ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ТЕХНОГЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ ДОННЫХ И ПОЙМЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕР УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

Тягунов Д.С.¹, Рыбаков Е.Н.¹, Гусева В.П.²

¹ Кандидат технических наук, Институт геофизики Уральского отделения Российской академии наук, ² Кандидат биологических наук, Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ТЕХНОГЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ ДОННЫХ И ПОЙМЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕР УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

Аннотация

В статье представлены результаты исследования загрязненности искусственными радионуклидами пойм и донных отложений озер Челябинской, Курганской и Свердловской областей. Описана аппаратура и методика измерений. По результатам гамма-спектрометрических и радиохимических измерений выделены озера с максимальной удельной активностью изотопов цезия-137 и стронция-90.

Ключевые слова: донные отложения, цезий-137, стронций-90, удельная активность, озера.

Tyagunov D.S.¹, Rybakov E.N.¹, Guseva V.P.²

¹ PhD in Engineering, Institute of Geophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ² PhD in Biology, Institute of Ecology of Plants and Animals of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

RESEARCH OF POLLUTION BY MAN-MADE RADIONUCLIDES IN BOTTOM AND BANKS SEDIMENTS OF LAKES OF THE URAL REGION

Abstract

The article contains results of artificial radionuclides contamination with banks and bottom sediments of the lakes of the Chelyabinsk, Kurgan and Sverdlovsk regions. The measurement equipment and technique are described. According to the results of gamma-spectrometric and radiochemical measurements allocated lake with a maximum specific activity of the isotopes cesium-137 and strontium-90.

Keywords: bottom sediments, cesium-137, strontium-90, specific activity, lake.

На территории Уральского региона сосредоточено большое количество ядерно радиационно-опасных промышленных объектов – Белоярская атомная электростанция (БАЭС), производственное объединение «Маяк», хранилища радиоактивных веществ. Проводились подземные ядерные взрывы в промышленных целях, наземные и подземные испытания ядерного оружия и другие действия, связанные с использованием ядерной энергии.

Уже на начальных этапах развития атомной промышленности, водные объекты широко использовались как элементы внутренней технологической цепочки или как конечный резервуар для сброса и хранения радиоактивных веществ. В результате были загрязнены пойменные ландшафты рек Теча, Пышма, Исеть.

Кроме этого, негативный вклад в радиационную обстановку на Урале внесли: испытания ядерного оружия на Семипалатинском (1953 г.) и Тоцком (1954 г.) полигонах; радиоактивное загрязнение от аварии на ПО «Маяк» (1957 г.), Чернобыльской АЭС (1986 г.) и загрязнения от ветровой эрозии радиоактивной пыли с оголенной от засухи береговой полосы озера Карачай (1967 г.) [1, 2, 3]. В результате, за счет смыва радионуклидов с поверхности почвы, произошло загрязнение рек и озер.

Большое практическое значение для решения проблем радиоэкологии представляют донные отложения. Как активные аккумуляторы радионуклидов, поступающие с водосборов в течение длительного промежутка времени, они являются индикатором экологического состояния территории, своеобразным интегральным показателем уровня загрязненности. Исследование донных отложений озер позволяет проследить распространение и переотложение радиоактивных загрязнений, изучить динамику накопления загрязнений за длительный период времени, а также выделить временные интервалы наиболее интенсивного поступления радионуклидов.

Спустя более 50 лет после радиоактивного загрязнения короткоживущие радионуклиды распались, а из долгоживущих радиологически значимых радионуклидов остались: цезий-137 (с периодом полураспада 30.17 лет), стронций-90 (28.6 лет) и тритий-3 (12 лет).

В связи с вышесказанным, за период 2012 – 2014 гг. сотрудниками Института геофизики УрО РАН совместно с Институтом экологии растений и животных УрО РАН, были проведены исследования загрязненности искусственными радионуклидами (цезием-137 и стронцием-90) пойм и донных отложений озер Челябинской, Курганской и Свердловской областей. Работы проводились с целью определения величины загрязнения открытых непроточных водоемов за счет миграции данных радионуклидов с водосборной территории.

