Эколого-геоморфологический анализ в системе природопользования при обращении с радиоактивными отходами

Актуальность темы

Проблема охраны окружающей среды все острее встает перед человечеством. Технический прогресс породил опасность самому существованию человека на земле. Одним из величайших открытий XX века, несомненно, можно считать открытие радиоактивных свойств природных веществ. Развитие этих идей привело к созданию атомной бомбы и строительству атомных электростанций. Наряду со значительным техническим прогрессом как следствие этого развития стали глобальные выпадения из атмосферы продуктов деления урана и плутония при проведении испытаний ядерного оружия и авариях на ядерных объектах (Чернобыльская АЭС 1986 г., и др.). Во второй половине XX века отмечается постоянное повышение техногенного радиационного фона. При планомерном и научно обоснованном использовании мирного атома в энергетике, промышленности, медицине и научных исследованиях образуются радиоактивные отходы, которые собираются на пунктах захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО). ПЗРО вносят определенный вклад в загрязнение окружающей среды радиоактивными техногенными веществами. При существующей технологии переработки и захоронения радиоактивных отходов (РАО) невозможно полностью исключить техногенные РВ из круговорота веществ в природе. Поэтому по принятым нормам радиационной безопасности (НРБ-99), основным санитарным правилам обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99) производятся допустимые сбросы технических вод в современную гидрологическую сеть и выбросы аэрозолей в атмосферу с радиоактивными веществами. Для отходов низкого и среднего уровня активности используются приповерхностные могильники сроком действия 300−500 лет. Подобные типы могильников действуют на ПЗРО на территории бывшего СССР, а также некоторых зарубежных стран. Сергиево-Посадский ПЗРО, предназначенное для захоронения радиоактивных отходов (РАО) низкого и среднего уровня активности радиоактивных веществ 137Сз и 908 г, располагается в восточной части Клинско-Дмитровской гряды на водоразделе левых притоков р. Дубны.

Технологические объекты ПЗРО находятся в зоне активных процессов ги-пергенеза и экзогенного рельефообразования. Под воздействием этих процессов происходит формирование вторичных ореолов и потоков рассеяния техногенной геохимической аномалии. Геосистемы района выступают и в качестве буферной зоны и одновременно в качестве полигона миграции радиоактивных веществ. Перемещение твердого материала и вынос его за пределы выделенных геосистем определяется геоморфологическим строением территории, энергией рельефа, интенсивностью рельефообразующих процессов, а также физико-географическими и геологическими параметрами. Немалую роль в этих процессах играет антропогенная деятельность.

Научно-методический потенциал экологической геоморфологии предлагает целую систему методов диагностики и контроля состояния морфолитокомпонента, выявление механизма формирования вещественно-энергетических потоков в геосистемах при обращении с радиоактивными отходами (РАО).

Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в разработке и практической реализации эколого-геоморфологического анализа как элемента природоохранной технологии при обращении с радиоактивными отходами.

В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие основные задачи:

1) разработать систему ввода геоморфологической информации в базу данных на основе формализации и унификации показателей;

2) разработать метод оценки функциональных способностей рельефа в формировании ореолов и потоков рассеяния техногенной геохимической аномалии;

3) разработать метод оценки миграционной и сорбционной способности территории;

4) разработать методику эколого-геоморфологического анализа территории влияния ПЗРО;

5) разработать способы использования свойств рельефа в повышении устойчивости эксплуатируемой территории;

6) разработать схему эколого-геоморфологической оптимизации технологии природопользования при обращении с РАО.

Фактический материал и методика исследований. В основу работы положены материалы исследований в течение 1986;2001 гг.

Методика работы основана на современных физико-географических концепциях развития географической среды и классических методах геоморфологических исследований, изложенных в работах А. И. Спиридонова, С. С. Воскресенского,.

Ю.Г. Симонова и др. Применялись геохимические поисковые методы редких и рассеянных элементов и радиоэкологические методы мониторинга окружающей среды. В исследованиях использовались новейшие аппаратно-программные средства ГИС-технологий.

