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

ASSESSMENT OF POLLUTION WITH HEAVY METALS OF WATER AND BOTTOM SEDIMENTS OF THE COOLER-PONDS OF THE KALININ NUCLEAR POWER PLANT

Kuzovlev V.V. 1 Grigoreva I.L. 2 Komissarov A.B. 2 Chekmareva E.A. 2
1 Tver State Technical University
2 Ivankovskaya Research Station the Department of Water Problems Institute of Russian Academy of Science
The hydrochemical characteristic of cooler-ponds of Kalinin NPP on the results of studies in 2014 and 2017 were given. It is established that water of lakes belong to the hydrocarbonate class of calcium group, the degree of mineralization is fresh, the quantities of hardness – soft, pH – slightly alkaline and alkaline. The results of field studies of the content of a number of heavy metals (iron, manganese, copper, zinc, lead, cadmium, chromium) in water and bottom sediments of cooler-ponds Pesvo and Udomlya, as well as background lakes Navolok and Kezadra. Studies were carried out in autumn 2010 and summer and autumn 2017, water sampling was carried out at 9 points in the cooling-lakes from the surface horizon. In 2017 the maximum allowable concentration (MAC) for fishery water objects are exceeded in water of the cooling-lakes for such ingredients as iron total, manganese, copper, lead, zinc. It was recorded that there was a decrease in the average concentrations of total iron and copper in water in 2017 compared to 2010. It was noted that the maximum concentrations of total iron, copper and lead in the water of lakes are observed in the summer. Concentrations of chromium, cadmium, cobalt, nickel did not exceed MAC for fishery water bodies. High concentrations of total iron and manganese in water can be explained by the high degree of wetland catchment. It is established that the level of pollution of water-soluble forms of metals and ecological situation-admissible. Secondary pollution of water by chemical compounds is possible as a result of bottom sediments in the direction of currents in lakes, in places of wastewater discharge and inflow.
Kalinin NPP
heavy metalls
water mass
bottom sediments
lakes Pesvo
Udomlya
Navolok
Keazadra
1. GOST 31861-2012 Voda. Obshhie trebovaniya k otboru prob. – M.: Izd-vo Standartinform, 2013. – 60 p.
2. GOST 17.1.5.01-80. Gidrosfera. Obshhie trebovaniya k otboru prob donny`x otlozhenij vodny`x ob``ektov dlya analiza na zagryaznennost`. – M.: Izd-vo Gosstandart, 1980. – 7 p.
3. Predvaritel`ny`e materialy` po ocenke vozdejstviya na okruzhayushhuyu sredu e`kspluatacii e`nergoblokov № 2, 3 Kalininskoj AE`S na moshhnosti reaktornoj ustanovki 104 % ot nominal`noj, g. Udomlya, 2013. – 333 p.
4. Gosudarstvenny`j vodny`j reestr. URL: http://www. http://textual.ru/gvr/ (data obrashheniya: 10.02.2018).
5. Ocenka sovremennogo sostoyaniya kachestva vody` vodoyomov-oxladitelej Kalininskoj AE`S / I.L. Grigor`eva [i dr.] // Promy`shlennoe i grazhdanskoe stroitel`stvo. – 2014. – № 2. – pp. 66–69.
6. Grigor`eva I.L. Vliyanie Kalininskoj AE`S na termicheskij i gidroximicheskij rezhimy` i sostoyanie soobshhestv fitoplanktona vodoemov-oxladitelej / I.L. Grigor`eva, A.B. Komissarov, E.A. Chekmareva // Ledovy`e i termicheskie processy` na vodny`x ob``ektax Rossii: trudy` V Vserossijskoj konferencii (Vladimir: Izd-vo RGAU-MSXA, 11–14 oktyabrya 2016 g.). – Moskva. 2016. – pp. 101–106.
7. Komissarov A.B. Gidroximicheskaya xarakteristika vody` i sostoyanie soobshhestv fitoplanktona vodoemov–oxladitelej Kalininskoj AE`S v 2014 g. / A.B. Komissarov, I.L. Grigor`eva, E.A. Chekmareva // Kachestvo vody`. Geoe`kologiya: trudy` VI mezhd. nauch.-prakt. konf. (g. Perm` 29 maya – 1 iyunya 2017 g.). – Perm`: Izd-vo Perm. gos. nacz. issled. un-t. 2017. – T. 2. – pp. 86–91.
8. Geografiya Udomel`skogo rajona. – Tver`: Izd-vo RIU Tverskogo universiteta, 1999. – 356 p.
9. Kuzovlev V.V. Vliyanie krupny`x ob``ektov teploe`nergetiki Tverskoj oblasti na sovremennoe gidroe`kologicheskoe sostoyanie vodoemov-oxladitelej / V.V. Kuzovlev, I.L. Grigor`eva, A.B. Komissarov, E.A. Chekmaryova // Trudy` regional`ny`x nauchny`x proektov Tverskoj oblasti 2017 goda v sfere fundamental`ny`x issledovanij: sbornik nauchn. trudov. – Tver`: Izd-vo Tver. gos. un-tа, 2017. – pp. 35–69.
10. Tixomirov O.A. Monitoring e`kologicheskogo sostoyaniya donny`x otlozhenij vodoema-oxladitelya Kalininskoj AE`S / O.A. Tixomirov, L.K. Tixomirova // Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: geografiya i geoe`kologiya. – 2007. – № 3. – pp. 33–42.

