Объектный мониторинг состояния недр на территории бывшего Кирово-Чепецкого химического комбината как основа для выбора стратегии реабилитационных работ

ФЦП «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности России на 2008 год и на период до 2015 года» предусмотрена реабилитация объектов и территорий Кирово-Чепецкого химического комбината (КЧХК). Для разработки оптимальных реабилитационных мероприятий необходима достоверная информация о воздействии радиационно-опасных объектов на состояние недр и поверхностную гидросферу, текущая оценка экологической безопасности их эксплуатации, а также прогноз последствий реализации тех или иных мер по снижению риска загрязнения геологической среды и обеспечению экологической безопасности населения Кировской области.

Приоритетным направлением Основ экологической политики Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» является развитие систем экологического мониторинга и информационно-аналитических систем контроля и управления безопасностью эксплуатируемых объектов и объектов «ядерного наследия», позволяющих создать научно обоснованную доказательную базу по вопросам безопасности ядерных технологий. Система объектного мониторинга состояния недр (ОМСН) создана ГК «Росатом» как постоянно действующая служба для регулярного изучения, анализа, оценки и прогноза изменений состояния геологической среды. Для предприятий и организаций отрасли ОМСН – нижний уровень государственного мониторинга состояния недр, который является составной частью комплексной системы мониторинга окружающей природной среды.

Содержание ОМСН

Объектный (локальный) мониторинг состояния недр на предприятиях ГК «Росатом» – это система регулярных, заранее запланированных наблюдений за изменением индикаторных показателей состояния недр и поверхностной гидросферы под влиянием деятельности предприятий и организаций, имеющих ядерно- и радиационно-опасные объекты (ЯРОО), оценки, прогноза и управления такими изменениями во времени и пространстве.

Основные функции ОМСН:

• проведение систематических наблюдений для получения данных о загрязнении подземных вод и горных пород вредными химическими и радиоактивными ­компонентами;
• оценка целостности защитных барьеров хранилищ РАО;
• определение наличия перетоков вод между различными водоносными горизонтами;
• составление долгосрочных и краткосрочных прогнозов изменения геологической среды;
• разработка рекомендаций по предотвращению или ослаблению негативных последствий такого изменения;
• контроль и оценка эффективности мероприятий по реабилитации загрязненных территорий.

Мониторинг и контроль состояния недр отличаются содержанием и целевой направленностью. Мониторинг – это система наблюдений и контроля, производимых регулярно, по определенной программе для оценки состояния окружающей среды, анализа происходящих процессов и своевременного прогнозирования изменений. Контроль – сопоставление полученных данных о состоянии окружающей среды с установленными критериями и нормами техногенного воздействия для оценки их соответствия. Таким образом, под ОМСН понимается не только контроль состояния недр, но и обобщение результатов мониторинга, специальных исследований геологического массива, его структуры, водопроводящих и защитных свойств с последующей оценкой происходящих в недрах процессов переноса загрязняющих веществ и защитных свойств геологического массива.

Наибольшей информативностью обладает ОМСН, при ведении которого наблюдательная сеть и программа наблюдений позволяют достаточно полно выявлять структуру потока подземных вод и пространственно-временное распределение индикаторов загрязнения. При этом режимные наблюдения за уровнем подземных вод служат базой для разработки геофильтрационной модели исследуемого геологического массива, а режимные наблюдения за химическим и радиохимическим состоянием подземных вод – для геомиграционной модели. Для выполнения прогнозных оценок изменения геоэкологической обстановки вокруг ЯРОО также необходимы сведения о физических и физико-химических параметрах геологической среды, определяющих водопроводящие свойства водовмещающих пород, защитные свойства по отношению к загрязняющим веществам. В информационную базу включаются также необходимый картографический материал, результаты специальных исследований, выполнявшихся в районе размещения ЯРОО и т.д.

