Чернобыльское загрязнение подземных вод

Чернобыльская катастрофа остается крупнейшей и самой разрушительной ядерной катастрофой, полностью изменившей радиоактивный фон Северного полушария . Произошло это в апреле 1986 года на территории бывшего Советского Союза (современная Украина ). Катастрофа привела к увеличению радиации почти в миллион раз в некоторых частях Европы и Северной Америки по сравнению с состоянием до катастрофы. В различной степени загрязнены воздух, вода, почвы, растительность и животные. Помимо Украины и Беларуси как наиболее пострадавших регионов, в число наиболее пострадавших стран вошли Россия, Австрия, Финляндия и Швеция. Полное воздействие на водные системы, в том числе, в первую очередь, на прилегающие долины рек Припять и Днепр , до сих пор не изучено.

Существенное загрязнение подземных вод является одним из самых серьезных экологических последствий чернобыльской катастрофы. В рамках общего ущерба пресной воде оно относится к так называемому «вторичному» загрязнению , вызванному попаданием радиоактивных материалов через незамкнутые водоносные горизонты в сеть подземных вод. Это оказалось особенно сложной задачей, поскольку бассейны подземных вод, особенно глубоко залегающие водоносные горизонты, традиционно считались неуязвимыми для различных посторонних загрязнителей . К удивлению ученых, радионуклиды чернобыльского . происхождения были обнаружены даже в глубинных водах с периодом формирования в несколько сотен лет

История

Особенно сильно радиоактивному воздействию подверглись подземные воды в 30-километровой зоне эвакуации (так называемой « зоне отчуждения »), окружающей Чернобыльскую АЭС (ЧАЭС) (Ковар и Герберт, 1998). Основным и наиболее опасным с точки зрения гидрологического распространения загрязнителем был стронций-90 . Этот нуклид проявил наиболее активную подвижность в подземных водах; его быстрая миграция через водоносный горизонт подземных вод была впервые обнаружена в 1988-1989 годах. Другие опасные ядерные изотопы включали цезий-137 , цезий-143 , рутений-106 , плутоний-239 , плутоний-240 , америций-241. Основным источником загрязнения стал поврежденный 4-й реактор, который фактически был местом катастрофы и в котором концентрация стронция-90 первоначально превышала допустимые уровни для питьевой воды в 103-104 раза. Реактор оставался эпицентром облучения даже после того, как аварийно-спасательные службы построили « Саркофаг », или «Укрытие», защитное сооружение, призванное изолировать его от окружающей среды. Конструкция оказалась негерметичной, проницаемой для осадков, снега и росы во многих частях площади 1000 м2. Кроме того, большие количества цезия , трития и плутония попали в грунтовые воды из-за утечки обогащенной воды из 4-го реактора во время строительства «Укрытия». В результате внутри «Укрытия» конденсировалось значительное количество воды, поглотившей радиацию от нуклидсодержащей пыли и топлива. Хотя большая часть этой воды испарилась, некоторые ее части просочились в грунтовые воды из поверхностных слоев под камерами реактора.

Другими источниками загрязнения подземных вод были: свалки радиоактивных отходов на территории « зоны отчуждения »; резервуары охлаждающей воды, связанные с водоносным горизонтом; первоначальные радиоактивные осадки, произошедшие в первые часы после аварии; и лесные пожары, которые привели к ускоренному распространению загрязненных частиц на почвах прилегающей территории. В целом исследователи зафиксировали вероятность накопления около 30% общего поверхностного загрязнения в подземной горной среде. Это открытие демонстрирует, с одной стороны, опасные масштабы подземной миграции радионуклидов , но и важную функцию магматических пород как защитного щита от дальнейшего распространения загрязняющих веществ.

Недавнее раскрытие фактов, скрываемых Советским Союзом, показывает, что проблема радиоактивного загрязнения подземных вод в Чернобыльской зоне существовала задолго до фактической катастрофы. Анализы, проведенные в 1983-1985 годах, показали отклонение радиоактивных норм в 1,5-2 раза, как следствие ранее произошедших аварийных неисправностей ЧАЭС в 1982 году. Когда произошла катастрофа, облучение грунтовых вод было вызвано загрязнением земель в районе аварийного четвертого реактора. Кроме того, подземные воды были загрязнены через безнапорный водоносный горизонт пропорционально и пропорционально загрязнению почвы изотопами стронция и цезия . Верхний подземный водоносный горизонт и большинство артезианских водоносных горизонтов были повреждены в первую очередь из-за массового поверхностного загрязнения радиоактивными изотопами стронция-90 и цезия-137 . В то же время по периферии зоны отчуждения, включая часть системы подачи питьевой воды, зафиксированы значительные уровни радиоактивного содержания. Это открытие доказало факт миграции радиоактивных загрязнений через подземные водоносные горизонты.

