CC BY
18===== МЕТОДЫ ПОДДЕРЖАНИЯ И СОХРАНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ ===
И ИХ КОМПОНЕНТОВ
УДК 556.383/388:504(571.1)
КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ И УЯЗВИМОСТИ ГРУНТОВЫХ И НАПОРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ РАЗЛИЧНЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ И ЕЕ АПРОБАЦИЯ НА ЧАСТИ ТЕРРИТОРИИ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ В ЗОНЕ РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА ОТ АВАРИИ НА ЧАЭС
© 2022 г. А.П. Белоусова, Е.Э. Руденко
Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: anabel@iwp.ru, belanna47@mail.ru
Поступила в редакцию 03.04.2022. После доработки 03.05.2022. Принята к публикации 01.06.2022.
Объектом научных исследований являются грунтовые и напорные подземные воды на части территории Калужской области, наиболее пострадавшей от аварии на Чернобыльской атомной станции (ЧАЭС). Целью исследований была разработка комплексной методики для оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению различными веществами, включая радионуклиды. Методика была впоследствии опробована в Калужской области - в зоне радиоактивного следа от аварии на ЧАЭС.
Ранее проведенные нами исследования по оценке защищенности и уязвимости подземных вод, начавшиеся практически сразу после аварии и следовавшие оригинальной авторской методике, были полностью сконцентрированы на изучении только грунтовых вод, первом от поверхности земли водоносном горизонте. Настоящие исследования направлены на комплексное совместное изучение этой проблемы относительно грунтовых и напорных подземных вод, залегающих ниже грунтового водоносного горизонта.
В зависимости от расположения источника загрязнения подземных вод рассмотрено два подхода для решения поставленной задачи. Первый предполагает размещение источника загрязнения на поверхности почв, как это наблюдалось после аварии на ЧАЭС. Второй вариант предполагает размещение источника загрязнения в грунтовых водах или их площадное загрязнение; в этом случае количество объектов изучения уменьшается, и он становится частным случаем первого подхода.
Результаты научных исследований и предложенная методика могут быть использованы при оценке экологического состояния подземных вод на различных территориях страны в различных масштабах; при проектировании и строительстве водозаборов пресных питьевых подземных вод; при проектировании и организации мониторинга за подземными водами в районах, пострадавших от аварии на ЧАЭС. Результаты исследований являются новыми и значимыми для дальнейших работ.
Ключевые слова: грунтовые воды, подземные напорные воды, загрязняющие вещества, защищенность и уязвимость подземных вод от загрязнения, радионуклиды, сорбция, время миграции.
DOI: 10.24412/2542-2006-2022-2-72-98 EDN: CBRISA
После аварии на Чернобыльской АЭС уже прошло более 30 лет, но проблемы с загрязнением окружающей среды радионуклидами будут сказываться еще долгое время. Известно, что активность радиоактивных выпадений исчезает полностью после 10 периодов полураспада радионуклидов. Наиболее сильно загрязнению подвержены первые от поверхности водоносные горизонты - грунтовые воды, в меньшей степени - напорные, глубоко залегающие подземные воды.
В связи с этим важно изучить и оценить степень защищенности и уязвимости подземных вод к загрязнению в зоне радиоактивного следа на территории Калужской области.
На основе выполненных научных исследований разработана методика комплексной оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению различными веществами, которая затем была опробована на части территории Калужской области - в зоне радиоактивного следа от аварии на ЧАЭС.
Оценка защищенности и уязвимости грунтовых вод к загрязнению
Наши предыдущие исследования по оценке защищенности и уязвимости подземных вод от загрязнения радионуклидами, начавшиеся практически сразу после аварии на ЧАЭС, были полностью сконцентрированы на изучении грунтовых вод, первом от поверхности земли водоносном горизонте. В результате была разработана оригинальная авторская методика оценки защищенности и уязвимости грунтовых вод к загрязнению радионуклидами (Белоусова, 2001, 2003, 2005, 2012, 2019; Белоусова и др. 2006, 2019).
Настоящие исследования направлены на комплексное совместное изучение этой проблемы относительно грунтовых и напорных подземных вод, залегающих ниже грунтового водоносного горизонта.
В рамках исследований (Белоусова, Руденко, 2021) методом математического моделирования с использованием математической модели MT3D изучены процессы миграции различных - от слабо до сильно сорбируемых - загрязняющих веществ (ЗВ), в т.ч. радионуклидов, в грунтовых и напорных подземных водах.
В модели рассматривался выдержанный по своему литологическому строению водоупор между грунтовыми и напорными водами, что не всегда соответствует действительности. В природных водоупорах могут содержаться линзы, прослои более проницаемых отложений, а также техногенные нарушения - скважины и другие глубокозалегающие сооружения. Все это в значительной степени может нарушить структуру водоупора и привести к ускорению процессов загрязнения подземных вод. Рассмотренная ситуация свидетельствует о том, что водоупоры не являются полной гарантией защиты напорных вод от загрязнения, а имеют сложный характер проницаемости, что и обеспечивает возможность формирования в напорных водах линз загрязненных вод, хотя, как в данном случае, с незначительной концентрацией ЗВ.
Все это подтверждает необходимость оценки защищенности подземных напорных вод от загрязнения различными ЗВ другими методами, включая и модельно-картографический, методику которого мы разработали при оценке защищенности грунтовых вод от загрязнения и который будет использован для изучения напорных подземных вод в комплексе с грунтовыми.
В связи с этим была разработана структура комплексной методики оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод от ЗВ, опробованной затем на части территории Калужской области в зоне радиоактивного следа от аварии на ЧАЭС.
В зависимости от расположения источника загрязнения подземных вод рассмотрены два подхода для решения поставленной задачи.
Первый вариант предполагает размещение источника загрязнения на поверхности почв, как это наблюдалось после аварии на ЧАЭС. В этом случае этапы изучения включают следующие объекты исследований: 1) защитная зона, 2) грунтовые воды, 3) раздельный, защитный слой - водоупор, 4) напорные воды.
Второй вариант предполагает размещение источника загрязнения в грунтовых водах или их площадное загрязнение. В этом случае последовательность изучения уменьшается и
включает следующие объекты: 1) грунтовые воды, 2) раздельный защитный слой - водоупор, 3) напорные воды. Этот вариант представляет собой частный случай первого варианта.
Рассмотрим первый вариант оценки защищенности и уязвимости подземных вод, включая грунтовые и напорные воды, к загрязнению по объектам.
Защитная зона, обеспечивающая сохранность грунтовых вод от загрязнения. Защитная зона - это зона, отделяющая подземные воды от поверхностного загрязнения и имеющая двухуровневое строение: почвы и породы зоны аэрации. Защищенность - способность защитной зоны препятствовать проникновению загрязнения в подземные воды в течение определенного времени. Отношение реальной техногенной нагрузки изучаемой территории к естественной защищенности подземных вод называется их уязвимостью к загрязнению. Природный защитный потенциал - способность геологической среды (почв и пород зоны аэрации) удерживать загрязнение в защитной зоне, зависящий от литологических, фильтрационных и сорбционных свойств почв и пород (Белоусова, 2001, 2003, 2005, 2012, 2019; Белоусова и др., 2006, 2019; Белоусова, Руденко, 2020; Руденко, Белоусова, 2021а).
Вещество считается загрязняющим, если его концентрации превышают фоновые значения. Следовательно, при оценке защищенности мы будем учитывать особенности строения защитной зоны, отделяющей грунтовые воды от поверхностного загрязнения, и процессы, происходящие в ней под влиянием загрязнения.
Оценка защищенности грунтовых вод осуществляется для предельных условий, когда предполагается, что загрязнение данными веществами распространяется на всю исследуемую территорию вне зависимости от интенсивности.
В случае попадания радионуклидов на поверхность земли в качестве защитной зоны (буфера) более высокого порядка выступают почвы, способные связать большое количество радионуклидов. Зона, защищающая подземные воды от радиоактивного загрязнения, имеет двухуровневое строение: первый - почвы, второй - породы зоны аэрации.
При построении карты защитной зоны (Белоусова, 2001, 2003, 2005, 2012, 2019; Белоусова и др., 2006, 2019; Белоусова, Руденко, 2020; Руденко, Белоусова, 2021а) первый уровень защитной зоны отражается на почвенной карте (Государственная почвенная карта СССР, 1953), на которой показан тип почв и их механический состав. Строение второго уровня защитной зоны характеризуется картой глубин залегания грунтовых вод (Гидрогеологическая карта СССР, 1972-1976) и картой литологического строения зоны аэрации. Для характеристики второго уровня использовались изданные карты четвертичных отложений (Геологическая карта СССР, 1976-1980), на которых обобщены сведения о литологии, водно-физических и фильтрационных свойствах пород зоны аэрации по всем генерализованным литолого-генетическим комплексам. По характеру сложения защитной зоны в ее разрезе выделяется три типа литологического строения: одно-, двух- и трехслойное.
