Оцінка міграції стронцію-90 в природних водах зони відчуження Чорнобильської АЕС (на прикладі експериментального водозбору Р.Борщі)

Короткий зміст

У першому розділі “Попередні дослідження міграції стронцію-90 в поверхневі і підземні води зони відчуження Чорнобильської АЕС” докладно викладений огляд попередніх досліджень міграції стронцію-90 в поверхневі і підземні води зони відчуження Чорнобильської АЕС. Міграція ⁹⁰Sr – найбільш мобільного радіонукліду в поверхневих водах зони відчуження вивчалася багатьма авторами (Войцехович О.В., Шестопалов В.М., Шевченко О.Л., Бугай Д.А., Железняк М.І. та іншими).

Значний обсяг моніторингових спостережень за станом радіоактивного забруднення поверхневих і підземних вод був виконаний установами державної гідрометслужби, Держводгоспу, державної геологічної служби, а також науково дослідними інститутами (УкрНДГМІ, ІГН НАНУ, ІГБ НАНУ), які були потім узагальнені в монографії за загальною редакцією О.В. Войцеховича (1997).

Підкреслюється велике значення моніторингових досліджень проведених за трьома основними напрямками – поверхневі води, підземні води та аналіз забруднення гідробіонтів і водних екосистем в цілому. Аналіз результатів досліджень містить критичний огляд методів, що використовуються, стан і перспективи організації, а також ведення моніторингу радіоактивного забруднення природних вод; інтерпретацію трендів основних процесів, що визначають сучасне радіоактивне забруднення елементів водних екосистем.

Внаслідок проведеного аналізу наукових джерел щодо вивчення питань міграції радіонуклідів у природних водах сформовано коло питань, що потребували розгляду при виконанні дисертаційної роботи.

Результати досліджень міграції стронцію-90 та інших радіонуклідів досить повно викладені в колективній монографії за редакцією В.М. Шестопалова “ Автореабілітаційні процеси в екосистемах Чорнобильської зони відчуження” (2002).

За результатами виконаного наукового огляду було зроблено наступні висновки. Основна увага в роботах приділена дослідженню механізмів надходження радіонукліду в поверхневі води на стокових майданчиках площею близько 1-100 м². Слід зазначити, що в більшості випадків польові експерименти проводилися на стокових майданчиках з відносно великими ухилами поверхні землі і в режимі штучного дощування при інтенсивності опадів значно більш високій, ніж звичайно спостерігається в природних умовах. Тому експерименти на стокових майданчиках відповідають досить вузькому спектру геоморфологічних та метеорологічних характеристик і не дозволяють охарактеризувати весь комплекс умов і процесів формування водного стоку та водної міграції радіонуклідів у масштабі річкового водозбору. Дослідження міграційних процесів на сучасному етапі вимагає облаштування експериментального водозбору, на якому можна виконувати комплекс моніторингових спостережень і цільових експериментів.       

У другому розділі “Природні умови та техногенна ситуація в районі досліджень” основна увага приділена аналізу природних умов і техногенних чинників, які можуть суттєво вплинути на процеси міграції стронцію-90 у водному і геологічному середовищах, зокрема в межах обраного експериментального водозбору р. Борщі. При цьому використані як літературні джерела, так і матеріали досліджень відділу моніторингу геологічного середовища ІГН НАН України.

Геологічна будова. Територія ближньої зони (БЗ) відчуження Чорнобильської АЕС  у тектонічному відношенні знаходиться в межах одного з блоків північно-східного схилу Українського щита. Поверхня фундаменту (за геофізичними  даними)  знижується на північний схід у бік Брагінсько-Чернігівського виступу від  200 м до 500 м над рівнем моря (н.р.м). В будові осадового чохла беруть участь породи всіх систем мезозойської і кайнозойської груп, що також полого падають та зростають за потужністю в північно-східному напрямку.

Грунтом неоген-четвертинних відкладів є еоценові зеленувато-сірі та голубувато-сірі туго пластичні карбонатні глинисті алеврити, рідше - піскуваті алеврити і алевритові піски київської світи. Її підошва утворює у межах БЗ структурний виступ. Амплітуда рельєфу підошви становить 15-20 м.

Покрівля відкладів київської світи знаходиться в діапазоні від 74 до 93 м н.р.м. В центральній частині території БЗ з півночі на південь простягається відносне зниження рельєфу покрівлі київської світи до 80-82 м н.р.м. Потужність київської світи становить у середньому  9-12 м у східній та центральній частинах БЗ і зростає до 25-30 м у межах заплави Прип`яті та на лівобережжі. В межах пониження простягається улоговина, в якій потужність київської світи зменшується до 1-2 м, тобто мова йде про існування в межах БЗ похованої яружно-балкової мережі.

