Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Влияние атомных электростанций на биоценозы водоемов-охладителей 8
1.2. Изученность планктофауны реки Дон в пределах Воронежской области 38
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 42
ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Физико-географическое описание региона НВ АЭС 46
3.2. Гидрохимический режим р. Дон в районе НВ АЭС 48
3.3. Характеристика водоема - охладителя НВ АЭС 50
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Структура и формирование зоопланктоценозов р. Дон в зоне влияния НВ АЭС
4.1.1. Структура и формирование зоопланктоценозов р. Дон в зоне влияния НВ АЭС в 1996 г 53
4.1.2. Структура и формирование зоопланктоценозов р. Дон в зоне влияния НВ АЭС в 1998 г 90
4.1.3. Структура и формирование зоопланктоценозов р. Дон в зоне влияния НВ АЭС в 2003 г 106
4.2. Характеристика зоопланктоценозов р. Дон в районе выпуска правобережных очистных сооружений г. Воронеж 118
4.3. Структура зоопланктоценозов водоема-охладителя НВ АЭС 135
4.4. Оценка состояния охлаждающих водоемов НВ АЭС методами биоиндикации на основе зоопланктона 163
ВЫВОДЫ 171
РЕКОМЕНДАЦИИ 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 176
ПРИЛОЖЕНИЕ 198
- Влияние атомных электростанций на биоценозы водоемов-охладителей
- МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Физико-географическое описание региона НВ АЭС
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Атомные электростанции относятся к крупным промышленным объектам с высокой степенью воздействия на окружающую природную среду. При этом наибольшей нагрузке подвергаются экосистемы охлаждающих водоемов, как природных водоисточников, так и искусственно созданных водоемов-охладителей. Охлаждающие водоемы наряду с тепловым загрязнением подвергаются также загрязнению радиоактивными и химическими веществами, попадающими в них со сточными водами и аэрозольными выбросами в атмосферу.
Сложность оценки совокупного воздействия ряда факторов, с учетом их малых доз и непредсказуемости их взаимодействия, может быть решена методами биоиндикационного анализа, основанного на изменениях структурных характеристик сообществ организмов, населяющих водоемы.
Одним из важнейших компонентов гидроэкосистем является зоопланктон, который играет огромную роль в процессах биологического самоочищения, трансформации и круговорота вещества и энергии и может рассматриваться в качестве естественного показателя общего состояния водных экосистем.
Вопросы комплексного воздействия атомных станций на зоопланктон водоемов-охладителей остаются недостаточно изученными. Так, данные о пороговых значениях температуры для зоопланктона варьируют в широком интервале и не позволяют прогнозировать изменения в составе и структуре сообществ. Проводимые исследования часто содержат информацию о состоянии зоопланктоценозов в данный момент и не показывают динамику процессов во времени, что оставляет открытым вопрос о степени влияния атомных станций на природные экосистемы.
4 Актуальность исследований определяется комплексным характером
влияния Нововоронежской АЭС на зоопланктон охлаждающих водоемов -
реки Дон и водоема-охладителя.
Целью исследований было изучение влияния Нововоронежской атомной электростанции (ЬіВ АЭС) на зоопланктон охлаждающих водоемов - реки Дона, водоема-охладителя.
В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:
1) изучить видовой состав и соотношение систематических групп в
зоопланктоценозах охлаждающих водоемов НВ АЭС и их участков,
различных по экологическим условиям;
2) определить количественные характеристики и доминантную
структуру зоопланктоценозов;
изучить сезонную динамику основных структурных показателей и их изменений за период наблюдений;
провести экологический анализ состава зоопланктонных сообществ;
5) провести биоиндикационный анализ качества воды изучаемых
водоемов и их участков по индикаторным видам и структурным
характеристикам зоопланктона.
Научная новизна.
Впервые изучен видовой состав зоопланктона водоема-охладителя НВ АЭС, который включил 95 видов и форм, из них 5 видов впервые указаны для Центрально-Черноземного региона (ЦЧР). Установлено влияние температурного фактора на доминантную структуру, соотношение основных систематических групп и динамику количественных показателей зоопланктоценозов.