Наиболее полный учет природных и техногенных факторов воздействия на геологическую среду достигается путем создания математических моделей распространения загрязнения в подземных водах. Кроме того, моделирование – самый эффективный способ представления данных мониторинга в доступном для анализа виде, выполнения прогнозных расчетов и выбора оптимальных природоохранных мер.

Отходы производства КЧХК

В процессе развития производства по переработке уранового сырья на Кирово-Чепецком химическом комбинате были сооружены шламо- и хвостохранилища для размещения радиоактивных и химических отходов. По данным ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», в настоящее время в хранилищах размещено 437 тыс. т РАО, в том числе 53 тыс. т среднеактивных и 384 тыс. т низкоактивных. Суммарная активность отходов – около 1,3*10¹⁴ Бк (3400 Ки), из которых 76% составляют α-активные радионуклиды, остальное – β-активные – ¹³⁷Cs (23%) и ⁹⁰Sr (1%).

Неизбежным следствием расширения существующих и создания новых производств явилось увеличение степени загрязнения прилегающих территорий, усиление негативного воздействия на воздушную среду, поверхностные водные объекты, грунтовые воды, донные отложения системы отведения сточных вод и прилегающие грунты. Согласно данным ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», в период производства гексафторида и тетрафторида урана радиационному загрязнению подверглось около 67 га территорий, расположенных на промплошадке ООО «Завод полимеров КЧХК» (13 га), в санитарно-защитной зоне (15 га) и в зоне наблюдения (39 га) хранилищ РАО. При этом α-активными радионуклидами загрязнено около 17,5 га, в основном на промплощадке завода, средняя плотность загрязнения – 0,7 Ки/км²; β-активным ¹³⁷Cs с плотностью загрязнения до 50 Ки/км² – около 53 га, в основном в районах секции №3  шламохранилища, а также в прибрежных полосах реки Елховки и озера Просного, используемых в качестве коллекторов сточных вод комбината.

По нашим оценкам, радиоактивному и химическому загрязнению подверглось около 6,5 млн м³ подземных вод (активность по ⁹⁰Sr около 20 Ки, содержание нитратов примерно 200 тыс. т), 1000 тыс. м³ поверхностных вод озер Березового и Бобрового (активность по ⁹⁰Sr до 5 Ки, содержание нитратов около 15 тыс. т). В озере Просном накопилось примерно 330 тыс. м³ техногенных отложений, загрязненных ¹³⁷Cs с активностью до 9 Ки.

Рис. 1. Вид на первую секцию шламонакопителя и гисповую гору

Изучение экологической ситуации

В конце ХХ века началось планомерное изучение экологической ситуации в районе расположения объектов КЧХК. В 2001-2002 годах ФГУП «ГСПИ» выполнен большой объем работ по исследованию радиоактивного загрязнения грунтовых вод. В 2005 году ООО «Геосервис» (Киров) проведена комплексная оценка влияния деятельности КЧХК и прилегающей к нему площади водосбора на режим формирования и качество стоков. В 2007 году ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» и ГУП МосНПО «Радон» провели радиологические исследования на промплощадке комбината для разработки концепции реабилитации радиационно-загрязненных объектов и обеспечения радиационной безопасности населения Кировской области. Экологической службой комбината осуществляется постоянный контроль сбросов и выбросов загрязняющих веществ, однако число наблюдаемых скважин ограничено, отсутствуют режимные наблюдения за уровнем грунтовых вод.

В целом, работы велись эпизодически, при этом до 2009 года не была завершена ни одна исследовательская программа. Между тем ситуация, сложившаяся вокруг КЧХК, требует детального анализа состояния подземных вод и водовмещающих пород как потенциальных источников радиоактивного загрязнения, изучения структуры потока подземных вод и водопроводящих свойств геологического массива, геохимических параметров геологической среды и сорбционных параметров грунтов. Эта информация необходима не только для оценки степени возможного влияния загрязненных объектов на состояние природной среды, но и для выбора основных технологических решений при проектировании реабилитационных работ. 