Следующий этап построения карты защитной зоны - установление категорий для характеристики природного потенциала защитной зоны и ее способности защитить грунтовые воды от загрязнения любого типа (радионуклидами, тяжелыми металлами, нитратами и др.). По соотношению литологического строения первого и второго уровней защитной зоны и глубине залегания грунтовых вод на качественном уровне были установлены следующие категории защитного потенциала защитной зоны: чрезвычайно слабый, слабый, средний и высокий. По характеру сложения зоны аэрации в ее разрезе выделяется три типа литологического строения: одно-, двух- и трехслойное (табл. 1).
Карта защитной зоны (рис. 1) получается путем наложения почвенной карты, отображающей строение первого уровня защитной зоны, и карты - строения второго уровня защитной зоны (глубин залегания грунтовых вод и литологического строения зоны аэрации).
Таблица 1. Экспликация к карте защитной зоны. Table 1. Explication to the map of the protective zone.
Тип и литологическое строение почв (вес) Глубина залегания
Аллювиальные, Подзолистые Лесные
переслаивание песков, супесей, суглинков (1)
Песчаные (2) Супесчаные (3) Суглинки (4) суглинистые (5) грунтовых вод, м (вес)
1-2-4 47-4-8
2-2/4-8 0-1 (1)
3-4/2-8
4-4-6
5-2-6 35-2/4-11 57-2-8 73-2-9 1-3 (2)
6-2-6 36-2/4-11 60-2/3-11 74-3-10
7-2-7 32-2/4-12 58-2-9 75-3-11 3-5 (3)
8-2-7 37-2/4-12 59-2-9 76-3-11
9-2-8 33-2-9 62-2/3-13 5-10 (4)
10-2-8
11-2/3-9 48-4-9 63-2/4-12 77-4-11 1-3 (2)
12-2/4-10 49-4-9 64-2/4/1-12 77а-4-10
13-2/4-11 38-2/4-12 31-2/3-12 78-4-11 3-5 (3)
14-2/4-13 45-2/5-13 66-3-10 79-4-12
15-2/5-11 39-2/4/2-13** 67-4/2-12 1-3 (2)
16-2/5-12 40-2/4/2-14 80-4-12 3-5 (3)
17-4/2-10 41-2/4/2/1-14 1-3 (2)
18-4/2-11 46-4/3-13 68-4-11 81-1-10 3-5 (3)
19-4/2-11 50-4-10
20-4/3-13 51-4-11 69-4-12 5-10 (4)
21-4-8* 42-2/1/2-10 1-3 (2)
22-4-9 54-1-7 3-5 (3)
23-4-10 70-4-12 5-10 (4)
24-4-11 10-25 (6)
25-1-5 43-2/5-12 1-3 (2)
26-1-6 56-5-11 3-5 (3)
27-1-7 5-10 (4)
28-1-8 34-2-10 71-4-13 10-15 (5)
29-1-6 3-5 (3)
30-2-5 44-2/5-12 72-1-7 1-3 (2)
31-2-7 3-5 (3)
52-4-12 10-15 (5)
53-1-6 1-3 (1)
55-5-10 1-3 (1)
65-2/4/1-17 >15 (6)
Примечания к таблице 1: 21-4-8* - первая цифра означает номер типового участка, вторая - литологическое строение зоны аэрации (однослойные, суглинки), третья -
суммарное значение весов (баллов), состоящее из 3 составляющих: типа и литологического состава почв, глубины залегания грунтовых вод и литологического строения зоны аэрации; 39-2/4/2-13** - второе цифровое значение представляет трехслойное строение зоны аэрации (пески, суглинки, пески), существуют также двухслойное и четырехслойное; весовые значения литологических разностей пород зоны аэрации: трепел, опоки, мел известняки - (1), пески - (2), супеси - (3), суглинки - (4), глины - (5); потенциал защитной зоны: слабый (4-8), средний (9-13), высокий (14-17).
Г9
V VMUJliiJ &▲ м '- я Л
Ш» «
9 it/
¿1
' »J
Mgt.. 1
La *, 1 I4^
а. • •
Условные обозначения
Потенциал защитной зоны (в весах)
3 слабый (14-17) средним (9-13) высоким (4-8)
Рис. 1. Картосхема защитной зоны юга Калужской области. Условные обозначения: цифры -номера типовых участков. Fig. 1. Schematic map of the protective zone in the south of the Kaluga region (numbers on the map are model sites).
На карте выделяются типовые участки, характеризующиеся определенным строением первого и второго уровней защитной зоны и глубиной залегания грунтовых вод. Описание этих типовых участков приведены в легенде к карте (табл. 1). В связи со сложным литологическим строением защитной зоны (до четырехслойного) для того, чтобы установить потенциал защитной зоны, был использован «весовой» метод оценки всех ее составляющих с присвоением им весовых значений от самых малых для характеристики слабых защитных свойств (например: песчаные почвы, пески зоны аэрации, малые глубины залегания грунтовых вод) до высоких защитных свойств (почвы с высоким содержанием гумуса, глины и большие глубины залегания грунтовых вод) с последующим суммированием всех взвешенных показателей (строения почв, послойным строением зоны аэрации и глубины залегания грунтовых вод) для всех типовых участков (табл. 1). Потенциал защитной зоны установлен по следующим весовым интервалам: слабый - 4-8, средний - 9-13, высокий - 1417 (Белоусова, Руденко, 2020).
На карте защитной зоны (рис. 1) площади со слабым защитным потенциалом приурочены к долинам рек в зоне радиоактивного следа на территории Калужской области.
Водосборные пространства характеризуются средним защитным потенциалом, и только локальные участки на юго-западе, западе и северо-западе отличаются сильным потенциалом.
Карта защитной зоны является базовой для построения карт защищенности и уязвимости грунтовых вод к любым загрязняющим веществам.
Грунтовые воды как приемник загрязнения
Основными радионуклидами в выпадениях в зоне радиоактивного следа на территории Калужской области являются 137Cs и 9^г.
При оценке возможности загрязнения грунтовых вод радионуклидами учитываются сорбционные свойства, обеспечивающие задержание радионуклидов почвами и породами зоны аэрации; ограничение интенсивности продвижения (вплоть до полного задержания) с инфильтрационным потоком до грунтовых вод; миграционные свойства почв и пород зоны аэрации, зависящие от физико-механических, водно-физических, фильтрационных свойств и их минералогического состава и характеризующие интенсивность продвижения фронта загрязненных инфильтрующихся вод вглубь зоны аэрации до грунтовых вод; путь фильтрации (инфильтрации), т.е. мощность зоны аэрации или глубина залегания грунтовых вод; период полураспада радионуклидов.
Защищенность грунтовых вод от любого загрязняющего вещества зависит от времени достижения фронтом загрязненных инфильтрационных вод водоносного горизонта (4). Время прохождения растворенным в воде радионуклидом толщи почв и пород зоны аэрации мощностью М с заполнением их сорбционной емкости и последующим достижением грунтовых вод можно определить с помощью уравнения (Белоусова, Руденко, 2020):
МЭп МЭд К = — + —^ ; (1), о W
где вп, - полная влагоёмкость (в долях единицы); д, кг/дм3 - объемная масса скелета грунта, Кр, л/кг - коэффициент распределения; о, м/сут - скорость просачивания инфильтрационного потока (Биндеман, 1963):
о = ^з^кф (2),
где в - естественная влажность пород (в долях единицы), W - инфильтрационное питание (м/сут); кф - коэффициент фильтрации (м/сут).
Самые токсичные из долгоживущих радионуклидов - 9^г и 137Cs, поэтому оценка защищенности должна проводиться отдельно по каждому из них.
Шкалу категорий естественной защищенности грунтовых вод от загрязнения целесообразно строить в зависимости от Т - периода полураспада радионуклида. В этом случае выделяются следующие категории:
незащищенные грунтовые воды: tз < Т, tз < 30 лет; слабо защищенные: Т < tз < 2Т, 30 лет < t < 60 лет; средне защищенные: 2Т < tз < 3Т, 60 лет < t < 100 лет; условно защищенные: tз > 3Т, tз > 100 лет, 100 лет < t < 300 лет; защищенные: tз > 10Т, tз >300 лет.
Выделение категорий по времени продвижения загрязняющего вещества через защитную зону по существу является приближенной прогнозной оценкой процесса загрязнения грунтовых вод, в данном случае - радионуклидами.
