Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УЯЗВИМОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ДНЕПРОВСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА К РАДИОНУКЛИДНОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УЯЗВИМОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ДНЕПРОВСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА К РАДИОНУКЛИДНОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ"

| ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ 1 I БЕСПЛАТНЫЙ

На правах рукописи

Российская академия наук Институт водных проблем

РОГАЧЕВСКАЯ ЛИЛИЯ МЕВЛЕТОВНА

РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УЯЗВИМОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ДНЕПРОВСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА К РАДИОНУКЛЩЦЮМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ

Специальность 25.00.36 - геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА- 2002

Работа выполнена в Институте водных проблем Российской академии наук (ИВПРАН)

Научные руководители:

доктор геолого-минералогнческих наук, профессор И.С. Зекцер; доктор технических наук, профессор В Л. Ферронский

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.А Всеволожский; кандидат химических наук, завлаб. В.А Поляков

Ведущая организация:

Всероссийский институт минерального сырья (ВИМС) МПР

; Защита состоится «_»_2002 г.

в.__ часов на заседании Диссертационного совета

в Институте водных проблем РАН по адресу: 119991 Москва ул. Губкина, 3.

С диссертацией к„■ ^ о ознакомиться в библиотеке ИБП РАН. Автореферат разослав ._»_2002 г.

Ученый секретарь --^

диссертационного совета —.

д-р. геол.-минерал, наук ^ ^ Джамалов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы обуславливается следующим. В результате аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) в окружающую среду было выброшено Большое количество радиоактивных веществ. Рассеяние выбросов с высокой плотностью загрязнения приобрело региональный характер. В настоящий момент чернобыльское «пятно» охватывает значительную часть европейской территории, включая региональные области питания подземных вод. В России больше всего пострадали юго-западные районы Брянской области, относящиеся к восточной части Днепровского артезианского бассейна. Масштабы распространения и уровни загрязнения этой территории беспрецедентны. Так как подземные воды этого региона широко используются для водоснабжения, возможное проникновение в них радионуклидов -серьезная социально-значимая экологическая проблема. Все это свидетельствует об актуальности и своевременности выполненных исследований.

Наиболее уязвим к раднонуклидному загрязнению первый от поверхности водоносный горизонт 1рунтовых вод (ГВ). Все сельские населенные пункты и многие города пораженных районов используют эти воды для питьевого водоснабжения. Поэтому именно грунтовые вода были выбраны в качестве объекта исследований. В силу своих специфических особенностей ГВ слабо защищены от загрязнений, поэтому важно исследовать степень их, уязвим ости к радионуовдному загрязнению.

Предметом диссертационной работы является исследование уязвимости ГВ в региональном масштабе, а также развитие методов, используемых для ее оценки. Цель работы - создание методики региональной оценки уязвимости ГВ на территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению в результате аварии на ЧАЭС, и апробирование ее на практике, что в дальнейшем может быть использовано для обоснования необходимых мероприятий по защите подземных вод от загрязнения и минимизации негативных последствий радиоактивного загрязнения.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1) охарактеризовать современное состояние региональных исследований по оценке защищенности и уязвимости подземных вод;

2) усовершенствовать методику оценки уязвимости ГВ к радиоактивному загрязнению с учетом использования полевых данных;

3) изучить защитную роль зоны аэрации и выявить региональные факторы уязвимости, определяемые свойствами зоны аэрации;

4) дать общую оценку уязвимости ГВ исследуемого региона к раднонуклидному загрязнению, основанную на барьерной роли зоны аэрации и составить карту уязвимости ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к ра^^муклмдному-зацмзнеиию;

5) установить регионадьные^^^рбмерМсти , водообмена ГВ и времени пребывания радиону уязвимости, обусловленного восстановительными свойствами саморо водоносного горизонта.

квй

Применяемые методы исследования. В основу работы положены данные, полученные в результате мониторинга, проведенного в рамках международного проекта РФ-ПРООН РУС/95/004 "Оценка и прогноз качества воды в районах, пораженных в результате Чернобыльской аварии (Брянская область)1', в реализации которого с 1998 г, принимал участие автор. При непосредственном участтз автора проводились наблюдения и прямые измерения миграции чернобыльских радионуклидов в зоне аэрации и их содержания в подземных водах. Одновременно с помощью радиоиндикаторных методов проводились натурные эксперименты по изучению миграции искусственно запущенных изотопов и инфильтрации воды на ключевых радиоиндикаторных площадках. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики, результаты были использованы в предлагаемой методике оценки. Районирование территории по степени уязвимости и итоговый анализ были проведены с использованием комплекса построенных карт. Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана методика региональной оценки уязвимости ГВ к радионуклидному загрязнению для гидрогеологических условий восточной части Днепровского артезианского бассейна;

2) установлены основные закономерности миграции радионуклидов в зоне аэрации (ЗА) путем прямого определения миграционных характеристик в геологической среде на изучаемой территории;

3) впервые для обработки вертикальных профилей распределения радионуклидов использован метод моментов, что позволило определить глубину проникновения и дисперсию радионуклидов в породах зоны аэрации; " '

4) выполнены прямые определения; ¡n situ параметров инфильтрации воды с помощью тритиевых индикаторных экспериментов;

5) оценены процессы замедления (задержки) радионуклидов породами в реальных условиях.

На защиту выносятся:

1) методика полевых радиоиндикаторных исследований для определения миграционных параметров воды и загрязняющего вещества (ЗВ) на ключевых участках;

2) установленная взаимосвязь между миграцией радионуклидов в ненасыщенной толще, литологическим строением ЗА и лесистостью территории, позволившая выявить региональные факторы уязвимости;

3) схема оценки уязвимости ГВ Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному загрязнению, разработанная на основе барьерных свойств зоны аэрации;

4) методика региональной оценки уязвимости ГВ, учитывающая свойства зоны аэрации и собственно грунтовых вод.

Теоретическая и практическая значимость.

