Глава 2. Принятая концепция расчета доз при кратковременных выбросах

Глава 2. Принятая концепция расчета доз при кратковременных выбросах

2.1. Общая постановка задачи

Области применения настоящих методических указаний отличаются тем, что для них сценарием событий момент осуществления выброса не планируется. Он (выброс) может произойти в любой момент времени. Это прежде всего относится к разного рода авариям и инцидентам, которые происходят внезапно. Но к тому же классу относятся и разовые выбросы, производящиеся при разного рода ремонтных и планово-предупредительных работах. Даже если они предусмотрены регламентом, время их осуществления обычно определяется производственной необходимостью, а не погодными условиями.

При оценке возможных последствий таких выбросов необходимо ориентироваться на наихудшие условия их рассеяния в атмосфере и миграции в окружающей среде, то есть - на экстремальные (из совокупности возможных) условия формирования ожидаемых дозовых нагрузок на население.

Что касается миграции выпавших радионуклидов во внешней среде, то она существенно зависит от момента выпадения в течение года. Наиболее сильно зависимость от момента выпадения проявляется для пищевых цепочек, которые в большинстве случаев являются критическими путями облучения. Коэффициенты перехода , , "выпадение из атмосферы - поступление в организм человека с пищевыми продуктами", определяемый отношением (5.21) зависит от стадии вегетации растений в момент выпадения радионуклидов. Причем, для разных растений максимум этого коэффициента достигается в различные моменты выпадения (обычно это момент сбора урожая, который различен для разных культур). Физический смысл коэффициентов перехода - интеграл перорального поступления данного радионуклида в организм человека (Бк) при разовом его выпадении плотностью 1 .

Возможны два подхода к расчету миграции:

1) оценка максимально возможных значений коэффициента перехода "выпадения из атмосферы - пероральное поступление в организм человека" для каждой отдельно взятой пищевой цепи с последующим суммированием полученных таким образом экстремальных оценок для всех цепочек, не взирая на то, что для каждой из них максимумы реализации могут приходиться на различные моменты времени выпадения;

2) расчет суммарного по всем пищевым цепочкам коэффициента перехода в зависимости от момента выпадения в течение вегетативного периода года и поиск его максимума для совокупности всех характерных для данной местности пищевых путей.

Первый подход более прост, но практически всегда дает завышенные оценки.

Второй способ дает более реальные оценки, но более сложен и неоднозначен. Трудность в том, что для различных радионуклидов моменты выпадения, дающие максимальные оценки перорального поступления, могут быть разными. Например, для короткоживущих радионуклидов критической цепочкой обычно является поступление с листовыми овощами (салатом, зеленым луком, щавелем и т.п.), которые потребляются "с грядки", и максимум потребления которых приходится на начало лета. Долгоживущие же нуклиды накапливаются в наибольшей степени в долгосозревающих растениях, урожай которых собирается в конце лета. При этом, для переменного состава выпадений максимальные оценки совокупного для всех радионуклидов выброса и получаемого по всем пищевым цепочкам внутреннего облучения могут оказаться неопределенными. Поэтому, для практических задач предпочтительным является 1-й подход к оценке миграции по пищевым цепям, который дает хотя и завышенные, но зато определенные оценки пероральных поступлений и ожидаемых доз.

Ситуацию иллюстрируют рис. 1, 2 и 3, на которых изображены зависимости коэффициентов перехода "выпадение из атмосферы - поступление в организм человека" с основными дозообразующими пищевыми продуктами" , , от времени выпадения для , и . Они рассчитаны по формулам Приложения 1. Разница между максимумами их реализации для приведенных радионуклидов достигает 1,5 месяцев.

Приведенные коэффициенты для животных цепочек (молока и мяса) рассчитаны с учетом как пастбищного, так и стойлового периодов содержания животных, когда потребляется корм, загрязненный в вегетативный период года.

