Potential of atmosphere pollution in the East-Ural radioactive contamination zone

Full Text

В средствах массовой информации открытая информация о Федеральном государственном унитарном предприятии «Производственное объединение “Маяк”» (ПО «Маяк») и экологических последствиях его деятельности появилась в 1989 г., т.е. через три года после радиационной аварии на Чернобыльской атомной электростанции. Но в нашей стране и до 1986 г. происходили радиационные аварии и инциденты на предприятиях атомной промышленности. Так, по официальным данным в различные годы на ПО «Маяк» произошло два радиационных инцидента и одна радиационная авария (по терминологии Росатома [17]). Первый радиационный инцидент - технологический и аварийный сбросы в 1949-1952 гг. в верхнем течении р. Теча 76 млн. м3 жидких радиоактивных отходов суммарной активностью 2,7-2,8 млн Кu. Вследствие первого радиационного инцидента повышенное облучение получили 124 тыс. человек, проживавших в прибрежной полосе рек Теча и Исеть в Челябинской и Курганской областях. Зарегистрировано 935 случаев лучевой болезни, впоследствии отмечено увеличение частоты онкологических заболеваний. С 1953 г. из 22 наиболее загрязненных населенных пунктов по р. Теча было отселено 7,5 тыс. человек. Из хозяйственного оборота было изъято 8 тыс. га пойменных сельскохозяйственных угодий [9; 10; 14; 19; 21; 22]. Радиационная авария - химический взрыв емкости хранения радиоактивных отходов на промплощадке ПО «Маяк» 29 сентября 1957 г. с выбросом в окружающую среду 70-80 т радионуклидов суммарной активностью 20 млн Кu. 90% радиоактивных веществ выпали на промышленной площадке. Оставшиеся 10% (2 млн Кu), поднявшись на высоту до 1 км, образовали радиоактивное облако, выпадения из которого через 10-11 часов сформировали Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) [1; 4-6; 8; 12; 16]. По оценкам 2004 г. вследствие радиационной аварии 29 сентября 1957 г. на ПО «Маяк» на загрязненных территориях Восточно-Уральского радиоактивного следа в границах плотности загрязнения не менее 0,1 Кu/км2 по стронцию-90 в 574 населенных пунктах проживало 425 тыс. человек, из которых в Челябинской области в 216 населенных пунктах - 134,725 тыс. человек, в Свердловской области в 358 населенных пунктах - 290,275 тыс. человек [7; 21; 21]. Второй радиационный инцидент - дефляция обнажившихся радиоактивных донных отложений из промышленного водоема оз. Карачай ранней и теплой весной 1967 г. с выбросом в окружающую среду по различным оценкам от 600 до 6000 Кu радиоактивных веществ. Вследствие второго радиационного инцидента площадь загрязнения земной поверхности с плотностью 0,1 Кu/км2 по стронцию-90 или 0,3 Кu/км2 по цезию-137 составила около 1800 км2. Дополнительному облучению были подвержены 40 тыс. человек. Большая часть загрязненной территории наложилась на территорию Восточно-Уральского радиоактивного следа [2; 9; 11; 15; 21; 22]. От двух радиационных инцидентов и радиационной аварии на ПО «Маяк» пострадали частично или полностью Аргаяшский, Каслинский, Красноармейский, Кунашакский, Сосновский районы и города Кыштым, Касли, Снежинск и Озерск в Челябинской области; Каменский, Богдановичский, Камышловский, Пышминский, Талицкий и Тугулымский районы и города Каменск-Уральский, Камышлов и Богданович в Свердловской области; Далматовский, Каргапольский, Катайский, Шадринский и Шатровский районы, города Далматово и Шадринск в Курганской области [9; 21; 22]. Радиационные инциденты и радиационная авария наряду с регламентированными технологическими выбросами сформировали зону Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения (ВУРЗ) [21; 22]. На территории ВУРЗ радиоактивному загрязнению подверглись все звенья климатической системы: приземный слой атмосферы, все объекты гидросферы, поверхностный слой литосферы и биосфера. Границы зоны Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения проведены по естественным географическим границам, т.