Проведенные исследования позволили количественно и качественно оценить факторы, влияющие на уязвимость ГВ к радионуклидному загрязнению. Созданная на основе этих факторов система оценки может быть

применена для аналогичных районов, также подвергшихся воздействию аварии на ЧАЭС. Кроме того, предлагаемая система оценки может быть применима для иных случаев поверхностного радиоактивного загрязнения, а также для проведения экологической экспертизы.

Составленная карга уязвимости может стать основой для административно-управленческой деятельности, планирования работ по реабилитации и развитию пострадавших территорий.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации были доложены на научных семинарах ИВП РАН, на международных конгрессах «Экватэк-2000», «Экватэк-2002», а также включены в состав окончательного отчета РФ-ПРООН РУС/95/004, в котором автор участвовал в качестве эксперта. Экспертные отчеты автора были направлены в МАГАТЭ (Вена, Австрия), где получили положительный отзыв.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых одна находится в печати.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 105 наименований. Изложена на 114 страницах, содержит 20 рисунков, 11 таблиц и 6 приложений.

Работа выполнялась под руководством д-ра геол.-минерал. наук, проф. И.С. Зекцера и д-ра техн. наук, проф. В.И. Ферронского, которым автор выражает глубочайшую признательность.

Автор благодарит коллектив лаборатории изотопных и ядерно-физнческих методов ВСЕГИНПЕО и лично канд. техн. наук В.Т. Дубинчука за ценные рекомендации и всестороннюю поддержку на всех этапах работы, а также сотрудников ГТТ1 «Брянскгеологня» за совместное участие в полевых работах, В процессе работы большую помощь и поддержку оказали автору д-р. геогр. наук А.П. Белоусова и канд. техн. наук Л.П. Новоселова, а также все сотрудники лаборатории региональных гидрогеологических проблем Институ та водных проблем РАН, которым автор выражает искреннюю благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении работы обосновывается актуальность исследований, указаны цель работы, задачи и другие сведения о диссертации.

В первой главе дан критический анализ основных современных методов оценки защищенности и уязвимости подземных вод к ЗВ, приведены определения понятий защищенности и уязвимости подземных вод в историческом развитии с 60-х гг. до настоящего времени.

В нашей стране традиционно употреблялось понятие «защищенности подземных вод». Этой проблемой занимались многие отечественные исследователи, в частности, Ф.М. Бочевер, H.H. Веригин, И.К. Гавич, И,С. Зекцер, С.Р. Крайнов, В,И. Моложавая, В.А. Мироненко, А.Е. Орадовская, И.С,

Пашковский, К.Е. Питьева, H.B. Роговская, A.A. Рошаль, В.Г. Румынии, В.И. Тюткжова, В.М, Швец, В.М. Шестаков. Следует особо отметить работы В.М. Гольдберга, положившего начало балльной системе оценки защищенности подземных вод от загрязнения. Первые исследования в области миграции радионуклидов в геологической среде проводились еще на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, где закладывалась советская радиоэкологическая школа. Затем изучались последствия глобального термоядерного загрязнения. Позже чернобыльская катастрофа дала новый толчок такого рода исследованиям. Миграцию радионуклидов в окружающей среде в разное время изучали P.M. Алексахин, A.C. Белицкий, А.П. Белоусова, Ц,И. Бобовникова, О-В. Войцехович, В.В. Гудзенко, В.Т. Дубинчук, A.B. Коноплев, A.B. Лехов, А.Е. Орлова, ВЛ. Поляков,» В.М. Прохоров, Э.В. Соботович, В-И. Ферронский, коллектив ИГН HAH Украины под руководством акад. В.М. Шестопалова и многие другие отраслевые институты.

Понятие «уязвимость подземных вод» было впервые введено за рубежом французским гидрогеологом Ж. Марга, Этой проблемой занимались многие зарубежные исследователи, в том числе В. Adams, M. Albinet, L. Aller, M. Olmer, J. Bear, T. Bennet, A.D. Carter, A. Casas Ponsati, A. Chiappone, M. Civita, T. Fenge, S.S.D. Foster, RE. LeGrand, В. Marcolongo, R.A. Monkbouse, R.C. Palmer, L. Pretto, B. Rezac, JAI. Subirana Asturias, J. Vrba, A. Zaporozec, взгляды которых рассмотрены в данной главе работы.

Проведен сравнительный анализ существующих отечественных и зарубежных методов качественной и количественной оценки уязвимости подземных вод к загрязнению. Для качественной оценки используются методы оценки гидрогеологических условий и параметрические методы, для количественной - математические методы. Возможность их применения зависит от исследуемой территории, имеющихся данных и целей исследований.

восточной части Днепровского артезианского бассейна. Даш краткое описание изученности территории, физико-географических, геоморфологических и гидрогеологических условий региона.

Территория исследований расположена в зоне сочленения Среднерусской возвышенности и Приднепровской низменности. Рельеф ее гря до во-холм истый и равнинный с общим уклоном на юго-запад, расчленен долинами рек с глубоким эрозионным врезом (до 80 м) и овражно-балочной сетью. В гидрографическом плане территория входит в бассейн Днепра. Основными реками являются Беседь, Ипутъ и Снов с их притоками. Заболоченность водосборов составляет < 6%, лесистость ~ 20%, сельским хозяйством освоено 50% площади.

В гидрогеологическом разрезе выделены две гидродинамически изолированные толщи, которые разделяет региональный келловейский водоупор. Верхний гидродинамический этаж включает в себя четвертичные, неогеновые, палеогеновые и меловые отложения и характеризуется отсутствием явно выраженных водоупоров, активным водообменом и гидравлической

взаимосвязью водоносных горизонтов. Зона аэрации сложена преимущественно четвертичными отложениями следующих генетических типов: болотного (торфы), аллювиального (переслаивание суглинка, супесей и песков), аллювиальио-флювиогляциального (пески, супеси), перигляциального (лессовидные суглинки к супеси), водно-ледникового (пески), ледникового (валунные суглинки и супеси) и, локально, морского (карбонатные породы).