В 2009 году Центр МСНР ФГУГП «Гидроспецгеоло­­гия» по заказу ГК «Росатом» и ФГУП «РосРАО» начал регулярное проведение объектного мониторинга состояния подземных и поверхностных вод, грунтов и донных отложений на территории, прилегающей к ООО «Завод полимеров КЧХК» и ЗАО «Завод минеральных удобрений КЧХК». При организации работ использовался опыт реализации ОМСН на территории ФГУП «ПО «Маяк».

На изучаемой территории была восстановлена и расширена опорная сеть наблюдательных скважин, которая используется для режимных наблюдений за уровнем подземных вод, их химическим и радиохимическим составом. По результатам наблюдений проводится построение карт гидроизогипс, определение структуры потока подземных вод, оконтуривание ореолов загрязняющих веществ и прогноз динамики их распространения. Режимные наблюдения за уровнем подземных вод служат базой для разработки геофильтрационной модели исследуемого геологического массива, а режимные наблюдения за химическим и радиохимическим состоянием подземных вод – для разработки геомиграционной модели. В связи с этим в 2010 году планируются дополнительные исследования и совершенствование системы ОМСН на объекте.

Рис. 2. Бурение наблюдательных скважин

Распространение ореолов радиоактивного и химического загрязнений

Грунтовые воды с высоким содержанием токсичных веществ загрязняют поверхностные  водотоки. Они разгружаются непосредственно в русло реки Елховки, а также пойменные озера Бобровое, Березовое и карьер у озера Березового; затем загрязненные воды стекают из озер в Елховку по небольшим водотокам.

В процессе проведения в 2009 году объектного мониторинга состояния недр в зоне влияния объектов КЧХК ФГУГП «Гидроспецгеология» совместно с ООО «Геосервис» получены данные по масштабам радиационного и химического загрязнений подземных вод и концентрациям основных компонентов-загрязнителей (см. рисунок 3).

Рис. 3. Карта радиоактивного и химического загрязенения грунтовых вод в 2009 году

Обобщенным комплексным показателем химического загрязнения грунтовых вод является уровень их минерализации. По результатам химического анализа построена карта минерализации грунтовых вод. На рисунке границы области повышенной минерализации (ОПМ) выделены по ПДК х.п.  для сухого остатка, которая составляет 1000 мг/л.

На карте выделяются две области повышенной минерализации. Первая отмечена вблизи западной границы территории ООО «Завод полимеров КЧХК». Максимальная концентрация, зафиксированная в 2009 году в этой области, составила 142590 мг/л. Источником загрязнения является расположенный на территории завода двухсекционный шламонакопитель, функционировавший с начала 50-х годов до 1968 года.

Вторая, наиболее обширная область, включает в себя территории, прилегающие к хвостохранилищам мела и трехсекционному шламонакопителю, а также значительные площади к западу от них и протягивается вдоль поймы реки Елховки. По сравнению с предшествующими исследованиями, выполненными ООО «Геосервис» в 2005 году, наблюдается расширение ОПМ грунтовых вод на север и на запад в соответствии с естественным направлением потока подземных вод. Максимальная концентрация загрязняющих веществ в этой области практически не изменилась (Таблица 1).

Таблица 1. Динамика развития ореола повышенной минерализации грунтовых вод

Фронт ОПМ продвинулся на 150 м по направлению к реке Вятке, при этом его ширина увеличилась на 260 м. По оценкам 2009 года, скорость перемещения фронта загрязнения в западном направлении составляет 40 м/год, в северо-западном – 30 м/год, в юго-западном – 20 м/год. При скорости продвижения области химического загрязнения 40 м/год граница ореола загрязнения с предельно допустимой минерализацией 1000 мг/л достигнет реки Вятки примерно через 11 лет, к 2020 году, а его фронт расширится примерно до 1500 м.

Фильтрация химических загрязнений в водоносный горизонт происходит из секций №№1-3 шламонакопителя и секций №5 и №6 хвостохранилища мела завода минеральных удобрений (ЗМУ) вследствие нарушения их защитных свойств.