После катастрофы советское правительство стремилось принять запоздалые и неэффективные меры по нейтрализации последствий аварии. Проблема загрязнения подземных вод была неправильно решена в первые несколько месяцев после катастрофы, что привело к колоссальным финансовым затратам с незначительным результатом. При этом должный мониторинг ситуации по большей части отсутствовал. Основные усилия спасателей были направлены на предотвращение загрязнения поверхностных вод. Масштабное содержание радионуклидов в подземных водах было проконтролировано и обнаружено только в апреле-мае 1987 г., почти через год после катастрофы.

Пути миграции загрязнения

К сожалению, гидрологические и геологические условия Чернобыльской зоны способствовали быстрой миграции радионуклидов в подземные водные сети. К этим факторам относятся равнинный рельеф, обильные осадки и высокопроницаемые песчаные отложения. Основные природные факторы миграции нуклидов в регионе можно разделить на четыре группы, в том числе: погодно-климатические (частота, интенсивность и распределение испарения и осадков); геологические (проницаемость наносов, режимы дренажа, формы растительности); почвенные (физические, гидрологические и механические свойства земель); и литологические (структуры местности и типы горных пород). На мелиорированных территориях на миграционные процессы оказывают дополнительное влияние антропогенные факторы, связанные с сельскохозяйственной деятельностью человека. В связи с этим конкретные параметры и тип дренажного режима, мелиоративные мероприятия, регулирование водного режима и дождевание могут существенно ускорить естественные темпы миграции загрязняющих веществ. Например, искусственный дренаж приводит к существенному увеличению скорости абсорбции и смыва. Эти технологические факторы особенно значимы для регионов Припяти и Днепра , которые практически полностью подвергаются искусственному орошению и дренажу в пределах сети построенных водохранилищ и плотин.

В то же время как естественные, так и искусственные факторы миграции имеют определенную приоритетность для различных загрязнителей. Основным путем транспортировки стронция-90 в грунтовые воды является его инфильтрация из загрязненных почв и последующий переход через пористые поверхности безнапорных водоносных горизонтов. Ученые также зафиксировали еще два альтернативных пути миграции этого радионуклида. Первый – «техногенный» переход, вызванный некачественным строительством скважин для забора воды или недостаточным качеством материалов, используемых для их оболочек. При электрооткачке глубинных артезианских вод поток незащищенно проходит через загрязненные слои верхних водоносных горизонтов и поглощает радиоактивные частицы, прежде чем попасть в скважину. Этот путь загрязнения был экспериментально проверен на киевских водозаборных скважинах. Другим аномальным путем миграции радионуклидов являются слабые зоны кристаллических пород. Исследования Центра радиоэкологических исследований Национальной академии наук Украины показали, что на поверхности земной коры имеются рыхлые зоны, характеризующиеся повышенной электрической продуктивностью, а также повышенной влагоемкостью и эманационной способностью.

Что касается цезия-137 , то этот нуклид демонстрирует меньший миграционный потенциал в чернобыльских почвах и водоносных горизонтах. Ее подвижность затрудняют такие факторы, как: глинистые минералы, фиксирующие радионуклиды в породе, поглощение и нейтрализация изотопов путем ионного обмена с другими химическими компонентами воды; частичная нейтрализация метаболическими циклами растительности; общий радиоактивный распад. Тяжелые изотопы плутония и америция обладают еще меньшей транспортной способностью как внутри зоны отчуждения, так и за ее пределами. Однако не следует сбрасывать со счетов их опасный потенциал, учитывая чрезвычайно длительный период полураспада и непредсказуемое геохимическое поведение.

