Расчет обобщенных показателей радиационно-экологического риска для районов Баренцева и Карского морей, подверженных воздействию ядерно и радиационно опасных объектов

Полный текст

Введение

Ежегодно Арктический регион России приобретает все большую значимость для экологии и мировой экономики. Через Российскую Арктику проходит «Северный морской путь», который является кратчайшей коммуникацией между Европой и Азией. Северный маршрут в три раза короче классического пути через Средиземное море и Индийский океан. На территории Арктики находятся значительные запасы биоресурсов и углеводородного сырья, а природные процессы, происходящие в этом регионе, оказывают влияние на климат всей планеты [1].

В прошлом Арктика подвергалась радиационному воздействию от таких источников, как испытания ядерного оружия в XX в.; сброс жидких радиоактивных отходов с европейских предприятий; затопленные и затонувшие атомные подводные лодки, ядерно и радиационно опасные объекты (ЯРОО);  атмосферные выпадения после аварии на Чернобыльской АЭС [1]. Наибольшее воздействие источники поступления радионуклидов оказали на западные моря Арктического региона, а именно Баренцево и Карское. Баренцево море отличается высоким биологическим разнообразием за счет благоприятной температуры воды, которая вызвана теплым Нордкапским течением.  Биота арктических морей более уязвима, чем обитатели водоемов умеренных широт [2].

При радиоактивном загрязнении морей пути облучения морских организмов могут существенно отличаться от путей облучения человека. Например, морская биота, проживающая постоянно или периодически вблизи дна, подвержена внешнему облучению радионуклидами от донных отложений.  В этом случае необходимо отказаться от антропоцентрического подхода  «Защищен человек = защищена окружающая среда» в пользу экоцентрического [3; 4]. МКРЗ были подготовлены публикация № 108 «Защита окружающей среды: концепция референтных животных и растений» и публикация  № 124 «Защита окружающей среды при различных ситуациях облучения»[18].  В основных нормах безопасности МАГАТЭ выдвинуто требование о необходимости подтверждения (а не гипотетического предположения), что окружающая среда защищена от воздействия радиоактивных загрязнителей[19].  Также в соответствии с постановлением Правительства РФ № 639 важным  принципом функционирования системы мониторинга является совершенствование инструментов и методов выявления изменений радиационной обстановки, оценки и прогноза радиационно-экологических рисков[20].

ФГБУ «НПО «Тайфун» были разработаны рекомендации по оценке риска от радиоактивного загрязнения окружающей среды по данным мониторинга радиационной обстановки, которые позволяют выполнить интегральную радиоэкологическую оценку[21]. Одним из способов такой оценки является определение обобщенных показателей риска (ОПР) в компонентах водной среды с предварительным расчетом интегральных показателей загрязнения (ИПЗ) радионуклидами воды и донных отложений [7].

Ежегодно ФГБУ «НПО «Тайфун», в ходе экспедиций, проводит радиационный мониторинг компонентов морской среды вокруг ЯРОО. Одними из наиболее опасных, с точки зрения радиоэкологии, объектов являются:

–  атомная подводная лодка (АПЛ) К-159, которая затонула при буксировке в Баренцевом море 30 августа 2003 г. в районе острова Кильдин;

–  залив Литке архипелага Новая Земля, расположенный в зоне прошлых испытаний ядерного оружия;

–  залив Степового архипелага Новая Земля, который содержит затопленные ТРО и АПЛ К-27 и также подвергся влиянию ядерных испытаний XX в.;

–  Новоземельская впадина, в которой находятся затопленные твердые радиоактивные отходы и реактор АПЛ заказа № 421 [1]. Рассмотренные  потенциальные радиационно опасные объекты представлены на рисунке. 

По результатам радиационного мониторинга в воде, донных отложениях и биоте, вокруг ЯРОО, были обнаружены преимущественно следующие  радионуклиды: ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и ^239,240Pu [1; 7].

 

 

Карта объектов исследования в Баренцевом и Карском морях

Источник: составлено авторами.

