Характер перераспределения радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками из штолен, на испытательной площадке «Дегелен» семипалатинского испытательного полигона

Проведение подземных ядерных взрывов в период с 1961 по 1989 гг. в штольнях на горном массиве Дегелен обусловило радиоактивное загрязнение не только полостей штолен, но и дневной поверхности. Несмотря на демилитаризационные мероприятия, проведённые на данной территории, вынос радиоактивных веществ с водотоками из полостей штолен продолжается. В результате в природную среду поступило и продолжает поступать большое количество радиоактивных веществ, которые аккумулируются в почвенном покрове, включаясь в геохимические процессы.

На основании исследований, проводимых на территории площадки «Дегелен» в рамках международных проектов (DSWA, МНТЦ, ИНТАС, HDTRA и др.) и государственных программ (НТП 01.01, РБП 011 и др.), выявлены наиболее загрязнённые участки с удельной активностью радионуклидов в почве, достигающей для ^239+240Pu, ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs порядка 9x10 6 , 4,5x10 5 и 6,9x10 6 Бк/кг, соответственно. Выявлено наличие миграционных процессов техногенных радионуклидов в почвах русел водопроявлений из штолен, и далее по миграционным способностям построен следующий убывающий ряд: ⁹⁰Sr>^239+240Pu>¹³⁷Cs. Был сделан вывод о целесообразности закрытия штолен бетонными пробками, которые в какой-то степени могли бы удержать выход радионуклидов из котловых полостей штолен в долины ручьёв массива Дегелен. Однако, по нашим наблюдениям, вынос радионуклидов не прекратился, и возникает определённый вопрос о перераспределении радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками из штолен.

Паницкий А . В .* – нач. лаб.; Лукашенко С . Н . – директор. ИРБЭ НЯЦ РК.

Материалы и методы

Объектом детальных исследований выбраны наземные экосистемы, сопряжённые с водотоками из штольни № 176 в долине ручья Байтлес и из штольни № 177 в притоке долины ручья Узынбулак. Выбор был сделан на основании рекогносцировочных выездов и имеющихся данных о расходах вод из штолен испытательной площадки «Дегелен», их радионуклидной характеристики и загрязнении припортальных площадок штолен. Немаловажный фактор для выбора – различные ландшафтные и радиационные характеристики. Во-первых, штольня № 176 находится в долине ручья Байтлес, сток которого имеет выход за пределы низкогорного массива Дегелен; штольня № 177 расположена в правом притоке ручья Узынбулак и весь сток остается в долине. Во-вторых, вода штольни № 176 выносит много 137Cs и 90Sr, тогда как в воде, выходящей из штольни № 177, кроме этих радионуклидов зафиксировано наличие 239+240Pu – до 12 Бк/л и 241Am – до 2,6 Бк/л. На исследуемых территориях выбраны для изучения компоненты экосистем, подверженных влиянию радиационно-загрязнённых водотоков – грунтовые и поверхностные воды и почвы. Особенностью данных экосистем является то, что их расположение исключает влияние других штолен на радиационную ситуацию.

Полевые работы заключались в измерении радиационных параметров, отборе проб воды и почвы, пешеходной радиометрической съёмке, определении географических координат [1-7]. Сопряжённый отбор почвы и воды с поверхностного водотока проводили вдоль русла водотока из штольни № 176 от выхода воды у портала штольни до слияния водотока с ручьём Байтлес. Грунтовую воду (подрусловую) отбирали с этих же точек в период отсутствия поверхностного водотока через проложенные шурфы на глубине 50-80 см. В русле водотока из штольни № 177 пробы воды и почвы отбирали по аналогичной схеме в трёх точках русла. Исследования в районе штольни № 176 проводились в период май-сентябрь 2008 г., в районе штольни № 177 – май-сентябрь 2009 г.

Лабораторные анализы на содержание радионуклидов проводили в соответствии со стандартными методическими указаниями на поверенной лабораторной аппаратуре. Удельную активность 137 Cs, 241 Am определяли у-спектрометрическим методом [1], содержание ⁹⁰Sr и ^239+240Pu – радиохимическим методом [8, 9].

Результаты

Соотношение содержания радионуклидов в различных средах, но в одном месте отбора, показывает, что наименьшие значения радионуклидов отмечаются в поверхностных водах (¹³⁷Cs – от 0,41 до 68 Бк/кг; ⁹⁰Sr – от 9 до 155 Бк/кг), несколько больше в грунтовых водах (¹³⁷Cs – от 57 до 480 Бк/кг; ⁹⁰Sr – от 155 до 270 Бк/кг) и максимальные значения в поверхностных горизонтах почв (¹³⁷Cs - от 5,1x10 4 до 1,4x10 6 Бк/кг; ⁹⁰Sr - от 9x10 3 до 2,6x10 4 Бк/кг), что отражено нами на графике (рис. 1).

а)                                                                              б)

Рис 1. Содержание радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в почвах, в поверхностных и грунтовых водах экосистемы русла водотока штольни № 176.

Приведённые данные сопряжённого анализа показывают различные величины содержания радионуклидов в поверхностных, грунтовых водах и почвах, что говорит о сорбции их почвой и о неравновесности их состояния в системе.

На основании полученных данных об удельной активности радионуклидов в компонентах экосистем, сопряжённых с водотоками из штолен, рассчитаны отношения удельной активности радионуклидов в водотоке к удельной активности в почве с этой же точки (рис. 2). Анализ отношений удельных активностей 137Cs в этих средах, полученных вдоль водотока штольни № 176 от портала до места слияния с правым притоком р. Байтлес, показал, что большинство значений лежат в пределах 2 порядков - nx10-4 и nx10-5. На рис. 2 показаны полученные значения отношений удельных активностей 90Sr, которые находятся в пределах одного порядка - nx10-3 (8 из 11 случаев).

