Реконструкция долговременной динамики радиоцезия в водных объектах, загрязненных в результате ядерных аварий (Чернобыль и Фукусима)

Исследование посвящено реконструкции долговременной динамики концентрации ¹³⁷Cs в водных объектах, загрязненных в результате аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1». Установлено, что вертикальное распределение ¹³⁷Cs в донных отложениях глубоководных участков может служить основой для восстановления динамики концентрации радионуклида на взвеси и в растворе. Для реконструкции используются колонки донных отложений водохранилищ и экспериментальные значения коэффициента распределения K_d. Метод применим при отсутствии перемешивания осаждаемой взвеси с нижележащими слоями и при значении K_d существенно выше 10⁴ л/кг. Исследования в зонах загрязнения Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» показали возможность успешной реконструкции долговременных изменений концентрации ¹³⁷Cs для рек, озер и прудов. Полученные данные представляют первую оценку временного хода удельной активности ¹³⁷Cs на взвеси в водных объектах зоны Чернобыльской АЭС, что важно для понимания его поведения в системе «почва–вода» и миграции по пищевым цепям. Зависимости концентраций ¹³⁷Cs от времени описываются эмпирической двухэкспоненциальной и/или полуэмпирической диффузионной моделью, применимой для прогнозных оценок долговременной динамики радиоактивного загрязнения водных объектов после ядерных аварий. Результаты исследования подтверждаются данными мониторинга для тестовых водных объектов и удовлетворительным согласованием с восстановленными значениями концентраций ¹³⁷Cs. Полученная информация имеет большое значение для оценки экологических последствий ядерных аварий и разработки стратегий управления загрязненными территориями. Методология, представленная в исследовании, может быть адаптирована для изучения поведения других радионуклидов в водных экосистемах, способствуя улучшению прогнозирования и управления радиоэкологическими рисками в долгосрочной перспективе.

1. Алексахин Р.М., Булдаков Л.А., Губанов В.А. и др. Крупные ядерные аварии: последствия и защитные меры. М.: ИздАТ, 2001. 572 с.

2. Бобовникова Ц.И., Махонько К.П., Сиверина А.А. и др. Физико-химические формы радионуклидов в атмосферных выпадениях после аварии на Чернобыльской АЭС и их трансформация в почве // Атомная энергия. 1991. Т. 71. № 5. С. 449–454.

3. Вакуловский С.М., Никитин А.И., Чумичев В.Б. и др. Загрязнение цезием-137 и стронцием-90 водных объектов на территории, подвергшейся воздействию выбросов аварийного блока ЧАЭС // Метеорология и гидрология. 1991. № 7. С. 64–73.

4. Войцехович О.В., Канивец В.В., Киреев С.И. и др. Радиоактивное загрязнение поверхностных вод // 30 лет Чернобыльской катастрофы: сб. информационно-аналитических материалов. Киев, 2016. С. 129–139. (На украинском языке)

5. Коноплев А.В., Канивец В.И., Жукова О.М. и др. Полуэмпирическая диффузионная модель смыва радионуклидов с загрязненных водосборов и ее проверка на основе данных мониторинга рек Фукусимы и Чернобыля // Геохимия. 2021. Т. 66. № 6. С. 1–12.

6. Радионуклиды в водных экосистемах Украины. Влияние радионуклидного загрязнения на гидробионты зоны отчуждения / под ред. М.И. Кузьменко, Киев: Чернобыльинтеринформ, 2001. 318 с. (На украинском языке)

7. Ahuja L.R., Sharpley A.N., Yamamoto M. et al. The depth of rainfall-runoff-soil interaction as determined by 32P, Water Resources Research, 1981, vol. 17, p. 969–974.

8. Appleby P.G., Haworth E.Y., Michel H. et al. The transport and mass balance of fallout radionuclides in Blelham Tarn, Cumbria (UK), Journal of Paleolimnology, 2003, vol. 29, p. 459–473.

9. Bulgakov A., Konoplev A., Smith J. et al. Fuel particles in the Chernobyl cooling pond: current state and prediction for remediation options, Journal of Environmental Radioactivity, 2009, vol. 100, no. 4, p. 329–332.

10. Bulgakov A.A., Konoplev A.V., Smith J.T. et al. Modelling the long-term dynamics of radiocaesium in closed lakes, Journal of Environmental Radioactivity, 2002, vol. 61, p. 41–53.

11. Chernobyl Catastrophe and Consequences, J.T. Smith, N.A. Beresford (еds.), Springer-Praxis, 2005, 310 p.

12. CREAMS: A field-scale model for chemicals runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems, W.G. Knisel (еd.), USDA Conservation Research Report, no. 26, 1980, 643 p.

13. Donigian A.S., Beyerlein D.C., Davis H.H. et al. Agricultural runoff management (ARM) model, version II: refinement and testing, EPA 600/3-77-098, Athens, GA, Environmental Research Laboratory, US EPA, 1977.

14. Feng B., Onda Y., Wakiyama Y. et al. Persistent impact of Fukushima decontamination on soil erosion and suspended sediment, Nature Sustainability, 2022, vol. 5, p. 879–889.

15. Funaki H., Sakuma K., Nakanishi T. et al. Reservoir sediments as a long-term source of dissolved radiocesium in water system; a mass balance case study of an artificial reservoir in Fukushima, Japan, Science of the Total Environment, 2020, vol. 743, article 140668.

16. Ganzha Ch., Gudkov D., Ganzha D. et al. Physicochemical forms of 90Sr and 137Cs in components of Gluboke lake ecosystem in the Chernobyl exclusion zone, Journal of Environmental Radioactivity, 2014, vol. 127, p. 176–181.