Материалы и методы

При определении обобщенного показателя риска учитываются несколько факторов: пространственный масштаб, интенсивность и продолжительность радиационного воздействия на окружающую среду.

Для расчета и анализа обобщенного показателя риска использовались  рекомендации ФГБУ «НПО «Тайфун» Росгидромета[22]. Показатели риска рассчитывали по формуле

   ОПР = А_пр·А_вр·ИРВ_б,                                         (1)                     

где А_пр – коэффициент, учитывающий пространственный масштаб загрязнения территории, безразмерный; А_вр – коэффициент, учитывающий временной масштаб радиационного воздействия, безразмерный; ИРВ_б – показатель  интенсивности радиационного воздействия на компоненты морской среды, безразмерный[23].

Данные показатели определяли согласно градациям из рекомендаций[24].  С помощью шкалирования оценивали, насколько значительную площадь занимает загрязнитель и как долго радиационный объект воздействует на окружающую среду.

А_пр и А_вр определяются на основе данных мониторинга, модельных или экспертных оценок. А_пр равен 1, если территория радиационного объекта не превышает 10 км²; 2 – для территории до 100 км², 3 – для территории площадью свыше 100 км². Если радиационный объект воздействует на окружающую среду не более месяца, то А_вр равен 1; не более года – 2; более года – 3.

Одним из способов определения ИРВ_б является сопоставление его с интегральным показателем загрязнения, который рассчитывается по формуле (2). Если ИПЗ значимо не отличается от фона, то ИРВ_б равен 1;  при ИПЗ < 0,1 ИРВ_б равен 2; при ИПЗ < 1 ИРВ_б равен 3; при ИПЗ ≥ 1 ИРВ_б равен 30 [10].

,                                                (2)

где   - удельная активность (УА) i-го радионуклида в компоненте морской среды (вода, донные отложения, Бк/кг сырого веса);  - контрольный уровень (КУ) активности i-го радионуклида в соответствующем компоненте морской среды (вода, донные отложения, Бк/кг сырого веса)[25].

Контрольный уровень содержания радионуклидов в морской воде является показателем качества окружающей среды, который способен обеспечить приемлемый экологический риск за счет непревышения критерия предельно допустимого радиационно-экологического воздействия на объекты морской среды (пороговой мощности дозы, мГр/сут). Единицами измерения контрольных уровней являются Бк/л и Бк/кг в воде и донных отложениях соответственно, за счет чего их удобно использовать для оперативного мониторинга. С целью получения контрольных уровней содержания радионуклидов в воде и донных отложениях для региональной биоты ФГБУ «НПО «Тайфун» были разработаны рекомендации[26] и утверждены Росгидрометом. Формула из рекомендаций отражает прямую зависимость контрольного уровня с максимально допустимой мощностью дозы, которая не приводит к появлению детерминированных эффектов у биоты. Таким образом, контрольный уровень – это отношение мощности дозы к показателям, отражающим особенности биоты, проживающей в рассматриваемом регионе; вид ионизирующего излучения от определенного радионуклида; накопление радионуклидов в биоте (коэффициент накопления); распределение радионуклидов между морской водой и донными отложениями (коэффициент распределения). Для определения  коэффициентов накопления и коэффициентов распределения использовались данные удельных активностей радионуклидов, полученные в ходе мониторинга НПО «Тайфун» и значения из литературных источников [14; 15].  КУ содержания радионуклидов в компонентах Баренцева и Карского морей были рассчитаны ранее и приведены в публикациях [15; 16].

Удельные активности радионуклидов в воде и донных отложениях  Баренцева, Карского морей и их районов, подверженных воздействию ЯРОО, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Удельные активности техногенных радионуклидов в пробах воды и донных отложений, отобранных вблизи ЯРОО Баренцева и Карского морей (2006-2021 гг.)

