Мониторинг состояния недр на полигоне захоронения ЖРО

В России одним из способов длительной изоляции жидких радиоактивных отходов является их захоронение в глубокозалегающие геологические формации на специально оборудованных полигонах. Такие полигоны, размещенные в районе Димитровграда, Красноярска, Томска, являются уникальными объектами как по количеству удаленных радиоактивных веществ и значимости решаемых задач по защите людей от их влияния, так и масштабам воздействия на геологическую среду

В настоящей статье рассматриваются вопросы организации геотехнологического мониторинга состояния недр в районе эксплуатации полигона подземного захоронения жидких радиоактивных отходов (ППЗ ЖРО) ОАО «Сибирский химический комбинат» (ОАО «СХК»).

Геологическое строение района расположения СХК (рис. 1) характеризуется распространением скальных пород палеозойского фундамента, которые погружаются под толщу песчано-глинистых мезо-кайнозойских пород, содержащих песчаные слои, обладающие коллекторскими свойствами и слои глинистых слабопроницаемых пород – относительных водоупоров.

В песчано-глинистой толще выделяется комплекс меловых отложений, представленных песчаными горизонтами, условно обозначенными как I, II, III, IV, и глинистыми, условно обозначенными как А, В, С, Д, и комплекс палеогеновых и четвертичных отложений, представленный песчаными горизонтами – V, VI, и глинистыми – Е, G. В качестве пластов–коллекторов на полигонах используются II и III горизонты, сложенные среднезернистыми песками различной степени глинистости. Горизонт V используется для хозяйственно–питьевого водоснабжения. Отбор воды из этого горизонта осуществляется на водозаборах №1 и № 2 на правом берегу р. Томь и на Томском водозаборе (рис. 2). Горизонт IV является буферным. Слабопроницаемые горизонты представлены глинистыми породами.

Общий ситуационный план расположения потенциальных источников загрязнения геологической среды и возможных объектов их ущерба показан на рис. 2.

Рис.2. Общий ситуационный план площадки захоронения отходов

1 – нетехнологических РАО низкого уровня активности; 2 – технологических РАО; Вх-1 – поверхностные хранилища ЖРО и их номера. Водозаборы хозяйственно-питьевого назначения: 3 – водозабор №1 г. Северска; 4 – водозабор №2 г. Северска; 5 - Томский водозабор.

Пространственно участки захоронения технологических РАО и отходов низкого уровня активности разделены. Горизонты, в которые производится инжекция РАО, отделены от верхнепалеогеновых песчаных горизонтов, воды которых эксплуатируются для хозяйственно-питьевого водоснабжения централизованными водозаборами г. Северска и г. Томска, водоупорным слоем глинистых пород верхнего мела (разделяющий слой D) и водоносным горизонтом, представленным пачкой переслаивающихся песчаных и глинистых слоев нижнего палеогена (верхний буферный горизонт IV).

Основные геофильтрационные и емкостные параметры используемых для захоронения ЖРО буферных и относительно водоупорных горизонтов приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1. Параметры эксплуатационных, буферного и используемого для водоснабжения горизонта.

Таблица 2. Параметры относительных водоупорных глинистых горизонтов

Площадка 1 захоронения нетехнологических РАО низкого уровня активности (рис. 2) пущена в эксплуатацию в 1967г., эксплуатируется в настоящее время 12 нагнетательных скважин.

Площадка 2 захоронения технологических отходов (рис. 2) пущена в эксплуатацию в 1963г., эксплуатируется 5 нагнетательных скважин.

Общие емкостные параметры полигона захоронения ЖРО ОАО «СХК» показаны на рис. 3. Захоронено в настоящее время более 46 млн. м³, имеются значительные неиспользованные емкости как на действующих, так и на разведанных площадках.

Рис.3. Общие емкостные параметры полигона захоронения ЖРО ОАО «СХК»

Параллельно с использованием недр под захоронение ЖРО в данном районе работают три крупных водозабора подземных вод хозяйственно-питьевого назначения (рис. 2) для централизованного водоснабжения г. Северск (водозаборы №1 и №2) и г. Томск (Томский водозабор).

