СПОСОБ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОЧВ, ГРУНТОВ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/167 

Предлагаемое изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано при радиоэкологическом мониторинге территорий, в частности для определения радиационного фона почв, грунтов и донных отложений с учетом их состава на территориях различных регионов.

Известен способ определения радиационного фона при исследовании грунтов, в котором значения измеренной удельной суммарной альфа- и бета-активности проб грунта с определяемым соотношением глины и песка сравниваются с доверительным интервалом удельной суммарной альфа- и бета-активности, рассчитанным по результатам измерений модельных проб, и по результатам сравнения делается заключение о принадлежности измеренных значений полю фоновых или аномальных значений [1].

Известен способ подготовки к радиометрическим и гамма-спектрометрическим измерениям проб почв, позволяющий определить в пробе соотношение песка, глины и органики и создать объемную модель фоновых значений радиационных параметров проб почвы с любым соотношением указанных компонентов [2].

Недостатками известных способов является то, что в них не учитывается минеральный состав почвы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ радиоэкологического мониторинга промышленного региона, в котором осуществляют пробоотбор атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности; пробоподготовку путем полного разложения проб высокочастотным нагревом; оценку альфа- и бета-активности, при превышении в пробе альфа- и/или бета-активности в два раза по отношению к среднему значению удельной активности пробу направляют на дополнительные анализы на альфа- и/или гамма-спектрометры, при этом определяют количественные и качественные содержания радионуклидов, а также определяют содержания трития, углерода-14 и никеля-63 на низкоэнергетическом жидкосцинтилляционном анализаторе, записывают результаты измерения в аналитическую базу данных, размещенную на файл-сервере информационно-аналитической системы, в которой в качестве базового набора инструментальных средств разработки этой системы выбран пакет MS Office, в который составной частью входит MS Access, по результатам обработки проводят оценку радиоэкологической обстановки региона на основе геоинформационной системы путем построения электронных карт полей распределения радиационных характеристик и выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов, определяя состояние радиационной обстановки на территории промышленного региона [3].

Недостатком известного способа является то, что при его реализации не учитывается зависимость радиационных параметров почвы, грунта и донных отложений от вещественного состава, что не позволяет провести корректную интерпретацию результатов измерений.

Поскольку важнейшей задачей радиоэкологического мониторинга является нахождение площадей с радиационным загрязнением, возникает необходимость обоснованного определения фоновых значений радиационных параметров - радиационного фона - почв, грунтов и донных отложений при любом вещественном составе для сравнения с этими значениями измеренных радиационных параметров проб почв, грунтов и донных отложений на исследуемой территории.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение достоверности определения радиационного фона почв, грунта и донных отложений при любом их вещественном составе при проведении радиоэкологического мониторинга и точности оценки радиационного состояния территории, на которой проводится радиоэкологический мониторинг.

Для достижения технического результата и предлагается данный способ, в котором осуществляют пробоотбор почвы, грунта и донных отложений, пробоподготовку, измерение радиационных параметров проб почв, грунта и донных отложений, запись данных измерений в аналитическую базу данных и автоматизированную обработку результатов измерений.

Согласно изобретению перед измерением радиационных параметров проб почвы, грунта и донных отложений проводят качественное и количественное определение компонент их состава, выбирают наименее активные по радиационным параметрам образцы сравнения, соответствующие этим компонентам, измеряют радиационные параметры образцов сравнения и определяют фоновые значения радиационных параметров для каждой пробы по формуле

где А_ф - фоновое значение радиационного параметра почвы, грунта, донных отложений;
а_i - значение радиационного параметра образца сравнения компоненты почвы, грунта, донных отложений;
d_i - содержание компоненты (относительные единицы) в пробе почвы, грунта донных отложений;
i= 1,2,..., m - число компонент почвы, грунта, донных отложений, а после измерений радиационных параметров проб почвы, грунта и донных отложений проводят сравнение измеренных значений с соответствующими им фоновыми значениями, полученными для каждой пробы по формуле [1], по результатам сравнения относят исследуемую почву, грунт, донные отложения к аномальной в случае, если измеренные значения радиационных параметров превышают сумму фонового значения, рассчитанного по формуле [1], и утроенного среднеквадратичного отклонения радиационных параметров, рассчитываемого по формуле

где δ_ai - случайная погрешность измерения радиационного параметра образца сравнения компоненты;
δ_di - случайная погрешность определения содержания компоненты в пробе.

