The sediment budget and migration of 137Cs in Chernobyl affected area: 30 years of investigations in the Plava River basin, Tula region

全文:

1. ВВЕДЕНИЕ

Перераспределение материала внутри любой природной системы с той или иной точностью может быть формализовано в виде баланса вещества, отдельные составляющие которого могут быть оценены независимо друг от друга и сведены к единому равенству. Наиболее часто балансовый подход используется во флювиальной геоморфологии при изучении формирования стока наносов в пределах водосборов различных размеров (Dietrich, Dunne, 1978; Walling, 1983; Slaymaker, 2003; Walling, Collins, 2008; Hinderer, 2012). В условиях недостатка или полного отсутствия мониторинговых данных балансовый метод является единственным способом оценить объемы и определить источники потоков наносов в речных бассейнах со значительным антропогенным воздействием. Пространственные рамки и временной интервал для оценки баланса наносов зависят от поставленных целей и могут быть масштабированы практически до любых размеров. Высокодетальные исследования могут охватывать водосборы размером от первых (Nyssen et al., 2008; Minella et al., 2014) до нескольких сотен км ² (Trimble, 1999; De Moor, Verstraeten, 2008; Notebaert et al., 2009). Но также аналогичные оценки проводятся для крупных речных бассейнов с площадью в несколько сотен тысяч (Kondolf et al., 2018) и даже миллионов км ² (Wang et al., 2007) с той степенью детализации, которую позволяют имеющиеся технические средства и ресурсы.

Антропогенно обусловленное радиоактивное загрязнение в значительной мере актуализирует исследования миграции вещества в составе стока речных наносов (Horowitz, 1991; Marron, 1992; Miller, 1997; Macklin et al., 1997, 2006; Walling et al., 2003; Byrne et al., 2012). Количественную оценку миграции любых загрязнителей в составе стока наносов можно весьма продуктивно производить с применением балансового подхода. Построение долгосрочных прогнозов трансформации поля загрязнения и возникновения новых экологических рисков невозможно без подробного изучения механизмов и путей латеральной миграции радионуклидов в связи с развитием эрозионно-аккумулятивных процессов (Walling, 2003; Konoplev et al., 2016; Golosov, Ivanov, 2020).

В пределах центра Европейской части России ¹³⁷ Cs чернобыльского происхождения зарекомендовал себя, в первую очередь, в качестве надежного хронологического маркера (Golosov et al., 1999a, b; Panin et al., 2001). Его фактически одномоментное поступление на поверхность почвы позволяет точно определять темпы аккумуляции за период с мая 1986 г. Продолжительность пост-чернобыльского периода перекрывает временные рамки оценки современной климатической нормы (1991–2020 гг.). Таким образом, наблюдаемые в течение этого времени тенденции развития эрозионно-аккумулятивных процессов могут рассматриваться в качестве ответа природной среды на трансформацию климата и возможные антропогенные изменения. В частности, при проведении исследований в бассейнах рек Восточно-Европейской равнины необходимо учитывать и существенные изменения площадей пашни и систем землепользования, обусловленные экономическим кризисом начала 1990-х (Hartvigsen, 2014; Golosov et al., 2018a).

Высокие уровни радиоактивного загрязнения почвенного покрова представляют собой не только серьезный экологический вызов, но также открывают широкие методические возможности для исследования эрозионно-аккумулятивных процессов, так как существенно ускоряется процесс измерения содержания радионуклидов в образцах почвы и наносов. На территории Европейской части России наибольшее количество детальных исследований перераспределения наносов и связанного с ними ¹³⁷ Cs за последние 30 лет было проведено в бассейне р. Плавы, в котором расположен ареал интенсивного чернобыльского загрязнения, так называемое Плавское радиоактивное пятно. Цель представленной работы состоит в обобщении результатов многолетних исследований эрозионно-аккумулятивных процессов в различных звеньях флювиальной сети для построения баланса наносов и оценки доли ¹³⁷ Cs, поступившего в постоянные водотоки совместно с наносами, от общего объема чернобыльских выпадений в пределах бассейна р. Плавы.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Бассейн р. Плавы площадью около 1890 км ² расположен в северной части Среднерусской возвышенности в пределах Тульской области и относится к бассейну р. Упы. Годовой слой осадков составляет 630 мм, причем в теплое время года в среднем выпадает порядка 460 мм. Почвенный покров в пределах междуречных пространств представлен черноземами выщелоченными и оподзоленными, а также темно-серыми лесными почвами. Основной почвообразующей породой являются карбонатные лёссовидные суглинки (Ратников, 1960). Характерной чертой рельефа являются плоские междуречья, занимающие наибольшие площади в верховьях рек с преимущественно пологими, выпуклыми склонами длиной до нескольких сотен метров. В начале 1980-х гг. плотность загрязнения ¹³⁷ Cs бассейна р. Плавы не превышала 7.2 кБк/м ² (0.2 Ки/км ² ). После аварии на ЧАЭС в апреле 1986 г. в результате атмосферных выпадений возникло так называемое “Плавское радиоактивное пятно” с уровнем загрязнения свыше 185 кБк/м ² (5 Ки/км ² ) (Izrael et al., 1996), получившее свое название по городу Плавску, расположенному в его осевой зоне ( рис. 1 ).

