Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности гидрологического режима и техногенных илов открытого хранилища жидких радиоактивных отходов "ПО "Маяк" водоема В-9 (Карачай)

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Особенности гидрологического режима и техногенных илов открытого хранилища жидких радиоактивных отходов "ПО "Маяк" водоема В-9 (Карачай)"

На правах рукописи

Алексахин Алексей Иванович

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА И ТЕХНОГЕННЫХ ИЛОВ ОТКРЫТОГО ХРАНИЛИЩА ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ "ПО "МАЯК" ВОДОЕМА В-9 (КАРАЧАЙ)

25 00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п

0зерск-2007 003174897'

003174897

Работа выполнена в Центральной заводской лаборатории ФГУП "Производственное объединение "Маяк", г Озерск Челябинской обл.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Е.Г. Дрожко

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Э Ф. Емлин

Уральский государственный горно-геологический университет (УГГУ)

доктор геолого-минералогических наук БТ Кочкин

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ РАН)

Ведущая организация ФГУГП "Гидроспецгеология" МПР РФ,

г Москва

Защита состоится 13 ноября 2007 г. в 17 часов

на заседании диссертационного совета ДСр 201.016.01

при ФГУП "Производственное объединение "Маяк"

по адресу: 456780, г. Озерск Челябинской области, ул Ермолаева, 18.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Центральной заводской лаборатории ФГУП "ПО "Маяк". Реферат размещен на сайте \vww.po-mayak ш

Автореферат разослан 8 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук Е.А Демченко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. С 1951 года и по настоящее время водоем Кара-чай (водоем 9, В-9) является открытым поверхностным хранилищем жидких радиоактивных отходов (ЖРО) ФГУП "ПО "Маяк", не имеющим аналогов в мировой практике по общим запасам радионуклидов На протяжении всего периода эксплуатации водоем Карачай является источником радионуклидного загрязнения объектов окружающей среды и фактором риска потенциальной крупномасштабной радиационной аварии, подобной ветровому уносу радионуклидов 1967 г

Предотвращение крупномасштабных радиационных аварий и дополнительного радиоактивного загрязнения территории включает в себя комплекс технологических и геотехнических задач, направленных на ликвидацию источников риска действующих источников радиоактивного загрязнения С 1986 г ведутся планомерные работы по закрытию акватории водоема. Потенциальный риск радиационной аварии, обусловленный существованием водоема Карачай, а также загрязнение воздушной среды и прилегающих к водоему площадей могут быть исключены только путем консервации самого водоема, реабилитации и обустройства прилегающей к нему территории

Опыт всего периода эксплуатации водоема-хранилища и производства работ по засыпке его акватории позволяет выделить три основные проблемы, которые определяют возможность радиационных аварий:

1) Значительные колебания уровня воды в водоеме на фоне общего роста в последние 15-20 лет

2) Наличие в водоеме высокоактивных техногенных илов, способных к образованию радиоактивных аэрозолей и их ветровому разносу в случае обнажения дна или выталкивания над поверхностью воды при засыпке

3) Поступление радионуклидов из водоема в подземный водоносный горизонт с фильтрационным потоком

Принятый в Росатоме "Комплексный план по решению экологических проблем, связанных с деятельностью "ПО "Маяк" предусматривает окончательное закрытие акватории водоема Карачай и превращение его в приповерхностный могильник (третья очередь проекта консервации водоема В-9) Особенностями сложившейся ситуации является выполнение работ по закрытию акватории В-9 в условиях возрастания частоты лет повышенной водности, наиболее высоких уровней поверхностных и подземных вод за весь период наблюдений, наличия на водоеме системы открытой акватории и значительного объема поровой воды массива засыпки, невозможности немедленного прекращения сброса жидких отходов. Сложность ситуации подчеркивается случаями вынужденного прекращения работ по засыпке акватории вследствие роста уровня водоема (1993-1994, 1999-2003, 2006-2007 гг.) Производство работ по закрытию водоема Карачай и завершению его консервации требует точных знаний о возможной реакции В-9 на воздействие различных техногенных и природных факторов. Для успешной реализации проекта консервации водоема В-9 необходимо понимание особенностей его гидрологи-

ческого режима, учет водного баланса и оценка влияния различных расходных и приходных составляющих баланса на уровень водоема Кроме того, требуются полные данные о качественных и количественных характеристиках техногенных иловых отложений и суглинках ложа водоема, которые являются основным депо радионуклидов. Распределение техногенных илов В-9 во многом определяет технологию ведения работ по консервации водоема. Сорбционные параметры илов -один из главных факторов, определяющих поступление радионуклидов из водоема в подземный водоносный горизонт

Объектами исследований являлись открытое хранилище ЖРО водоем Ка-рачай, включая компоненты водоема, и приповерхностный водоносный горизонт, определяющий уровенный режим водоема

Главная цель работы — выявление закономерностей гидрологического режима и определение параметров техногенных илов для разработки и обоснования мероприятий, обеспечивающих возможность безаварийного выполнения работ по консервации водоема и дальнейшую эксплуатацию в качестве могильника приповерхностного типа

Основными задачами исследований являлись

1 Изучение значимости техногенного воздействия (доля объемов техногенного поступления в водном балансе, влияние изменения формы котловины вследствие отсыпки берегов, реакция уровня на замену свободного объема пористым массивом засыпки) на фоне природных факторов в структуре водного баланса водоема

2 Исследование распределения мощности техногенных илов по акватории водоема

3. Изучение физических, химических и радиохимических параметров илов

4 Оценка активности радионуклидов, депонированных в ил ах и их пространственного распределения в современной акваторной (незакрытой) части водоема

5 Определение параметров вымывания (десорбции) радионуклидов при промывании илов чистой природной и засоленной водой (моделирование условий приповерхностного хранилища ЖРО после окончательной консервации В-9 и современного состояния водоема соответственно) для оценки поступления радионуклидов в подземный водоносный горизонт

6. Разработка и обоснование технических решений по консервации водоема Карачай с целью обеспечения безаварийной консервации и эксплуатации хранилища

Фактический материал и методы исследований. Особенности гидрологического режима водоема Карачай изучены на основе результатов многолетних гидрологических, гидрогеологических и метеонаблюдений и водно-балансовых расчетов Фильтрация из водоема В-9 рассмотрена на базе фактического материала, полученного в процессе проведения длительного гидрогеохимического и гидродинамического объектного мониторинга, обобщения данных о геологическом строении участка водоема, а также результатах расчета водного баланса. Исполь-

зованы данные уровенных режимов В-9, других водоемов, естественных озер и подземных вод в регионе. Изучены корреляционные связи рядов данных гидрологических, гидрогеологических и метеонаблюдений

При непосредственном участии автора выполнены обследования водоема В-9 2002 и 2005 гг, проведенные с отбором проб воды, техногенных илов, суглинков ложа и рядом измерений. Выполнен комплекс лабораторных исследований, обобщены и проанализированы результаты химических и радиохимических анализов проб воды, промывных растворов, взвесей и навесок из проб илов и суглинков ложа водоема (49 проб рыхлых донных отложений и взвесей, 173 проб воды и промывных растворов).

Полученные результаты использованы в предложенных автором технических решениях проекта консервации водоема В-9 Ш-й очереди.

Основные защищаемые положения:

1. Выполненные оценки воздействия на гидрологический режим водоема В-9 климатических и техногенных факторов показывают решающую роль климатических факторов в изменении уровня водоема на современном этапе. Среди техногенных воздействий наиболее значимым является замена открытого объема котловины пористым материалом засыпки, что повышает реакцию системы на поступление осадков и других составляющих приходной части, а также снижает фильтрационные характеристики ложа Уровенный режим В-9 аналогичен режиму естественных озер Зауралья

2. Основным депо радионуклидов водоема В-9 являются техногенные илы, содержащие в открытой части водоема 75% общей бета-активности (цезий-137,стронций-90+итгрий-90) и 96% общей альфа-активности (изотопы плутония, америция, урана, кюрия), или 16,6 млн. Ки и 0,67 млн Ки соответственно. Верхняя часть илового слоя, или до 1/2 всего объема илов, представлена жидкими "взвешенными" илами, не требующими обязательных условий создания массива повышенной пористости при консервации для обеспечения безаварийности работ. Вещество "взвешенных" илов аккумулирует до 1/4-1/3 суммарной бета-акгивности илового слоя водоема В-9.