Оценка защищенности вод от загрязнения радионуклидами строилась по методике, изложенной в наших работах (Белоусова, 2001, 2003, 2005, 2012, 2019; Белоусова и др., 2006; Белоусова, Руденко, 2020), отдельно для радионуклидов 9^г и 137Cs. Для каждого из 81
типового участка, выделенного на карте защитной зоны (рис. 1) по формуле (1) с учетом строения каждого участка (табл. 1) и особенностей строения защитной зоны и параметров сорбции, рассчитывалось время миграции радионуклидов через защитную зону в грунтовые воды (табл. 2).
Таблица 2. Время проникновения радионуклидов 90Sr и 137Cs в грунтовые воды. Table 2. Penetration time of 90Sr and 137Cs radionuclides into groundwater.
№ участка Время ts
ts (нейтр) ЗВ (год) Радионуклиды
ts 90Sr (год) I ts 90Sr (год) ts 137Cs (год) Its 137Cs (год)
1 2 3 4 5 6
1 0.01 3.7 3.71 21.3 21.31
2 0.05 8.5 8.55 40.1 40.15
3 0.05 8.49 8.54 40.06 40.11
4 0.07 10.35 10.42 43.99 44.06
5 0.4 8.21 8.61 76.5 76.9
6 0.4 8.21 8.61 76.5 76.9
7 0.07 15.5 15.58 149 149.08
8 0.07 15.5 15.58 149 149.08
9 0.14 28.16 28.3 275.99 276.13
10 0.14 28.16 28.3 275.99 276.13
11 0.07 8.74 8.81 119.81 119.88
12 0.23 28.2 28.43 144.45 144.68
13 0.48 57.6 58.08 292.5 292.98
14 0.27 34.7 34.97 195.5 195.77
15 0.34 49.1 49.44 176.3 176.64
16 0.72 101.8 102.52 359.8 360.52
17 0.23 101.0 102.52 144.45 144.68
18 0.48 33.1 33.58 292.5 292.98
19 0.48 33.1 33.58 292.5 292.98
20 0.27 109.76 110.03 717.62 717.89
21 0.42 48.1 48.52 212.43 212.85
22 0.87 99.7 100.58 436.05 436.93
23 0.3 35.22 35.52 156.53 156.83
24 3.98 420.67 424.65 1826.81 1830.79
25 0.12 155.1 155.22 379.4 379.52
26 0.25 325.6 788.5 325.85 788.75
27 0.48 623.9 624.38 1504.51 1504.99
28 1.13 1476.23 1477.39 3550.2 3551.33
29 0.25 325.6 325.85 788.5 788.75
30 0.04 8.21 8.25 76.5 76.55
31 0.08 15.5 15.58 149 149.08
32 0.08 15.54 15.62 155.4 155.48
Продолжение таблицы 2.
1 2 3 4 5 б
33 0.15 2В.23 2В.3В 2В2.34 2В2.49
34 0.24 46.4 46.64 463.73 463.97
35 0.23 2В.24 2В.47 150.В1 151.04
36 0.23 2В.24 2В.47 150.В1 151.04
37 0.4В 57.7 5В.1В 29В.9 299.3В
3В 0.4В 57.7 5В.1В 29В.9 299.3В
39 0.17 21.6 21.77 12В.15 12В.32
40 0.36 44.7 45.06 257.2 257.56
41 0.1 29.76 29.В6 13В.В5 13В.95
42 0.07 57.2 57.27 1В3.В 1В3.В7
43 0.3 49.11 49.41 176.32 176.62
44 0.3 49.2 49.5 1В2.7 1В3
45 0.63 101.9 102.53 366.2 366.В3
46 0.55 5В.В 59.35 390.4 390.95
47 0.2 22.4 22.6 106.9В 107.1В
4В 0.4 4В.2 4В.6 21В.В 219.2
49 0.4 4В.2 4В.6 21В.В 219.2
50 0.ВВ 99.В 100.6В 442.4 443.2В
51 1.7 190.11 191.В1 В33.74 В35.44
52 2.В 319.1 321.9 1392.В 1395.6
53 0.13 155.2 155.33 3В5.75 3В5.ВВ
54 0.26 325.65 325.91 794.9 795.16
55 0.6 90.1 90.7 2В2.52 2В3.12
56 1.2 1ВВ.2 1В9.4 2105В5 2105В6.2
57 0.0В В.6 В.6В В6 В6.0В
5В 0.12 15.В5 15.97 15В.55 15В.67
59 0.12 15.В5 15.97 15В.55 15В.67
60 0.12 9.13 9.25 129.3 129.42
61 0.19 16.9В 17.17 250.03 250.22
62 0.31 30.3 30.61 455.22 455.53
63 0.27 2В.56 2В.В9 153.9В 154.25
64 0.24 70.В7 71.11 232.2 232.54
65 1.62 573.33 574.95 17В3.96 17В5.5В
66 0.26 1В.11 1В.37 341.5 341.76
67 0.27 2В.56 2В.В9 153.9В 154.25
6В 0.92 100.12 101.04 445.6 446.52
69 0.5В 61.4 61.9В 277.9 277.4В
70 1.72 190.4 192.12 В36.91 В3В.63
71 2.9 319.44 322.34 1395.95 139В.24
72 0.165 155.5 155.665 3ВВ.92 3В9.09
73 0.11 10.В 10.91 90.9 91.01
Продолжение таблицы 2.
1 2 3 4 5 6
74 0.17 11.9 12.07 177.5 177.67
75 0.28 20.3 20.58 346.4 346.68
76 0.39 28.7 29.09 515.2 515.59
77 0.49 50.7 51.19 226.8 227.19
77а 0.46 48.44 48.9 221.95 222.41
78 0.49 50.7 51.19 226.8 227.19
79 0.95 102.3 103.25 450.45 451.35
80 0.95 102.3 103.25 450.45 451.35
81 0.55 626.5 627.05 920.54 921.09
Карты защищенности грунтовых вод от загрязнения 9^г (рис. 2а) и 137Cs (рис. 2в) строятся на основе карты защитной зоны. Их сравнение показывает, что для грунтовых вод наиболее опасен 9^г, т.к. загрязнение им может охватить в короткий период (<5 лет) большие участки водоносного горизонта.
Рис. 2. Картосхемы защищенности грунтовых вод от 90Sr (а) и от 137Cs (б) для юга Калужской области. Fig. 2. Schematic maps of groundwater protection from 90Sr (a) and 137Cs (b) in the south of the Kaluga region.
Анализ карты защищенности грунтовых вод от загрязнения 90Sr показывает (рис. 2а), что около 50% территории не защищены от загрязнения 90Sr, 20% - слабо защищены, еще 20% (в основном на севере) - условно защищены, и по 5% защищены или защищены средне.
Иная ситуация складывается при загрязнении 137Cs (рис. 2в): незащищенные грунтовые воды приурочены только к узкой полосе вдоль русел рек, слабо защищенные - к долинам нескольких малых рек на северо-западе, средне защищенные - к высоким террасам рек, условно защищенные примыкают к водосборам, а условно защищенные и защищенные преобладают.
Таким образом, оценка времени продвижения радионуклидов через защитную зону позволяет дать приближенную прогнозную оценку процесса загрязнения грунтовых вод этим чрезвычайно опасным веществом.
Отношение реальной техногенной нагрузки изучаемой территории к защищенности грунтовых вод мы будем называть уязвимостью грунтовых вод к загрязнению.
Карта уязвимости грунтовых вод по 137Cs строится на основе карты техногенной нагрузки по 137Cs (рис. 3а; Карта радиоактивного ..., 1995) - распределение загрязнения поверхности земли 137Cs и карты защищенности грунтовых вод 137Cs (рис. 2в). Данных по другим радионуклидам нет.
• m
Рис. 3. Картосхемы техногенной нагрузки плотности поверхностного выпадения 137Cs (а) и уязвимости грунтовых вод (б) к загрязнению 137Cs после аварии на ЧАЭС. Fig. 3. Schematic maps of technogenic load of the density of 137Cs surface fallout (a) and groundwater vulnerability to 137Cs contamination (b) after the Chernobyl Accident.
Выделены следующие категории уязвимости грунтовых вод по 137Cs: катастрофически уязвимые, очень сильно уязвимые, сильно уязвимые, уязвимые, слабо уязвимые, условно неуязвимые, неуязвимые. Выделение последней категории условно, т.к. за счет движения фильтрационного потока из областей, где распространены уязвимые грунтовые воды, загрязнение может достигнуть областей с первоначально неуязвимыми водами.
На рисунке 3 а показана техногенная нагрузка (плотность поверхностного выпадения 137Cs) после аварии на ЧАЭС.
На рисунке 3 в и таблицах 3 и 4 показана степень уязвимости грунтовых вод к загрязнению 137Cs в зоне радиоактивного следа сразу после аварии на ЧАЭС: очень сильно уязвимые грунтовые воды сосредоточены на отдельных участках в среднем течении реки Рессета, сильно уязвимые - в долинах рек в центральной части следа, средне уязвимые - по долинам рек, притоков, оврагов и на востоке у реки Вытебеть, слабо уязвимые - по водосборам рек, очень слабо уязвимые - по периферии следа, неуязвимые -на высоких террасах рек и частично на водосборах рек.