е. по водоразделам и рекам, с учетом административного деления и границ Челябинской, Свердловской и Курганской областей. Регион Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения расположен в северной части Челябинской и Курганской областей, южной и юго-восточной части Свердловской области. Территория ВУРЗ занимает площадь около 40 тыс. км2 (рис. 1) [3; 8; 21; 22]. Зона ВУРЗ расположена в непосредственной близости от таких крупных промышленных и областных центров, как Екатеринбург, Челябинск, Курган и Тюмень. На исследуемой территории находятся крупные населенные пункты: г. Каменск-Уральский (третий по численности населения в Свердловской области), г. Шадринск (второй по численности населения в Курганской области) и г. Озерск (шестой по численности населения в Челябинской области). В зоне ВУРЗ антропогенная нагрузка на природную среду очень высока. Здесь действуют предприятия горнодобывающей, химической и атомной промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроения, металлообработки, энергетики, деревообрабатывающего производства, строительного комплекса, легкой и пищевой промышленности; развиты такие отрасли сельского хозяйства, как растениеводство и животноводство. Через зону ВУРЗ проходят автомобильные и железные дороги федерального, регионального и местного значения. В городах на исследуемой территории с конца 1990-х гг. наблюдается неуклонный рост числа автомобилей. Таким образом, высокая техногенная нагрузка зоны Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения вызывает необходимость подробного изучения метеорологических условий, способствующих загрязнению приземной атмосферы. Тем более что по данной проблеме авторам известна лишь одна публикация [13], в которой этот вопрос рассматривается в более крупном масштабе территории бывшего СССР. Рис Рис. 1. Зона Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения С целью изучения пространственной и временной изменчивости метеорологических условий рассеяния примесей в приземном слое атмосферы в зоне Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения был использован физико-статистический метод, разработанный в 1970-1980-х гг. в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова. По данной методике комплексной характеристикой влияния метеорологических условий на уровень загрязнения приземного воздуха является потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) [13]. Для урбанизированных территорий, где преобладают низкие источники (автомобили) и высокие источники с холодными выбросами, ПЗА рассчитывается по аргументам интеграла вероятности, которые в свою очередь определяются через повторяемости приземных инверсий, слабых ветров, застоев воздуха и туманов. В зоне ВУРЗ значения ПЗА рассчитывались по формуле (1) [13]: ПЗА = 2,5 exp [0,04 / (z2 - z1)2 - - 0,4 z1 / (z2 - z1)], (1) где z1 и z2 - аргументы интеграла вероятности Ф(z), при которых интеграл вероятности связан с вероятностями Р1 и Р2 реализации определенных метеорологических условий, когда будут наблюдаться концентрации примесей выше qn и 1,5qn, где qn - некоторый заданный уровень концентрации примесей атмосфере: Ф(z1) = 1 - 2Р1 , (2) Ф(z2) = 1 - 2Р2 , (3) причем Р1 = Рин + Рсл - Рз + Рт , (4) Р2 = Рз + Рт , (5) где Рин - повторяемость приземных инверсий, Рсл - повторяемость слабых ветров, т.е. скорости ветра 0-1 м/с, Рз - повторяемость застоев воздуха (приземных инверсий при слабом ветре), Рт - повторяемость туманов. Выражение (1) записано с учетом того, что для условного района минимальные значения вероятностей Р1 и Р2 приняты равными соответственно 0,1 и 0,05. В качестве количественной характеристики относительной изменчивости месячных и годовых значений ПЗА были рассчитаны коэффициенты вариации (V), как отношение среднего квадратического отклонения (σ) к средним значениям (N) ПЗА: V = 100 σ / N (%). (6) Для расчетов ПЗА в зоне ВУРЗ использовались выборки по соответствующим метеорологическим величинам и атмосферным явлениям за период 1980-1991 гг. на восьми метеостанциях (МС) и на аэрологической метеостанции (АМС) Верхнее Дуброво, расположенных на территории Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (рис. 1). При вычислении значений ПЗА были использованы данные приземных наблюдений восьми метеостанций: в Челябинской области - МС Аргаяш, Верхний Уфалей и Бродокалмак; в Свердловской области - МС Каменск-Уральский, Камышлов и Тугулым; в Курганской области - МС Далматово и Шатрово. В зоне ВУРЗ три метеостанции (Верхний Уфалей, Камышлов и Тугулым) расположены в лесной зоне, остальные - в лесостепной зоне. Метеостанции на исследуемой территории расположены практически равномерно и являются репрезентативными для различных районов исследуемого региона (табл. 1) [18; 21; 22]. Таблица 1 Физико-географическая характеристика местоположения метеостанций зоны Восточно-Уральского радиоактивного загрязнения и аэрологической станции Верхнее Дуброво Метеостанция Высота над уровнем моря, м Б.