Получены оценки распределения активности в компонентах водоема и картина пространственного распределения активности в илах

3. Динамика процесса вымывания радионуклидов из техногенных илов водоема В-9 характеризуется повышенным выносом на начальных стадиях, для которых характерно вымывание растворимых форм. Экспериментами показано, что не менее 65-80 % стронция-90, 15-30 % цезия-137, 30 % изотопов урана и трансурановых элементов может быть вымыто из илов и поступить в подземный водоносный горизонт. Опреснение воды после закрытия водоема приведет к снижению поступления из илов сгронция-90, цезия-137 и урана (в 2-5 раз) Вынос ТУЭ при этом значимо не изменится.

4. Основой технических мероприятий проекта консервации водоема В-9, необходимых для безопасности завершения работ и эксплуатации на современном и последующем этапах является.

- предотвращение возможного радиационного воздействия В-9 при современных повышенных уровнях в условиях многоводного периода (за счет повышения высотных отметок массива засыпки заданной пористости, сооружения глинисто-суглинистого противофильтрационного экрана),

- обеспечение стабилизации уровенного режима и снижения поступления естественных составляющих приходной части водного баланса водоема (сооружение нагорного канала и специальных конструкционных слоев массива засыпки, выполнение планировки рельефа окружающей территории)

Результатами специальных обследований водоема В-9 обосновывается достаточность параметров создаваемого массива засыпки для локализации высокоактивных техногенных илов

Научная новизна работы

1 На основе большого объема данных впервые обоснованно показана пер-востепенность естественных факторов для уровенного режима водоема-хранилища ЖРО Карачай Техногенное влияние на гидрологический режим водоема в настоящее время будет проявляться только в случае контрастного воздействия природных факторов (в условиях возрастания частоты лет повышенной водности)

2 Показано, что в настоящее время первостепенное значение для безаварийной консервации водоема В-9 и дальнейшей эксплуатации создаваемого могильника имеют мероприятия, направленные на стабилизацию уровенного (гидрологического) режима на участке водоема

3 Впервые выполнено комплексное изучение компонентов водоема-хранилища Карачай определено распределение и запасы радионуклидов в основных компонентах, рассмотрены формы нахождения радионуклидов в техногенных илах, установлены особенности распределения и радионуклидного загрязнения техногенных илов. Выявлены приуроченность 1/4-1/3 всей активности, депонированной в иловом слое, к верхней легкоподвижной (взвешенной) его части, не создающей угрозы аварии с подъемом над поверхностью воды при засыпке Получена детальная картина распределения радионуклидов в донных отложениях.

4 Впервые изучен процесс вымывания радионуклидов из верхней части илового слоя. Определены коэффициенты десорбции и общее количество вымываемых радионуклидов для различного солевого состава воды Показано значительное снижение выносимой активности для всего илового слоя после вымывания водорастворимых форм

5. Подтверждена правильность основных технических решений проектов I-ой, Н-ой очереди консервации водоема В-9 На основе изучения влияния основных режимообразующих факторов предложены технические решения проекта Ш-ей очереди консервации

6. Показано, что на завершающей стадии работ по закрытию акватории водоема Карачай определяющим фактором безаварийности работ станет обязательное создание массива засыпки повышенной пористости

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в организации и проведении всех видов работ, результаты которых приведены в диссертации Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен

тации. Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен автором лично. Он является автором технических решений по консервации, представленных в диссертационной работе. Все экспериментальные работы выполнены под руководством и при непосредственном участии автора

Практическая значимость. Результаты исследований позволили обосновать основные проектные решения третьей очереди работ по консервации водоема В-9 Актом "О внедрении разработанных технических решений" исх № ЦЛ/5603 от 0912 2004 г. комиссией из представителей ФГУП "УГПИИ "ВНИПИЭТ", ФГУГП "Гидроспецгеология" и ФГУП "ПО "Маяк" подтвержден факт полной реализации разработанных технических решений в проекте Ш-ей очереди "Консервации водоема В-9" (ФГУП "УГПИИ "ВНИПИЭТ", 2004 г) Проект получил положительное заключение Государственной экологической экспертизы (приказ Ростехнадзора № 271 от 04.05 2005) и утвержден в Росатоме (протокол № 27) Радиационная безопасность современных работ по консервации водоема и последующая эксплуатация могильника приповерхностного типа, сооружаемого на его месте, обеспечивается выполнением разработанных мероприятий, приведенных в данной диссертации.

Результаты НИОКР 2005 г. (по теме "Опытная проверка технических решений проекта Ш-ей очереди консервации водоема Карачай. Выполнение комплекса измерений и водно-балансовых расчетов для системы водоема Карачай в его современном состоянии") подтвердили справедливость полученных выводов и технических решений Уточнение данных о слое плотных илов показало возможность засыпки оставшейся акватории скальным грунтом с сооружением массива проектной пористости.

Данные экспериментальных исследований техногенных илов водоема Карачай будут использованы

- при оценке вторичного загрязнения подземных вод в результате перехода радионуклидов из твердой фазы в жидкую как в условиях повышенной солености, так и при последующем опреснении (обессоливании) воды хранилища;

- при моделировании поступления радионуклидов из хранилища в подземный водоносный горизонт для долгосрочного прогноза миграции радионуклидов в подземных водах.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены и обсуждены на Международной конференции "Воздействие атомных электростанций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы" (Обнинск, 1996), конференции молодых специалистов ЦЗЛ ПО "Маяк" (Озёрск, 1997), 4-ом Международном симпозиуме "Environmental Contamination in Central and Eastern Europe" (Варшава, 1998), конференции Американского ядерного общества "Spectrum '98й (Ла Гранж, Иллинойс, 1998), 2-ом семинаре НКК МНТЦ "Реабилитация больших территорий (Снежинск, 1999), ежегодной международной конференции Американского института гидрологии "Atmospheric, Surface and Subsurface Hydrology and Interactions" (Северная Каролина, 2000), 5-ой объединенной конференции "Environmental Hydrology and Hydrogeology" (Сан-Франциско, 2002), Международной научно-практической конференции "Техно-

генная трансформация геологической среды" (Екатеринбург, 2002), 4-ой Российской конференции "Радиохимия-2003" (Озерск, 2003), Международном научном семинаре (Миасс, оз. Тургояк, 2006), 5-ой Российской конференции по радиохимии (Дубна, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, из них статей в специализированных изданиях - 8, тезисов докладов на российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах -11

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения, изложенных на 165 страницах текста, включая 60 рисунков, 32 таблицы Библиография содержит 81 наименование ,

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить благодарность своим учителям О Н Грязнову, А А Богомолу, М П Покровскому, В И. Чеснокову Автор глубоко признателен научному руководителю Е Г Дрожко, а также С И Ровному, Л М Самсоновой за критические замечания и ценные советы, большую помощь и поддержку в проведении исследований Автор благодарен коллективам ФГУГП "Гидроспецгеология" (А.В. Глаголеву и др), ВИМС (В И Малышеву, А Е. Бахуру и сотрудникам лаборатории изотопных методов анализа), ИГЕМ РАН (В И. Величкину, Н Н Тарасову, В И. Мыскину), за многолетнее плодотворное сотрудничество. Отдельно автор выражает благодарность всем, без кого проведенные исследования были бы не возможны ведущему научному сотруднику ГНЦ РФ "Институт биофизики" Е И Орловой, главному гидрологу Челябинского гидрометцентра В И Афонину, коллегам по работе -ЮГ Мокрову, П М Стукалову, И А Иванову, Н А Симкиной, М Б Глаголевой, Г А Постоваловой и другим сотрудникам ЦЗЛ, работникам и руководителям завода 22, завода 235 и бюро геодезии УКС

Содержание работы

Глава 1. Особенности гидрологического режима

Во вступительном обзоре главы 1 представлены известные данные о гидрологических особенностях водоема Карачай в сопоставлении с озерами Зауралья Приведены сведения об уровенном режиме озер и его зависимости от гидрометеорологических параметров Представлены основные результаты балансовых и прогнозных расчетов Показано, что в современных условиях изменения гидрометеорологического режима (нарастания годовых сумм осадков с превышением их над испарением) для безаварийного продолжения работ по консервации В-9 необходимо уточнение водно-балансовых составляющих и значимости фактора техногенного воздействия

Основная часть главы 1 посвящена изучению и анализу особенностей гидрологического режима водоема В-9 на основе уточнения зависимости уровенно-го режима В-9 и подземных вод участка от основных режимообразующих факторов, особенностей водного баланса и динамики его структуры, обобщения данных

об уровенном режиме В-9, озер региона и подземных вод. Сопоставление колебаний уровней водоема и подземных вод на участке его расположения с региональными изменениями уровней подземных и поверхностных вод за рассматриваемый период, выполнено на основе корреляционных связей. Рассмотрены основные факторы, определяющие гидрологический режим водоема Карачай.