Решение поставленных задач и комплексного анализа осуществлялось путем создания серии общих и частных геоморфологических карт на основании обработки топографических карт среднего и крупного масштабов с использованием дешифрирования аэрофотоснимков.

Научная новизна работы. На основе обобщения собранного материала с привлечением опубликованных данных и результатов проведенных исследований, впервые:

1) разработана система ввода геоморфологической информации в базу данных на основе формализации и унификации;

2) разработана методика эколого-геоморфологического анализа территории при обращении с РАО.

3) проведен эколого-геоморфологический анализ территории, эксплуатируемой Сергиево-Посадским ПЗРО, с использованием новейших аппаратно-программных средств ГИС технологии;

4) выявлены закономерности распределения естественных и техногенных радиоактивных веществ в ореолах и потоках рассеяния, с установлением интенсивности экзогенных процессов;

5) разработана схема оптимизации природопользования направленная на сохранение биопотенциала, реабилитацию загрязненных объектов окружающей среды и защиту их от возможного загрязнения;

6) разработана схема мониторинга литогеохимических потоков рассеяния радиоактивных веществ (РВ) для представительной и достоверной оценки возможного радиоактивного загрязнения современных поверхностных отложений района.

Защищаемые положения.

1. Эколого-геоморфологический анализ, как часть экотехнологии природопользования при обращении с радиоактивными отходами.

2. Разработка системы ввода информации в компьютерную базу данных формализованного и унифицированного полевого геоморфологического описания.

3. Оценка состояния территории Сергиево-Посадского пункта захоронения радиоактивных отходов методом эколого-геоморфологического анализа, создание компьютерной базы данных и электронного атласа территорий разного уровня.

4. Практические рекомендации рационального природопользования при обращении с радиоактивными отходами.

Практическая значимость исследования. На основе разработанной методики эколого-геоморфологического анализа территории при обращении с РАО, изучения закономерностей развития рельефа, рельефообразующих процессов, геохимических принципов переноса РВ в литогеохимических потоках рассеяния впервые проведен эколого-геоморфологический анализ трех уровней геосистем территории расположения и влияния Сергиево-Посадского ПЗРО. На уровне геосистем водосборных бассейнов третьего порядка определена устойчивость геосистемы междуречья рек Дубны и Вели. Элементарные водосборные бассейны санитарно-защитной зоны составляют геосистемы второго уровня, в которых формируются литогеохимические потоки ПЗРО. На детальном уровне проанализировано формирование литогеохимического потока верховьев реки Куньи и распределение, связанных с русловыми отложениями, техногенных радионуклидов. Методика позволяет решать задачи оптимального природопользования при обращении с РАО. Разработаны рекомендации по природоохранной технологии природопользования и оптимизации радиоэкологического мониторинга для санитарно-защитной и наблюдаемой зон Сергиево-Посадского ПЗРО. Результаты исследования внедрены и использованы при разработке технологии оперативного картографирования, технологии биомониторинга радиоэкологического состояния, технологии радиоэкологической сертификации качества среды, технологии создания биогеоценотических барьеров, развиваемых в ЦЭГР МосНПО «Радон».

Результаты проведенных исследований могут быть полезны и применимы для других ПЗРО России и стран СНГ при выборе площадок под полигоны размещения РАО и других токсичных отходов, а также при обосновании параметров са-нитарно-защитных зон и зон наблюдения.

Внедрение разработок позволит сократить затраты на радиоэкологический мониторинг, даст возможность локализовать распространение ореолов рассеяния РВ, сократить средства на реабилитации загрязненных территорий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на семинарах Центра эколого-географических разработок, научно-технического совета МосНПО «Радон» и докладывались на Международной конференции «Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях» (Москва, 2000 г.), VIII Международном экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный — 2000». По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из 5 глав, введения, заключения и приложения, её объем составляет 147 страниц, включая 52 рисунка из них 15 компьютерных карт, 14 таблиц и 1 приложение. Библиография содержит 184 наименования.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в работе на всех стадиях ее выполнения: от постановки задач, сбора литературной и фондовой информации, организации и проведения полевых исследований, проведения лабораторных работ, ввода информации в компьютерные системы ГИС до разработки методик обработки информации и создания электронных карт.

