Реферат на тему:

Формування водного стоку і міграція стронція-90 у малий водоток

Водна міграція 90Sr — найбільш мобільного радіонукліду в поверхневих і
підземних водах Чорнобильської зони відчуження — вивчалася багатьма
авторами. При вивченні механізмів надходження 90Sr у поверхневі води
основна увага приділялася експериментам на стокових майданчиках площею
порядку 1-100 м2 [1,3,4,15,17]. Також проводилися лабораторні
експерименти по вилуговуванню 90Sr із монолітів грунту [3]. Зауважимо,
що в більшості випадків польові експерименти проводилися на стокових
майданчиках з великими ухилами поверхні землі, і в режимі штучного
дощування при інтенсивності опадів значно більш високій, чим
спостерігається в природних умовах. Тому ці експерименти відповідають
дуже вузькому діапазону геоморфологічних і метеорологічних умов і не
дозволяють охарактеризувати весь спектр умов і процесів формування
водного стоку і водної міграції радіонуклідів у масштабі річкового
водозбору.

На відміну від виконаних раніше робіт наші дослідження були спрямовані
на моніторинг, комплексну оцінку і порівняльний аналіз процесів міграції
90Sr у більш значному масштабі — в межах спеціально обладнаного
експериментального водозбору площею порядку 10 км2. Наведені нижче дані
отримані в результаті здійснення в 1998-1999 рр. програми міжнародних
радіоекологічних досліджень, обумовлених протоколом про наукове
співробітництво за участю Університету Британської Колумбії (Ванкувер,
Канада), Інституту геологічних наук та за підтримкою і сприянням
Адміністрації Чорнобильської зони відчуження.

Аналіз шляхів радіоактивного забруднення поверхневих вод струмка.
Потенційні шляхи міграції 90Sr у води струмка включають: винос із
підземними водами; фільтрацію в гончарні дренажі і наступний стік
дренажних вод у струмок; поверхневий стік під час сніготанення і
зливових дощів; стік із заболочених і сезонно підтоплюваних ділянок; і,
нарешті, масообмін з донними відкладами.

У 1998 р. нами була почата програма моніторингових досліджень,
орієнтована на комплексне вивчення й оцінку описаних вище механізмів
міграції 90Sr, що продовжується і донині [7]. Дані аналізу проб
підземних вод із свердловин показали, що концентрація 90Sr у грунтовому
водоносному горизонті мала (0.03 — 0.55 Бк/л). Для порівняння,
концентрація 90Sr у воді струмка в замикаючому створі складала в 1999 р.
8.5 — 25.7 Бк/л. Таким чином, сам по собі підземний стік, очевидно, не є
в даний час істотним чинником надходження 90Sr у води річки.

Гончарні дренажі скидають воду безпосередньо в русло, у той час як
підземна вода, розвантажуючись у струмок, фільтрується крізь шар
забруднених донних відкладів. Наші спостереження показують, що у вологі
періоди року дренажі є основним джерелом надходження води в струмок у
верхній частині водозбору. За даними обстеження 1998 р., дренажна вода
містила 0.13 Бк/л 90Sr, у той час як проби води, відібрані поруч із
струмка мали активність 90Sr від 1.9 Бк/л до 3.5 Бк/л . Шість дренажів
випробуваних у березні-квітні 1999 року також характеризувалися низькою
активністю 90Sr (від 0.19 Бк/л до 1.2 Бк/л) у порівнянні з водою
струмка. Аналогічна картина описана Перепелятниковою [2] при обстеженні
водозбору в 1995 р. Можна припустити, що більш висока активність води в
річці у порівнянні з дренажними водами обумовлена десорбцією 90Sr із
донних відкладів.