Климатические, определяющие соотношение годовых сумм осадков и испарения с зеркала водоема. Для режима В-9 принципиальным является изменение водности (разности годовых осадков и испарения): в период 1951-1981 гг. уровень испарения превышал уровень осадков в среднем на 100 мм/год, в период 19822005 it, наоборот, атмосферные осадки превышали испарение в среднем на 100 мм/год (рисЛа)

Естественные морфологические режимообразующие факторы (характеристики впадины и окружающего рельефа) в течение эксплуатации сменяются техногенными морфологическими:

- 1951-1967 гг. водоем эксплуатируется в режиме естественной блюдцеоб-разной впадины - небольшим изменениям уровня соответствовали значительные изменения площади и объема (в среднем 1,3 тыс м2 и 4 тыс. м3 на 1 см уровня); максимальные разливы увеличивают площадь наиболее фильтрующих участков;

- 1967-2005 гг.- появляется обваловка в виде приподнятой отсыпкой береговой полосы Площадь поверхностного водосбора практически отсутствует. Крутые каменно-набросные откосы берегов определяют незначительность изменения площади акватории при колебаниях уровня;

1979-2007 гг.. водоем в границах котловины 1973 г. представляет собой систему свободной воды открытой акватории и поровой воды увеличивающегося массива засыпки.

Объемы техногенного поступления (сбросы, доливы, дождевание берегов, засыпка) количественно характеризуются двумя периодами:

- 1951-78 гг. - максимального поступления (главным образом, сбросов и подпитки (дождевания)) - от ~74 тыс м3 (1957 г ) до ~ 425 тыс. м (1962 г) в среднем ~ 180 тыс м3/год, или не менее 50 % приходной части баланса,

- период 1979-2005 гг. постоянного снижения техногенных объемов от -153,5 тыс. м3 (1982 г) до ~15,5 тыс. м3 (2003 г.); в среднем ~ 60 тыс. м3/год, в последние 10 лет— 33 тыс м3/год

Геологические режимообразующие факторы, обеспечивающие режим ин-фильтрационных и фильтрационных потоков, испарения и хода уровня, меняются в результате техногенного воздействия - засыпки суглинком побережья и мелководья (1967-75 гг.), заболачиваемых участков прибрежной зоны (с 1994 г.) и работ по созданию скально-блочного массива на месте акватории В-9 (с 1973 г.).

б)

-уровень водоема В-9 -уровень оз.Аргаяш

В)

-100 1 ' ) ■ I ' < . 1......... I I Т-т-

юююсо<осо<о^-ь-г^сососоа>а)05споо 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0500 т-т— т-т— т-т-т-С^С^

сумма объемов техногенного поступления фильтрационный расход (с вычетом подземного приток?

Рисунок 1 - а) изменение годового параметра водности (осадки-испарение), в т.ч. интегральной водности, в 1951-2005 гг. б) Колебание среднегодовых уровней водоема В-9 (Карачай) и оз.Аргаяш в 1951-2005 гг. в) соотношение техногенных годовых объемов поступления в водоем В-9 и фильтрационных расходов (подземного дебаланса: фильтрация-подземный приток)

Влияние массива засыпки на режим уровня водоема В-9 характеризуют графики на рис. 2, иллюстрирующие эффект повышения реакции уровня системы В-9 (водоем + поровая вода массива с пористостью 0,2) на одномоментное поступление приходных объемов (100 мм осадков - (а) или скального грунта засыпки на 1 га - (б) с уменьшением площади открытой акватории (увеличением площади массива - по оси ординат).

а) Повышение реакции уровня системы В-9 (водоем + поровая вода массива засыпки) на одномоментное поступление 100 мм осадков с уменьшением свободной акватории водоема

жшшгапи'ацщп

б) Реакция уровня В-9 на одномоментное поступление скального грунта засыпки на 1 га площади водоема при уменьшении площади акватории (при средней глубине водоема на момент засыпки 2, 2,5 и 3 м -графики снизу вверх, соответственно)

Рисунок 2 - Повышение реакции уровня системы В-9 на объемы поступления при уменьшении свободной акватории

Водно-балансовые расчеты для водоема В-9 выполнены на основе максимального уточнения данных о составляющих водного баланса. В результате прямых расчетов получены погодовые величины разности фильтрационного оттока-притока. Полученные значения близки величине с объемами техногенного поступления (коэф. корр. г = 0,65 со среднеквадр. ошибкой сг = 0,079 (1951-2005 гг.); г = 0,82; а, = 0,054 (1970-2005 гг.), рис. 1в), что свидетельствует о сработке в годовом цикле дополнительных объемов поступления за счет фильтрации. В то же время годовые объемы техногенных составляющих баланса (сбросы + засыпка) характеризуются отсутствием связи со среднегодовым уровнем В-9 (г = 0,32; ог = 0,10).

Изменение режима фильтрации в ходе закрытия акватории подтвердилось водно-балансовыми расчетами для маловодного периода октябрь 2005 г. — январь 2006 г. (в отсутствие подземного притока). Оценка максимальных фильтрационных потерь В-9 на современном этапе показала их снижение в среднем - в 2 раза по сравнению с аналогичным периодом зимних месяцев 1975-77 гг., что пропорционально закрытию дна водоема скальным грунтом (пористость ~ 0,2; закрыто около 2/3 акватории) - табл. 1.

Изменение климатических факторов вызвало соответствующие изменения уровней естественных водоемов Зауралья, что показано посредством оценки

хода уровней озер Южного Урала по топокартам разных лет. Имеющиеся данные свидетельствуют о практически повсеместном подъеме уровней озер региона в период с 1955-1960 (годы средних и пониженных уровней) по 1995-96 гг., а также в период с 1978-83 гг по 1995-96 гг., когда отмечен подъем уровней на 0,8-3,8 м Подъем уровня В-9 в 1978-95 гг составил 1,59 м и сопоставим с таковым для бессточных озер региона (1,6 м - оз Миништы, 3,5 м - оз Сасыкуль) Подъем среднемесячных уровней бессточных озер, на режим которых нет воздействия хозяйственной деятельности, Аргаяш (рис. 16) и Кундравы в период 1978-95 гг составил 0,94 и 1,32 м соответственно, что несколько меньше, но сопоставимо с аналогичным показателем В-9 - 1,42 м

Таблица 1 - Изменение фильтрационных параметров водоема В-9 в различные периоды естественной котловины (1951-67 гг), искусственно сформированной котловины со свободным объемом (1973-85 гг) и сочетании котловины со свободным объемом и увеличивающегося пористого массива засыпки (1986 г — наст время)

период максимальные фильтрационные потери, тыс куб м коэффициент условного водообмена

годовые за месяц

1951-1967 гг до 270 (1967)-415 (1962) среди 59 (декабрь 1967-февраль 1968) до 0,9

1973-1985 гг 260-265 (1975, 1977) от 24 до 58, среди 32 (зимы 1974-78 гг) до 0,9

1986-2007 гг 165 (1996-97) от 13 до 24, средн 18 (осень-зима 2005-06 г ) до 0,7

Ранее была установлена прямая зависимость уровней подземных вод района от количества осадков с наибольшим коэффициентом для осадков предыдущего года (г»0,8-0,9) Длинный ряд наблюдений за уровнем В-9 обнаруживает значимую корреляционную связь с рядами уровней подземных и поверхностных вод региона например, в скважине № 127, расположенной на противоположном водоразделе севернее Теченского каскада водоемов, г = 0,72, <тг = 0,094; водоема В-11 ТЮЗ г = 0,77, аг = 0,059, озер Аргаяш г = 0,94, сгг = 0,005 (рис 16) и Кувдра-вы г = 0,87, стг = 0,012 (1970-2005 гг.))