С. Характер рельефа Почва Глубина залегания грунтовых вод, м Природная зона Аргаяш 254,8 Равнина Обыкновенный и выщелоченный чернозем, местами подзолистые почвы и солончаки 10-11 Лесостепь Зауралья Бродокалмак 157,7 Слабохолмистый Слабовыщелоченный среднесуглинистый среднемощный чернозем, серые и темно-серые среднеподзолистые супесчаные и глинистые почвы 3-5 Лесостепь Зауралья Верхний Уфалей 391,6 Крупнохолмистый Подзолистые, суглинистые, глинистые, торфяно-болотные, болотно-луговые и болотно-иловые почвы 2 Горно-лесная восточных предгорий Среднего Урала Каменск- Уральский 169,9 Равнина Чернозем 8 Лесостепь Зауралья Камышлов 126,2 Слабохолмистый Выщелоченный среднесуглинистый чернозем, песчаные и супесчаные почвы 30 Лесная зона, подзона сосновых и березовых лесов Западной Сибири Тугулым 89,0 Слабохолмистый Подзолистые почвы и слабовыщелоченный тяжелосуглинистый чернозем 4-7 Лесная зона, подзона сосновых и березовых лесов Западной Сибири Далматово 101,4 Слабохолмистый Средне- и тяжелосуглинистый выщелоченный чернозем 5-12 Лесостепь Западной Сибири Шатрово 114,3 Слабохолмистый Выщелоченный чернозем 1,5-2 Лесостепь Западной Сибири Верхнее Дуброво 287,3 Слабохолмистый Суглинистый чернозем 30 Лесная зона, подзона сосновых и березовых лесов Зауралья Район Восточно-Уральского радиоактивного следа характеризуется четырьмя метеостанциями. МС Аргаяш - это ближайшая к промплощадке ПО «Маяк», кроме того, эта МС характеризуют наиболее загрязненную часть радиоактивного следа и верхнее течение реки Течи. МС Каменск-Уральский и Камышлов расположены в средней части ВУРС, а МС Тугулым - в дальней «хвостовой» части радиоактивного следа. МС Верхний Уфалей находится в горнолесной, крайней юго-западной части зоны ВУРЗ. В среднем течении р. Теча расположена МС Бродокалмак, а в нижнем течении и в месте впадения Течи в р. Исеть - МС Далматово. МС Шатрово находится в лесостепной зоне, крайней юго-восточной части зоны ВУРЗ. Серьезной проблемой при определении ПЗА является отсутствие исходных данных по приземным инверсиям и застоям воздуха. В этой работе использованы данные четырехсрочного зондирования атмосферы на АМС Верхнее Дуброво за период с января по сентябрь 1980 г., с января по апрель 1990 г., за все 12 месяцев 1984-1989, 1991 гг. Это позволило получить качественные данные по месячным повторяемостям приземных инверсий температуры воздуха за данный период. Естественно, при расчетах ПЗА были использованы значения повторяемостей слабых ветров, застоев воздуха и туманов за тот же период на восьми метеостанциях. По многолетним средним годовым ПЗА в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова было проведено районирование территории СССР. По климатическим условиям рассеяния примесей для низких источников выбросов было выделено пять зон: зона I низких ПЗА (значения ПЗА не более 2,40), зона II умеренных ПЗА (2,41-2,70), зона III повышенных ПЗА (2,71-3,00), зона IV высоких ПЗА (3,01-3,30), зона V очень высоких ПЗА (более 3,30) [13]. В регионе Среднего и Южного Урала пространственное распределение ПЗА достаточно сложное. По многолетним средним годовым ПЗА данная территория располагается в трех зонах: IV, III и II высоких, повышенных и умеренных ПЗА [13]. В регионе ВУРЗ пространственно-временная изменчивость ПЗА имеет достаточно сложный характер. На исследуемой территории многолетние средние годовые ПЗА изменяются от 2,52 (МС Аргаяш, II зона умеренных ПЗА) и 2,62 (МС Шатрово, II зона умеренных ПЗА) до 3,22 (МС Бродокалмак, IV зона высоких ПЗА) и 3,12 (МС Верхний Уфалей, IV зона высоких ПЗА). Это