Сельскохозяйственный ущерб

Подземный водный транспорт радионуклидов относится к основным путям загрязнения земель сельскохозяйственного производства. В частности, за счет вертикальной миграции с подъемами уровня воды радиоактивные частицы проникают в почву и в дальнейшем попадают в растения через поглотительную систему их корней. Это приводит к внутреннему облучению животных и людей при употреблении зараженных овощей. Ситуацию усугубляет преимущественно сельский тип расселения Чернобыльской зоны, большая часть населения которой занимается активным сельскохозяйственным производством. Это заставляет власти либо выводить загрязненные территории вблизи Чернобыля из-под сельскохозяйственной деятельности, либо тратить средства на раскопки и обработку поверхностных слоев. Эти проблемы повреждения изначально нетронутых почв ложатся тяжелым бременем прежде всего на украинскую и особенно белорусскую экономику. Почти четверть всей территории Беларуси серьезно загрязнена изотопами цезия . Власти были вынуждены до сих пор вывести из сельскохозяйственного использования около 265 тысяч гектаров посевных земель. Хотя комплексные химические и агротехнологические мероприятия привели к ограниченному снижению содержания радионуклидов в продуктах питания, производимых на загрязненных территориях, проблема остается во многом нерешенной. Помимо экономического ущерба, сельскохозяйственное загрязнение через пути подземных вод наносит ущерб биофизической безопасности населения. Потребление продуктов питания, содержащих радионуклиды, стало основным источником радиоактивного облучения населения региона Таким образом, ущерб сельскому хозяйству в конечном итоге означает прямую и долгосрочную угрозу здоровью населения.

Риски для здоровья

Последствия загрязнения подземных вод для здоровья населения Украины , Беларуси и приграничных государств обычно воспринимаются как крайне негативные. Первоначально украинское правительство реализовало дорогостоящую и сложную программу восстановления. Однако ввиду ограниченности финансовых ресурсов и других более неотложных проблем со здоровьем, вызванных катастрофой, от этих планов пришлось отказаться. Не в последнюю очередь такое решение обусловлено результатами исследований отечественных ученых, показывающих, что загрязнение подземных вод не вносит существенного вклада в общие риски для здоровья в отношении других активных путей радиоактивного воздействия в « зоне отчуждения », В частности, радиоактивное загрязнение безнапорного водоносного горизонта, которое обычно считают серьезной угрозой, имеет меньшие экономические и медицинские последствия в Чернобыле, поскольку подземные воды в « зоне отчуждения » не используются для хозяйственных и питьевых нужд. Вероятность использования этой воды местными жителями исключается особым статусом Чернобыльской зоны и соответствующими административными запретами. Единственной группой, которая непосредственно и неизбежно подвергается угрозам здоровью, являются аварийные работники, занимающиеся отводом воды, связанной с дезактивацией реакторов Чернобыльской АЭС и операциями по захоронению отходов.

Что касается загрязнения напорного водоносного горизонта, который является источником технического и хозяйственно-бытового водоснабжения города Припяти (крупнейшего города Чернобыльской зоны), то оно также не представляет непосредственной угрозы здоровью в связи с постоянным наблюдением за системой подачи воды. В случае, если какие-либо показатели радиоактивного содержания превысят норму, забор воды из местных скважин будет приостановлен. Однако такая ситуация представляет определенный экономический риск из-за высоких затрат, необходимых для обеспечения альтернативной системы водоснабжения. В то же время смертельные дозы радиации в напорных водоносных горизонтах сохраняют значительную перспективную опасность ввиду значительной способности миграции в напорные водоносные горизонты и в дальнейшем в поверхностные воды, прежде всего в реку Припять . эта вода может поступать в притоки Днепра Кроме того , и Киевское водохранилище . Таким образом, количество животных и людей, использующих загрязненную воду в бытовых целях, может резко увеличиться. Учитывая, что Днепр является одной из ключевых водных артерий Украины , в случае нарушения целостности «Укрытия» или хранилищ долгоживущих отходов обширный разлив радионуклидов в подземные воды может достичь масштабов чрезвычайной ситуации национального значения. По официальной позиции сотрудников мониторинга, такой сценарий маловероятен, поскольку перед попаданием в Днепр содержание стронция-90 обычно значительно разбавляется в реке Припять и Киевском водохранилище. Однако некоторые эксперты считают эту оценку неточной из-за несовершенства реализованной модели оценки. Таким образом, загрязнение подземных вод привело к парадоксальной ситуации в сфере здравоохранения: прямое воздействие радиации при использовании загрязненных подземных вод в бытовых целях несравнимо меньше, чем косвенное воздействие, вызванное миграцией нуклидов на обрабатываемые земли. В связи с этим можно выделить локальные и внешние риски для здоровья от загрязнений в сети подземных вод зоны отчуждения. Низкие риски на объекте обеспечиваются за счет прямого отбора воды для питьевых и бытовых нужд. Подсчитано, что даже если гипотетические жители будут пользоваться водой на территории свалок радиоактивных отходов , риски будут значительно ниже допустимых уровней. Такие результаты можно объяснить очисткой подземных вод при их гидрологической транспортировке в поверхностные воды, дождями и таянием снегов. Первичные риски для здоровья возникают за пределами объекта и связаны с радионуклидным загрязнением сельскохозяйственных земель и вызваны, среди прочего, миграцией грунтовых вод через незамкнутые водоносные горизонты. Этот процесс в конечном итоге приводит к внутреннему облучению людей, употребляющих продукты питания из загрязненных территорий.