 

Рис. 1. Расположение бассейна р. Плавы (а) и уровень ее радиоактивного загрязнения (б) (Izrael et al., 1996). 1 – реки, 2 – граница бассейна р. Плавы. Fig. 1 . The location of the Plava River basin (а) and its level of the radioactive contamination (б) (Izrael et al., 1996). 1 – rivers, 2 – the Plava River basin boundary.

 

В пост-чернобыльский период в бассейнах рек Восточно-Европейской равнины с высокой сельскохозяйственной нагрузкой при замедлении роста оврагов (Пространственно-временные…, 2019) формирование стока наносов происходит, в основном, за счет плоскостного и ручейкового смыва почвы на обрабатываемых склонах (Литвин, 2002). Подавляющая часть мобилизуемого материала при этом остается внутри водосборных бассейнов, в том числе аккумулируясь в днищах долинной сети, что приводит к отмиранию малых постоянных водотоков (Докучаев, 1892; Чернов, 1988; Ковальчук, Штойко, 1992; Бойко и др., 1993; Golosov, Ivanova, 1993; Golosov, Panin, 2006; Golosov et al., 2017). Смыв почвы на обрабатываемых склонах происходит, преимущественно, в результате выпадения дождевых осадков высокой интенсивности в теплый период (Sidorchuk, 1996; Litvin et al., 2003; Sidorchuk, Golosov, 2003; Golosov et al., 2018b; Gusarov et al., 2018; Gusarov, 2019) и во время весеннего снеготаяния при определенных метеорологических условиях (Голосов, 2006).

Для бассейна р. Плавы густота речной сети на протяжении второй половины XX и начала XXI вв. в целом оставалась стабильной ( табл. 1 ). В последние десятилетия даже отмечается тенденция к ее незначительному увеличению.

 

Таблица 1. Динамика густоты речной сети в бассейне р. Плавы. Table 1. Dynamics of stream network density in the Plava River basin

Период, годы	Густота речной сети
	км/км 2	% 3
1930-е 1	0.209	100
1940-е 1	0.14	67
1980-е 1	0.138	66
2000-е 2	0.151	72

Примечание . ¹ – по Golosov, Panin, 2006; ² – по результатам анализа космических снимков; ³ – за 100% принята густота речной сети в 1830-е гг.

 

В формировании бассейновой составляющей стока наносов рек бассейна р. Плавы существенную роль играет процесс смыва в период весеннего снеготаяния. Одним из наиболее важных факторов талого смыва является состояние почвы на момент таяния снега (Голосов, 2006). Сравнительно теплый переход от осеннего к зимнему сезону с устойчивым снежным покровом, который наблюдается последние десятилетия, приводит к тому, что из-за отсутствия или незначительной глубины промерзания верхние горизонты почвы сохраняют высокую инфильтрационную способность. В результате при снеготаянии большая часть запасов воды в снеге фильтруется непосредственно в грунт. Такая тенденция является типичной для лесостепной зоны Восточно-Европейской равнины, особенно для последних двух десятилетий (Барабанов и др., 2018). Сокращение поверхностного стока в периоды весеннего снеготаяния приводит также к снижению продолжительности и уровней половодий на реках, что, в свою очередь, способствует некоторому уменьшению интенсивности русловой эрозии (Голосов и др., 2020).

Стокоформирующие дождевые осадки, потенциально приводящие к смыву и наблюдающиеся в теплый период года, были подвержены значительным колебаниям. По данным метеостанции в г. Плавске, в 1986–2018 гг. суммы осадков от года к году могли отличаться более чем в два раза. Сравнительная редкость и локальный площадной охват выпадения экстремальных ливней указывают на то, что их вклад в сток наносов рек невелик по сравнению с талым смывом, так как большая часть продуктов ливневого смыва переоткладывается по пути транспортировки с пахотных склонов в постоянные водотоки (Голосов, 1988).

Экономический кризис начала 1990-х гг. привел к существенному сокращению площади пахотных земель в бассейне р. Плавы, и, несмотря на наличие восстановительного экономического роста, их доля продолжала плавно снижаться вплоть до середины второго десятилетия XXI века. Результаты анализа космических снимков показывают следующую динамику доли распаханных земель в земельном фонде: 1985 г. – 84.8%, 2000 г. – 61.8%, 2015 г. – 58.3%.

Типичной практикой последних лет для бассейна р. Плавы является создание новых искусственных водоемов для обеспечения нужд сельского хозяйства и местных населенных пунктов. Вместе с ранее созданными прудами они перехватывают сток наносов со склонов до его поступления в реки на значительных площадях. Наблюдения в лесостепной зоне показали, что малые искусственные водоемы перехватывают практически весь сток наносов (Прыткова, 1981). В результате в бассейне р. Плавы за пост-чернобыльский период сток наносов с 21.7% от его общей площади фактически не поступал в постоянные водотоки.

