Mathematical modeling of dynamics of radioecological processes and reliability of pollutants transport in a forest ecosystem

Abstract

В навколишньому середовищі під впливом техногенних чинників відбуваються перетворення, наслідком яких є необоротні зміни в біологічних угрупованнях та втрата стійкості природних систем. Створено й проаналізовано систему оцінювання надійності компонентів лісових екологічних систем за допомогою побудови послідовних камерних моделей, методів теорії надійності та диференціальних рівнянь. За допомогою алгоритму оцінювання надійності екологічних систем проведено аналіз радіоекологічного стану екосистеми лісу, розподіл та перерозподіл радіонуклідів унаслідок транспорту полютантів її компонентами. На основі теорії та моделей надійності екосистем через оцінювання параметрів радіоємності створено модель для оцінювання надійності утримання радіонуклідів/полютантів в екосистемах. Оцінювання параметрів радіоємності проведено за формулою Fj = ∑aij / (∑aij + ∑aji ), де ∑aij – сума швидкостей переходу полютантів з різних складових екосистеми до конкретного елемента ландшафту або екосистеми (камеру i); ∑aji – сума швидкостей відтоку полютантів з досліджуваної камери (j) до інших складових екосистеми, спряжених з ними. Сформовано приклади камерних моделей лісової екосистеми з урахуванням коефіцієнтів/швидкостей переходів радіонуклідів між камерами. Досліджено варіанти транспорту радіонуклідів у системі: за звичайних умов, при застосуванні захисних заходів (збільшення стоку радіонуклідів та застосування відповідних будівельних конструкцій), при створенні аварійної ситуації (пожежі). Надійність транспорту радіонуклідів між камерами екосистеми, що досліджується, обчислено за допомогою математичної програми MAPLE 5. Отримані розрахунки відображають динаміку міграції радіонуклідів від вихідного джерела до інших компонентів системи. Показано, що застосування математичного моделювання при вивченні стану природних екологічних систем дозволяє встановити стан їх забруднення, а також визначати рівні нагромадження полютантів у різних компонентах екосистеми

The system of assessing reliability of forest ecosystems’ components by means of construction of successive box models, the reliability theory methods and differential equations has been created and analyzed in the article. A model for determining the reliability of radionuclide / pollutants content in ecosystems has been developed. Examples of box models for forest ecosystems with consideration of coefficients / rates of radionuclide transitions between cameras have been formed. Different variants of radionuclide transport in a system have been investigated: for natural conditions, for possibility of applying protective measures, for emergency situations. The reliability assessment of radionuclide transport between cameras of investigated ecosystems is realized by means of the software MAPLE 5. It has been shown that application of mathematical modeling in the study of natural ecological systems allows determining the level of their pollution, as well as the levels of pollutants accumulation in different components of the ecosystem.