Изучена структура зоопланктоценозов р. Дон и их сезонная динамика на участке, подверженном влиянию НВ АЭС; впервые проведен сравнительный анализ современного состояния сообществ зоопланктона р.
5 Дон с теми же показателями за период, предшествующий началу работы
АЭС. Проведенные исследования позволили расширить видовой список зоопланктона центрального участка Верхнего Дона со 111 до 201 вида и форм, установлены 28 новых для ЦЧР видов.
Проведен биоиндикационный анализ качества воды водоема-охладителя и р. Дон в зоне влияния НВ АЭС сапробиологическим методом и по структурным биоценотическим характеристикам, что позволило впервые выявить изменения в структуре сообществ зоопланктона, связанные с влиянием на р. Дон правобережных биологических очистных сооружений г. Воронежа (ПОС), расположенных выше НВ АЭС.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты значительно расширяют представления о пороговых значениях температуры для зоопланктонных сообществ, характерных для водоемов-охладителей атомных станций. Установлены основные тенденции развития гидробиологических процессов в водоемах, используемых в технологических циклах АЭС и различающихся по происхождению и гидрологии.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований вошли в разделы ОВОЗ проектов строительства 6-го блока НВ АЭС (НВ АЭС-2) (Отчет по договору 56/90-15 от 12.05.92 г.) и проекта строительства и реконструкции правобережных биологических очистных сооружений г. Воронежа (Техзадание ФООТ ВПИ «Гипропром» от 1.04.98 г.). Предлагается новый подход к оценке уровня тепловой нагрузки на водоемы-охладители, основанный на исследовании структуры зоопланктоценозов и учитывающий абсолютные значения максимальных температур. Материалы диссертации позволят прогнозировать изменения структуры зоопланктоценозов в искусственных водоемах-охладителях на протяжении штатного срока эксплуатации АЭС. Материалы диссертации использованы в Кадастре беспозвоночных животных Воронежской области
(2005) и при чтении лекционных курсов «Экология и природопользование», «Экология водных организмов», «Санитарно-техническая гидробиология». Положения, выносимые на защиту:
На состав и структуру зоопланктоценозов всего обследованного участка р. Дон (выше и ниже НВ АЭС) наибольшее влияние оказывает выпуск вод с правобережных очистных сооружений г. Воронежа. Тепловое воздействие и эвтрофирование р. Дон, связанное с эксплуатацией НВ АЭС, носит локальный характер.
Зоопланктон водоемов-охладителей, различающихся по географическому положению и морфометрии, имеет сходное общее видовое разнообразие, фоновые и доминантные виды и зависит от сезонной динамики и максимальных значений температур.
Структура зоопланктоценозов является чувствительным индикатором теплового и других видов загрязнений и может быть положена в основу классификации водоемов-охладителей по уровню допустимой тепловой нагрузки.
Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации были доложены на Всероссийской конференции «Проблемы кадастра, экологии и охраны животного мира России», 1990; научно-практической конференции «Экология и охрана природы г. Воронежа», 1990; VI съезде Всесоюзного гидробиологического общества, 1991; межреспубликанских научно-практических конференциях: «Актуальные вопросы экологии и охраны природы водных экосистем и сопредельных территорий», 1995 и «Комплексное изучение, использование и охрана Воронежского водохранилища», 1996; Международных экологических чтениях памяти К.К. Сент-Илера, 1998 межрегиональных конференциях: «Эколого-фаунистические исследования в Центральном Черноземье и сопредельных территориях», 2000; «Проблемы охраны окружающей среды современного города», 2005; региональной конференции «Безопасность Воронежского
7 водохранилища», 2005; научно-практической конференции «Экология
бассейна Дона», 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной текст диссертации составляет 208 страниц, иллюстрирован 11 рисунками и 45 таблицами. Список литературы включает 206 источников, из которых 21 - на иностранных языках.