Снижению объемов наносов, транспортируемых в русла рек, также способствовали сокращение выпаса скота и восстановление естественного растительного покрова на поймах рек, что привело к преобладанию процессов аккумуляции при периодическом затоплении пойменных участков. Кроме того, большая часть наносов, смываемых с распахиваемых бортов речных долин, переотлагается в виде делювиальных шлейфов в тыловых частях пойменных массивов. В последние годы наиболее интенсивно аккумуляция материала, переносимого речным стоком, происходит на поверхности низкой поймы, поскольку только этот пойменный уровень регулярно затапливается (Belyaev et al., 2013a). Транспорт наносов с бортов долины в русло реки становится возможным только при условии затопления всего днища долины в периоды высоких половодий, повторяемость которых на реках бассейна р. Упы имеет отчетливую тенденцию к снижению в последние 30 лет (Голосов и др., 2020).

Исследования баланса наносов на малых водосборах, располагающихся в центральной и южной частях бассейна р. Плавы, проводились на протяжении более двух десятилетий, начиная с 1990-х гг. (водосборы Лапки и Часовенков Верх) ( рис. 2 ). Основой целью работ было исследование путей перераспределения наносов и связанных с этим изменений запасов ¹³⁷ Cs на разных геоморфологических позициях.

 

Рис. 2. Расположение ключевых малых водосборов и площадок исследования пойм в бассейне р. Плавы. 1 – реки; 2 – границы ключевых водосборов; ключевые водосборы: 3 – Лапки, 4 – Часовенков Верх, 5 – Верховья Локны, 6 – Святой Источник, 7 – Ляпуновка; площадки исследования пойм: 8 – на р. Локне, 9 – на р. Плаве. Fig. 2 . The location of the small key catchments and observation sites of the flood plains. 1 – rivers; 2 – the key catchment boundaries; key catchments: 3 – Lapki, 4 – Chasovenkov Verkh, 5 – Upper Lokna, 6 – Svyatoi Istochnik, 7 – Lyapunovka; floodplain observation sites: 8 – of the Lokna River, 9 – of the Plava River.

 

Также были обследованы участки пойм р. Локны (левого притока Плавы) и самой р. Плавы. Заложенные серии площадок отбора проб отложений для определения вертикального распределения изотопа ¹³⁷ Cs на различных уровнях пойм позволили получить информацию о среднемноголетних темпах накопления наносов и ¹³⁷ Cs в периоды их затопления ( табл. 2 , рис. 2 ).

 

Таблица 2. Некоторые характеристики исследованных ключевых водосборов в бассейне р. Плавы Table 2. Some characteristics of the key catchments within the Plava River basin

Ключевой водосбор	Площадь, км 2	Распаханность, %	Длина тальвегов долинной сети, км
Лапки	2.2	87.3	2.2
Часовенков Верх	39.9	74.7	25
Верховья Локны	35.8	53.2	23
Святой Источник	1.9	69.4	1.9
Ляпуновка	6.2	79	6.1

 

3. ОБЗОР ИСПОЛЬЗОВАННЫХ МЕТОДОВ

В процессе исследований перераспределения наносов и ¹³⁷ Cs в бассейне р. Плавы использовался комплекс методов, совместное применение которых позволяло выявлять пути транспортировки наносов с пашни в постоянные водотоки и оценивать объемы и/или массу перемещаемых и переотлагающихся наносов в пределах различных элементов рельефа.

3.1. Морфометрический анализ. Оценка различных морфометрических параметров малых водосборов с учетом доли и расположения пашни в их пределах позволяет проводить их классификацию. Для условий Среднерусской возвышенности с небольшими различиями относительных высот в пределах бассейнов малых рек такую классификацию наиболее продуктивно проводить по различным параметрам плановых очертаний балочных водосборов, а также их площади, густоте сети тальвегов и формы склонов, определяющей способность концентрировать или рассеивать сток. Результаты морфометрического анализа используются для обоснования выбора репрезентативных ключевых водосборов и последующей экстраполяции результатов по оценке перераспределения наносов в их пределах на речные водосборы, не охваченные инструментальными полевыми исследованиями (Иванов и др., 2017; Gusarov et al., 2019).

3.2. Крупномасштабное геоморфологическое картографирование. Геоморфологическая карта в сочетании с картой землепользования используется в качестве основы для выбора точек отбора проб, закладки опорных разрезов и расчета площадей эрозионных и аккумулятивных элементов рельефа, ранжированных в зависимости от темпов протекающих на них процессов (Голосов, Иванова, 2000). Крупномасштабная съемка границ различных элементов рельефа с учетом границ пашни является первым этапом исследований при изучении баланса наносов, который, совместно с использованием цифровой модели рельефа (ЦМР), в дальнейшем позволяет определить площади зон сноса и аккумуляции и пути транспорта наносов в пределах малых водосборов. Фиксация границ элементов рельефа и определение точных значений высот осуществляются путем использования ручных приемников спутникового позиционирования (GPS и ГЛОНАСС), а также, при необходимости более точных измерений, проведения высокоточной геодезической съемки или съемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

