Анализ влияния Волгодонской АЭС на концентрацию сульфатов в водоеме-охладителе

УДК 621.311.25

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС НА КОНЦЕНТРАЦИЮ СУЛЬФАТОВ В ВОДОЕМЕ-ОХЛАДИТЕЛЕ

© 2010 г. И.А. Бубликова, О.Ф. Цуверкалова, М.Г. Баклыкова

Волгодонский институт

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института)

Тенденция повышения концентрации сульфатов в воде Цимлянского водохранилища делает актуальным оценку влияния на этот процесс Волгодонской АЭС. Был выполнен корреляционно-регрессионный анализ влияния на содержание этого иона в воде испарения с поверхности водоема-охладителя АЭС за счет сброса подогретых вод, сбросных вод структурных подразделений АЭС. Был сделан вывод о том, что наиболее существенный вклад в повышение концентрации сульфатов вносит разгрузка сульфатных водоносных горизонтов.

Ключевые слова: концентрация; сульфаты; водоем-охладитель; испарение; сбросы; разгрузка; водоносные горизонты; корреляционно-регрессионный анализ.

The tendency of sulfates concentration increase in Tzimlyansk water reservoir makes actual estimation of Volgodonsk NPP influence on this process. The correlation-regressive analysis of influence on the maintenance of this ion in evaporation water from the NPP water-cooler surface due to heated waters dump, waste waters of the NPP structural sub-units has been executed. The conclusion about the essential role of sulphatic waterbearing horizons unloading in sulfates concentration increase has been made.

Keywords: concentration; sulfates; reservoir - cooler; evaporation; unloading; water-bearing horizons; correlation-regressive analysis.

Водоем-охладитель Волгодонской АЭС (ВоАЭС) создан отсечением мелководной части Цимлянского водохранилища. Уже более 8 лет он используется для охлаждения технологических вод блока № 1 ВоАЭС и также будет использоваться блоком № 2 после его запуска. Со стороны АЭС в водоем-охладитель (ВО) сбрасываются не только подогретые воды от турбинного цеха, но и бытовые очищенные сточные воды, стоки химцеха и некоторых других структурных подразделений АЭС. При этом Волгодонская АЭС осуществляет забор воды из ВО на технологические нужды.

Плотина, отделяющая ВО от Цимлянского водохранилища (ЦВ), спроектирована и выполнена как фильтрующая. Подкачкой воды из ЦВ в ВО обеспечивается более высокий уровень воды в водоеме. В результате через тело плотины происходит постоянная фильтрация воды. Таким образом, возможно поступление в водохранилище различных загрязнений из водоема-охладителя в водохранилище с фильтрующейся водой. Ранее уже была выполнена оценка влияния ВО на качество воды в Цимлянском водохранилище (ЦВ) в период с 2002 по 2006 гг. в сравнении с данными многолетних наблюдений за гидрохимическими показателями воды в ЦВ [1]. В результате был сделан вывод о том, что между двумя рассматриваемыми водоемами существуют более сложные взаимодействия, чем ожидаемые некоторыми экологами однозначные негативные влияния ВО на ЦВ. Это справедливо для всех рассмотренных веществ, кроме сульфатов, концентрации которых в ВО в несколько раз превышали концентрации в ЦВ (2006 г. это превышение составило 4,2 раза).

К сожалению, в последние годы проблема накопления сульфатов в ЦВ приобретает особую актуальность в связи с наблюдающейся тенденцией смены соотношения главных ионов в воде. Это может привести не только к сульфатной коррозии бетонов, но и трудно прогнозируемым последствиям в биоценозе водохранилища, а также создать проблемы для водо-потребления. Несмотря на то, что основную роль в формировании качества воды в ЦВ играет река Дон [2], тем не менее, по данным ФГУ «Управление водными ресурсами Цимлянского водохранилища» (УВРЦВ), некоторые реки боковой приточности имеют повышенные концентрации сульфатов. Например, в 2008 г. среднее значение этого показателя в р. Рос-сошь было на уровне 1395,7 мг/дм3, в р. Цимла -592,07 мг/дм3, в р. Солоная - 546,83 мг/дм3, что значительно превышает содержание сульфатов в р. Дон (г. Калач-на-Дону) - 93,088 мг/дм3, и выше, чем в водоеме-охладителе ВоАЭС - 398 мг/дм3. Также в Цимлянское водохранилище происходит разгрузка водоносных горизонтов с высоким уровнем минерализации. Таким образом, существуют природные источники поступления сульфатов в Цимлянское водохранилище. Но представляется важным и необходимым оценить уровень техногенного вмешательства в этот процесс со стороны Волгодонской АЭС.