 

Объект оценки	Радио-нуклид	УА в воде, Бк/л	Двусторонний доверительный интервал УА в воде	УА в донных отложениях, Бк/кг	Двусторонний доверительный интервал УА  в донных отложениях
1	2	3	4	5	8
Баренцево море
К-159	137Cs	2,0·10-3	[1,1·10-3-4,3·10-3]	2,5·100	[1,6·100-3,4·100]
	90Sr	2,8·10-3	[1,9·10-3-3,8·10-3]	9,7·10-1	[3,6·10-1-1,4·100]
	239,240Pu	4,7·10-6	[1,4·10-6-6,1·10-6]	2,8·10-1	[9·10-4-1,1·100]
Окончание табл. 1
1	2	3	4	5	8
Открытое Баренцево море	137Cs	1,7·10-3	[6,2·10-4-2,8·10-3]	6·10-1	[2·10-1-2,5·100]
	90Sr	1,8·10-3	[1,0·10-3-3,9·10-3]	7·10-1	[4,9·10-1-7·10-1]
	239,240Pu	4,8·10-6	[2,4·10-6-1,1·10-5]	8,3·10-1	[3,1·10-1-1,1·100]
Карское море
Залив Литке	137Cs	1,5·10-3	[1,3·10-3-1,8·10-3]	6,98	[0, 38-13, 05]
	90Sr	2,4·10-3	[1,9·10-3-2,9·10-3]	0,58	[0, 1-0, 88]
	239,240Pu	2,2·10-6	[1,4·10-6-3,3·10-6]	0,32	[0, 29-0, 37]
Залив  Степового	137Cs	2,1·10-3	[3,5·10-4-1,4·10-2]	23,51	[0, 59-1079]
	90Sr	3,2·10-3	[2,1·10-3-6,2·10-3]	0,9	[0, 1-29, 57]
	239,240Pu	2,9·10-6	[1,3·10-6-5,0·10-6]	0,28	[0, 22-0, 6]
Новоземельская впадина	137Cs	5,0·10-4	[3,5·10-4-7,2·10-4]	5,1	[0, 67-7, 1]
	90Sr	2,1·10-3	[1,7·10-3-2,7·10-3]	0,65	[0, 21-3, 67]
	239,240Pu	8,4·10-6	[1,0·10-6-1,6·10-5]	0,34	[0, 31-0, 82]
Открытое  Карское море	137Cs	3,6·10-4	–*	1,54	[0, 31-3, 74]
	90Sr	1,8·10-3	–*	0,20	–*
	239,240Pu	1,1·10-6	–*	0,33	–*

 

* – недостаточное количество данных для определения доверительного интервала.

Источник: составлено авторами.

 

Результаты и обсуждение

Интегральные показатели загрязнения (ИПЗ) воды и донных отложений Баренцева моря рассчитывали по формуле 2.

Интегральные показатели загрязнения для К-159, заливов Литке, Степового и Новоземельской впадины рассчитывали по максимальным значениям удельных активностей, для того чтобы оценить радиационно-экологический риск в самых загрязненных местах расположения ЯРОО. Результаты расчетов интегральных показателей загрязнения представлены в табл. 2 и 3.

 

Таблица 2. Интегральные показатели загрязнения воды открытых Баренцева,  Карского морей и их районов, подверженных воздействию ЯРОО

 