По результатам радиохимических анализов проб грунтовых вод в 2009 году выявлена область радиоактивного загрязнения грунтовых вод. В соответствии с НРБ-99/2009, граница области определена по суммарной относительной удельной активности техногенных радионуклидов , где А₁ – удельная активность i-го радионуклида; УВ₁^***– соответствующий уровень вмешательства по воде.

Источниками поступления радионуклидов в грунтовые воды являются производственные корпуса ООО «Завод полимеров КЧХК», секция №3 шламонакопителя, а также хранилище РАО №205. Основным загрязняющим компонентом грунтовых вод в пойме реки Елховки является ⁹⁰Sr, присутствуют также ¹³⁷Сs и α-активные радионуклиды.

По сравнению с исследованиями ООО «Гео­­сервис» 2005 года, наблюдается расширение ореола радиоактивного загрязнения (Таблица 2). Положение фронта загрязнения в направлении реки Вятки осталось практически неизменным, однако это необходимо контролировать в рамках систематического мониторинга. В районе источников загрязнения ореол расширился от секции №3 шламонакопителя в сторону хранилища №205. Если в 2005 году превышение УВ^вода >1 фиксировалось только в одной скважине, то по данным 2009 года оно отмечается практически во всех опробованных скважинах, находящихся между хранилищем №205 и секцией №3. Аналогичная ситуация наблюдается и в области, прилегающей к территории ООО «Завод полимеров КЧХК»: во всех опробованных скважинах зафиксировано превышение УВ^вода >1.

Таблица 2. Динамика развития ореола радиоактивного загрязнения грунтовых вод

Выявлена новая область радиоактивного загрязнения, протянувшаяся по направлению естественного потока подземных вод от секции №3 шламонакопителя на северо-запад до озера  Бобрового. Эти данные согласуются с повышенным содержанием урана в придонных пробах воды озера.

На рисунке 3 видно, что ореолы радиоактивного загрязнения находятся в пределах границ областей химического загрязнения. Это лишний раз подчеркивает, что секция №3 шламонакопителя, хранилище РАО №205 и хранилища на территории ООО «Завод полимеров КЧХК» являются одновременно источниками и радиоактивного, и химического загрязнений. Таким образом, при планировании реабилитационных мероприятий нельзя разделять загрязнения на химические и радиоактивные, а надо рассматривать их в комплексе.

Выполненные в 2009 году Центром МСНР ФГУГП «Гидроспецгеология» и ООО «Геосервис» буровые, опытно-фильтрационные работы и режимные наблюдения позволили получить данные для построения геофильтрационной разведочной модели, которая является первым этапом создания геомиграционной модели переноса загрязняющих веществ подземными водами. По результатам численного моделирования получено поле распределения напоров в четвертичном водоносном горизонте, адекватное установленному по данным мониторинга режимной сети скважин.

Выявлена необходимость продолжения ведения ОМСН по существующей сети скважин, а также дополнительных полевых опытов по определению фильтрационных и миграционных свойств водовмещающих пород, параметров гидравлического взаимодействия загрязненных подземных вод с поверхностными водами реки Вятки. Это позволит максимально приблизить моделируемые геомиграционные процессы к реальным условиям и построить прогнозные сценарии реабилитации природной среды.

Для разработки проекта реабилитации загрязненных территорий Кирово-Чепецкого химического комбината на основе полученной информации необходимо создать математическую модель  распространения ореолов радиоактивного и химического загрязнений. Результаты численного моделирования позволят оценить эффективность планируемых реабилитационных мероприятий по уменьшению негативного воздействия существующих источников загрязнения на окружающую среду.

Авторы

Е.П. Вольницкая, д.т.н., А.В. Глаголев, В.А. Громов
Центр мониторинга состояния недр на предприятиях ГК «Росатом», ФГУГП «Гидроспецгеология»

А.П. Лемешко
ООО «Геосервис»