свидетельствует о том, что в наиболее радиоактивно загрязненной части зоны ВУРЗ и в месте расположения ПО «Маяк» (по данным МС Аргаяш), а также в районе МС Шатрово метеорологические условия рассеяния примесей лучше, чем в остальных районах данной территории. Худшие условия рассеяния характерны для районов МС Бродокалмак и МС Верхний Уфалей (рис. 2). Полученные многолетние средние годовые ПЗА находятся в неплохом соответствии с данными районирования СССР по этому району Урала [13]. Рис Рис. 2. Многолетние средние годовые ПЗА в зоне ВУРЗ В течение года многолетние средние месячные ПЗА на территории ВУРЗ изменяются по-разному. Максимальный диапазон изменчивости месячных норм ПЗА равен 1,19 (от 3,61 в июне до 2,42 в октябре) и отмечен на МС Каменск-Уральский. Также значительная внутригодовая изменчивость ПЗА характерна для МС Бродокалмак и Верхний Уфалей - соответственно 1,11 (от 3,79 в июне до 2,68 в октябре) и 1,06 (от 3,59 в июне до 2,53 в октябре). Минимальная изменчивость месячных норм ПЗА составляет 0,44 (от 3,03 в декабре до 2,59 в апреле) и наблюдается на МС Камышлов. Кроме того, незначительная внутригодовая изменчивость ПЗА отмечена на МС Аргаяш и Шатрово - 0,49 (от 2,70 в декабре до 2,21 в октябре) и 0,59 (от 2,82 в январе и феврале до 2,23 в октябре) (рис. 3). Во внутригодовом ходе на исследуемой территории месячные нормы ПЗА, как правило, имеют два максимума и два минимума. При максимальных значениях ПЗА формируются наиболее неблагоприятные метеорологические условия для рассеяния примесей в приземной атмосфере. Минимальные величины ПЗА характерны для наиболее благоприятных условий рассеяния. В зоне ВУРЗ первый годовой максимум ПЗА характерен для холодного периода года. Наибольшие значения ПЗА отмечаются в декабре на МС Бродокалмак (ПЗА 3,62, зона V), Каменск-Уральский (3,08, зона IV) и Камышлов (3,03, зона IV); в феврале - на МC Верхний Уфалей (ПЗА 3,59, зона V), Тугулым (3,04, зона IV) и Далматово (3,08, зона IV); в декабре - январе - на МС Аргаяш (2,70, зона II), в декабре - феврале - на МС Шатрово (2,81 и 2,82, зона III) (рис. 3). Второй годовой максимум ПЗА наблюдается в теплый период года. Он отмечается в июне на семи МС (ПЗА от 2,68 до 3,79, зоны от II до V), в июле - на МС Камышлов (2,91, зона III). На МС Тугулым в июне и июле достаточно близкие значения ПЗА (2,94 и 2,96, зона III). Необходимо отметить, что на МС Бродокалмак в марте имеется третий пик во внутригодовом ходе ПЗА (3,55, зона V), а на МС Камышлов в феврале (2,97, зона III) и марте (2,96, зона III) метеорологические условия рассеяния примесей несколько хуже, чем в соседние месяцы. Таким образом, на МС Бродокалмак и МС Камышлов во внутригодовом ходе имеются третьи максимумы ПЗА (рис. 3). Рис. 3. Многолетние средние месячные ПЗА в зоне ВУРЗ Минимальные величины ПЗА характерны для центральных месяцев переходных климатических сезонов (для весны и осени), т.е. для апреля и октября, когда увеличиваются скорости ветра и уменьшается повторяемость приземных инверсий, застоев воздуха и слабых ветров. В апреле в исследуемой зоне ВУРЗ значения ПЗА изменяются от 2,33 (МС Шатрово, зона I низких ПЗА) и 2,34 (МС Аргаяш, зона I низких ПЗА) до 2,74 (МС Бродокалмак, зона III повышенных ПЗА). В октябре ПЗА варьируются от 2,21 (МС Аргаяш, зона I низких ПЗА) и 2,23 (МС Шатрово, зона I низких ПЗА) до 2,61 (МС Камышлов, зона II умеренных ПЗА) и 2,68 (МС Бродокалмак, зона II умеренных ПЗА). Так как на МС Бродокалмак и МС Камышлов во внутригодовом ходе ПЗА имеются третьи максимумы, то здесь также имеются третьи минимумы - отчетливо выраженный в январе на МС Бродокалмак (3,27, зона IV) и менее значимый на МС Камышлов (2,93, зона III) (рис. 3). В зоне ВУРЗ по годовым величинам коэффициенты вариации минимальная относительная изменчивость ПЗА характерна для районов МС Камышлов (2,6%), МС Аргаяш (2,8%) и МС Шатрово (2,9%). А наибольшие колебания ПЗА отмечаются в горно-лесной части исследуемой зоны - в районе МС Верхний Уфалей (8,8%) (табл. 2). Во внутригодовом ходе в исследуемом регионе по месячным величинам коэффициенты вариации наибольшая относительная изменчивость ПЗА зафиксирована в районах МС Верхний