3.3. Моделирование процесса эрозии. Математическое моделирование эрозии является одним из наиболее распространенных и экономичных методов оценки темпов смыва и, при наличии возможностей модели, аккумуляции наносов. В работах на ключевых водосборах бассейна Плавы использовался ряд эрозионных моделей (Голосов, 2006; Gusarov et al., 2019; Голосов и др., 2021) иногда в сочетании друг с другом (Belyaev et al., 2012). В частности, была использована эмпирико-математическая модель (ЭММ), объединяющая в себе два уравнения (модуля) оценки расходов наносов, определяемых характером выпадающих осадков. Для оценки потерь при ливневом и талом смыве в бассейне р. Плавы наиболее часто применялись модифицированная для условий России версия универсального уравнения эрозии почв (Ларионов, 1993) и модифицированная версия модели, разработанной в Государственном гидрологическом институте (Bobrovitskaya et al., 2002) соответственно.

Кроме того, в отдельных случаях использовалась модель Landsoil , которая позволяет учитывать и внутрибассейновую аккумуляцию наносов (Govers et al., 1994; Cerdan et al., 2002). По сути своей она является усовершенствованной модификацией модели STREAM (Sealing and Transfer by Runoff and Erosion related to Agricultural Management), так как дополнительно в модель включен блок расчета темпов механической эрозии почв (Evrard et al., 2009, 2010).

3.4. Масс-балансовая оценка миграции ¹³⁷ Cs за пост-чернобыльский период. Оценка суммарных запасов ¹³⁷ Cs, перемещенного с обрабатываемых склонов и поступившего совместно с наносами в постоянные водотоки, производилась двумя способами, основанными на двух разных допущениях.

Первый вариант расчетов базируется на допущении о том, что перераспределение запасов ¹³⁷ Cs, содержащихся в мобилизованном эрозионными процессами материале, происходит аналогично распределению составляющих баланса наносов, которое оценивается независимо. Таким образом, в количественном плане оценка представляет собой разделение потери запасов ¹³⁷ Cs на обрабатываемых склонах при заданных темпах эрозии пропорционально соотношению различных составляющих баланса наносов:

$\frac{Q}{W}=\frac{P_Q}{P_W}$, (1)

где Q – суммарная масса речного стока наносов, кг; W – суммарная масса внутрибассейновой аккумуляции, кг; P_Q – запасы ¹³⁷Cs в стоке наносов, Бк; P_W – запасы ¹³⁷Cs в переотложенных внутри бассейна наносах, Бк.

Во втором варианте используется средневзвешенная величина удельной активности ¹³⁷Cs в наносах, и перемещенные запасы ¹³⁷Cs определяются по формуле:

$P=Q\times c$, (2)

где P – перемещенные запасы ¹³⁷Cs, Бк; Q – масса наносов в стоке, кг; c – средняя концентрация ¹³⁷Cs в стоке наносов за рассматриваемый период, Бк/кг.

При отсутствии мониторинговых наблюдений за стоком перемещаемого в постоянных водотоках совместно с наносами ¹³⁷ Cs, отложения низкой поймы, наиболее тесно связанные с формированием речного стока, являются единственным источником информации для оценки удельной активности в стоке за пост-чернобыльский период.

3.5. Использование различных хрономаркеров. Использование ¹³⁷ Cs Чернобыльского происхождения в качестве маркера в зонах с высокими уровнями чернобыльского загрязнения позволяет достоверно определять темпы аккумуляции за период с мая 1986 г. на основе анализа эпюр вертикального распределения ¹³⁷ Cs. При этом принимается допущение, что пик содержания радионуклидов маркирует положение дневной поверхности в момент атмосферных выпадений загрязнителя и при дальнейшем последовательном накоплении материала и отсутствии механических нарушений сохраняется в толще наносов (Golosov et al., 2018c). Для определения глубины залегания наиболее загрязненного материала производится послойный отбор проб из стенок разрезов, заложенных на аккумулятивных позициях. Выбирается участок стенки разреза, на котором отсутствуют видимые нарушения в сложении наносов (следы размыва, кротовины, крупные корни травянистой растительности, проникающие на большую глубину и т.п.). Отбор проб проводится с фиксированной площади (обычно 15 × 15 см) через 2–3 см по глубине. Такой метод позволяет минимизировать ошибки, которые возникают при отборе проб специальным пробоотборником с последующим разделением на слои в лаборатории.

Активное использование каменного угля в качестве топлива в период роста индустриального производства и развития железнодорожного транспорта привело к интенсивным выбросам в окружающую среду продуктов его сгорания (Oldfield et al., 1978), которые могут быть использованы в качестве хронологических маркеров при изучении процесса седиментации. В частности, интерес для датировки отложений представляют так называемые сферические магнитные частицы (СМЧ – Jones, Olson, 1990). В основе метода лежит предположение, что масса перераспределенного в результате эрозии магнитного трассера прямо пропорциональна массе перераспределенного почвенного материала. Было выявлено четкое сокращение содержания СМЧ в эродируемых почвах обрабатываемых склонов по сравнение с почвами склонов с ненарушенным растительным покровом, где смыва не наблюдалось (Olson, Jones, 2001). Временной охват метода магнитного трассера в бассейне р. Плавы составляет в настоящий момент около 150 лет, но использование его сильно лимитировано необходимостью расположения участка исследований вблизи железных дорог, где уголь использовался в качестве паровозного топлива. Совместное использование методов магнитного трассера и радиоцезиевого оказалось продуктивным комплексным подходом к оценке темпов эрозии и аккумуляции (Геннадиев и др., 2005, 2010; Olson et al., 2013).

