Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Одним из значительных по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением окружающей среды является загрязнение тяжелыми металлами. В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, медь, которые в определенных концентрациях могут оказывать отрицательное действие на гидробионтов. Оценка загрязненности водных масс и донных отложений (ДО) водоемов тяжелыми металлами важна для оценки их экологического состояния. В условиях теплового загрязнения водоемов токсичность загрязняющих веществ может усиливаться.

Цель исследования: изучение содержания тяжелых металлов в водных массах и донных отложениях озер Песьво и Удомля, которые являются водоемами-охладителями Калининской АЭС.

Материалы и методы исследования

Оценка загрязненности воды и донных отложений водоемов-охладителей тяжелыми металлами проводилась по результатам исследований, выполненных авторами в сентябре 2010 г. и июле и октябре 2017 г. Пробы воды отбирали из поверхностного слоя воды согласно ГОСТ 31861-2012 [1]. Для отбора проб ДО использовали дночерпатель ДЧ-0.025. Этот дночерпатель предназначен для отбора смешанной пробы с поверхностного слоя грунта с нарушением стратификации слоев (ГОСТ 17.1.5.01-80 [2]). Всего было отобрано 40 проб воды и 10 проб донных отложений.

Определение металлов в пробах воды и ДО производилось на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-6800F (производитель корпорация SHIMADZU, Япония) в аттестованной химической лаборатории Иваньковской НИС – филиале Института водных проблем РАН. Определение макрокомпонентов производилось в той же лаборатории.

Точки отбора проб воды и донных отложений в 2017 г. представлены на рисунке.

Результаты исследования и их обсуждение

Калининская АЭС расположена на севере Тверской области, примерно в 120 км от г. Твери. Площадка АЭС находится на южном берегу оз. Удомля, около одноименного города, в 2,7 км восточнее оз. Песьво. Озера соединены между собой прорезью. В озеро Песьво поступают сточные воды от г. Удомли, численность населения которого составляет 29 тыс. чел. Озера также используются для товарного рыборазведения и в рекреационных целях местным населением. Станция состоит из четырех энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-1000 электрической мощностью 1000 МВт, которые были введены в промышленную эксплуатацию в 1984, 1986, 2004 и 2011 гг.

Изучение химического состава воды и донных отложений проводилось не только на водоемах-охладителях Калининской АЭС (озерах Песьво и Удомля), но и на фоновых озерах (Наволок и Кезадра) (табл. 1). Аналогом мелководного озера-охладителя Песьво служит мелководное озеро Наволок, глубоководного озера-охладителя Удомля – глубоководное озеро Кезадра.

Озера Удомля и Песьво соединены между собой короткой протокой (длиной около 100 м и шириной 60 м) и с 1984 г., после строительства Калининской АЭС, используются в качестве единого водоема-охладителя. Водоем носит название водохранилища Калининской АЭС общей площадью водного зеркала 21,2 км2. Водосборная площадь водохранилища 400 км2.

Исследования авторов в 2010 и 2014 гг. [5–7] показали, что химический состав воды в водоемах-охладителях Калининской АЭС практически однороден по большинству показателей, отличия наблюдаются в районе выпуска коммунально-бытовых и промышленных сточных вод от г. Удомли. На большинстве станций отмечаются превышения температуры воды относительно естественного фона на 6–10 °С в период открытой воды. Воды озер относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы, по степени минерализации являются пресными, по величинам жесткости – мягкими, по значениям рН – слабощелочными и щелочными. Слабощелочные воды формируются при разложении органических веществ и поступлении угольной и других органических кислот. Кислородный режим благоприятный: концентрация растворенного кислорода постоянно находится выше установленных норм для зимнего (не менее 4 мгО2/дм3) и летнего (не менее 6 мгО2/дм3) периодов. Концентрации биогенных элементов (ионы аммония, нитратов, общего фосфора) и показателей содержания органических веществ (перманганатная (ПО) и бихроматная окисляемость (ХПК), БПК5) на большинстве станций не превышают ПДКрыб-хоз. Концентрации общего фосфора, аммонийного азота, нитритов и нитратов, значительно превышающие ПДК, наблюдаются в районе выпуска сточных вод от г. Удомля.