Ход уровня В-9 в годовом разрезе подобен годовым колебаниям уровня большинства озер Зауралья, у которых обычен весенне-летний максимум уровня и минимум с периода, предваряющего ледостав, до предваряющего весеннее вскрытие

Режим уровня водоема В-9 многолетнем разрезе определялся приблизительно одинаковым влиянием климатических и техногенных факторов (рост уровня в 1951-62 гг.), преобладающим влиянием техногенных (поддержка уровня в маловодные 1974-76 гг. при общей стабилизации в 1963-87 гг) или климатических факторов (рост уровня в 1987-2007 гг) - рис 1а, б, табл 2 Значение естест-

ю

венных составляющих водного баланса В-9 (осадки-испарение) в 1990-е - 2000-е гг. заметно повышается с увеличением массива засыпки

Таблица 2 - Вклад составляющих водного баланса В-9 (приведены в мм уровня) в многолетние подъемы уровня разных периодов и в стабилизацию уровня в маловодные 1974-76 годы

период подъем уровня, мм осадки, мм испарение, мм техног объем, мм % техноген в общем балансе

от - до лет

1952-1956 5 730 1930 2500 1796 42-48

01 10 58-01 06 62 3,7 19L0 1360 1340 1957 53-59

1974-1976 3 -180 880 1750 2490 74

1986-1995 10 1330 5110 3940 2210 25-30

то же с учетом массива 1330 6900 3800 2210 20-24

1999-2002 4 1600 2120 1320 560 17-21

то же с учетом массива 1600 4750 1120 560 8-11

Глава 2. Изучение особенностей техногенных илов водоема В-9

В обзоре главы 2 приведены результаты исследований донных отложений водоема В-9, выполненных до 1994 г. В ходе этих исследований были недостаточно изучены физико-химические параметры верхнего слоя илов, или переходного слоя "вода-илы".

За период эксплуатации в водоеме В-9 был сформирован значительный слой техногенных илов с высоким содержанием радионуклидов, гидроксидных и гид-рокарбонахных соединений алюминия и железа (в меньшей степени - марганца и других металлов), с некоторой долей техногенной песчаной фракции (перлитовые пульпы), органического вещества и первичных илов. Повышенная мощность слоя илов вблизи оголовков старых линий сброса (до 4/5 общей глубины В-9) и перед фронтом отсыпки обуславливает существенную опасность при ликвидации акватории вследствие их высокой активности и способности выталкиваться материалом засыпки с выходом над поверхностью воды Возможные аварийные ситуации определяются вероятностью обнажения илов с последующим ветровым выносом радионуклидов Для продолжения работ по закрытию акватории требовалось получить данные о современном распределении и объемах донных отложений. Данные о радионуклидном и химическом составе илов, распределении радионуклидов в компонентах водоема необходимы для прогнозного моделирования поступления загрязнения в подземные воды

Исследование донных отложений водоема В-9. В 2002 г. в качестве пред-проектных исследований и далее в 2005-2006 гг в качестве сопровождающих НИОКР был выполнен комплекс полевых, лабораторных и расче-гно-

аналитических работ по изучению техногенных илов водоема В-9, включая 1) изучение распределения илов по акватории, 2) изучение физических, химических и радиохимических параметров илов, 3) оценку активности радионуклидов, депонированных в илах, и их пространственного распределения, 4) изучение параметров вымывания радионуклидов из илов при промывке пресной природной водой и нитратным раствором

В марте 2002 г. непосредственно на водоеме был выполнен ряд измерений, отобраны пробы льда, воды с разных глубин и грунтов дна (рис 3) Было установлено, что важную роль в радиоактивном загрязнении воды играют взвеси В ряде случаев коэффициент распределения Kd для взвесей больше, чем для илов В-9 значения IQ взвесей для U, Sr, Cs находятся на уровне Л00-200, для альфа-излучателей - 2000-20000. Суммарная активность Sr-90 и Cs-137, связанных со взвесями, - не более 3-5% от суммарной активности в воде Основная часть активности изотопов Сш и Am в воде (60-90%) связана со взвесями Выявлены характеристики неоднородного распределения радионуклидов в воде В-9 (с учетом взвесей) объемная активность возрастает как с увеличением глубины (в 2 и более раз), так и при приближении к оголовку сбросной линии.

Значения суммарной активности радионуклидов, накопленных по состоянию на 2002 г в открытой части водоема В-9, составили ~ 4,5 х 1017 Бк (12 млн Ки) -Sr-90 +Y-90; ~ 4,5 х 1017Бк (12 млн Ки) - Cs-137, ~ 9,0х 10пБк (25 млн Ки) - сумма бета-излучающих радионуклидов, ~ 3,0х1016 Бк (800 тыс Ки ) - сумма альфа-излучающих радионуклидов

Определение мощности слоя и отбор проб илов были выполнены со льда водоема весной 2005 года Измерение мощности техногенных илов выполнено на основе методик, аналогичных использованным ранее в 1970 и 1989 гг. - с помощью авиалевых штанг, погружаемых до упора в поверхность более плотных суглинков ложа водоема, а также 1,5-метровых отрезков киперных лент, закрепленных на нижнем интервале штанг Определение границы "вода-илы", выполненное визуально по загрязнению киперных лент, впоследствии было подтверждено лабораторными радиометрическими измерениями гамма- и бета- активности 5-см отрезков этих же лент: отрезки лент, погружавшиеся в слой илов, характеризуются значениями мощности эквивалентной дозы (МЭД) и плотности потока бета-частиц (ППБЧ) на 2-3 порядка большими, чем отрезки, погружавшиеся только в воду водоема (рис. 4) Промеры на водоеме выполнены по равномерной сетке ~ 50x50 м, дублирующей сетку 1989 г (рис. 3) Обработка результатов измерений 2005 г и сопоставление с данными 1989 г выполнены с использованием программного комплекса ГИС - CREDO

Результаты, полученные в 2005 г., свидетельствуют

- о распределении илов в соответствии с первоначальным накоплением вблизи оголовков старых сбросных линий в северной части водоема и в соответствии с рельефом поверхности плотных грунтов дна (рис 5),

- о перераспределении техногенных илов в сравнении с 1989 г вследствие их перетекания в соответствии с рельефом дна и выдавливания в результате засыпки.

Количественная оценка объема техногенных илов в современной акваторной части водоема - около 55 тыс. м3 - превышает объем илов, приходящийся на этот же контур в 1989 г., приблизительно на 8 тыс. м3. Безаварийное закрытие засыпкой последних участков акватории водоема потребует создания массива с пористостью не менее 0,3, что вызовет необходимость использования специальных бетонных блоков.

Рисунок 3 — Контур водоема В-9 (Карачай) с расположением точек наблюдений 2005 г. и их нумерацией (отбор проб - точки ¡-IV). Расположение точек наблюдений 2005 г. повторяет сеть соответствующих точек 1989 г. Показано также расположение точек отбора проб 2002 г.

• -2002 г. о -2005 г.

В 2005 г. в 4-х точках акватории выполнен специальный отбор проб вещества верхней части илового слоя (переходного слоя "вода-илы"), или "взвешенных" илов, которые ранее не изучались (табл. 3).

Рисунок 4 - Результаты измерения распределения МЭД и ППБЧ по длине киперной ленты, которая была погружена на всю мощность слоя илов (точка 4 на рис. 3). Отчетливо видна граница "вода-шы" по резкому - на порядки - нарастанию показателей МЭД и ППБЧ

□ МЭД, ыкЭв/ч

■ Плотность патока бета-чзстац 1/мик'кв.см.

