Εκτίμηση του ρυθμού διάβρωσης επιφανειακών εδαφών με χρήση φυσικών και τεχνητών ραδιενεργών ισοτόπων

Abstract

Η διάβρωση του χώματος είναι ένα φαινόμενο που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα, όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, καθώς είναι ένα πρόβλημα που μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες στο μέλλον του πλανήτη. Οι επιπτώσεις του φαινομένου είναι η σταδιακή μείωση του χώματος στις καλλιεργήσιμες εκτάσεις, αλλά και η μόλυνση των υδάτινων πόρων με ίζημα που προέρχεται από την διάβρωση. Τα αίτια του, είναι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο φυσικό περιβάλλον, αλλά και η ανθρώπινη δραστηριότητα. Γι’ αυτόν τον λόγο είναι αναγκαία η ύπαρξη υπολογιστικών μοντέλων του μεγέθους της διάβρωσης. Ο υπολογισμός του όμως εμπεριέχει πολλές αβεβαιότητες, καθώς εξαρτάται από πλείστους παράγοντες, που μερικές φορές δεν μπορούν να εκτιμηθούν. Στα πρώτα στάδια της μελέτης της διάβρωσης του χώματος από τους επιστήμονες, αναπτύχθηκαν υπολογιστικά μοντέλα τα οποία όμως ήταν εμπειρικά και δεν μπορούσαν να προσδιορίσουν την χωρική κατανομής της διάβρωσης σε μία περιοχή. Γι’ αυτό στην συνέχεια υπήρξε η προσπάθεια δημιουργίας μοντέλων υπολογισμού που θα βασίζονταν στην συγκέντρωση της ραδιενέργειας ραδιενεργών ισοτόπων τα οποία ούτως ή άλλως βρίσκονται έδαφος.

Στόχος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας ήταν να διερευνηθεί το κατά πόσον είναι δυνατόν με τις δυνατότητες που έχει το εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του ΕΠΤ (ΕΠΤ-ΕΜΠ) να πραγματοποιηθούν έρευνες για τον προσδιορισμό του ρυθμού διάβρωσης του εδάφους και να μελετηθούν τα προβλήματα που θα παρουσίαζε μία τέτοια έρευνα.

Η μελέτη της διάβρωσης του χώματος μέσω ραδιοϊσοτόπων γίνεται κυρίως μέσω του Cs-137. To Cs-137 είναι ένα τεχνητό ραδιενεργό ισότοπο, που έχει αποτεθεί στο χώμα μέσω των πυρηνικών δοκιμών και του ατυχήματος του Chernobyl. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσής της ραδιενέργειάς του στο χώμα, γίνεται μέσω κατάλληλων δειγματοληψιών και αναλύσεων στο εργαστήριο οι οποίες ακολουθούν. Η εκτίμηση του ρυθμού διάβρωσης του εδάφους βασίζεται στα αποτελέσματα των αναλύσεων και γίνεται με εφαρμογή κατάλληλων μοντέλων τα οποία έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, αναλύονται τα υπολογιστικά μοντέλα που μετατρέπουν την συγκέντρωση ραδιενέργειας σε ρυθμό διάβρωσης ή ιζηματογένεσης του χώματος και περιγράφεται η διαδικασία της δειγματοληψίας, της επεξεργασίας των δειγμάτων και της γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης με στόχο τον προσδιορισμό της ραδιενέργειας του Cs-137. Αφού οι τεχνικές που περιγράφονται ελέγχθηκαν στην περιοχή της Πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου, εν συνεχεία ακολούθησε εφαρμογή τους σε μία θέση με εμφανές πρόβλημα διάβρωσης του εδάφους, στην περιοχή της Λαμίας. Η Διπλωματική Εργασία αποτελείται από 6 Κεφάλαια και συνοδεύεται από 2 Παραρτήματα.

Στο 2ο Κεφάλαιο δίνονται αρχικά γενικά στοιχεία για τα ραδιοϊσότοπα μέσω των οποίων πραγματοποιείται η μελέτης της διάβρωσης του χώματος και στην συνέχεια αναλύεται η τεχνική του Cs-137 μέσω της οποίας μετατρέπονται οι τιμές της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του Cs-137, σε ρυθμούς διάβρωσης ή ιζηματογένεσης του χώματος. Εν συνεχεία, αναλύονται οι προϋποθέσεις για την επιλογή των περιοχών που θα γίνουν οι δειγματοληψίες και περιγράφονται οι κατηγορίες μελέτης εδαφών, μέσω του Cs-137. Πιο συγκεκριμένα, προσδιορίζεται ο αριθμός δειγμάτων που απαιτείται για κάθε κατηγορία καθώς και τους περιορισμούς για να γίνει ανάμιξη των δειγμάτων. Τέλος, αναλύεται ο σχεδιασμός δειγματοληψίας, δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο θα επιλεχτούν τα σημεία από τα οποία θα συλλεχθούν τα δείγματα, για κάθε μία από τις κατηγορίες μελέτης εδαφών.