Рис . 2. Отношение удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в воде водотока штольни № 176 к удельной активности этих радионуклидов в почве.

Дополнительно добавленные точки с водотока штольни № 177 и верховьев р. Байтлес картину не изменили (таблица 1).

Таблица 1

Отношения удельной активности радионуклидов в воде к удельной активности радионуклидов в почве

Штольня № 176			Штольня № 177
90Sr (n-11)	min max среднее	6,3x10 ’5 1,6x10 ’2 6,6x10 ’3	90Sr (n-3)	min max среднее	5,4x10 ’3 1,8x10 ’2 8,6x10 ’3
137Cs (n-11)	min max среднее	1,8x10 ’5 6,0x10 ’4 1,5x10 ’4	137Cs (n-3)	min max среднее	1,1x10 ’4 1,3x10 ’3 7,0x10 ’4
239+240Pu	min max среднее	- - -	239+240Pu (n-2)	min max среднее	1,0x10 ’4 8,1x10 ’3 9,1x10 ’4

Также, на основании данных о максимальных удельных активностях в почвах экосистем водотоков из штолен и данных о максимальных удельных активностях радионуклидов в воде водотоков этих штолен построены отношения удельной активности радионуклидов в воде к удельной активности радионуклидов в почве (таблица 2).

Таблица 2 Отношения максимальных удельных активностей радионуклидов в воде к удельной активности радионуклидов в почве припортальных площадок

Штольня	Максимальные удельные активности на припортальных площадках в почве, Бк/кг, в воде, Бк/л и отношения удельных активностей
	137Cs			90Sr
	в почве	в воде	отношение	в почве	в воде	отношение
802	1,0x10 3	22	2,2x10 ’2	6,1x10 2	71	1,2x10 ’1
203	1,3x10 4	5	3,8x10 ’4	3,3x10 2	11	3,3x10 ’2
177	5,2x10 4	65	1,3x10 ’3	1,3x10 5	2,1x10 3	1,6x10 ’2
163	6,5x10 2	2	3,1x10 ’3	1,8x10 5	9,3x10 2	5,2x10 ’3
607	2,2x10 2	<0,6	<2,8x10 ’3	-	-	-
11	6,0x10 5	26	4,3x10 ’5	-	-	-
165	2,0x10 6	4,9x10 2	2,5x10 ’4	1,3x10 5	1,5x10 3	1,2x10 ’2
176	1,7x10 6	1,1x10 2	6,1x10 ’5	5,3x10 4	4,9x10 2	9,2x10 ’3
609	6,5x10 6	3,6x10 2	5,5x10 ’5	1,8x10 4	7,3x10 2	4,1x10 ’2
среднее	-	-	3,3x10 ’3	-	-	3,4x10 ’2
	239+240Pu			241Am
	в почве	в воде	отношение	в почве	в воде	отношение
802	8,3x10 2	2,6x10 ’1	3,1x10 ’4	-	-
203	3,8x10 2	<0,02	<5,3x10 ’5	-	-
177	1,7x10 4	2,5	1,5x10 ’4	2,4x10 3	2,6	1,1x10 ’3
179	2,0x10 2	5,0x10 ’2	2,5x10 ’4	-	-	-
607	7,6x10 3	4,3x10 ’2	5,6x10 ’6	-	-	-
165	79	8,8x10 ’1	1,1x10 ’2	1,2x10 3	<0,8	<6,7x10 ’4
176	7,0x10 2	5,0x10 ’2	7,1x10 ’5	-	-	-
609	7,3x10 2	9,0x10 ’1	1,2x10 ’3	-	-	-
среднее	-	-	1,6x10 ’3	-	-	-

Анализ отношений максимально зафиксированных удельных активностей радионуклидов в воде на выходе из порталов штолен к максимальным зафиксированным удельным активностям радионуклидов в почве припортальных площадок этих штолен показал, что значения отношений для радионуклида 137Cs изменяются в пределах nx10’2 - nx10’5 при среднем значении nx10-3 (таблица 1). Значения отношений для радионуклида 239+240pu изменяются в пределах nx10-2 - nx10-6 при среднем значении nx10-3. Значения отношений для 90Sr изменяются в пределах nx10-1 - nx10-3 и в среднем составляют nx10-2. Полученное отношение для 241 Am единично и в среднем составляет nx103.

В целом, по полученным отношениям (таблицы 1, 2), можно делать оценочные прогнозы максимально возможного содержания радионуклидов в почвах экосистем водотоков по удельной активности радионуклидов в воде этих водотоков. При этом необходимо учитывать, что удельная активность радионуклидов в воде характеризует её радиационное состояние на момент отбора образца, а удельная активность радионуклидов в почве, это значение, отражающее радиоэкологическое состояние почвы за определённый промежуток времени.

Заключение

Соотношение содержания радионуклидов в различных средах, но в одном месте отбора, показывает, что наименьшие значения радионуклидов отмечаются в поверхностных водах, несколько больше в грунтовых водах и максимальные значения отмечаются в поверхностных горизонтах почв. Различные величины содержания радионуклидов в поверхностных, грунтовых водах и почвах говорит о сорбции их почвой с одной стороны и о неравновесности их состояния в системе с другой.

Отношения максимальных удельных активностей радионуклидов в воде к удельным активностям радионуклидов в почве приустьевых площадок штолен на данный момент времени не превышают для 90Sr – 10-3, 137Cs – 10-5, 241Am – 10-4 и 239+240Pu – 10-6. Это говорит о том, что, несмотря на постоянный вынос радионуклидов с водой на дневную поверхность, экстремально высоких концентраций в компонентах окружающей среды не наблюдается.