Таблица 3 — Средние содержание катионов, удельные активности бета- и альфа-излучающих радионуклидов в веществе слоя "взвешенных" илов в г/(кг сух. массы при 100 "С) и Бк/(кг сух. массы при 100 "С)

катионы среднее содержание бета-излучатели средняя удельная активность альфа-излучатели средняя удельная активность

Са 69,9 8г-90 +У-90 1,8Е+11 Ри-239, 240 2,8Е+08

36,7 СБ-137 4,6Е+10 Ат-241+ Ри-238 4.8Е+09

№ 9,0 Се-134 5,9Е+08 Ст-244 2,8Е+09

К 1,9 Се-144 3,9Е+09 Сумма альфа-излучателей 8,1Е+09

А1 41,1 Ей-154 3,6Е+09

Ре 78,7 Ей-155 1,24Е+09

Мп 15,1 8Ь-125 5,7Е+08

Сг 2,2 Ки-106 5,0Е+08

и 3,8 Со-60 3,0Е+07

Сумма бета-излучателей 2,4 Е+11

Были определены зависимости между результатами радиометрических измерений (МЭД и ППБЧ) 5-см отрезков 1,5-метровых киперных лент, которые в ходе полевых измерений погружались на всю мощность илового слоя, и объемной активностью илов. Полученные соотношения позволили построить карту пространственного распределения радионуклидов в водоеме с использованием всех точек измерения (рис. 6) и, с учетом результатов обследования 2002 г., оценить запасы радионуклидов в компонентах водоема (табл. 4).

Таблица 4 - Запасы радионуклидов в компонентах водоема В-9 по состоянию на 2005 г. (по результатам обследований 2002 и 2005 гг.) в млн. Ки (% от суммарной)

радионуклиды суммарный запас в компонентах водоема В-9

характер излучателей основные изотопы техногенные илы суглинки вода сумма

плотные "взвешенные" всего в илах

бета Бг-90+ У-90, Сз-137 11-13 (49-56%) 4,2-5,8 (19-26%) 16,6 (75%) 3,2 (14%) 2,4 (11%) 22,2 (100%)

альфа АШ-241+ Ри-238, Ри-239,240, Ст-244, изотопы и 0,62 (89%) 0,048 (6,9%) 0,67 (96%) 0,024 (3,4%) 0,006 (0,84%) 0,70 (100%)

Оценки общего запаса бета-активных нуклидов в воде В-9 (с учетом поро-вой воды массива засыпки) для 2002-05 годов превышают соответствующие годовые значения сброшенной активности в 1,3-1,7 раз.

Рисунок 5 — Схема распределения техногенных плов по площади водоема по состоянию на 2005 г. Цифры возле точек наблюдений - измеренная общая мощность илов. Изопахиты (линии равных мощностей) проведены через 0,1 м

Рисунок 6 - Распределение бета-излучающих радионуклидов, депонированных в техногенных шах, по площади водоема В-9, Ки/м2

Таблица 4 - Запасы радионуклидов в компонентах водоема В-9 по состоянию на 2005 г. (по результатам обследований 2002 и 2005 гг.) в млн. Ки (% от суммарной)

радионуклиды суммарный запас в компонентах водоема В-9

характер излучателей основные изотопы техногенные илы суглинки вода сумма

плотные "взвешенные" всего в ил ах

бета 8г-90+ У-90, Сз-137 11-13 (49-56%) 4,2-5,8 (19-26%) 16,6 (75%) 3,2 (14%) 2,4 (11%) 22,2 (100%)

альфа Ат-241+ Ри-238, Ри-239,240, Ст-244, изотопы и 0,62 (88,9%) 0,048 (6,9%) 0,67 (95,8%) 0,024 (3,4%) 0,006 (0,8%) 0,70 (100%)

Глава 3. Исследования по вымыванию радионуклидов из илов В-9

Во вступительном обзоре главы 3 приведены результаты определения геохимических форм (подвижности) радионуклидов в рыхлых отложениях района В-9 (ГЕОХИ) и экспериментов по вымыванию радионуклидов из донных отложений водоема В-9 (ИБФ, ВИМС). Наиболее значимы результаты экспериментов ВИМС как достаточно продолжительных (выполнены на пробах отбора 2002 г.), а также включавших изучение форм нахождения радионуклидов.

Эксперименты ВИМС выполнены в квазисгатическом режиме с соотношением V/m = 27-33 мл/г, продолжительностью одной промывки 24,5-456 час (время увеличивали при уменьшении концентрации вымытой активности) и с объединением большого количества порций раствора после 1-2 промывок для определения объемной активности актинидов Использованы навески проб из точки 1 опробования 2002 г с интервалов заглубления от поверхности плотных илов 5-10 см (илы), 15-20 и 25-30 см (суглинки), а также чистую подземную воду района В-9 Получено

1) Динамика процесса в целом близка у всех радионуклидов первыми циклами промывки вымывается наибольшая доля всей вымытой активности (до 50 % -Sr-90 из суглинков, до 90 % - Cs-137 из илов и суглинков, до 73-82 % - изотопов U из илов и суглинков, до 97-99 % - актинидов из илов и суглинков), что обусловлено наличием водорастворимых фаз с радионуклидами

2) Для Sr-90 наиболее высокие показатели характерны при вымывании из илов (по сравнению с суглинками), а для Cs-137 - из суглинков, непосредственно подстилающих илы (по сравнению с илами и более заглубленными суглинками)

3) Среди актинидов наиболее интенсивно вымывается уран Коэффициенты распределения при десорбции плутония, америция и кюрия сопоставимы между собой. Доля подвижных форм плутония, америция и кюрия наиболее высока в илах.

Во всех вышеуказанных исследованиях не рассматривалось вещество верхней части слоя илов, или "взвешенных" илов, которые являются одним из основных депо накопленной в В-9 активности. Определение параметров вымывания радионуклидов из вещества "взвешенных" илов водоема В-9 выполнено впервые в 2005-2006 гг при непосредственном участии автора Получены количественные оценки поступления радионуклидов и химических элементов при промывке как нитратным раствором (аналог режима штатной эксплуатации В-9, но без радионуклидного загрязнения воды), так и чистой пресной подземной водой (проектный режим эксплуатации В-9 после его консервации) На основе экспериментов по фильтрации (фильтр "синяя лента") и ультрафильтрации (Мюгосоп модели YM-5) выполнена оценка размеров радиоактивных частиц, образующихся в процессе вымывания радионуклидов из вещества "взвешенных" илов пресной подземной водой. Определено значение катионо-обменной емкости (КОЕ) вещества "взвешенных" илов

Эксперименты проводились в статическом режиме с соотношением V/m = 50 см3/г, продолжительностью цикла каждой промывки 1+20 час (перемешивание + отстаивание), с выполнением 71 промывки пресной водой и 67 промывки нитратным раствором (рис 7 а-д). Начиная с шестой промывки, 3-4 порции промывных растворов объединялись в одну пробу. В ходе экспериментов определены коэффициенты распределения при десорбции (отношение объемной активности радионуклида в промывном растворе и равновесной удельной активности его в грунте) и общее количество загрязняющих компонентов, поступивших в промывные растворы после серии промывок (табл 5)

Объемная активность Am-241+Pu-238,-239,-240 в порциях промывного раствора, Бк/л

1 в 11 16 21 26 31 36 41 46 51 55 61 6« 71 Порядковый номер порции промывного раствора (номер промывки} □ Нитратный раствор (67 промывок) □ Природная вода (71 промывка)

Рисунок 7 - Изменение объемной активности а) цезия-137, б) стронция-90, в) америция-241 + плутония-238, 239, 240, г) кюрия-244, д) изотопов урана в промывном растворе в зависимости от номера промывки

Таблица 5 — Обобщенные данные о вымывании радионуклидов из навесок техногенных шов

параметры Сз-137 8г-90 + + У-90 Ат-241 + + изотопы Ри Ст-244 изотопы и

вымыто из исходной активности за 71 промывку пресной водой, % 33,5 47,5 15,8 1,5 5,6