Сравнительный анализ гидрохимических характеристик озер-охладителей и оз. Наволок показал, что для водной массы водохранилища Калининской АЭС характерны более высокие значения рН, жесткости, щелочности и минерализации воды, чем в фоновом озере Наволок. В озерах-охладителях концентрации сульфатов примерно в три раза выше, чем в оз. Наволок. Летом концентрации хлоридов в озерах-охладителях выше, чем в оз. Наволок, в 15 раз. Более высокие концентрации железа общего, общего фосфора и нитратов, цветности, ПО и ХПК, наоборот, выше в оз. Наволок, чем в озерах-охладителях. Концентрации нитратов, меди и свинца выше в озерах-охладителях, чем в фоновых озерах. Концентрации цинка и хрома примерно равны во всех озерах.

В [8] отмечено, что с момента пуска АЭС в озерах-охладителях достоверно увеличились концентрации гидрокарбонатов, сульфатов, кальция и магния и рН, что подтверждено и нашими исследованиями. В 1990-х гг. значения ПО в воде колебались в интервале 7,9–16,3 мгО/дм3. По нашим данным значения ПО в озерах в настоящее время варьируют в интервале 11–18 мгО/дм3, что ниже, чем в фоновом озере Наволок.

В ходе исследований 2017 г. установлено, что железо переносится водной средой из фоновых озер Наволок и Кезадра (диапазон концентраций от 0,2 до 0,5 мг/дм3) с нейтральным рН в слабощелочные воды озер-охладителей Песьво и Удомля (концентрации менее 0,1 мг/дм3), где происходит его осаждение.

Исследования показали, что концентрации микроэлементов в поверхностных водах озер изменяются в интервале: меди – от 0,0014 (оз. Кезадра) до 0,0142 (оз. Песьво, д. Митрошино) мг/дм3, свинца – от 0,0022 (оз. Кезадра) до 0,0146 (отводящий канал в оз. Песьво; исток р. Съежа) мг/дм3, цинка – от 0,0071 (отводящий канал в оз. Удомля) до 0,1292 (оз. Песьво, г. Удомля), хрома от 0,0 (оз. Удомля, о. Двиново) до 0,037 (исток р. Съежа).

Максимальные концентрации железа общего отмечены в северной части оз. Удомля и юго-западной части оз. Песьво (район впадения р. Съючи), а также в озерах Наволок и Кезадра; марганца – в оз. Песьво (район г. Удомля) и оз. Наволок; меди – в оз. Удомля и Песьво по всем точкам наблюдения водных масс, задействованных в цикле охлаждения производственных вод; свинца – в районе очистных сооружений г. Удомли и отводящего канала от АЭС в оз. Песьво, в истоке р. Съежи; цинка – в районе очистных сооружений г. Удомли и в устье р. Съючи.

Сравнительный анализ микрокомпонентного состава выявил увеличение средних концентраций железа общего, марганца, свинца и цинка в 2017 г. по сравнению с 2010 г. и снижение концентрации меди (табл. 2).

Благодаря высокой температуре и слабощелочному рН в водной среде происходит активная миграция меди, свинца и цинка природного и антропогенного происхождения, концентрации хрома не превышают региональных фоновых концентраций [9].