Водозабор №1 эксплуатируется с 1959г. при среднемесячном водоотборе 600‑650 тыс. м³ до 1975г. и 800‑900 тыс. м³ с 1975г. по настоящее время, к настоящему времени отобрано около 450 млн. м³ воды. Водозабор №2 эксплуатируется с 1970 г. при среднемесячном водоотборе около 450 тыс. м³ до 1980г. и 750 тыс. м³ с 1980г. по настоящее время, к настоящему времени отобрано около 300 млн. м³ воды.

Томский водозабор расположен на противоположном от полигона захоронения берегу р. Томь, эксплуатируется с 1973г. при среднемесячном водоотборе 170‑190 тыс. м³, к настоящему времени отобрано около 2200 млн. м³ воды.

Таким образом, начиная с середины 1960-х годов, в районе расположения Сибирского химического комбината постепенно формировалась сложная природно-техническая система, обусловленная одновременной эксплуатацией полигона подземного захоронения РАО, централизованных подземных водозаборов городов Северска и Томска и дренирующим воздействием р. Томь. Удаление ЖРО на полигоне приводит к формированию репрессионного купола в пластах-колекторах области нагнетания, эксплуатация водозаборов - к формированию депрессионных воронок в палеогеновых водоносных горизонтах (рис. 4).

Рис.4. Гидродинамический эффект от работы полигона захоронения ЖРАО и водозаборов подземных вод

Система геотехнологического мониторинга на полигоне подземного захоронения СХК была организована при пуске полигона в эксплуатацию в 1963г. В процессе работы полигона она претерпела существенные преобразования, связанные как с изменениями технологической схемы захоронения РАО, модернизацией применяемых технических средств и методик выполнения измерений, так и повышением требований государственных надзорных органов. Действующая в настоящее время система геотехнологического мониторинга организована в соответствии с Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99) [4], Нормами радиационной безопасности  (НРБ-99) [5], Санитарными правилами эксплуатации и консервации глубоких хранилищ жидких радиоактивных и химических отходовпредприятий ядерно-топливного цикла (СП ЭКГХ-2002) [6], межведомственными правилами и производственными регламентами.

Основные задачи геотехнологического мониторинга состояния недр:

1. Предупреждение сверхнормативного воздействия на геологическую среду.
2. Раннее выявление технологических нарушений, в том числе в подземных конструкциях нагнетательных скважин.
3. Представление о реальной ситуации для принятия управленческих решений.
4. Прогноз последствий совместной эксплуатации подземных водозаборов хозяйственно-питьевого назначения и полигона захоронения ЖРО.

Система геотехнологического мониторинга включает в себя:

• контроль технического состояния подземной части скважин;
• мониторинг динамического, санитарного и радиационного состояния подземных вод;
• накопление и отображение получаемых данных в геоинформационной системе;
• выполнение прогнозного моделирования (локального и регионального) и анализ результатов для своевременного принятия решений.

Полевой мониторинг выполняется специализированным подразделением комбината – лабораторией геотехнологического мониторинга, прогнозное региональное и локальное моделирование ФГУГП «Гидроспецгеология» и ЗАО «Геоспецэкология» при совместном анализе получаемых результатов для своевременной разработки и реализации природоохранных мероприятий. Мониторинг проводится гидродинамическими, гидрогеохимическими и геофизическими методами по стационарной сети наблюдений, охватывающей всю площадь техногенного воздействия полигона и прилегающей к нему территории, включая действующие водозаборы. Сеть мониторинга состоит из 143 контрольных скважин на полигоне подземного захоронения и 91 наблюдательной скважиной за пределами полигона. На полигоне контрольные скважины, вскрывающие эксплуатационные горизонты, кольцами охватывают области инжекции отходов. Большинство контрольных скважин, вскрывающих буферный горизонт, расположено вблизи (10-50 м) от нагнетательных скважин. Вокруг водозаборов г. Северска наблюдательные скважины вскрывают используемый для водоснабжения верхнепалеогеновый водоносный горизонт и расположены по лучам во втором и третьем поясах санитарной охраны. Между полигоном и водозаборами наблюдательные скважины поэтажно вскрывают весь разрез от палеозойского фундамента до безнапорных горизонтов четвертичных отложений (рис. 5).

