Нововоронежская АЭС: опыт использования данных объектного мониторинга состояния недр и математического моделирования для оценки воздействия на грунтовые и поверхностные воды

Программа развития объектного мониторинга состояния недр (ОМСН) на предприятиях Госкорпорации «Росатом» реализуется ФГУГП «Гидроспецгеология» с 2008 г. ОМСН включает следующие составные части:

• наблюдательную сеть на предприятиях;
• первичную информацию, представленную результатами наблюдений и исследований геологической среды;
• информационный блок «Аналитическая информационная система» (АИС ОМСН), обеспечивающий сбор и накопление данных, а также анализ результатов ОМСН;
• блок прогнозирования, содержащий математические модели процессов, обусловливающих воздействие ЯРОО на грунты, грунтовые и поверхностные воды.

Программа развития ОМСН предусматривает охват к 2015 году всех 55 основных предприятий отрасли.

Опыт использования данных ОМСН и математического моделирования для оценки воздействия ЯРОО атомной энергетики на грунтовые и поверхностные воды рассмотрен далее на примере Нововоронежской АЭС (НВ АЭС).

Постановка задачи

Нововоронежская АЭС расположена в 45 км к югу, юго-востоку от города Воронеж и в 5 км южнее г. Нововоронеж на левом берегу р. Дон (Рис. 1). НВ АЭС одна из старейших атомных станций. Первый энергоблок на ней был введён в эксплуатацию в 1964 г.

Рис. 1. Схема гидроизогипс грунтового водоносного горизонта по состоянию на 2013 г. территории расположения Нововоронежской АЭС

В гидрогеологическом разрезе территории до глубины потенциального воздействия АЭС выделены 2 водоносных горизонта (Рис. 2).

Рис. 2. Схематический гидрогеологический разрез

С поверхности залегает грунтовый водоносный горизонт, приуроченный к отложениям поймы, 1-й и 2-й надпойменных террас долины р. Дон. Водовмещающие отложения представлены аллювиальными песками неоген-четвертичного возраста (aN₂-Q_III-IV) средней мощностью 17 м и коэффициентом фильтрации 5,8 м/сут, в верхней части – покровными суглинками мощностью 4 м.

Слабопроницаемый семилукский слой (D₃sm) разделяет грунтовый и верхнещигровский водоносные горизонты. Слой распространен локально и представлен глинами средней мощностью около 4 м.

Второй от поверхности водоносный горизонт приурочен к верхнещигровским (D₃sc₂) трещиноватым известнякам. Водовмещающие отложения распространены повсеместно и имеют среднюю мощность 11 м. Сильнотрещиноватые известняки с коэффициентом фильтрации около 220 м/сут приурочены к долине р. Дон, среднетрещиноватые – распространены на водоразделе и характеризуются коэффициентами фильтрации 20 м/сут.

2-й водоносный горизонт подстилается массивными нижнещигровскими песчаниками (D₃sc₁), которые рассматриваются на данной территории в качестве регионального водоупора.

Поток подземных вод направлен от водораздела, расположенного к востоку от АЭС, в сторону р. Дон и ее старицы, расположенных в западной части территории. Абсолютные отметки уровня грунтовых вод на водоразделе составляют около 93-95 м, а в долине р. Дон – 83-85 м. Глубины залегания грунтовых вод составляют от десятков сантиметров в долине реки до 30 м на водоразделе.

По данным мониторинга в грунтовых водах выявлены превышения уровня вмешательства по ряду радиоактивных изотопов техногенного происхождения вблизи определенных радиационно-опасных объектов предприятия.

Основными задачами исследования являются:

• определение источников радиоактивного загрязнения и оценка поступления радионуклидов в подземные воды;
• прогнозные расчеты миграции радиоактивного загрязнения;
• оценка эффективности реабилитационных мероприятий;
• обоснование рекомендаций по оптимизации сети мониторинга.

Анализ данных гидрогеологического мониторинга

В результате анализа данных мониторинга за 2008-2012 гг., установлено превышение уровня вмешательства по ⁶⁰Со и ¹³⁷Cs на участке 1 и 2 блоков АЭС вблизи хранилища жидких радиоактивных отходов (ХЖО-2) (Рис. 3, 4). Источником ⁶⁰Со и ¹³⁷Cs в грунтовых водах стала нештатная утечка ЖРО из емкостей хранилища (ХЖО-2), произошедшая в 1985 г. [1]. В качестве реабилитационного мероприятия в период 1986-1991 гг. из трех скважин, расположенных вниз по потоку от ХЖО-2, производилась откачка загрязненных грунтовых вод.

Рис. 3. Максимальная активность ⁶⁰Co в грунтовых водах за период 2008-2012 гг.