На рассеяние примеси в атмосфере и формирование следа выпадений на земле влияют следующие факторы:

1) высота и продолжительность выброса;

2) скорость ветра и термическая стратификация атмосферы (т.н. категория устойчивости атмосферы);

3) траектория подъема облака выброса, которая зависит от объема и "перегрева" по отношению к окружающему атмосферному воздуху выбрасываемой газовоздушной смеси;

4) для "низких" выбросов - высота и эффективное сечение здания с которого осуществляется выброс (его аэродинамическая тень);

5) дисперсность выброшенных аэрозолей, а также наличие в момент выброса, тип и интенсивность осадков.

Последний фактор на небольших расстояниях от места выброса существенно влияет только на формирование следа выпадений. В частности, при наличии осадков, максимум выпадений может сформироваться непосредственно под местом выброса, даже если выброс был "приподнятым" и приземные концентрации примеси под ним были равны нулю.

Из прочих факторов на рассеяние весьма существенно влияет третий. Обычно его влияние недооценивают. Используя понятие "эффективная высота подъема облака", игнорируют таким образом траекторию подъема облака выброса. Особенно ее влияние существенно для неустойчивых (конвективных) условий рассеяния примеси, при которых, строго говоря, понятие "эффективная высота подъема облака выброса" вообще неприемлемо. При таких условиях "теплые" выбросы поднимаются до ближайшего слоя инверсии профиля температуры воздуха, который может быть очень высок (т.н. инверсионной крышки). "Холодные" же выбросы (перегрев которых по отношению к окружающему атмосферному воздуху отрицателен) в этом случае опускаются до уровня земли.

Всевозможные условия действия всех перечисленных факторов приводят к тому, что на разных расстояниях от точки выброса "опасными" могут быть различные их реализации. Так, в непосредственной близости от места выброса наиболее опасны штилевые условия. На больших расстояниях - устойчивые условия при холодной погоде, при которых перегрев выбрасываемой газовоздушной смеси максимален. На малых расстояниях - неустойчивые условия рассеяния выбросов.

На рис. 4 в качестве примера представлена серия кривых, представляющих зависимость фактора разбавления от расстояния от эпицентра выброса через трубу высотой 100 м 150000  нагретой до 22°С газовоздушной смеси. Выброс экранировался 60 м зданием эффективным сечением 6000 . Каждая кривая здесь представляет собой реализацию разового фактора разбавления в атмосфере G, , (отношения временного интеграла приземной концентрации к величине выброса примеси), для одного наблюдения. Весь набор кривых рассчитан по 3-годичному циклу наблюдений на одной из метеостанций Управления гидрометеослужбы России по стандартной 8-срочной (8 раз в сутки) сетке наблюдений по формулам настоящих указаний. Разнообразие кривых обусловлено не только различными реализациями скоростей ветра и категорий устойчивости атмосферы. Сильно также влияние разнообразия температуры атмосферного воздуха, которое приводит к значительному разбросу теплового подъема (или наоборот, опускания) облака выброса. Вблизи от эпицентра выброса куполообразные профили фактора разбавления обусловлены штилями разной продолжительности, во время которых происходит накопление выбрасываемой примеси вокруг источника без переноса ее ветром.

На рис. 5 приводится аналогичная серия кривых при выбросе на высоте 30 м, при прочих условиях формирования предыдущей серии кривых, включая экранирование зданием. При этом, несмотря на влияние аэродинамической тени за зданием, удаленные максимумы возникают из-за теплового подъема выбросов.

На обоих рисунках видно, что реализующееся многообразие условий рассеяния образует ограниченную сверху совокупность кривых фактора разбавления в атмосфере, что существует общая огибающая семейства таких кривых, представляющая их верхнюю грань и ограничивающая область возможной реализации этого параметра, а следовательно и доз облучения. Установление вида такой экстремальной огибающей поверхности фактически решает все поставленные в данном документе задачи. По существу это и является главной целью настоящих методических указаний.

На рис. 4 и 5 собраны кривые для всех направлений ветра. Различие между ними не делалось. Если же построить аналогичные серии кривых для отдельных секторов направления ветра, то их "огибающие" могут оказаться разными. Это обусловлено тем, что ветры разных направлений связаны с различными воздушными массами и отличаются разными условиями рассеяния. Так, северный ветер как правило связан с более холодным воздухом. Для него характерны более устойчивые категории рассеяния и более выраженный тепловой подъем выбросов (но вместе с тем ограниченный сравнительно низким предельным подъемом облака).

