Оценка эффективности контрмер в сельском хозяйстве после аварии на ЧАЭС

Оценка эффективности контрмер в сельском хозяйстве после аварии на ЧАЭС

Фесенко С.В., Санжарова Н.И., Лисянский К.Б.

ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Российской академии сельскохозяйственных наук, Обнинск

Представлено краткое описание системы ФОРКОН, предназначенной для поддержки принятия решений по организации сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения. На примере одного из хозяйств, находящегося на территории, подвергшегося загрязнению после аварии на ЧАЭС, дана сравнительная оценка различных стратегий применения контрмер. Показано, что в результате применения защитных мероприятий коллективная доза от употребления содержащих радионуклиды продуктов питания могла быть снижена примерно в 3 раза.

Evaluation of agricultural countermeasures effectiveness after the accident at the Chernobyl NPP

Fesenko S.V., Sanzharova N.I., Lisyansky K.B.

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology of RAAS, Obninsk

A brief description of decision support system FORCON providing advice on agricultural countermeasure strategy on radioactive contaminated territory is presented. The comparative analysis of different strategies of countermeasures implementation in the settlement situated on the contaminated territory is given. It has been shown that implementation of the most effective countermeasures variants could provide a decrease in collective doses from the consumption of food produced in the areas affected by the radioactive contamination by about 3 times.

Рассматривая круг задач, связанных с реабилитацией территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению, следует отметить, что значительная их часть включает в себя проблемы обеспечения рационального ведения сельского хозяйства в неблагоприятных экологических условиях [1, 2]. Многофакторность и многовариантность возникающих при этом задач приводят к необходимости разработки и практической реализации методов и программных средств, обеспечивающих информационно-аналитическую поддержку этих работ, включая создание компьютерных систем для анализа возможных вариантов ведения сельскохозяйственного производства на радиоактивно загрязненных территориях и применения в этих условиях защитных мероприятий.

В настоящее время общая стратегия применения защитных мероприятий в загрязненных районах Российской Федерации направлена на снижение коллективной дозы от потребления содержащих радионуклиды продуктов питания [3]. В качестве критериев оценки эффективности контрмер, наряду с традиционно используемыми (снижение уровней загрязнения продукции), следует рассматривать предотвращенную дозу в результате применения контрмер (или экономию дозы), которая рассчитывается как разность коллективных доз облучения населения от употребления содержащих радионуклиды продуктов питания до

и после применения защитных мероприятий, затраты на проведение защитных мероприятий и предотвращенная доза, нормированная на затраты.

С целью информационно-аналитического обеспечения решения выделенных выше проблем во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии использовалась компьютерная система ФОРКОН. Эта система разработана как часть Международного проекта по изучению последствий аварии на Чернобыльской АЭС совместно с Национальным Центром по радиационной защите Великобритании [4].

В рамках этой системы рассматривается следующая схема расчетов и представления информации, необходимой для организации сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения:

• Анализ радиологической обстановки и определение возможных направлений использования мероприятий по реабилитации загрязненных сельхозугодий.

• Моделирование защитных мероприятий с учетом существующих условий. Задание сценариев их использования. Расчеты затрат на их проведение и изменение уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции после их применения.

• Анализ эффективности различных сценариев применения защитных мероприятий и выбор наиболее рациональных вариантов организации сельскохозяйственного производства с учетом реальности осуществления контрмер

Для обеспечения последующего выбора возможных вариантов применения контрмер предоставляется дополнительная информация, включая оценку потенциальных возможностей территории хозяйства с точки зрения производства продукции, удовлетворяющей требованиям радиологических стандартов, оценку эффективности применения контрмер на каждом отдельном поле, а также эффект от размещения на нем других культур. В совокупности эта информация позволяет определить, какие действия с точки зрения организации сельского хозяйства были бы наиболее адекватны. В качестве критериев при оценке радиологической обстановки и обосновании применения защитных мероприятий в системе используются:

• уровни, ограничивающие использование содержания сельскохозяйственной продукции с точки зрения содержания радионуклидов (ВДУ);

• коллективная доза при употреблении продукции до и после применения защитных мероприятий, а также экономия дозы в результате проведения контрмер;

• экономические и комбинированные показатели (количество и стоимость ресурсов для проведения контрмер, экономия дозы, нормированная на стоимость мероприятий).