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Трансформация радиоактивного загрязнения на склонах под воздействием эрозионно-аккумулятивных процессов. Изучение перераспределения наносов и транспортируемого совместно с ними чернобыльского ¹³⁷ Cs в пределах склонов являлось основным направлением исследований, проводимых в первые десятилетия после аварии, поскольку позволяло выявить динамику первичной трансформации загрязнения и оценить баланс наносов на склонах и склоновых водосборах за пост-чернобыльский период. Исследованиями в середине 1990-х гг. было установлено, что 11 лет, прошедших после выпадения ¹³⁷ Cs чернобыльского происхождения, оказалось слишком мало для существенных потерь запасов ¹³⁷ Cs на обрабатываемых склонах, обусловленных смывом почвы. Был зафиксирован только рост запасов ¹³⁷ Cs на локальных участках аккумуляции наносов, в днищах балок до 1.5–2 раз (Golosov et al., 1999b). Было выявлено, что системы ложбин на обрабатываемых склонах являются важнейшей артерией транспорта наносов в балочную сеть. При этом границы обрабатываемый склон/борт балки, борт балки/днище представляют собой важные рубежи переотложения наносов на пути их транспорта в днища сухих долин (Panin et al., 2001).

В дальнейшем методологическая база исследований перераспределения наносов расширялась. Совместное использование методов магнитного трассера и радиоцезиевого выявило отчетливый тренд к снижению темпов эрозии за пост-чернобыльский период на обрабатываемых склонах лесостепной зоны в сравнении со 150-летним периодом активной распашки. Основными причинами снижения является сокращение интенсивности талого стока на склонах в весеннее время и уменьшение доли пропашных культур в севооборотах по сравнению с серединой XX в. (Голосов и др., 2011). Также использование магнитного трассера показало, что внутрисклоновая аккумуляция наносов зависит от действия комплекса факторов и может проявляться на любом участке по длине склона (Геннадиев и др., 2013). Доставка наносов и ¹³⁷ Cs за пределы распахиваемых склонов определяется не только уклоном и формой склона, но и, в значительной мере, антропогенным рельефом, в том числе напашами (пахотными валами) по границам полей. Напаши являются не только механическим препятствием для наносов, но и важным геохимическим барьером на пути миграции радионуклидов (Zhidkin et al., 2020).

Потери почвы за счет смыва с пахотных склонов привели к закономерному сокращению запасов ¹³⁷ Cs, которое было оценено на основе конверсионных моделей эрозии, увязывающих изменения запасов ¹³⁷ Cs и темпы смыва/аккумуляции вещества (Walling, He, 1999). Расчет по пропорциональной конверсионной модели проводился в обратном порядке: полученная расчетным путем оценка темпов смыва преобразовывалась в относительные изменения запасов (Иванов и др., 2016):

$X=\frac{10YT}{Bd}$, (3)

где X – относительное сокращение запасов ¹³⁷ Cs, %; Y – темпы смыва/аккумуляции, т/га/год; T – количество лет; B – плотность почвы, кг/м ³ ; d – глубина вспашки, м.

При осредненном рассчитанном по модели RUSLE значении темпов смыва 6.4 т/га/год на пахотных склонах бассейна р. Плавы (Belyaev et al., 2012), исключая сегменты бассейна, ограниченные в устьевой части искусственными водоемами (Иванов и др., 2017), максимальное значение бассейновой составляющей стока наносов оценивается в 16 × 10 ⁶ т за период 1986–2012 гг. Следует отметить, что данная оценка среднегодового смыва почвы и, соответственно, суммарных потерь почвы, априори является завышенной, поскольку в своей основе содержит результаты расчетов по универсальному уравнению эрозии (USLE), не учитывающему внутрисклоновую аккумуляцию. На долю последней приходится 20–30%, а в отдельных случаях и до 50% от общего объема материала, вовлеченного в перенос склоновыми потоками (Голосов и др., 2022). Исходя из значений коэффициента доставки наносов (КДН) для склонов различной морфологии, полученных на основе обобщения ряда наблюдений (Голосов и др., 1992) и морфометрического анализа рельефа бассейна р. Плавы (Иванов и др., 2017), была оценена доля наносов, поступивших в долинную сеть, которая составила 61.6%. Таким образом, на склонах было переотложено 38.4% от всех мобилизованных наносов, что составило 6.1 × 10 ⁶ т.