Рассмотренный подход к построению карт естественной защищенности грунтовых вод от радиоактивного загрязнения может быть использован при составлении аналогичных карт по оценке загрязнения другими высокотоксичными и слаботоксичными загрязняющими веществами.
Таблица 3. Степень уязвимости грунтовых вод к загрязнению 137Cs после аварии на ЧАЭС. Table 3. Degree of groundwater vulnerability to 137Cs pollution: after the Chernobyl accident (210 - weighted values of vulnerability degree).
Техногенная нагрузка
Защищённость Концентрация Cs (Ku/км2) на поверхности земли (вес)
(вес) > 10 8-10 6-8 4-6 2-4 1-2 < 1
(6) (5) (4) (3) (2) (1) (0)
(4) Незащищённые Тз< 30 лет 10* 9 8 7 6 5 ы %
(3) Слабо защищённые 30< Тз< 60 лет 9 8 7 6 5 4 к и СО я
(2) Средне защищённые 60 < Тз< 100 лет 8 7 6 5 4 3 О К в о
(1) Условно защищённые 100 < Тз<300 лет 7 6 5 4 3 2 ч с >
(0) Защищённые Т3>300 лет Неуязвимые
Примечания к таблице 3: 2-10* - весовые значения степени уязвимости.
Таблица 4. Степень уязвимости ГВ к загрязнению 137Cs. Table 4. Degree of groundwater vulnerability to 137Cs contamination.
Степень уязвимости Вес Цвет
Незагрязнённые
Неуязвимые T3>300 лет
Условно уязвимые < 1
Очень слабо уязвимые 2-1
Слабо уязвимые 4-3
Средне уязвимые 6-5
Сильно уязвимые 8-7
Очень сильно уязвимые 10-9
Методика оценки защищенности подземных (напорных) вод от загрязнения
На данном этапе исследований рассматриваются подходы к оценке защищенности и уязвимости подземных напорных вод к загрязнению, что также важно для оценки экологической ситуации с питьевыми подземными водами, которые, как правило, сосредоточены в напорных водоносных горизонтах, залегающих ниже горизонтов грунтовых вод.
Оценка защищенности напорных подземных вод от загрязнения имеет свои особенности по сравнению с аналогичной оценкой для грунтовых вод. Основное отличие состоит в определении защитной зоны напорных вод, которая также состоит из двух уровней:
1) первый - собственно грунтовые воды (или другие напорные водоносные горизонты, залегающие выше изучаемого напорного горизонта), которые имеют двойное воздействие на
напорные воды: они могут являться источником загрязнения напорного водоносного горизонта, если они разгружаются (перетекают) в нижезалегающий напорный водоносный горизонт, или они являются областью защиты напорных вод, если в них разгружаются (перетекают) нижезалегающие напорные воды;
- второй - водоупорная толща (водоупор), отделяющий горизонт напорных вод от горизонта грунтовых вод.
Защитная зона - это зона, отделяющая напорные подземные воды от загрязнения, поступающего из вышезалегающего водоносного горизонта, и имеющая двухуровенное строение: вышезалегающий водоносный горизонт и водоупор, разделяющий эти водоносные горизонты.
Защищенность - способность защитной зоны препятствовать проникновению загрязнения в подземные напорные воды из вышезалегающего водоносного горизонта в течение определенного времени.
Природный защитный потенциал - способность геологической среды удерживать загрязнение в защитной зоне, зависящий от литологических, фильтрационных гидродинамических и сорбционных свойств пород.
Среднемасштабная оценка защищенности напорных подземных вод от загрязнения
Оценка защищенности напорных подземных вод, залегающих ниже горизонта грунтовых вод, проводилась на территории Калужской области в зоне радиоактивного следа от аварии на ЧАЭС в масштабе 1:200000.
Характеристика гидрогеологических условий показывает, что безнапорные водоносные горизонты - грунтовые воды и напорные водоносные горизонты пресных подземных вод -разделены выдержанным по площади верхнеюрским водоупором.
Защитная зона напорных вод и её картографирование. Для построения карты защитной зоны необходимо исследовать ее первый уровень с точки зрения оценки степени влияния грунтового водоносного комплекса на возможность загрязнения напорного водоносного комплекса через него. Степень этого влияния оценивается величиной водопроводимости (кт) или способности профильтровать через себя загрязненные воды и разностью уровней первого и второго водоносного комплексов (Н1 - Н2), обеспечивающей интенсивность и направленность перетекания между этими комплексами.
Второй уровень защитной зоны характеризуется параметрами водоупора: коэффициентом фильтрации (кф) и мощностью (то). В связи с тем, что нет подробных сведений о литологическом строении водоупора (раздельного слоя), коэффициент его фильтрации задавался постоянным для всей толщи, а его значения изменялись только для различных расчетных сценариев.
Таким образом, для оценки защитного потенциала использовались три показателя: кт, кф и то (табл. 5).
Оценка проводилась следующим образом: каждому показателю присваивалось весовое значение в порядке увеличения в зависимости от степени ухудшения защитных свойств (увеличение значения кт приводит к ухудшению защитных свойств, т.е. загрязненные воды интенсивнее профильтруются внутри грунтового потока и быстрее достигнут водоупора, поэтому весовое значение по мере ухудшения защитных свойств увеличивается; аналогичная ситуация и с разностью уровней (Н1 - Н2); весовое значение то, наоборот, увеличивается при уменьшении мощности водоупора), затем производится суммирование весовых значений трех показателей и устанавливается потенциал ЗЗ (защитной зоны): высокий (весовое значение - 0-5), средний (5-10), слабый (10-15), очень слабый (15-18), очень высокий (эта категория вводится дополнительно для области, где грунтовые воды не являются
источником загрязнения напорных вод, где их уровень залегает ниже пьезометрического уровня напорных вод).
Таблица 5. Потенциал защитной зоны. Table 5. Potential of the protective zone.
km (м2/сут) [5] - весовое значение mo - мощность водоупора (м) [3] - весовое значение Н1 - Н2 - разница в уровнях первого и второго водоносных комплексов (м) [5] - весовое значение
10-30 [1] 0-10 [3] 0.0 [6]
0-10 [1] 3 5 8 1-10 [1]
10-20 [2] 5 7 10 10-20 [2]
20-50 [3] 7 9 12 20-40 [3]
50-100 [4] 9 11 14 40-60 [4]
100-500 [5] 11 13 16 > 60 [5]
500-1000 [6] 13 15 18 0.0 [6]
Условные обозначения:
- высокий потенциал защитной зоны (весовое значение: 0-5)_
- средний (5-10)_
- слабый (10-15)_
- очень слабый (15-18)_
- очень высокий - область, где грунтовые воды не являются источником загрязнения напорных вод, где их уровень залегает ниже пьезометрического уровня напорных вод
Результаты оценки потенциала защитной зоны приведены в таблице 5.
На схематической карте защитной зоны (рис. 4) выделяются типовые участки с различным строением защитной зоны по трем показателям и по величине защитного потенциала (табл. 5), описание которых приведено в экспликации к карте (табл. 6).
На схематической карте защитной зоны (рис. 4) видно, что в долинах рек Болвы, Рессеты и Жиздры распространены территории с очень слабым защитным потенциалом, где напорные и грунтовые воды не разделены водоупором. Они представляют собой единый водоносный комплекс; на незначительных территориях пьезометрический уровень напорного водоносного комплекса несильно превышает уровень грунтового водоносного комплекса, что определяет отсутствие перетекания загрязненных грунтовых вод в напорные. На большей части территории отмечается средний защитный потенциал защитной зоны напорного водоносного комплекса, и только на незначительных участках распространен слабый и высокий защитный потенциалы.
Подземные напорные воды и их защищенность от загрязнения. В связи с тем, что на изучаемой территории Калужской области в зоне радиоактивного следа основными загрязняющими веществами являются радионуклиды, оценка интенсивности миграции из грунтовых в напорные воды проводилась по двум радионуклидам - 9^г и 137Cs. Однако в нашем примере приведен только 137Cs (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б).
Расчет степени интенсивности миграции сильно сорбируемых загрязняющих веществ радионуклидов (табл. 7) проводился по уравнениям (1) и (2) со следующими параметрами, характерными для водоупорных пород, т.е. глин: 5 - объемный вес скелета грунта, равный 1.8 кг/дм3, (п) - пористость, равная 0.2. На рисунке 5 приведено время миграции загрязняющих веществ с Кр = 26 л/кг и Кр = 1000 л/кг, что соответствует интервалу значений коэффициента распределения для 137Cs. Максимальное время миграции 1080078 лет соответствует Кр = 1000 л/кг, W = 0.01 м/год и мощности водоупора, равной 30 м (рис. 5б);
минимальное время 3758 лет соответствует Кр = 26 л/кг, W = 0.025 м/год м мощности водоупора, равной 10 м (рис. 5в).