На основе анализа радиологической обстановки в хозяйстве задаются варианты организации производства и применения защитных мероприятий. При этом для каждого варианта рассчитываются показатели, соответствующие указанным выше критериям, что позволяет в конечном итоге выбрать наиболее оправданные способы получения нормативно-чистой продукции. Проведение в диалоговом режиме такого рода расчетов позволяет принимать гибкие решения с учетом особенностей сложившейся ситуации, что делает систему ФОРКОН достаточно эффективным инструментом поддержки принятия решений по организации сельского хозяйства в зонах радиоактивного загрязнения. Концептуальная схема системы приведена на рисунке 1.

Система ФОРКОН позволяет оценивать эффект использования 12 типов контрмер. Каждый из них включает различные варианты их применения. В течение каждого года после аварии могут рассматриваться различные комбинаций контрмер. Всего в рамках системы допускается оценка

эффективности более 300 различных комбинаций защитных мероприятий, отличающихся как по их стоимости, так и по эффективности, что позволяет проводить комплексный анализ широкого круга возможных решений по обеспечению ведения сельскохозяйственного производства в различные периоды времени после радиоактивного загрязнения. Каждая комбинация контрмер определена в системе как отдельный сценарий.

Для сравнительного анализа различных стратегий применения защитных мероприятий в сельском хозяйстве использовались данные полевого обследования территории колхоза "Авангард" Жиздринского района Калужской области, а также имеющаяся по этому хозяйству в банке данных ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии информация о характеристиках и условиях ведения сельскохозяйственного производства. Ранее (в 1991-1993 гг.) это хозяйство было базовым для отработки технологий ведения сельскохозяйственного производства в загрязненных районах Калужской области, что делает его удобным объектом для изучения различных стратегий применения защитных мероприятий. Предварительный анализ имеющихся данных показал, что это хозяйство как по уровням загрязнения и почвенным характеристикам, так и по другим условиям ведения сельскохозяйственного производства является типичным для загрязненных районов России, вследствие чего представленные в настоящей статье результаты носят достаточно общий характер и применимы для широкого круга ситуаций.

Сельскохозяйственные угодья колхоза "Авангард" расположены на площади 3456 га, площадь пашни составляет 2234 га, сенокосов - 517 га, пастбищ - 705 га. Общая площадь полевого севооборота - 1172 га, кормового - 915 га. В хозяйстве имеется молочная ферма, насчитывающая 486 коров. Почвы сельскохозяйственных угодий в основном дерново-подзолистые песчаные и легкосуглинистые, встречаются торфяно-болотные.

Уровни загрязнения сельскохозяйственных угодий в этом хозяйстве находятся в пределах от 40 до 240 кБк/м2. Особенность ведения сельского хозяйства в колхозе "Авангард” состоит в том, что сельскохозяйственные угодья, используемые в качестве сенокосов и пастбищ, размещены на торфянистых почвах, характеризующихся высокой миграционной способностью в системе почва-растение. Защитные мероприятия в хозяйстве носили ограниченный характер. Начиная с 1989 года, в хозяйстве проводились агрохимические и агротехнические контрмеры: вносились в повышенных дозах калийные удобрения и проводилось известкование почв.

Рис. 1. Концептуальная схема системы ФОРКОН.

В качестве исходного (базового) варианта, использованного для сравнительной оценки эффективности возможных вариантов ведения сельскохозяйственного производства и оценки эффективности предлагаемых мероприятий, был принят сценарий, основанный на существующей структуре использования сельскохозяйственных угодий без применения контрмер. Уровни содержания 137Сб в основных видах сельскохозяйственной продукции, производимой в хозяйстве в целом, представлены в таблице 1. Коллективная доза от употребления этой продукции составляет 356,4 мЗв.

