Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ASSESSMENT OF MINERAL WATER CONFORMITY TO RADIATION SAFETY REQUIREMENTS

Gontarev M.V. 1 Malov A.I. 1
1 Institute of Geodynamics and Geology of the Federal Center for Integrated Arctic Research RAS
Optimization of protective measures of sources of drinking water supply containing increased amounts of radionuclides should include their annual chemical and radiation monitoring, as well as hygienic assessment for compliance of groundwater quality with the requirements of existing national and international standards. In Russia, the total alpha activity of drinking and mineral waters should not be higher than 0,2 Bq/l. Monitoring of groundwater quality revealed an increase in the total alpha activity of uranium isotopes to 0,7–1,2 Bq/l in five wells located within the territory of the North Dvina depression of the Mezen syneclise. Increased alpha activity is associated with the location of wells near the reducing barrier in the aquifer where uranium has been deposited for a long time from groundwater. When wells are operating, an oxidizing environment is produced in the zone near the filter of the boreholes and uranium is transferred to the water from particle surface of rock. In this case, the rate of its transition is 3–4 times higher than in the case of direct dissolution of rocks. However, calculations have shown that these waters can be used provided that their radioisotope composition is monitored annually.
alpha-activity
uranium isotopes
mineral waters
radiation safety
Northern-Dvina depression
level of intervention

Исследование альфа- (α) активности минеральных подземных вод необходимо для оценки возможности их использования в бальнеологических целях.

По рекомендациям Всемирной организации здравоохранения концентрация урана в питьевой воде не должна превышать 30 мкг/л (~ 0,37 Бк/л), активность 234U – 1 Бк/л [14]. В соответствии с Нормами радиационной безопасности НРБ-99/2009 и СП 2.6.1.1292-2003 [1] объёмная суммарная α-активность воды не должна превышать 0,2 Бк/л. В случаях превышения этой величины необходимы дополнительные исследования радиоизотопного состава, включающие предварительную оценку минеральных подземных вод на соответствие требованиям радиационной безопасности. Согласно нормам вода признается безусловно соответствующей требованиям радиационной безопасности, если показатель SUM(Аi/УВi) ≤ 1, где Аi – удельная активность i-го радионуклида в воде, Бк/кг; УВi – соответствующий уровень вмешательства для i-го радионуклида. Если при совместном присутствии в воде действующих источников питьевого водоснабжения для нескольких природных радионуклидов это условие превышено не более чем в 10 раз, то вода признается соответствующей требованиям радиационной безопасности при обязательном установлении производственного контроля за содержанием основных радионуклидов в воде.

Нами выполнена оценка возможности использования минеральных вод Северо-Двинской впадины, эксплуатируемых 17 скважинами и двумя источниками, на основании определений в воде α-активностей чётных изотопов урана (238U; 234U), УВ для них составляют 3,0 и 2,8 Бк/кг [3, с. 181; 4].

Цель исследования: оценить соответствие минеральных вод Северо-Двинской впадины требованиям радиационной безопасности.

Материалы и методы исследования

Методика полевых исследований включает измерение основных физико-химических параметров воды, опробование и радиохимическую подготовку воды. Определения температуры (t в °C), реакции среды (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Eh в мВ), общей минерализации (TDS в г/л), кислорода (O2 в мг/л) подземных вод производились непосредственно на самоизливающих, реже – эксплуатируемых погружными насосами скважинах и источниках с использованием полевой экспресс-лаборатории Hanna Instruments с неопределенностью 0,1 °C, 0,05 единиц pH, 2 %, 2 %, 0,1 мг/л, соответственно. Пробы воды для определения ее химического состава фильтровали через фильтрующую насадку Миллекс, диаметр пор 0,45 мкм. Пробы на главные элементы и микроэлементы подкисляли 70 % ОХЧ HNO3. Радиохимическая подготовка минеральных подземных вод включала осаждение радионуклидов на специально подготовленный активированный уголь марки БАУ-А из водных проб объёмом 20 литров.