Сущность изобретения. До последнего времени в радиоэкологическом мониторинге распространена практика отнесения к фоновым значениям радиационных параметров - удельной суммарной альфа- и бета-активности, а также удельной активности гамма-излучающих радионуклидов - таких значений, которые превышают сумму среднего и двух среднеквадратических отклонений σ. Под средним значением радиационного параметра понимается сумма измеренных значений по всем точкам опробования, отнесенная к числу этих точек. При этом не учитываются различия очень важных характеристик усредняемых проб, такие как степень дисперсности вещества пробы и различное соотношение компонент - минеральных фаз, органических и комплексообразующих соединений. Необходимость определения вещественного состава почвы, грунта и донных отложений (в дальнейшем описании - "почва") диктуется экспериментально установленным фактом, в соответствии с которым компоненты почвы характеризуются различной степенью аккумуляции радионуклидов, что и определяет вариации радиационных параметров почв.

Так, проведенными гамма-спектрометрическими измерениями важнейших компонент почвы - каолинита, кварца и органического вещества, например торфа, установлены различия активностей гамма-излучающих радионуклидов в них (таблица 1).

Приведенные в таблице 1 значения удельных активностей гамма-излучающих радионуклидов подтверждают радиационные различия компонент почв. Кварц как минерал с простой кристаллохимической структурой характеризуется минимальными значениями радиационных параметров. Высокая удельная активность калия-40 в каолините связана с высоким содержанием в нем калия, а цезий обнаруживает повышенное сродство к органическому веществу.

Радиационные различия отдельных компонент донных отложений показывает таблица 2.

Простая структура карбоната, слагающего раковины моллюсков, обусловливает минимальные значения радиационных параметров, тогда как эти значения для глины, отличающейся высокой сорбционной способностью, наоборот, максимальны. Повышенные значения ∑β в органическом веществе объясняются значительным содержанием калия.

Необходимость определения радиационного фона почвы с учетом ее вещественного состава заключается в следующем. Определенная связь между минеральным и гранулометрическим составом почвы существует. Однако следует учитывать, что одни и те же гранулометрические фракции могут иметь различный вещественный состав (таблица 3).

Анализ данных таблицы 3 подтверждают тот факт, что радиационные параметры реальной пробы существенно кварцевого песка значительно (до порядка) ниже радиационных параметров отдельных компонент полиминерального песка. Так, полевой шпат характеризуется высокой удельной активностью ⁴⁰К благодаря наличию калия в кристаллической структуре минерала, а повышенная удельная активность ²³⁸U в гематите связана с высокой сорбционной емкостью гидроокислов железа.

Аналогично, чем больше в глинистой фракции высококалиевых глинистых минералов, тем большей бета-активностью она будет обладать. Чистый кварцевый песок содержит незначительное количество альфа-, бета- и гамма-излучателей, тогда как песок с монацитом (СеРO₄) обязательно характеризуется повышенной активностью, обусловленной ураном и торием, которые изоморфно замещают церий в кристаллохимической структуре минерала.

В понятие "органическое вещество" также входят различные классы и виды органических соединений (гуматы, битумоиды, смолы, асфальтены и др.), которые в силу различных физико-химических свойств в разных формах и количествах аккумулируют радионуклиды.

Поэтому результатом определения вещественного состава почвы должно быть выявление такого набора компонент, который при правильно рассчитанной сети пробоотбора исчерпывающе характеризует вещественный состав почв исследуемого региона.

Под термином "вещественный состав почвы" понимается соотношение песчаной и глинистой составляющих, соотношение минеральных фаз и классов органических соединений, соотношение минералообразующих и комплексообразующих соединений, в т. ч. органических, соотношение химических элементов. Компоненты вещественного состава должны отвечать следующим требованиям:
- значимые различия радиационных параметров;
- наличие образцов сравнения для каждой компоненты почвы;
- относительная простота определения.

Количество образцов сравнения соответствует набору компонент почвы. При выборе образцов сравнения следует иметь в виду, что они должны характеризоваться минимальными значениями радиационных параметров (содержаниями альфа-, бета- и гамма-излучающих нуклидов).