Агрохимические контрмеры. Для оценки эффективности применения агрохимических ме-

роприятий под зерновыми культурами были выполнены расчеты для двух основных для этой зоны культур - озимой ржи и ячменя. При этом изучалась эффективность 7 возможных вариантов внесения в различных дозах минеральных удобрений, органических удобрений и известкования почв (таблица 2). При анализе результатов, представленных в таблице 2, следует отметить, что эффективность применения агрохимических мероприятий с точки зрения снижения загрязнения продукции для озимых и яровых (ячменя) культур достаточно близка. Однако по критерию предотвращенной дозы на единицу затрат эти контрмеры значительно отличаются.

Таблица 1

Содержание 137Сэ в сельскохозяйственной продукции при стандартных технологиях,

Бк/кг

Вид продукции Содержание 137Сэ в сельскохозяйственной продукции, Бк/кг

Среднее значение Стандартное отклонение

Продукция растениеводства

Озимая рожь (зерно) 5,2 (671) 6

Ячмень (зерно) 12,5 (189) 22

Картофель 9,5 (1260) 7

Грубые корма 72,3 (6590) 29

Сочные корма 14,5 (7150) 48

Зеленые корма 35,3 (8958) 75

Продукция животноводства

Пастбищный период

Молоко 13,5 (802) 28

Мясо 32,6 (20) 41

Стойловый период

Молоко 4,1 (1093) 5

Мясо 10,2 (27) 8

Примечание: В скобках указано количество произведенной продукции в тоннах.

Таблица 2

Сравнительная оценка эффективности применения агрохимических мероприятий

Мероприятия Среднее содержание 137Св в продукции, Бк/кг Предотвращенная доза, чел.-мЗв Затраты, тыс. руб. (в ценах 1996 г.) Предотвращенная доза, нормированная на затраты чел.-мЗв/млн руб.

Ячмень

Обычные технологии 12,5 0,0 0,0 0,0

^0Р120К160 7,0 6,3 18,5 0,34

Известь 1,5Нг + Ы60Р60К60 5,9 11,2 16,3 0,69

Известь 1,5Нг + Ы60Р60К60 + навоз 60 т/га 5,6 10,7 134,6 0,08

Известь 1,5 Нг + Ы80Рд0К160 + навоз 60 т/га 5,0 4,3 148,4 0,03

Озимая рожь

Обычные технологии 5,2 0,0 0,0 0,0

^0Р120К160 3,1 8,5 50,0 0,17

Известь 1,5Нг + Ы60Р60К60 2,3 15,4 69,2 0,22

Известь 1,5Нг + Ы60Р60К60 + навоз 60 т/га 2,4 13,6 81,5 0,17

Известь 1,5Нг + Ы80Рд0К160 + навоз 60 т/га 2,2 5,5 401,4 0,01

Наиболее эффективным комплексом, обеспечивающим максимальное снижение поступления 137Сэ, является применение известкования в 1,5 норме по гидролитической кислотности в сочетании с повышенными дозами минеральных удобрений (1\18оР9оК-|2о) и органических удобрений (60 т/га). В то же время, следует отметить, что внесение под озимые культуры навоза требует довольно больших затрат (около 400 млн рублей в ценах 1996 года), что приводит к необходимости комплексного подхода к оценке эффективности

мероприятий. Кроме того, экономия дозы в результате применения этих контрмер, как правило, очень низка, что связано с увеличением урожайности в результате применения этих мероприятий, и, как следствие, с увеличением выноса радионуклидов с сельскохозяйственной продукцией. Близкую эффективность имеет применение известкования в сочетании с обычными или несколько повышенными дозами минеральных удобрений. В то же время анализ дополнительных критериев (предотвращенная доза на единицу затрат составляет

для 1996 г. 0,22 мЗв/млн руб.) показывает, что эта контрмера является наиболее эффективной, как с точки зрения радиологических критериев (уменьшение содержания 137Сэ в продуктах и уменьшение внутреннего облучения), так и расходов.