Альфа-спектрометрия с определением изотопов 234U, 238U выполнялась в лаборатории экологической радиологии Института геодинамики и геологии ФГБУН ФИЦКИА РАН, Архангельск в соответствии с методикой ВИМС [7]. Согласно данной методике последовательно выполняется комплекс радиохимических операций, в их числе: переведение навески пробы в раствор; выделение α-активных радиогенных элементов уран-ториевых рядов, с применением индикатора 232U; отделение от мешающих радионуклидов; приготовление электролитическим способом препарата счётного образца и его последующее электролитическое осаждение на подложку из коррозионно-стойкой нержавеющей стали. Спектрометрическое детектирование α-активных частиц осуществлялось с использованием альфа-спектрометра «Прогресс-альфа». Неопределенность измерений на приборе до 7–20 %. Определение α- и α-активных радионуклидов полония-210 и свинца-210 (210Po и 210Pb) проводилось в соответствии с методикой [8]. Содержание урана (в мкг/л) определялось масс-спектрометрическим анализом с индуктивно связанной плазмой без предварительного концентрирования (ICP-MS) на приборе Agilent 7500 в лаборатории LMTG, Toulouse, France. Неопределенность измерений 2 %. Щёлочность (HCO3- в мг/л) подземных вод устанавливалась методом потенциометрического титрования соляной кислотой на автоматизированном титраторе Metrohm 716 DMS Titrino с использованием Gran method с пределом обнаружения до 10-5 М и неопределенностью при - 0,5 ммоль/кг 1–3 %, при < 0,5 ммоль/кг 7 %.

Результаты исследований и их обсуждение

В общих случаях повышение радиологической активности может определяться более высокими концентрациями урана в водовмещающих отложениях [4, 6, 9, 14]. Однако поддержание высоких концентраций изотопов урана в подземных водах регламентируется окислительно-восстановительными и кислотно-щелочными условиями и содержанием карбонатов [10–13] (табл. 1).

Таблица 1

Результаты исследований физико-химического состава минеральных подземных вод Северо-Двинской впадины за 2012–2014 гг.

Скважина/*источник (ID Водопункта)

Номер пробы

Глубина,

метры

рН

Eh, мВ

t, °C

TDS, г/л

O2,

мг/л

HCO3-,

мг/л

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Беломорье-2 (B2)

А-13-12

200–400

8,1

– 80

6,9

19,2

0

42,7

27 км а/д (27km)

А-34-12

200–400

7,2

– 23

5,9

15,7

1,1

56,4

Лазурный-5 (L5)

А-6-12

200–400

8,3

Н.с.

Н.с.

15,2

Н.с.

Н.с.

Вождорма (Wo)

А-7-12

56–85

7,7

– 124

5,3

13,4

0

133

Лазурный-6 (L6)

А-5-12

80–120

8,4

– 182

Н.с.

9,1

Н.с.

Н.с.

Новодвинск (No)

А-19-14

56–85

8,3

– 82

6,8

10,1

1,2

34,8

Беломорье-1 (B1)

А-12-12

87–120

7,7

– 38

5,7

8,4

1,2

255

Мироново (Mi)

А-8-12

80–120

7,8

– 25

5,5

5,3

0

106

Матигоры-М (Mm)

А-10-12

23–33

7,8

Н.с.

Н.с.

4,4

Н.с.

Н.с.

*Куртяево 2-юг (Kss)

А-17-12

0,1

7,8

– 40

4,3

3,9

0

435

*Куртяево 2-св (Ks)

А-18-12

0,1

8,5

– 137

4,6

3,3

0

567

Куртяево-1 (Kw)

А-16-12

60–70

8,2

– 72

5,0

3,2

0,2

642

Куртяево-2 (Kw2)

A-26-13

60–70

8,1

– 216

Н.с.

2,7

Н.с.

1068

Матигоры-К (Mk)

А-11-12

23–33

8,2

Н.с.

Н.с.

0,678

Н.с.

Н.с.

Ильино (Il)

А-9-12

10–20

7,8

Н.с.

Н.с.

0,463

Н.с.

322

Илес (Is)

А-14-12

25–35

7,6

– 116

5,3

0,253

0

181

Чидвозеро (Ch)

А-19-12

80–120

8,2

– 129

4,9

0,251

1,4

177

Лесное-1 (Le)

А-15-12

60–70

8,2

– 24

5,0

0,209

6

159

Лесное-2 (Le2)

А-2-12

60–70

8,0

– 34

5,0

0,220

5,6

186,05

Анализ табл. 1 и измеренные α-активности основных дозообразующих радионуклидов, то есть 238U; 234U, показали, что их повышенные суммарные объёмные α-активности характерны для окислительных условий в водоносном горизонте (Eh –50 мВ). В данных условиях уран находится в виде уранил-карбонатных комплексов в U6+ состоянии. При снижении Eh < –50 мВ уран восстанавливается до формы U4+ и осаждается в виде уранинита, при этом его концентрации в воде резко падают (рисунок).

gont1.tif

Уран в подземных водах Северо-Двинской впадины в различных Eh-pH состояниях

Таблица 2

Альфа-активность минеральных подземных вод Северо-Двинской впадины за 2012–2014 гг.