В результаті новітнього буріння та детального профільного вивчення зразків керну ( в розрізах трьох свердловин) в районі сіл Чистогалівка – Копачі, були зустрінуті щільні пластичні червоно-коричневі (в одній з свердловин – сірі) алевроглини (глинисті алеврити) потужністю 0,6-1,6 м у первинному заляганні з положенням підошви – 115, 119 та 121 м н.р.м. За даними  відділу моніторингу геологічного середовища ІГН НАН України (М.А.Парцевський, 2001), максимально висока ємність поглинання катіонів для цих глин серед інших неоген-четвертинних відкладів пояснюється високим вмістом монтморилоніту (від 29 до 82% у фракції “< 0,005 мм”). Останнє є характерною ознакою верхньої  наймолодшої зони глинистих товщ неогену Прип’ятського прогину. Треба також зазначити, що аналогічні червоно-бурі глини на південь від території зони відчуження, розглядаються як пліоценові утворення.

Кліматичні умови. Клімат району помірно-континентальний. Середньорічна температура повітря становить + 6,8^о С. Осередненні дані багаторічних спостережень: вологість повітря (відносна) - 77 %; сума опадів на рік - 600 мм; випаровування з поверхні землі на рік - 400 мм.

Зима характеризується частими відлигами, нестійким сніговим покривом, заметілями і опадами у вигляді переохолодженого дощу і мокрого снігу, ожеледями. Найхолоднішим місяцем є січень (середня температура – 6,8⁰ С). Переважають вітри зі швидкістю 4,5 – 5,0 м/с, швидкості понад 10 м/с частіше відзначаються в лютому. Сніговий покров утримується протягом  січня - березня; кількість днів із сніговим покривом - 52-116. Період із середньою добовою температурою нижче +8^о С становить 192 дні. Глибина поширення температури 0^о С в грунт коливається від 0 до 70 см, максимум досягає 128 см.

            Весна, на фоні значних коливань тепла і холоду, характеризується активним підйомом температури, інтенсивним таненням снігового покриву і швидким просиханням грунту. Початок весни припадає на березень, у травні встановлюється погода літнього типу. Друга половина весни характеризується великою кількістю гроз і підвищенням абсолютної вологості повітря.

            Літо встановлюється в середині травня і продовжується до середини вересня. Влітку панують північно-західні вітри, середньомісячні швидкості їх знижуються порівняно з іншими сезонами року до 3 - 4 м/с. На літо припадає основна кількість опадів (73%); характерні зливи, що нерідко перевищують середню місячну кількість опадів.

            Осінь наступає в середині вересня і продовжується до середини листопада. Для осені характерне швидке зниження температури повітря, зменшення абсолютної вологості і поява приморозків у першій половині жовтня. Цей період року характеризується поступовим зниженням температури від місяця до місяця на 5 – 7 ^о С.

Гідрогеологічні умови. Територія зони відчуження розташована на стику Дніпровського і Прип'ятського артезіанських басейнів з Українським басейном тріщинних вод.  Всі три гідрогеологічні регіони представлені окраїнами схилів, тому тут відсутні потужні витримані водотривкі прошарки. Це створює умови для гідравлічного зв'язку між водоносними горизонтами. Безнапірні (грунтові) води приурочені до пліоцен - четвертинних відкладень і поширені повсюдно. У 30-км зоні відчуження ЧАЕС глибини їх залягання близько 0-1,0 м становлять - 29%, 1,0-3,0 м - 51%, 3,0-5,0 м -11%, понад 5,0 м - 9% від загальної площі. Зона аерації складена, частіше всього, добре проникними піщаними грунтами з невеликим вмістом глинистих часток. Потужність відкладів, які вміщують воду, коливається в діапазоні 15-30 м, водопроводимість становить100-400 м²/добу на терасах і 40-100 м²/добу на вододільних пасмах (зауважимо, що на вододільних просторах це може бути об’єднаний з неогеновими відкладами горизонт до 90 м сумарної потужності). Рівнинний характер рельєфу при переважанні частки піщаних відкладень у верхній частині розтину обумовлює високий модуль підземного стоку. Режим грунтових вод знаходиться в прямій залежності від метеорологічних, гідрологічних, геоморфологічних та інших умов. Амплітуда коливань рівня грунтових вод на вододільних просторах становить 0,5 – 1,0 м, на терасах 1,0 – 1,5 м, заплавах річок – 1,0 – 2,0 м і більше.