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную помощь в работе научным руководителям доктору технических наук И. А. Соболеву и доктору географических наук Н. Я. Минеевой, за научные консультации и ценные замечания научному консультанту доктору географических наук A.B. Маркелову, за творческое участие в работе к.т.н. A.C. Петрову, Г. П. Бариновой, В. Ю. Румянцеву, сотрудникам Центра эколого-географических разработок и Центральной Лаборатории МосНПО «Радон».

Автор искренне благодарен и глубоко признателен за консультации, ценные советы и поддержку профессоров Ю. Г. Симонова, В. И. Кружалина, к.г.н. И. С. Воскресенского, к.г.н. Т. Ю. Симоновой.

Автор считает своим долгом вспомнить с благодарностью д.г.н. К. С. Воскресенского, с которым довелось тесно сотрудничать.

1.5. Выводы.

1. Эколого-геоморфологические исследования и анализ основываются на комплексном подходе к рассмотрению причинно-следственных связей в геосистеме расположения и влияния экологически опасных геотехнических объектах.

2. Современным рельефом контролируется перемещение вещества и энергии внутри экосистем, что ставит его на ведущее место среди всех экологических факторов.

3. Водосборные бассейны и русла малых рек являются индикаторами экологического состояния геосистемы.

4. Глобальные выпадения РВ из атмосферы от испытаний ядерного оружия и аварий на ядерных объектах сосредоточены (аккумулированы) в поверхностных горизонтах почвенного покрова (более 50% от общего количества выпадений) и включены в кругооборот вещества в геосистеме.

5. ПЗРО можно рассматривать как геохимические аномалии техногенного происхождения.

6. ПЗРО, как геотехнические объекты, изменяют естественную природную среду (вырубка лесных массивов, разрушение естественного почвенного покрова, из.

Глава 2 Методика и материалы.

Методика работы основана на современных физико-географических концепциях развития географической среды (Сочава, 1978, Марков, 1948, 1986, Исаченко, 1982) и классических методах геоморфологических исследований, изложенных в работах А. И. Спиридонова (1970), С. С. Воскресенского (1971), Ю. Г. Симонова (1988, 1990, 1992, 1995, и др.), Н. И. Маккавеева (1971, 1986), Р. Д. Райса (1980) и др., с применением геохимических поисковых методов редких и рассеянных элементов (Фортескью, 1985, Беус и др., 1976, Глазовская, 1976, 1983; Глазовский, 1976, Перельман, 1975, 1989) и радиоэкологических методов мониторинга окружающей среды (Израэль, 1984, 1987; Минеева, 1991, и др.). В исследованиях использовались новейшие аппаратно-программные средства GIS GPS технологий.

В работе использованы стандартные полевые, камеральные методы геоморфологических исследований. Эти исследования проводятся на ключевых участкахвторичных ореолах и потоках рассеяния техногенных и естественных радиоактивных веществах. Маршрутными наблюдениями выявляются особенности строения и структуры геосистемы в ландшафтно-зональном спектре.

Взаимодействие геоморфологических систем любого ранга с экологическими системами определяет два круга задач:

1) анализ состояний геоморфологических систем и их изменений при воздействии на эти системы природных и антропогенных процессов;

2) анализ состояний и прогноз изменений в экологической системе, которые происходят в настоящее время или которые могут возникнуть в результате того или иного состояния и изменений в геоморфологической системе.

С позиций системного анализа объектом изучения экологической геоморфологии являются эколого-геоморфологические системы.