Надходження в струмок поверхневого стоку , що контактує з забрудненими
грунтами , у період злив і весняного сніготанення може істотно вплинути
на радіоактивне забруднення струмка. Зауважимо, що попередні дослідження
водної міграції 90Sr у зоні відчуження були спрямовані в першу чергу на
оцінку саме поверхневого стоку, як основного механізму надходження
радіонуклідів у річкову мережу. Всупереч поширеній думці про ключову
роль поверхневого стоку у формуванні радіоактивного забруднення річкової
мережі зони відчуження, наш досвід говорить про те, що в умовах даної
території поверхневий стік, очевидно, має достатньо рідкісну частоту
прояву в часі і просторі, і тому його роль усе ж не варто
перебільшувати. Мінімізації поверхневого стоку сприяють такі чинники як
широке розповсюдження добре проникних піщаних грунтів і плоский рельєф
місцевості. Навіть біля Чистогалівської гряди в південній частині
водозбору Борщі поверхневому стокові перешкоджає наявність поперечних
форм рельєфу, в яких затримуються та інфільтруються поверхневі потоки
води, що виникають при сильних зливах.

Поверхневий стік потенційно може реалізуватися при сніготаненні в умовах
одностайної весни по промерзлих грунтах. Проте в 1998 — 1999 р. при
м’яких переходах від зими до весни такі умови не були реалізовані.
Виконані нами розрахунки показали також, що біля 8 ГБк 90Sr (46%
загального виносу) було винесено струмком через замикаючий створ у
меженний період, коли чітко виражений поверхневий стік був відсутнім, і
надходження 90Sr у води струмка відбувалося винятково за рахунок
процесів надходження болотних вод і вилуговування радіонукліду з донних
відкладів струмка.

Результати польових досліджень 1998-1999 рр. показали, що болота і
навколишні сезонно підтоплювані ділянки грунтів грають ключову роль у
надходженні 90Sr у водоток. Вода боліт, як правило, має більш високу
концентрацію 90Sr,ніж у річці. При цьому спостерігався стік болотних вод
у струмок (за винятком посушливого періоду влітку 1999 р., коли
внаслідок низького рівня води зв’язок між болотами і струмком був
відсутній).

У липні 1998 р. концентрація 90Sr у болоті №1 була на один порядок вище,
ніж у річці, і при цьому візуально спостерігалося надходження води з
болота в струмок. Проби води, відібрані в річці в цей же період,
показали, що вміст радіонукліду змінюється від витоку до гирла таким
чином: мінімальні значення концентрації 90Sr зафіксовані у верхній
течії, у середній течії (де розташоване болото №1) вони істотно
підвищуються. Далі спостерігається деяке зниження вмісту радіонукліду в
річці, мабуть, внаслідок надходження підземних вод або через сорбцію на
донних відкладах

Дані аналізу проб, відібраних наприкінці сніготанення в березні 1999р.,
також підтверджують гіпотезу про те, що заболочені ділянки є важливим
джерелом надходження 90Sr у струмок. У цей час ще зберігався льодовий
покрив на окремих ділянках боліт. Води, що надходили в цей час у струмок
із заболоченого лісового масиву в південній частині водозбору, мали
активність 90Sr біля 40 Бк/л. Заболочені ділянки в районі північного
бічного дренажного каналу в центральній частині водозбору також
характеризувалися високим вмістом радіонукліду. В районі злиття
північного дренажного каналу в основний водотік концентрація 90Sr у
річці виросла з 8 Бк/л до 37 Бк/л. Вплив болота №2 на вміст 90Sr у річці
був менше вираженим. Це обумовлено тим, що щільності поверхневого
забруднення 90Sr тут більш низькі в порівнянні з центральною частиною
водозбору. Крім того, площі сезонно подтоплюваних грунтів біля болота №2
набагато менші, ніж біля болота №1.

Цікаві дані були отримані в липні 1999 р., що характеризувався жаркою і
сухою погодою. В результаті болото №1 висохло, а водоток тимчасово
перетворився в непроточну водойму. У липні 1999 р. у відсутність стоку з
болота №1 концентрація 90Sr у річці в районі болота була істотно нижчою,
ніж у липні 1998 р., коли болото і струмок мали зв`язок. Цей факт також
побічно підтверджує припущення про значимість боліт, як джерела
радіоактивного забруднення поверхневого водотоку.

Елементи водного і радіаційного балансу експериментального водозбору за
1999 р. За даними моніторингових гідрологічних і метеорологічних
спостережень, стік із водозбору Борщі за 1999 р. склав 96 мм при сумі
опадів 514 мм (коефіцієнт стоку 18 %).

