Способ определения и прогнозирования объема радиоактивного грунта Российский патент 2022 года по МПК G01T1/169 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области экологии, а именно к определению и прогнозированию объема грунта, подвергшегося радиоактивному загрязнению, выявлению приоритетных для восстановительных мероприятий участков радиоактивно загрязненных территорий путем прогнозных оценок интенсивности миграции техногенных радионуклидов в поверхностном слое грунта по измерениям его физико-химических параметров и уровней радиоактивного загрязнения на первоначальном этапе формирования радиоактивного следа в результате техногенной аварии.

Технический уровень

Снижение содержания радионуклидов в грунте осуществляют путем удаления радиоактивно загрязненного слоя или внесением специальных сорбционных или дезактивирующих растворов. Недопущение увеличения объемов радиоактивно загрязненных грунтов способствует снижению материальных затрат на проведение работ по восстановлению окружающей среды в районах техногенных аварий.

Известны математические численные модели прогноза миграции техногенных радионуклидов в различных грунтах [1-5], например:

где A_B - активность радионуклида в поровом растворе, Бк/м³;

А_П - активность радионуклида в почвенном поглощающем комплексе, Бк/м³;

γ - постоянная распада, 1/с;

k - коэффициент диффузии воды, м²/с;

k_ф - коэффициент фильтрации, м/с;

Р₀ - высота условного поднятия капиллярной влаги, м;

Р - капиллярное давление в единицах водного столба;

h - напор, м;

Т - температура, К;

D - коэффициент конвективной диффузии примеси, м²/с;

с - удельная теплоемкость грунта, Дж/(кг⋅К);

λ - теплопроводность, Вт/(м⋅К);

W - суммарная влажность почвы, %;

V - скорость фильтрации, м/с;

δ - символ Кронекера.

Идентификация теплофизических параметров с, λ может быть осуществлена по замерам температуры на множестве точек в моменты времени τ путем поиска минимума целевого функционала

J(c, λ)=||T{с, λ)-Т_э||G,

где Т(с, λ) - расчетные значения;

Т_э - замеренные значения;

G - обследуемая область.

Как видно из приведенных зависимостей, исходными данными для моделей миграции техногенных радионуклидов в поверхностном слое грунта служат теплофизические и массообменные характеристики грунтов, их физико-химические свойства, гидрогеологические условия местности, метеорологические условия, радионуклидный состав радиоактивного загрязнения территории, включая постоянные распада, активность радионуклидов.

Скорость проникновения радионуклидов в грунт в значительной степени определяется интенсивностью влаго- и теплопереноса, зависящих от гидрометеорологических условий: влажности и температуры грунта и воздуха, атмосферного давления. Известны способы восстановления теплофизических и массообменных характеристик грунтов по измерениям его температуры с заданной дискретностью по площади и времени путем решения обратной задачи [2].

Одним из механизмов закрепления радионуклидов в грунте является ионный обмен, который зависит от его химического состава. Сорбционная способность грунтов возрастает с увеличением дисперсности их механических элементов и их впитывающей способности. Например, глубина и скорость миграции радионуклидов возрастают в грунтах, имеющих более легкий механический состав и содержащих меньшее количество органических веществ [6]. Существенно изменяет картину проникновения радионуклидов в грунт наличие осадков.

Таким образом, для оценки интенсивности проникновения радионуклидов в грунт на радиоактивно загрязненной территории требуется провести измерения температуры и влажности грунта и воздуха, активности и радионуклидного состава загрязнений в динамике их изменения по времени, а также отобрать пробы грунта с целью определения его морфологических свойств, таких как пористость, дисперсность, минерализация.

Для определения температуры воздуха и грунта применяют терморезистивные датчики или полупроводниковые датчики температуры. Измерения резистивных датчиков температуры основаны на изменении сопротивления при пропускании электрического тока, характеризуются высокой чувствительностью и стабильностью, датчики работают в широком диапазоне температур. Полупроводниковые интегральные датчики также работают в широком диапазоне температур и имеют высокую точность. Кроме того, такие датчики интегрируют схему усиления и обработки сигнала [7]. Например, микросхема DS18B20 фирмы Maxim преобразует температуру в цифровой код, не требует калибровки и позволяет измерять температуру окружающей среды от -55 до +125°С. В интервале -10…+85°С производитель гарантирует абсолютную погрешность измерения не хуже ±0,5°С.