Бассейновый метод анализа — анализ современной гидрографической сети, где бассейн реки рассматривается как форма рельефа с характерным строением, происхождением, возрастом и историей развития со сложной системой взаимодействующих процессов (Симонов, Кружалин, 1992). Анализ структуры речной сети включает:

1) разделение на порядки водотоки и их водосборные бассейны;

2) определение соотношения площадей разных водосборных бассейнов;

3) определение структурных индексов для площадей, длин и уклонов водотоков;

4) сравнение структурных индексов по длине, уклону, площади бассейнов с выявлением бассейнов-накопителей, транзитных бассейнов и бассейнов сбрасывателей;

5) определение коэффициентов сложности бассейнов;

6) анализ функционирования водосборных бассейнов с экологической оценкой территории.

Эколого-геоморфологический анализ основывается на рассмотрении структуры водосборных бассейнов покрывающих территорию по электронному атласу и топографической карте, а так же на эколого-геоморфологическом картографировании по аэрофотоснимкам и базе данных полевых исследований. Для этих целей созданы цифровые карты: гипсометрическая карта, блок-диаграмма поверхности рельефа, карта распределения линий направления потоков поверхностного стока, карта порядков водотоков и бассейнов, геоморфологическая карта и другие.

Для создания цифровых карт основ наблюдаемой зоны СП ПЗРО использована административно-хозяйственная карта «Сергиево-Посадский район Московской области» М 1:80 000 и листы топографической карты «Подмосковье, лист № 2 Клин, № 3 Загорск» М 1:200 000 в проекции равноугольной поперечно-цилиндрической Гаусса, издания ГУГК СССР, 1990 года. Цифровые карты основы санитарно-защитной зоны и верховьев реки Куньи в пределах СЗЗ созданы в Центре эколого-географических разработок на основе топографической карты М 1:10 000 и топографического плана М 1:500 соответственно были использованы в электронном виде для внесения информации по геоморфологическому блоку ГИС.

Первоначально была создана цифровая карта основа (ЦКО). Создание ЦКО осуществлено сканированием оригинала топографической карты и ее регистрации в системе истинных географических координатах по координатной сетке. Затем на основе растрового изображения была создана графическая база данных: векторные слои рельефа (цифровались горизонтали и высотные отметки), гидрографической сети, контуры населенных пунктов и другие необходимые элементы топографической карты. Далее к базовым слоям ЦКО был создан слой точек наблюдения на местности по полевым материалам и с применением GPS аппаратуры. Одновременно создавалась атрибутивная база данных из геоморфологических, радиометрических, экологических и других параметров характеризующих точки наблюдения. В заключение осуществлено генерирование электронных карт, построение композиций и создание твердых копий средствами SPANS MAP, ARCVIEW, MAPINFO, SURFER. В итоге была создана ГИС наблюдаемой зоны и санитарно-защитной зоны ПЗРО. Создан электронный атлас.

В работе использованы опубликованные литературные источники по геоморфологии, географии, геологии и радиоэкологии Московского региона, а также фондовые материалы Сергиево-Посадского ПЗРО, материалы научных отчетов Центра эколого-географических разработок, собственные материалы наблюдений и лабораторных исследований собранные с 1986 по 2001 год на Загорском ПЗРО.

Полевые материалы по геолого-геоморфологическому строению СЗЗ СП ПЗРО собраны автором в 1997;2001 г. В них входят маршрутные наблюдения, пробы рыхлых отложений, измерения мощности экспозиционной дозы в точках наблюдения (Рис. 3). Исследования проводились на территории общей площадью около 16 км². Для определения распределения 137Cs, 238U, 232Th, и 40К и других радионуклидов в поверхностных отложениях района опробовались поверхностные слои почвенного покрова (глубина 0,0−0,1 м), почвообразующие материнские породы (глубина 0,4−0,6 м) и аллювиальные отложения современной гидрографической сети. Распределение радионуклидов в поверхностных слоях почвенного покрова рассмотрено на реперных участках на территории СЗЗ. Пробы почвы отбирались методом конверта с площади размером 10×10 м глубиной 0,0−0,1 м, объемом по 1,3−1,5 л. Для характеристики различных морфологических единиц флювиаль-ного комплекса опробовался поверхностный слой почвы на коренных берегах, бортах долины, пойменных и террасовых поверхностях. При проведении мониторинга на территории СЗЗ из русловых отложений временных и постоянных водотоков разных порядков отобрано свыше 100 проб. По содержанию радионуклидов в почве и подстилающих породах (глубина 0,4−0,6 м) определены коэффициенты рас.