Южные ветра приводят к более интенсивному перемешиванию атмосферного воздуха. Неустойчивые условия рассеяния для них более часты. Это находит отражение и для статистики экстремальных условий, формирующих экстремальные "огибающие" семейств кривых рассеяния выбросов для разных направлений. В результате на плоскости формируются экстремальные "огибающие" поверхности, являющиеся верхней границей всех реализовавшихся за срок наблюдения характеристик рассеяния и ожидаемых доз облучения.

Если имеется несколько возможных источников разовых выбросов, то при оценки возможных радиационных последствий необходимо строить общую для всех таких источников (и возможных "сценариев" формирования разовых выбросов для каждого из них) экстремальную поверхность характеристик загрязнения и ожидаемых доз облучения. С учетом вышесказанного она может оказаться весьма разнообразной.

На рис. 6 и 7 в качестве примера приведены оценки распределения ожидаемых эквивалентных доз на щитовидную железу взрослого человека от выбросов трех расположенных вблизи друг от друга источников высотой по 100 м (на рис. 6) и 30 м (на рис. 7), с прочими условиями выброса, соответствующими кривым рис. 4 и 5. Разовые выбросы в обоих случаях для 3-х источников приняты равными 1, 1.3 и 0.8 Ки . Дозы рассчитаны для всех путей облучения, включая пищевые цепочки. Утолщенными линиями проведены изодозы 1,5 сЗв (бэр), соответствующие пределу годовой дозы на щитовидную железу отдельного лица из населения согласно рекомендациям МКРЗ N 61.

Расчет миграции по пищевым путям проводился по 1-му консервативному варианту оценок, описанному на стр. 3 настоящих указаний. Согласно ему искались оценки экстремальных значений коэффициентов перехода "выпадения из атмосферы - пероральное поступление в организм человека" , , для каждой отдельно взятой пищевой цепи с последующим суммированием таким образом полученных оценок для всех продуктов питания. Масштаб изображенных на рисунках карт, несмотря на записи в угловых штампах, произвольно изменен, но длина стороны ячейки сетки условных координат соответствует на местности 2 км. Ориентация карт по вертикали с юга (низ карты) на север (ее верх).

На рис. 8 и 9 даны трехмерные сеточные изображения поверхности экстремально возможных оценок ожидаемых эквивалентных доз, соответствующие рис. 7 и 8. Резкие пики в точках выброса обусловлены дозами, реализующимися при штилевых условиях. Причем при наихудших из возможных условий их реализации: при жаркой погоде, когда на предприятии работают кондиционеры и охлаждающие калориферы, и температура выбрасываемой газовоздушной смеси имеет максимальный отрицательный перепад температуры по отношению к нагретому окружающему атмосферному воздуху.

Задача оценки радиационной обстановки на местности, которая может сложиться в результате разового радиоактивного выброса в атмосферу, в настоящем документе ставится так: для каждой точки местности среди возможных условий рассеяния выброса и формирования ожидаемых доз облучения ищутся те, которые приводят к максимальным значениям последних. При этом, в разных точках местности полученные результаты могут соответствовать различным, но обязательно наиболее "опасным" условиям.

Такие экстремальные оценки при разовых выбросах можно получать следующими способами:

1) расчетом "огибающей" по реальному ряду наблюдений за длительный срок;

2) на основе статистических (по интервалу доверительной вероятности) оценок возможных экстремальных реализаций параметров, влияющих на рассеяние выбросов в атмосфере и формирование доз облучения;

3) методом "ручного счета" на основе упрощенных формул оценки максимумов факторов разбавления, коэффициентов перехода и других характеристик.

Первый способ оценки проиллюстрирован предыдущими рисунками. Согласно ему в течение какого-либо, достаточно продолжительного периода последовательно перебирают все реализовавшиеся условия рассеяния, и с учетом всех факторов влияния для каждой точки местности ищется максимальная реализация искомой характеристики (интеграла концентрации в воздухе, выпадения на землю, ожидаемых доз облучения).