Водоохранные меры

Необходимость принятия немедленных мер по охране подземных вод в Чернобыле и Припятском регионе была вызвана предполагаемой опасностью переноса радионуклидов в реку Днепр, что приведет к загрязнению Киева , столицы Украины , и 9 миллионов других водопользователей ниже по течению. В связи с этим 30 мая 1986 года правительство приняло Постановление о политике охраны подземных вод и начало дорогостоящую программу восстановления вод. Однако эти меры оказались недостаточными, поскольку основывались на неполноте данных и отсутствии эффективного мониторинга. Не имея достоверной информации, сотрудники службы экстренной помощи запустили «наихудший» сценарий, ожидая максимальной плотности загрязнения и минимальных показателей замедления. Когда обновленные данные обследования показали незначительные риски чрезмерной миграции нуклидов , программа восстановления была остановлена. Однако к этому моменту Украина уже потратила на этот проект гигантские денежные средства, равные почти 20 миллионам долларов, а также подвергла спасателей неоправданной опасности облучения.

В 1990-2000-е годы акцент защитных мероприятий сместился с рекультивации на строительство защитных систем для полной изоляции загрязненных территорий вдоль реки Припять и Чернобыльской АЭС от остального региона. Поскольку это было сделано, местным властям было рекомендовано сосредоточить усилия на постоянном контроле за ситуацией. Процесс деградации радионуклидов был предоставлен самому себе в условиях так называемого «наблюдаемого естественного ослабления».

Меры мониторинга

В условиях продолжающегося распада радиоактивных материалов и крайне неблагоприятного радиационного фона в « зоне отчуждения » постоянный мониторинг был и остается крайне важным как для деэскалации деградации окружающей среды, так и для предотвращения гуманитарных катастроф среди соседних населенных пунктов. Мониторинг также позволяет уменьшить неопределенности параметров и улучшить модели оценки, что фактически приводит к более реалистичному видению проблемы и ее масштабов. До конца 1990-х годов методы сбора данных для мониторинга качества подземных вод отличались низкой эффективностью и надежностью. При установке мониторинговых скважин скважины были загрязнены частицами «горячего топлива» с поверхности земли, что сделало исходные данные неточными. Обеззараживание скважин от посторонних загрязнителей может занять 1,5–2 года. Еще одной проблемой стала недостаточная промывка наблюдательных скважин перед отбором проб. Данная процедура, необходимая для замены застоявшейся воды внутри скважин на новую воду из водоносного горизонта, была введена в практику наблюдателями только в 1992 году. Важность продувки сразу же подтвердила значительный рост показателей Стронция-90 в пробах. Качество данных дополнительно ухудшилось из-за коррозии стальных деталей наблюдательных скважин. Коррозионные частицы существенно изменили радиоактивный фон водоносного горизонта. В частности, избыточное содержание соединений железа в воде вступило в компенсаторные реакции со стронцием, что привело к обманчиво более низким показателям стронция-90 в пробах. В некоторых случаях несоответствующая конструкция каркасов скважин также препятствовала точности мониторинга. Конструкции скважин, реализованные сотрудниками Чернобыльской АЭС в начале 1990-х годов, имели фильтрующие секции длиной 12 метров, позволяющие осуществлять отбор проб только вертикально. Такие образцы трудно интерпретировать, поскольку водоносный горизонт обычно имеет неравномерное вертикальное распределение загрязняющих веществ. ) С 1994 года качество наблюдения за подземными водами в Чернобыльской зоне существенно улучшилось. Новые наблюдательные колодцы строятся из поливинилхлоридных материалов вместо стали, с укороченными ситовыми секциями, 1–2 м. был создан экспериментальный полигон мониторинга радиоактивных отходов Кроме того, в 1999-2012 годах в непосредственной близости от территории свалок западнее Чернобыльской АЭС , получивший название «Чернобыльский красный лес». В состав новой системы мониторинга входят лабораторный модуль, станция мониторинга ненасыщенной зоны, сеть мониторинговых скважин и метеорологическая станция. В его основные задачи входит мониторинг таких процессов, как: извлечение радионуклидов из «горячих топливных частиц» (ГТЧ), рассеянных в приземном слое; их последующий переход через ненасыщенный водоносный горизонт и состояние фреатической (насыщенной) зоны. HFP — это частицы, возникшие из сгоревшей древесины и бетона во время первоначального взрыва и последующего пожара в «зоне отчуждения». Ненасыщенный водоносный горизонт снабжен пробоотборниками воды и почвы, датчиками содержания воды и тензиометрами . Работа экспериментальной площадки позволяет в режиме реального времени наблюдать за миграцией и состоянием стронция-90 в водоносном горизонте, но одновременно ставит новые вопросы. Сотрудники мониторинга отметили, что колебания уровня воды напрямую влияют на выход радионуклидов из отложений, а накопление органического вещества в отложениях коррелирует с геохимическими параметрами водоносного горизонта. Кроме того, исследователи впервые обнаружили плутоний в глубоко залегающих грунтовых водах, а это означает, что этот загрязнитель также способен мигрировать в замкнутом водоносном горизонте. Однако конкретные пути этой миграции до сих пор остаются неизвестными.

