Изменения мерзлотно-гидрогеологических условий в районе Билибинской АЭС на этапе ее эксплуатации
Статья подготовлена на основе аналитических отчетов по результатам объектного мониторинга состояния недр Билибинской АЭС за период 1991- 2014 гг. и результатов экспедиционных исследований, проведенных ФГБУ «Гидроспецгеология» в 2015 году.
Самая северная в мире Билибинская атомная электростанция расположена на крайнем северо-востоке России в пределах Чукотского автономного округа (рис. 1).
Она была построена и введена в эксплуатацию в 70-е годы XX века для обеспечения жизнедеятельности горнорудных и золотодобывающих предприятий, которые каждый год поставляли стране около пяти тонн золота. Здание АЭС, включающее четыре энергоблока, было построено на монолитных железобетонных плитах с предварительным оттаиванием грунта под фундамент. На станции впервые была применена уникальная система охлаждения, спроектированная специально для полярных условий, когда конденсаторы турбин охлаждаются водой, а она, в свою очередь, в воздушно-радиаторных охладителях. Мощность каждого энергоблока составляла 12 МВт, общая установленная мощность – 48 МВт. На протяжении многих лет Билибинская атомная станция представляет собой основу изолированной Чаун-Билибинской энергосистемы и является в действительности атомной теплоэлектроцентралью, снабжающей теплом и электроэнергией расположенный в 3 км от нее город Билибино. В 1984 году показатели выработки электроэнергии станции достигли рекордных отметок в 350 млн кВт/ч.
Согласно технической документации, первоначально предполагалось использование энергоблоков БиАЭС в течение 30 лет, однако в 2000-2006 гг. были проведены специальные мероприятия по продлению сроков эксплуатации систем и оборудования еще на 15 лет. Лицензия на эксплуатацию первого и второго энергоблоков станции заканчивается в 2019 году, эксплуатация третьего и четвертого энергоблоков должна быть завершена в 2021 – 2022 гг. В настоящее время реализуется подготовленный Госкорпорацией «Росатом» «Комплексный план мероприятий по подготовке БиАЭС к режиму эксплуатации без генерации энергии». Он предусматривает, в числе прочих, оценку состояния мониторинговой сети, её оптимизацию и включение в единую геоинформационную систему отрасли с целью получения информации о состоянии горных пород, сейсмической активности территории и появлении возможного загрязнения.
Особое значение в решении этих задач имеет изучение мерзлотно-гидрогеологических условий. БиАЭС – единственная станция, построенная в районе сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП). За период эксплуатации станции под промплощадкой сформировалась техногенная таликовая зона, влияющая на фундаменты зданий и сооружений, а также на распространение загрязняющих веществ на прилегающую территорию, в том числе в поверхностные водотоки.
На сегодняшний день на территории промплощадки и санитарно-защитной зоны станции (СЗЗ) БиАЭС регулярно ведется ОМСН по 54 наблюдательным скважинам (рис. 2). Размещение, конструкция, количество и назначение наблюдательных скважин определены проектом с учётом природных особенностей данной территории.
Наблюдения за температурой горных пород на промплощадке БиАЭС проводят в 11 термометрических скважин глубиной от 45 до 80 м. Скважины оборудованы термометрическими датчиками (термогирляндами).
Наблюдательная сеть на подземные воды состоит из 43 скважин, в том числе, гидрогеологических – 24 шт., радиационного контроля – 19 шт. Гидрогеологические скважины рассредоточены по всей промплощадке БиАЭС с учётом мерзлотно-гидрогеологических условий и расположения технологических схем. Скважины радиационного контроля служат для наблюдения за содержанием радионуклидов в подземных водах.
Результаты наблюдений используются:
- для оценки прогноза радиационной и геоэкологической обстановки в районе расположения АЭС,
- для оперативного реагирования и предупреждения опасных процессов, влияющих на состояние недр и инженерных сооружений,
- для разработки и реализации оперативных и долгосрочных мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации опасных природных и техногенных процессов [1].
БиАЭС расположена в пределах Верхояно-Чукотской гидрогеологической складчатой области, которая характеризуется значительной мощностью многолетнемерзлых пород, зависящей от гипсометрической высоты, составляющей от 100–300 м в низкогорье до 500 м в среднегорье. В долинах водотоков и на других сравнительно низких участках местности среднегодовая температура пород на подошве слоя годовых теплооборотов достигает –4 (–5) о С, на более возвышенных – до –8 (–10) о С. В пределах промышленной площадки станции по данным инженерно-геологических изысканий 1990 года мощность многолетнемерзлых пород составляла около 240 метров, а температуры пород на глубине 10–15 м были равны –3 (–5) о С [2].
В пределах рассматриваемой гидрогеологической области распространены сквозные и несквозные талики. Сквозные талики приурочены к крупным рекам и озерам, несквозные талики различной мощности распространены в пределах межгорных впадин и понижений с большим количеством озер. Несквозные техногенные талики приурочены к участкам застройки промышленных и жилых объектов, построенных с допущением оттаивания многолетнемёрзлых грунтов в основаниях зданий в процессе строительства и эксплуатации.
Мощность сезонно-талого слоя (СТС) на прилегающих к промплощадке участках склонов с ненарушенными условиями изменяется от 0,8 до 1,6 м, в пределах промплощадки она увеличивается до 3,5 м. На промплощадке, где отепляющее влияние на грунты оказывают здания, и различные промышленные коммуникации, мощность СТС достигает 2,0-2,5 м, иногда – 3,7 м.
По результатам наблюдений за температурой горных пород были уточнены мерзлотно-гидрогеологические условия в пределах промышленной площадки БиАЭС и ее СЗЗ (радиусом 0,5 км) и построен разрез, где показана динамика формирования «чаши оттаивания» под тепловыделяющими зданиями (рис. 2).