Следует также отметить, что некоторые защитные мероприятия могут иметь двойственный эффект. Так, применение повышенных доз минеральных удобрений на низкоплодородных почвах, обеспечивающих достаточно хороший результат с точки зрения уменьшения загрязнения зерновых культур, может привести к увеличению коллективной дозы от потребления этих продуктов населением. Это можно объяснить тем, что увеличение дозы внесенных удобрений приводит к увеличению урожайности, и, в связи с этим, к увеличению количества радионуклидов, поступающих в рацион питания населения. С другой стороны, применение известкования на кислых почвах вместе с уменьшением доступности 137Сэ для растений приводит к уменьшению содержания питательных веществ в почве и, как следствие, к уменьшению урожайности. Это показывает необходимость взвешенного подхода в принятии крупномасштабных решений по применению агрохимических контрмер.

Изменение структуры землепользования. Результаты проведенных расчетов показывают, что изменение структуры землепользования является эффективным вариантом контрмер для рассматриваемого хозяйства. Так, только исключение торфяных почв из числа полей, используемых для выращивания фуражных зерновых культур и выпаса животных, и их использование для выращивания зерновых культур, характеризующихся минимальным накоплением радионуклида, обеспечивает ежегодное уменьшение коллективной дозы от потребления растениеводческой и животноводческой продукции от 25 до 48%, причем содержание 137Сэ в молоке в пастбищный период может быть уменьшено более чем в 2 раза. Следует также подчеркнуть, что применение этой контрмеры приведет к увеличению содержания 137Сэ в зерновых культурах, что требует применения агрохимических контрмер. Расчеты затрат на применение контрмер такого типа носят сложный характер и не рассматривались в рамках представленного анализа. В то же время можно ожидать большего эффекта от применения этих контрмер и эффективность такой практики будет высокой в течение длительного промежутка времени.

Применение контрмер в кормопроизводстве и животноводстве. При оценке эффективности мероприятий, направленных на снижение перехода радионуклидов в продукцию животноводства, рассматривались 9 сценариев:

1 - поверхностное улучшение пастбищ;

2 - коренное улучшение пастбищ и сенокосов;

3 - поверхностное улучшение пастбищ и сенокосов;

4 - поверхностное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений Ы60Р90К120;

5 - коренное улучшение сенокосов и пастбищ;

6 - коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений И60Р90К120;

7 - коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений Ы60Р90К120, известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений Ы60Р90К120;

8 - применение ферроцинсодержащих препаратов в пастбищный период, перезалужение сенокосов и известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений;

9 - коренное улучшение лугов и пастбищ с известкованием (по 1,5 Нг), а также внесение повышенных доз минеральных удобрений. Известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что наиболее эффективным, с точки зрения снижения коллективной дозы на единицу затрат, является комплекс, включающий применение ферроцина в пастбищный период, перезалужение сенокосов и известкование полей под силосными культурами с внесением повышенных доз минеральных удобрений. Экономия дозы для этого варианта достигает 117 чел.-мкЗв. Однако необходимость постоянного применения ферроцина в течение длительного времени и определенные трудности с его закупкой приводят к необходимости использования более традиционных вариантов, связанных с улучшением лугов и пастбищ. Данные, представленные в таблице 3, показывают, что эффективность традиционных приемов (варианты 2-7) достаточно высока. Экономия дозы, нормированная на затраты, находится в диапазоне от 0,4 до 0,7 мЗв/млн руб. При этом эффект от этих контрмер будет отмечаться и в течение нескольких последующих лет. Наиболее эффективными по снижению дозы являются варианты 6 и 7 (коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесением повышенных доз минеральных удобрений 1\160Р90К-|20 и коренное улучшение сенокосов и пастбищ с внесение повышенных доз минеральных удобрений М60Р90К-|20, с дополнительным известкованием полей под силосными культурами и внесением повышенных доз минеральных удобрений М60Р90К-|20).