Исследователи прогнозируют, что в случае нарушения охраны полигонов ядерных отходов в зоне отчуждения концентрация стронция-90 до 2020 года в подземных водах будет значительно ниже допустимых предельных показателей. Кроме того, загрязнение реки Припять как наиболее уязвимого маршрута поверхностных вод подземными притоками маловероятно в ближайшие 50 лет. В то же время количество наблюдательных скважин все еще недостаточно и требует расширения и модификации. Также скважины распределены внутри зоны отчуждения неравномерно, без учета гидрологических и радиационных особенностей территории (Ковар, Герберт, 1998).

Извлеченные уроки

Чернобыльская авария выявила полную неготовность местных властей к решению экологических вопросов ядерной катастрофы. Управление подземными водами не является исключением. Без точных данных в режиме реального времени и скорректированных планов действий в чрезвычайных ситуациях правительство потратило огромные средства на восстановление грунтовых вод , которые впоследствии оказались бесполезными. При этом действительно ответственные первоочередные мероприятия, такие как надежная изоляция поврежденного 4-го реактора, были выполнены некачественно. Если бы «Укрытие» было построено без недостатков, как полностью герметичное и изолирующее 4-й реактор от контакта с внешними воздушными, почвенными и подземными водными средами, это внесло бы гораздо больший вклад в предотвращение поступления нуклидов и их миграции по сети подземных вод. Принимая во внимание эти неудачи, из чернобыльской трагедии можно извлечь следующие уроки для управления подземными водами:

• Необходимость целостной и технологически надежной системы мониторинга, способной выдавать качественные данные в режиме реального времени;
• Точные данные мониторинга как основная основа для любых мер по исправлению положения и мелиоративной политики;
• Критерии и цели деятельности по управлению подземными водами, будь то рекультивация, строительные работы или сельскохозяйственные ограничения, должны быть определены на этапе анализа и до любой практической реализации;
• Проблемы загрязнения подземных вод следует рассматривать в более широкой перспективе, с тесной взаимосвязью с другими путями и формами загрязнения, поскольку все они взаимосвязаны и оказывают взаимное влияние;
• Всегда крайне желательно привлекать международных экспертов и ведущих ученых к экспертной оценке разработанных планов действий;
• Управление подземными водами в зонах радиоактивного загрязнения должно основываться на интегрированном экосистемном подходе, т.е. с учетом их влияния на местные и глобальные экосистемы, благополучие местных сообществ и долгосрочное воздействие на окружающую среду.