С использованием имеющихся крупномасштабных карт радиоактивного загрязнения и результатов полевой оценки содержания ¹³⁷ Cs на разных элементах рельефа междуречий (Шамшурина и др., 2016) для водосбора верховий р. Локны (левобережный приток р. Плавы) были рассчитаны абсолютные потери запасов ¹³⁷ Cs на обрабатываемых склонах. Всего за 26 лет после аварии на обрабатываемых склонах бассейна произошло перемещение порядка 12.2 × 10 ¹² Бк запасов ¹³⁷ Cs (в пересчете на 1986 г. с учетом радиоактивного распада). Таким образом, даже с учетом завышенных оценок темпов смыва, среднегодовые потери запасов на склонах составили не более 0.2%.

4.2. Перераспределение наносов и связанного с ними ¹³⁷ Cs по долинной сети. Днища сухих долин (балок), на долю которых приходится основная протяженность долинной сети бассейна р. Плавы, являются основными участками переотложения наносов, транспортируемых временными потоками с распахиваемых склонов. При этом интенсивность переотложения зависит, главным образом, от уклона днища, а также от наличия или отсутствия донного вреза (Golosov et al., 2000). Согласно оценке, произведенной для бассейна р. Плавы за период 1986–2009 гг., около 60% наносов, смытых с обрабатываемых склонов, не покидает пределы водосборов 1–3-го Хортон-порядка (Belyaev et al., 2012). Доля наносов, выносимых за пределы водосборов долин 4 Хортон-порядка, как правило, не превышает 10% от общего объема смытых с пашни наносов (Фридман и др., 1997; Голосов, 2006; Golosov, 2006). КДН в системе склон – речная долина для всего бассейна р. Плавы в среднем составляет 0.27, исключая сегменты водосбора, отсеченные плотинами искусственных водоемов. Основным источником поступления материала в днища речных долин бассейна р. Плавы являются водосборы непосредственно впадающих в них малых долин 1–2 порядка. Днища сухих долин водосборов более высоких порядков выступают в роли накопителя наносов (Иванов и др., 2017; Gusarov et al., 2019).

Рост суммарных запасов ¹³⁷ Cs на таких аккумулятивных позициях оказывается столь значителен, что способен компенсировать потери от радиоактивного распада, хотя при этом слои с высоким содержанием ¹³⁷ Cs перекрываются наносами с все более и более низкими концентрациями загрязнителя, поступающими с пашни (Иванов и др., 2016; Мамихин и др., 2016; Belyaev et al., 2013a). Суммарная аккумуляция в сухих долинах бассейна р. Плавы за пост-чернобыльский период составила 4.3 × 10 ⁶ –6.1 × 10 ⁶ т (26.9–38.1% от общего объема смытых наносов) (Иванов, 2017).

Исследования пойменных комплексов р. Локны и Плавы показали высокую пространственную неоднородность накопления наносов и радионуклидов. Наблюдается четкое различие между темпами аккумуляции на различных уровнях поймы р. Локны. На низкой пойме, где темпы аккумуляции составили 0.3–1.1 см/год, за счет накопления загрязненных наносов суммарные запасы ¹³⁷ Cs даже с учетом потерь от радиоактивного распада не уменьшились. На средней пойме аккумуляция за пост-чернобыльский период очень низкая в силу сокращения талого стока со склонов, и, как следствие, снижения случаев затопления этого уровня поймы в периоды формирования весеннего половодья (Мамихин и др., 2016). Интенсивное накопление все менее загрязненного материала на низкой пойме р. Локны приводит к снижению мощности формируемой дозы и позитивным радиоэкологическим эффектам (Иванов и др., 2021). Схожая картина наблюдается также и на пойме р. Плавы, где наиболее активно трансформация исходного поля загрязнения происходит на уровне низкой поймы (Иванова и др., 2014). Средние темпы аккумуляции здесь несколько выше и составляют 0.7–1.4 см/год (Beyaev et al., 2013a).

4.3. Оценка суммарных поступлений ¹³⁷ Cs с поверхности водосбора в постоянные водотоки бассейна р. Плавы. Общее поступление наносов в речные долины бассейна р. Плавы за пост-чернобыльский период составило 3.8 × 10 ⁶ –5.6 × 10 ⁶ т (23.5–34.7%), из которых 1.6 × 10 ⁶ –1.7 × 10 ⁶ т (10–11%) аккумулировалось на поймах рек, а сток наносов по остаточному принципу может быть оценен в диапазоне значений 2.1 × 10 ⁶ –4 × 10 ⁶ т (13.1–24.7%). Для формирования такого стока наносов за время после аварии на Чернобыльской АЭСс одного квадратного километра бассейна р. Плавы в среднем в год должно было быть снесено порядка 26.9–64.1 т. Данные значения вполне согласуются с оценкой, произведенной для дочернобыльского периода для рек лесостепной зоны с сопоставимыми размерами речных бассейнов и уровнем сельскохозяйственной нагрузки: Осетр – 17 т/км ² /год; Проня – 21 т/км ² /год; Ломовка – 40 т/км ² /год; Выша – 43 т/км ² /год; Зуша – 53 т/км ² /год; Атмисс – 63 т/км ² /год (Голосов, 1989). Учитывая существенное снижение поверхностного стока воды и наносов в период снеготаяния, начиная с 1990-х гг., полученные значения стока наносов представляются завышенными по сравнению с фактическими.

