Геоэкология зон влияния действующих аэс

Чернобыльская катастрофа, не сопоставимая ни с одной по территории, отмеченной ее действием, инициировала многочисленные разноплановые исследования, в том числе происшедших аварий, как по суммарному выбросу, так и работы, связанные с воздействием нормально функционирующей АЭС на геологическую среду.

Геологическими подразделениями центральных районов России проводятся геоэкологические исследования в районах, прилегающих к действующим АЭС (Смоленской, Курской, Нововоронежкой, Калининском и др.). Основным направлением исследований было выявление геохимическим методами результатов воздействия атомно-энергетических объектов на природную среду в 30-км зоне.

Для изучения радиоактивного и химического загрязнений исследованы почвы, донные отложения, поверхностные и подземные воды, растительность, атмосферные осадки. Изучение характера радиационного техногенного загрязнения в почвах в двух уровнях (0-5 и 5-10 см) подтвердило известный факт о преимущественно концентрации радиоизотопов цезия в верхнем слое почв. Наименьшая миграция по почвенному профилю характерна для лесных ландшафтов, наибольшая для пашен, садов и огородов. Из компонентов геологической среды, подверженных радиационному загрязнению, наибольшая экологическая опасность связана с подземными водами. Радионуклиды искусственного происхождения в поверхностных и подземных водах 30-км зоне Смоленской и Нововоронежской АЭС обнаружены. В зоне Курской АЭС ¹³⁷Cs был обнаружен в 10 пробах поверхностных вод и в трех пробах подземных вод (от 1,0 до 1,6 Бк/л). В озерах охладителях, реки Сьежа, озерах Кубыча и Саминец в зоне Калининской АЭС определены радиоизотопы ⁹⁰Sr (0,01-0,02 Бк/л) и ¹³⁷Cs (0,004-0,16 Бк/л) и в зоне влияния Ленинградской АЭС отмечалось превышение в грунтовых водах удельных активностей ¹³⁷Cs (до 6 раз) и ⁹⁰Sr (до 45 раз) над фоновыми уровням.

При этом содержание радионуклидов во всех случаях оставалось ниже уровня вмешательства по воде (УВ). В районе Обнинской АЭС в 1992-1993 годах радиоизотопы цезия и стронция зафиксированы в пробах воды, отобранных из основных водозаборов района: концентрация ⁹⁰Srне превышала 0,04 Бк/л, концентрация¹³⁷Cs- менее 0,04 Бк/л [13]. Приведенные значения измеренных концентраций значительноменьшеуровня вмешательства по питьевой воде,установленных в национальных документах Беларуси по нормам радиационной безопасности:

⁹⁰Sr= 370 Бк/м,¹³⁷Cs= 10000 Бк/м.

Это свидетельствует о том, что при нормальном функционировании атомных электростанций обеспечивается весьма благоприятная радиационная обстановка на территориях к ним примыкающих. Штатные методы контроля радиационной обстановки в окружающей среде не позволяют в подавляющем большинстве случаев обнаружить влияние их деятельности.

Для изучения миграции радионуклидов в компонентах геосферы на территориях, загрязненных в результате чернобыльской катастрофы до уровня 10-40 Ки/км²и выше, в России были созданы полигоны («Деменка» и «Кожаны», Брянская область), оборудованные пунктами долговременных наблюдений за уровнем их радиоактивного загрязнения. Анализ радиоэкологических исследований на этих полигонах привел к следующим выводам:

1. Максимальным уровнем радиоактивного загрязнения геологической среды характеризовались верхние почвенные слои, аккумулировавшие основную массу «чернобыльских» радионуклидов. При этом пики содержания радиоизотопов фиксировались преимущественно на глубине 5-15 см. В зоне аэрации наблюдался опережающий «фронт» (до глубины 1,0-1,5 м), обусловленный процессами миграции радионуклидов с инфильтрационными водами.

2. По результатам натурных наблюдений скорость вертикальной миграции радионуклидов в почвах для ¹³⁷Cs составляла 0,6-0,8 см/год. ⁹⁰Sr - 1,1-1,6 см/год. При этом фактор задержки в почвах для ¹³⁷Cs равен 129-140, для ⁹⁰Sr - 49-91. По данным радиоиндикаторных исследований ВСЕГИНГЕО скорость миграции в зоне аэрации для ¹³⁷Cs составляла 0,4-1,1 см/год, ⁹⁰Sr – 3,7-6,6 см/год. Фактор задержки в зоне аэрации ¹³⁷Cs (72-178) в 6-9 раз выше, чем ⁹⁰Sr (12-20).

3. По данным опытных работ инфильтрация атмосферных осадков через зону аэрации может привести к их радиоактивному загрязнению, а, следовательно, и загрязнению подземных вод. Однако низкий уровень содержания водорастворимых форм радионуклидов в почвах и отложениях зоны аэрации контролирует их концентрацию в фильтрате, препятствуя загрязнению подземных вод выше допустимого уровня вмешательства по нормам радиационной безопасности (НРБ).

4. Радиоактивное загрязнение подземных вод обусловлено вымыванием радионуклидов из почв и зоны аэрации инфильтрационным потоком. Наиболее подвержены радиоактивному загрязнению первые от поверхности незащищенные водоносные горизонты (особенно аллювиальные), концентрация радионуклидов в которых в 1,5-5,0 раз выше, чем в горизонтах, перекрытых слабопроницаемыми отложениями.

Пример изучения вертикальной миграции у Островецкой АЭС.

Изменение относительной удельной активности ¹³⁷Csпо глубине защитной зоны на участке 1а(торфяно-болотные почвы).

На рис. ниже приведено сравнение результатов математического моделирования переноса примесей с экспериментальными данными, полученными при неравномерном и неустановившемся движении воды. Для моделирования переноса примесей создавалась математическая модель участка р. Оресы, затем выполнялось математическое моделирование неравномерного и неустановившегося движения воды и переноса примесей. Учитывалась самоочищающаяся способность потока по реакции первого порядка.

Представленные данные, на первый взгляд, показывают, что согласование результатов математического моделирования и экспериментов при неустановившемся движении воды не может рассматриваться как удовлетворительное. Продолжительное время это не находило объяснений. На рисунке видно, что результаты математического моделирования сближаются с экспериментальными данными в окрестности максимума концентраций. Это в некоторой мере обнадеживало. Однако, что касается начального периода появления концентрации примесей в створе 2, то ясно, что результаты моделирования не согласуются с опытными данными. Возникает эффект двухступенчатого повышения концентраций, хотя в створе имеется один максимум. Кроме того, повышение концентрацийпо данным экспериментов наступает значительно раньше, чем по результатам математического моделирования. Кривая концентрации имеет сразу крутой подъем, а затем некоторую почти горизонтальную площадку, которая затем переходит в плавный подъем, как и в других аналогичных экспериментах. Рассчитанные значения концентрации в районе второго подъема сближаются с экспериментальными, но, однако, не достигают их. Отмеченные особенности переноса примесей при неустановившемся движении воды нашли интересное объяснение и практическое значение, поэтому обращаем внимание на них.

Действительно, при попуске воды из водохранилища фронт положительной волны неустановившегося движения достигал створа 2 значительно раньше, чем фронт волны концентраций. В результате перед створом, где производились измерения, увеличивались скорости, которые приводили к размыву земляного ложа р. Оресы; взмучивались и переносились вниз по течению донные отложения, на которых сорбировались ионы различных веществ. Они увеличивали электрическую проводимость воды задолго до ее изменения за счет поступления примесей из первого граничного створа. Когда к створу3подходили примеси введенные в воду в створе1, суммарная концентрация в створе2 увеличивалась и за счет концентраций от размыва донных отложений. Этим можно объяснить и двухступенчатое повышение концентраций в экспериментальной кривой, и постепенное сближение рассчитанных значений концентрации с экспериментальными.

Этот эффект необходимо учитывать при организации попусков из водохранилища с целью разбавления концентрации примесей в нижерасположенных створах.

Карты защищенности грунтовых вод

Карты защищенности грунтовых вод имеют определенное целевое и| смысловое назначение. Они служат основой для принятия определенных проектных и социальных решений. Карты защищенности грунтовых вод от радиоактивного загрязнения должны быть составной частью комплекта карт, на которых базируются выбор и обоснование моделей переноса радионуклидов и последующий прогноз их миграции в защитной зоне и грунтовых водах. Вес это - один из элементов мониторинга радиоактивного загрязнения литосферы и гидросферы. Оценка защищенности и уязвимости грунтовых вод к радиоактивному загрязнению специфична. В общепринятом у гидрогеологов смысле защитная зона, отделяющая грунтовые воды от поверхностного загрязнения, - зона аэрации. В случае попадания радионуклидов на поверхность земли защитной зоной (буфером) более высокого порядка являются почвы, способные связать большое количество радионуклидов. Таким образом, зона, защищающая подземные воды от загрязнения, имеет двухуровневое строение: первый уровень - почвы, второй - породы зоны аэрации. Для построения карт защищенности и уязвимости грунтовых вод к загрязнению необходимо иметь комплект карт.

Карта защитной зоны

При построении карты защитной зоны первый уровень защитной зоны отражается на почвенной карте, на которой показываются тип почв, механический состав. Строение второго уровня защитной зоны характеризуетсядвумя картами: глубин залегания грунтовых вод и геолого-литологического строения зоны аэрации.

Карта геологического строения строится с использованием четвертичных отложений и карты инженерно-геологического районирования. Карта защитной зоны получается путем наложения почвенной карты; отображающей строение первого уровня защитной зоны, и характеризующей строение второго уровня защитной зоны.

Следующий этап построения карты защитной зоны - установление категории для характеристики природного потенциала защитной зоны способности защитить грунтовые воды от загрязнения любого типа соотношению литологического строения первого и второго уровней загрязнений зоны и глубине залегания грунтовых вод на качественном уровне выделяются следующие категории ее защитного потенциала:

• чрезвычайно слабый защитный потенциал;

• слабый защитный потенциал;

• средний защитный потенциал;

• высокий защитный потенциал.

Карта защитной зоны является базовой для построения защищенности и уязвимости грунтовых вод к любым ЗВ.

Карта защищенности грунтовых вод от загрязнения радионуклидами строится на основе карты защитной зоны. При этом следует учитывать:

• сорбционные свойства, обеспечивающие задержание радионуклидов почвами и породами зоны аэрации, ограничение скорости их продвижения инфильтрационным потоком до грунтовых вод;

• свойства почв и пород зоны аэрации, зависящие от физических, механических, физико-химических, фильтрационных свойств, минералогического состава и характеризующие интенсивность продвижения фронта загрязненных инфильтрующихся вод в зоне аэрации до грунтовых;

• путь фильтрации (инфильтрации), то есть мощность зоны аэрации глубину залегания грунтовых вод;

• период полураспада радионуклидов;

• формы миграции радионуклидов (ионную, комплексную и др.);

• наличие «быстрых» путей миграции (трещины, крупные кротовины и другие естественные нарушения, содержащиеся в почвенных породах зоны аэрации, а также колодцы, скважины и другие инженерные сооружения, вскрывающие подземные воды).

Сорбционная способность почв обобщенно оценивается с помощью коэффициента распределения (К_d,)равного отношению концентрации радионуклидов в единичном объеме грунта к равновесному содержанию водном растворе, находящемся в контакте с данным образцом породы.

Следующий этап построения карты - установление категории защищенности грунтовых вод от загрязнения. Выделяются четыре категории защищенности грунтовых вод от загрязнения: незащищенные, слабо защищенные, средне защищенные и условно защищенные.

Оценку защищенности следует проводить по каждому радионуклиду. Защищенность грунтовых вод от любого ЗВ зависит от времени достижения фронтом загрязненных инфильтрационных вод водоносного горизонта, время прохождения растворенным в воде радионуклидом толщи почв и пород зоны аэрации с заполнением их сорбционной емкости и последующим достижением УГВ. При многослойной структуре зоны аэрации с различными физико-химическими характеристиками слоев время миграции через ненасыщенную зону равно сумме времен прохождения загрязнения через каждый слой.

При ранжировании естественной защищенности грунтовых вод от загрязнения следует учитывать период полураспада радионуклидов. В случае можно выделить следующие категории защищенности:

• незащищенные грунтовые воды,

• слабо защищенные грунтовые воды,

• средне защищенные грунтовые воды,

• условно защищенные грунтовые воды.

Карты защищенности грунтовых вод от радиоактивного загрязнения являются составной частью комплекта карт, на которых базируются выбор и обоснование моделей переноса радионуклидов и последующий прогноз их миграции в защитной зоне и грунтовых водах. Все это - один из элементов мониторинга радиоактивного загрязнения литосферы и гидросферы.