Благодарности. Выражаю глубокую благодарность за научное руководство д.б.н., профессору О.П. Негробову, за помощь в определении и проверке материала д.б.н. Г.И. Маркевичу, ИБВВ РАН, пос. Борок, за консультации и помощь в работе доктору Стокгольмского университета Е.В. Гороховой, д.б.н., профессору В.Б. Голубу, научному сотруднику биологического учебно-научного центра ВГУ «Веневитиново» А.Е. Силиной, сотрудникам кафедры экологии и систематики беспозвоночных животных, за неоценимую помощь в оформлении диссертации к.б.н., доценту кафедры экологии и систематики беспозвоночных животных Н.Ю. Пантелеевой, инженеру кафедры Н.В. Даньковой.
Влияние атомных электростанций на биоценозы водоемов-охладителей
Проблема оценки влияния атомных электростанций на окружающую природную среду возникла сравнительно недавно в середине 20-го столетия. Это объясняется не только тем, что атомная энергетика является самой молодой отраслью производства электроэнергии, но и изначально существовавшем убеждении, что АЭС, среди всех других видов электростанций являются наиболее экологически безопасными при безаварийной эксплуатации. При строительстве АЭС не происходит такого разрушения природных ландшафтов, как при строительстве гидроэлектростанций; они не загрязняют атмосферу, десятками миллионов тонн золы, сернистого ангидрида, окислов азота и другими поллютантами, которые содержатся в выбросах тепловых электростанций. Последние уже в 70-е годы прошлого столетия стали самым крупным источником загрязнения атмосферы в промышленно развитых странах (Зарубин и др., 1977). Только ущерб от выброса оксида серы (коррозия, гибель растений, снижение урожайности и др.) в США оценивается в 4,9 млрд. долларов, экономические потери от заболеваний и смертности - 6 млрд. (Константинов, 2000). Однако атомные электростанции также как и другие промышленные объекты не являются абсолютно безопасными для окружающей природной среды, даже если не рассматривать катастрофические последствия аварийных ситуаций. Особые проблемы возникают с захоронением и переработкой отходов ядерной энергетики.
Современная ядерная энергетика занимает существенное место в общей структуре энергопроизводства. Число действующих ядерных энергоблоков в мире увеличилось к 2000 г. до 439, их суммарная мощность составила 352,121 ГВт. Выработка электроэнергии на энергоблоках АЭС РФ достигла 14% от выработки электроэнергии на всех электростанциях России (Чионов, 2002). Дальнейшее развитие ядерной энергетики должно осуществляться при условии обеспечения экологической безопасности ее объектов на всех этапах - от проектирования до вывода из эксплуатации.
В числе отрицательных экологических факторов, порождаемых эксплуатацией АЭС, следует выделить такие, как потребление воды для охлаждения агрегатов станций и последующий сброс перегретых вод в водоемы-охладители; потери воды при испарении, тепловое и радиоактивное загрязнение воды и атмосферы; химическое загрязнение воды и донных отложений (Кузьменко, 1990, 1998).
С точки зрения расходования воды атомные станции менее экономичны, чем тепловые и требуют при той же мощности на 20-60% больше охлаждающей воды (Мордухай-Болтовской, 1975а).
Радиоактивное загрязнение среды происходит даже при нормальной эксплуатации АЭС в результате поступления в водоем-охладитель дебалансных вод, стоков технических контуров, а также аэрозольных выбросов. Однако, как правило, уровень его невелик и значительно уступает уровням радиационной безопасности. Так, на Чернобыльской АЭС активность выбросов (доля предельно-допустимых выбросов составляет для инертных радиоактивных газов 36%, для аэрозолей со смесью долгоживущих радионуклидов - 20%) инертных радиоактивных газов достигает 82,0 Ки/МВт электроэнергии за год (Маргулис, 1988). Сложность общей оценки суммарного эффекта от действия всех перечисленных факторов состоит в том, что в водоемах-охладителях АЭС даже при низких значениях действующих факторов может наблюдаться их синергическое, взаимно усиливающее действие.
Водные объекты, используемые в технологическом цикле атомных энергостанций, и населяющие их гидробиоценозы, представляют собой одну из подсистем единой сложной природно-техногенной системы с прямыми и обратными связями, обеспечивающими нормальное функционирование всего природно-промышленного комплекса - АЭС (Гидробиология водоемов-охладителей..., 1991; Егоров, 1994).