По данным за 2002 - 2006 гг. был выполнен анализ динамики содержания сульфатов в водоеме-охладителе и Цимлянском водохранилище. При этом были использованы результаты ежемесячного контроля параметров воды, полученные отделом контроля экологической безопасности (ОКЭБ) ВоАЭС.

ОКЭБ проводит контроль состояния водоема- водохранилища в точках контроля, представленных на охладителя и прилегающей к нему части Цимлянского рис. 1.

СХЕМА ТОЧЕК ОТБОРА ПРОБ ВОДЫ по стройплощадке АЭС

Цимлянское водохранилище

.Vj Сброс в бодоям-лигидипиль

•10-Выпуск биологически очшценньга сточных вод •13-Потек промливкевой киа-лшапии 0» кончено строительство)

• 12-Оборотные воды ТО к неответственных потребителей

• 13- Избыточные воды с НДВ от забора волы лля хиыобессо-лнвзнн*

• 14 -Поток обороткой БОЛЫ мюоохязшккй трансформаторов ЭЦ и npoNt.THBHiBOK канализации

•15-Поток вшкажщй волы сАКС

Условные обозначения: Щ - XII  ТО  турбинный цех; Ст.- столов ах; ЛБЫ  лабораторный корпус: АБЫ • администра-

тивно-бытовой корпус; ПРЫ - котельная. ПД - пожарное лепо; ПО - подрядные организации; ПФ - пол* фильтраши; ОС - очист-

ные сооружения; БИС  блочзньнасоснал станция; НДВ  насосная добавочной воды; КИС - к анализ законная насосная станция; CK  сцедаорпус:.

Рис. 1. Схемы точек отбора проб ОКЭБ ВоАЭС

Рис. 2. Динамика концентрации сульфатов в воде водоема-охладителя и Цимлянского водохранилища в период 2002 - 2006 гг.

Графики изменения концентраций сульфатов в ЦВ и ВО приведены на рис. 2. Уравнение тренда показателя для Цимлянского водохранилища имеет вид: у = = -0,312* + 109,6.

Низкий коэффициент детерминации (0,149) и небольшое значение коэффициента регрессии позволяют сделать вывод, что концентрация сульфатов в Цимлянском водохранилище практически не изменяется за рассматриваемый период. Знак «минус» перед * показывает, что тенденции роста параметра в период с 2002 по 2006 гг. нет.

Уравнение тренда концентрации сульфатов для водоема-охладителя имеет вид: у = 0,802* + 288,7, с более высоким значением коэффициента детерминации (0,331). Положительный коэффициент регрессии свидетельствует о росте показателя во времени. Сопоставление двух трендов между собой показывает, что, несмотря на значительный разброс данных, не позволивших получить зависимости высокого качества, тем не менее, рост концентрации сульфатов в воде ВО не сопровождается соответствующим ростом аналогичного показателя ЦВ.

Для проверки сделанных выводов был проведен корреляционный анализ имеющихся данных (табл. 1). Анализировались значения концентраций сульфатов в 4 точках, по две в каждом водоеме.