238 40 пределения U, «Th, и К в почве относительно подстилающих пород.

КАРТА ФАКТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА САНИТАРНО-ЗАЩИТНАЯ ЗОНА.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Профили и точки наблюдения @ точки наблюдения профили.

Границы, дороги граница СЗЗ, промплощадки дорога.

Рис. 3.

Kilometers.

При анализе распределения содержания радионуклидов за пределами СЗЗ в наблюдаемой зоне СП ПЗРО использованы фондовые материалы полевых и лабораторных работ в/ч 51 105 от 1993 года. На основании фондовых материалов создана база данных по удельной активности донных отложений для 123 проб с результатами гамма-спектрометрического анализа по 232гГЪ, 238и, 137Сз и ' К и карта рас.

РАСПОЛОЖЕНИЕ ТОЧЕК ОТБОРА ПРОБ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В НАБЛЮДАЕМОЙ ЗОНЕ СП ПЗРО.

Зоны контроля ПЗРО.

———наблюдаемая зона, радиус 10 км. щ^Ш санитарно-защитная зона.

Рис. 4 положения пунктов отбора проб (Рис. 4). В дальнейшем использовались методы ГИС технологий с привлечением программных продуктов компьютерной техники.

Радиометрические, гамма спектрометрические, спектрометрические, рентге-ноструктурные, гранулометрические анализы проб рыхлых отложений проведены в Центральной лаборатории МосНПО «Радон».

Глава 3.

Физико-географическая характеристика района исследования.

Территория наблюдаемой зоны, санитарно-защитной зоны и промплощадка Сергиево-Поеадекого ПЗРО располагается в пределах водосборного бассейна реки Дубны, который охватывает центральную и восточную части Клинско-Дмитровской гряды и часть поймы реки Дубны — северную часть Московского региона.

3.1. Климат.

Северная часть московского региона располагается в атлантико-континентальной европейской климатической области (Алисов, 1969; Мячкова, 1983, Хромов, 1968). Помимо Атлантического и Северного океанов на формирование климата района оказывает влияние континентальный воздух Европы и Азии, а также воздушные массы местного происхождения. Умеренность климата является здесь его основной чертой, что проявляется в температурном режиме воздуха, количестве и режиме выпадения осадков. Зимой здесь, как и по всей атлантико-континентальной области, основным процессом является «западный перенос», а летом формирование континентальных воздушных масс. Среднее годовое количество в Московской области 600 мм/год, а на территории Сергиево Посадского района до 650 мм/год и более (Атлас Московской области, 1979). Наибольшее количество осадков выпадает в теплое время года. Безморозный период длится около 212 дней в году — с начала второй декады апреля и до конца ноября. Средняя температура января -11,0° С, апреля 3,0° С, июля 17,5° С, а октября 3,5° С. Мощность снегового покрова достигает 30−40 мм и более, а продолжительность его устойчивого сохранения 140−145 дней. Обычная глубина промерзания почвы составляет 1,2−1,5 метра.

Перемещение загрязняющих веществ осуществляется региональными атмосферными потоками, поэтому большое значение для формирования уровней загрязнения бассейнов малых рек играет направление и скорость ветра не только у поверхности земли, но и в слое перемешивания (до 1.5 км). В течение года в районе преобладают западные и юго-западные ветры, то есть имеет место «западный перенос» .

3.2. Гидрологическая сеть.