В любой системе «АЭС - водные объекты», а это в первую очередь относится к подсистеме «АЭС» и «водоем-охладитель», прямые и обратные связи обеспечиваются технической водой, жидкими стоками с АЭС в водоем-охладитель. Вследствие этого надежная работа АЭС зависит от качественного функционирования экосистемы водоема-охладителя, а жизнедеятельность экосистемы водоема-охладителя - от сил воздействия АЭС на нее, т.е. от количества сбрасываемого в водоем тепла, химических и радиоактивных загрязнителей (Ретроспективный анализ..., 1995).
Степень взаимозависимости качества воды, используемой для охлаждения агрегатов АЭС, как функции экосистем водоема-охладителя и формирования самих экосистем под влиянием всех факторов, связанных с эксплуатацией АЭС, значительно выше, чем в других природно-промышленных комплексах, так как процессы водопотребления и водоотведения не разделены во времени, протекают одновременно и непрерывно. На отдельных крупных электростанциях стоимость пережога в результате загрязнения конденсаторов и других теплообменников тепловых турбин составляет 1,4 - 1,5 млн. рублей в год и зависит от биологических и химических факторов загрязнения воды водоемов-охладителей (Германов, 1971)
Материал и методики исследований
Нововоронежская атомная электростанция располагается на территории Воронежской области в пределах левобережной надпойменной террасы р. Дон. Эксплуатация НВ АЭС началась 30 сентября 1964 года и она является одной из крупнейших и старейших в России электростанций. Для охлаждения существующих блоков НВ АЭС используются различные методы: воздушное охлаждение на градирнях (блок №3, №4), нагретый конденсат которых сбрасывается в р. Дон через старичный водоем, водное охлаждение с использованием технического водоема, в который преобразовано пойменное озеро (пруд-охладитель, блок №5) и реки Дон (блок №1, №2). В настоящее время 1-2 блоки станции отработали проектный срок и выведены из эксплуатации, однако процессы выделения тепла в реакторной зоне продолжаются и для его отведения используется прежний выпуск в реку Дон.
Материалом для исследования структуры зоопланктоценозов, сезонной многолетней динамики сообществ, а также биоиндикационного анализа послужили экспедиционные сборы зоопланктона, проводившиеся в вегетационные сезоны 1996, 1998, 2003 гг. в охлаждающих технологических водоемах НВ АЭС - р. Дон и в водоеме-охладителе. Для проведения сравнительного анализа использовались также результаты ранее выполненных исследований тех же водоемов в 1990 и 1993 гг., а также сборы зоопланктона, проводившиеся в 1996 и 2003 гг. в Воронежском водохранилище и в старице р. Дон в 1996, 1998 годах.. Пробы зоопланктона собирались трижды за вегетационный сезон с мая по октябрь. Обследован участок реки Дон от г. Воронеж (выше НВ АЭС) до с. Сторожевое (ниже НВ АЭС). Расстояние по реке от верхнего (с. Малышево) до нижнего (с. Сторожевое) из обследованных створов составляет около 60 км. Учитывая источники загрязнения реки Дон были выбраны следующие створы: 1. близ с. Малышево; выше по течению расположен выпуск правобережных канализационных очистных сооружений г. Воронежа; 2. близ с. Гремячье; выше по течению в р. Дон впадает канал из Воронежского водохранилища; 3. г. Нововоронеж; в зоне соединения со старицей р. Дон, в которую сбрасывается перегретый конденсат от градирен, охлаждающих 3 и 4 блоки станции. 4. г. Нововоронеж; ниже выпуска охлаждающих вод 1-2 блоков (неработающих) станции и ниже выпуска из рыбоводных прудов рыбопитомника; 5. близ с. Сторожевое; замыкающий створ, в 5 км ниже г. Нововоронеж.
Физико-географическое описание региона НВ АЭС
Физико-географическое описание долины р. Дон в пределах Воронежской области приводится в многочисленных литературных источниках и содержит полную информацию по геологии, орографии, рельефу, климату и ландшафту региона (Курдов, 1984, 1995; Мильков, 1961, 1982, 1987, 1996; Михно, 1996). Ниже приводится лишь краткая характеристика исследуемого района.