Суммарные выпадения ¹³⁷ Cs в 1986 г. составили 287.9 × 10 ¹² Бк. Согласно оценкам, представленным в табл. 3 , и учитывая завышение расчетных величин смыва почв с пашни, можно утверждать, что суммарный вынос радионуклидов в составе наносов из бассейна р. Плавы в приемный водоток р. Упу не превысил 0.8% от его исходных выпадений в апреле-мае 1986 г.

 

Таблица 3. Распределение запасов ¹³⁷Cs между различными составляющими баланса наносов бассейна р. Плавы за период 1986-2012 гг. Table 3. Distribution of ¹³⁷Cs deposits between different parts of the sediment budget of the Plava River basin over 1986­2012

Составляющая баланса наносов	Запасы 137Cs, 1012 Бк*	Доля от мобилизованных процессами эрозии запасов, %
Смыв с обрабатываемых склонов	12.2	100
Внутрисклоновая аккумуляция	4.7	31.4
Вынос в долинную сеть	7.5	68.6
Аккумуляция в днищах сухих долин	2.9-4.2	26.9-38.1
Поступление в днища речных долин	3.3-4.6	18.8-30
Пойменная аккумуляция	2.3-3.7	10-11
Вынос за пределы бассейна р. Плавы со стоком наносов	1-2.3	8.1-19.4

Примечание. * - в перерасчете на 1986 г.

 

Масштабы перемещения радионуклидов в составе стока наносов могут быть также оценены согласно уравнению 2 в виде произведения массы стока и средней удельной активности радионуклидов. Ввиду отсутствия регулярных наблюдений за концентрацией ¹³⁷ Cs за период после аварии были использованы значения, полученные в образцах, отобранных на низкой пойме рек Плавы и Локны (Иванова и др., 2014; Belyaev et al. 2013a). Было установлено, что при средней удельной активности 868 Бк/кг в составе стока наносов было вынесено 1.13 × 10 ¹² –2.69 × 10 ¹² Бк ¹³⁷ Cs. Это составляет 0.45–0.93% от исходных чернобыльских выпадений на территории бассейна. Можно заключить, что оценки, полученные двумя методами, в целом сопоставимы.

В обоих вариантах расчетов доля ¹³⁷ Cs, вынесенного за пределы исследованных речных бассейнов, от общих запасов в результате чернобыльских выпадений, не превышала 1%. Столь низкая величина является вполне ожидаемой с учетом современных темпов эрозионных процессов на пашне и особенностей перераспределения наносов и переносимого совместно с ними ¹³⁷ Cs по пути их транспортировки с пахотных склонов в постоянные водотоки, а также в связи с сокращением площадей пашни после 1991 г. Подобная ситуация прогнозировалась в середине 1990-х гг. (Литвин и др., 1996).

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Перспективы дальнейших балансовых исследований с использованием в качестве трассера чернобыльского ¹³⁷ Cs связаны с двумя обстоятельствами: растущей и совершенствующейся методической базой и интенсивной трансформацией флювиальных систем, обусловленной крупными климатическими изменениями или прямым вмешательством человека.

Хорошие результаты дают оценки перераспределения наносов на обрабатываемых склонах путем комбинирования радиоцезиевого метода с различными моделями эрозии (Golosov et al., 2013). Точность последних может быть существенно улучшена путем использования материалов дистанционного зондирования, включая получаемые самими исследователями с помощью БПЛА, и анализа метеорологических данных, в особенности для единичных экстремальных эрозионных событий.

Классический метод отбора послойных проб с последующей транспортировкой и лабораторной обработкой образцов требует значительного времени и делает процесс получения итоговых результатов весьма продолжительным. По опыту работ в бассейне р. Плавы между сбором первичной информации и публикацией конечных результатов проходит несколько лет. В районах с высоким уровнем радиоактивного загрязнения быстрое определение содержания радионуклидов в почве in situ при помощи полевой спектрометрии позволяет оперативно корректировать расположение точек отбора проб в процессе полевых исследований. Определение относительного распределения запасов ¹³⁷ Cs по почвенному профилю в конкретной точке и выделение “чернобыльского пика” дают возможность предварительной полевой оценки мощности слоя осадконакопления за пост-чернобыльский период. По опыту работ, проведенных на пойме р. Локны (Иванов и др., 2021), полевая спектрометрия значительно ускоряет процесс получения данных по сравнению с лабораторными исследованиями. Полный отказ от послойного отбора не представляется возможным в силу двух причин. Во-первых, остается необходимым определение абсолютных запасов ¹³⁷ Cs в почве, что достижимо только при отборе образцов с фиксированной геометрией. Во-вторых, точность определения вертикального распределения ¹³⁷ Cs при послойном пробоотборе также существенно выше. Таким образом, измерения in situ могут только дополнять имеющиеся методы, обеспечивая возможность оперативного получения дополнительных точек измерений с достаточно достоверно выделенной глубиной залегания “чернобыльского пика”, а также давать обоснование для экстраполяции данных, полученных лабораторным путем.