Формирование подземных вод решона обусловлено обилием атмосферных осадков (до 600 мм/год), наличием развитой гидрографической сети и преобладающим песчано-глинистым составом покровных отложений. Грунтовые воды приурочены в основном к четвертичным отложениям и залегают на глубине 0 - 15 м. Питаются за счет инфильтрации атмосферных осадков с областями питания на плоских водоразделах и глубинного перетекания из нижележащих меловых напорных водоносных горизонтов. Разгрузка осуществляется в сторону естественных дрен - долин рек и оврагов. Для ГВ аллювиальных отложений характерен прибрежный тип режима с движением в виде подруслового потока вдоль пойм. Минерализация ГВ составляет 0,13 — 1,0 г/л, это сульфатно-гадрокарбонатные натриево-магниево-кальциевые воды. ГВ решона повсеместно используются для децентрализованного водоснабжения мелких населенных пунктов. После аварии на ЧАЭС все колодцы в загрязненных районах были закрыты, однако сейчас по-прежнему эксплуатируются населением.

В настоящий момент ~ 40% территории региона характеризуется значительным радиоактивным поверхностным загрязнением. Основной вклад в загрязнение почвы вносят долгожиаущие изотопы Эг-90 и Сз-137 (с периодом полураспада Тщ « 30 лет) в соотношении друг к другу 1: 50, поэтому в представленной работе основное внимание уделено загрязнению С5-137, Отмечено, что к началу 1986 г. содержание Сз-137 на территории составляло в среднем 0,04 Ки/км1, что является нормой, в настоящий же момент - 1 - 40 и более Кн/км2.

В тр^т^ей главе описаны гидродинамические и фюико-химические особенности миграции радионуклидов в ЗА и подземных водах. Основные источники загрязнения подземных вод (и в первую очередь ГВ) в зоне чернобыльских выпадений - верхние слои ЗА и загрязненные продукты эрозии, аккумулирующиеся в озерных котловинах, речных долинах и прочих отрицательных геоморфологических структурах загрязненной территории. Загрязнение происходит путем дальнейшего перераспределения радионуклидов в геологической среде. При этом к основным процессам переноса относятся: инфильтрация через загрязненные почвенные слои и зону аэрации части атмосферных осадков, питающих подземные воды, фильтрация подземных вод в водовмещающих породах, разгрузка подземных (грунтовых) вод в реки и водоемы.

Миграция радионуклидов при движении поверхностных и подземных вод сопровождается обменными процессами (сорбция-десорбция, ионный и изотопный обмен и др.) между минеральной фазой и поровым раствором. Обменные процессы приводят к замедлению (задержке) движения

радионуклидов относительно воды-носителя. При этом процесс задержки может играть как положительную роль {связывание радионуклида на минеральной фазе и вывод из движущейся воды-носителя), так и отрицательную (накопление радионуклидов на минеральной фазе и формирование вторичных источников загрязнения воды). Чем больше задержка, тем больше время пребывания радионуклида Тс в данной системе и тем больше его распад в течение этого времени, и наоборот. Задержка, дисперсия и радиоактивный распад - главные природные защитные факторы геологических систем от радиоактивного загрязнения.

Перенос вещества в геологических системах. удовлетворительно описывает дисперсионное уравнение, учитывающее задержку и радиоактивный распад. Решения этого уравнения для различных начальных и граничных условий обычно имеют вид сложных математических функции и получены в основном для насыщенного потока. При этом существует множество допущений, которые сужают применение этих решений до границ единичной площадки. Кроме того, многие параметры могут-быть получены лишь в натурных условиях, так как лабораторные данные искажают реальную картину переноса ЗВ. Необходимость оценки уязвимости подземных вод в региональном масштабе требует нахождения универсальных решений, пригодных для различных гидрогеологических условий, в насыщенной и ненасыщенной среде.

В третьей главе изложены также методологические принципы оценки уязвимости ГВ к радионуклидному загрязнению. Уязвимость ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к поверхностному радиоактивному загрязнению оценена с помощью данных о времени пребывания воды Т*, и загрязняющего компонента (радионуклида) Гс в зоне аэрации и собственно грунтовых водах.

ЗА является первым и основным защитным барьером между земной поверхностью, загрязненной радионуклидами, и грунтовым водоносным горизонтом. Поэтому первостепенное значение придавалось изучению действительной скорости переноса влаги и содержащихся в ней радионуклидов, увлекаемых с поверхности инфильтрационным потоком в глубь ЗА.

Время пребывания воды в насыщенной или ненасыщенной геологической среде определяется как

Т^У^, (1)

где V - объем среды, 0 - расход потока воды, проходящего сквозь систему. Для преимущественно одномерных потоков, таких, как в зоне аэрации, имеем

Т» X/ V**

где X - мощность ЗА, V* - действительная скорость прохождения воды сквозь геологическую среду.

Время пребывания радионуклида в геологической среде определяется как ; Т,-Т„К, (2)

где И - фактор задержки.

Для получения информации о реальном поведении воды и радионуклидов в геологической среде был использован радиоиндикаторный (трассерный) метод. При этом использовались как уже существующие в среде радиоизотопы (чернобыльский Cs-137), так и искусственно инжектированные.

Для выполнения поставленных задач была применена методика полевых радиоиндикаторных исследований. разработанная в лаборатории изотопных и ядерно-физических методов ВСЕГИНГЕО. Методика была апробирована автором в ходе полевых работ и затем в процессе обработки результатов выполненных измерений. Она состоит из ряда последовательных действий, позволяющих получить необходимые миграционные параметры.

Определение глубины Хс к скорости миграции радионуклидов Vc На экспериментальных площадках в ЗА послойно отбирались образцы пород, в которых измерялось содержание Cs-137. Полученные радионуклндные распределения обрабатывались методом моментов для получения средневзвешенного значения содержания Cs-137 по глубине Х^ от земной поверхности - параметра оценки пути миграции радионуклида в вертикальном почвенном профиле. Дисперсия радионуклидов и Vt в вертикальном профиле почв и пород определялись, исходя из пути миграции Хс с учетом времени экспозиции 1 с мая 1986 г. до даты опробования (1998-1999 гг.) по формуле Уе-Х«/т.

