работы и результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении практических занятий для студентов специальности 280101.65 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» в учебном курсе «Система защиты среды обитания» и по специальным дисциплинам для студентов специальности 280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» в Оренбургском государственном университете, а также применяются Федеральным государственным учреждением Государственного центра агрохимической службы «Оренбургский» при мониторинге почвенно-растительных комплексов.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на первой Всероссийской научно-практической конференции «Здоровьесберегающие технологии в образовании» (Оренбург, 2003), на региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург, 2001-2003), на III съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Томск, 2004). На областной выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2003» за работу «Исследование накопления подвижных форм тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137, стронция-90 в почвенно-растительных комплексах» автор награжден дипломом лауреата (Оренбург, 2003).

По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 197 наименований. Общий объем диссертации составляет 142 страницы машинописного текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц и 13 приложений.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика оценки интенсивности миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю;

- методика оценки поступления радионуклидов в растения, разработанная на основе алгоритма самоорганизации, учитывающая содержание цезия-137 в растениях степной зоны и физико-химические параметры почв;

- математическая модель миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах, учитывающая процессы диффузии и сорбции твердой фазой почвы и корнями растений;

- алгоритм технологии восстановления почв, загрязненных радионуклидами, с использованием метода фитомелиорации, в сочетании химических и микробиологических факторов воздействия на почву и растения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи, теоретическая и практическая значимость, научная новизна работы.

В первой главе проведен обзор научной литературы, где рассматривается состояние изученности поведения радионуклидов в почвах и их поступление в растения. Проведен сравнительный анализ материалов исследований по оценке уровней глобальных выпадений и накопления в почве и растениях Cs-137 и Sr-90, наблюдаемых на территории России и Оренбургской области.

Во второй главе описаны механизмы поглощения радионуклидов почвами и профильной миграции радионуклидов в почве, а также на основе математического моделирования разработана модель миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах, учитывающая процессы диффузии, сорбции твердой фазой почв и корнями растений.

Миграция радионуклидов по профилю почвы происходит благодаря перемещению почвенных частиц, в состав которых они входят, за счет движения почвенной влаги, содержащей растворимые и коллоидные их формы. Сорбция радионуклидов осуществляется за счет разных процессов и может быть быстрой обменной и медленной необменной (Ефремов и др., 2005).

Теоретически и практически показано, что для миграции стронция справедлива модель обычных уравнений диффузии Фика с эффективным коэффициентом диффузии (Прохоров, 1981; Фрид, 1970). Для случая миграции цезия-137 из-за процессов необратимости и неравновесности сорбции нельзя использовать уравнение Фика для описания миграции.

Рассмотрим в качестве возможной модели почву как гетерогенную диффузионную среду, состоящую из двух фаз: фаза I – твердая фаза почвы, которая сорбирует ионы радионуклидов, фаза II – почвенный раствор. В начальный момент времени в почвенном растворе фазы II образовалась концентрация ионов Со. В процессе диффузии по профилю происходит сорбция радионуклидов на твердой фазе I и, кроме того, поглощение корневой системой растений (Ефремов, 1997).

Запишем уравнение, учитывающее диффузию, процессы сорбции твердой фазой почвы и корнями растений для почвенного раствора, предполагая, что концентрация меняется по профилю:

, (1)

где Со - концентрация ионов радионуклидов в водном растворе в момент t в точке с координатой х;

Dх - коэффициент диффузии радионуклидов по профилю;

k - коэффициент, учитывающий неоднородность потока диффузии из-за изменения сечения;

- константа скорости сорбции радионуклидов твердой фазой почвы;

- константа поглощения радионуклидов корневой системой растений.

Дополним уравнение диффузии уравнением материального баланса для переноса вещества из жидкой фазы в твердую (почвенную и корневую систему):

, (2)

, (3)

где - концентрация радионуклидов в твердой фазе (почвенными частицами) в момент времени t;

- концентрация радионуклидов в твердой фазе (корневой системе);

- объемные доли жидкой, твердой фазы и корневой системы.

