При выводе из эксплуатации водоемов и бассейнов-хранилищ жидких РАО, грунтовых могильников ТРО и некоторых других ядерно- и радиационно-опасных объектов (ЯРОО) единственно возможным решением может быть только «захоронение на месте». При этом первостепенное значение должно отводиться объектному мониторингу состояния недр (ОМСН). Основные подходы к ведению и использованию ОМСН при «захоронении на месте» были отработаны при ликвидации акватории озера Карачая (водоема В-9) ФГУП «ПО «Маяк».
В 1967 году ветровой разнос радионуклидов с обнажившейся части акватории озера Карачая привел к радиоактивному загрязнению значительной территории Челябинской области. Было решено ликвидировать этот водоем, то есть вывести его из эксплуатации. Задачу можно было решить только одним способом — «захоронением на месте». К 1999 году закрыто 25 га акватории водоема В-9 (из 36 га), в настоящее время осталось 7,8 га.
В водоеме депонировано около 120 млн Ки долгоживущих радионуклидов, основное количество (около 95%) которых находится в техногенных и природных донных отложениях. При разработке технологии «захоронения на месте» один из основных вопросов касался возможных последствий ликвидации водоема. В первую очередь это касалось долгосрочного прогноза влияния водоема на состояние подземных вод и речной сети (рек Мишеляка и Течи).
Объектный мониторинг
К решению этой проблемы было привлечено специальное гидрогеологическое предприятие — Второе гидрогеологическое управление (ГУ) Министерства геологии СССР, ныне ФГУГП «Гидроспецгеология». В 1969-1970 годах в междуречье рек Течи и Мишеляка вокруг водоема Карачая была создана сеть из 80 наблюдательных скважин, по которым проведено опробование подземных вод на содержание техногенных компонентов-загрязнителей; по замерам уровней воды определена структура потоков подземных вод. В результате проведенных работ выявлено и оконтурено в плане и на глубину загрязнение подземных вод.
В 1971 году во Втором ГУ было создано специальное подразделение для проведения гидрогеологических исследований и непрерывного контроля (режимных наблюдений) за распространением загрязненных вод в районе водоема В-9. Сегодня сеть режимных наблюдательных скважин включает более 190 скважин.
При формировании режимной сети наблюдательных скважин учитывалось следующее:
- скважины должны располагаться по потоку подземных вод от источника (В-9) к участкам разгрузки;
- водоносный горизонт должен быть вскрыт на всю его мощность;
- плотность скважин должна быть достаточной для пространственно-временного описания ореолов загрязняющих веществ;
- режимная сеть должна развиваться по мере распространения загрязнения;
- на участках разгрузки подземных вод в поверхностные плотность скважин должна быть увеличена;
- за границами развития ореолов загрязнения необходимо наблюдение по «фоновым» скважинам.
Сеть наблюдательных скважин вокруг водоема «Карачай»
В результате мониторинга и специальных исследований были изучены: геологические и гидрогеологические условия территории вокруг В-9; связь водоема с подземными водами; изменение структуры потока подземных вод под воздействием техногенных и природных факторов; пространственно-временные закономерности распространения химических и радиоактивных компонентов в подземных водах; закономерности накопления радиоактивных компонентов в горных породах.
Многолетние наблюдения за изменением уровня подземных вод и их радиохимическим состоянием позволили изучить пространственно-временные закономерности миграции радионуклидов от В-9 с подземными водами. Было показано, что из озера в подземные воды поступают техногенные растворы высокой плотности; на глубине 40-100 м они мигрируют к областям разгрузки в поверхностные водоемы и водотоки в соответствии со структурой потока. От В-9 сформировался ореол загрязнения подземных вод, который прослежен по распространению нитрат-иона, урана, трития, 90Sr, 60Co, 137Cs, 106Ru и других радионуклидов. Максимальное распространение загрязнения фиксируется по нитрат-иону в изолинии ПДК (45 мг/л). Площадь загрязнения подземных вод нитрат-ионом составляет 28 км2.
Ореол загрязнения подземных вод нитрат – ионом
В полевых и лабораторных условиях изучено взаимодействие фильтрующихся из водоема растворов с водовмещающими породами.
Установлено, что радионуклиды в значительной степени задерживаются рыхлыми отложениями и трещиноватыми горными породами; в результате этого формируется ореол загрязнения горных пород («твердый» ореол), который является вторичным источником загрязнения подземных вод.
50-летний опыт проведения ликвидационных работ и наблюдений за состояние водоема, подземных и поверхностных вод позволил сформулировать основную цель и задачи ОМСН при выводе из эксплуатации такого объекта, как Карачай.
Основной целью ОМСН является информационное обеспечение управленческих решений по консервации (выводу из эксплуатации) водоема.