При изучении миграции радионуклидов ниже почвенного слоя в породы ЗА искусственно инжектировался изотоп Cs-137. Далее аналогично определялась Vt в минеральных грунтах.

Прямое экспериментальное определение in situ миграционных характеристик

воды

Для определения V*, дисперсии и расхода воды q при инфильтрации атмосферных осадков через зону аэрации инжектировался искусственный радиоактивный изотоп водорода (тритий) в виде тритиевой воды. Этот индикатор однозначно трассирует движение самой воды - носителя радионуклидов в растворенном и взвешенном виде. По вертикальным распределениям трития, и, следовательно, мигрирующей влаги методом моментов определялись глубина миграции трития Х„, а затем V*. и дисперсия.

Ключевые миграционные параметры воды определялись по известным зависимостям: q = Vw ©;

TW=H/VW =H<a/q; где © - относительная объемная влажность пород ЗА, Н - мощность ненасыщенной зоны.

Определение фактора задержки радионуклида в породах зоны аэрации R„ производилось по формуле

R„=vw/Vt. (3)

Полученные данные положены в основу методики региональной оценки уязвимости ГВ на территории, подвергшейся радиоактивному

Определен) времен радионукли максимального и пребывания да в зоне аэрации

Прямые радиоиндикаторные измерения скорости миграции радионуклида в зоне аэрации в почвах / в пародах

-:—-=о

Прямые ралнои нди кзторные измерения скорости йафильтрации воды-носителя !_ в зоне аэрация _

Расчетное зна скорости мип шин

количественная оценка

Определение критической мощности зоны аэпации

Ус

Определение фактора задержки радионуклида в зоне аэрации

схема оценки уязвимости, иа барьерной роли зоны аЦрацин

иная

ш*

1

качественная оценка

Выявление региональных факторов уязвимости

Определение фактора задержки радионуклида в грунтовых водах

Интегрированная карта районирования уязвимости грунтовых вод региона к ради онукл идиому загрязнению

Анализ и заключение, разработка рекомендаций по использованию территории

Расчет времени

пребывания радионуклида в грунтовых водах региона

Оценка времени полного водообмена грунтовых вод региона

та—-

Рис. 1. Методика оценки уязвимости грунтовых вод восточной части Днепровского артезианского бассейна к ради оку кл идиому загрязнению.

загрязнению в результате аварии на ЧАЭС. Предлагаемый подход при разработке данной методики основан на двух факторах: барьерной роли ЗА и восстановительной роли собственно водоносного горизонта ГВ. Методика состоит го нескольких блоков (рис. 1):

¿Определение максимального времени пребывания радионуклида в

зоне аэрации.

Максимальным временем пребывания будет при этом максимально возможное время нахождения загрязнителя (в данном случае радионуклида) в геологической среде (зоне аэрации), необходимое для его распада до безопасного уровня.

Уменьшение содержания Сз-137 при движении в ЗА лишь за счет радиоактивного распада без учета дисперсии и задержки ЗВ (самый строгий подход) происходит по известному закону радиоактивного распада: А = А^е" ,

где А и Ав - соответственно конечный (безопасный) и начальный (чернобыльский) уровень загрязнения местности, X - время жизни радионуклида (физическая постоянная, равная 43 годам). В данном случае предлагается оценивать максимальное время пребывания Сз-137 в зоне аэрации наиболее загрязненной местности, которое необходимо для его распада до безопасной, дочернобыльской активности А по формуле, вытекающей из вышеприведенной:

Т", —ПпА/Ав- (4)

И. Применение результатов полевых радиоиндикаторных исследований. Данные прямых радиоиндикаторных измерений Ус в ЗА применяются для выявления региональных факторов уязвимости - качественных показателей, которые определяются в результате сопоставления скорости миграции радионуклида с литологнческими и ландшафтными характеристиками местности. Расчетное значение Ус, принимаемое за обобщенное для исследуемого региона, используется также при определении критической мощности зоны аэрации Нкр. Критическая мощность ЗА — это ее максимальная мощность, которая необходима для того, чтобы ЗВ (радионуклид), движущийся с расчетной скоростью У4 к уровню ГВ, достиг этого уровня, распавшись до безопасной концентрации. Н«, необходима для того, чтобы за время пребывания в ней чернобыльского Са-137 при максимальном уровне загрязнения местности плотность радиоактивного загрязнения приняла фоновый характер. .Другими словами, это расстояние, которое пройди радионуклид за максимальное время пребывания его в породах ЗА с расчетной скоростью миграции Уср1гч:

Н^т", • (5)

В работе предложена схема оценки уязвимости ГВ, основанная на барьерной роли зоны.аэрации, Предлагаемая схема основана на ограниченном числе экспериментально выявленных параметров, характерных для данного региона, таких как Нвр (количественная характеристика), н региональные факторы уязвимости ГВ (качественные характеристики). Согласно этой схеме классифицируется уязвимость ГВ исследуемого региона к загрязнению

радионуклидами и строится карта районирования уязвимости ГВ региона к радионуклидному загрязнению по категориям минимальной, средней и максимальной уязвимости.

По результатам полевых, исследований определяется также расчетное значение фактора задержки, радионуклида в ненасыщенной зоне К1э, принимаемое как обобщенное для исследуемого региона. К« применяется при расчете фактора задержки в водоносном горизонте грунтовых вод Й^ по формуле, вывод которой обосновывается в диссертационной работе:

=1 +(Н„-1)е)/и, (6)

где К|„ и - соответственно факторы задержки в ГВ н ЗА, п - пористость пород водоносного горизонта.

///. Расчет времени полного водообмена ГВ региона.