Техногенна обстановка, що склалася внаслідок аварії на  Чорнобильській АЕС. Аварія на четвертому енергоблоці ЧАЕС, що супроводжувалася тепловим вибухом і розгерметизацією активної зони реактора, відбулася в ніч з 25 на 26 квітня 1986 р. Під час аварії відбулося диспергування ядерного палива, в результаті якого утворилися часточки розмірами від одиниць до десятків мікрон. Саме випаданням таких часточок паливної матриці (так званих "гарячих" часточок), обумовлена велика частина радіоактивного забруднення ближньої зони ЧАЕС і, особливо, району промислового майданчику і водойми - охолоджувача.

Особливістю Чорнобильських радіоактивних викидів є те, що радіонукліди, які утримуються в них, початково відзначалися низькою міграційною і геохімічною мобільністю. Це було зумовлено асоціацією основної частини радіонуклідів у випадіннях з малорозчинною паливною матрицею з оксидів урану. Надалі  відбувалася трансформація різних форм радіоактивних випадінь за рахунок механічного руйнування паливних часточок, хімічного вилуговування і розчинення паливної матриці. Це спричинило інтенсивне надходження радіоактивних ізотопів (зокрема стронцію-90) у геологічне середовище. Слід зауважити, що перераховані вище дані відносяться до трансформації форм радіонуклідів у грунтах. Гідрохімічні умови (анаеробні умови, відновне середовище) і матеріальний склад матриці донних відкладів водойм істотно відрізняються від фізико-хімічних умов грунтових прошарків. Тому питання про вивчення фізико-хімічних властивостей і геохімічну мобільність радіоактивних забруднюючих елементів у донних  відкладах є дуже актуальним.

У третьому розділі “Характеристика експериментального водозбору, водний баланс та баланс стронцію-90” наведена характеристика експериментального водозбору, дослідження гідрологічного режиму р. Борщі і розрахунки водного та радіаційного балансу (по стронцію-90).

У рамках дослідницьких робіт водозбір був обладнаний унікальною системою інструментальних засобів для моніторингових спостережень. Для гідрогеологічних спостережень була споруджена мережа свердловин. Для спостережень за гідрологічним режимом річки застосовувався автоматичний ультразвуковий датчик глибини, швидкості і температури води Starflow, що використовує в роботі ефект Допплера (відбиток ультразвукового сигналу від завислих часток, що рухаються з потоком води). Дані про опади були отримані за допомогою автоматизованого вимірювача опадів. Всі прилади обладнанні  електронними блоками запису, що дозволило отримати набір унікальний за своєю частотою набір даних за досить тривалий період часу.

Узагальнюючи наведені дані про гідрологічний режим річки можна зробити наступні висновки. Гідрологічний режим р. Борщі характеризується нерівномірністю внутрірічного розподілу водного стоку. Взимку стік мінімальний (живлення здійснюється  в основному за рахунок грунтових вод). У листопаді, зазвичай, спостерігаються нестійки льодові явища, а з грудня починається льодостав, тривалість якого коливається від декількох тижнів до трьох місяців, залежно від температури повітря.

Звільнення від льодового покриву на р. Борщі звичайно відбувається в другій декаді березня з настанням позитивних денних температур повітря. Весняне водопілля досягає піка в середині квітня і закінчується наприкінці травня – початку червня. На період водопілля припадає 50 - 60 % річного стоку.

Літньо-осінній стік формується за рахунок малоінтенсивних і нетривалих дощових опадів. Підйоми рівня води короткочасні і незначні.  В окремі дні посушливих років річка пересихає. На літньо - осінній  період припадає, як правило, близько 30 % річного стоку. Взимку частка водного стоку становить, як правило, не більш 10 % від річного.

Річка Борщі належить до малих водостоків (довжина 5км, площа водозбору 7 км²) і формування її гідрологічного режиму цілком залежить від впливу метеорологічних факторів (кількості атмосферних опадів, коливання температури повітря, тощо) . Тому для річки характерні літні паводки, які характеризуються значним збільшенням витрат води (до 0,180 м³/с). Зимова межень проявляється не завжди чітко, тому витрати води в зимовий період інколи співставимі з витратами під час весняного водопілля.

Аналіз результатів розрахунку водного балансу дає можливість зробити наступні висновки. У весняний період на території басейну чергуються процеси спрацювання накопиченої за зимовий період вологи та процеси накопичення вологи внаслідок великої кількості опадів. У літній період більша частина вологи витрачається на випаровування, а невелика частина акумулюється у підземних водоносних горизонтах і ще менша у болотах (для цього періоду року характерне різке зменшення площі заболочених ділянок); русловий стік в цей час майже відсутній. Восени, внаслідок низьких величин випаровування та великої кількості опадів, різко зростають показники сумарного стоку і водночас тривають інтенсивні процеси накопичення вологи в басейні, які візуально проявляються у збільшенні площі заболочених  ділянок на території басейну.