коэффициент распределения для пресной воды (ср. по промывкам 33-71), мл/г 0,000091 0,00017 0,000044 0,0000053 0,0000077

вымыто из исходной активности за 67 промывок нитратным раствором, % 56,6 59,0 1,8 1,3 25,0

коэффициент распределения для нитратного раствора (ср. по промывкам 41-67), мл/г 0,0001.4 0,00013 0,0000074 0,0000067 0,000048

Глава 4. Основные технические решения проекта консервации водоема В-9 третьей очереди, обоснованные выполненными исследованиями и обеспечивающие безопасность эксплуатации и консервации

В главе 4 кратко описаны разработка и обоснование технических решений, обеспечивающих безопасность и безаварийность работ по завершению консервации водоема В-9 и последующей эксплуатации могильника Определенную роль в прогнозном обосновании мероприятий играют результаты моделирования с использованием специально разработанной компьютерной модели (ФЭИ, Обнинск, ФГУГП "Гидроспецгеология", Москва), приведенные в конце главы

В обзоре главы 4 изложены основные принципы и приемы работ, обеспечивающие радиационную безопасность на этапах выполнения 1-й и Н-й очереди работ по консервации В-9 Работы по проекту 1-й очереди были успешно завершены к началу 1990-ых годов, и начаты работы по реализации П-й очереди Однако в связи с возрастанием среднегодового уровня водности стала очевидаа невозможность успешного продолжения работ в рамках существующих проектов В 2004 г на основе предпроектных разработок ЦЗЛ и автора данной работы ФГУП "УГПИИ ВНИПИЭТ" подготовил и выпустил проект консервации водоема В-9 III-й очереди по окончательному закрытию акватории с выполнением необходимых мероприятий по снижению уровней поверхностных и подземных вод Особенности гидрологического режима В-9, рассмотренные в главе 1, наряду с продолжающимся и прогнозируемым повышением частоты повторения лет повышенной водности и соответствующим ростом уровня подземных и поверхностных вод региона потребовали корректировки основных проектных решений по консервации водоема

Корректировка высотных отметок поверхности скально-блочного массива засыпки. В связи с превышением в июле 2003 г. уровнем водоема Карачай отметки 252,6 м и реальным текущим состоянием массива засыпки (отметки поверхности до 254,44 м, по проекту П-й очереди - 252,66 м) автором было предложено внести коррективы в проект П1-й очереди консервации В-9 в части сооружения массива засыпки Проектом Ш-й очереди были приняты отметка поверхности скально-блочного массива 254,0 м и сооружение последующих конструкционных слоев- 1-го гидроизолирующего суглинистого, капилляропрерывающего из щебня, 2-го гидроизолирующего суглинистого и корнеобигаемого из смеси суглинка и растительного грунта (рис. 8) После отсыпки всех проектируемых слоев будет выполнена биологическая рекультивация территории и массива Наиболее важным в ходе засыпки акватории и сооружении на месте водоема скального массива является необходимость обеспечения требуемой пористости массива - не менее 0,2 Результаты измерения мощности техногенных илов 2005 года подтвердили достаточность порового объема массива с такой пористостью для локализации илов при закрытии оставшейся части акватории.

40,0*

Крржо&тиеииЙ ctoi

Каштг.трс-гф«цд1ас-икй cmА W I-вА псфожюжируюсотс ежа* 0,5

СпптЛ трут 6ж>ал

'////? z /

LLLLLLLL

Рисунок 8 - Схема конструкционных слоев, сооружаемых на акватории водоёма-9 по проекту III-й очереди

Очередность сооружения массива засыпки по секторам акватории предложена автором на основе уточнения карты изопахит суглинков ложа В-9 и, исходя из принципа сохранения и закрытия в последнюю очередь наиболее фильтрующих участков дна в юго-западной части водоема для обеспечения определенного уровня фильтрации (рис. 9). Полоса, связывающая участок максимальной фильтрации с оголовком сбросной линии, также закрывается на завершающем этапе работ. Закрытие указанных участков должно выполняться с сооружением массива наибольшей пористости.

Рисунок 9 - Схема принятой очерёдности закрытия акватории В-9 (порядок указан цифрами) в контуре водоёма 1998 г. Участок с максимальной фильтрацией 4 (запивка) и полосу, связывающую его с оголовком сбросной линии 3 (штриховка), следует закрыть в последнюю очередь массивом с максимальной пористостью.

Сооружение полосы глинисто-суглинистого гидроизолирующего экрана. Полоса отсыпки суглинистым грунтом побережья вокруг водоема В-9 по контуру 1973 г. (рис. 10)-результат работ по ликвидации последствий аварийного ветрового выноса радионуклидов с оголившихся прибрежных и мелководных участков В-9 в 1967 г. Побережье, отсыпанное суглинком, представляет продолжение чаши естественного суглинистого основания ложа водоема, в которую заключены вода и донные отложения В-9. Минимальные отметки поверхности суглинистой полосы вокруг В-9 на топоплане 1973 г. - 251,6 м и выше - соответствуют уровню воды, до которого суглинки выполняют функцию противофильтрационного экрана. Для исключения вероятности возникновения аварийных ситуаций, связанных с просачиванием воды В-9 при повышенных уровнях, автором настоящей работы

! Сооружаемый массив засыпки (внутри него - начальный контур водоема I по состоянию на 1973 г.) ^^^ Сооружаемая полоса протиеофильтрзционното гяииисто-сутлинистого экрана

_____- - Проектный контур кагорнога канапе

| [ Коктур планировки территории

было предложено сооружение полосы суглинистого экрана по периметру массива засыпки (контура 1973 г.)- Проектом Ш-й очереди консервации В-9 предусмотрено выполнение гидроизолирующей дамбы из суглинков шириной 40 м по периметру проектного массива засыпки с глинистым противофильтрационным экраном (замком) шириной 2,5 м с внутренней стороны, прилегающей к массиву (рис. 8, 10).

В проекте Ш-й очереди предусмотрено первоочередное выполнение мероприятий, направленных на стабилизацию и снижение уровня В-9, снижение фильтрационного питания участка водоема и будущего приповерхностного могильника на его месте:

- сооружение и эксплуатация перехватного нагорного канала вокруг В-9;

- выполнение планировки рельефа прилегающей к водоёму территории с понижением отметок возвышенностей, на которых в многоводные годы формируются участки инфильтрационного питания подземных вод, до отметки 254,6 м (рис. 10).

Рисунок 10- Схема, иллюстрирующая ряд технических решений проекта Ш-й очереди консервации водоема В-9

Сооружение и эксплуатация перехватного нагорного канала вокруг водоема В-9. Основная задача перехватного нагорного канала — перехват верхней части чистого инфильтрационного потока, направленного к водоему со стороны ближайших возвышенностей, без захвата вод, фильтрующихся из В-9. При подготовке технических решений для проекта Ш-й очереди консервации водоема автором настоящей работы были выполнены ряд расчетных схем и расчетов по прогнозу и обоснованию режима эксплуатации нагорного канала. Для максимального перехвата инфильтрационных потоков с южного - западного - северо-западного направлений в проекте реализовано предложение автора о сооружении полукольцевого канала, обоснованное данными многолетних режимных гидрогеологических наблюдений. Абсолютная отметка дна на всем протяжении канала принята одинаковой, равной 252,0 м. Дренируемые нагорным каналом подземные воды

предусматривается откачивать до отметки, равной отметке уровня воды в водоеме, во избежание подтягивания загрязнённых фильтрующихся из В-9 вод

Анализ данных о структуре потока подземных вод на участке водоема В-9 в годы высокой, средней и малой водности показал возможность эксплуатации канала как перехватного только в период повышенной водности Расчет водопритока в нагорный канал выполнен для максимально неблагоприятных погодных условий

- лет высокой водности с наибольшими за период наблюдений (на тот момент времени) уровнями подземных вод и поверхностных водоемов - 2000 и 2002 гг. Оценка водопритока в канал выполнена автором по формуле расчета берегового дренажа Аверьянова Максимальное годовое поступление фунтовых вод в нагорный канал в период лет высокой водности оценено в 74 тыс м3/год, а максимальное месячное поступление (в весенне-летний период) - 8,7 тыс м3/мес

Оценка вероятного поступления радионуклидов и нитрат-иона в нагорный канал по данным опробования наблюдательных скважин составила до 340 МБк/год (~ 9 мКи/год) суммарного поступления Sr-90 и до 7 т/год - суммарного поступления солей по нитрат-иону В этом случае при солесодержании около 100 мг/л удельная бета-активность воды превысит 100 Бк/л, что соответствует уровню низкоактивных отходов -НАО (>10 УВ — уровней вмешательства по НРБ-99 для Sr-90)

В годы нормальной водности отметки дна канала практически для всех сезонов во всех секторах выше усредненного уровня грунтовых вод Поэтому возможный объем поступления воды в нагорный канал может быть оценен как объем поверхностного стока водосборной площади нагорного канала При площади поверхностного стока канала в 0,42 км2 и среднегодовом модуле стока для водного бассейна равном 2,4 л/с/км2 среднегодовой водный сток с водосборной площади нагорного канала составляет 32 тыс м3/год.