Для определения количества влаги в грунте чаще применяют тензиометры и емкостные датчики. Тензиометр - прибор для определения капиллярной (матричной) составляющей потенциала почвенной влаги. Емкостные датчики работают по принципу классического конденсатора, у которого в воздушном зазоре содержится диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, способной сильно меняться под влиянием на него влажности. ООО «Радиотех» предлагает тензиометр, ключевым элементом которого является керамическая насадка, пропускающая воду в почву или принимающая влагу из почвы в корпус датчика. При изменении уровня воды в корпусе изменяется давление, которое отслеживается цифровым манометром. Датчик осуществляет автоматическую беспроводную передачу значений капиллярной составляющей потенциала почвенной влаги с заданной периодичностью на сервер [8]. Емкостные датчики могут иметь различное исполнение. Емкостный тонкопленочный гигрометр включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. Емкостной датчик влажности на керамической подложке включает нанесенный на нее полимер, расположенный между двумя проводящими электродами. Электронные емкостные модули влажности представляют собой законченные узлы, конструктивно выполненные на печатной плате (размером 47×10 мм). Доступны модули как с аналоговым выходом (по току и напряжению), так и с цифровым (I2C) [9].

Для целей сельского хозяйства используют комплексные устройства для измерения влажности и температуры почвы. В качестве примера может служить водонепроницаемый датчик температуры и влажности почвы серии SHT, исполненный в виде металлической гильзы с герметичным разъемным соединением, что позволяет отсоединять только саму сенсорную часть, не отключая кабельный интерфейс от микроконтроллера, что может быть полезно при обслуживании или замене датчика. Датчики SHT передают данные по 2-х проводному цифровому интерфейсу. Датчик Si7005 предназначен для измерения температуры и относительной влажности и выполнен по КМОП-технологии (полупроводниковая технология построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем), в качестве чувствительного элемента для измерения относительной влажности используется полимерный диэлектрик с низкой диэлектрической постоянной. Для управления датчиком Si7005 и приема измеренных данных температуры и влажности служит последовательный интерфейс IIC [10].

Датчики измерения влажности почвы TRIME PICO основаны на радарной технологии TRIME TDR и предназначены для измерения объемного или массового содержания воды, степени минерализации и температуры почв, грунтов и иных подобных пористых материалов. При заглублении датчика измеряется температура поверхностного слоя грунта. Устройства устанавливаются во вспомогательных погружаемых трубах из специальных пластмасс.

Для передачи данных от датчиковых систем могут применяться различные беспроводные технологии: Bluetooth, GSM, Wi-Fi и т.п. Например, для работы в мобильном варианте с сенсорами TRIME PICO применяются специализированные регистраторы данных, отображающие результаты замеров посредством технологии Bluetooth на экране смартфона или планшета. ООО «Современные радио технологии» предлагает модем «Стриж», основанный на технологии XNB, интегрированный с датчиком влажности грунта. XNB - энергоэффективный беспроводной протокол связи. XNB-устройства способны передавать информацию на расстояние до 40 км и при этом работать до 10 лет на одной батарее. Радиомодем обеспечивает связь там, где не доступен протокол GSM, обеспечивает 5000 одновременных сессий и высокую проникающую способность.

Электронные датчики, в том числе датчики температуры и влажности, чувствительны к высоким уровням радиационного излучения [11]. Радиационную защиту электронной компонентной базы можно обеспечить путем конструктивных решений цифровых микросхем [12]. Например, в патенте РФ 2322757 (МПК H03K 17/08, H01L 23/552; опубл. 20.04.2008) радиационная защита достигается тем, что предлагаемое конструктивное решение способствует уменьшению времени нахождения защищаемых микросхем в аварийной ситуации. Еще одним способом радиационной защиты является размещение электронной компонентной базы в корпусе, обеспечивающем достаточное ослабление ионизирующего излучения. Композиционный материал для защиты от радиации описан в Патенте РФ №2617755 (МПК В29С 70/88, B28D 1/00, В29С 65/54, C09J 5/04; опубл. 26.04.2017). Он включает полимерный компонент, слоистый силикат пластинчатой формы в виде слюды, в качестве полимерного связующего использованы эпоксидные, либо глифталевые, либо полиэфирные, либо кремнийорганические лаки, смолы, в качестве слюды выбраны пластины щипаного мусковита, подвергнутые физико-химической модификации путем выдержки его в нагретом растворе кислоты с добавлением трав, и пластины природного щипаного флогопита, которые соединены с помощью полимерного клеящего связующего в монолитный защитный материал.