Аппаратура, методика и предмет исследований

С течением времени радиоактивное поверхностное загрязнение в результате смыва дождевыми и талыми водами переносится ручьями и протоками в водоемы, где может аккумулировать в донных отложениях. В устьях этих проток осуществлялся выбор места отбора проб.

Сами водоемы (озера) выбирались из расчета загрязненности территории за счет, предположительно, прохождения в северо-западном направлении одной из частей образовавшегося пылевого облака в результате последствия испытания на Семипалатинском полигоне, которое могло осесть на восточном склоне системы Уральских гор; аварии на ПО «Маяк» и Чернобыльской АЭС; ветровой эрозии радиоактивной пыли с озера Карачай (за исключением озер, попадающих в группу Восточно-Уральского радиоактивного следа, а также следа с прибрежной зоны озера Карачай, которые были уже исследованы другими авторами). В связи с этим, для исследования было выбрано три маршрута.

Первый маршрут отбора проб проходил с восточной стороны хребта Уральских гор от г. Чебаркуль до г. Касли Челябинской области. Там же в августе 1953 года располагался геофизический отряд поисковой партии Горно-геологического Института УФАН, который проводил гамма-съемку в районе горы Егоза, что в 3 км от разъезда Кувалжиха Южно-Уральской железной дороги. Уровень гамма-фона тогда превышал естественный в 10-100 раз[1]. Второй маршрут проходил от пос. Урефты Челябинской области до пос. Новопетропавловского Курганской области и, третий – от г. Касли Челябинской области до г. Екатеринбурга Свердловской области через Далматовский район Курганской области.

По маршруту Чебаркуль-Касли исследовались семь озер: Аргазинское водохранилище, Большой Сунукуль, Иртяш, Кундравинское, Малое Миассово, Увильды, Чебаркуль. По маршруту Урефты-Новопетропавловское восемь озер: Агашкуль, Брюхово, Лебяжье, Песковское, Пуктыш, Угловое, Узункуль, Урефты. По маршруту Касли-Далматовский р-н-Екатеринбург восемь озер: Беляковское, Большой Атяж, Большое Кривское, Верхнемакаровское водохранилище, Волчихинское водохранилище, Иткуль, Могильное, Сунгуль.

Кроме цезия-137 в пробах донных отложений озер третьего маршрута исследовался стронций-90.

Для сравнения, помимо донных отложений всех исследуемых озер отбирались пробы с пойменных участков. Из-за неоднородности морфологии прибрежной части на каждом озере с разных берегов отбиралось несколько проб, каждая весом не менее 1 кг. В зависимости от типа грунта отбор образцов производился до глубины 20 см, так как сообщает [4] коэффициент накопления радионуклида различными типами грунта повышается в ряду: песчаный грунт – затопленная почва – илистый сапропель.

Сам отбор проб осуществлялся с помощью пробоотборника, представляющего собой небольшой цилиндрический резервуар с отверстиями на дне для просачивания воды. Пробоотборник позволяет отбирать пробы ила с глубины до 4 м. С помощью GPS-60 Garmin на месте отбора каждой пробы определялись географические координаты. Для контроля общего гамма-фона на берегу озер с помощью контрольно-измерительного сцинтилляционного радиометрического прибора СРП-88 определялась мощность экспозиционной дозы.

Подготовка отобранных образцов к измерениям проводилась по следующей методике: проба ила высушивалась в муфельной печи при температуре 105 °С. Для обнаружения цезия-137, высушенная проба измельчалась, взвешивалась и насыпалась в сосуд Маринелли. Гамма-спектрометрические измерения проводились с помощью спектрометра «Гамма 1С» с блоком детектирования УДС-Г-63×63-USB в камере низкого фона. В качестве защиты от внешнего излучения использовался экран из Pb = 45 мм; Cd = 3 мм; Cu = 0.5 мм. Минимальная измеряемая активность по цезию-137 – 1.5 Бк/кг.