Таблица 3

Уровни содержания 1370э в продукции животноводства (Бк/кг (л)) и предотвращенные дозы для различных сценариев применения мероприятий на сенокосах, пастбищах и посевах кормовых культур

Показатели Варианты применения защитных мероприятий

Базо- вый 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Содержание 137Св в продукции животноводства в пастбищный период

Молоко 13,5 10,4 6,6 7,2 5,9 4,2 3,9 3,9 2,6 0,8

Молоко 4,1 4,1 3,1 3,1 2,8 2,5 2,4 1,5 3,1 1,5

Мясо 10,2 10,2 7,8 7,8 7,1 6,2 6,1 3,7 7,1 3,7

Предотвращенная доза, мЗв 0,0 26 83 71 89 110 113 126 117 157

Стоимость ресурсов (млн руб.) 0,0 58 113 11 203 201 204 292 131 335

Предотвращенная доза на ед.затрат (мЗв/млн руб.) 0,7 0,6 0,4 0,5 0,6 0,4 0.9 0,5 0,47

Представленные результаты наглядно иллюстрируют существующие возможности по снижению доз облучения населения от употребления продуктов питания, производимых на загрязненной территории. Они охватывают широкий спектр возможных решений и показывают, что в зависимости от ситуации и экономических возможностей защитные мероприятия могут обеспечить снижение уровней загрязнения продукции животноводства от 1,3 до 15 раз и, как следствие, снижение коллективной дозы от 7% до 45%.

Сочетание контрмер различных типов. Максимального снижения поступления 137Сэ в продукцию можно добиться на основе сочетания выделенных выше наиболее эффективных вариантов использования кормовых угодий и применения агротехнических и агрохимических мероприятий на пахотных угодьях. Представленные выше результаты позволяют выделить несколько рациональных вариантов организации сельскохозяйственного производства и проведения мероприятий, которые могут быть приняты в качестве оптимальных в зависимости от конкретной ситуации (наличия тех или иных ресурсов, имеющихся средств и т.д.). В качестве примера организации производства, включающего все типы защитных мероприятий, описанных выше, рассмотрим следующий сценарий:

• исключение торфяных почв из числа полей, используемых для выращивания фуражных зерновых культур и выпаса животных;

• проведение известкования под зерновыми и кормовыми культурами, включая внесение минеральных удобрений в повышенных дозах (^оРдоКио);

• коренное улучшение пастбищ, пересев многолетних трав с проведением известкования и внесением повышенных доз минеральных удобрений.

Результаты расчетов, соответствующие этому варианту, позволяют оценить максимальную степень снижения поступления 137Сэ в сельскохозяйственную продукцию в совхозе "Авангард" за счет всего комплекса рассмотренных мероприятий в этом хозяйстве и показывают, что снижение дозовых нагрузок за счет потребления продуктов питания может достигать 65%. Наибольшее снижение может быть достигнуто в продукции животноводства (до 5 раз), снижение в продукции растениеводства может составить от 2 до 3 раз. Затраты на проведения этого варианта контрмер в хозяйстве составляют 499 млн рублей в ценах начала 1996 г.

Для сравнительного анализа стратегий применения контрмер рассматривались 4 сценария. В рамках первого сценария рассмотрена ситуация, при которой контрмеры не применялись, а снижение уровней загрязнения продукции и, как следствие, дозовых нагрузок на население, определялось изменением биологической доступности 137Сэ в почве. Второй из них включает вариант, связанный с изменением структуры землепользования при отсутствии других защитных мероприятий, в третьем рассмотрен сценарий, включающий сочетание различных контрмер, который обеспечивает максимальный эффект от их применения. В качестве 4-го сценария рассматривалась реальная ситуация, сложившаяся в рассматриваемом хозяйстве после аварии на Чернобыльской АЭС. Оценка доз для этой ситуации проводилась на

основе данных радиационного контроля сельскохозяйственной продукции, проводимого службами Минсельхозпрода России. Таким образом, выбранные стратегии применения защитных мероприятий охватывают широкий круг возможных ситуаций и позволяют оценить пределы возможностей человека в смягчении последствий этой аварии в сельском хозяйстве. В качестве критериев для сравнения выбранных сценариев рассматривалась предотвращенная доза и изменение содержания 137Сэ в критических продуктах питания.