Этот блок методики основан на анализе восстановительной роли собственно грунтовых вод. Интенсивность процесса замены подземных вод водами, поступающими из различных источников питания (атмосферных осадков, поверхностных вод, нижележащих водоносных горизонтов и бокового притока), характеризуется временем однократного водообмена Тгв». Оценка темпов водообмена региона имеет большое значение при исследовании общих закономерностей темпов очищения подземных вод. Время водообмена ГВ региона оценивалось по методике И.С. Зекцера с использованием данных о подземном стоке. Соотношение Тгв1 = Кг„ Г позволяет определить время пребывания радионуклида в ГВ региона.

Карта районирования уязвимости ГВ к радионуклидному загрязнению, построенная на основе защитных свойств зоны аэрации, совмещается с картой времени пребывания радионуклида в ГВ региона, построенной на основе самоочищающих свойств водоносного горизонта. Путем анализа построенных карт делаются выводы об уязвимости ГВ региона к радионуклидному загрязнению.

В четвертой главе представлены результаты исследований и их анализ. Уязвимость ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному загрязнению оценивалась согласно вышеизложенной схеме.

За безопасный уровень А была принята дочернобыльская плотность загрязнения местности Сз-137 в Новозыбковском районе Брянской области, равная 0,05 Ки/км2. В мае 1986 г. Ад там же было равно 40 Ки/км2. Таким образом, максимальное время, которое должно пройти после аварии, чтобы загрязненная местность очистилась, согласно формуле (4) равно ~ 300 годам, т.е. 10 периодам полураспада Сз-137.

Полевые измерения проводились при участии автора совместно с НПО «Тайфун» н ГГО «Брянскгеология». В работе также использовались данные предыдущих полевых исследований, проводившихся с первых лет после аварии наЧАЭС.

Крупномасштабные исследования проводились на специально оборудованных экспериментальных полигонах, которые были выбраны для натурного моделирования в качестве ключевых площадок, площади полигонов

«Деменка» составляют 40, «Кожаны» 64 км2 соответственно. Критериями для выбора местоположения полигонов служили типовые природные условия и максимальные плотности радиоактивного загрязнения территории. На полигонах были оборудованы радиоиндикаторные площадки (РИП) для проведения опытно-миграционных работ.

Исследования миграции чернобыльских радионуклидов в грунтах ЗА проводились с использованием опытных шурфов, в которых изучалось распределение чернобыльских радионуклидов. Глубина исследований достигала 1,5 м. До этой глубины послойно отбирались пробы почв и грунтов на содержание в них 5г-90 и Се-137.

На экспериментальном полигоне «Деменка» было опробовано 32, на полигоне «Кожаны» - восемь опытных шурфов. По данным опробования автором были построены кривые распределения содержания чернобыльского Сз-137 в вертикальном почвенном профиле для всех опробованных шурфов (рис. 2). Ни один из полученных радионуклидных профилей не представлен в виде нормального распределения из-за одновременного действия множества физических и химических факторов. Эти факторы создают общую сложную картину в распределении содержания радионуклида в породах. Обработка радионуклидных профилей проводилась методом моментов. Сущность метода состоит в рассмотрении реально измеренного распределения содержания радионуклидов в породах ЗА как некоторого статистического распределения. Это распределение представляет собой вероятность достижения радионуклидом определенной глубины с координатой X в произвольный момент наблюдения I от начала миграции. Средняя глубина проникновения радионуклида определяется начальным моментом первого порядка. Он характеризует положение «центра масс», т.е. средневзвешенного значения пространственной координаты эмпирического распределения радионуклида относительно начала координат или среднюю длину миграции радионуклида. Метод моментов применим к любым распределениям, в том числе полимодальным (многовершинным) и экспоненциальным.

Исследования показали, что расстояния от поверхности земли до средневзвешенного «центра масс» Сз-137 по состоянию на момент измерения (1995-1999 гг.) в разных точках опробования составили 1,7 - 20 см. Как правило, наблюдаемые заглубления Сз-137 пока не вышли за пределы почвенного слоя. По этим данным автором была рассчитана осредненная за время экспозиции скорость миграции Сб-137 V* в вертикальном профиле для всех шурфов (рис. 3).

Обработка результатов радионуклидных распределений позволила установить следующие факты:

- удельная активность Сз-137 в верхнем слое пород зоны аэрации варьирует от 6000 до 60000 Бк/кг, что доказывает широкую изменчивость и пятнистый характер плотности загрязнения;

Глубина, см

Рис. 2. Характерные кривые распределений содержания чернобыльского Ск-137 в вертикальном профиле опробованных шурфов: а) РИЛ «Деменка-1», шурф 3, 1998 г.; б) РИП «Кожаны-1. Лесная}), шурф 8, 1998 г.; в) РИЛ «Кожаны-2. Полевая», шурф 4-к, 1998 г.; г) РИП «Деменка-Г, шурф 2-д, 1999 г.

- вариации значений скорости миграции Сз-137 достаточно велики. В основном скорость миграции составляет десятые доли сантиметра в год. Среднее значение скорости миграции Сз-137 составляет 0,5 см/год;

- максимальные скорости миграции обычно обусловлены нарушением естественных условий миграции. Такие значения характерны для локальных {{миграционных окон»;

- разброс значений скорости миграции наблюдается даже в пределах одной точки опробования (если пробы брались в разные годы). Соседствующие точки также имеют подчас сильно отличающиеся значения. Это связано с микроформами рельефа. Ложбины, впадины, возвышенности сильно влияют на аккумулятивно-стоковые свойства ландшафта;

«Деменка»

«Кожаны

ш

д

00г 0.&Q8 1,4-1,6 2Д2£ 2,62,8 3,5-3,4

002

ОМО

Vc, см/год

Рис. 3. Скорости миграции чернобыльского Cs-137, измеренные in situ на экспериментальных полигонах (по оси ординат - число точек опробования).