Определение в пробах стронция-90 осуществлялось радиохимическим методом, основанном на выщелачивании химических элементов 6Н соляной кислотой с последующим осаждением оксалатов щелочноземельных элементов и выделением из раствора стронция-90 в виде карбонатов. Содержание стронция-90 определяли по дочернему продукту иттрия-90 после их разделения безугольным аммиаком [5].

Результаты и их обсуждение

По результатам гамма-спектрометрических измерений изотоп цезия-137 был обнаружен в пойме и илах всех исследуемых озер. В пойме озер величина удельной активности цезия-137 составила от 7 Бк/кг до 126 Бк/кг, в илах – от 4 Бк/кг до 57 Бк/кг. В илах озер Большой Атяж и Верхнемакаровское водохранилище цезий-137 обнаружен не был (таб. 1).

Таблица 1 – Результаты исследования цезия-137 и стронция-90 в озерах Уральского региона, Бк/кг сухой массы

Также было установлено, что удельная активность по цезию-137 большинства проб с пойменных участков этих озер превышает удельную активность иловых отложений, а в некоторых пробах в несколько раз. Предположительно, такая особенность вызвана отложениями радионуклида в пойменных образованиях (наличие органики с большой сорбционной способностью) и прибойной активностью прибрежных частей озер.

По результатам радиохимических измерений удельные активности изотопа стронция-90 были обнаружены в пойме всех исследуемых озер маршрута Касли-Далматовский р-н-Екатеринбург за исключением Верхнемакаровского водохранилища, в пойме которого измерения на стронций-90 не проводились. Величина удельной активности проб по стронцию-90 составила от 11.1 Бк/кг до 39.3 Бк/кг (см. таб. 1). Надо заметить, что обнаруженная удельная активность по цезию-137 в пойме озер данного маршрута выше в сравнении с удельной активностью по стронцию-90, за исключением озера Иткуль. Это объясняется различием в степени поглощения радионуклидов разными типами грунта (отложений) в точках отбора проб, поскольку эти радионуклиды характеризуются разной сорбционной способностью накапливаться глинистыми минералами и природными органическими образованиями (торфом, сапропелями, и др.).

На рис. 1 показано, что удельная активность цезия-137 в южной части профиля возрастает по мере приближения к территории ПО «Маяк». В северо-восточном направлении наличие радионуклидов цезия-137 и стронция-90 может быть вызвано их миграцией из-за преобладающего направления ветра во время аварии на «Маяке». Со стороны Екатеринбурга повышенные удельные активности изотопов связаны, предположительно, с наложением выпадения радиоактивных осадков вследствие Чернобыльской аварии [6], что отразилось повышением активностей в пойме и илах Волчихинского и Макаровского водохранилищей.

Рис. 1 – Карта-схема расположения озер и места отбора проб. Цифры в квадратах (место отбора проб в пойме) обозначают удельную активность цезия-137 Бк/кг. В числителе активность по цезию-137 Бк/кг, в знаменателе по стронцию-90 Бк/кг

Следует заметить, что Волчихинское водохранилище является одним из основных гидротехнических каскадов г. Екатеринбурга, из которого город берет водозабор, как для поставки промышленной, так и питьевой воды. Но, как сообщает [7], массовая активность донных отложений может быть в десятки и сотни тысяч раз больше объемной активности воды, а коэффициент донной адсорбции радиоактивного загрязнения зависит от многих факторов. Поэтому, удельная активность цезия-137 в воде данного водохранилища будет существенно меньше, чем в илах, но для определения точной величины необходимы дополнительные исследования.