Результаты измерений радиационных параметров образцов сравнения вместе с известными содержаниями в пробе почвы отдельных ее компонент и позволяют смоделировать фоновые значения указанных параметров путем суммирования произведений содержания компоненты в почве на значение радиационного параметра, полученное при измерении образца сравнения этой компоненты (относительных вкладов каждой компоненты):

где А_ф - фоновое значение радиационного параметра почвы, грунта, донных отложений;
а_i - значение радиационного параметра образца сравнения компоненты почвы, грунта, донных отложений;
di - содержание компоненты (относительные единицы) в пробе почвы, грунта, донных отложений;
i=1,2,..., m - число компонент почвы, грунта, донных отложений.

В случае, если измеренное значение радиационного параметра пробы почвы превышает фоновое для конкретного соотношения компонент в этой пробе более, чем на величину утроенного среднеквадратичного отклонения, рассчитываемого по формуле

где δ_ai - случайная погрешность измерения радиационного параметра образца сравнения компоненты;
δ_di - случайная погрешность определения содержания компоненты в пробе - проба считается аномальной.

В результате по полученному при измерении пробы почвы (грунта, донных отложений) значению его радиационного параметра и по определенному компонентному составу этой пробы судят о ее принадлежности почвам (грунтам, донным отложениям) с фоновым уровнем радиационного параметра.

Техническим результатом предложенного способа является повышение достоверности определения радиационного фона почв, грунтов и донных отложений при любом их составе. Достоверность способа состоит в том, что измеренные значения радиационных параметров проб указанных объектов окружающей среды не обрабатываются в качестве единой статистической совокупности, а сравниваются с теоретически рассчитанными фоновыми значениями, причем основой расчета служат радиационные параметры образцов сравнения, представленных природным материалом. В силу этого применение данного способа позволяет более точно оценивать радиационное состояние территории, на которой проводится радиоэкологический мониторинг. Способ универсален: он может быть использован в любых географических условиях, на территории любого региона при опробовании различных видов почв, грунта и донных отложений.

Кроме того, способ позволяет:
- прогнозировать радиационное состояние территории, на которой проводится радиоэкологический мониторинг;
- определять радиационный фон любых объектов окружающей среды, компоненты которых различаются по радиационным характеристикам;
- оценивать "радиационную емкость" различных компонент почвы, т.е. их способность аккумулировать в той или иной форме природные и искусственные радионуклиды;
- использовать результаты сравнения радиационных характеристик одних минералов из разных регионов в поисковых целях.

Пример осуществления. При проведении радиоэкологического мониторинга г. Москвы по сети масштаба 1:300000 из общего числа отобранных проб почвы было взято пять контрольных проб. Количественный и качественный состав проб был получен рентгеновским количественным фазовым анализом (таблица 4).

Затем были подобраны соответствующие полученным компонентам образцы сравнения с низкими значениями радиационных параметров. На радиометре НТ-1000 были измерены величины удельной суммарной альфа- и бета-активности, а на гамма-спектрометрическом комплексе Genie-2000 были измерены удельные активности гамма-излучающих радионуклидов для образцов сравнения, соответствующих перечисленным в таблице 4 компонентам (таблица 5).

По формуле [1] были рассчитаны фоновые значения радиационных параметров (А_ф) пяти почв, а по формуле [2] - их среднеквадратические отклонения σ. Результаты расчетов приведены в таблице 6.

Затем контрольные пробы (наряду с остальными) были подготовлены для измерений измельчением и ситованием до получения материала с крупностью зерен менее 2 мм и измерены аналогично образцам сравнения (таблица 7).

Полученные результаты были занесены в базу данных для последующей автоматизированной обработки. Результаты сравнения измеренных значений радиационных параметров с фоновыми приведены в таблице 8.

Под предельным фоновым значением Ф_м понимается расчетная сумма фонового значения и утроенного среднеквадратичного отклонения.

При расчете суммарной погрешности σ_ф предполагалось, что погрешность измерений радиационных параметров образцов сравнения составляет 10%, погрешность определения массового содержания каждой компоненты составляет 20%.

Из таблицы следует, что при использовании в данном способе наименее активных по радиационным параметрам образцов сравнения все пять проб следует считать аномальными, тогда как статистическая обработка результатов измерений этих же проб известным способом позволяет отнести эти пробы к фоновым за исключением пробы 1111-6, для которой измеренное значение удельной активности ¹³⁷Cs 34 Бк/кг превышает сумму среднего и трех среднеквадратических отклонений, равную 27 Бк/кг.

Обращает на себя внимание значительный разброс величин большинства измеренных параметров, а также значительное превышение измеренных величин над предельными расчетными. Оба эти факта объясняются тем, что почвенный слой московского мегаполиса, в котором отбирались контрольные пробы, давно перестал быть нормальной экосистемой с близким к природному радионуклидным составом. Характер и степень отклонения этого состава от природного зависят от целого ряда факторов: перемещение грунтов при строительных работах, нарушение гидрогеологического режима и первичных свойств грунтов и почв при прокладке подземных коммуникаций, атмосферные выпадения и др.

Можно с высокой долей вероятности предположить, что если бы за образцы сравнения взять компоненты, выделенные из почв при полном вещественном анализе, измеренные значения радиационных параметров почвы были бы значительно ближе к расчетным.

Преимуществом предложенного способа по сравнению с известными является повышение достоверности определения фоновых значений радиационных параметров почв, грунтов и донных отложений на базе сравнения с расчетными фоновыми значениями радиационных параметров, что позволяет более точно оценивать радиационное состояние контролируемой территории. Кроме того, способ позволяет прогнозировать радиационное состояние территории, на которой проводится радиоэкологический мониторинг; определять радиационный фон любых объектов окружающей среды, компоненты которых различаются по радиационным характеристикам; оценивать "радиационную емкость" различных компонент почвы, т. е. их способность аккумулировать в той или иной форме природные и искусственные радионуклиды; использовать результаты сравнения радиационных характеристик одних минералов из разных регионов в поисковых целях. Способ прост, не требует дополнительной дорогостоящей аппаратуры и применим в любых географических условиях, на территории любого региона при опробовании различных типов почв, грунтов и донных отложений. Способ может успешно применяться в системе предприятий "Радон".

Литература
1. Габлин В.А., Беланов С.В. и др. К проблеме фона в радиоэкологических исследованиях. АНРИ, 2000, 2.

2. Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров. М.: Институт эколого-технологических проблем, 2000, вып.7, т. 2.

3. Патент РФ 2112999, МПК G 01 V 9/00, G 01 T 1/167 (прототип).

Использование: в службах радиоэкологического мониторинга для выделения в пределах исследуемого региона участков почв (грунтов, донных отложений) с повышенными радиационными параметрами. Сущность: в способе качественно и количественно определяют компоненты состава проб почвы, грунта, донных отложений, выбирают соответствующие этим компонентам наименее активные по радиационным параметрам образцы сравнения, измеряют их радиационные параметры и определяют фоновые значения радиационных параметров для каждой пробы, измеряют радиационные параметры пробы почвы (грунта, донных отложений) и по результатам их сравнения с соответствующими им фоновыми значениями относят почву (грунт, донные отложения) к аномальной в случае, если измеренные значения превышают сумму фоновых значений и утроенного среднеквадратичного отклонения. Технический результат - повышение достоверности определения радиационного фона и точности оценки радиационного состояния контролируемого объекта. 8 табл.

Способ радиоэкологического мониторинга почвы, грунта и донных отложений, включающий пробоотбор почвы, грунта и донных отложений, пробоподготовку, измерение радиационных параметров проб почвы, грунта и донных отложений, запись данных измерений в аналитическую базу данных и автоматизированную обработку результатов измерений, отличающийся тем, что перед измерением радиационных параметров проб почвы, грунта и донных отложений проводят качественное и количественное определение компонент их состава, выбирают наименее активные по радиационным параметрам образцы сравнения, соответствующие этим компонентам, измеряют радиационные параметры образцов сравнения и определяют фоновые значения радиационных параметров для каждой пробы по формуле

где А_ф - фоновое значение радиационного параметра почвы, грунта, донных отложений;

а₁ - значение радиационного параметра образца сравнения компоненты почвы, грунта, донных отложений;

d_i - содержание компоненты (относительные единицы) в пробе почвы, грунта, донных отложений;

i=1,2,..., m - число компонент почвы, грунта, донных отложений,

а после измерений радиационных параметров почвы, грунта, донных отложений проводят сравнение измеренных значений радиационных параметров с соответствующими им фоновыми значениями, полученными для каждой пробы по формуле [1], по результатам сравнения относят исследуемую почву, грунт, донные отложения к аномальной в случае, если измеренные значения радиационных параметров превышают сумму фонового значения, рассчитанного по указанной формуле [1], и утроенного среднеквадратичного отклонения радиационных параметров, рассчитываемого по формуле

где δ_ai - случайная погрешность измерения радиационного параметра образца сравнения компоненты;

δ_di - случайная погрешность определения содержания компоненты в пробе.