Объект оценки	Радионуклид	УА в воде, Бк/л	КУ, Бк/л [15; 16]	ИПЗ	Вклад радионуклида, %	ΣИПЗ
Баренцево море
К-159	137Cs	4,3·10-3	115	3,7·10-5	39	9,5·10-5
	90Sr	3,8·10-3	439	8,6·10-6	9
	239,240Pu	6,1·10-6	0,124	4,9·10-5	52
Открытое Баренцево море	137Cs	1,7·10-3	115	1,5·10-5	27	5,8·10-5
	90Sr	1,8·10-3	439	4,1·10-6	7
	239,240Pu	4,8·10-6	0,124	3,9·10-5	66
Карское море
Залив Литке	137Cs	1,8·10-3	51,8	3,5·10-5	29	1,2·10-4
	90Sr	2,9·10-3	298	9,7·10-6	9
	239,240Pu	3,3·10-6	0,0412	8,1·10-5	67
Залив Степового	137Cs	1,4·10-2	51,8	2,7·10-4	66	4,1·10-4
	90Sr	6,2·10-3	298	2,1·10-5	51
	239,240Pu	5,0·10-6	0,0412	1,2·10-4	29
Новоземельская впадина	137Cs	7,2·10-4	51,8	1,4·10-5	3	4,1·10-4
	90Sr	2,7·10-3	298	8,9·10-6	2
	239,240Pu	1,6·10-5	0,0412	3,9·10-4	95
Открытое Карское море	137Cs	3,6·10-4	51,8	6,8·10-6	18	3,8·10-5
	90Sr	1,8·10-3	298	5,8·10-6	15
	239,240Pu	1,1·10-6	0,0412	2,5·10-5	67

 

Источник: составлено авторами.

Из данных табл. 2 видно, что минимальные значения интегральных показателей загрязнения радионуклидами ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и ^239,240Pu имеют место для открытых Баренцева и Карского морей. Суммарный показатель загрязнения радионуклидами воды в районе затопления АПЛ К-159 в 1,6 раза превышает значение по открытому Баренцеву морю. Наибольший вклад в интегральный показатель загрязнения воды вблизи К-159 внес радионуклид ^239,240Pu (52 %).

Значения суммарных интегральных показателей загрязнения воды залива Степового и Новоземельской впадины на порядок превышают значение по открытому Карскому морю. Среди рассматриваемых объектов Карского моря наибольшие значения ИПЗ воды ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr характерны для залива Степового, ^239,240Pu – для Новоземельской впадины. Основной вклад в интегральный показатель загрязнения воды залива Литке и Новоземельской впадины внес радионуклид ^239,240Pu (67 и 95 % соответственно), что объясняется биологической эффективностью α-излучения. Для интегрального показателя загрязнения воды залива Степового доминирующим радионуклидом  стал ¹³⁷Cs (66 %), что указывает на его превышение, в сравнении со значением открытого Карского моря.

 

Таблица 3. Интегральные показатели загрязнения донных отложений открытых Баренцева  и Карского морей и их районов, подверженных воздействию ЯРОО

 

Объект оценки	Радионуклид	УА в донных отложениях, Бк/кг	КУ, Бк/кг [15; 16]	ИПЗ	Вклад радионуклида, %	ΣИПЗ
Баренцево море
К-159	137Cs	3,4·100	4,9·104	6,9·10-5	54	1,2·10-4
	90Sr	1,4·100	1,9·105	7,4·10-6	6
	239,240Pu	1,1·100	2,3·104	4,8·10-5	40
Открытое Баренцево море	137Cs	6·10-1	4,9·104	1,2·10-5	24	5,1·10-5
	90Sr	7·10-1	1,9·105	3,6·10-6	7
	239,240Pu	8,3·10-1	2,3·104	3,5·10-5	69
Карское море
Залив Литке	137Cs	13,05	83 100	1,6·10-4	48	3,3·10-4
	90Sr	0,88	298 000	2,9·10-6	1
	239,240Pu	0,37	2180	1,7·10-4	51
Залив Степового	137Cs	1079	83 100	1,3·10-2	97	1,3·10-2
	90Sr	29,57	298 000	9,9·10-5	1
	239,240Pu	0,6	2180	2,8·10-4	2
Новоземельская впадина	137Cs	7,1	83 100	8,5·10-5	18	4,7·10-4
	90Sr	3,67	298 000	1,2·10-5	2
	239,240Pu	0,82	2180	3,8·10-4	80
Открытое Карское море	137Cs	1,54	83 100	1,8·10-5	12	1,6·10-4
	90Sr	0,20	298 000	7,1·10-7	1
	239,240Pu	0,33	2180	1,4·10-4	87

 

Источник: составлено авторами.

