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, ⁹⁰ Sr, ⁶⁰ Co, ¹³⁷ Cs, ¹⁰⁶ Ru и других радионуклидов. Максимальное распространение загрязнения фиксируется по нитрат-иону в изолинии ПДК (45 мг/л). Площадь загрязнения подземных вод нитрат-ионом составляет 28 км ² .

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  ⁹⁰ Sr 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  ⁹⁰ Sr, более 300 кустовых и одиночных откачек, свыше 200 определений коэффициентов распределения различных радионуклидов в системе ≪жидкость ? твердое вещество≫.

Моделирование распространения  ⁹⁰ Sr 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  ⁹⁰ Sr после ликвидации водоема. Данный ореол явился начальным условием при выполнении прогнозных расчетов разгрузки  ⁹⁰ Sr 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 ⁹⁰ Sr в твердой и жидкой части ореола рассеяния. Результаты модельных расчетов показали, что защитные свойства геологической среды достаточно высоки: объемная активность  ⁹⁰ Sr 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≫)