ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 3, с. 215-223
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 631.416.8
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВЫНОСА РАДИОЦЕЗИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ИЗ ЛАНДШАФТОВ ВОДОСБОРНОГО БАССЕЙНА ОБИ
© 2014 г. И. Н. Семенков, А. Ю. Мирошников
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Старомонетный пер., д. 35, Москва, 119017 Россия. E-mail: semenkov@igem.ru
Поступила в редакцию 21.08.2013 г.
Изучена активность цезия-137 глобальных атмосферных выпадений в почвах трех водосборных бассейнов 1-го порядка в таежной, подтаежной и лесостепной зонах бассейна р. Обь. Рассчитан вынос радиоцезия из этих водосборов, который равен в таежном 0.48-5.0; подтаежном 14.9-15.3; лесостепном 14.1-15.7 мКи/км2 соответственно. На основе литературных данных о коэффициентах доставки наносов и разработанной типизации речных бассейнов проведена экстраполяция полученных результатов о выносе цезия-137 на территории освоенных семигумидных и гумидных речных бассейнов под естественной растительностью. Вынос цезия-137 глобальных атмосферных выпадений из бассейна Оби не превышает 4% от общих запасов.
Ключевые слова: ландшафтно-геохимическая арена, цезий-137, географическая информационная система (ГИС), глобальные атмосферные выпадения радионуклидов, геохимический барьер.
ВВЕДЕНИЕ
Поступление продуктов искусственного радиоактивного распада в окружающую среду началось во второй половине XX в. Среди них цезий-137 -один из основных дозообразующих радионуклидов с периодом полураспада 30.17 лет, занимает особое место.
После испытаний ядерного оружия в атмосфере оказалось 24.6 млн Ки (910 ПБк) 137Сэ [26]. В литературе сформировалось представление о том, что загрязнение им носит повсеместный характер в связи с глобальными выпадениями радионуклидов из атмосферы, интенсивность которых зависит от географической широты местности [1, 20-26]. Цезий-137 распространился по всей планете и обнаруживается практически во всех компонентах ландшафтов: растительности, поверхностных и подземных водах, донных отложениях, почвах, биоте и др., входит в пищевые цепочки и является важной составляющей радиационного фона [26]. Он выносится из ландшафтов в речную сеть и далее - в океан, аккумулируясь в пределах маргинального фильтра [9] на геохимических барьерах в зоне смешения речных и морских вод, что доказано на примере Карского моря [11].
В Северный Ледовитый океан 137Сз поступает от различных источников. Однако соотношения их вкладов в загрязнение Арктики не оценивались. Сибирские реки имеют обширные водосборы суммарной площадью около 11 млн км2, которые аккумулировали значительное количество радионуклидов глобальных атмосферных выпадений, следовательно, эти бассейны - действующие источники радиоактивного загрязнения.
Речной сток радионуклидов рассчитан для крупных водосборов севера Евразии [1] и отдельных рек Скандинавии по данным о величине чернобыльских выпадений и его концентрации в речных водах [21, 24]. Однако в этих работах практически не рассмотрены ландшафтно-геохи-мические особенности водосборов, что затрудняет экстраполяцию полученных авторами результатов на иные территории.
Цель наших исследований - расчет выноса це-зия-137 глобальных атмосферных выпадений из водосборной макроарены Оби.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Геохимические арены - это каскадные ланд-шафтно-геохимические системы, ограниченные единым водосборным или солесборным бассей-
ном. В соответствии с занимаемой площадью, выделяют микро-, мезо- и макроарены [4]. Их выделение основано на контрастности ланд-шафтно-геохимических условий на водосборах, но количественные критерии разделения еще не введены.
Микроарены приурочены к верхним звеньям речной сети [4] - водосборам оврагов, балок и небольших озер со слабоконтрастными или однородными ландшафтно-геохимическими условиями, и имеют 1-5-й порядок в кодировке водотоков по системе Философова-Страллера (рис. 1).
Мезоарены охватывают территории более крупных бассейнов с 5-го по 12-й порядок и обычно расположены в одной ландшафтной зоне, что определяет среднюю степень контрастности условий миграции в их пределах [4].
Макроарены - это системы регионального уровня, которые охватывают несколько ландшафтных зон и отличаются сложной геохимической структурой [4]. В системе кодировки Фи-лософова-Страллера они имеют с 12-го по 15-й порядок. Макроарены Оби, Енисея, Волги, Лены и Амура - крупнейшие на территории России.
Объектами исследований являются каскадные ландшафтно-геохимические системы регионального и локального уровней: макроарена Оби, имеющая 14-й порядок [15]; мезоарены бассейнов рек 10-го (3-го в масштабе карты 1 : 2 500 000) порядка и три микроарены 1-го порядка.
Рассматриваемая макроарена - самая крупная из принадлежащих бассейну Северного Ледовитого океана - занимает площадь около 3.5 млн км2 и объединяет водосборы Оби, Иртыша, Пура, Надыма, Таза и др. рек (рис. 2), поэтому ее можно рассматривать как наиболее значимый источник загрязнения Арктики цезием-137 глобальных атмосферных выпадений. Ее отличительные особенности - преобладание равнинных территорий, широкий спектр природных зон от арктических тундр на севере до полупустынь умеренного пояса на юге, слабая зарегулированность стока.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цезий-137 в макроарене Оби. Современное загрязнение 137Сз обусловлено источниками его поступления, радиоактивным распадом, процессами миграции в системе почва - биота - поверхностные воды. В ландшафты макроарены Оби радиоцезий попадал с глобальными атмосферными выпадениями в результате аварий на ПО "Маяк" 1957 и 1967 гг., ядерных испытаний
Рис. 1. Принцип кодировки рек в системе Философова-Страллера.