Рис.5. Общая схема организации геотехнологического мониторинга состояния недр

1 – кусты и одиночные наблюдательные скважины за пределами полигона; 2 – нагнетательные скважины; 3 – линия разреза I-I; 4 – границы водозаборов; 5 – граница горного отвода недр; 6 – гидроизопьезы; 7 – контур распространения отходов: а – в плане, б – в разрезе; 8 – палеозойский фундамент; 9 – водоупорные слои; 10 – песчаные слои;цифры и обозначения на рисунке: 1 – участок захоронения отходов низкого уровня активности; 2 – участок захоронения технологических РАО, A,B,C,D,E,F,G – региональные водоупорные существенно алевропелитовые слои с прослоями песков;  I,II,III- песчаные горизонты мелового возраста (I горизонт – буферный, во II и III горизонты производится захоронения жидких РАО); IV, V-песчаные горизонты палеогенового возраста (IV горизонт- буферный, воды V горизонта эксплуатируются Северским и Томским водозаборами).

Геофизический мониторинг.

Основные задачи – оценка технического состояния подземной части скважин, определение геофизических полей по разрезу скважин для оценки миграции РАО.

При проведении мониторинга используется комплекс методов в обсаженном стволе скважины: термокаротаж, интегральный гамма-каротаж, резистивиметрия, акустическая цементометрия, электромагнитная дефектоскопия-толщинометрия, расходометрия. Каротаж скважин осуществляется стандартными станциями, оборудованными цифровыми регистраторами с шагом по глубине 0,1 м. Первичные материалы каротажа записываются и хранятся в цифровом виде, пример результатов комплексного каротажа при обследовании технического состояния технологической скважины приведен на рис. 6. Для контроля распространения радионуклидов в пластах-коллекторах в последние годы используются новые методики. В частности, применение аппаратуры цифровой скважинной гамма-спектрометрии «ЦСП–ГК-С-76» позволяет, не только проводить разбраковку низко фоновых гамма-аномалий на природные и техногенные, но также идентифицировать тип отходови оценивать время их нахождения в пласте-коллекторе на основании изотопного состава гамма-аномалий.

Рис.6. Результаты геофизического мониторинга состояния технологической скважины:

1 – конструкция скважины;
2 – результаты термокаротажа;
3 – результаты интегрального гамма-каротажа;
4 – геологическая колонка;
5 – результаты акустического каротажа;
6 – качество цементного камня за колонной;
7 – участки пласта-коллектора, насыщенные отходами

Гидродинамический мониторинг.

В задачи гидродинамического мониторинга входит:

• своевременное выявление и прекращение перетоков РАО вдоль стволов нагнетательных скважин в буферный горизонт;
• установление изменения направлений внутри и межгоризонтных потоков и напорных градиентов, оценка степени изоляции горизонтов друг от друга на полигоне и территории между полигоном и водозаборами;
• получение количественной информации о фильтрационных свойствах пород для создания цифровой модели, с последующим ее использованием при выполнении прогнозного моделирования.

Для выявления потенциально возможных, при нарушении затрубной цементации, перетоков вдоль стволов нагнетательных скважин, замеры уровней подземных вод в буферном горизонте по контрольным скважинам, расположенным в непосредственной близости от нагнетательных, выполняются раз в сутки или чаще (в случае применения автоматизированных уровнемеров). Длительные ряды наблюдений и стабильное положение уровня подземных вод в буферном (вмещающем) горизонте по скважинам, расположенным в центральной части полигона, свидетельствуют об отсутствии затрубных перетоков из эксплуатационных горизонтов в буферный (рис. 7). Комбинированные измерения позволяют вычленить влияние техногенного фактора, исключить из кривой колебания напоров влияние атмосферного давления, температуры и периодические составляющие, связанные с приливными колебаниями имеющими период совпадающий с половиной и полными лунными сутками. Такой подход также дает возможность оценить деформацию пластов над участком инжекции отходов.