Механический состав донных отложений озер представлен: заиленными сапропелями мощностью слоя 10–30 см, занимающими площадь около 4 км2 (38 % площади оз. Песьво, 66 % – оз. Удомля); серыми илами, распространенными на площади в 3,2 км2 оз. Песьво (31 %); песками площадью 2,8 км2 на оз. Песьво (27 %) и 1,6 км2 на оз. Удомля (25 %); отложениями из макрофитов мощностью слоя 5–30 см на площади около 0,2 км2 (2 %); остальные отложения – затопленные почвы, отторфованный ил, супеси и суглинки Чаще можно наблюдать сочетание донных отложений, формирующих грунтовые комплексы в устьях рек [10].

Химический анализ проб ДО, отобранных летом 2017 г., показал, что в ДО озер Кезадра и Наволок наблюдались концентрации железа общего в 1,5–6 раз выше, чем в озерах Удомля и Песьво. Концентрации сульфатов в ДО озер Кезадра и Песьво были близки между собой, а в озере Наволок – в 2–4 раза выше по сравнению с остальными озерами. Концентрации хлоридов в оз. Удомля в районе сброса сточных вод от г. Удомля превышали природный фон (оз. Кезадра) более чем в 4 раза.

Выявлено, что в озерах-охладителях в ДО концентрации меди выше, чем в ДО фоновых озер, а концентрации цинка, наоборот, выше в ДО фоновых озер (табл. 3).

Формулы геохимических ассоциаций для исследованных озер: Zn5.9-Fe5.7 (о. Наволок и о. Кезадра), Cu10.3-Fe2.4 (о. Песьво и о. Удомля). Содержание свинца и хрома в донных отложениях в 2017 г. не было обнаружено. Возможно, это связано с отложением этих элементов глубже по профилю распределения донных отложений, а также накоплением их в биоте озер.

В различные годы оценка содержания микроэлементов в донных отложениях озер Удомля и Песьво проводилась путем сравнения концентрации элементов с их средним содержанием в осадочных породах – кларком (2000 и 2002 гг.) [10], либо с использованием фонового содержания в озерах Наволок и Кезадра (2017 г.). Концентрации микроэлементов в ДО в 2017 г. были около или равны кларку (фону) для марганца, молибдена, свинца, селена, олова, меди, цинка, железа общего [10], около или равны для цинка и железа общего.

В 2000 и 2002 г. [10] в ДО были определены концентрации цинка, бериллия, кадмия, а в 2017 г. меди выше кларка (фона).

Согласно суммарному показателю загрязнения Zс, отражающему аддитивное превышение фонового уровня группой ассоциирующихся элементов, уровень загрязнения ДО подвижными формами металлов – слабый, а экологическая обстановка – допустимая [9].

Выводы

В озерах Песьво и Удомля формируется особый гидрохимический режим, характерный для природно-техногенных объектов. Слабощелочные, подогретые воды озер с высокими концентрациями главных ионов (гидрокарбонатов, кальция, магния, сульфатов и хлоридов) создают условия для активной миграции меди, свинца и цинка, осаждения железа.

Анализ микрокомпонентного состава воды и донных отложений озер Песьво и Удомля за 2010 и 2017 гг. (табл. 2) показал, что:

– предельно допустимые концентрации (ПДК) для рыбохозяйственных водоемов превышены в воде озер-охладителей Калининской АЭС для таких ингредиентов, как: железо общее, марганец, медь, свинец, цинк;

– произошло снижение в воде средних концентраций железа и меди в 2017 г. по сравнению с 2010 г.

– максимальные концентрации железа, меди и свинца наблюдаются в летний период;

– превышения концентраций хрома (2017 г.), кадмия, кобальта, никеля (2010 г.) в сравнении с ПДКрыб не наблюдается.

– поступление железа и марганца связано с природными источниками, в данном случае – заболоченностью водосборной территории.

– уровень загрязнения ДО водорастворимыми формами металлов – слабый, а экологическая обстановка – допустимая;

– возможно вторичное загрязнение воды химическими соединениями посредством взмучивания донных отложений по направлению течений в озерах, в местах сброса сточных вод и впадения рек.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Тверской области в рамках научного проекта № 17-45-690600.