Скважина/*источник (ID Водопункта)

Номер

пробы

Дата отбора

3Индекс

А238U, Бк/дм3

А238U /УВ238U

234U /238U

А234U, Бк/дм3

А234U /УВ234U

1SUMАi, Бк/л

2SUM

(Аi/УВi)

238U, мкг/л

Беломорье-2 (B2)

A-13-12

09.12

Vmz

0,0044

0,00146

4,54

0,02

0,00714

0,0244

0,0086

0,35358

27 км а/д (27km)

А-34-12

09.12

Vmz

0,017

0,00567

4,92

0,08

0,02857

0,09

0,03424

1,36612

Лазурный-5 (L5)

A-6-12

09.12

Vpd

0,001

0,00034

6,25

0,006

0,00214

0,007

0,00248

0,08036

Вождорма (Wo)

A-7-12

09.12

Vpd

0,172

0,05734

5,17

0,89

0,31786

1,06

0,37520

13,82192

Лазурный-6 (L6)

А-5-12

08.12

Vpd

0,006

0,00200

6,53

0,04

0,01428

0,046

0,01628

0,48216

Новодвинск (No)

А-19-14

04.14

Vpd

0,00459

0,00153

6,72

0,03084

0,01101

0,03543

0,01254

0,36885

Беломорье-1 (B1)

A-12-12

09.12

Vpd

0,1893

0,06310

5,33

1,01

0,36071

1,1993

0,42381

15,21715

Мироново (Mi)

А-8-12

09.12

Vpd

0,1048

0,03493

5,39

0,56

0,20000

0,6648

0,23493

8,42138

Матигоры-М (Mm)

A-10-12

09.12

Vpd

0,0901

0,03003

6,8

0,61

0,21786

0,7001

0,24789

7,24044

*Куртяево 2-юг (Kss)

А-17-12

09.12

fQIIIvd

0,0057

0,00190

5,26

0,03

0,01071

0,0357

0,01261

0,455756

*Куртяево 2-св (Ks)

А-18-12

09.12

fQIIIvd

0,011464

0,00382

2,62

0,03

0,01071

0,04146

0,01453

0,921305

Куртяево-1 (Kw)

A-16-12

09.12

Vpd

0,04455

0,01485

1,93

0,07

0,02500

0,11455

0,03985

3,58038

Куртяево-2 (Kw2)

A-26-13

09.13

Vpd

0,26008

0,08669

3,1

0,806

0,28786

1,06608

0,37455

20,8999

Матигоры-К (Mk)

A-11-12

09.12

Vpd

0,0009

0,00030

5,24

0,005

0,00178

0,0059

0,00208

0,07322

Ильино (Il)

A-9-12

09.12

fQIIIvd

0,02925

0,00975

1,30

0,04

0,01428

0,06925

0,02403

2,35024

Илес (Is)

A-14-12

09.12

Vpd

0,00007

0,000023

3,06

0,0002

0,00007

0,00027

0,000093

0,0056252

Чидвозеро (Ch)

A-19-12

09.12

Vpd

0,00011

0,0000364

3,17

0,0003

0,00011

0,00041

0,000146

0,00884

Лесное-1 (Le)

A-15-12

09.12

Vpd

0,02119

0,00706

1,43

0,03

0,01071

0,05119

0,01777

1,70282

Лесное-2 (Le2)

А-2-12

03.12

Vpd

0,02028

0,00676

1,43

0,02907

0,01038

0,04935

0,01714

1,62971

Примечания: 1 – Показатель SUMАi в Бк/л – определяется суммированием активностей чётных изотопов урана 234U и 238U; 2 – Показатель SUM (Аi/УВi) устанавливается с учётом значений уровней вмешательства УВ (238U = 3,0; 234U = 2,8 Бк/кг); 3 – Вмещающие водоносный горизонт отложения: Vpd – алевролиты и песчаники падунской свиты венда, Vmz – алевролиты мезенской свиты венда, fQIIIvd – песчано-гравийные флювиогляциальные отложения валдайского ледниковья среднего плейстоцена [2].