скорость миграции искусственно инжектированного ниже почвенного слоя Cs-137 в 1,5-3 раза выпи£ скорости миграции чернобыльского Cs-137, движущегося с поверхности зешщ. Этот факт подтверждает особую защитную роль почвенно-растительного, слоя. Цезий, центр масс которого выйдет за границы почвенного слоя, начнет двигаться в зоне аэрации с большей скоростью. В связи с этим за расчетное значение скорости миграции радионуклида Vc1"" {обобщенное для исследуемого региона) принималось усредненное значение скорости миграции, увеличенное для более строгой оценки в 2 раза;

- почва не является абсолютным защитным барьером для миграции радионуклидов в породах зоны аэрации. Некоторое количество Cs-137 практически повсеместно в измеримых количествах отмечается ниже почвенной границы на всю опробованную глубину (до 1,5 м). «Центр масс» загрязнения в настоящее время находится в почвенном слое, и именно там пока сосредоточено основное содержание радионуклидов (в среднем 90%). Доля «быстрой составляющей» миграции небольшой части несорбировавшихся радионуклидов (опережающие «крылья» распределений) — 10%, она обусловлена их быстрым продвижением по сквозным порам пород зоны аэрации к уровню ГВ;

- связь между скоростью миграции и литологией ЗА коррелирует по минеральному составу коренных оснований почв. Экспериментально

подтвержден известный факт, что в песчаных почвах скорость миграции радионуклидов больше, чем в почвах с моренным минеральным основанием;

- дисперсия (рассеяние) Сб-137 в профиле относительно «центра масс», определенная прямым путем с помощью профилей распределений, составляет десятки квадратных сантиметров в год. Среднеквадратичное отклонение радионуклида по профилю составляет до 10 см и уже выходит за пределы почвенного слоя;

- выявлена связь между значениями скорости миграции Сб-137 и ландшафтными особенностями местности. Ус в различных ландшафтных условиях составляет следующие величины: 0,8-1,64 см/год на участках с техногенным нарушением (распахивание, экскавация и т.д.), 0,38-0,79 см/год на естественных луговых угодьях, 0,32-0,53 на участках смешанного типа (лесные опушки, граница леса с полем и т.д.), 0,1-0,23 см/год в лесах. Повсеместно

4 <

2 •

— I

0.1-0,2 0,3-0,4 0,5-0,6 0,7-0,8 0.Э-1,0 1.1-1,2 1,3-1,4 1 ,5-1 .6 скорость миграции, см/год

Влес Илуг □смешанные участки Штехногенные нарушения

Рис. 4. Скорость миграции чернобыльского Сз-137 в различных ландщафтных условиях (по оси ординат - число точек опробования).

отмечено, что в ненарушенных почвах лесных массивов в несколько раз меньше, чем в луговых, открытых или распахиваемых почвах (рис.4). Лес создает мощную естественную защиту, и его отсутствие — региональный фактор уязвимости ГВ к радионуклидному за1рязнению.

Полученные соотношения согласуются с выводами авторов фундаментальных работ по изучению миграции радионуклидов в почьенно-

растительном покрове об относительно высокой мобильности радионуклидов на луговых участках вследствие их слабой сорбции дерниной, а также о высокой защитной, антимкграционной функции леса. Таким образом, как и литологический состав минеральной части зоны аэрации, ландшафтные особенности местности являются региональными факторами уязвимости подземных вод к радаонуклидному загрязнению. Это качественные показатели уязвимости ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному загрязнению.

Согласно формуле (5), при Tt = 300 лет и расчетной скорости миграции 1 см/год Нкр составляет 3 м. Для данного региона в период паводков характерен подъем уровня ГВ до 1,5 -2 м, что увеличивает «надежную» мощность ЗА до 5 м.

При рассмотрении барьерной роли ЗА на пути движения радионуклидов от поверхности земли до уровня ГВ, учитывалась роль двух уровней -верхнего, почвенного и нижнего, минерального. Верхний уровень отражен на карте ландшафтных особенностей местности, где показаны следующие градации: лесные и луговые угодья, а также техногснно нарушенные территории. Для характеристики нижнего уровня использовались карта литологического строения' зоны' аэрации и карта глубин залегания ГВ. На первой отражены проводящие свойства пород по градациям: преимущественно глинистый разрез, преимущественно песчаный разрез, преимущественно торфяной разрез. Градации глубин залегания ГВ следующие: 0 -3,3 - 5, > 5 м.

Автором разработана региональная схема оценки уязвимости ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному загрязнению, основанная на барьерной роли зоны аэрации (рис. 5). Согласно этой схеме, уязвимость Г*В данного региона классифицируется по следующим категориям: минимальная, средняя и максимальная. Основная идея схемы состоит в том, что любой участок исследуемой территории оценивается по трем показателям: одному количественному (мощности зоны аэрации) и даум качественным (ландшафтным особенностям местности и литологическому строению геологического разреза), согласно которым делается вывод о категории уязвимости. На основе схемы была построена карта районирования уязвимости ГВ региона к радионуклидному загрязнению, к которой приводится соответствующая экспликация.

Автором диссертационной работы проведены и обработаны тритиевые эксперименты по прямому определению действительной скорости инфильтрации осадков V». Исходные данные вертикальных распределений индикатора (трития) н, следовательно, мигрирующей шаги отображены на рис. б. Они использованы для расчетов миграционных характеристик, которые представлены втабл I.

КАТЕГОРИИ УЯЗВИМОСТИ: Е] Минимальная уязвимость ) ",') Средняя уязвимость М Максимальная уязвимость

Ж

• / ~ /

ZH

Мощность ЗА:

>5м

3-5 м

<3 м

ЛандщдАт

TeiHoreimo нарушенные участки

I

\ Jlv

^Лесные угодья Луговые угодья Техногенно наруш, участки Разрез ЗА: торфяной, песчаный, глинистый

> 5 м 3 -5 м < 3 м

Луговые угодья

Разрез ЗА:

торфяной, песчаный, глинистый

>5 м 3 - 5 м <3 м

Разрез ЗА: торфяной, песчаный, глинистый

Лесные угодье

>5м 3-5 м

<3 м

Г"

\ л/

Разрез ЗА: торфяной, песчаный, глинистый

Ряс. 5. Схема оценки уязвимости грунтовых вод восточной части Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному загрязнению, основанная на барьерной роли зоны аэрации.