Для оцінки внеску підземного і поверхневого стоку в загальний водний
баланс водозбору Борщі нами використаний метод розчленовування
гідрографа. Зауважимо, що оцінки, зосновані на поділі гідрографа на
компоненти стоку, є наближеними (якісними). Обмеження методики
обумовлені тим, що реальні водозбори є набагато більш складними
багатофакторними системами в порівнянні з ідеалізованим спрощеними
моделями, що лежать в основі схем поділу гідрографа [8]. Хоча метод є
предметом дискусій, поділ гідрографа широко практикується при аналізі
режимних спостережень, і дозволяє одержати узагальнені характеристики
річкових басейнів [16].

Поділ гідрографа на поверхневий і підземний стік було виконано за
допомогою програми HYSEP, розробленої Американським Геологічним Наглядом
(US Geological Survey) [9].

Результати розрахунків показують, що основу живлення струмка складають
підземні води, на частку яких припадає біля 83 % стоку в 1999 р.
Поверхневий стік носить короткостроковий характер і формується в
основному в періоди сніготанення і при інтенсивних дощах — у випадках
сприятливого (перезволоженого) стану грунтів.

Становить інтерес питання про «источниковые области» поверхневого стоку
(run-off source areas) у межах водозбору [5], тобто про ділянки, на яких
формується поверхневий стік при зливах і сніготаненні. Для умов зони
відчуження (переважно рівний рельєф, добре проникні пухкі породи)
основним механізмом формування поверхневого стоку є «стік при повному
насиченні грунтового профілю вологою» (saturation-excess overland flow)
[5]. Такий механізм поверхневого стоку реалізується, коли внаслідок
атмосферних опадів на прируслових ділянках водотоку відбувається підйом
рівня грунтових вод (РГВ), і змикання РГВ із поверхнею землі. Після
повного насичення грунтового профілю атмосферні опади безпосередньо
трансформуються в поверхневий стік.

Оскільки на заболочених ділянках рівень грунтових вод знаходиться
близько до поверхні землі, і торфянисті болотні грунти близькі до
насичення (особливо у вологі періоди року), незначних опадів достатньо
для того, щоб досягнути умов повного насичення грунтового профілю. Це
означає, що при опадах на заболочених ділянках можуть швидко утворитися
зони поверхневого насичення, які перетворюються в зони формування
поверхневого стоку [6].

Для перевірки гіпотези ролі боліт у межах експериментального водозбору,
як потенційних областей формування поверхневого стоку, був проведений
ряд розрахунків. Ідея полягала в зіставленні для декількох обраних
характерних періодів інтенсивних злив (і добре вираженого поверхневого
стоку в гідрографі струмка) величин поверхневого стоку струмка, оцінених
за програмою HYSEP, з кількістю води, що випала на заболочені ділянки.
Для розрахунків були обрані два інтервали: із 14.05.99 р. по 23.05.99
р., і з 31.03.2000 р. по 13.04.2000 р. Для розрахунку кількості води, що
випала на заболочені ділянки, використовувалися два значення площі боліт
— максимальна і мінімальна (площа боліт змінюється в часі, і на момент
опадів точно не була відома). Теоретично можливий об`єм стоку (W, м3),
що міг би сформуватися на заболочених ділянках, розраховувався за
формулою:

W = h *F *1000,

де h — шар опадів за розрахунковий період (мм), F — площа заболочених
ділянок (км2), 1000 — коефіцієнт. Результати розрахунків подані в
таблиці .

Таблиця. Результати співставлення об’ємів поверхневого стоку з об’ємами
води, яка випала на болота з атмосферними опадами

Дата опадів Об`єм поверхневого стоку (HYSEP), м3 Об`єм води, яку
отримали болота з опадами, м3

Для площі 0.21 км2 Для площі 0.48 км2

14.05.-3.05.99 11110 от 5290 до 12100

31.03. – 13.04.00 12780 от 9160 до 20940

Величина поверхневого стоку струмка Борщі, оцінена за методикою поділу
гідрографа, укладається в інтервал оцінки кількості опадів, що випали на
площу боліт. Таким чином, виконані розрахунки узгоджуються з припущенням
про те, що в межах експериментального водозбору в період злив
реалізується поверхневий стік із заболочених територій.