Это абсолютный подход, и за длительный срок наблюдения, достаточный, чтобы все реализовавшиеся условия можно было считать генеральной совокупностью, он дает точную оценку искомой экстремальной "огибающей" поверхности распределения рассматриваемых характеристик на местности. Вопрос лишь в том, какой срок наблюдения достаточен. При решении этого вопроса следует иметь в виду, что практически все редкие экстремальные метеоусловия, статистика которых обычно рассматривается при проектировании предприятий, такие как ураганы, смерчи и др. не приводят к экстремальным оценкам радиационной обстановки в районе расположения источника выброса. Наоборот, условия рассеяния при них наиболее благоприятны в том смысле, что дают минимальные дозы. С точки зрения формирования радиационной обстановки на местности "опасными" следует считать экстремальные оценки температуры атмосферного воздуха и продолжительность штиля, во время которого происходит накопление выбрасываемой примеси вблизи места выброса.

Оценки воздействия экстремумов температуры не очень существенны. Для низких температур атмосферного воздуха перепад температуры для выбрасываемой газовоздушной смеси максимален, что приводит к быстрому тепловому подъему облака выброса, а следовательно и к более низким дозам облучения. Но обычно такие условия реализуются зимой во время устойчивых категорий рассеяния, когда подъем "теплого" облака выброса ограничен отрицательной работой сил плавучести. Для предельно же высоких температур атмосферного воздуха летом характерны "холодные" выбросы, при которых перепад температур выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего атмосферного воздуха отрицателен. Обычно в это время в атмосфере формируются неустойчивые (конвективные) условия рассеяния, которые приводят к быстрому опусканию облака выброса до уровня земли. При этом больший отрицательный перепад температур приводит только к увеличению скорости этого процесса. Поэтому начиная с какой-то величины, дальнейшее увеличение отрицательного "перегрева" выбрасываемой смеси не приводит к ухудшению условий рассеяния. Опуститься ниже земли облако выброса не может. Что касается продолжительности штилевых условий, то влияние этого фактора на временной интеграл концентрации в воздухе вблизи источника выбросов значимо. Оно ограничено только процессами очищения атмосферы (т.н. "истощения" облака выброса).

Исходя из вышесказанного и проведенных нами численных экспериментов с рядами наблюдений разной продолжительности, можно сделать вывод, что для реализации предлагаемого способа достаточна 3-годичная стандартная 8-срочная статистика метеонаблюдений. Исключение возможно составляет оценка наибольшей продолжительности штилевых условий. Следует заметить, что годовая статистика наблюдений может оказаться недостаточной, так как в случае холодного лета не будут реализованы наихудшие условия, связанные с "холодными" выбросами при жаркой погоде.

Второй подход к экстремальным оценкам предполагает, что используется статистика наблюдений входных параметров, влияющих на условия рассеяния выбросов. По ней определяются такие их характеристики, как дисперсия и среднее, находятся максимальные значения, соответствующие установленному доверительному порогу вероятности их реализации (например 5% за 30 лет и т.п.). Затем по найденным экстремальным значениям параметров производятся оценки "огибающих". Это перспективный, но к настоящему времени еще не разработанный метод.

В принципе такой подход может быть более экономичным с точки зрения объема вычислений, чек оценки "огибающей" по описанному выше 1-му способу. Главная трудность в том, что параметров влияющих на формирование радиационной обстановки много, а для разных точек местности их "опасный" набор может быть различен. Так, например, на близких расстояниях от источника опасны неустойчивые погодные категории, на удалении же наоборот - устойчивые. Увеличение температуры окружающего воздуха для неустойчивых условий может привести к наиболее опасным приземным концентрациям выбрасываемой примеси, а для устойчивых этот фактор несущественен и т.д. Поэтому в настоящее время второй подход может быть реализован лишь частично, в комбинации с другими способами, при оценке лишь отдельных параметров. Например, таких, как продолжительность штилевых условий. Или, например, можно рассчитать единую "огибающую" для всех расстояний, как это сделано на рис. 4 и 5, и распространить ее на все направления ветра. Тогда вместо сложных конфигураций "огибающей" поверхности рис. 6 и 7 получится упрощенная, еще более "экстремальная", имеющая запас по некоторым направлениям, но с изодозами в виде концентрических кругов, поверхность. Зато объем вычислений будет меньше. Кроме того, за счет образовавшегося запаса будет меньше вероятность "недооценки" рассчитываемой характеристики для секторов с наименьшей повторяемостью направлений ветра, статистика наблюдений для которых может оказаться недостаточной.