4000

3000-

2000-

1000 -

о

о

40 60 во

Глубина, см ™ -Деменка-1 —-— Кожаны-2

?2о 140

160

Кожаны-! —■—Яловка

Рве. 6. Распределение индикаторного трития по глубине зоны аэрации на радиоиндикаторных площадках (по оси ординат - активность трития в пробе, имп/мин).

Наблюдаемая полимодальность распределения тритиевого индикатора обусловлена, в первую очередь, внутри- и межсезонной неравномерностью и дискретностью выпадения атмосферных осадков; промерзанием верхних слоев грунта и замедлением миграции влаги зимой; быстрым продвижением воды и индикатора в весенне-осенние периоды; резким увеличением инфильтрационного питания при оттаивании почвы. Решающее влияние на полимодальность распределений оказывает литологическая неоднородность пород зоны аэрации, в которой слоистость перпендикулярна направлению инфильтрации осадков.

В Таблице 1 приведены полученные in situ значения R,^Среднее значение этого безразмерного коэффициента равно 213 в почвах и 66 в минеральных породах. Расчетное значенная,,, в ненасыщенной зоне, которое использовалось для определения этого коэффициента в водоносном горизонте ГВ, принималось за 66 (самый строгай вариант). Фактор задержки используется для определения коэффициента распределения вещества К^ на частицах твердой фазы проводящей геологической среды, который для пород ЗА определяется по формуле:

Кд = (Rj, -1) ш ! р, где р - плотность скелета породы.

В таблице 1 приведены вычисленные значения Kj. Они ниже данных, известных из литературных источников.

Таблица 1. Миграционные параметры, определенные in situ

РИП Геологический разрез Н, м см V*, см/год Хс см V* см/год* Rw* Kd, см^/г q, мм/год

"Деменка-1» ГЛИНИСТЫЙ 8 67,2 73,3 4,7 0,4/0,73 183/100 11,8 68

2,9 0,32 230 49,9 193

"Кожаны-1. Лесная" песчаный 4 97,7 106,5 2,8 0,23 463 16,7 37

35 131

"Кожаны-2. Полевая" песчаный 8 82,5 90 9,5 0,79/2,68 114/33 10,2 126

5,3 0,44 205 18,7

"Яловка", глинистый 4 29,2 31,8 4,5 0,38 84 8,7 50

* Числитель - в почвах, знаменатель - в породах.

На основе проведенного анализа геолого-гидрогеология сскнх условий региона была построена гидродинамическая карта масштаба 1: 500 ООО, характеризующая площадь распространения, условия питания и разгрузки ГВ, а также мощность этого водоносного горизонта, и были вычислены естественные запасы таких вод в пределах исследуемой территории. С помощью данных о модулях подземного стока, полученных ГГП "Брянскгеолошя" в результате комплексной геолого-гидрогеологической съемки масштаба 1: 200 000 и на основе карты подземного стока Центральной н Восточной Европы масштаба 1: 1 500 000 была построена карта подземного стока центральной части Днепровского района. Среднегодовые значения модуля подземного стока были получены методом генетического расчленения гидрографа речного стока рек, гидрологический режим которых изучался на постах Росгидромета (1930 - 1998 гг.). Модули подземного стока, нанесенные на эту карту, свидетельствуют о неоднородности в формировании подземного стока ГВ в данных геолого-гидрогеологических и геоморфологических условиях.

На основании построенных карт по формуле (1) было вычислено Tw для территории центральной части Днепровского района подземного стока (70 - 280 лет). На соответствующей карте масштаба 1: 500 000 показано, за сколько лет происходит полная смена ГВ. Сроки водообмена увеличиваются, при уменьшении подземного стока. Доля ГВ в общем подземном стоке уменьшается по направлению с северо-запада на ющ-восток. Это связано с тем, что в северо-западных районах имеется тесная гидравлическая взаимосвязь ГВ с нижележащими напорными водами, которые характеризуются высокой

водообильностью, а также с наличием обширных источников разгрузки ГВ в виде крупных рек района. С севера на юг наблюдается уменьшение врезов долин рек, а в южной и юго-восточной частях исследуемого района ГВ, приуроченные к слабоггроницаемым отложениям, не имеют гидравлической связи с напорными водами. Из карты темпов водообмена видно, что ГВ северных и северо-западных районов промываются (самоочищаются) быстрее таковых в южных и юго-восточных. ,

Темпы самоочищения ГВ от раднонуклидного загрязнения определяются временем пребывания радионуклидов в этих водах. С использованием расчетного значения Rw для минеральных грунтов ЗА по формуле (6) было получено, что R,„ = 18. Таким образом* время пребывания Cs-137 в ГВ согласно формуле (2) превысит 1 260 лет. За это время он заведомо распадется до безопасного уровня. Следовательно, восстановление качества ГВ происходит как путем естественного радиоактивного распада, так и путем постоянной смены естественных запасов подземных вод. В то же время следует помнить, что ГВ при этом будут - вторичным источником загрязнения для напорных вод.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ

По результатам исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1) согласно данным комплекса полевых радиоиндикаторпых исследований в зоне аэрации на ключевых экспериментальных полигонах in situ установлено, что скорость движения воды в зоне аэрации составляет 32107 см/год, а ннфильтрационное питание 37-193 мм/год. Скорости миграции Cs-137 в естественных условиях составляют 0,1-1,64 и 0,7-2,7 см/год в почвогрунтах и в минеральных грунтах соответственно. Вычисленные по этим данным факторы задержки Cs-137 равны 84-463 в почвогрунтах и 33-100 в минеральных грунтах. Коэффициенты распределения составляют 9-50 cmj/r, что ниже значений^ получаемых обычно в лабораторных условиях;

2) сочетание тритиевых индикаторных экспериментов с изучением миграции Cs-137 в разрезах зоны аэрации позволяет однозначно оценивать в натурных условиях, не прибегая к лабораторным определениям, коэффициент распределения и фактор задержки;

3) опыт среднемаспггабного картирования уязвимости ГВ к радионуклид ному загрязнению в целом подтверждает возможность использования схемы оценки, основанной на барьерной роли зоны аэрации, которая предложена в работе;

4) наблюдаемые закономерности водообмена ГВ региона характеризуют восстановительные свойства данного водоносного горизонта. Защищаемые положения диссертационной работа; могут быть

сформулированы в следующем виде:

1) Предложена методика региональной оценки уязвимости ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна к радионуклидному

загрязнению. Методика основана на комплексном учете защитных свойств зоны аэрации и восстановительной роли собственно водоносного горизонта ГВ. Она может быть использована для решения аналогичных задач в других регионах.