Долина Дона имеет специфическое геологическое строение, связанное с аккумулятивной деятельностью больших водных потоков: современные аллювиальные пески и суглинки, древнеаллювиальные пески с суглинистыми прослойками, водно-ледниковые пески и др.
Коренной склон Дона в районе сел Костенки, Борщево, Сторожевое имеет высоту 50 - 60 м, крутизну 30 - 40 и хорошо выраженную бровку. В обнажениях по оврагам и балкам хорошо просматривается геологическое строение: снизу залегают песчано-глинистые отложения нижнего мела с фосфоритовыми конкрециями, переходящие выше в 12 - метровую толщу белого туронского мела и трехметровый сероватый слой сантонских мергелей и далее - в подморенные пески, морену, покровные лессовидные суглинки с прослойками вулканического пепла и погребенных почв. Среди характерных форм рельефа можно назвать цирковидные балки, шатрообразные холмы-останцы эрозионного происхождения, суглинистые и меловые оползневые тела, овраги, карстовые воронки.
Пойма Дона имеет ширину от 1,5 до 6 км и высоту до 5 - 7 м. В расширенных местах (у сел Гремячье и Рудкино, у г. Нововоронеж, у сел Бодеевка и Троицкое) по геоморфологическому строению она относится к сегментному типу. Здесь река формирует хорошо выраженные излучины, имеются песчаные пляжи, прирусловые валы, участки центральной поймы с системами подковообразных в плане невысоких грив - следов былого блуждания русла. Есть здесь и пониженная притеррасовая пойма с котловинами озер - стариц (Эколого-географические районы Воронежской области, 1996).
На левобережье долины хорошо выражены четыре надпойменные террасы. Первая (Ямнинская) терраса по времени образования является самой молодой; по возрасту она соответствует Осташковскому оледенению. Ее высота над летним уровнем воды в р. Дон составляет 10 м, а ширина исчисляется несколькими сотнями метров. Поверхность покрыта беловато-серым мелкозернистым песком.
Вторая терраса имеет два уровня: низкий (Подклетненский) и высокий (Павловский). Подклетненский уровень поднимается над летним урезом воды в реке на 15 м, а Павловский - на 24 м. Общая ширина террасы достигает 2,5 км. По данным М.Н. Грищенко (1976), низкий уровень имеет следующее строение (слои перечисляются сверху вниз): коричневато-бурая супесь мощностью 0,6 м, бурый разнозернистый глинистый песок мощностью 3,4 м, глина темно-серая мощностью 3,2 м, глина черная мощностью 1,3 м. Строение высокого уровня: перевеянный ветром желтый песок (2,0 м), слой погребенной почвы (0,5 м), бурая супесь (0,5 м), бурый и желтоватый разнозернистый песок (4,0 м). По времени образования Подклетненский уровень соответствует Молого-Шекснинскому межледниковью, Павловский - Калининскому оледенению. На поверхности данной террасы располагаются АЭС и большая часть города Нововоронеж.
Для климата района характерно теплое и умеренно влажное лето, относительно мягкая зима с частыми оттепелями. Среднее годовое количество осадков изменяется от 550 мм на севере до 450 мм у г. Лиски. Среднегодовая температура воздуха у Нововоронежа равна + 5,5 С. Устойчивая зима со среднегодовыми температурами ниже - 5 С начинается в первых числах декабря; в январе температура воздуха снижается до - 9,5 С. В это время господствуют ветры западного, юго-восточного и юго-западного направлений.
Средняя температура самого теплого месяца - июля составляет + 20,1 С. В это время господствуют ветры северного, северо - восточного и западного направлений. Запас продуктивной влаги в метровом слое почвы в июле равен 50-55 мм, а дефицит влажности воздуха соответствует 7,5-8 мм.
Район богат внутренними водами. В его пределах протекает Дон -крупнейшая река Воронежской области, принимающая слева и справа такие притоки, как Воронеж, Хворостань, Верхнюю Девицу, Нижнюю Девицу и Потудань. Средний годовой расход воды у г. Нововоронеж составляет 250 м3/с, а минимальный летний среднемесячный - 91,5 м3/с. Аналогичные показатели для устьевого отрезка Воронежа составляют 73 м3/с и 19 м3/с.