Аналоги

Известно «Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы» (Патент РФ 2655944; МПК G01N 25/56, G01K 13/00, G01N 27/22, G01N 33/24; опубл. 30.05.2018). Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы включает блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему датчики параметров окружающей среды и передающий блок. Блок обработки данных выполнен в виде главного контроллера с встроенным аналого-цифровым преобразователем, датчики параметров окружающей среды выполнены в виде цифрового датчика температуры и, по меньшей мере, одного емкостного датчика влажности. В устройстве последовательно соединены контроллер питания, подключенный к блоку питания, ключ, импульсный преобразователь и линейный преобразователь, выход которого подключен к емкостным датчикам влажности, выход импульсного преобразователя соединен с цифровым датчиком температуры, главным контроллером и передающим блоком, а выход главного контроллера подключен к управляющему входу контроллера питания. Емкостный датчик влажности включает высокочастотный генератор, подключенный к измерительной и компенсационной схемам, дифференциальный усилитель и инвертирующий усилитель. Измерительная схема содержит измерительный конденсатор, емкость которого зависит от влажности грунта, и первый амплитудный детектор, компенсационная схема содержит подстроенный конденсатор и второй амплитудный детектор, выходы амплитудных детекторов подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого через инвертирующий усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя главного контроллера.

Недостатком устройства является отсутствие датчиков контроля параметров атмосферы и радиационных факторов.

Известен влагомер почвы, предназначенный для повышения достоверности и точности измерений влажности почвы в полевых условиях при движении транспортного средства, несущего влагомер (Патент РФ 49270; МПК G01N 27/07; опубл. 10.11.2005). Влагомер почвы состоит из устройства заглубления, ограничителя, двух измерительных электродов, источника постоянного тока, измерителя проводимости, усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора. Конструкция влагомера почвы позволяет автоматизировать процесс измерений, обработки информации и документирования.

Однако данным способом невозможно обеспечивать долговременный контроль параметров почвы в изменяющихся метеорологических и радиационных условиях.

Известно «Беспроводное устройство для контроля микроклимата почвы» (Патент РФ 2664680; G01N 27/00(2006.01); опубл. 21.08.2018). Сущность изобретения заключается в том, что корпус устройства выполнен из коаксиально установленных внешней и внутренней труб, при этом на каждом из торцов внешней трубы установлены заглушки, одна из них выполнена в виде остроконечного конуса и служит для заглубления устройства в грунт, а вторая закрывает верхнюю часть устройства. Внешняя, внутренняя трубы и заглушки выполнены из полимерного материала. Вдоль внутренней полости внутренней трубы размещены взаимосвязанные антенна, измерительно-передающая часть в виде печатной платы с размещенными на ней микроконтроллером и радиомодулем, автономный источник питания и емкостные датчики влажности почвы.

Недостатком устройства является отсутствие контроля динамики изменения радиационных факторов в месте установки датчика.

Известна «Система и способ мониторинга температур протяженных объектов» (Патент РФ 2459954; МПК Е21В 47/12, G01K 7/14; опубл. 20.03.2012). Система мониторинга температур протяженных объектов содержит температурные датчики, средство сбора данных, поступающих от протяженного объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно протяженного объекта и предназначенный для приема и оценки данных. Согласно изобретения в систему мониторинга температур протяженных объектов дополнительно введены сети Ethernet и Internet, сетевой концентратор, температурные датчики, каждый из которых размещен в отдельном защитном корпусе и снабжен интегрированным в него интерфейсом. Температурные датчики соединены между собой гибким кабелем и образуют m термокос с n_m количеством температурных датчиков в каждой.

Недостатком данного изобретения является то, что система ориентирована на измерение только температурного режима грунтов и предусматривает обязательное бурение скважин на глубину установки температурных датчиков.

Рассмотренные устройства и системы не предназначены для эксплуатации в условиях повышенного радиационного фона.