Στο 3ο Κεφάλαιο αναλύονται οι υπάρχουσες μέθοδοι δειγματοληψίας που χρησιμοποιούνται για μελέτες διάβρωσης του χώματος. Συγκεκριμένα, περιγράφονται οι συσκευές δειγματοληψίας και ο τρόπος με το οποίο γίνεται η συλλογή του δείγματος χώματος. Γίνεται κριτική ανασκόπηση των τεχνικών δειγματοληψίας που χρησιμοποιούνται στο ΕΠΤ-ΕΜΠ και στη συνέχεια αναλύεται η μέθοδος δειγματοληψίας που χρησιμοποιήθηκε για την συλλογή δειγμάτων στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, η οποία βασίσθηκε σε δειγματολήπτη ο οποίος κατασκευάσθηκε στα πλαίσια της ΔΕ.

Στο 4ο Κεφάλαιο αρχικά αναφέρονται γενικά στοιχεία για τις ιδιότητες του χώματος και για τις μεθόδους επεξεργασίας του δείγματος και περιγράφεται η τυπική διαδικασία επεξεργασίας των δειγμάτων, που συλλέχθηκαν για μελέτες διάβρωσης του εδάφους. Στη συνέχεια αναλύεται η μεθοδολογία επεξεργασίας και προετοιμασίας των δειγμάτων, όπως πραγματοποιήθηκε στην παρούσα Διπλωματική Εργασία. Τέλος, αναφέρονται γενικά στοιχεία για την γ-φασματοσκοπική ανάλυση και γίνεται περιγραφή των ανιχνευτικών διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν για την γ-φασματοσκοπική ανάλυση των δειγμάτων, ενώ περιγράφεται και η διαδικασία μέσω της οποίας γίνεται η ανάλυση των δειγμάτων.

Στο 5ο Κεφάλαιο αναλύονται τα υπολογιστικά μοντέλα μετατροπής της συγκέντρωσης ραδιενέργειας Cs-137 σε ρυθμούς διάβρωσης ή ιζηματογένεσης του χώματος. Αρχικά κατηγοριοποιούνται τα μοντέλα ανάλογα την χρήση του χώματος, όπου γίνεται η δειγματοληψία. Για κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες, γίνεται δεύτερη κατηγοριοποίηση ανάλογα αν το μοντέλο είναι εμπειρικό ή θεωρητικό. Στη συνέχεια περιγράφονται τα εμπειρικά καθώς και τα θεωρητικά μοντέλα, τα οποία διαφοροποιούνται, ανάλογα τον αριθμό δεδομένων που απαιτούνται για τον υπολογισμό και την ακρίβειά τους. Αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η επιλογή των μοντέλων μετατροπής, ανάλογα το είδος μελέτης διάβρωσης που θα πραγματοποιηθεί. Τέλος, αναφέρονται οι παράμετροι-κλειδιά των μοντέλων, η φυσική τους σημασία καθώς και ο τρόπος υπολογισμού τους.

Στο 6ο Κεφάλαιο περιγράφεται το πειραματικό μέρος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας, δηλαδή μία ολοκληρωμένη μελέτη της διάβρωσης του χώματος στην περιοχή στην περιοχή Δραχμάναγα Λαμίας. Αρχικά, αναφέρονται τα αρχικά στάδια της μελέτης, όπου έγινε σχεδιασμός μίας κατάλληλης συσκευής δειγματοληψίας, η οποία τελικά πήρε την τελική μορφή που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 3, ενώ επιλέχτηκε και η κατηγορία των μοντέλων που θα χρησιμοποιούνταν για τον υπολογισμό των ρυθμών διάβρωσης ή ιζηματογένεσης. Στην συνέχεια περιγράφεται η δοκιμαστική δειγματοληψία που πραγματοποιήθηκε στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου για να διαπιστωθεί η εργονομία της συσκευής δειγματοληψίας, για το αν μπορούν να εφαρμοστούν τα υπολογιστικά μοντέλα με τα μέσα που διαθέτουμε και για το αν προκύψουν λογικά αποτελέσματα. Επιπλέον παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και ο τρόπος υπολογισμού τους. Αφού ολοκληρώθηκε αυτό το στάδιο, γίνεται αναλυτική περιγραφή της μελέτης που πραγματοποιήθηκε στον Δραχμάναγα Λαμίας. Αρχικά αναλύεται, πώς επιλέχτηκε η εν λόγω περιοχή και περιγράφεται η διαδικασία της δειγματοληψίας, ενώ η επεξεργασία και ανάλυση των δειγμάτων περιγράφονται στο Κεφάλαιο 4. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται τα δεδομένα από την ανάλυση των δειγμάτων, γίνεται εφαρμογή των μοντέλων μετατροπής και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα. Τέλος. ακολουθεί ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων, η εξαγωγή συμπερασμάτων καθώς και οι προοπτικές για μελλοντική επέκταση της εργασίας.

Η εργασία ολοκληρώνεται με 2 Παραρτήματα.

Estimating erosion rate of surface areas by using natural and artificial radioisotopes