17. Golosov V., Ivanov M. Quantitative assessment of lateral migration of the Chernobyl-derived 137Cs in contaminated territories of the East European Plain, Behavior of radionuclides in the environment II: Chernobyl, A. Konoplev, K. Kato, S. Kalmykov (eds.), Tokyo, Springer Nature, 2020, p. 195–226.

18. Hardie S.M.L., McKinley I.G. Fukushima remediation: status and overview of future plans, Journal of Environmental Radioactivity, 2014, vol. 133, p. 75–85.

19. Hilton J. Aquatic radioecology post Chernobyl – a review of the past and look to the future, Freshwater and Estuarine Radioecology, G. Desmet, R.J. Blust, R.N.J. Comans et al. (еds.), Amsterdam, Elsevier, 1997, p. 47–74.

20. Howard J., Fesenko S.V., Balonov M. et al. A Comparison of Remediation after the Chernobyl and Fukushima Daiichi Accidents, Radiation Protection Dosimetry, 2016, vol. 173, no. 1–3, p. 170–176.

21. IAEA. Handbook of parameter values for the prediction of radionuclide transfer in terrestrial and freshwater environments, Technical reports series no. 472, Vienna, IAEA, 2010, 194 p.

22. IAEA. Radiological conditions in the Dneper river basin, Assessment by an international expert team and recommendations for an action plan, Vienna, IAEA, 2006, 185 p.

23. Igarashi Y., Nanba K., Wada T. et al. Factors Controlling the Dissolved 137Cs Seasonal Fluctuations in the Abukuma River Under the Influence of the Fukushima Nuclear Power Plant Accident, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2022, vol. 127, no. 1, p. 1–16, DOI: 10.1029/2021JG006591.

24. Ikehara R., Suetake M., Komiya T. et al. Novel method of quantifying radioactive cesium-rich microparticles (CsMP) in the environment from the Fukushima Daiichi nuclear power plant, Environmental Science & Technology, 2018, vol. 52, p. 6390–6398.

25. Ivanov M.M., Konoplev A.V., Walling D.E. et al. Using reservoir sediment deposits to reconstruct the longer-term fate of Chernobyl-derived 137Cs fallout in the fluvial system, Environmental Pollution, 2021, vol. 274, article 116588.

26. Kaneyasu N., Ohashi H., Suzuki F. et al. Sulfate Aerosol as a Potential Transport Medium of Radiocesium from the Fukushima Nuclear Accident, Environmental Science & Technology, 2012, vol. 46, p. 5720–5726.

27. Konoplev A., Kanivets V., Zhukova O. et al. Mid- to longterm radiocesium wash-off from contaminated catchments at Chernobyl and Fukushima, Water Research, 2021, vol. 188, article 116514.

28. Konoplev A., Laptev G., Igarashi Y. et al. Reconstruction of the Long-Term Dynamics of Particulate Concentrations and Solid–Liquid Distribution of Radiocesium in Three Severely Contaminated Water Bodies of the Chernobyl Exclusion Zone Based on Current Depth Distribution in Bottom Sediments, Land, 2022a, vol. 11, no. 1, article 29.

29. Konoplev A., Wakiyama Y., Wada T. et al. Reconstruction of time changes in radiocesium concentrations in the river of the Fukushima Dai-ichi NPP contaminated area based on its depth distribution in dam reservoir’s bottom sediments, Environmental Research, 2022b, vol. 206, article 112307.

30. Konoplev A.V., Ivanov M., Golosov V.N. et al. Reconstruction of long-term dynamics of Chernobyl-derived 137Cs in the Upa River using bottom sediments in the Schekino reservoir and semi-empirical modelling, Proceedings of International Association of Hydrological Sciences, 2019, vol. 381, р. 95–99.

31. Monte L. A collective model for predicting the long-term behaviour of radionuclides in rivers, Science of the Total Environment, 1997, vol. 201, p. 17–29.

32. Nakanishi T., Sakuma K. Trend of 137Cs concentration in river water in the medium term and future following the Fukushima nuclear accident, Chemosphere, 2019, vol. 215, p. 272–279.

33. Okumura T., Yamaguchi N., Dohi T. et al. Dissolution behaviour of radiocaesium-bearing microparticles released from the Fukushima nuclear power plant, Scientific Reports, 2019, vol. 9, article 3520.

34. Onda Y., Taniguchi K., Yoshimura K. et al. Radionuclides from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in terrestrial systems, Nature Reviews Earth & Environment, 2020, vol. 1, p. 644–660.

35. Putyrskaya V., Klemt E., Roellin S. et al. Dating of recent sediments from Lago Maggiore and lago di Lugano (Switzerland/Italy) using 137Cs and 210Pb, Journal of Environmental Radioactivity, 2020, vol. 212, article 106135.

36. Smith J.T., Belova N.V., Bulgakov A.A. et al. The “AQUASCOPE” simplified model for predicting 89, 90Sr, and 134, 137Cs in surface waters after a large-scale radioactive fallout, Health Physics, 2005, vol. 89, no. 6, p. 628–644.

37. Taniguchi K., Onda Y., Smith H.G. et al. Transport and redistribution of radiocesium in Fukushima fallout through rivers, Environmental Science & Technology, 2019, vol. 53, p. 12339–12347.

38. Ueda S., Hasegawa H., Ohtsuka Y. et al. Ten-year radiocesium fluvial discharge patterns from watersheds contaminated by the Fukushima nuclear power plant accident, Journal of Environmental Radioactivity, 2021, vol. 240, article 106759.

39. Vakulovsky S.M., Nikitin A.I., Chumichev V.B. et al. Cesium-137 and strontium-90 contamination of water bodies in the areas affected by releases from the Chernobyl nuclear power plant accident: an overview, Journal of Environmental Radioactivity, 1994, vol. 23, p. 103–122