 

Из данных табл. 3 видно, что наименьшие значения суммарных интегральных показателей загрязнения донных отложений характерны для открытых Баренцева и Карского морей. Следует отметить, что значение по донным отложениям открытого Карского моря в 3 раза превышает показатель загрязнения компонента открытого Баренцева моря. Интегральный показатель  загрязнения донных отложений в районе затопления К-159 в 2,3 раза выше значения открытого Баренцева моря, доминирующим радионуклидом выступает ¹³⁷Cs (54 %).

Значения суммарных показателей загрязнения донных отложений залива Литке, Новоземельской впадины и залива Степового в 2,1; 2,9 раза и на два порядка соответственно превышают показатель загрязнения по открытому Карскому морю. Максимальные значения интегральных показателей загрязнения донных отложений ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по расчетам составили 1,3·10^–2  и 9,9·10^–5 для залива Степового, ^239,240Pu – 3,8·10^–4 для Новоземельской впадины. Доминирующим радионуклидом в показатель загрязнения донных отложений залива Литке и Новоземельской впадины выступает ^239,240Pu (51 и 80 % соответственно), для залива Степового основной вклад в интегральный показатель загрязнения внес ¹³⁷Cs – 97 %. Таким образом, можно наблюдать превышение ¹³⁷Cs в донных отложениях залива Степового в сравнении со значением по открытому Карскому морю.     

Далее, с помощью полученных интегральных показателей загрязнения радионуклидами воды и донных отложений, по формуле (1) были рассчитаны обобщенные показатели риска для открытых Баренцева, Карского морей и их районов, подверженных воздействию ЯРОО. Для расчета обобщенных показателей риска требовалась оценка: коэффициента, учитывающего пространственный масштаб загрязнения территории (А_пр); коэффициента, учитывающего временной масштаб радиационного воздействия (А_вр); показателя интенсивности радиационного воздействия на компоненты природной среды (ИРВ_б).

Анализ интегральных показателей загрязнения показал, что необходимость оценки обобщенных показателей риска имеется непосредственно только для районов расположения ЯРОО.

Для воды и донных отложений в районе затопления АПЛ К-159 А_пр был оценен как 1, так как площадь воздействия локальная – не более 10 км².  Компоненты заливов Карского моря оказывают местное воздействие на окружающую среду (от 10 до 100 км²), поэтому А_пр был выбран 2. По шкале  пространственного масштаба радиационного воздействия на компоненты природной среды для открытых морей был выбран коэффициент, равный 3, так как площадь воздействия свыше 100 км².

А_вр на морскую воду и донные отложения для всех рассмотренных  объектов был выбран 3, так как по градации объекты оценки относятся к продолжительному воздействию на окружающую среду – свыше 1 года.

Индекс радиационного воздействия выбирался с учетом полученных интегральных показателей загрязнения радионуклидами компонентов морской среды, согласно шкале из рекомендаций. Для открытых морей ИРВ_б на воду и донные отложения выбрали равным 1. Показатель загрязнения радионуклидами воды в районе затопления АПЛ К-159 значимо не отличался от регионального значения по открытому Баренцеву морю, соответственно, ИРВ_б был оценен как 1. Для заливов Литке, Степового и Новоземельской впадины ИРВ_б на воду приняли равным 2, так как ИПЗ превышают значение по открытому Карскому морю на порядок и более. Результаты расчетов обобщенных показателей риска в воде и донных отложениях для районов, подверженных воздействию ЯРОО, представлены в табл. 4 и 5.

 

Таблица 4. Результаты расчетов обобщенных показателей радиационно-экологических рисков

в воде для открытых Баренцева, Карского морей и их районов, подверженных воздействию ЯРОО

 

Объект оценки	ИПЗ	Апр	Авр	ИРВб	ОПР	Градация воздействия  на радиационную обстановку
Баренцево море
К-159	9,5·10-5	1	3	1	3	Незначительное
Карское море
Залив Литке	1,2·10-4	2	3	2	12	Слабое
Залив Степового	4,1·10-4	2	3	2	12	Слабое
Новоземельская впадина	4,1·10-4	2	3	2	12	Слабое

 

Источник: составлено авторами.