Рис.7. Изменение уровня подземных вод в эксплуатационных и буферном горизонтах при нагнетании отходов

Изменения направлений внутри и межгоризонтных потоков и напорных градиентов определяются при периодических наблюдениях за динамикой уровней по сети скважин на полигоне и за его пределами. Преимущественная частота замеров – раз в месяц, однако, в периоды близкие к экстремумам техногенного воздействия на пласты (например, остановка и пуск площадок закачки отходов) измерения производятся с большей частотой – до одного раза в сутки. Использование интеллектуальных датчиков контроля уровня типа ODS-4 фирмы ORPHIMEDES позволяет детально с 15 минутной частотой регистрировать динамику уровней в пластах-коллекторах для оценки изменения их фильтрационных свойств в процессе нагнетания отходов. Результаты мониторинга указывают на отсутствие прямой гидравлической взаимосвязи между меловыми и палеогеновыми горизонтами через разделяющий водоупор D, как в пределах полигона, так и в пределах горного отвода недр.

Динамическое влияние полигона в меловых горизонтах прослеживается на расстоянии от 1,5 до 3 км от его границ. Влияние динамики эксплуатации водозаборов №1 и №2 ЗАТО Северска на режим палеогеновых горизонтов прослеживается на расстоянии до 3 км от границ водозаборов, на режим вод меловых горизонтов - не более 1,5 км. Таким образом, в настоящее время эксплуатация водозаборов не влияет на скорость распространения фильтрата отходов в пластах-коллекторах.

Гидрохимический мониторинг.

Гидрогеохимический мониторинг выполняется путем отбора проб пластовой жидкости из наблюдательных скважин с предварительной прокачкой погружными электрическими насосами (типа SQ-95/3 и SQ-55/7) и последующим определением их химического и радионуклидного состава. Прокачка осуществляется до стабилизации подвижных гидрохимических показателей, для этого непосредственно на месте отбора проб определяют содержание Fe³⁺, Fe²⁺, НСО₃–, растворенный СО₂ (титрометрические методы), рH, солесодержание с помощью портативных рН-, Eh- и кондуктометров фирмы Mettler Toledo. Отбор проб воды производится после стабилизации рH, Eh и солесодержания. Химический состав воды, содержание радиоизотопов, микроэлементов, определяется как в лабораториях комбината, так и в привлекаемых к сотрудничеству организациях. Периодически выполняется контрольный отбор проб подземных вод и определение их химического и радионуклидного состава институтами РАН.

Анализ результатов многолетнего гидрохимического мониторинга позволяет сделать следующие выводы.

Полигон расположен в области отчетливого проявления вертикальной зональности состава подземных вод (рис. 8). Воды палеозойского фундамента натриево-кальциевые хлоридно-гидрокарбонатные, слабоминерализованные. Воды нижних горизонтов осадочного чехла гидрокарбонатные натриево-кальциевые, пресные с рН ~ 6,7-7,7 и Eh ~ -100..+50 мВ. По мере подъема в верхние этажи чехла химический состав становится кальциево-гидрокарбонатным и воды палеогеновых горизонтов по составу отчетливо отличаются от вод меловых отложений. Это дает возможность выявления участков взаимосвязи этих горизонтов при выполнении гидрогеохимического опробования (рис. 8). Выявленные таким образом участки взаимосвязи подземных вод находятся за пределами полигона и горного отвода недр.

Рис.8. Вертикальная зональность подземных вод в районе расположения полигона

Цифрами выделены: 1-область составов вод палеогеновых горизонтов (IV, V) из участков литологических окон в северо-западной части района, 2-область составов вод палеогенового горизонта IV из участка уменьшения мощности водоупора D в юго-западной части района.

При захоронении отходов в горизонты направляются два вида технологических РАО: а) кислые технологические отходы с рН ~ 2-3, которые содержат уксусную или азотную кислоту, нитрат натрия, продукты коррозии; б) щелочные технологические отходы, которые содержат 5-15 г/л NaOH, нитраты, карбонаты, сульфаты, алюминаты натрия. Эти РАО постоянно содержат продукты деления урана, следовые количества урана и трансурановых элементов. Нетехнологические отходы низкого уровня активности имеют слабощелочную или близкую к нейтральной реакцию, их солевой состав в основном определяется нитратами, сульфатами и бикарбонатами натрия и аммония.