Прототип

Наиболее близким аналогом является «Способ определения объема радиоактивного грунта» (Патент РФ 2459298; G21F 9/28; опубл. 20.08.2012). Способ заключается в определении границ радиоактивно загрязненной территории, построении триангуляционных моделей верхней и нижней ограничивающих искомый объем поверхностей, построении трехмерной модели искомого объема и расчете объема. В качестве верхней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, составленную на основе геодезического исследования. В качестве нижней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель условной поверхности, определяемой глубиной загрязнения грунта, в качестве которой принимают мощность грунта над твердыми геологическими породами, определенную путем георадарного исследования или дозиметрического контроля скважин, пробуренных на радиоактивно загрязненной территории. При реализации способа вначале проводят радиационное обследование поверхности земли с целью определения границ радиоактивно загрязненной территории. Затем проводят геодезическое обследование территории с целью определения рельефа территории, строят с помощью компьютерной программы триангуляционную модель верхней ограничивающей объем грунта поверхности. Нижнюю границу радиоактивного грунта определяют путем бурения контрольных скважин для определения глубины заражения с помощью дозиметрического контроля. При помощи дозиметрических исследований определяют глубину загрязнения грунта для каждой из скважин, после чего на основании полученных данных строят трехмерную модель загрязненной территории для оценки загрязненности на поверхности и в вертикальном профиле грунтов. По результатам указанных выше измерений строят триангуляционную модель нижней ограничивающей объем грунта поверхности. С помощью компьютера строят трехмерную модель искомого объема и рассчитывают его объем. Способ расчета основан на трехмерном объемном моделировании требуемой территории в метрической системе координат с последующим вычислением величины объема. Объем загрязненного грунта рассчитывается как объем сложной фигуры, являющийся произведением площади загрязненной поверхности на глубину загрязнения.

Недостатками прототипа является то, что расчет осуществляют после окончательного формирования границ радиоактивного загрязнения, и он может применяться только на завершающей стадии ликвидации последствий техногенной аварии - при проведении восстановительных мероприятий.

Техническая проблема - снижение затрат на мероприятия по восстановлению территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению.

Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении затрат на мероприятия по восстановлению территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению, за счет повышения точности определения и прогнозирования объемов радиоактивного грунта на различные моменты времени и определения районов, приоритетных для проведения восстановительных мероприятий.

Способ достижения технического результата

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе снижение затрат на проведение работ по восстановлению окружающей среды при техногенной аварии достигается путем динамического прогнозирования объема радиоактивно загрязненного грунта и ранжирования участков радиоактивно загрязненной территории по приоритетности для восстановительных мероприятий.

Способ заключается в построении трехмерной модели радиоактивно загрязненного грунта, расчете его объема и определении участков радиоактивно загрязненной территории, приоритетных для восстановительных мероприятий. В качестве верхней ограничивающей поверхности используют модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, составленную по данным геоинформационной системы. В качестве нижней ограничивающей поверхности выступает прогнозируемая на заданное время после аварии глубина проникновения радионуклидов в грунт. При реализации способа вначале осуществляют предварительный прогноз радиационной обстановки в районе аварии с учетом метеоусловий для предварительного определения границ радиоактивно загрязненной территории. Проводят анализ топографических и гидрологических особенностей местности с привлечением геоинформационных технологий для построения верхней ограничивающей искомый объем поверхности и выбора сети установки заглубленных в грунт датчиков измерения параметров атмосферы и грунта (ДИПАГ). После формирования радиоактивного следа проводят радиационное обследование территории с установкой ДИПАГ, обеспечивающих непрерывные гидрометеорологические и дозиметрические измерения, и отбором проб грунта для проведения лабораторного спектрометрического, радиометрического и морфологического анализа. Получаемые от ДИПАГ данные измерений температуры грунта и воздуха, влажности грунта и воздуха, капиллярного давления в грунте, мощности дозы на поверхности грунта передают на пункт сбора и обработки данных по беспроводному каналу связи. По результатам измерений ДИПАГ и анализа проб грунта прогнозируют глубину и динамику проникновения радионуклидов в поверхностный слой грунта на заданные временные отрезки по известным численным моделям переноса примесей в различных грунтах [1, 2]. По результатам указанных выше измерений строят модель сформировавшейся нижней ограничивающей объем радиоактивно загрязненного грунта условной поверхности. На основании полученных данных о скорости и глубине проникновения радионуклидов в поверхностный слой грунта прогнозируют объемы радиоактивно загрязненного грунта на перспективу и определяют районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий. Установленными датчиками контролируют динамику проникновения радионуклидов в грунт в изменяющихся метеорологических условиях.