 

Из данных табл. 4 видно, что обобщенный показатель риска в воде в районе затопления АПЛ К-159 составил 3, следовательно, рассмотренный объект оказывает незначительное воздействие на радиационную обстановку в Баренцевом море. 

Обобщенные показатели риска в воде Новоземельской впадины, заливов Литке и Степового составили 12. Согласно градации из рекомендаций, районы Карского моря, подверженные воздействию ЯРОО, оказывают слабое воздействие на радиационную обстановку. 

Значение ИРВ_б на донные отложения в районе затопления АПЛ К-159, залива Литке и Новоземельской впадины оценили как 2 из-за превышения  более чем на порядок значения интегрального показателя загрязнения для открытого Карского моря. Для залива Степового ИРВ_б составил 3, так как интегральный показатель загрязнения радионуклидами донных отложений  объекта оценки на два порядка превышает значение по открытому Карскому морю.

 

Таблица 5. Результаты расчетов обобщенных показателей радиационно-экологических рисков  в донных отложениях для открытых Баренцева, Карского морей и их районов,  подверженных воздействию ЯРОО

 

Объект оценки	ИПЗ	Апр	Авр	ИРВб	ОПР	Градация воздействия  на радиационную обстановку
Баренцево море
К-159	1,2·10-4	1	3	2	6	Незначительное
Карское море
Залив Литке	3,3·10-4	2	3	2	12	Слабое
Залив Степового	1,3·10-2	2	3	3	18	Слабое
Новоземельская впадина	4,7·10-4	2	3	2	12	Слабое

 

Источник: составлено авторами.

 

Из данных табл. 5 видно, что обобщенный показатель риска в донных отложениях района затопления АПЛ К-159 составил 6. Следовательно, донные отложения в месте затопления К-159 не представляют опасности  для окружающей среды. Обобщенный показатель риска в донных отложениях для Залива Литке и Новоземельской впадины составил 12, для залива  Степового – 18, согласно градации из рекомендаций. Эти районы нуждаются в мониторинге и анализе полученных данных с целью предупреждения негативных последствий для акватории Карского моря и обитающей в ней биоты.

 

Выводы

Полученные оценки показывают, что в настоящее время источники поступления техногенных радионуклидов в Баренцево и Карское моря оказывают незначительное или слабое воздействие на радиационную обстановку Арктики. В настоящее время данный регион не нуждается в проведении дополнительных природоохранных мероприятий, направленных на сохранение благоприятной окружающей среды. Однако, с учетом потенциальной опасности, нельзя исключать риск утечки радионуклидов из затопленных и затонувших ЯРОО, а также их дальнейшего поступления в морскую среду, что может привести к их переносу с течениями и мигрирующими видами рыб. Данная территория нуждается в продолжении радиационно-экологического мониторинга компонентов морской среды, что позволит своевременно заметить изменения в уровне радиоактивности и предпринять все усилия по сохранению акватории и обитающей в ней биоты. Радиационному мониторингу донных отложений в районе залива Степового следует уделить особое внимание, так как обобщенный показатель риска превышает риск для открытого Карского моря в два раза.

 

Об авторах

Нелли Александровна Аникина

Научно-производственное объединение «Тайфун»

Автор, ответственный за переписку.
Email: rosnovskaya@rpatyphoon.ru
ORCID iD: 0000-0001-8839-5104
SPIN-код: 7199-4800

инженер, лаборатория радиационно-экологического моделирования и анализа риска, институт проблем мониторинга

Российская Федерация, 249031, Обнинск, ул. Победы, д. 4

Александр Иванович Крышев

Научно-производственное объединение «Тайфун»

Email: kai@rpatyphoon.ru
ORCID iD: 0000-0001-6816-0260
SPIN-код: 5696-7633

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория радиационно-экологического моделирования и анализа риска, институт проблем мониторинга

Российская Федерация, 249031, Обнинск, ул. Победы, д. 4

Список литературы