На основі спостережень ми розрахували кількість 90Sr, винесеного в 1999
р. струмком через замикаючий створ, із використанням формули:

,

де q(t) — витрата струмка (м3/доба), C(t) — концентрація 90Sr у воді
струмка в замикаючому створі (Бк/м3), t- час (діб). Добові значення C(t)
були отримані за даними режимних спостережень методом лінійної
інтерполяції. Результуюча оцінка склала R total =17.5 ГБк, або 0.2% від
запасу 90Sr у грунтах водозбору. Якщо виходити з того, що винос 90Sr
відбувається переважно з грунтів боліт і донних відкладів, то
результуючий коефіцієнт виносу буде в 10-20 разів більше, і складе 2-4%
від запасу 90Sr у зазначених ділянках (компонентах) системи водозбору.

Для оцінки транспорту з підземними водами в сумарний винос 90Sr струмком
ми використали формулу

Rs = Cs * Ws,

де Ws — річний розмір підземного стоку (м3), розрахований за допомогою
HYSEP, Cs — середня концентрація 90Sr у підземному стоці за даними
спостережень (Бк/м3). Результуюча оцінка складає Rs=0.3 ГБк, або 1.7%
від загального виносу 90Sr. Таким чином, підземний стік (без врахування
масообміну з донними відкладами) забезпечує незначний винос 90Sr
струмком в річному циклі.

Висновки

З розглянутих гідрологічних і гідрогеологічних процесів, що визначають
міграцію 90Sr із забруднених грунтів експериментального водозбору в
поверхневі води, найбільш важливим є стік із боліт і сезонно
підтоплюваних ділянок водозбору. Істотне значення грає також масообмін
із донними відкладами.

За даними спостережень 1999 р. і розрахунків по поділу гідрографа,
підземний стік забезпечує переважну частину (більше 80%) сумарного
водного стоку. Транспорт 90Sr з підземними водами в даний час має
підпорядковане значення у порівнянні з іншими механізмами забруднення
струмка (менше 2% виносу 90Sr через замикаючий створ у 1999 р.). Це
обумовлено низьким вмістом 90Sr у водоносному горизонті і дренажних
водах.

Хоча винос з підземними водами сам по собі в даний час незначний,
гідрогеологічні умови водозбору істотно впливають на шляхи надходження
90Sr у поверхневі води струмка. Зокрема гідрогеологічними умовами
визначається конфігурація ділянок розвантаження підземних вод у струмок,
де відбувається найбільш інтенсивне вилуговування радіонукліда з донних
відкладів. Вони визначають інтенсивність водообміну в системі
«заболочені ділянки — річка» у межень. Нарешті, гідрогеологічні умови
впливають на формування поверхневого стоку в струмок при зливах, коли
реалізується поверхневий стік при повному насиченні грунтового профілю
на прируслових ділянках струмка.

Один із найбільш важливих і цікавих висновків даної роботи полягає в
тому, що ключовими ділянками водозбору («источниковыми зонами») із
погляду надходження 90Sr у поверхневі води струмка є заболочені ділянки.
Крім того, саме на заболочених ділянках формується поверхневий стік у
струмок при зливах (у вологі періоди року). Наші висновки схожі з даними
про те, що в Білорусі при вивченні міграції 90Sr у малих річках була
отримана позитивна кореляція між концентрацією радіонукліду в річках і
наявністю боліт на водозборі (за повідомленням Г.Лаптєва, Український
інститут гідрометеорології).

Дана робота була виконана завдяки підтримці з боку Науково-інженерної
ради по природних науках (Natural Sciences and Engineering Research
Council) (Канада), і Міністерства з надзвичайних ситуацій (Україна).