Уфалей (диапазон значений коэффициента вариации от 10,1 до 30,5%), МС Бродокалмак (диапазон от 7,5 до 28,0%) и МС Каменск-Уральский (диапазон от 6,4 до 24,6%). А наименьшая относительная внутригодовая изменчивость ПЗА свойственна району МС Камышлов (диапазон от 5,8 до 11,1%) (табл. 2). Таблица 2 Коэффициенты вариации ПЗА (V, %) в зоне ВУРЗ I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год МС Аргаяш 9,2 10,3 13,7 12,2 6,0 7,5 9,3 9,1 14,8 8,0 10,2 6,2 2,8 МС Верхний Уфалей 28,4 30,5 19,9 15,2 13,6 21,6 11,7 13,0 11,3 10,1 12,5 15,4 8,8 МС Бродокалмак 12,9 12,3 26,4 15,1 13,7 20,5 14,9 17,0 9,6 7,5 11,6 28,0 3,2 МС Каменск-Уральский 15,4 13,6 19,9 12,7 12,1 24,6 11,3 6,4 9,0 9,5 10,9 15,9 3,6 МС Камышлов 9,6 10,4 11,1 9,7 5,8 7,7 6,6 6,2 7,6 6,5 9,3 7,4 2,6 МС Тугулым 14,9 17,5 17,5 12,3 6,9 18,4 13,0 11,1 22,1 8,4 14,3 11,0 4,4 МС Далматово 12,0 19,4 17,0 17,3 8,5 20,5 16,1 19,0 12,8 10,0 12,3 10,0 5,2 МС Шатрово 13,1 12,5 16,0 15,1 7,8 14,0 9,4 8,9 10,5 9,5 10,6 8,0 2,9 В заключение следует отметить, что практически вся территория ПО «Маяк» располагается в зоне повышенных ПЗА. Верхнее течение р.Теча с наиболее радиоактивно загрязненной поймой (до п. Муслюмово) и нижнее течение реки (от п. Верхняя Теча до г.Далматово) находятся в зоне повышенных ПЗА. Остальная часть реки Теча расположена в зоне высоких ПЗА. Головная часть Восточно-Уральского радиоактивного следа локализована в зонах умеренных, высоких и повышенных ПЗА, средняя и хвостовая часть следа - в зоне повышенных ПЗА. Как ранее было отмечено в [21; 22], в зоне ВУРЗ атмосферные явления, сопровождаемые сильными и средними ветрами, в наибольшей степени способствуют дефляции радионуклидов с подстилающей поверхности в районе расположения ПО «Маяк», в головной части Восточно-Уральского радиоактивного следа и в верхнем течение реки Теча. Но именно в этом же районе зоны ВУРЗ формируются метеорологические условия, наиболее благоприятные для рассеяния выбросов в воздухе. Наихудшие условия рассеяния примесей в приземной атмосфере зоны ВУРЗ наблюдаются с декабря по февраль (иногда по март) и с июня по июль. Наилучшие условия рассеяния примесей характерны для центральных месяцев переходных климатических сезонов (весны и осени), т.е. для апреля и октября. Наибольшая относительная изменчивость средних месячных ПЗА отмечается в районах расположения метеостанций с наиболее высокими значениями ПЗА: МС Верхний Уфалей, МС Бродокалмак, МС Каменск-Уральский. В качестве практических рекомендаций следует отметить то, что полученные данные о пространственно-временной изменчивости потенциала загрязнения атмосферы в зоне ВУРЗ необходимо учитывать при планировании и осуществлении конкретных мероприятий с целью управления качеством воздушного бассейна в данном регионе. При повышенных, высоких и очень высоких значениях ПЗА следует уменьшать объемы выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников, а также ограничивать количество автомобилей на городских улицах. При низких и умеренных величинах ПЗА можно увеличить до определенных пределов объемы выбросов от стационарных источников и также увеличить количество автомобилей в городе. На Урале выявлены изменения и колебания основных характеристик климата (скорости ветра, атмосферных осадков и атмосферных явлений) [20; 22]. Это, безусловно, скажется на метеорологических условиях рассеяния примесей в приземном слое атмосферы. Тем более что с начала 2000-х гг. вследствие возобновления экономического роста в России отмечается рост количества стационарных и передвижных источников, а также увеличение объемов выбросов примесей в атмосферу.

About the authors

A. F Teterin

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: taf@ecko.uran.ru
Candidate of Geography, Senior Researcher Ekaterinburg

Y. I Markelov

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: markelov@ecko.uran.ru
Candidate of Physics and Mathematics, Chief of Atmosphere Laboratory Ekaterinburg

I. P Aleksandrychev

Institute of Industrial Ecology UB RAS, Atmosphere Laboratory

Email: spin84@mail.ru
candidate of Physics and Mathematics, Senior Researcher Ekaterinburg

References

Supplementary files