Сущность способа поясняется схемами, изображенными на фиг. 1, фиг. 2.

На фиг. 1 представлена схема организации мониторинга радиоактивно загрязненной территории, включающая ДИПАГ 1, комплект для отбора радиоактивных проб 2, мобильную химическую лабораторию 3, радиосеть в составе базовой станции 4, пункт сбора и обработки данных с электронно-вычислительным комплексом со специальным программным обеспечением в его составе 5.

На фиг. 2 представлено устройство датчика измерения параметров атмосферы и грунта, включающее радиационно стойкий корпус 6, ограничитель заглубления 7, электронные датчики температуры 8, датчик влажности воздуха 9, емкостной влагомер грунта 10, тензиометр 11, устройство беспроводной передачи данных 12, измеритель мощности дозы гамма-излучения 13, источник постоянного тока 14, программируемый блок управления датчика 15.

Известно, что показатели температуры и влажности грунта зависят от метеорологических условий, являются динамически изменяющимися по времени и пространству величинами и требуют постоянного мониторинга. Изотопный состав загрязнения в результате аварии, как правило, не изменяется со временем, а степень загрязнения может изменяться вследствие изменения параметров выброса или вторичных переносов радиоактивного загрязнения грунта, в связи с чем осуществляют периодические радиационные обследования загрязненных территорий.

Полные данные о неизменяемых параметрах модели переноса целесообразно получать по лабораторным исследованиям морфологических характеристик грунтов и спектрометрического и радиометрического анализа проб грунта.

Для контроля теплофизических характеристик грунта и контроля радиационной обстановки на местности устанавливают сеть датчиков. Установку ДИПАГ 1 и отбор проб грунта совмещают с проведением пешего или автомобильного радиационного обследования местности после формирования радиоактивного следа. Для установки ДИПАГ 1 и отбора проб грунта осуществляют анализ топографии и гидрологии местности с использованием геоинформационных технологий и выбирают участки как типичные для данной местности, так и области возможных радиационных аномалий (низины, поймы и т.п.). Точки для установки ДИПАГ 1 и отбора проб выбирают во внутренней области радиоактивно загрязненной местности с однотипным характером грунта и растительности и на границах смены.

ДИПАГ 1 выполняют из материала, обеспечивающего радиационную защиту его электронной компонентной базы с достаточной кратностью ослабления гамма-излучения. Для контроля глубины установки датчика его оборудуют ограничительным кольцом 7.

В верхней части датчика размещают электронные датчики температуры грунта 8.1 на уровне ограничительного кольца 7 и температуры воздуха 8.2 на уровне верхней крышки корпуса, датчик влажности воздуха 9 и устройство передачи данных 12 на базе беспроводных технологий с высокой проникающей способностью. Измеритель мощности дозы 13 размещают на внешней поверхности корпуса.

Для повышения точности оценки гидрофизических параметров целесообразно проводить прямые измерения влажности и капиллярного давления грунта. Для этого в заглубляемую часть ДИПАГ 1 включают емкостной электронный влагомер 10 и тензиометр 11. Кроме этого, в заглубляемой части размещают электронный датчик температуры грунта 8.3.

Измерительные датчики соединяют посредством цифрового интерфейса с программируемым блоком управления 15, который инициирует передачу данных при изменении температуры Δt, влажности ΔW, капиллярного давления ΔР и мощности дозы ΔD на заданное значение.

В корпусе датчика размещают автономный источник питания постоянного тока 14 длительного действия, например, литиевую аккумуляторную батарею питания со световым элементом.

Приемное устройство сбора телеметрических данных от сети ДИПАГ 1 размещают на пункте сбора и обработки данных с электронно-вычислительным комплексом со специальным программным обеспечением в его составе 5.

Приемное устройство данные ДИПАГ 1 транслирует на входной порт вычислительного комплекса пункта сбора и обработки данных 5 по проводному или беспроводному каналу. Режим приема-передачи запросно - спорадический.

В местах установки ДИПАГ 1 отбирают пробы грунта в объемах, необходимых для проведения лабораторного спектрометрического, радиометрического и морфологического анализа грунта. По данным навигационной системы фиксируют координаты места установки ДИПАГ 1 на электронной векторной карте геоинформационной системы и время в формате ДД.ЧЧ.ММ (с точностью до минуты).