Не смотря на то, что Уральский регион подвергался влиянию радиоактивных загрязнений, вызванных разными временными событиями за прошедшие годы, значимую роль этих загрязнений на Южном Урале имеет, очевидно, работа ПО «Маяк». На Среднем Урале обнаруженные загрязнения, за исключением локальных источников, могут быть связаны с Чернобыльским следом, требующие отдельного изучения.

Выводы

Измеренные мощности экспозиционной дозы вблизи исследованных нами озер находятся в пределах 4 – 18 мкР/ч, что соответствует природному фону в этой местности. Повышение активности цезия-137 в пробах донных и пойменных отложений, по мере приближения к территории ПО «Маяк» может свидетельствовать о возможном распространении радиоактивных загрязнений в результате известных событий в других, отличных от установленных направлениях. Установлено, что активность цезия-137 в пробах с пойменных участков в большинстве озер превышает активность в иловых отложениях до нескольких раз.

[1] Булашевич Ю.П. Аномальный фон гамма-излучения на Урале в августе и в последующие месяцы 1953 года. – Свердловск. Фонд библиотеки ИГФ УрО РАН. 1954. С. 7-8.

Литература

1. Довгуша В.В., Тихонов М.М., Решетов В.В., Киселев М.Ф. Радиационная обстановка в Уральском регионе России. Санкт-Петербург: Балт-Норд. Ч.1, 2000. 103 с.
2. Литовский В.В. Естественно-историческое описание исследований окружающей среды на Урале. Екатеринбург: Урал. ун-т, 2001. 476 с.
3. Уткин В.И., Чеботина М.Я., Евстигнеев А.В., Любашевский Н.М. Особенности радиационной обстановки на Урале. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 150 с.
4. Трапезников А.В., Чеботина М.Я., Трапезникова В.Н., Гусева В.П., Николин О.А. Влияние АЭС на радиологическое состояние водоема-охладителя. Екатеринбург: АкадемНаука, 2008. 400 с.
5. Силантьев А.Н. Сборник методик по определению радиоактивности окружающей среды. Москва: Гидрометеоиздат, 1969. 183 с.
6. Чурсин А.В., Евстигнеев А.В. Влияние Чернобыльской аварии на территории Свердловской области: Материалы науч.-практ. конф. ЕС НИО, НТО «Горное», Екатеринбург, 1997. С. 46-48.
7. Егоров Ю.А., Суздалева А.Л. Радионуклиды в природно-техногенной системе «АЭС-водоем-охладитель»: Материалы науч. семинара «Проблемы региональной геоэкологии», Тверь: Тверск. ун-т, 2000. С. 91-92.

References

1. Dovgusha V.V., Tixonov M.M., Reshetov V.V., Kiselev M.F., V1, 2000. Radiation situation in the Ural region of Russia. Sankt-Petersburg: Balt-Nord, 103 s.
2. Litovskiy V.V., 2001. Natural-history description of environmental research in the Urals. Ekaterinburg: Uralskiy Universitet, 476 s.
3. Outkin V.I., Chebotina M.Ya., Evstigneev A.V., Lyubashevskiy N.M., 2004. Features of the radiation situation in the Urals. Ekaterinburg: UB RAS, 150 s.
4. Trapeznikov A.V., Chebotina M.Ya., Trapeznikova V.N., Guseva V.P., Nikolin O.A., 2008. The impact of the NPP on the radiological condition of the reservoir-cooler). Ekaterinburg: Akademnauka, 400 s.
5. Silantyev A.N., 1969. A collection of methods for the determination of environmental radioactivity. Moscow: Gidrometeoizdat, 183 s.
6. Chyursin A.V., Evstigneev A.V., 1997. The impact of the Chernobyl accident on the territory of Sverdlovsk region: Materials of scientific-practical conference, Ekaterinburg, S. 46-48.
7. Egorov Yu.A., Suzdaleva A.L., 2000. Radionuclides in natural-technogenic system «NPP- reservoir-cooler», Tver: Tverskiy Universitet, S. 91-92.