В условиях роста антропогенной нагрузки принципиально важной является оценка эффективности почвозащитных мер (Golosov et al., 2008; Belyeav et al., 2009), а также продолжение детальных исследований латеральной миграции ¹³⁷ Cs, поскольку ее можно рассматривать как аналог перераспределения других поллютантов, переносимых совместно с наносами (Golosov, 2002). По-прежнему остается количественно плохо изученным процесс транспорта и переотложения поступающих с распаханных склонов наносов в пределах границы пашня-задернованный борт долины.

Также перспективным является проведение исследований на водосборах искусственных водоемов, где баланс наносов может быть инструментально оценен, поскольку практически весь поступающий сток наносов задерживается в устьевом створе таких водосборов (Голосов и др., 2021; Belyaev et al., 2013b; Gusarov et al., 2019). Привлечение методов оценки интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов различного временного разрешения позволит проводить оценку балансов наносов для временных отрезков, выходящих за пределы пост-чернобыльского периода (Golosov et al., 2008).

Исследование осадконакопления в водоемах имеет, в числе прочего, и важное экологическое значение, поскольку водоемы служат накопителями связанных с наносами загрязнителей, которые могут одномоментно поступить в речную систему в случаях спуска водохранилища или разрушения плотины. Кроме того, донные отложения являются своего рода природным архивом, и их изучение позволяет отчасти компенсировать недостаток стационарных наблюдений перераспредения наносов и миграции переносимых совместно с ними загрязнителей в бассейнах малых рек (Иванов и др., 2019; Konoplev et al., 2019; Ivanov et al., 2021). Однако это нисколько не уменьшает актуальность мониторинговых исследований в типичных бассейнах малых рек, подвергшихся интенсивному радиоактивному загрязнению, где изменения в интенсивности пойменного осадконакопления могут продемонстрировать влияние климатических флуктуаций и изменений в системе землепользования на функционирование речных бассейнов, как целостных геоморфологических систем.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цикл исследований, выполненных в бассейне р. Плавы, показал, что в целом латеральная миграция радионуклидов в составе стока наносов привела к незначительным изменениям пространственной картины загрязнения. Сокращение запасов ¹³⁷ Cs на обрабатываемых склонах междуречий под действием процессов смыва на обрабатываемых склонах за более чем четверть столетия не превысило первых процентов и оказалось в десятки раз ниже, чем потери от естественного радиоактивного распада. Из общего объема мобилизованного материала порядка трети так и не покинуло обрабатываемые склоны, отложившись преимущественно в их средней и нижних частях. Вторая треть была аккумулирована в суходольной сети, где в силу концентрации стока на сравнительно компактных площадях произошел локальный, но существенный рост запасов радионуклидов.

Оставшаяся треть, поступившая в днища долин постоянных водотоков, почти поровну распределилась между пойменной аккумуляцией и стоком наносов, прошедшим через устьевой створ. Формирование бассейновой составляющей стока наносов рек происходит преимущественно за счет звеньев флювиальной сети, непосредственно примыкающих к речным долинам. Наблюдается вполне типичная для бассейнов равнинных рек с высокой антропогенной нагрузкой ситуация, когда только малая доля от общего смыва в конечном итоге переходит в сток наносов. Этому в бассейне р. Плавы способствуют уменьшение талого смыва и относительная стабильность площади пашни, а также широкая практика создания искусственных водоемов, улавливающих наносы.

В условиях снижения уровней и продолжительности весенних половодий аккумуляция наносов, поступивших в днища речных долин с поверхности водосбора, происходит на различных уровнях пойменно-террасового комплекса, непосредственно примыкающих к бортам долины (переотлагается материал, поступающий со склоновым стоком). В постоянных водотоках в основном осуществляется транзит наносов с незначительной (по объему) аккумуляцией материала на поверхности низкой поймы.

Потери запасов ¹³⁷ Cs на пахотных склонах, обусловленные современными темпами смыва, составляют около 5% (менее 0.2% ежегодно). Исходя из того, что доля стока наносов не превышает четверти от исходного количества эродированного материала, можно заключить, что за пределы бассейна р. Плавы было внесено только около 1% запасов ¹³⁷ Cs, сформированных после аварии на ЧАЭС на обрабатываемых склонах. Сходная картина выявлена и для верховий бассейна р. Упы, также затронутого сильным загрязнением после аварии на ЧАЭС (Голосов и др., 2021). Однако даже такие сравнительно малые количества загрязнителей представляют потенциальную угрозу при их концентрации в чашах водоемов, откуда могут происходить вторичные выбросы радионуклидов в речные системы в случае прорыва плотин.

БЛАГОДАРНОСТИ

Анализ существующих публикаций и результатов исследований в бассейне р. Плавы производился в рамках реализации работ по проекту РНФ № 21-77-00050. Уточнение оценки стока наносов и ¹³⁷ Cs производилось в рамках Государственного задания Научно-исследовательской лаборатории Эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова № 121051100166-4.

作者简介

M. Ivanov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography; Institute of Geography RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: ivanovm@bk.ru
俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

V. Golosov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography; Institute of Geography RAS

Email: ivanovm@bk.ru
俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

N. Ivanova

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography

Email: ivanovm@bk.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件