Таблица 1

Корреляционная матрица

Точка № 16 Точка № 7 Точка № 1 Точка № 2

Точка № 16 1 - - -

Точка № 7 0,971211686 1 - -

Точка № 1 -0,212024696 -0,20375501 1 -

Точка № 2 -0,294558065 -0,26423475 0,96257937 1

Полученные результаты подтверждают отсутствие зависимости между концентрацией сульфатов в ВО

При выполнении анализа влияния ВоАЭС на концентрацию сульфатов в водоеме-охладителе в качестве потенциальных источников поступления сульфатов в ВО были рассмотрены следующие: сбросные воды химцеха и других структурных подразделений АЭС, разгрузка грунтовых вод, увеличение концентрации сульфатов в результате испарения воды с зеркала ВО.

Испарение воды с поверхности водоема-охладителя может приводить к повышению концентрации солей в водоеме. Дополнительное испарение, вызванное сбросом подогретых вод АЭС, должно приводить к интенсификации этого процесса. Параметром, характеризующим тепловое воздействие АЭС на ВО, является температура воды, поступающей от АЭС. Сравнение температуры вод, поступающих от структурных подразделений АЭС в сбросной канал, показало, что наибольшие значения наблюдаются в оборот-

ных водах турбинного цеха (точка контроля № 12) и в потоке оборотной воды маслоохладителей трансформаторов (точка № 14). Для выявления взаимосвязи температур этих вод и содержания сульфатов в ВО (точка № 7) был выполнен регрессионный анализ данных за период с 2002 по 2006 гг. График зависимости концентрации сульфатов (у, мг/дм3) от температуры в точке 14 (х, °С) приведен на рис. 3.

Уравнение регрессии имеет вид:

у = 1,316* + 292,1.

Коэффициент корреляции составил 0,39, что характеризует связь как умеренную. Соответственно коэффициент детерминации - 0,152 - показывает, что всего лишь 15,2 % изменения концентрации сульфатов объясняется изменением температуры воды. Проверка с помощью критериев Стьюдента и Фишера значимости коэффициентов регрессии и уравнения в целом подтвердила значимость полученных результатов на 95 %-м уровне.

I

20и -

0 5 10 15 20 25

Температура воды в т. .N»14, С

Рис. 3. Зависимость концентрации сульфатов в ВО от температуры воды в т. 14

Для уточнения модели было решено учесть инерционность системы и рассматривать регрессию с временным лагом (у1 = 1,425х?-1 + 288,3) Использование в качестве факторной переменной температуры предыдущего месяца привело к увеличению коэффициентов: корреляции - до 0,457, детерминации - до 0,209.

В качестве дополнения была построена двухфак-торная модель зависимости концентрации сульфатов от концентрации и температуры предыдущего месяца.

Построенная двухфакторная модель имеет вид:

у = 147,64 + 0,926хм + 0,476ум.

Множественный коэффициент корреляции -0,635, детерминации - 0,404, т. е. объясненность модели повысилась на 25 % по сравнению с (1). Проверка значимости на 95 %-м уровне подтвердила значимость модели в целом. Однако на этом уровне коэффициент при температуре не является статистически значимым: его значимость подтверждается только на 90 %-м уровне. С другой стороны, интерпретируя коэффициент регрессии при переменной х1-1, можно сделать вывод о том, что при повышении температуры оборотной воды на 1о концентрация сульфатов в точке 7 увеличивается в среднем на 0,926 мг/дм3, поэтому температура оборотной воды маслоохладителей не оказывает сколько-нибудь значимого влияния на концентрацию сульфатов в ВО.

410

г.

£ 1Q0

ь

- <70

О

И

350

ч 'с- 330

а 310

1 290

S

S J.70

250

/ \ / г

.----ч . ' \ "Ч / \

О''

_ / —

" " ----* у

/ / ^ У ^ У ^ ^

......... 2002 г

--2003 г

- • • 2004 г

-----2005 г

- • - 2006 г -Среднее значение

^ V5* J? 4 Г ^

Рис. 4. Годовой ход концентрации сульфатов в ВО в точке № 7

Аналогичные результаты были получены как для оборотных вод турбинного цеха (точка № 12), так и для температуры воды, поступающей из сбросного канала в водоем-охладитель (точка № 16).