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.

kuzov1.tif

Карта-схема озер-охладителей Удомля и Песьво. Точки отбора: пробы воды: 1 – отводящий канал от КАЭС в оз. Песьво; 2 – оз. Песьво, выпуск с о/с г. Удомли; 3 – отводящий канал от КАЭС в оз. Удомля; 4 – протока из оз. Песьво в оз. Удомля, «Троица»; 5 – исток р. Съежа; 6 – оз. Удомля, «Чайка» (уст. р. Тихомандрицы); 7 – оз. Удомля, о. Двиново; 8 – оз. Песьво, д. Митрошино; 9 – оз. Песьво, д. Каменка (уст. р. Съюча). kuzov1a.wmf – пробы донных отложений: 1 – д. Стан (ист. р. Съежа), 2 – оз. Песьво, выпуск с о/с г. Удомли

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.

Таблица 1

Параметры озер в районе Калининской АЭС, по [3, 4]

Тип и название водного объекта

Площадь водоема, км2

Водосборная площадь, км2

Глубина

сред./max, м

Водохранилище КАЭС, в том числе:

1

Озеро Удомля

10,1

400

10/38

2

Озеро Песьво

6,3

128

2,7/5,2

Озеро Кезадра

8,7

120

5,6/20,7

Озеро Наволок

12,5

105

2,3/3,4

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).

Таблица 2

Микрокомпонентный состав воды озер Песьво и Удомля (в числителе – минимум и максимум, в знаменателе – среднее), 2010 г. [5], 2017 г. [по данным авторов]

Ингредиент

Значение, мг/дм3

ПДКрыб.

2010 г.

2017 г.

Железо общее

0,02–0,15

0,027

0,04–0,58

0,119

0,1

Марганец

0,0006–0,0109

0,0007

0,02–0,17

0,044

0,01

Медь

0,029–0,038

0,031

0,0024–0,0142

0,010

0,001

Свинец

0,00008–0,00135

0,00014

0,006–0,0146

0,0099

0,006

Цинк

0,0022–0,0239

0,0057

0,0071–0,1292

0,0323

0,01

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).

Таблица 3

Значения (мг/100 г) / коэффициенты (Кс) концентрации водорастворимых форм тяжелых металлов в пробах донных отложений изученных озер (лето 2017 г.)

Место отбора

Сu

Zn

Fe

оз. Кезадра

0,035/1,0

0,221/5,9

–/5,7

оз. Наволок

0,061/1,7

0,214/5,8

–/–

оз. Песьво/сброс сточных вод

0,615/17,6

0,037/1,0

–/3,7

оз. Удомля/исток р. Съежа

0,103/2,9

0,050/1,4

–/1,0

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.