Рис. 4. Картосхема потенциала защитной зоны напорных подземных вод. Fig. 4. Schematic map of the pressure groundwater protectability zone.
Таблица 6. Экспликация к схематической карте потенциала защитной зоны напорных подземных вод. Table 6. Explication to the schematic map of the protective zone of pressure groundwater.
№ типового Весовые значения показателей (1) - номер ^сумма весовых Защитный
участка на показателя в оцифровке типового участка значений
карте mo km Hi - H2 показателей потенциал
1 2 3 4 5 6
1 6 6 6 18 очень слабый
2 6 3 6 15 очень слабый
3 6 5 6 17 очень слабый
4 6 4 6 16 очень слабый
5 1 4 2 7 средний
6 1 5 2 8 средний
7 1 3 4 8 средний
8 1 4 3 8 средний
9 1 5 3 9 средний
10 1 4 4 9 средний
11 1 4 5 10 слабый
12 1 4 2 7 средний
13 1 2 3 6 средний
14 1 3 2 6 средний
15 1 3 3 7 средний
16 1 1 3 5 высокий
17 1 1 4 6 средний
18 1 3 4 8 средний
19 1 5 5 11 слабый
20 1 3 5 9 слабый
21 1 5 4 10 слабый
22 1 2 3 6 средний
23 1 2 4 7 средний
24 1 2 5 8 средний
25 3 4 2 9 средний
26 3 5 2 10 слабый
27 3 3 2 8 средний
28 3 4 2 9 средний
29 3 4 6 13 слабый
30 3 2 2 7 средний
31 3 3 3 9 средний
32 3 4 4 11 средний
33 3 4 3 10 слабый
34 3 3 5 11 слабый
35 3 1 4 8 средний
36 3 6 2 11 слабый
37 3 6 6 15 очень слабый
38 1 5 0 (от -1 до -10) 6 очень высокий
Продолжение таблицы 6.
1 2 3 4 5 6
39 3 5 0 (от -1 до -10) 8 очень высокий
40 3 3 0 (от -1 до -10) 6 очень высокий
41 3 6 0 (от -1 до -10) 9 очень высокий
42 3 4 0 (от -1 до -10) 7 очень высокий
Таблица 7. Время проникновения сильно сорбируемых веществ, включая 90Sr и 137Cs, через раздельный слой (водоупор). Table 7. Time of penetration of strongly sorbed substances, including 90 Sr and 137 Cs, through a separate layer (aquiclude).
W (м/год) M (м) 90Sr 137Cs
Kp (л/кг) t3 (год) t„ (год) t3 + и (год) Kp (л/кг)р t3 (год) t„ (год) t3 + t„ (год)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.01 1 6 216 3 219 26 936 3 939
200 7200 3 7203 1000 36000 3 36003
0.025 1 6 86 1 87 26 374 1 375
200 2880 1 2881 1000 14400 1 14401
0.01 5 6 1080 13 1093 26 4680 13 4693
200 36000 13 36013 1000 180000 13 180013
0.025 5 6 432 7 439 26 1872 7 1879
200 14400 7 14407 1000 72000 7 72007
0.01 10 6 2160 26 2186 26 9360 26 9386
200 72000 26 72026 1000 360000 26 360026
30 6 6480 78 6558 26 28080 78 28158
200 216000 78 216078 1000 1080000 78 1080078
0.025 10 6 864 14 878 26 3744 14 3758
200 28800 14 28814 1000 144000 14 144014
30 6 2592 42 2634 26 11232 42 11274
200 86400 42 86442 1000 432000 42 432042
Если рассматривать экологическую ситуацию относительно миграции радионуклидов, учитывая тот факт, что по прошествии 10 периодов полураспада (около 300 лет) указанные радионуклиды распадутся практически полностью, то можно сказать, что на изучаемой территории оба радионуклида за период их жизни не проникнут в напорные воды. Однако, если мощность водоупора на территории будет меньше и достигнет 1.0 м, то только 9^г при Кр = 6 л/кг и W = 0.01 м/год достигнет напорных вод за 219 лет, а при Кр = 6 л/кг и W = 0.025 м/год - за 87 лет (рис. 5). Но другие загрязняющие вещества, имеющие коэффициенты, близкие к рассмотренным значениям, могут проникнуть в напорные воды в различные и необозримые сроки до нескольких миллионов лет, как это может быть с №, Кр которого составляет около 5500 л/кг.
Рис. 5. Картосхема времени проникновения сильно сорбируемых веществ (в т.ч. 137Cs) через раздельный слой (водоупор) при различных значениях W и Кр. Условные обозначения: а) W = 0.01 м/год, Кр = 26 л/кг; б) W = 0.01 м/год, Кр = 1000 л/кг; в) W = 0.025 м/год, Кр = 26 л/кг; г) W = 0.025 м/год, Кр = 1000 л/кг. Fig. 5. Schematic map of the penetration time of strongly sorbed substances, including 137Cs, through a separate layer (aquiclude): a) at W -0.01 m/year, Kp = 26 l/kg; b) at W - 0.01 m/year, Kp = 1000 l/kg; c) at W - 0.025 m/year, Kp = 26 l/kg; d) at W - 0.025 m/year, Kp = 1000 l/kg.
БЕЛОУСОВА, РУДЕНКО Результаты исследований и некоторые рекомендации
Поэтапная схема комплексной методики оценки защищенности уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению. Рассматривая схему этапов комплексной оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению, следует обратить внимание на его особенности и структуру. Как было отмечено выше, структура оценки зависит в первую очередь от источника загрязнения, от его расположения и конкретного (одного) загрязняющего вещества, относительно которого и оценивается степень защищенности подземных вод. В связи с этим рассматриваются два варианта структуры: I - источник загрязнения располагается на поверхности земли, в почве (рис. 6а); II - источником являются загрязненные подземные (грунтовые) воды (рис. 6б).
Рис. 6. Схема этапов работы по комплексной методике для оценки защищенности и уязвимости подземных вод к загрязнению: А - I вариант, Б - II вариант. Fig. 6. Scheme of the stages of a comprehensive methodology for assessing the protectability and vulnerability of groundwater to pollution: A - Option I, Б - Option II.
Рассмотрим этапы реализации I варианта оценки защищенности (рис. 6а).
1) Необходимо располагать картой, отражающей площадь загрязнения заданным загрязняющим веществом (слой 1а), в нашем случае - только радионуклидом 137Cs. При этом следует отметить, что интерес представляет только площадь его распространения в зоне радиоактивного следа на территории Калужской области, а не «количество - интенсивность» загрязнения.
2) Построение карты защитной зоны грунтовых вод (слой 2а), отражающей геолого-
гидрогеологическое строение почвенного покрова и зоны аэрации. Методика построения приведена выше и продемонстрирована на рисунке 1. Карта является базовой для дальнейших оценок.
3) Построение карты защищенности грунтовых вод от загрязнения данным веществом (слой 3 а), методика приведена выше и отражена на рисунке 2.
4) Карта уязвимости грунтовых вод по 137 Cs (рис. 3в) строиться на основе карты техногенной нагрузки по 137 Cs и карты защищенности грунтовых вод от загрязнения 137 Cs (рис.2в). Данным по другим радионуклидам нет. Методика построения приведена выше и показана на рисунке 3в. Для этого понадобились две карты: техногенной нагрузки (слой 1а), где показана интенсивность нагрузки - ее количественная характеристика (следует отметить, что такие сведения имеются только по радионуклиду 137Cs и приведены на рисунке 3 а), и карта защищенности (слой 2а), приведенная на рисунке 2в.
На этом завершается оценка защищенности и уязвимости грунтовых вод к загрязнению 137Cs. Теперь переходим к оценке защищенности и уязвимости напорных подземных вод к загрязнению этим ингредиентом. Площадь исследований напорных подземных вод была несколько уменьшена, чем площадь следа для грунтового потока, ограниченная реками Болва, Рессета и Жиздра, поскольку в дальнейшем она была использована для решения задач математического моделирования процессов загрязнения на данном объекте.
5) Построение карты защитной зоны напорных подземных вод (слой 5а). Методика построения приведена выше и показана на рисунке 4. Карта защитной зоны состоит из двух уровней: первый характеризует условия взаимодействия между грунтовым и напорным водоносными горизонтами; второй характеризует строение водоупора, разделяющего эти горизонты.