Реки, протекающие в Сергиево-Посадском районе Московской области, имеют слабо разработанные речные долины. Исключение составляет река Дубнаправый приток Волги (Куприянова, 1967). Река Кунья — левый приток реки Дубны — берет начало в санитарно-защитной зоне МосНПО «Радон». Ширина долины реки 0,2−0,4 км, общая протяженность русла 45 км. Основным питанием рек этого района являются атмосферные осадки и талые воды. Большую роль в водном режиме рек и водоемов играет верховодка, избыток которой — частая причина заболачивания отдельных понижений в рельефе (Зуев, 1962). На территории НЗ и СЗЗ ПЗРО развита сеть временных и постоянных водотоков (ручьи, ложбины стока) с истоками, как правило, расположенными в болотных массивах. Верховые и переходные болота района образовались в послеледниковый период и в настоящее время играют значительную роль в водном балансе территории.

Водный баланс территории района составляется из приходной части — атмосферных осадков и расходной части — подземного и поверхностного стока и испарения. Средние значения элементов водного баланса для всей площади Московского артезианского бассейна, в пределах которого располагается Сергиево-Посадский ПЗРО, приведен в таблице (Таблица 2.).

Заключение

.

В ходе проведения теоретических исследований и экспериментальных работ решена основная задача диссертации, — разработан и опробован на практике эколо-го-геоморфологический анализ территории в системе природопользования при обращении с РАО.

Результаты диссертационного исследования состоят в следующем:

• разработан эколого-геоморфологический анализ территории при обращении с РАО, являющийся составной частью экотехнологии, которая основана на сохранении биопотенциала и реабилитации загрязненной территории;

• разработана система ввода геоморфологической информации в БД на основе формализации и унификациисоставлен бланк «Полевого геоморфологического описания» эколого-геоморфологического мониторинга территории, адаптированный для радиоэкологических исследованиях, являющийся основой БД при составлении электронных карт района;

• проведена эколого-геоморфологическая оценка территории, эксплуатируемой Сергиево-Посадским ПЗРО, с использованием новейших аппаратно-программных средств ГИС технологиисоздан электронный атлас водосборных бассейнов наблюдаемой и санитарно-защитной зоны ПЗРО;

• определены взаимосвязи интенсивности экзогенных процессов с закономерностями в распределении естественных и техногенных РВ основанные на перемещении алеврито-глинистой фракции в геосистеме района и связанной с этой.

1 37 фракцией удельной активностью радионуклида Cs;

• разработана принципиальная схема оптимизации природопользования направленной на сохранения биопотенциала и реабилитации загрязненных объектов окружающей среды и защиты их от возможного загрязнения;

• разработана схема мониторинга литогеохимических потоков рассеяния РВ для представительной и достоверной оценки возможного радиоактивного загрязнения современных поверхностных отложений санитарно-защитной зоны СП ПЗРО.

Разработанная технология диагностики радиоэкологического состояния природных и геотехнических систем, основанная на эколого-геоморфологическом ана.

126 лизе территории, интегрирована в единый аппаратно-программный комплекс и адаптирована к целям радиоэкологической безопасности в системе природопользования при обращении с РАО и обеспечению экологического баланса при радиационном воздействии. Адаптация осуществлена с помощью многоуровневой системы запросов к созданной и поддерживаемой базе данных, позволяющей вести обработку информации, имитационное и оптимизационное моделирование, а также прогнозирование экологических последствий.

Технология мониторинга предполагает организацию стационарного наблюдения за твердым стоком геотехнической системы размещения и влияния ПЗРО. Частота наблюдений определяется режимом стока поверхностных вод и активными фазами русловых процессов в гидрологической сети района. Определение радиологического состояния русловых отложений устанавливается на основании сопоставления их с эталонными аналогами, не подвергающимися воздействию техногенного фактора.

На основе полученной информации о состоянии геосистемы и модельных построений их развития делается прогноз дальнейшего развития ситуации — экологических последствий техногенного воздействия. Исходя из прогнозных построений, даются рекомендации, определяющие выбор природоохранной технологии, обеспечивающей минимизацию вредного влияния техногенного фактора и реабилитацию территории, а также технологических альтернатив обращения с РАО.