Вынос Cs глобальных атмосферных выпадений из гумидных и семигумидных ландшафтов

Вынос 137Cs глобальных атмосферных выпадений из гумидных и семигумидных ландшафтов
макроарены Обской губы1
Семенков И. Н., Комаров В. Б., Комаров Вл. Б.
ИГЕМ РАН, Москва, semenkov@igem.ru
Введение
Цезий-137 – это искусственный радионуклид, который не существовал в природе до середины XX
века. В ходе испытаний ядерного оружия в атмосферу поступило около 910 1015Бк (24,6 млн. Ки)
радиоцезия (Sources, 2010), который покидая ее, обуславливает существование так называемых
глобальных атмосферных выпадений. За счет этого 137Cs распространяется по всей планете, и его
обнаруживают практически во всех компонентах биосферы: поверхностных водах, донных
отложениях, почве, биоте. К настоящему моменту сформировалось представление о том, что
существует функциональная зависимость интенсивности глобальных выпадений радионуклидов
от географической широты. В умеренном поясе северного полушария она снижается в
направлении с юга на север (Baskaran et al., 1995; Sources, 2010).
Радиоцезий атмосферных выпадений поступает на поверхность почв и растений. Далее большая
часть 137Cs прочно сорбируется верхними горизонтами почв, а меньшая – мигрирует в различных
формах. В водной среде радиоцезий переносится в ионной и коллоидной форме. Его миграция в
прочно сорбированной (на поверхности твердых частиц) форме осуществляется за счет
флювиальных русловых и нерусловых процессов, эолового переноса. Конечным звеном миграции
137
Cs являются территории в нижних частях водосборных бассейнов: аллювий в дельтах рек,
отложения замкнутых озер и осадки, формирующиеся на границе река – море.
В зоне смешения речных вод Оби с морскими водами Карского моря обнаружены участки с
повышенной активностью радиоцезия (Мирошников, 2012). Поступление 137Cs в эти области
обусловлено его выносом с водосбора макроарены Обской губы – территории общей площадью
3,5 млн. км2, объединяющей крупные речные бассейны (Оби, Таза, Пура, Надыма) и более мелкие.
В свою очередь, на территорию макроарены Обской губы и в речную сеть 137Cs поступал не
только с глобальными атмосферными выпадениями, но и в результате деятельности предприятий
ядерно-топливного цикла, проведения испытаний на Северном и Семипалатинском полигонах и
«мирных» взрывов.
В литературе существуют данные о выносе радиоцезия со стоком сибирских рек (Aarcrog, 1979;
Vakulovsky, 1991; Chumichev, 1995; Бакунов и др., 2009). Но они достаточно противоречивы и
базируются на данных 137Cs/90Sr равновесия и содержании 90Sr в речных водах, в то время как
натурные измерения выноса 137Cs пока не проводились.
Целью представленной работы является расчет выноса 137Cs глобальных атмосферных выпадений
из макроарены Обской губы.
Объекты и методы исследований
Объект исследований – макроарена Обской губы. Она расположена преимущественно на
равнинной территории с широким набором природных зон (от полупустынь до арктических
тундр), представленных разнообразными типами ландшафтов.
Для достижения поставленной цели в качестве основного метода исследований используются
бассейновый и картографический: разрабатывается географическая информационная система
(ГИС) «Макроарена Обской губы» (Семенков, 2011). В ее основе – топографическая карта
масштаба 1:2500000, по которой оцифрованы реки в соответствии с кодировкой ФилософоваСтраллера (Симонов, 2008). В масштабе 1:2,5 млн. река Обь имеет седьмой порядок (истинный –
14).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 12-05-31124а «Геохимия
радиоцезия атмосферных выпадений в ландшафтах макроарены Обской губы»
1
На основе разработанной ГИС с учетом геоморфологических особенностей территорий
выбирались ключевые участки: катены и водосборы рек первого порядка (табл. 1), где
проводились детальные ландшафтно-геохимические исследования с отбором проб почв и
растений.
Таблица 1.
Характеристика изученных ключевых участков
Ключевой
участок
Вагай
Ноябрьск
Пурпе
Салым
Туртас
Шадринск
Положение
участка
N 56°31’
E 67°32’
N63°13’
E75°32’
N64°27’
E76°31’
N60°03’
E71°26’
58°56’
E 69°10’
N 56°02’
E 63°35’
Тип
растительности
Пашня
Вынос 137Cs, Число
1012Бк/км2
образцов
0,1
83
Год
проведения
полевых работ
2011
Болотная
Нет данных
74
2012
Таежная,
болотная
Таежная,
болотная
Темнохвойная
тайга
Пашня
Нет данных
106
2012
Нет данных
116
2012
0,02
153
2011, 2012
1,3
51
2011
В лаборатории ИГЕМ РАН Р. В. Соломенников определял активность 137Cs в отобранных пробах
γ-спектрометрическим методом с
использованием низкофонового гаммаспектрометрометрического комплекса с
полупроводниковым Ge(Li) детектором GEM4519 (GLP-25300/13) и 8000-канальным
амплитудным анализатором 919 EG&G
ORTEC с последующей обработкой
спектрометрической информации
специальными программными средствами.