1 – четвертичные отложения (Q), 2 – верхне-триасовые отложения (T3), 3-7 – литологический состав: 3 – насыпной грунт (щебенисто-дресвяный), 4 – песчаники, 5 – аргиллиты, 6 – алевролиты, 7 – дресва, галька, гравий, 8-9 – границы: 8 – стратиграфические, 9 – литологические; 10 – уровень грунтовых вод, 11 – границы несквозных таликов, бергштрихи направлены в сторону талых горных пород, 12 - наблюдательная скважина: а) – термометрическая, б) – гидрогеологическая: цифры у стрелки – абсолютные отметки уровня воды м), 13-15 – контур зданий и сооружений: 13 – ЯРОО, 14 – снесённые на разрез ЯРОО, 15 – снесённые на разрез техногенные объекты
За более чем 40-летний период эксплуатации здесь сформировались несквозные техногенные талики разной мощности: около 65–70 метров под главным корпусом, 60 м – под радиаторными охладителями и 30 м – под складом. Максимальные положительные температуры горных пород 6-8оС фиксируются на глубине 10-25 м в районе главного корпуса. Динамика формирования техногенных таликов в толще ММП на промплощадке АЭС отражена на мерзлотно-гидрогеологическом разрезе и геотермических графиках, построенных на основании данных измерений температуры горных пород в термометрических скважинах (рис. 2,3,4).
Сплошное распространение многолетнемёрзлых пород определяет условия формирования подземных вод, в связи с чем, на промышленной площадке подземные воды приурочены к несквозным техногенным таликам и сезонно-талому слою (по взаимоотношению с мёрзлыми породами они являются надмерзлотными и межмерзлотными).
Надмерзлотные воды СТС существуют лишь в теплый период года с конца мая по октябрь. Водовмещающими породами являются, преимущественно, четвертичные отложения: щебень и дресва с супесчаным и супесчано-суглинистым заполнителем, реже – скальные породы: трещиноватые песчаники, алевролиты и аргиллиты. К четвертичным отложениям приурочены поровые воды, к скальным породам – порово-трещинные. Грунтовые воды приобретают незначительные напоры лишь при сезонном промерзании. Водообильность пород СТС неравномерная по площади и непостоянная во времени, коэффициент фильтрации дресвяно-щебнистого грунта с супесчано-суглинистым заполнителем составляет 0,04-0,5 м/сут.
Питание надмерзлотных вод СТС осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков. Область их питания совпадает с областью распространения. Сток грунтовых вод направлен по склону долины ручья к его руслу; в местах перегиба рельефа они выходят на поверхность в виде мочажин и рассредоточенных источников. Часто запасы надмерзлотных вод сезонно-талого слоя не срабатываются к началу промерзания деятельного слоя, образуя небольшие наледные натёки в ложбинах и полосах стока. Разгрузка вод сезонно-талого слоя происходит в понижениях и искусственных выемках рельефа, а также в ниже залегающую зону надмерзлотных вод несквозного талика на территории промплощадки.
Воды СТС сульфатные, сульфатно-гидрокарбонатные, различные по катионному составу с минерализацией до 0,25 г/л; слабокислые и нейтральные (pH – от 5,8 до 6,6), очень мягкие (общая жёсткость – от 0,2 до 1,03 мг-экв/л).
Надмерзлотные и межмерзлотные воды несквозных таликов сформировались в техногенных «чашах оттаивания» под тепловыделяющими зданиями на промышленной площадке АЭС. Водовмещающими породами являются верхнетриасовые трещиноватые песчаники, алевролиты, аргиллиты. Воды трещинные, пластово-трещинные грунтовые и напорные. Глубина залегания уровня подземных вод составляет от 15 м в тёплый период года (июль-сентябрь) до 17 м в холодный период года. Питание таликовых подземных вод осуществляется за счёт вод СТС в тёплый период года, оттаивания льда в многолетнемёрзлых породах. Таликовые зоны надмерзлотных вод ограничены снизу и с боков водоупорными многолетнемерзлыми породами, межмерзлотные – снизу, сверху и с одной стороны. На территории промплощадки разгрузка таликовых надмерзлотно-межмерзлотных вод происходит в приямок котлована пристроя, откуда её откачивают. Котлован глубиной 19,4 м заложен у восточной стенки главного корпуса с двумя приямками глубиной 2,2 м (от дна котлована) для откачки воды. По химическому составу воды таликовых зон сульфатные натриево-кальциевые, солоноватые, с сухим остатком от 1,3 до 4,2 г/л. Воды нейтральные (pH изменяется в диапазоне от 6,6 до 7,2), очень жёсткие (общая жёсткость – от 20 до 60 мг-экв/л).
Таким образом, существующая система мониторинга на БиАЭС позволила получить данные о значительных изменениях мерзлотных условий за более чем 40-летний период эксплуатации, в том числе о формировании в пределах промышленной площадки и санитарно-защитной зоны техногенных таликов разной мощности.
Уникальность географического расположения Билибинской АЭС и сложность местных мерзлотно-гидрогеологических условий требует внимательного подхода к прогнозу развития мерзлотных процессов на этапе вывода станции из эксплуатации, когда будет существенно нарушен термодинамический режим, сложившийся на данной территории на протяжении нескольких десятков лет. В связи с этим дальнейшее функционирование системы ОМСН позволит получать данные о состоянии недр на участках расположения основных объектов станции и в их округе для прогнозирования изменения мерзлотно-гидрогеологических условий, в том числе границ водоносной таликовой зоны, и обеспечить геотехническую и экологическую безопасности.