Оценка поступления радионуклидов с водосборной площади нагорного канала водоема В-9 вследствие выноса радионуклидов из загрязненного почвенного слоя для период высокой водности составила по Sr-90 - ~ 1,1 х Ю10 Бк/год (0,29 Ки/год), по Cs-137 - ~ 4,29 х 108 Бк/год (0,0012 Ки/год), по сумме изотопов Ри

- ~ 8,6x10е Бк/год (0,00023 Ки/год), что обусловит объемную активность перехватываемых вод по Sr-90 - ~ 150 Бк/л, по Cs-137 — 6,0 Бк/л, по Pu - ~ 0,1 Бк/л В настоящее время большая часть канала сооружена. Данные о текущем радиоактивном загрязнении воды нагорного канала удовлетворительно согласуются с расчетными по Sr-90 - до 30-200 Бк/л, по Cs-137 - до 10-25 Бк/л, по Ри - до 0,1-0,2 Бк/л

Обоснована возможность и целесообразность эксплуатации нагорного канала на водоеме В-9 в летний период на основе анализа данных режимных наблюдений по скважинам Так, эксплуатация нагорного канала в летнем режиме в 2000-2003 гг позволяет перехватить подземный приток в водоем на временной отрезок до ~ 80% от периода существования такого притока в годовом разрезе практически для всех направлений Затраты на сооружение и эксплуатацию нагорного канала значительно сокращаются в случае производства откачек только в теплое время года.

После выполнения всех проектных мероприятий, направленных на снижение уровня подземных вод на участке водоема В-9, скорее всего, использование нагорного канала станет очень редким или кратковременным

Выполнение планировки территории на участке водоема В-9 с понижением высотных отметок рельефа. Наиболее радикальным мероприятием, обеспечивающим необходимую стабилизацию и понижение уровня водоема В-9, является планировка рельефа прилегающей территории с понижением отметок возвышенностей к югу от водоема, которые в многоводные годы формируют основные потоки инфильтрационного питания В-9 (предложение ЕГ. Дрожко). В состав проекта вошла планировка участка площадью 124 га (схема на рис. 10).

Прогноз будущей гидродинамической обстановки выполнен на базе расчётов изменения уровня подземных вод с помощью разработанной математической модели ОЕОИ-ЗВМ (ФЭИ, Обнинск; ФГУГП "Гидроспецгеология", Москва) и основой на данных, подготовленных автором.

В результате прогнозных расчетов, выполненных по трём климатическим сценариям ((А) - повторяются годы высокой водности (+117 мм/год, 85% обеспеченности), (В) в течение прогнозного срока повторяются годы низкой водности (186 мм/год, 12% обеспеченности); (С) - постепенный рост количества осадков со скоростью 0,8 мм/год, водность в течение прогнозного срока изменятся от -17 до +235 мм/год) установлено следующее

- верхние конструкционные слои могильника (начиная с первого гидроизолирующего слоя, или выше скального массива засыпки) будут находиться выше уровня подземных вод; кровля могильника останется незатопленной и слабо проницаемой, чем достигается изоляция техногенной залежи радионуклидов от поверхностной среды,

- техногенная залежь радионуклидов, приуроченная к илам и суглинкам ложа, частично или полностью попадает в зону насыщения пород водой, что является гидродинамической предпосылкой выноса радионуклидов в поток подземных вод,

- вынос основных компонентов-загрязнителей инфильтрационным потоком в горизонт подземных вод значительно снизится, но этот процесс будет проявлен продолжительное время с динамикой постепенного снижения (в соответствии с выявленными особенностями динамики десорбции радионуклидов)

В заключении диссертации сформулированы основные выводы по результатам работы, наиболее обоснованные положения которых выдвинуты в качестве защищаемых.

Основные выводы работы:

1. На современном этапе климатические условия определяют водный баланс водоема Карачай, уровенный режим которого аналогичен режиму естественных озер Зауралья Подъем уровня водоема В-9 в 1980-90-е годы происходил одновременно с аналогичным ростом уровней большинства озер региона, обусловленным общим увеличением увлажненности территории.

Многолетние подъемы уровня В-9 в периоды 1986-1995 и 1999-2002 гг были обеспечены объемами техногенного поступления менее чем на 25 и 10%, соответственно С учетом сработай в годовом цикле дополнительных (к естественным) объемов поступления, приведенные данные показывают снижение значения рассматриваемого техногенного фактора в наблюдающемся подъеме уровня водоема Карачай в последние 20 лет, в период работ по его консервации.

Среди техногенных факторов по воздействию на гидрологический режим системы В-9 наиболее значительным является замена открытого объема котловины пористым материалом засыпки, что повышает реакцию системы на поступление объемов составляющих приходной части, а также снижает фильтрационные характеристики ложа Для обеспечения безопасности дальнейших работ решающим фактором будет выполнение мероприятий, которые уменьшают воздействие неблагоприятных климатических условий, таких как повышение водности, в том числе сооружение массива засыпки повышенной пористости

2 Основные закономерности распределения радионуклидов по площади водоема определяются двумя факторами. 1) в соответствии с распределением мощности илов, 2) проявлением эффекта "струйности" - распределения линейно вдоль осевой линии водоема с уменьшением активности при удалении от оголовка линии сброса Получены оценки запаса радионуклидов в суглинках дна, разжиженных и уплотненных слоях техногенных илов, данные о распределении илов по площади акватории водоема, их физико-химических параметрах. В техногенных илах депонировано более 50% общего запаса радионуклидов водоема. Данные о пространственном распределении донных отложений позволили подтвердить состоятельность принятых проектных решений по консервации водоема

Современные оценки суммарной активности радионуклидов, депонированных донными отложениями водоема В-9 по состоянию на 2002-2005 гг, составляют

для суглинков ложа - 3,2 млн Ки (бета-излучатели),

для техногенных шов - бета-излучатели — 16,6 млн. Ки (с распределением "взвешенные" илы - 4,2-5,8 млн Ки, плотные илы — 10,8-12,5 млн. Ки), альфа-излучатели - 0,7 млн Ки

3 Экспериментами по десорбции показано, что значительная часть радионуклидов, содержащихся в илах, - не менее 65-80 % сгронция-90, 15-30 % цезия-137, 30 % изотопов урана и ТУЭ - может быть вымыта и поступить в подземный водоносный горизонт Рассоление воды после закрытия водоема приведет к снижению поступления из илов стронция-90, цезия-137 и урана (в 2-5 раз), в то же время вынос ТУЭ при этом значимо не изменится Показано, что цезий-137 и стронций-90 вымывается из техногенных илов, главным образом, в виде истинных растворов (с размером молекулярной массы частиц <50 Ш), а изотопы америция, кюрия, плутония и урана — на мелкодисперсных взвесях и в коллоидной форме (с характерным размером частиц >50 Ю) При этом основная часть активности кюрия, америция и плутония (до 50-98%) связана с мелкодисперсными взвесями (с характерным размером 1-4 мкм).

Значения КОЕ для илов составляет 123 мг-экв/100 г (воздушно-сухой массы). Данный показатель свидетельствует о высокой сорбционной емкости илов, не заполненной до конца радионуклидами.