2) Установлены основные закономерности миграции Cs-137 в зоне аэрации, заключающиеся в следующем:

- основным накопителем Cs-137 является почва (и 90 % общей активности в вертикальной колонке грунта), откуда радионуклид удаляется поверхностным (латеральным) смывом и инфильтрацяонным (вертикальным) потоком. При этом почвенный слой, очищаясь, становится постоянным источником загрязнения для поверхностных и подземных вод;

- "быстрая" составляющая миграции (< 10% общей активности) характеризуется минимальными регистрируемыми значениями содержания Cs-137 по всей опробуемой глубине (до 1,5 м);

- дисперсия (рассеяние) Cs-137 в вертикальном почвенном профиле относительно «центра масс» составляет десятки см2 за время экспозиции, а среднеквадратичное отклонение — 10 см и выходит за пределы почвенного слоя;

- решающее влияние на скорость миграции Cs-137 оказывают микроформы рельефа, которые влияют на проводящие и аккумулирующие свойства почв и пород ЗА. Максимальные скорости миграции обусловлены нарушением естественных условий среды миграции.

3) Выявлены региональные факторы уязвимости ГВ, обусловленные барьерной ролью зоны аэрации. Такими факторами являются: качественные (литологический состав пород зоны аэрации и ландшафтные условия территории) и количественный (критическая мощность зоны аэрации, которая составляет 3 м).

4) Предложена схема оценки уязвимости ГВ восточной части Днепровского артезианского бассейна, которая завершается построением среднемасштабной карты уязвимости масштаба 1:200 000.

5) Установлены закономерности водообмена ГВ исследованной территории, заключающиеся в следующем:

- сроки водообмена увеличиваются от 70 до 280 лет при ухудшении условий питания ГВ;

- ГВ северных и северо-западных районов исследуемой территории самоочищаются быстрее таковых в южных и юго-восточных районах, что видно из построенной карты времени водообмена.

6) Определено, что в ГВ рассматриваемого региона время пребывания Cs-137 превысит 1260 лет. За этот период он распадется до безопасного уровня. Восстановление качества ГВ, кроме естественного распада ЗВ, происходит за счет их разгрузки в речную сеть района и нижележащие напорные воды,

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Оценка миграции радионуклидов, поступающих из долговременного хранилища радиоактивных отходов в подземные воды. Гидрогеологические аспекты в экологии // Сб. докладов I Всесоюзной научно-технической конференции "Геоэкология: проблемы и решения". Вып. 2. ВСЕГИНГЕО. М., 1991, с. 106-111. (Соавтор Анисимова Л.И).

2. Гидрогеологические вопросы оценки радиационного влияния атомных станций на окружающую среду // II международная школа-конференция молодых ученых и специалистов "Концепция перспективного развития ядерной энергетики. Анализ риска". Одесса, 1991, с. 36-37. (Соавтор Анисимова Л.И).

3. Radiological and Hydrogeological Aspects oflstPP Site Survey. Hydrological Impact of NPP Systems. Proc. of the International Workshop, UNESCO-CEC-IAEA-UNEP, Int. Hydrological Programme. UNESCO, Paris, 1993, 409 pp. (Anisimova L.I.).

4. Оценка темпов водообмена грунтовых вод северо-восточной части Днепровского артезианского бассейна Н Водные ресурсы, Т. 27, № 5,2000, с. 566-573.

5. Применение метода моментов для вычисления факторов задержки радионуклидов в грунтах зоны аэрации по данным радионуклидных профилей И Геологическое изучение и использование недр. М., ЗАО "Геоинформмарк", 2000, Вып.З, с. 6577. (Соавтор Дубинчук В.Т.).

6. Исследование процессов водообмена грунтовых вод бассейна реки Ипуть I! IV Международный конгресс «Вода: экология и технология» - "ЭКВАТЭК-2ООО". М, 2000, с.268-269.

7. Современное состояние региональных исследований защищенности и уязвимости подземных вод к радионуклидиому загрязнению И Проблемы окружающей среды И природных ресурсов. ВИНИТИ. 2001. № 5, с. 48-58.

8. Зона аэрации как основной защитный барьер подземных вод // Оценка и прогноз качества воды в районах, пораженных в результате Чернобыльской аварии (Брянская область). М., "Инфоком-гео", 2001, с. 91-99. (Соавторы Дубинчук В.Т., Бородин АЛ.).

9. Крупномасштабная оценка и прогнозирование уязвимости грунтовых вод чернобыльским Cs-137 в пределах экспериментального полигона на зараженной территории (Брянская область // Геол. Вестник центральных районов России. 2001, № 2 (15), М., "Инфоком-гео", с. 67-73.

Ю.Оценка времени пребывания Cs-137 в грунтовых водах бассейна реки Ипуть // ЭКВАТЭК-2002: Материалы конгресса. М., 2002, с, 227-228.

П.Изучение особенностей миграции чернобыльского Cs-137 в зоне аэрации для выявления региональных факторов уязвимости грунтовых вод к радионуклвдному загрязнению. // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. СПб., 2002, с. 146-150.

12. Groundwater Resources and Regional Environmental Radionuclide Contamination. // International Nuclear Atlantic Conference Proceedings, Rio de laneiro, 2002. В печати. (Zektser I. S.).

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12,99 г. Подписано к печати 31.07.2002 г. Усл,печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 604, Тех 939-3890,939-3891,928-1042. Тел./факс 939-3891. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ.