Особенности трансформации радиоактивного загрязнения литосферы и подземной гидросферы в зоне чернобыльского радиоактивного следа на территории России

Аннотация к заявке:

Самым большим вызовом человеку и природе на территории страны в ХХ веке стала авария на Чернобыльской АЭС. 26 апреля 2016 года исполнилось тридцать лет после этой аварии. В марте 2011 года в Японии произошла авария на атомной электростанции «Фукусима 1». Обе эти аварии показали, что окружающая среда, включая атмосферный воздух, почвы, породы зоны аэрации, поверхностные и подземные воды подверглись радиоактивному загрязнению, влияние которого будет сказываться на протяжении десяти периодов полураспада основных выброшенных в процессе аварий радионуклидов, преимущественно стронция – 90 и цезия – 137 (период полураспада приблизительно равен 30 – ти годам). В связи с этим разработка эффективных научных методов оценки влияния и минимизации последствий аварий на окружающую среду и человека является актуальной.

Исходя из этого, настоящий проект направлен на поэтапное решение фундаментальных экологических задач:

- усовершенствование и унификация ранее разработанной авторами методики оценки защищенности и уязвимости подземных вод к загрязнению радионуклидами;

- оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения различными веществами, включая радионуклиды, с учетом изменяющегося климата и структуры водного баланса в зоне радиоактивного следа на территории Тульской области;

- установление степени трансформации уязвимости подземных вод к загрязнению чернобыльскими радионуклидами в промежутке времени от их выпадения до полного распада на территории Калужской области.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

В рамках решения первой задачи получено следующее:

Предложена унифицированная методика среднемасштабной оценки защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая проследить возможные вариации развития процесса загрязнения в зависимости от типа загрязняющего вещества (от нейтрального до высокотоксичного) при различных сценариях изменения климата (от иссушения до его увлажнения) и при влиянии сразу двух этих факторов.

Реализация оценки защищенности подземных вод от загрязнения по трем вышеперечисленным случаям сводится к приведению расчетной формулы, разработанной нами ранее, к рекуррентному виду, позволяющему упростить и ускорить вычислительные процедуры при неизменных других параметрах (преимущественно характеризующих природные условия) при расчете времени миграции загрязняющих веществ в подземные воды.

Защищенность грунтовых вод от любого загрязняющего вещества зависит от времени достижения фронтом загрязненных инфильтрационных вод водоносного горизонта (tз) в пределах каждого выделенного на карте защитной зоны типового участка. Время прохождения растворенным в воде радионуклидом толщи почв и пород зоны аэрации мощностью М с заполнением их сорбционной емкости и последующим достижением уровня грунтовых вод можно определить по разработанной нами формуле:

 (1)

где Kp, л/кг - коэффициент распределения; d, кг/дм 3 - объемная масса скелета грунта, qп, – полная влагоемкость (в долях единицы); u, м/сут – скорость просачивания инфильтрационного потока W (м/сут ). q - естественная влажность пород (в долях единицы), k ф - коэффициент фильтрации (м/сут). Преобразуем это выражение:

                                                                   (2)

где:   

Выражение (2) – рекуррентная формула для расчета времени миграции загрязняющих веществ с различными значениями коэффициента распределения (первая задача) при всех других неизменяющихся величинах: величины a и b – характеризуют природные особенности защитной зоны (первая задача – миграция различных загрязняющих веществ). Аналогичным образом преобразуется (1) для решения двух других задач.

Данная методика позволяет еще на предварительных стадиях исследований построить большое количество карт защищенности подземных вод от загрязнения для различных сценариев (задач) антропогенного и природного воздействия на них (загрязнение различными веществами, изменение климата, при совместном воздействии и др.). По мере реализации какого – либо из сценариев можно сразу из этого прогнозного комплекта карт выбрать карту, соответствующую данному конкретному сценарию, что ускорит принятие соответствующих решений по минимизации ущерба подземным водам при реализации негативного сценария и не потребует значительных финансовых расходов при оценке этого влияния.

В результате географо-гидрологического анализа многолетних наблюдений за поверхностным склоновым стоком и его факторами выявлены современные особенности инфильтрации атмосферных осадков в почвогрунты зоны аэрации, от которой, в свою очередь, зависит величина подземного стока в речную сеть. Главной причиной произошедших изменений стока и инфильтрации, несомненно, является климат. Возросла в среднем на 1.2–1.4ºC температура воздуха в холодный период года.

Перспективы использования унифицированной методики сводятся к следующему:

Она позволяет делать предварительные прогнозные оценки миграции загрязняющих веществ в подземные воды; ее можно использовать для организации системы экологического мониторинга за подземными водами для любых промышленно и сельскохозяйственно развитых регионов;   при поисках и разведке месторождений пресных подземных вод, для оценки степени защищенности и уязвимости подземных вод, что позволит научно обосновать места предварительного размещения проектируемых водозаборов; при проектировании и строительстве крупных промышленных объектов для оценки степени защищенности и уязвимости подземных вод от возможного загрязнения, что позволит научно обосновать наиболее уязвимые территории по отношению к загрязнению подземных вод и установить более безопасные места для размещения проектируемых объектов;  на эксплуатируемых опасных для загрязнения подземных вод объектах и при реальном загрязнении подземных вод, где оценивается их реальная уязвимость, а через нее - ущерб подземным водам от загрязнения.

В рамках решения второй задачи на территории одного из регионов Тульской области, частично пострадавшего от аварии на Чернобыльской АЭС, обладающего развитой промышленностью и сельским хозяйством, проведены такие  исследования:

- оценка защищенности подземных вод от загрязнения различными веществами в условиях изменяющегося климата с использованием разработанной на предыдущем этапе исследований методики;

- оценка суммарной техногенной нагрузки от точечных, площадных – диффузных и локальных - источников загрязнения (промышленные предприятия, шахты, сельскохозяйственные земли, радиоактивный след и др.);

- оценка опасности загрязнения подземных вод от суммарной техногенной нагрузки на окружающую среду непосредственно после аварии на ЧАЭС (рисунок 1) и спустя 30 лет после аварии (рисунок 2);

- разработка  рекомендаций по сохранению и реабилитации качества подземных вод и ведению экологического мониторинга на сложных природно – техногенных объектах.

- анализ и оценка влияния гидроклиматических условий через вариации значений среднегодового инфильтрационного питания;

- оценка поверхностного и склонового стока, инфильтрации в почвы и породы зоны аэрации с учетом климатических условий.

Для оценки защищенности подземных вод были выбраны следующие загрязняющие вещества: радионуклиды (90Sr и 137Cs) как продукты загрязнения от аварии на ЧАЭС; Cr6+- как одно из приоритетных загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий; NH4+- и NO3-- сельскохозяйственное и жилищно-коммунальное загрязнение - и нейтральные загрязняющие вещества (макрокомпоненты, нефтепродукты и др.). По каждому из перечисленных веществ проводилась оценка защищенности подземных вод по трем сценариям изменения климата.

На карте суммарного рейтинга условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников после аварии на ЧАЭС (рисунок 1) показано:

- рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от точечных источников и радиоактивного загрязнения распределился следующим образом по городам: чрезвычайная опасность – Тула, Новомосковск, Донской, Богородицк, Щекино, Советск; очень высокая - Кимовск, Киреевск, Узловая; высокая – Северо - Задонск, Плавск (рисунок 1);

- рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от площадных и точечно - площадных источников загрязнения распределился следующим образом: территории с чрезвычайной опасностью загрязнения приурочены к локальным участкам с развитой добывающей промышленностью и очень высоким радиоактивным загрязнением вблизи городов Советск и Киреевск. В зоне развития сельского хозяйства и добывающей промышленности на фоне среднего радиоактивного загрязнения существует очень высокая опасность ухудшения состояния окружающей среды, а на фоне слабого радиоактивного загрязнения – высокая опасность. В зоне, где добывающая промышленность отсутствует, а сельское хозяйство развито и отмечено высокое радиоактивное загрязнение (до уровня «очень высокое», что характерно для района г. Плавск), опасность изменяется от высокой до очень высокой. В зоне среднего радиоактивного загрязнения – опасность средняя, в зоне слабого радиоактивного загрязнения – опасность слабая (рисунок 1).

Рисунок 1. Схематическая карта суммарного рейтинга условной опасности загрязнения ОС от различных источников загрязнения (после аварии на ЧАЭС). Масштаб 1: 55000

В 2016 г. исполнилось 30 лет после аварии на ЧАЭС. 30 лет – это один период полураспада радионуклида 137Cs. В связи с этим произошло уменьшение активности первоначальных выпадений радионуклидов вдвое. Учитывая этот фактор, была проведена переоценка суммарного рейтинга опасности ОС от площадных и точечно – площадных источников загрязнения спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС. Следует отметить, что за прошедшее время практически все угольные шахты на изучаемой территории были закрыты и затоплены, но влияние их на ОС по - прежнему остается негативным. Поэтому рейтинг угольной промышленности в данных оценках не был изменен.

Рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от точечных источников загрязнения распределился следующим образом по городам: чрезвычайная опасность – г. Щекино; очень высокая опасность – Тула, Советск; высокая – Новомосковск, Донской, Богородицк; средняя - Узловая, Кимовск, Киреевск; слабая – Северо - Задонск, Плавск (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическая карта суммарного рейтинга условной опасности загрязнения ОС от различных источников загрязнения (спустя 30 лет после аварии). Масштаб 1: 55000

Сравнивая экологическую ситуацию спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС с ситуацией сразу после аварии, можно сделать вывод: за этот срок произошло значительное улучшение состояния среды, хотя в радиоактивном следе в районе г. Плавск экологическая ситуация по-прежнему достаточно напряженная. На территории развития горнодобывающей промышленности сохраняется высокая опасность загрязнения окружающей среды: несмотря на то, что практически все шахты уже закрыты, их влияние на окружающую среду остается достаточно высоким.

Решение третьей задачи находится в процессе реализации.