Результаты расчетов, представленные на рисунке 2, показывают, что рациональное изменение структуры землепользования в хозяйстве позволяет уменьшить коллективную дозу на 30-40%, а в результате применения защитных мероприятий коллективная доза от употребления содержащих радионуклиды продуктов питания могла быть снижена примерно в 3 раза. Реальное снижение этой величины в 1989-1992 гг. составляло от 40 до 50% и было связано главным образом с исключением ведения выпаса животных на наиболее загрязненных пастбищах на торфяных почвах.

Годы

Рис. 2. Динамика изменения коллективной дозы в результате потребления продуктов питания, произведенных в хозяйстве.

Из рисунка 2 видно, что дозы, рассчитанные на основе данных радиационного контроля (реальная ситуация) для первого периода после аварии (1987 г.), практически равны дозам без применения защитных мероприятий. Это показывает, что контрмеры в рассматриваемом хозяйстве были начаты с определенным опозданием (в 1989-1990 гг.) и имели сравнительно невысокую эффективность.

Полученные результаты хорошо согласуются с объемами и сроками проведения контрмер на территории России, подвергшейся загрязнению. Так, в период с 1987 по 1988 гг. защитные мероприятия в широких масштабах применялись толь-

ко в наиболее загрязненных районах Брянской области, в Калужской области их внедрение началось в 1989-1990 гг. и объемы их применения были ограниченными.

Представленные на рисунке 2 данные в целом согласуются с оценками, отражающими изменение содержания 137Сэ в наиболее важных дозообразующих продуктах. В качестве примера на рисунке

3 приведено изменение среднегодовых уровней содержания этого радионуклида в молоке. Видно, что потенциально уровни содержания 137Сэ в молоке могли быть снижены от 7-8 раз в первый период после аварии и до 3-4 раз в 90-е годы.

1988 1990 1992 1994 1996

Годы

Рис. 3. Динамика изменения содержания 137Сэ в молоке при различных вариантах применения защитных мероприятий.

Представленные расчеты позволяют оценить потенциально возможные варианты, связанные с несвоевременным проведением защитных мероприятий. Так, при отсутствии проведения контрмер коллективная доза за первые 10 лет после аварии на Чернобыльской АЭС составила бы 12,4 чел.-мЗв, а при интенсивном их внедрении с 1987 года 4,2 чел.-мЗв. Кроме этого оценки, сделанные на основе реальных данных, показывают, что применение контрмер в рассматриваемом хозяйстве не было достаточно эффективным, а экономия дозы за 1 0 лет после аварии составила около 2 чел.-мЗв или около 25% от потенциально возможной.

В целом представленные примеры ясно показывают потенциальные возможности в уменьшении отрицательного эффекта радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий. Одновременно с этим, данные результаты подчеркивают потребность в гибких инструментальных средствах для анализа долгосрочных стратегий применения контрмер.

Литература

1. Сельскохозяйственная радиоэкология/Под ред.

Алексахина Р.М., Корнеева Н.А. - М.: Экология, 1992.

2. Fesenko S.V., Alexakhin R.M., Spiridonov S.I. and Sanzharova N.I. Dynamics of 137Cs Concentration in Agricultural Production in Areas of Russia Subjected to Contamination After the Accident at the Chernobyl Nuclear Power Plant//Radiation Protection Dosimetry. -1995. - V. 60, N 2. - P. 155-166.

3. Alexakhin R.M. Countermeasures in Agricultural Production as an Effective Means of Mitigating the Radio-ecological Consequences of the Chernobyl Acci-dent//The Science of the Total Environment. - 1993. - V. 137. - P. 9-20.

4. Fesenko S.V., Sanzharova N.J., Wilkins B.T. and Nisbet A. FORCON: Local Decision Support System for the Provision of Advise in Agriculture - Methodology and Experience of Practical Implementation//Radiation Protection Dosimetry. - 1995. - V. 64, N 1/2. - P. 157-164.