6) Построение карты защищенности напорных подземных вод от загрязнения 137Cs (слой 6а). Методика построения приведена выше и показана на рисунке 5. Она аналогична методике оценки защищенности грунтовых вод от загрязнения, при этом используются те же уравнения, что и для грунтового потока. Особенность построения такой карты связана с тем, что некоторые члены этого уравнения для напорных вод следует изменить. Таким членом является Ж - инфильтрационное питание грунтовых вод. Его следует заменить величиной перетекания из грунтовых вод в напорные или использовать данные режимных наблюдений за уровнями напорных вод, что бывает достаточно проблематично; в ином случае можно воспользоваться величинами в долях от инфильтрационного питания, что и показано рисунке 5. Кроме этого, как правило, отсутствуют данные о коэффициентах распределения сорбции (Кр) определенного загрязняющего вещества для конкретного изучаемого объекта, поэтому также использовались различные значения этого параметра по данным литературных источников, которые использовались в исследованиях ранее (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б).
7) Построение результирующей карты защищенности напорных подземных вод (слой 7а) от источника загрязнения, расположенного на поверхности земли, путем суммирования времен миграции загрязняющего вещества до грунтовых вод, а затем - до напорных. В данном случае построение такой карты для 137Cs не имеет смысла в связи с уже названными временами проникновения.
8) Завершающим этапом исследований по данному варианту является построение карты уязвимости напорных подземных вод к загрязнению (слой 8а) путем наложения двух карт: техногенной нагрузки (слой 1а - количественная составляющая нагрузки) и результирующей карты защищенности напорных вод (слой 7а). Такую карту для этого случая также не имеет смысла строить.
Второй вариант (рис. 6б) представляет собой укороченную структуру первого варианта за счет углубления источника загрязнения до кровли горизонта грунтовых вод. Он состоит из
следующих этапов.
1) Построение карты техногенной нагрузки - карты загрязнения грунтовых вод определенным загрязняющим веществом (137Cs), представляющей собой площадь распространения загрязнения и его интенсивность (слой 1б).
2) Построение карты защитной зоны (слой 2б) аналогично этапу 5 первого варианта.
3) Построение карты защищенности напорных подземных вод от данного загрязняющего вещества (слой 3б) аналогично этапу 6 первого варианта.
4) Построение карты уязвимости напорных вод к загрязнению данным веществом (слой 4б) аналогично этапу 4 первого варианта.
Особенности комплексной оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению. Рассмотренная схема этапов комплексной оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению по первому варианту исследований предназначена для любого типа загрязнения, а не только для данного случая. Поэтому для напорного водоносного горизонта проведена оценка защищенности подземных вод от загрязнения нейтральными, слабо и сильно сорбируемыми загрязняющими веществами, с вариациями коэффициентов распределения и величин питания (в соответствии с этапами 5 и 6 из первого варианта методики).
Если оценить данные о временах проникновения загрязняющих веществ (табл. 7, 8), то видно, что при Кр < 10 л/кг, характерного для слабо сорбируемых загрязняющих веществ, времена проникновения могут быть менее 300 лет, которые соответствуют 10 периодам полураспада основных радионуклидов в следе 9^г и 137Cs и являются граничными для оценки степени защищенности от них. В таком случае необходимо провести оценку защищенности и уязвимости по всем этапам первого варианта, а также второго варианта. Если ЗВ будет не радионуклид, а особенно, если это нейтральное ЗВ, то градации интенсивности техногенной нагрузки можно изменить относительно других ограничителей, например, времени эксплуатации водозабора. Но если рассматривать загрязнение сильно сорбируемым веществом с Кр > 10 л/кг, то можно пренебречь последними двумя этапами первого варианта, как это показано в нашем примере, а второй вариант пройти полностью и, если загрязняющее вещество - не радионуклид, также поменять градации техногенной нагрузки.
Относительно радионуклидов следует отметить, что времена проникновения рассчитываются с учетом времени их жизни, т.е. 300 лет для 9^г и 137Cs, а все, что больше, для них уже неправдоподобно. Также не учитывается изменение их поверхностных выпадений с каждым периодом полураспада, потому что расчет ведется на определенное время, в данном случае - на период после аварии на ЧАЭС. Но если оценивается загрязнение других ЗВ с высокими значениями Кр, то учитываются все времена, превышающие 300 лет.
Все выше перечисленные оценки проводились модельно-картографическим методом; расчеты и картирование выполнены аналитическим методом по предложенным нами уравнению и методике (Белоусова, 2001, 2003, 2005, 2012, 2019; Белоусова и др., 2006, 2019; Белоусова, Руденко, 2020; Белоусова, Руденко, 2021). Для оценки адекватности полученных расчетных и картографических результатов было дополнительно проведено математическое моделирование процессов миграции различных загрязняющих веществ от слабо до сильно сорбируемых радиоактивных и нерадиоактивных с использованием модели MT3D (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б). Моделирование проводилось в рамках второго варианта (рис. 6б) по различным сценариям, а не по реальным условиям, данные о которых отсутствуют. Сравнивая характеристики результатов моделирования процессов миграции загрязняющих веществ по различным сценариям их развития, можно отметить следующее.
Для сильно сорбируемых ЗВ к 300-летнему сроку характерно значительное уменьшение их концентраций в первом слое (грунтовые воды) и, соответственно, накопление ЗВ в
водоупоре, тогда как в третьем слое формируются две линзы.
Для сильно сорбируемых ЗВ с радиоактивным распадом все иначе: к 300-летнему сроку в грунтовых водах и водоупоре остаются следы ЗВ, а в напорных водах отмечаются следы ЗВ с концентрацией 0.027 - 3-10"20 ПДК.
Таблица 8. Время проникновения слабо сорбируемого вещества через раздельный слой (водоупор). Table 8. Penetration time of a weakly sorbed substance through a separate layer (aquiclude).
W (M/rog) M (м) Kp (л/кг) t3 (год) -второй член (3) tH (год) -первый член (3) t3 + tH (год)
0.01 1 0.5 18 3 21
0.025 1 0.5 7 1 8
0.01 5 0.5 90 3 93
0.025 5 0.5 36 1 37
0.01 10 0.5 180 26 206
0.025 10 0.5 70 26 96
0.01 30 0.5 540 78 618
0.025 30 0.5 210 78 288
0.01 1 1 36 3 39
0.025 1 1 14 1 15
0.01 5 1 180 13 193
0.025 5 1 70 7 77
0.01 10 1 360 26 386
0.025 10 1 140 26 166
0.01 30 1 1080 78 1158
0.025 30 1 420 78 498
0.01 1 3 108 3 111
0.025 1 3 42 1 43
0.01 5 3 540 13 553
0.025 5 3 210 7 217
0.01 10 3 1080 26 1106
0.025 10 3 420 26 496
0.01 30 3 3200 78 3278
0.025 30 3 1216 78 1294
Слабо сорбируемые ЗВ мигрируют значительно интенсивнее, и к 300 году в грунтовых водах остается лишь незначительное количество - в пределах 0-2.0 ПДК, а в водоупоре накапливается практически идентичное количество, как и в грунтовых водах, тогда как в напорных водах формируется линза загрязненных вод.
Главными факторами формирования процессов миграции ЗВ являются, во-первых, радиоактивный распад ЗВ; во-вторых, сорбционные свойства ЗВ (чем больше Кр, тем медленнее оно проникнет в напорные подземные воды, но фактор времени уменьшает шансы напорных вод остаться незагрязненными); а в-третьих, гидродисперсия потоков подземных вод, которая в свою очередь зависит от геолого-гидрогеологических условий изучаемой территории.
Таким образом, роль водоупора очень велика при миграции ЗВ из грунтовых вод в напорные. Он достаточно надежно защищает напорные воды от поверхностного загрязнения и загрязненных грунтовых вод, но, с другой стороны, является потенциальным источником загрязнения напорных подземных вод.
Полученные данные по модельно-картографическому методу (табл. 7) не противоречат данным моделирования (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б), хотя и разнятся по характеру: по первому методу это время проникновения ЗВ, а по второму - концентрация ЗВ. По данным о миграции сильно сорбируемых ЗВ с распадом, в третьем слое - напорных подземных водах, - концентрации ЗВ превышают все возможные величины и составляют 0.027 - 3»10"20 ПДК (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б), а время миграции также
чрезвычайно велико - более 300 лет, что свидетельствует о том, что за время жизни радионуклида (300 лет) напорные воды не будут им загрязнены (Белоусова, Руденко, 2021а, 2021б).
Комплексная оценка защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод позволяет делать предварительные прогнозные расчеты изменения экологической ситуации в грунтовых и напорных водах на заданные моменты и промежутки времени в зависимости от решаемых задач, например, для загрязнения радионуклидами до 300 лет с шагом в 30 лет (для других ЗВ эти временные показатели могут меняться). Кроме того, такая оценка может давать предварительные прогнозы по изменению экологической ситуации при изменении климата. За климат в данной методике отвечает только один климатический параметр -среднегодовое количество атмосферных осадков, оказывающее влияние на такой гидрогеологический параметр, как Ж (инфильтрационное питание), и на связанное с ним перетекание подземных вод из одного водоносного горизонта в другой.