Радиационные пробы для анализа отправляют в мобильную химическую лабораторию 3 служб ликвидации последствий аварии или доступные экологические, химические и радиометрические стационарные лаборатории согласно требованиям методических указаний по отбору радиоактивных проб.

В лабораторных условиях по результатам спектрометрического и радиометрического анализа определяют удельную активность и радионуклидный состав проб грунта. По результатам морфологического анализа определяют параметры дисперсности и пористости грунта, соленость грунта. Данные лабораторного анализа передают на пункт сбора и обработки данных с электронно-вычислительным комплексом со специальным программным обеспечением в его составе 5.

Специальным программным обеспечением электронно-вычислительного комплекса пункта сбора и обработки данных 5 восстанавливают необходимые теплофизические характеристики грунта и прогнозируют скорость и глубину проникновения радионуклидов в грунт на заданные временные отрезки известными способами [1-5]. Строят триангуляционную модель верхней и нижней ограничивающих искомый объем поверхностей и трехмерную модель искомого объема, в которой верхняя ограничивающая поверхность - модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, составленная по данным геоинформационной системы, нижняя поверхность -текущая и прогнозируемая на заданное время после аварии глубина проникновения радионуклидов в грунт. Для определения объема загрязненного грунта интегрируют объем полученной трехмерной области.

По результатам прогнозирования определяют районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий по наибольшим глубинам и динамике проникновения радионуклидов в грунт.

Долговременная установка датчиков позволяет отслеживать изменение динамики радиационных факторов и скорости проникновения радионуклидов в грунт в изменяющихся метеорологических условиях.

Способ осуществляется следующим образом:

1. По прибытию к месту аварии разворачивают пункт сбора и обработки данных с электронно-вычислительным комплексом со специальным программным обеспечением в его составе 5, мобильную химическую лабораторию 3.

2. Осуществляют предварительный прогноз радиационной обстановки в районе аварии, определяют границы радиоактивно загрязненной территории.

3. Планируют радиационное обследование района аварии, проводят анализ топографических и гидрологических особенностей территории по данным электронной векторной карты геоинформационной системы. По матрице высот электронной векторной карты геоинформационной системы строят триангуляционную модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории. По матрице качеств электронной векторной карты геоинформационной системы выделяют районы с однотипным характером грунта и растительности и районы возможных радиационных аномалий, вызванных особенностями рельефа: низины, поймы, наветренные районы возвышенностей и т.п.Выбирают места установки ДИПАГ 1 и отбора проб грунта.

4. Проводят пешее или автомобильное радиационное обследование загрязненной территории с одновременной постановкой ДИПАГ 1 и отбором проб грунта в выбранных точках. В паспорте пробы указывают точные координаты и время отбора пробы с точностью до минуты.

5. Доставляют пробы грунта в мобильную химическую лабораторию 3 или в доступные экологические, химические и радиометрические стационарные лаборатории в соответствие с действующими правилами отбора и доставки проб. Полученные по результатам лабораторного анализа данные о радионуклидном составе и активности загрязнения грунта, его морфологических характеристиках передают на пункт сбора и обработки данных со специальным программным обеспечением в его составе 5.

6. Сбор и обработку данных измерений, поступающих по радиоканалу от измерительных устройств ДИПАГ 1, осуществляют специальным программным обеспечением электронно-вычислительного комплекса пункта сбора и обработки данных 5 по мере поступления данных по радиоканалу. Определяют глубину проникновения техногенных радионуклидов на радиоактивно загрязненной территории в поверхностный слой грунта на заданное время для текущих метеорологических и радиационных условий по известным моделям переноса примеси. С помощью геоинформационных технологий формируют матрицу глубин проникновения радионуклидов в грунт и строят триангуляционную модель нижней ограничивающей объем радиоактивно загрязненного грунта условной поверхности.

7. Строят трехмерную модель искомого объема радиоактивного грунта, в которой в качестве верхней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, составленную по данным геоинформационной системы, а в качестве нижней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель условной поверхности, определяемую глубиной загрязнения грунта.

8. Объем полученной трехмерной области интегрируют с помощью специального программного обеспечения электро-вычислительного комплекса пункта сбора и обработки данных 5 для определения объема радиоактивно загрязненного грунта.

9. Ранжируют районы радиоактивно загрязненной территории по показателям глубины и динамики проникновения техногенных радионуклидов в грунт на задаваемое время после аварии и определяют районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий.