Радиологические исследования показали (табл. 2), что измеренная в 2012–2014 гг. объёмная суммарная α-активность изотопов урана SUMАi в минеральных подземных водах на скважинах Вождорма, Беломорье-1, Мироново, Матигоры-М, Куртяево-2 превышает нормативные требования НРБ-99/2009, СП 2.6.1.1292-2003 и МУ 2.6.1.1981-05. Повышенные активности приурочены к восстановительному барьеру в водоносном горизонте, на котором уран длительное время осаждался из подземных вод. Эксплуатация скважин привела к созданию локальной зоны окислительных условий и переходу урана в раствор.

В соответствии с выявленными показателями SUMАi и SUM(Аi/УВ) были выделены три группы (безопасные, малоопасные, повышенной опасности) минеральных подземных вод, отобранных с территории Северо-Двинской впадины, согласно характеристике «радиационная безопасность». По этому параметру все водопункты структурированы в табл. 3.

Таблица 3

Радиационная безопасность минеральных подземных вод Северо-Двинской впадины

ID водопунктов

Интервал SUMАi, Бк/л

Интервал SUM(Аi/УВi)

Характеристика

L5, Mk, Is, Ch, 27km, B2, L6, No, Kss, Ks, Kw, Le, Le2, Il

0,0001–0,2

0,0001–0,2

Безопасные

Mm, Mi

0,45–1,0

от 0,2 до 0,3

Малоопасные

B1, Wo, Kw2

более 1,0

0,3–0,45

Повышенной опасности

Суммарная объёмная α-активность чётных изотопов урана (Бк/л) или SUMАi в минеральных водах на скважинах: Беломорье-1 (1,19), Вождорма (1,06), Мироново (0,66), Матигоры-М (0,70), Куртяево-2 (1,06) выше значения 0,2. В связи с этим вода со скважин по характеристике «радиационная безопасность» может быть отнесена к группам с малой и повышенной опасностью (соответственно) с интервалом значений 0,45–1,0 и более 1,0 Бк/л. Однако проверка тех же водопунктов на показатель SUMАi с учётом УВ выявила его численные значения: Беломорье-1 (0,42), Вождорма (0,37), Мироново (0,23), Матигоры-М (0,25), Куртяево-2 (0,37), которые соответствуют интервалу 0,2–0,3 и 0,3–0,45 представленному в табл. 3 для показателя SUM(Аi/УВi). Последние полученные значения согласно требованиям НРБ-99/2009 и СП 2.6.1.1292-2003 отвечают условию SUM(Аi/УВi) 1. Следовательно подземные воды с этих скважин могут быть использованы в качестве минеральных в соответствии с их медико-терапевтическим назначением.

Изучаемые минеральные воды находятся на фронте зоны пластового окисления. Под данным понятием подразумевается граница между областями с окислительными и восстановительными для U6+ условиями. К этой зоне приурочен особый тип минеральных вод с TDS в пределах 5–10 г/л. На правом берегу р. Северной Двины, где водоносный комплекс терригенных отложений венда залегает под карбонатно-терригенными породами среднего карбона (С2), подземные воды имеют хлоридно-натриевый состав. В условиях перекрытия водоносного комплекса нижнекарбоновыми и верхнедевонскими загипсованными породами (С1-D3) на левом берегу реки, воды характеризуются сульфатно-хлоридно-натриевым и сульфатно-хлоридно-кальциево-натриевым составами. При этом характерные значения Еh свыше –50 мВ минеральных вод, указывают на окислительные условия в водоносном горизонте, где уран должен находиться в растворе (рис. 1). Поэтому концентрации урана в таком типе вод являются максимальными и в среднем составляют 8,3 мкг/л [3, 9].

В настоящее время существует необходимость определения в подземных водах и других радионуклидов: 210Ро, 210Pb, 226Ra, 228Ra, 232Th, 230Th, 228Th с целью оценки их радиационной безопасности.

Стабильное присутствие в минеральной воде радионуклидов с суммарной альфа-активностью выше 0,2 Бк/л указывает на целесообразность осуществления оценки доз внутреннего облучения (ДВО) населения, а также разработки и осуществления соответствующих защитных мероприятий.