Список літератури

Булгаков А.А., Коноплев А.В., Попов В.Е., Щербак А.В. Динамика вымывания
из почвы поверхностным стоком долгоживущих радионуклидов в районе
Чернобыльской АЭС// Почвоведение, 1990, 4, с.47-54. 2. Переплятникова
Л.В., Шевченко А.Л., Пристер Б.С. и др. Перераспределение радионуклидов
на ландшафтных полигонах за период после аварии Чернобыльской АЭС//
Проблемы сельскохозяйственной радиологии. Сборник научных трудов. (Под
ред. Б.С.Пристера). Вып. 4, , Украинский институт сельскохозяйственной
радиологии, Киев, 1996. С. 78-90. 3. Радиоэкология водных объектов зоны
влияния аварии на Чернобыльской АЭС. Том 1. Мониторинг радиоактивного
загрязнения природных вод Украины. (Под общей редакцией
О.В.Войцеховича). — Киев, “Чернобыльинтеринформ”, 1997. 4. Шестопалов
В.М., Р.Ханбилварди, И.П.Онищенко и др. Соотношение латерального и
вертикального выноса радионуклидов из почв чернобыльской зоны// Доповіді
Національної академії наук України. 2000, 5, с.195-199. 5. Anderson
M.G., Burt T.P. Subsurface runoff// Process studies in hillslope
hydrology (Edited by M.G.Anderson and T.P.Burt), 1990, John Willey &
Sons Ltd, pp.365-400. 6. Burt T.P., Heathwaite A.L., Labaz J.C. Runoff
production in peat-covered catchments// Process studies in hillslope
hydrology (Edited by M.G.Anderson and T.P.Burt), 1990, John Willey &
Sons Ltd, pp.463-500. 7. Freed R., Smith L., and Bugai D., Migration of
strontium-90 within the Borschi watershed near Chernobyl, Ukraine//
Hydrologic Science and Technology, 2000. 15, 1-4, pp 76-86. 8. Hall
F.R. Base-flow recessions – a review // Water Resources Research. 1968,
4, 5., pp.973-983. 9. HYSEP: A computer program for streamflow
hydrograph separation and analysis (By R.Sloto and M. Crouse). U.S.
Geological Survey. Water-Resources Investigations Report 96-4040. 1996.
10. Kashparov, V.A., Oughton, D.H., Zvarich, S.I., Protsak, V.P. and
Levchuk, S.E., Kinetics of Fuel Particle Weathering and 90Sr mobility in
the Chernobyl 30-km exclusion zone// Health Physics, 1999, 76 (3), pp.
251-259. 11. Kuriny V.D., Ivanov, Yu.A., Kashparov V.A., et al.
Particle-associated Chernobyl fall-out in the local and intermediate
zones// Annals of Nuclear Energy, 1993. 20, 6, pp. 415-420. 12. Linsley
R.K., Kohler M.A., ad Paulhus J.L. Hydrology for engineers (3rd ed). New
York, McGraw-Hill, 1982. 13. Matsunaga, T., Ueno, T., Armano, H.,
Tkachenko, Y., Kovalyov, A., Wantanabe, M., and Onuma, Y.,
Characteristics of Chernobyl-derived radionuclides in particulate form
in surface waters in the exclusion zone around the Chernobyl Nuclear
Power Plant// Journal of Contaminant Hydrology, 1998, 35, pp. 101-113.
14. McKinley I.G., Scholtis A. Compilation and comparison of
radionuclide sorption databases used in recent performance assessments//
Radionuclide sorption from the safety evaluation perspective.
Proceedings of NEA Workshop, Interlaken, Switzerland, 16-18 October
1991. NEA-OECD, 1991, pp.21-55. 15. Nair S.K., Hoffman, F.O., Thiessen,
K.M., and Konoplev, A.V., Modeling the wash-off of 90Sr and Cs-137 from
an experimental plot established in the vicinity of the Chernobyl
reactor// Health Physics, 1996, 71 (6), pp. 896-909. 16. Nathan R.J.,
McMahon T.A. Evaluation of automated techniques for base flow and
recession analyses// Water Resources Research. 1990, 26, 7,
pp.1465-1473. 17. Sansone, U. and Voitsekhovich, O., Modeling and study
of the mechanisms of the transfer of radioactive material from
terrestrial ecosystems to and in water bodies around Chernobyl. Final
report of the International Scientific Collaboration on the consequences
of the Chernobyl accident (1991-1995). Experimental collaboration
project No. 3. EUR 16529. 1996.

Похожие записи