10. Мониторинг радиоактивно загрязненной территории с использованием ДИПАГ 1, определение приоритетных по глубине и динамике проникновения техногенных радионуклидов в грунт участков радиоактивно загрязненной территории осуществляют в течение времени, необходимого для проведения восстановительных мероприятий, по мере изменения контролируемых параметров на задаваемую величину.

Соответствие критерию «новизна»

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в отличие от известных способов позволяет определять и прогнозировать объемы радиоактивного грунта и определять районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий.

Соответствие критерию «изобретательский уровень»

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку анализ опубликованных научных статей, изобретений и технических решений показал, что заявленные способы определения и прогнозирования объемов радиоактивного грунта, образованного в результате техногенных аварий, не позволяют контролировать динамику проникновения радионуклидов в грунт в изменяющихся метеорологических условиях, прогнозировать объемы радиоактивного грунта, образующиеся на различных участках радиоактивно загрязненной местности, с временной перспективой и ранжировать участки радиоактивно загрязненной территории по приоритетности для восстановительных мероприятий.

Соответствие критерию «промышленная применимость»

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку предлагаемый способ определения и прогнозирования объема радиоактивного грунта может быть реализован средствами измерения параметров грунта и атмосферы, с помощью современных вычислительных технологий и известных технологий геоинформационных систем.

Реализация способа

ДИПАГ может быть выполнен с применением КМОП-технологий и включать полупроводниковые интегральные датчики температуры, интегрируемые в микросхему усиления и обработки сигнала, электронные емкостные модули влажности, конструктивно выполненные на печатной плате, тензиометр с керамической насадкой и манометром, которые должны быть размещены в нижней части датчика. Данные от измерительных устройств могут обрабатываться блоком управления, выполненным на базе большой интегральной схемы и формирующим кодограмму для передачи измеренных данных по беспроводному каналу связи, например, выполненному на основе технологии XNB. В качестве источника питания может быть использован автономный источник питания постоянного тока длительного действия, например, литиевая аккумуляторная батарея питания со световым элементом. Радиационная защита электронной компонентной базы от ионизирующего излучения может быть обеспечена корпусом, изготовленным на основе технологий композиционных материалов. Определение точек установки датчиков может быть совмещено с планированием радиационного обследования местности, установка датчиков и отбор проб грунта могут быть возложены на подразделения радиационного обследования местности аварийно-спасательных формирований, в задачи которых, в частности, входит отбор радиоактивных проб объектов окружающей среды. Формирование маршрута радиационного обследования местности и мест установки датчиков возможны с применением геоинформационных технологий путем создания пользовательских электронных карт, включающих пользовательские сведения о координатах установки датчиков, метеорологической и радиационной обстановке, матрице прогнозируемой глубины проникновения техногенных радионуклидов в грунт. Анализ проб грунта может быть выполнен мобильными химическими лабораториями штатных служб ликвидации последствий аварий или доступными экологическими, химическими и радиометрическими стационарными лабораториями.

Технико-экономическая эффективность

Определение районов, наиболее критичных по глубине и динамике проникновения техногенных радионуклидов в грунт, отслеживание динамики распространения радиоактивного загрязнения при техногенных авариях способствуют снижению затрат на восстановление территорий путем предотвращения распространения радиоактивного загрязнения и сокращения объемов радиоактивных отходов.

Список литературы

1. Истомин Д.И., Кораблева С.А. Носков М.Д. Математическое моделирование миграции радионуклидов в поверхностном слое грунта // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - №3. - С. 74-78.

2. Пермяков П.П., Аммосов А.П. Математическое моделирование техногенного загрязнения в криолитозоне. - Новосибирск: Наука, 2003. - 224 с.

3. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Зенич Т.С., Решетин В.А. Математическое моделирование вертикальной миграции в почве ^137,134Cs // Атомная энергия. - 1993. - Т. 74. - Вып. 3. - С. 223-230.

4. Махонько К.П., Медведев В.И. Вертикальная миграция и плотность загрязнения Cs почвы Южного Забайкалья // Атомная энергия. - 2000. - Т. 88. - Вып. 3. - С. 207-213.

5. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. - М.: Энергоиздат, 1981. - 97 с.