4 Безопасная и безаварийная консервация водоема В-9 (Карачай) на современном этапе, а также эксплуатация будущего приповерхностного могильника на месте В-9 обеспечивается стабилизацией и снижением уровня самого водоема и подземных вод на участке его расположения На решение этих задач направлены технические решения проекта Ш-й очереди консервации водоема В-9 (Карачай), в том числе предложенные и обоснованные автором повышение проектных отметок всех конструкционных слоев сооружаемого на месте акватории водоема массива засыпки, сооружение вовдт массива глинисто-суглинистого противофильт-рационного экрана и др.

Получены оценки максимального водопритока в нагорный канал, в годы высокой водности до 74 тыс. м3/год при максимальном месячном поступлении -8,7 тыс. м3/мес. с объемной активностью Sr-90 до ~ 200 Бк/л Показана возможность эффективной эксплуатации нагорного канала только в летний период, что значительно сокращает затраты на сооружение и эксплуатацию. Основное снижение объема естественных составляющих приходной части водного баланса системы водоема В-9 после его консервации будет обеспечено, главным образом, за счет планировки территории - понижении отметок рельефа участков формирования питающих В-9 инфильтрационных потоков

Окончательная реализация проекта консервации позволит полностью прекратить поступление радионуклидов, депонированных в донных отложениях водоема, в верхние конструкционные слои массива засыпки и на дневную поверхность Вместе с тем, полного отрыва зеркала подземных вод от илов и загрязненных суглинков ложа не произойдет Вынос радионуклидов в горизонт подземных вод будет значительно снижен, но продолжится достаточно длительное время с динамикой постоянного уменьшения в соответствии с экспериментально изученными особенностями процесса вымывания

Основные публикации автора по теме диссертации:

1 Влияние оз. Карачай на гидрохимическое состояние подземных вод / Е Г. Дрожко, И.А. Иванов, А.И.Алексахин, JIМ Самсонова, A.B. Глаголев // Тезисы доклада на международную конференцию "Воздействие атомных электростанций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы". Обнинск, 1996. - С.64

2. И А. Иванов, А И. Алексахин Влияние оз. Карачай на гидрохимическое состояние подземных вод // Труды конференции молодых специалистов Центральной заводской лаборатории Озёрск, 1997 - С.49-54.

3. Russian/American Subsurface Contaminant Transport Studies Around Lake Karachai / E. Drozhko, M. Glinsky, A.V Glagolev, A.I. Alexahkin, I.A. Ivanov, A.K. Poshokov, B.B Looney, R L. Nichols, A.R Hutter // Proceedmgs of the Fourth Interna-

tional Symposium and Exhibition on Environmental Contamination m Central and Eastern Europe - Warsaw-98, Florida State University, Tallahassee, Florida, 1999.

4 The interactions between groundwater and a liquid radioactive wastes reposi-toty, lake Karachay, Mayak PA, Russia / E Drozhko, I Ivanov, A Aleksakhm, A Glagolev, N Kotcherghina, A Hutter // Atmospheric, Surface and Subsurface Hydrology and Interactions 2000 Annual Meetmg and International Conference of the American Institute of Hydrology, North Carolina, November 5-8,2000 - Page 22

5 Современное состояние подземной гидросферы в районе ПО "Маяк" / Е Г Дрожко, И А Иванов, А И Алексахин, Л М Самсонова, А В Глаголев // Вопросы радиационной безопасности 1996, №1 - С 11-19

6 А И Алексахин, В А Егоров Ретроспективное восстановление морфо-метрических параметров оз Карачай с использованием технологии геоинформационных систем // Вопросы радиационной безопасности 1996, №4. —С 60-66

7 Взаимодействие поверхностного хранилища ЖРАО с подземными водами (оз. Карачай) Доклад на международной конференции, проведенной гидрогеологическим институтом США (Северная Каролина, 5-8 ноября 2000 г) / ПО "Маяк", ГП Гидроспецгеология, - Е Г Дрожко, И.А Иванов, А И Алексахин, А В Глаголев,НВ Кочергина, АР Хатгер -Озерск,Москва,2000.

8 Защитные геохимические свойства геологической среды района озера Карачай (методы измерений и интерпретация результатов) / А К Лисицин, В И. Мыскин, Н.И Ганина, Л С Шулик, Е Г Дрожко, И А Иванов, А И Алексахин // Вопросы радиационной безопасности 2001, №4 - с 9-24.

9 Research of Radionuclides Migrating in Porous Media Allowing for the "Solution-Rock Interaction" / E Drozhko, A. Aleksakhin, L Samsonova, N Kotchergina, A Zinm // AGU 2001 Fall Meeting, Environmental Transport Studies at Radionuclide-Contaminated Sites Section (№ H21D), San Francisco, California, USA, 2001 10-14 декабря.

10 Взаимодействие поверхностного хранилища ЖРАО оз Карачай с подземными водами / И А. Иванов, А.И Алексахин, А В. Глаголев, Н.В Кочергина // Материалы международной научно-практической конференции "Техногенная трансформация геологической среды". Екатеринбург, 17-19 декабря 2002 г. - с 50-51,

11 Современное состояние и обеспечение вывода из эксплуатации водоемов-хранилищ жидких среднеактивных отходов - озера Карачай и хранилища Старое Болото / ЮВ Глаголенко, Е.Г Дрожко, Ю.Г Мокров, П.М Стукалов, И А Иванов, А И Алексахин // Вопросы радиационной безопасности 2003, №1. -с 14-19.

12 Результаты комплексного обследования водоема 9 в 2002 году / Е Г. Дрожко, П М Стукалов, И А. Иванов, А И Алексахин // Четвертая Российская конференция по радиохимии Радиохимия-2003 • Тезисы докладов Озерск, 2025 октября 2003 г - Озерск ФГУП "ПО "Маяк", 2003 - С 241-242

13. Результаты комплексного обследования водоема Карачай в 2002 году / Е.Г. Дрожко, П М. Стукалов, И А Иванов, А И. Алексахин // Вопросы радиационной безопасности 2004, №1 —С 33-43

14 Карачай / А.И Алексахин, Е.Г. Дрожко // Челябинская область: Энциклопедия, ТЗ. K-JI - изд-во Каменный пояс Челябинск, 2004. - 800 с. - С. 95-96

15. История эксплуатации водоема Карачай. Обзорный очерк по архивным и отчетным материалам ПО "Маяк" / А.И Алексахин И Вопросы радиационной безопасности, 2005, №4 - С 42-50.

16 Изучение техногенных илов водоема Карачай - хранилища радиоактивных отходов ПО "Маяк" / Е Г. Дрожко, А И. Алексахин, П М. Стукалов, И.А Иванов, H А. Симкина // Вопросы радиационной безопасности, 2006, №4 - С.22-32

17. Radioactive Contamination of Surface Water System in the Région of Power Engineering Enterprise PA "Mayak", South Urals, Russia / P M Stukalov, AI. Alexakhm, I A. Ivanov // От экологических исследований - к экологическим технологиям Тезисы докладов международного научного семинара, Россия, Челябинская обл, Миасс, оз. Тургояк, 30 мая - 2 июня 2006 года - Челябинск: Библиотека А. Миллера, 2006.-163 е.- С. 123-124.

18 Изучение техногенных илов озера Карачай - хранилища радиоактивных отходов ФГУП "ПО "Маяк" / Е Г. Дрожко, П М. Стукалов, А.И Алексахин, И.А. Иванов, Н.А. Симкина // Пятая Российская конференция по радиохимии Тезисы докладов. Дубна, 23-27 октября 2006 г.- Озерск: ФГУП "ПО "Маяк", 2006 - 354 с-С. 275-276

19. Определение параметров десорбции радионуклидов из техногенных илов водоема В-9 (Карачай) / П.М Стукалов, А.И Алексахин, И.А. Иванов, Н.А. Симкина // Вопросы радиационной безопасности, 2007, №1 - С 3-16

Отпечатано на ризографе в ЦЗЛ ФГУП «ПО «Маяк»

-/й, ~fo óüw.

ц л/sim