Рис. 2. Макроарена Обской губы. Источники цезия-137: 1 -Северный полигон, 2 - ПО "Маяк", 3 - Сибирский химический комбинат, 4 - Семипалатинский полигон. Ключевые участки: В - Вагай, Т - Туртас, Ш - Шадринск.
на Семипалатинском и Северном полигонах (см. рис. 2). Сбросы жидких радиоактивных отходов ПО "Маяк" и Сибирским химическим комбинатом (СХК) привели к загрязнению пойм и донных отложений отдельных крупных рек,
не затронув ландшафты склонов и междуречья, поэтому в настоящей работе они не рассматриваются.
Поступление глобальных атмосферных выпадений цезия-137 на территорию макроарены рассчитано по данным о выпадениях стронция-90 для широтных поясов северного полушария с шагом 10° и соотношении в аэрозолях приземного слоя 137С§ и 9^г [26]. Для рассматриваемой территории (43°-73°с.ш.) определена функциональная зависимость интенсивности глобальных атмосферных выпадений цезия-137 (у) в кБк/м2 [26] от широты местности (х), которая описана уравнением (1) с коэффициентом детерминации Я2 - 0.99:
у = -0.002х2 + 0.196х + 1.592.
(1)
Потери 137С§, связанные с радиоактивным распадом, рассчитаны по формуле (2):
61
-0.693
А2011 - /30.17
х-0
(2)
где А2011 - запас цезия-137 (Бк/кг) в почве в 2011 г. (время отбора проб) по данным о его ежегодных выпадениях [14, с. 93, 26]; А( - величина выпадений радиоцезия в ¿-год; х - время в годах, которое рассчитано по формуле (3):
х - 2011 -
(3)
где 2011 - год отбора почвенных образцов; t -конкретный год.
Использовав программу ArcGis 9.2, в макроарене Оби выделены широтные пояса (см. рис. 2) с шагом 1°, 5° и 10°. Интерполяция величины плотности загрязнения 1- и 5-градусных широтных поясов проведена по уравнению (1). Суммарно на территорию макроарены Оби с учетом радиоактивного распада поступило около 184 кКи цезия-137 глобальных атмосферных выпадений (табл. 1).
Оценка транзитного и аккумулятивного потенциала геохимических арен в отношении 137Сз выполнена с применением программы ArcGis
(базовый масштаб 1 : 2 500 000). Исходная проекция топографической карты преобразована в равнопромежуточную коническую (центральный меридиан 72°, стандартная параллель 60°) в связи с особенностями расположения макроарены Оби.
Бассейновый подход. В соответствии с работами Ю.Г. Симонова и др. [15, 16], проведена кодировка водотоков в системе Философова-Страллера (см. рис. 1). В базовом масштабе в макроарене Оби выделена 1 река седьмого порядка - Обь (после слияния с р. Иртыш), 2 - шестого (Иртыш и Обь до их слияния), 7 - пятого (Тобол, Иртыш до слияния с ним, Тромъеган, Надым, Пур, Чулым и Обь до слияния с последним), 19 - четвертого, 156 - третьего, более 600 - второго и около 2800 - первого. Таким образом, на один водоток 4-го порядка приходится 8 водотоков 3-го порядка. Полученное соотношение в 3 раза выше, чем среднее значение для рек мира [15], что объясняется несколькими причинами. Многие реки 4-го порядка, например, Обь, Ишим, Иртыш, Тобол протекают по засушливым территориям, и на длительном расстоянии их порядок не меняется, так как они не принимают крупных притоков. Кроме того, в южной части бассейна Иртыша существует множество замкнутых бассейнов: в Зауралье, Кулундинской степи, Центральном Казахстане, - что способствует снижению разветвленности русловой сети. Суммарная площадь таких замкнутых водосборов составляет 24% от территории макроарены Оби, или 0.83 млн км2.
Помимо открытых и закрытых мезоарен, в пределах макроарены Оби выделены полупроницаемые, которые цезий-137 преодолевает только в растворенной и коллоидной формах. Они представлены водосборами водохранилищ и проточных озер. Обособление полупроницаемых мезоарен связано с тем, что взвешенные наносы, переносящие значительную часть 137Сз, аккумулируются в верхних бьефах водохранилищ и проточных озер. Суммарная их площадь составляет 27% от территории макроарены Оби, или 0.79 млн км2.
Таблица 1. Поступление цезия-137 глобальных атмосферных выпадений на территорию макроарены Обской губы
Размер выпадений, кКи Протяженность широтных поясов, в градусах
1 5 10
Без учета радиоактивного распада С учетом радиоактивного распада на 2011 г. 390 186 378 180 387 184
Таблица 2. Типизация бассейнов рек десятого порядка макроарены Обской губы
Аккумулятивный потенциал в отношении цезия-137 атмосферных выпадений
Закрытые Открытые
Зональное положение Очень высокий Высокий Средний Н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.