На основе морфологических описаний почв и
активности цезия рассчитывали его запасы в
пределах исследованного водосбора. Вынос
цезия из ландшафтов водосборов первого
порядка оценен на основе собственных
полевых исследований (табл. 1) по расчету
невязки между эмпирическим результатом и
тем, который получали на основании данных
о широтных выпадениях (Sources, 2010).
Снижение запасов 137Cs за счет
радиоактивного распада нами пока не
оценивалось. Для расчета выноса 137Cs
глобальных атмосферных выпадений из
водосборов рек 2 – 14 порядка использованы
литературные данные о коэффициентах
доставки наносов (Дедков, Голосов, 2006;
Рис.1. Карта водосборов рек третьего порядка
Рыжов, 2009; Porto et al., 2009).
Результаты и обсуждение
Бассейны рек третьего (истинный - десятый) порядка (n=154) были разделены на 20 групп в
соответствии с транзитно-аккумулятивным потенциалом по отношению к 137Cs глобальных
атмосферных выпадений (рис. 1). В основе разработанной систематики лежат два положения:
1.
Аккумуляция в ландшафте и вынос радиоцезия в речную сеть определяется свойствами
верхних органических и органоминеральных горизонтов почв, которые в первую очередь
подвергаются загрязнению. В соответствии со свойствами и набором поверхностных
органических и органоминеральных горизонтов почв (Щеглов и др., 2005), бассейны рек третьего
порядка разделили на три группы, отличающиеся по интенсивности аккумуляции 137Cs.
2.
Интенсивность выноса 137Cs зависит от уклона рек: чем он выше, тем меньше вероятность
его аккумуляции в пойменных и русловых отложениях. В соответствии с этим параметром речные
бассейны третьего порядка разделены на равнинные, горно-равнинные и горные.
Разрабатываемую систематику осложняют ряд особенностей макроарены Обской губы: наличие
областей внутреннего стока и полупроницаемых зон, заболоченность и освоенность территории.
Области внутреннего стока (рис. 2) полностью аккумулируют приходящий радиоцезий. Его вынос
7
возможен за счет эолового переноса, но этот параметр
8
23
пока не оценивался.
Полупроницаемые зоны представлены водосборами
проточных озер и водохранилищ (Семенков, 2011), 137Cs
выносится из них только в растворенной и коллоидной
форме.
22
Болота занимают 16% территории макроарены Обской
40
губы. Транзитно-аккумулятивные свойства болот по
области внутреннего стока
отношению к 137Cs глобальных атмосферных выпадений
водосборы озер и водохранилищ
гумидные
ранее не изучались, хотя этот вопрос достаточно детально
семигумидные
другие
рассмотрен на примере территорий Белоруссии,
загрязненных в результате Чернобыльской катастрофы
Рис. 2. Классификация макроарены
(Страх, 1999). В 2012 году нами были проведены полевые
Обской губы по особенностям
работы на ключевых участках, характеризующих
выноса 137Cs глобальных
болотные типичные и мерзлотно-болотные ландшафты.
атмосферных выпадений
Подсчет распаханных территорий в пределах макроарены Обской губы не проводили исходя из
высокой степени освоенности семигумидных и семиаридных территорий, с которых выносится
значительное количество 137Cs при высокой вариабельности этого показателя. В связи с этим
предполагаем, что вынос радиоцезия из неосвоенных семигумидных и семиаридных ландшафтов
незначителен по сравнению с его выносом из распахиваемых территорий.
В результате распашки усиливается плоскостной смыв, и в верхние звенья флювиальной сети
поступает значительное количество материала, обогащенного 137Cs глобальных атмосферных
выпадений. Заиливание малых рек является ярким примером того, что русловая сеть не способна
доставлять в средние реки возрастающий объем пролювиального материала, возникающий
вследствие распашки. Это означает, что для водосборных бассейнов малых порядков характерны
высокие коэффициенты доставки наносов, что подтверждается натурными измерениями, в то
время как для водосборов средних и крупных рек они резко снижаются (Голосов, 2006; Дедков,
2007; Рыжов, 2009; Porto et al., 2009). Таким образом, в нижних течениях малых рек (на пойме и в
русловом аллювии) могут быть сосредоточены значительные объемы 137Cs.
На основе проведенных полевых и лабораторных исследований был рассчитан вынос 137Cs из трех
водосборов первого порядка (табл. 1). Установлено, что из южнотаежного водосбора первого
порядка под естественной растительностью выносится 1% радиоцезия, в то время как из
освоенных подтаежного и лесостепного – 7%.