Направляемые на захоронение отходы являются термодинамически неравновесными жидкостями. В пласте-коллекторе часть радионуклидов переводится в твердую фазу благодаря процессам сорбции и адсорбции, часть радионуклидов соосаждается с гидролизующимися металлами и кремнеземом. Параллельно проходят процессы растворения и метасоматического преобразования лабильных минералов пород хранилища, окислительно-восстановительные, термо-, радиационно- и биохимические процессы, что приводит к зональности в распределении как макро- так и микрокомпонентов и радионуклидов в потоке, которая выявляется по результатам гидрогеохимического мониторинга.

В связи с тем, что в водах пластов-коллекторов тритий практически отсутствует (для измерений использовалась аппаратура с нижним пределом определения 0,007 Бк/л), а его удельная активность в захораниваемых ЖРО составляет более n*10³ Бк/л, движение переднего фронта фильтрата отходов надежно прослеживается по нарастанию удельной активности трития. При этом во внешней зоне ореола распространения фильтрата отходов начальные изменения макрохимического состава пластовой жидкости выражаются в повышении значений Ehи увеличении содержания сульфат-ионов, что связано с привносом кислорода и окислением сульфидов. Во внутренней зоне ореола измененных вод (рис. 9) наряду с нарастанием удельной активности трития и содержания сульфатов, возрастает содержание Са, Mg и микропримесных компонентов – Ba, Sr, Rb, Mn, что связано с их мобилизацией из вмещающих пород. В этой зоне, как правило, отмечается некоторое понижение кислотности пластовых жидкостей по сравнению с природной водой. Продукты деления, изотопы урана и плутония обнаруживаются в количествах обычно на порядок ниже уровней вмешательства, удельная активность трития приближается к величине уровня вмешательства.

Рис. 9. Распространение ореола РАО в эксплуатационных горизонтах участка захоронения отходов низкого уровня активности

Нагнетательные скважины: 1 – ликвидированные, 2 – действующие на II горизонт, 3 – действующие на III горизонт, 4 – остановленные; 5 – контрольные скважины; 6 – воды, загрязненные выше значения ПДК и УВ; 7 – измененные воды.

Вблизи инжекционных скважин (в радиусе до 150-200м) фиксируются превышающие ПДК содержания нитратов (более 45 мг/л), сульфатов, аммония, натрия. Удельная активность радионуклидов в этой зоне превышает уровень вмешательства. Среди микропримесей дополнительно к ранее названным увеличиваются концентрации Al, Ga, Y, Ge, Th, Zn, Сo, Cd, Re,Mo, лантаноидов. Основная часть этих макрокомпонентов и микропримесей привнесена захораниваемыми растворами. Проницаемость разделяющего слоя D для РАО была детально исследована при бурении наблюдательных скважин вблизи выведенной из эксплуатации нагнетательной скважины Н-1 в центральной части участка захоронения отходов низкого уровня активности. При общей мощности водоупорного слоя алевропелитов перекрывающего водоупора D более 40 м, тритий в поровых водах обнаруживается на расстоянии не более 4,5 м от контакта с эксплуатационным горизонтом в концентрациях на 5 порядков ниже исходной, а нитраты – до 2,8 м, в концентрациях на 3 порядка ниже исходной (рис. 10). Определение удельной активности трития в водах буферного горизонта показало, что даже в условиях максимальных градиентов напоров между буферным и эксплуатационным горизонтами вблизи длительное время действующих нагнетательных скважин тритий не обнаруживается [1].

Рис.10. Распределение трития и нитратов в подошвенной части перекрывающего водоупора D

Для оценки геохимических параметров пластовых вод непосредственно в фильтровой зоне скважин используется аппаратура гидрогеохимического каротажа «ХИТОН-С». Определение in situ pH и Eh подземных вод позволяет судить о характере распределения валентных форм радионуклидов. Каротаж электропроводимости, содержаний нитрат- и сульфат-ионов позволяет определять неоднородность химического состава вод по вертикали пласта-коллектора и выделять отдельные пропластки по которым происходит движение фильтрата растворов (рис. 11). 

Рис.11. Результаты гидрохимического каротажа по контрольной скважине в центральной части площадки захоронения

Неоднородность распределения компонентов отходов по вертикали пластов-коллекторов подтверждена на примере распределения трития в области долговременного нахождения РАО в пласте-коллекторе (рис. 12). Полученные результаты учитываются при разработке геофильтрационных и геомиграционных моделей с целью адекватного описания процессов, происходящих в пластах-коллекторах.