Подтверждением того, что концентрация сульфатов незначительно связана с испарением, определяемым температурой воды, является отсутствие зависимости концентрации этого иона от времени года, то есть температуры воздуха, а следовательно, интенсивности испарения (рис. 4).

Таким образом, на основе проведенного анализа данных можно утверждать, что процесс испарения воды с зеркала водоема-охладителя не является значимой причиной накопления сульфатов в ВО.

Как потенциальный источник поступления сульфатов в ВО можно рассматривать сброс вод от структурных подразделений ВоАЭС. Сравнение концентраций этого иона в водах, поступающих в сбросной канал, показало, что максимальные значения характерны для оборотных вод турбинного цеха (точка контроля № 12) и потока оборотной воды маслоохладителей трансформаторов и химцеха (точка № 14). Была проанализирована зависимость концентрации сульфатов в ВО (у) (точка № 7) от содержания этого иона в оборотной воде турбинного цеха (*) (точка № 12). Уравнение регрессии имеет вид: у = 0,987* + + 4,165 с достаточно высоким значением коэффициента детерминации - 0,684. С одной стороны это означает тесную взаимосвязь анализируемых параметров, но при этом следует иметь в виду, что точка № 12 соответствует оборотным водам турбинного цеха, в котором никакого химического воздействия на воду не оказывается. Её только нагревают. Поэтому и не может быть значимых различий между химическими составами воды в ВО и на сбросе турбинного цеха. Наоборот, наличие резких различий было бы странно.

Анализ зависимости между изменениями концентраций в точках 14 и 7 показал, что изменение концентрации в сбросах химцеха практически не сказывается на изменении концентрации в точке 7 (коэффициент корреляции - 0,33, что характеризует связь как слабую).

Была предпринята попытка определить превышение концентрацией сульфатов в сбросных водах химцеха (точка 14) содержания этого иона в точке № 7 (т. е. в воде ВО). Но разность между значениями показателя в этих точках была как положительной (максимальное значение - 29,4 мг/дм3), так и отрицательной (максимальное отклонение - -51,5 мг/дм3).

Рис. 4. Зависимость концентрации сульфатов в ВО от их содержании в сбросных водах АЭС

Таким образом, стоки, поступающие в сбросной канал от структурных подразделений АЭС, не являются значимым источником поступления сульфатов в водоем-охладитель.

Поскольку одним из источников поступления сульфатов в водоем-охладитель может быть разгрузка водоносных горизонтов, был проведен анализ соответствующих данных. Химический состав водоносных горизонтов района размещения АЭС характеризуется повышенной минерализацией, в том числе и значительным содержанием сульфатов [3, 4]. Известно, что грунтовые воды дренируются в Цимлянское водохранилище. В [5] анализируется ионно-солевой состав вод водоема-охладителя Волгодонской АЭС с 1990 по 2002 гг. Приведенные данные красноречиво свидетельствуют о том, что превышение концентрацией сульфатов в ВО аналогичного показателя Цимлянского водохранилища фиксировалось еще в 1990 году. То есть уже через год после отделения водоема-охладителя плотиной от Цимлянского водохранилища (1989 г.), концентрация сульфатов в водоеме-охладителе в два раза превышала их содержание в водохранилище. При этом в период с 1990 по 2000 гг.,

то есть еще до пуска Волгодонской АЭС (2001 г.), это превышение достигало трех и более раз. Такие явные различия в показателях были связаны, по мнению авторов [5], с влиянием грунтовых вод. Поэтому и после пуска энергоблока № 1 Волгодонской АЭС ожидалось значимое влияние химического состава грунтовых вод, разгружающихся в водоем-охладитель, на химический состав его воды.

К сожалению, согласно данным о составе водоносных горизонтов, приведенным в [3, т. 1, табл. 1.3.6] и в [4, т.2, табл. 3.2.1], средние значения концентрации сульфатов на порядок выше указанного диапазона изменения параметра, что, несомненно, свидетельствует об их некорректности. Поэтому эти данные не могут быть использованы в работе.