Экстраполяции полученных результатов на гумидные и семигумидные водосборы рек третьего (в
масштабе карты 1:2,5 млн.) порядка (рис. 1, 2), которые занимают 40% и 8% макроарены Обской
губы соответственно, позволила оценить вынос 137Cs глобальных атмосферных выпадений в 13 –
310 1012Бк (0,4 – 8,4 кКи) 137Cs. Это составляет 0,1 – 2,2 % от общих запасов радиоцезия
глобальных атмосферных выпадений в макроарене.
Таким образом, охарактеризовано перемещение 137Cs глобальных атмосферных выпадений на 71%
территории макроарены Обской губы: областях внутреннего стока, открытых гумидных и
семигумидных водосборах. Дальнейшие исследования будут направлены на расчет выноса
радиоцезия из болотных ландшафтов и полупроницаемых зон.
Выводы
Проведена классификация территории макроарены Обской губы по транзитно-аккумулятивным
свойствам относительно 137Cs глобальных атмосферных выпадений. Максимальной емкостью
обладают области внутреннего стока, занимающие 23% макроарены, которые полностью
аккумулируют радиоцезий. Оставшиеся 77% макроарены Обской губы являются транзитными по
отношению к 137Cs.
Максимальный вынос радиоцезия характерен для освоенных территорий. Из ландшафтов
освоенных семигумидных и нетронутых гумидных водосборов рек третьего порядка выносится
0,013–0,31 1015Бк 137Cs. Эти территории занимают 48% макроарены Обской губы и дают основной
вклад в сток радиоцезия глобальных атмосферных выпадений.
Литература
1.
Бакунов Н. А., Большиянов Д. Ю., Саватюгин Л. М. Особенности выноса глобального 90Sr с
водосборов больших рек Субарктики в Северный Ледовитый океан// Проблемы Арктики и
Антарктики. 2009. №1 (81). С. 126 – 131
2.
Голосов В. Н. Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах освоенных
равнин. М.: ГЕОС. 2006. 296 с.
3.
Дедков А. П. Избранные труды. Казань: Изд-во Казанского ун-та. 2007. 580 с.
4.
Мирошников А. Ю. Закономерности распределения радиоцезия в донных отложениях
Карского моря// Геоэкология. 2012. №6. С. 516 – 526
5.
Рыжов Ю.В. Эрозионно-аккумулятивные процессы в бассейнах малых рек юга Восточной
Сибири // География и природные ресурсы. – 2009. - № 3. – с.94-101
6.
Семенков И. Н. Оценка транзитно-аккумулятивных свойств Обской макроарены по
отношению к 137Cs глобальных атмосферных выпадений// Материалы Первой научной школы
молодых ученых и специалистов ИГЕМ РАН. М.: ИГЕМ РАН. 2011. С. 13 – 15
7.
Симонов Ю. Г. Избранные труды. М.: РИТМ, 2008. 384 с.
8.
Страх Л.И. Геохимические барьеры краевой зоны болота Белорусского Полесья и
концентрации на них цезия-137. Дис... к.г.н. М.: МГУ.1999. 148 с.
9.
Щеглов А. И., Цветнова О. Б., Богатырев Л. Г. Роль лесных подстилок в миграции
элементов-техногенных загрязнителей// Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин.
Вып. 6. Екатеринбург: Бизнесс-проект. 2005. С. 248 – 268
10.
Aarkrog A. Environmental Studies on Radioecological Sensitivity and Variability with Special
Emphasis on the Fallout Nuclides 90Sr and 137Cs. Report Riso-R-437// Riso National Laboratory.
Denmark. 1979. P. 31.
11.
Baskaran M., Asbill S., Sanschi P., Davis T., Brooks D., Champ M., Makeyev V. Distribution of
239,240Pu and 238Pu Concentrations in Sediments from the Ob andYenisey Rivers and the Kara Sea//
Appl. Radiat, Isot. 1995. Vol. 46. №. 11. P. 1109-1119
12.
Chumichev V.B. Sr-90 discharge with main rivers of Russia into the Arctic Ocean during 1961–
1990. Scienfic Commitee of the Environmental Radioactivity in Arctic and Antarctic. Norvegian
Radiation Protection Authority. Osteras. Norway. 1995. P. 79–83.
13.
Porto P., Walling D. E., Callegari G. Investigating the effects of afforestation on soil erosion and
sediment mobilisation in two small catchments in Southern Italy// Catena. Vol. 79. 2009. P. 181–188
14.
Sources and effects of ionizing radiation. United nations scientific committee on the effects of
atomic radiation (UNSCEAR 2008) Report to the General Assembly with scientific annexes. Vol. 1.
N.Y.: United Nation. 2010. 463 p.