Рис. 4. Максимальная активность ¹³⁷Csв грунтовых водах за период 2008-2012 гг.

Превышения УВ по удельной активности ³H зафиксированы на территории 3 и 4 блоков АЭС вблизи бассейнов выдержки (БВ-3,4); и хранилища жидких радиоактивных отходов (ХЖО-3,4). Еще один участок загрязнения подземных вод ³H выделяется рядом с полями фильтрации (Рис. 5).

Рис. 5. Максимальная активность ³H в грунтовых водах за период 2008-2012 гг.

Удельная активность большинства компонентов радиоактивного загрязнения снижается со временем. Рост удельной активности с 2010 г. фиксируется лишь по ³H в районе 3 и 4 блоков АЭС.

Геофильтрационное моделирование

Для количественной характеристики условий миграции техногенных радионуклидов в подземных водах были разработаны региональная геофильтрационная модель территории Нововоронежской АЭС и профильная модель участка полей фильтрации (Рис. 6). Модели были разработаны ФГУГП «Гидроспецгеология» в 2013 г. по контракту, заключенному с Госкорпорацией «Росатом». Размеры ячеек моделей в плане составили 10×10 м. На верхних границах задавалось инфильтрационное питание для 3 зон и испарение. Нижняя граница по кровле массивных песчаников среднещигровского возраста принималась непроницаемой. На моделях в качестве 4 расчетных слоев задавались 4 основных гидрогеологических подразделения:

• 1-й модельный слой – слабопроницаемый слой неоген-четвертичных покровных суглинков;
• 2-й модельный слой – неоген-четвертичный аллювиальный (грунтовый) водоносный горизонт;
• 3-й модельный слой – слабопроницаемый слой смедвинских глин;
• 4-й модельный слой – верхнещигровский водоносный горизонт возраста.

Модель была разработана с помощью программного комплекса PMWIN-8 [2]. Геофильтрационные расчеты выполнялись с помощью вычислительной программы MODFLOW-2005, интегрированной в программный комплекс PMWIN-8.

Режим геофильтрационного потока при моделировании принимался стационарным.

Сетка трехмерной модели участка АЭС ориентирована в северном направлении и представлена 367 рядами, 157 колонками. Площадь модели составляет 3.5 км².

Сетка профильной модели участка полей фильтрации ориентирована на северо-восток и представлена 1 рядом, 316 колонками. Длина модели составляет 3.2 км.

По северному, западному и южному контурам трехмерной модели участка АЭС задавалась непроницаемая граница (граничное условие II рода). По восточному контуру трехмерной модели во 2-м и 4-м модельных слоях задавался расход регионального подземного потока, поступающего с водораздельных областей (граничное условие II рода с заданным расходом) (Рис. 6).

Рис. 6. Геофильтрационная модель территории Нововоронежской АЭС и участка полей фильтрации

На профильной модели участка полей фильтрации внешние границы задавались следующим образом. На северо-восточной границе модели задавался среднемноголетний уровень подземных вод (граничное условие I рода). Западная граница принималась непроницаемой (граничное условие II рода) (Рис. 6). Следует отметить, что модуль фильтрационных потерь для полей фильтрации задавался в вариантно-диапазонной постановке. В 1-й модельной постановке модуль фильтрационных потерь из источника принят равным естественному инфильтрационному питанию. Во 2-й модельной постановке – в 5 раз превышает естественное инфильтрационное питание.

К внутренним границам трехмерной модели участка АЭС относятся граничные условия II и III рода. Граничное условие III рода задано по естественным (р. Дон и ее старица) и техногенным водоемам (пруд-охладитель, сбросные и отводящие каналы АЭС, пруды рыбного хозяйства) (Рис. 6). Граничное условие II рода задавалось в 3 скважинах (II модельный слой), использовавшихся для откачки загрязненных грунтовых вод вблизи ХЖО-2 в период 1986-1991 гг. Суммарный водоотбор составлял 40 тыс. м³.

На профильной модели участка полей фильтрации в качестве внутренней границы задавалась р. Дон (граничное условие IIIрода).

Калибровка геофильтрационной модели была выполнена по данным среднемноголетних значений уровней подземных вод в 106 контрольных скважинах (Рис. 6).

Геомиграционная модель

Откалиброванные и детализированные геофильтрационные модели площадки АЭС и участка полей фильтрации использовались далее в качестве основы для геомиграционного моделирования.

При геомиграционных расчетах в качестве индикаторов радиоактивного загрязнения выбраны ³H, ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs.