В связи с этим в качестве параметра, отражающего воздействие грунтовых вод на водоем-охладитель, были использованы результаты математического моделирования движения воды при взаимодействии подземных вод и поверхностных водоемов (водоема-охладителя и Цимлянского водохранилища) [4, т. 9], в том числе и среднемесячной динамики разгрузки в водоем-охладитель.

Уравнение регрессии зависимости концентрации сульфатов в точке № 7 ВО (у, мг/дм3) от объема разгружающихся грунтовых вод (х, м3/месяц.), полученных в результате моделирования [4, т. 9] за 2005 -2007 гг., имеет вид: у = 28,15х + 76276 с коэффициентом детерминации 0,002, что означает отсутствие между рассматриваемыми параметрами какой-либо взаимосвязи. Полученный отрицательный результат может быть объяснен неточностью определения объемов поступления грунтовых вод в водоем-охладитель в процессе моделирования, а также существующей динамикой химического состава вод, для учета которой нет данных.

Таким образом, по результатам проведенного анализа влияния различных факторов на концентрацию

Поступила в редакцию

сульфатов в воде водоема-охладителя ВоАЭС можно сделать следующие выводы:

1. За анализируемый период происходил рост концентрации сульфатов в ВО в среднем 9,6 мг/дм3 в год.

2. Тепловая нагрузка на ВО со стороны энергоблока №1 не приводит к значимому увеличению содержания сульфатов в воде ВО.

3. Сбросы вод от структурных подразделений АЭС, поступающие в ВО, не являются источниками сульфатов.

4. Есть основания предполагать, что основным источником поступления сульфатов в ВО является разгрузка сульфатных водоносных горизонтов.

5. Поскольку в проведенном исследовании не удалось однозначно установить причины повышения концентрации сульфатов в воде водоема-охладителя ВоАЭС, хотелось бы провести более подробный анализ, увеличив частоту съема данных и расширив список регистрируемых показателей.

Литература

1. Бубликова И.А., Баклыкова М.Г. Анализ влияния водоема-охладителя Волгодонской АЭС на Цимлянское водохранилище // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. Специальный выпуск. С. 152 - 155.

2. Цимлянское, водораздельные и Манычское водохранилища. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 204 с.

3. Ростовская АЭС. Оценка воздействия на окружающую среду. Проект. (Доработанный по замечаниям и предложениям Госэкспертизы Минприроды РФ). Н. Новгород, 1999.

4. Ростовская АЭС. Энергоблоки 1 - 4. Оценка воздействия на окружающую среду. ОАО «НИАЭП». Н. Новгород, 2008.

5. Эрнестова Л.С., Чионов В.Г. Воздействие АЭС на некоторые показатели водоемов-охладителей // Теплоэнергетика. 2004. № 8. С. 39 - 43.

18 февраля 2010 г.

Бубликова Ирина Альбертовна - канд. техн. наук, доцент, заведующая кафедрой инженерной экологии, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-9185786969. E-mail: ec_2004@front.ru

Цуверкалова Ольга Феликсовна - старший преподаватель, кафедра информационных и управляющих систем, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-9034049852. E-mail: o_fel@mail.ru

Баклыкова Мария Георгиевна - студентка, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8 (86392)27740. E-mail: oranjevaya_masha@mail.ru

Bublikova Irina Albertovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Engineering Ecology», Volgodonsk Institute (branch) of Southen-Russian State Technical University. Ph. 8-9185786969. E-mail: ec_2004@front.ru

Tsuverkalova Olga Felicsovna - senior lector, department «Information and Managing Systems», Volgodonsk Institute (branch) of Southen-Russian State Technical University. Ph. 8-9034049852. E-mail: o_fel@mail.ru

Baklykova Maria Georgievna - student, Volgodonsk Institute (branch) of Southen-Russian State Technical University. Ph. 8 (86392)27740. E-mail: oranjevaya_masha@mail.ru