Сорбцию радионуклидов твердой фазой почвы и корневой системой описали уравнения (2) и (3). Изменение концентрации в жидкой фазе за счет процессов сорбции определим:

, (4)

откуда при и получим:

. (5)

С учетом уравнения (2) и (3) имеем:

(6)

. (7)

Интегрируя (6) и (7), получим:

, (8)

. (9)

При стационарном режиме при получим:

Выразим из уравнений (10) :

, (11)

. (12)

Приравняем правые части (11) и (12):

, откуда . (13)

Обозначим коэффициент пропорциональности между и как

. (14)

Как видно из соотношения (14), пропорционален отношению скорости сорбции радионуклидов твердой фазы почвы и корневой системой растений.

Получим . (15)

Коэффициент пропорциональности - коэффициент накопления радионуклидов в растениях. Таким образом, теоретически нами получена линейная зависимость между концентрацией радионуклидов в почве и растении.

В третьей главе изложена общая методика эксперимента, включающая в себя методы измерения мощности дозы гамма-излучений; отбора проб почвы и пробоподготовку; отбора проб растений и пробоподготовку; определения радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в пробах растений и почвы, определения физико-химических свойств почв; статистической обработки результатов измерений и регрессионного анализа на основе группового учета аргументов.

При анализе почвенного покрова Оренбургской области для исследования выделили следующие типы почв: черноземы типичные, обыкновенные, южные и темно-каштановые почвы, преобладающие по площади распространения. Данные типы почв занимают до 70% территории Оренбургской области.

В местах отбора проб почвы замерялась мощность дозы гамма-излучения, которая изменяется в пределах от 10 до 15 мкР/ч. Данные значения укладываются в предел колебаний естественного гамма-фона, характерного для Оренбургской области.

Характер и размеры вертикальной миграции радиоактивных веществ Sr-90 и Cs-137 в почвенном профиле исследовались пошагово с интервалом 0-5, 5-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см для почв естественных экосистем и на глубину пахотного слоя (0-30 см) для почв агроэкосистем. Растительные пробы отбирались на тех же участках, что и пробы почв.

Для определения качественного и количественного состава стронция-90 и цезия-137 проводили радиохимическое и спектрометрическое исследование полученных образцов почвы и растительности на базе агрохимлаборатории.

Исследуемые почвы подвергались физико-химическому анализу для определения следующих характеристик: рН, гумус, К2О, Р2О5, Са+2, Мg+2, К+, Na+, сумма катионов, НСО3-, Cl-, SO4-2, сумма анионов, % солей, а также содержания микроэлементов F, S, Zn, Cr, Cu, Mn, Ni, Cd, Pb, As, Hg.

Проведена статистическая обработка результатов лабораторных анализов, определены среднее значение, дисперсия, стандартное отклонение, использованы регрессионный, корреляционный анализы, а также метод группового учета аргументов.

В четвертой главе изложены результаты изучения вертикальной миграции радионуклидов цезия-137 и стронция-90 по почвенному профилю и разработана методика оценки интенсивности вертикальной миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю.

На всей обследованной территории суммарная концентрация цезия-137 выше стронция-90. Процесс вертикальной миграции цезия-137 по почвенному профилю для естественных экосистем идет интенсивнее, чем таковой стронция-90.

В результате проведенного регрессионного анализа получено уравнение регрессии экспоненциального вида (16), позволяющее оценить динамику профильной миграции радионуклидов цезия-137 и стронция-90:

, (16)

где - концентрация радионуклидов Cs-137 и Sr-90 на поверхности, Бк/кг;

- постоянная, характеризующая миграционные способности радионуклида и зависящая от физико-химических свойств почв (положительное значение характеризует уменьшение концентрации радионуклида по профилю, отрицательное значение – увеличение содержания);

- почвенный профиль, см.

Методика оценки интенсивности вертикальной миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю позволяет прогнозировать динамику профильной миграции с помощью постоянной и заданной концентрации радионуклидов на поверхности почвы.

Уравнения регрессии, характеризующие концентрационные изменения Сs-137 по профилю:

для чернозема обыкновенного;

для темно-каштановой почвы;

для чернозема типичного;

для чернозема южного;

для чернозема южного неполноразвитого щебневатого.

Уравнения регрессии, характеризующие концентрационные изменения Sr-90 по профилю:



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.