Пример предварительной оценки радиационной безопасности минеральной и пресной воды на водопунктах Беломорье-1 и Лесное

В 2016 году нами были отобраны пробы подземных вод на скважинах Беломорье-1 и Лесное с целью оценки ДВО за счет потребления этих вод. Полученные активности составляют (в Бк/дм3):

Беломорье-1: альфа-активные изотопы 238U = 0,1305; 234U = 0,6907; 226Ra = 0,1101; 232Th = 0; 210Po = 0,0028; бета-активные изотопы 210Pb = 0,0012 Бк/дм3. Общая альфа-активность: 0,9341 Бк/дм3.

Лесное: альфа-активные изотопы 238U = 0,0120; 234U = 0,0173; 226Ra = 0,0561; 232Th = 0; 210Po = 0,0006; бета-активные изотопы 210Pb = 0,0019 Бк/дм3. Общая альфа-активность: 0,086 Бк/дм3.

Результаты анализов 2016 года подтверждают, что условие: SUMАi ≤ 0,2 Бк/кг не выполняется для скважины Беломорье-1; однако условие SUM(Аi/УВi) ≤ 1 соблюдается:

SUM(Аi/УВi) = 238U/УВ238U + 234U/УВ234U + + 210Po/УВ210Po + 226Ra/УВ226Ra + + 232Th/УВ232Th = 0,1305/3,0 + 0,6907/2,8 + + 0,0028/0,11 + 0,1101/0,49 + 0/0,6 = 0,54.

Оценка дозы облучения населения (Е) за счёт потребления питьевой воды осуществляется согласно условию (1), полученному для величины стандартного потребления питьевой воды 730 кг/год. Согласно формуле определяется вклад всех природных радионуклидов в облучение населения за счёт потребления питьевой воды, кроме радона, и при Е свыше 0,1 мЗв/год, рассматривается вопрос о целесообразности разработки и осуществления защитных мероприятий.

gon01.wmf (1)

где М – среднее годовое потребление питьевой воды, кг/год (730);

Аi – среднегодовое значение удельной активности i-го радионуклида в воде источников питьевого водоснабжения жителей населенного пункта (района и т.п.), Бк/кг;

di – дозовые коэффициенты, численные значения которых принимаются в соответствии с Приложениями 3а и 3б МУ 2.6.1.2713-10. 2.6.1, Зв/Бк.

Доза облучения населения по шести определенным изотопам за счёт потребления воды с двух скважин по формуле (1) составила:

Беломорье-1: Е = 7,3•105•(4,5•10-8•0,1305 + + 3,4•10-9•0,6907 + 6,9•10-7•0,00115 + + 1,2•10-6•0,00277 + 2,8•10-7•0,11013 + + 2,3•10-7 ≤ 0) = 0,0315, мЗв/год;

Лесное: Е = 7,3•105•(4,5•10-8•0,0120 + + 3,4•10-9•0,0173 + 6,9 ×10-7×0,0019 + + 1,2•10-6•0,00057 + 2,8•10-7•0,05607 + + 2,3•10-7•0) = 0,0133, мЗв/год.

Таким образом, значение Е для пресных и минеральных вод (соответственно равно 0,0133 и 0,0315 мЗв/год) отвечает норме 0,1 мЗв/год. Поэтому использование минеральных и пресных вод санатория Беломорье и скважины Лесное возможно без ограничений.

Заключение

1. В подземных минеральных водах зарегистрированы повышенные α-активности изотопов урана (в сумме до 0,7–1,2 Бк/л). Эти воды можно использовать, при условии дополнительного изучения их радиоизотопного состава.

2. Повышенные α-активности приурочены к восстановительному барьеру в водоносном горизонте, на котором уран длительное время осаждался из подземных вод.

3. Несмотря на превышение ПДК по α-активности, условие SUMi(Ai/УВi) ≤ 1 выполняется. В связи с этим доза облучения за счёт потребления питьевой воды даёт значение (Е) меньше 0,1 мЗв/год. Поэтому воду этих скважин можно использовать для питья без ограничений.

4. Однако необходим ежегодный контроль радиологического состояния подземных вод Северо-Двинской впадины, используемых для водоснабжения и бальнеологических целей.