Эту проблему можно решить с использованием разработанного нами унифицированного метода оценки защищенности подземных вод от загрязнения (Белоусова, Руденко, 2018), который позволяет производить большое количество оценок защищенности при различных величинах инфильтрационного питания, значений коэффициентов распределения сорбции или сразу изменяя эти две величины. Таким образом, можно рассматривать множество сценариев изменения климата и давать предварительную прогнозную оценку изменения экологической ситуации в подземных водах при загрязнении их различными загрязняющими веществами. При современных ГИС-технологиях не составит большого труда получить большое количества карт защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод в условиях изменения климата и химического состава загрязнителей.
Некоторые рекомендации по использованию комплексной методики оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению. Разработанная комплексная методика оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению по сути своей является методикой предварительного прогноза изменения экологической ситуации в подземных водах грунтовых и напорных. В связи с этим можно дать некоторые рекомендации по ее использованию.
Во-первых, она может использоваться в практике повседневных стандартных гидрогеологических исследований объектов и территорий, где возможно загрязнение подземных вод, включая радиоактивный след от аварии на ЧАЭС.
Во-вторых, её целесообразно использовать на предпроектных стадиях при проектировании объектов, которые могут нести опасность загрязнения окружающей среды, таких как атомные станции, предприятия химической, тяжелой, нефтяной и других отраслей промышленного и сельского хозяйства.
В-четвертых, ее нужно использовать при проектировании водозаборов пресных подземных вод.
В-пятых, она также необходима для проектирования структуры мониторинга за
подземными водами на всех названных объектах.
При этом научно-практическая отдача от этой методики значительно увеличивается от применения ее в унифицированном варианте. Особенно это важно при современных изменениях климата, прогнозы которых не отличаются высокой достоверностью в настоящее время. Использование методики позволяет заранее оценить и построить значительное количество карт защищенности и уязвимости подземных вод к загрязнению для различных сценариев климата (при изменениях Ж) и условий загрязнения (при различных Кр) и обоих показателей одновременно. А затем из многочисленных карт (альбома) можно выбрать варианты, наиболее подходящие для текущего года по условиям среднегодовых осадков на изучаемой территории и конкретного загрязняющего вещества. Все это позволит увеличить оперативность проведения экологических защитных мероприятий в случае возникновения чрезвычайных ситуаций на объекте изучения или наблюдения.
Выводы
Разработанная комплексная методика оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод, структура которой состоит из двух вариантов: первый соответствует условиям, когда источник загрязнения находится на поверхности земли; второй - источник содержится в грунтовых водах, они загрязнены. Методика характеризуется рядом преимуществ и может иметь достаточно широкое применение в практике эколого-гидрогеологических исследований и отличается своими особенностями:
1) Ранее разработанная методика может практически полностью использоваться и для напорных подземных вод в рамках их объединенной версии - комплексной методики за исключением некоторых особенностей: отличий в построении карт защитной зоны и ограничений при построении результирующей карты и соответствующей карты уязвимости по первому варианту (рис. 3а) для радиоактивных веществ с Кр > 6 л/кг, так как при больших значениях напорные воды на всей территории полностью защищены от загрязнения за период жизни этого радионуклида 137Cs. Кроме этого исследовались свойства водоупора, разделяющего эти горизонты. Выяснено, что в зависимости от литологического строения, характера загрязнения он может быть непроницаемым, слабопроницаемым и даже достаточно проницаемым для загрязнителей, а также быть потенциальным источником загрязнения для напорных вод.
2) Комплексная методика может применяться для случая загрязнения всеми ЗВ от нейтральных, слабо и сильно сорбируемых ЗВ с радиоактивным распадом и без него.
3) Эффективность этой методики увеличивается при использовании ее унифицированного варианта, особенно при решении экологических проблем в условиях изменения климата и при загрязнении подземных вод различными ЗВ.
4) Методика является предварительным прогнозом изменения экологической ситуации на изучаемых объектах, особенно для нашего - в зоне радиоактивного следа от аварии на ЧАЭС, когда теоретически известно, что с каждым периодом полураспада радионуклида (137Cs = 30 лет) плотность его выпадения уменьшается вдвое, а его жизнь ограничивается 10 периодами полураспада (300 лет).
5) Использование разработанной комплексной методики оценки защищенности и уязвимости грунтовых и напорных подземных вод к загрязнению целесообразно при экологических гидрогеологических исследованиях на загрязненных территориях типа чернобыльского следа и других территориях, при проектировании экологически опасных объектов промышленности, сельского хозяйства и др., при проектировании водозаборов пресных подземных вод и при проектировании и организации сети экологического мониторинга.
Финансирование. Работа выполнена в рамках научного проекта РФФИ № 20-55^52003 и по Государственному заданию АВП РАН № FMWZ-2022-0002 «Исследования геоэкологических процессов в гидрологических системах суши, формирования качества поверхностных и подземных вод, проблем управления водными ресурсами и водопользованием в условиях изменений климата и антропогенных воздействий».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
REFERENCES
1. Белоусова А.П. 2001. Качество подземных вод. Современные подходы к оценке. М.: Наука. 340 с.
2. Белоусова А.П. 2003. Основные принципы и рекомендации по оценке и картированию защищенности подземных вод от загрязнения // Водные ресурсы. Т. 30. № 6. C. 677-677.
3. Белоусова А.П. 2005. Ресурсы подземных вод и их защищенность от загрязнения в бассейне реки Днепр и отдельных его областях: Российская территория. М.: ЛЕНАНД. 168 с.
4. Белоусова А.П. 2012. Оценка защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами // Вода: химия, экология. № 5. С. 1117.
5. Белоусова А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. 2006. Экологическая гидрогеология: учебник для вузов. М.: ИКЦ Академкнига. 397 с.
6. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2018. Особенности унифицированной методики оценки защищенности подземных вод от загрязнения // Недропользование XXI век. № 2 (71). С. 154-161.
7. Belousova A.P., Rudenko E.E. 2019. Basic Environmental -Hydrogeological Studies in the Territory of European Russia Affected by Chernobyl Accident // Water Resources. Vol. 46. No. 4. Pp. 571-581.
1. Belousova AP. Groundwater quality. Modern approaches to evaluation [Kachestvo podzemnykh vod. Sovremennyye podkhody k otsenke]. Moscow: Nauka, 2001:340.
2. Belousova AP. Basic principles and recommendations for assessing and mapping the protection of groundwater from pollution [Osnovnyye printsipy i rekomendatsii po otsenke i kartirovaniyu zashchishchennosti podzemnykh vod ot zagryazneniya]. Water Resources [Vodnyye resursy]. 2003;30 (6):677-677.
3. Belousova AP. Groundwater resources and their protection from pollution in the Dnieper River Basin and its individual areas: Russian territory [Resursy podzemnykh vod i ikh zashchishchennost' ot zagryazneniya v basseyne reki Dnepr i otdel'nykh yego oblastyakh: Rossiyskaya territoriya]. Moscow: LENAND, 2005:168.
4. Belousova AP. Assessment of groundwater protection from radionuclide pollution [Otsenka zashchishchennosti podzemnykh vod ot zagryazneniya radionuklidami]. Water: Chemistry, Ecology [Voda: khimiya, ekologiya]. 2012;5:11-17.
5. Belousova AP, Gavich IK, Lisenkov AB, Popov EV. Ecological hydrogeology: a textbook for universities [Ekologicheskaya gidrogeologiya: uchebnik dlya vuzov]. Moscow: IKTS Akademkniga, 2006:397.
6. Belousova AP, Rudenko EE. Features of a unified methodology for assessing the protection of groundwater from pollution [Osobennosti unifitsirovannoy metodiki otsenki zashchishchennosti podzemnykh vod ot zagryazneniya]. Subsoil Use XXI Century [Nedropol'zovaniye XXI vek]. 2018;2 (71):154-161.
7. Belousova AP, Rudenko EE. Basic Environmental - Hydrogeological Studies in the Territory of European Russia Affected by Chernobyl Accident. Water Resources. 2019;46
8. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2020. Трансформация уязвимости 8.
грунтовых вод к радиоактивному загрязнению в зоне
Чернобыльского следа на территории Калужской области // Экосистемы: экология и динамика. Т. 4. № 1. С. 18-103. [Электронный ресурс
http://ecosystemsdynamic.ru/transfor
maciya-uyazvimosti-gruntovyx-vod-
k-radioaktivnomu-zagryazneniyu-v-
zone-chernobylskogo-sleda-na-
territorii-kaluzhskoj-oblasti/
(дата обращения 1.03.2022]. 9.
9. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2021а. Моделирование процессов перетекания загрязненных грунтовых вод в напорные в лесных экосистемах на примере Калужской области в зоне радиоактивного следа // Экосистемы: экология и динамика. Т. 5. № 3. С. 147-182.
10. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 10. 20216. Оценка условий проникновения загрязняющих веществ, включая радионуклиды, в напорные подземные воды // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. № 3 (159). С. 1831.
11. Биндеман Н.Н. 1963. Оценка эксплуатационных запасов 11. подземных вод. М.: Госгеотехиздат. 203 с.
12. Геологическая карта СССР (четвертичных отложений). 1976- 12. 1980. Масштаб 1:200000. М.: Министерство геологии СССР. Листы N-36-B, N-36-D, N-37-A, N-37-C.
13. Гидрогеологическая карта СССР. 13. 1972-1976. Масштаб 1:200000. Л.: Министерство геологии СССР, ВСЕГЕИ. Листы N-36-B, N-36-D, N-37-A, N-37-C.
14. Государственная почвенная карта 14. СССР. 1953. Масштаб 1: 1000000.
(4):571-581.
Belousova AP, Rudenko EE. Transformation of groundwater vulnerability to radioactive contamination in the Chernobyl trace zone in the Kaluga region [Transformatsiya uyazvimosti gruntovykh vod k radioaktivnomu zagryazneniyu v zone Chernobyl'skogo sleda na territorii Kaluzhskoy oblasti]. Ecosystems: Ecology and Dynamics. 2020;4 (1):18-103. Available at http://ecosystemsdynamic.ru/transformaciya-uyazvimosti-gruntovyx-vod-k-radioaktivnomu-zagryazneniyu-v-zone-chernobylskogo-sleda-na-territorii-kaluzhskoj-oblasti/ (Date of Access 01/03/2022).
Belousova AP, Rudenko EE. Modeling the processes of overflow of contaminated groundwater into pressure water in forest ecosystems on the example of the Kaluga region in the zone of radioactive trace [Modelirovaniye protsessov peretekaniya zagryaznennykh gruntovykh vod v napornyye v lesnykh ekosistemakh na primere Kaluzhskoy oblasti v zone radioaktivnogo sleda]. Ecosystems: Ecology and Dynamics. 2021a;5 (3):147-182. Belousova AP, Rudenko EE. Evaluation of the conditions for the penetration of pollutants, including radionuclides, into pressure groundwater [Otsenka usloviy proniknoveniya
zagryaznyayushchikh veshchestv, vklyuchaya radionuklidy, v napornyye podzemnyye vody]. Vodoochistka. Water treatment. Water supply [Vodoochistka. Vodopodgotovka.
Vodosnabzheniye]. 2021b;3 (159):18-31. Bindeman NN. Estimation of operational reserves of underground waters [Otsenka ekspluatatsionnykh zapasov podzemnykh vod]. Moscow: Gosgeotekhizdat, 1963:203. Geological map of the USSR (Quaternary deposits) [Geologicheskaya karta SSSR (chetvertichnykh otlozheniy)]. Scale 1:200 000. Moscow: Ministerstvo geologii SSSR, 1976-1980: Sheets N-
36-B, N-36-D, N-37-A, N-37-C. Hydrogeological map of the USSR [Gidrogeologicheskaya karta SSSR]. Scale 1:200 000. Leningrad: Ministerstvo geologii SSSR, VSEGEI, 1972-1976: Sheets N-36-B, N-36-D, N-
37-A, N-37-C.
State Soil Map of the USSR [Gosudarstvennaya pochvennaya karta SSSR]. Scale 1: 1 000 000.
М.: АН СССР, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Главное управление геодезии и картографии МВД СССР. Лист О-37 15.
15. Карта радиоактивного загрязнения Европейской части и Уральского региона России цезием-137 по состоянию на январь 1993 года. 1995. Масштаб 1:500000 / Ред. Ю.А. Израэль, ИМ. Назаров, Ш.Д. Фридман. М.: Росгидромет, ИГКЭ, ИПГ, НПО «Тайфун», ВНИСХМ, ГМП «Рамон», ГНТП «Аэрогеофизика», Невскгеология, ГГП «Севзапгеология», ПГО «Казгеофизика». 22 с. 16.
16. Руденко Е.Э., Белоусова А.П. 2020. Изменение уязвимости грунтовых вод к загрязнению радионуклидами после аварии на ЧАЭС на территории Калужской области // Сергеевские чтения: Геоэкологические аспекты реализации национального проекта «ЭКОЛОГИЯ» ДИАЛОГ ПОКОЛЕНИЙ». Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. М.: РУДН. С. 318325.
Moscow: Academy of Sciences of the USSR, V.V. AN SSSR, Pochvennyy institut im. V.V. Dokuchayeva, Glavnoye upravleniye geodezii i kartografii MVD SSSR, 1953: Sheet O-37 Map of radioactive contamination of the European part and the Ural region of Russia by cesium-137 as of January 1993 [Karta radioaktivnogo zagryazneniya Yevropeyskoy chasti i Ural'skogo regiona Rossii tseziyem-137 po sostoyaniyu na yanvar' 1993 goda]. Scale 1:500000 / eds. Yu.A. Israel, I.M. Nazarov, Sh.D. Friedman. Moscow: Rosgidromet, IGKE, IPG, NPO "Tayfun", VNISKHM, GMP "Ramon", GNTP "Aerogeofizika", Nevskgeologiya, GGP "Sevzapgeologiya", PGO "Kazgeofizika", 1995:22p.
Rudenko EE, Belousova AP. Changes in the vulnerability of groundwater to contamination with radionuclides after the Chernobyl accident in the territory of the Kaluga region [Izmeneniye uyazvimosti gruntovykh vod k zagryazneniyu radionuklidami posle avarii na CHAES na territorii Kaluzhskoy oblasti]. Sergeev Proc.: Geoecological aspects of the implementation of the national project "Ecology. Dialogue of generations" [Sergeyevskiye chteniya:
Geoekologicheskiye aspekty realizatsii natsional'nogo proyekta "Ekologiya. Dialog pokoleniy "]. Materials of the annual session of the Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on problems of geoecology, engineering geology and hydrogeology [Materialy godichnoy sessii Nauchnogo soveta RAN po problemam geoekologii, inzhenernoy geologii i gidrogeologii]. Moscow: RUDN, 2020:318-325.
UDC 556.383/388:504(571.1)
INTEGRATED METHODOLOGY FOR ASSESSING THE PROTECTABILITY AND VULNERABILITY OF GROUND AND PRESSURED GROUNDWATER FROM DIFFERENT POLLUTANTS AND ITS APPLICATION IN PART OF THE TERRITORY OF THE KALUGA REGION IN THE AREA OF THE RADIOACTIVE TRACE FROM THE ACCIDENT AT THE CHERNOBYL NPP
© 2022. A.P. Belousova, E.E. Rudenko
Institute of Water Problems of the Russian Academy of Sciences Russia, 119333, Moscow, Gubkina Str. 3. E-mail: anabel@iwp.ru, belanna47@mail.ru
Received April 03, 2022. After revision May 03, 2022. Accepted June 01, 2022.
The object of our research is groundwater and confined subterranean waters in the territory of the Kaluga Region, most affected by the accident at the Chernobyl Nuclear Power Plant. Our aim was to develop a complex methodology to assess the level of protection and vulnerability of groundwater and confined subterranean water against various pollutants, including radionuclides. The methodology was tested in the territory of the Kaluga Region, in its zone of the radioactive contamination zone from the Chernobyl Accident.
Our earlier studies that assessed protection and vulnerability of subterranean waters began almost immediately after the accident and were carried out according to the original methodology, developed by the authors of this article. They were fully focused on groundwater only or, more specifically, on the first aquifer under the ground surface. However, this research studies both groundwater and confined subterranean water, located below the groundwater aquifer.
Depending on the location of pollution source, two approaches are considered to solve our main aim. The first option involves a pollution source placed on the ground surface, the way it was observed right after the Chernobyl Accident. The second option involves a pollution source located directly in the groundwater or spreading over a large area, in which case the number of study objects decreases, and it becomes a specific case of the first option.
The results of our research and the methodology we offer for the further use can be applied for assessment of the ecological state of subterranean waters in different country territories, at different scales; for design and construction of fresh subterranean water intakes for drinking purposes; for design and organization of subterranean water monitoring in the areas affected by the Chernobyl Accident. The results of our research are new and significant for further studies.
Keywords: groundwater, subterranean confined water, pollutant, subterranean water protection from pollution, subterranean water vulnerability to pollution, radionuclides, sorption, migration period. DOI: 10.24412/2542-2006-2022-2-72-98 EDN: CBRISA