Рис. 12. Разрез эксплуатационного горизонта III по линии Н-1 – ЗН-3 с вынесенными графиками изменения удельной активности трития в пластовой жидкости по разведочным скважинам

Анализ результатов многолетнего мониторинга ореола распространения отходов (в плане и разрезе) указывает на гарантированную локализацию короткоживущих продуктов деления (⁹⁰Sr, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce и других) в пластах коллекторах. С точки зрения оценки безопасности эксплуатации полигона, большое значение имеет определение форм нахождения долгоживущих радионуклидов в жидкой фазе пластов-коллекторов. В этой связи исследовалась возможность миграции долгоживущих радионуклидов (урана, плутония, америция и нептуния) в коллоидной и псевдоколлоидной формах, для выделения которых использован метод мембранной микро- и ультрафильтрации проб подземных вод, отобранных из скважин в пределах контура размещения низкоактивных отходов [2].

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что на расстоянии более 150 м от нагнетательных скважин в коллоидной и псевдоколлоидной форме мигрирует от 70 до 90% урана и трансурановых нуклидов. Тем не менее, удельная активность долгоживущих радионуклидов в жидкой фазе пласта-коллектора в этой области  не превышает величин  уровня вмешательства по НРБ -99 и составляет, Бк/л: плутоний 0,02–0,5; америций 0,08–0,3; уран 0,007–0,98, нептуний 0,034–0,087. На расстоянии более 500 м от нагнетательных скважин техногенные радионуклиды (исключая тритий) не обнаруживаются при нижних пределах определения в 20-100 раз ниже значений уровня вмешательства.

Результаты мониторинга и проведенные количественные оценки показывают, что время продвижения радионуклидов в пластах-коллекторах к водозаборам №1 и №2 ЗАТО Северска и Томскому водозабору может измеряться десятками тысяч лет, поэтому существующая система мониторинга для обеспечения безопасной эксплуатации полигона захоронения ЖРО СХК и подземных водозаборов хозяйственно-питьевого водоснабжения может быть оптимизирована. Базой для такой оптимизации являются математические геофильтрационные и геомиграционые модели, разрабатываемые ФГУГП «Гидроспецгеология» и ЗАО «Геоспецэкология» [3]. С помощью этих моделей выполняются средне- и долгосрочные прогнозы миграции загрязнителей в геологической среде, оценены и утверждены в ГКЗ Министерства природных ресурсов эксплуатационные запасы подземных вод по водозаборам №1 и №2 для ЗАТО Северск.

Литература

1. Зубков А.А., Поздняков С.П., Токарев И.А., Орлова Е.И. Оценка возможности быстрой вертикальной миграции отходов Сибирского химического комбината на основе измерения трития в подземных водах / Инженерно-геологические и Геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов, Сергеевские чтения, вып.7. – 2005. – С.240-243.
2. Захарова Е.В., Каймин Е.П., Волкова А.Г. и др. Экспериментальные и модельные исследования коллоидного транспорта радионуклидов в водоносных горизонтах (применительно к условиям глубинного захоронения жидких РАО на полигоне Сибирского химического комбината)// Геоэкология. – 2007. – С.1-12.
3. Alexandrova L.N., Glinsky M.L., Danilov V.V., Zinin A.I., Zinina G.A., Zubkov A.A. and Samsonova L.M. Prediction of radioactive liquid waste migration at the Siberian Chemical Combine underground injection site based on mathematical modeling. Abstr. in “Underground Injection Science and Technology, Berkeley, California October 22-25, 2003”. 2003, pp. 46-53.
4. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ –99).
5. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99).
6. Санитарные правила эксплуатации и консервации глубоких хранилищ жидких радиоактивных и химических отходов предприятий ядерно-топливного цикла (СП ЭКГХ-2002).

Авторы

Л.Н. Александровна, М.Л. Глинский, к.т.н. (ФГУГП «Гидроспецгеология»),
А.А. Зубков, к.г.м.н., В.В. Данилов (ОАО «СХК»),
Л.Г. Чертков, к.г.м.н. (ЗАО «Геоспецэкология»)