Последний способ предполагает использование упрощенных формул. Их набор невелик и ограничивается только ветреными условиями. Как правило они дают оценки в точке максимума приземной концентрации, часто умалчивая, где этот максимум реализуется. Точность оценок по упрощенным формулам обычно лежит в пределах порядка величины. Наиболее полезное применение таких формул - это экспертиза разного рода работ, в которых были использованы оригинальные модели рассеяния.

2.2. Предположения и допущения

Предполагается, что:

- выброс кратковременный и его продолжительность настолько мала, что за время реализации условия рассеяния выбрасываемой примеси не меняются;

- оценки всех характеристик радиационной обстановки в каждой точке местности являются максимально возможными для совокупности разнообразных условий рассеяния выброса и формирования ожидаемых доз;

- имеется начальное разбавление выброса, приводящее к тому, что удельная активность выбрасываемой газовоздушной смеси , , ограничена. Обычно это означает, что вышедшая из оборудования активность изначально перемешивается с воздухом внутри какого-либо помещения здания объемом , . Последний можно определить по формуле

, (2.1)

где - интегральная величина выброса, Бк. По формуле (2.1) можно проводить и обратный расчет: удельной активности выбрасываемой смеси по объему помещения, где первоначально локализуются выбросы;

- выброс газовоздушной смеси происходит не мгновенно, хлопком, а с некоторой конечной скоростью , . Возможны следующие варианты:

- выброс происходит через исправную штатную вентсистему. В этом случае объемная скорость выхода газовоздушной смеси постоянна;

- выброс происходит нештатно, через проемы здания. При этом объемная скорость истечения газовоздушной смеси , , уменьшаясь изменяется со временем. В этом случае, при расчетах высоты подъема облака предполагается, что объемная скорость выброса неизменна, равна ее значению в момент начала выброса и продолжается эффективное время

, (2.2)

где - скорость истечения в начальный момент выброса t = 0, .

- термический подъем облака выброса происходит по траектории. Его предельная величина при устойчивых условиях ограничена рассчитываемой максимальной высотой подъема облака (в некоторых моделях ее называют "эффективной высотой выброса"). Для неустойчивых и нейтральных условий постепенный подъем облака выброса происходит до высоты слоя перемешивания атмосферы (фактически - до границы пограничного слоя атмосферы);

- во время движения облака выброса и миграции выпавших радионуклидов во внешней среде происходит распад материнских нуклидов и накаливание дочерних изотопов;

- вертикальная дисперсия облака ограничена максимальной величиной , связанной с высотой слоя перемешивания атмосферы формулой

; (2.3)

- след выпадений на почву формируется как за счет сухого осаждения выброшенных радиоактивных аэрозолей, так и при вымывании их осадками. Последнее приводит к значимым выпадениям под приподнятым источником выброса;

- наряду с тепловым и динамическим подъемом облака выброса происходит "проседание" центра масс его аэрозольной компоненты со скоростью гравитационного оседания аэрозолей . Если дисперсность аэрозолей велика, то за счет этого эффекта и разных скоростей осаждения происходит расслоение облака - "тяжелые" аэрозоли больших размеров осаждаются на более близком расстоянии и быстрее легкой мелкодисперсной компоненты облака;

- при расчетах ожидаемых доз на территории промплощадки возможно только внешнее облучение от облака выброса и следа выпадений на землю, и внутреннее облучения от вдыхания радионуклидов во время прохождения облака выброса;

- при расчете ожидаемых доз в санитарно-защитной зоне в числе прочих следует учитывать и пищевой путь поступления радионуклидов при потреблении местных продуктов питания, выращивание которых в санитарно-защитной зоне санитарными правилами ОСП-72/87 допускается.