Основными задачами ОМСН являются:
- регулярные комплексные наблюдения за состоянием подземных и поверхностных вод, водовмещающих пород и источника их загрязнения;
- анализ и обобщение результатов наблюдений, специальных исследований геологической среды и источника загрязнения;
- оценка и прогноз изменения состояния подземных и поверхностных вод под воздействием техногенных и природных факторов.
Кроме того, многолетние наблюдения за распространением радионуклидов и компонентов-загрязнителей в подземных водах, постоянный контроль радиохимического состояния водоема и его водного баланса, исследования физико-химического взаимодействия техногенных растворов с водовмещающими породами позволили получить необходимые характеристики геологической среды, параметры геомиграционных процессов и создать физическую модель распространения радионуклидов в подземных водах.
Математическое моделирование распространения загрязнения
Организация ОМСН, ориентированного на выполнение прогнозных оценок воздействия водоема, позволила перейти от физической модели распространения загрязнения к ее математическому описанию.
Порядок обработки и обобщения результатов ОМСН
Математическое моделирование массопереноса загрязняющих веществ является наиболее эффективным способом представления результатов ОМСН в доступном для анализа виде при выполнении прогнозных расчетов, выборе и обосновании оптимальных природоохранных мер.
С начала 1990-х годов разработан ряд геомиграционных моделей, позволяющих выполнять прогнозные расчеты по распространению из В-9 радионуклидов в подземных водах, как на короткие сроки, так и на отдаленную перспективу.
Система математических моделей разного масштаба
В таких моделях учитываются конвективный перенос вещества, его рассеяние (гидродисперсия), влияние разности плотностей техногенных растворов и подземных вод, радиоактивный распад и физико-химическое взаимодействие растворов с водовмещающими породами. Результаты прогнозных расчетов используются для принятия как оперативных управляющих решений, так и стратегических, направленных на снижение риска загрязнения окружающей среды.
В результате последовательных разработок была получена модель GEON-3DM, которая учитывает: плотностную дифференциацию потока, связь подземных и поверхностных вод, сильную неоднородность среды, изменение топографии акватории водоема со временем, взаимодействие промышленных растворов с водовмещающими породами (задержку 90Sr трещиноватыми породами), зависимость коэффициента распределения 90Sr от концентрации нитрат-иона в подземных водах. Границы модели и треугольная сетка разбивки области моделирования учитывает блоковое строение геологического массива, связанное с наличием установленных и предполагаемых тектонических нарушений. Основой при построении модели GEON-3DM являлись данные по более, чем 450 скважин.
Для ее калибровки использовались результаты 39 тыс. замеров уровней подземных вод, 3450 определений нитрат-иона, 3100 определений 90Sr, более 300 кустовых и одиночных откачек, свыше 200 определений коэффициентов распределения различных радионуклидов в системе «жидкость — твердое вещество».
Моделирование распространения 90Sr с использованием GEON-3DM позволило получить распределение плотности загрязнения им горных пород, оценить его суммарную активность в «твердом» (88 тыс. Ки) и водном (22 тыс. Ки) ореолах.
Прогноз деградации твердого ореола загрязнения стронцием-90 после консервации водоема «Карачай»
Прогнозными расчетами сроком на 150 лет показано, что «твердый» ореол будет источником вторичного загрязнения подземных вод 90Sr после ликвидации водоема. Данный ореол явился начальным условием при выполнении прогнозных расчетов разгрузки 90Sr в реку Мишеляк после завершения консервации водоема.
Прогноз динамики поступления стронция-90 в р.Мишеляк
При этом вынос этого нуклида к участкам разгрузки (Мишеляк и Теченский каскад водоемов) на 95% определяется 90Sr в твердой и жидкой части ореола рассеяния. Результаты модельных расчетов показали, что защитные свойства геологической среды достаточно высоки: объемная активность 90Sr в реке Мишеляке в рассматриваемый период не превысит уровня вмешательства. Тем не менее, длительный период релаксации требует продолжения ОМСН.
На основе программного комплекса GEON-3DM разработаны более детальные математические модели для обоснования конкретных технических решений по ликвидации В-9, оценки его как источника загрязнения подземных вод и горных пород. Уровень результатов ОМСН позволил получить модели, адекватные природным условиям.
Расчетные и наблюдаемые уровни водоема при реализации проектных решений по его консервации
Заключение
Таким образом, вывод из эксплуатации объектов с повышенной радиационной опасностью требует проведения полномасштабного ОМСН. Обоснование управленческих решений при выводе из эксплуатации объектов с повышенной радиационной опасностью должно базироваться на результатах прогнозных оценок уровня их воздействия, полученных с применением математических моделей, верифицированных для конкретных геологических и гидрологических условий. Накопленная база результатов ОМСН должна быть достаточно полной для проведения процедур схематизации, калибровки и верификации геомиграционных моделей, обобщающих полученные данные.
Авторы
Глинский М.Л., Глаголева М.Б., Дрожко Е.Г. (ФГУГП «Гидроспецгеология»)
Иванов И.А. (ФГУП «ПО «Маяк»)