6. Мартюшов В.З., Рерих Л.М. Ландшафтно-геохимические особенности поведения плутония в почвенном покрове Восточно-уральского государственного заповедника // Вопросы радиационной безопасности. - 2007. - №5. - С. 91-99.

7. Сысоева С. Датчики температуры и влажности Honeywell - выбор для системной интеграции // Компоненты и технологии. - 2014. - №9. - С. 33-39.

8. Датчик влажности почвы. Руководство по эксплуатации RU.05858041.263023.206.01. - 2019. - 9 с.

9. Виноградов М. Емкостные датчики влажности фирмы IST AG // Компоненты и технологии. - 2011. - №1. - С. 22-24.

10. Долгушин С. Измеритель температуры и влажности на базе датчика Silicon Labs Si7005 и дисплейного модуля 4D Systems uLCD-43PT // Компоненты и технологии. - 2014. - №2. - С. 19-22.

11. Мироненко Л., Юдинцев В. Повышение радиационной стойкости интегральных схем. Конструктивные методы на базе промышленной технологии // Электроника. - 2012. - №8. - С. 74-87.

12. Мещуров О.В., Таперо К.И., Емельянов В.В. и др. Результаты исследований радиационной стойкости цифровых датчиков температуры DS18B20 при воздействии импульсного и стационарного ионизирующих излучений // Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2008. - №2. - С. 10-14.

Изобретение может быть использовано для определения и прогнозирования объема грунта, подвергшегося радиоактивному загрязнению. Сущность: определяют границы радиоактивно загрязненной территории. Строят триангуляционные модели верхней и нижней ограничивающих искомый объем поверхностей. Строят трехмерную модель искомого объема и рассчитывают этот объем. При этом в качестве верхней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, построенную с использованием данных электронной векторной карты геоинформационной системы. Для построения триангуляционной модели нижней ограничивающей поверхности устанавливают сеть датчиков измерения температуры грунта и воздуха, влажности грунта и воздуха, капиллярного давления в грунте, мощности дозы на поверхности грунта. В местах установки датчиков отбирают пробы грунта для последующего морфологического, радиометрического и спектрометрического анализа. По результатам измерений и анализа проб грунта определяют скорости и глубины проникновения техногенных радионуклидов в грунт с использованием моделей переноса примеси. Определенные глубины проникновения радионуклидов в грунт используют для построения триангуляционной модели нижней ограничивающей поверхности. На основании определенных скоростей и глубин проникновения радионуклидов в грунт прогнозируют объем радиоактивного грунта на заданные временные отрезки. Определяют районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий по наибольшим глубинам и скоростям проникновения радионуклидов в грунт. Технический результат: повышение точности определения и прогнозирования объёмов радиоактивного грунта на различные моменты времени. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения и прогнозирования объема радиоактивного грунта, заключающийся в определении границ радиоактивно загрязненной территории, построении триангуляционных моделей верхней и нижней ограничивающих искомый объем поверхностей, построении трехмерной модели искомого объема и расчете объема, в качестве верхней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель рельефа поверхности радиоактивно загрязненной территории, а в качестве нижней ограничивающей поверхности используют триангуляционную модель условной поверхности, определяемой глубиной загрязнения грунта, отличающийся тем, что с учетом топографических и гидрологических особенностей местности устанавливают сеть датчиков измерения температуры грунта и воздуха, влажности грунта и воздуха, капиллярного давления в грунте, мощности дозы на поверхности грунта, в местах установки датчиков отбирают пробы грунта для последующего морфологического, радиометрического и спектрометрического анализа проб грунта, по результатам измерений и анализа проб грунта определяют скорости и глубины проникновения техногенных радионуклидов в грунт с использованием моделей переноса примеси, при этом определенные глубины проникновения радионуклидов в грунт используют для построения триангуляционной модели нижней ограничивающей поверхности, для триангуляционной модели верхней ограничивающей поверхности используют данные электронной векторной карты геоинформационной системы, на основании определенных скоростей и глубин проникновения радионуклидов в грунт прогнозируют объем радиоактивного грунта на заданные временные отрезки, определяют районы, приоритетные для проведения восстановительных мероприятий по наибольшим глубинам и скоростям проникновения радионуклидов в грунт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оперативно контролируют динамику изменения объемов радиоактивного грунта на различных участках местности по автоматически передаваемым данным от измерительных устройств датчиков при изменениях контролируемых параметров на задаваемую величину.