На модели задавались все ЯРОО, являющиеся источниками загрязнения подземных вод на рассматриваемой территории. Поля фильтрации, БВ-3,4 и ХЖО-3,4 заданы в качестве источников ³H. Режим поступления трития в грунтовые воды принят постоянным во времени. ХЖО-2 задано в качестве источника ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs. Поступление данных радионуклидов в грунтовые воды задавалось как разовое.

На первом этапе геомиграционного моделирования производятся эпигнозные расчеты с целью определения удельных активностей ³H в источниках и сорбционных параметров водовмещающих отложений по отношению к ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs. Эпигнозные расчеты миграции ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs проводились в двух модельных постановках: с учетом откачки загрязненных грунтовых вод в период 1986-1991 гг. и без учета откачки.

На втором этапе, на основе подобранных активностей ³H в источниках и сорбционных параметров водовмещающих отложений по отношению к ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs проведены прогнозные расчеты.

В соответствии с режимом работы источников загрязнения при геомиграционном моделировании были выделены 7 стресс-периодов.

По результатам эпигнозных и прогнозных модельных расчетов на участке АЭС (блоки 3, 4) удельная активность ³H в БВ-3,4 определена равной 131 КБк/кг, а в ХЖО-3,4-19 КБк/кг (Рис. 7). Стабильный ореол ³H в настоящее время распространяется в грунтовых водах на 400 м вниз по потоку, не достигая старицы. В северной части ореол частично разгружается в открытый канал блоков 3 и 4.

Рис. 7. Стабильный современный модельный ореол ³H в грунтовых водах на участке 3, 4 блоков

В результате расчетов миграции ³H на профильной модели в I модельной постановке удельная активность ³H в воде полей фильтрации определена равной 95 КБк/кг, а во II постановке – 36 КБк/кг. Прогнозные ореолы ³H в 1-й и 2-й модельных постановках в настоящее время являются стабильными. При этом в 1-й постановке ореол сосредоточен в грунтовых водах и распространяется на расстояние 300 м от источника (Рис. 8).

Рис. 8. Стабильный современный модельный ореол ³H в подземных водах на участке полей фильтрации при модуле фильтрационных потерь 2х10^-4 м/сут

Во 2-й постановке ореол ³H фиксируется как в грунтовых водах, так и верхнещигровском водоносном горизонте (Рис. 9). В грунтовых водах модельный ореол распространяется на расстояние около 500 м. В верхнещигровском водоносном горизонте ореол распространяется на расстояние до 1,5 км. При этом активность трития в подземных водах горизонта не превышает УВ. Ореолы ³H от полей фильтрации в обеих модельных постановках не достигают р. Дон.

Рис. 9. Стабильный современный модельный ореол ³H в подземных водах на участке полей фильтрации при модуле фильтрационных потерь 1х10^-3 м/сут

При эпигнозных расчетах миграции ⁶⁰Со получен коэффициент распределения в 1-3 модельных слоях равный 3х10^-4 м³/кг. Модельные расчеты с учетом реализованной в 1986-1991 гг. откачки загрязненных грунтовых вод показали, что ореол ⁶⁰Со распространяется в грунтовых водах вниз по потоку на расстояние около 600 м от источника и достигает р. Дон с активностями близкими к УВ (Рис. 10).

Рис. 10. Современный модельный ореол ⁶⁰Co в грунтовых водах на участке ХЖО-2 с учетом воздействия откачки загрязненных грунтовых вод

Центральная часть ореола приурочена к сбросному каналу 1 и 2 блоков. Ореол ⁶⁰Со формируется также и в верхнещигровском водоносном горизонте (Рис. 11), в котором также достигает реки.

Рис. 11. Современный модельный ореол ⁶⁰Co в подземных водах верхнещигровского водоносного горизонта на участке ХЖО-2.

При этом максимальные активности радионуклида в подземных водах верхнещигровского водоносного горизонта не превышают 100 Бк/кг. Расчеты миграции ⁶⁰Со без учета откачки загрязненных грунтовых вод показывают, что его максимальная удельная активность в грунтовых водах в два раза превышает активность, полученную с учетом откачки загрязненных грунтовых вод (Рис. 12). Таким образом, установлена эффективность проведенных реабилитационных мероприятий. Полная деградация ореолов ⁶⁰Со происходит к 2045 г. в верхнещигровском и к 2080 г. в неоген-четвертичном водоносном горизонте.

Рис. 12. Современный модельный ореол ⁶⁰Co в грунтовых водах на участке ХЖО-2 без учета воздействия откачки загрязненных грунтовых вод

При эпигнозных расчетах миграции ¹³⁷Cs получен коэффициент распределения 1-3 модельных слоев равный 1 м³/кг. Расчеты показывают, что ореол ¹³⁷Cs приурочен к приповерхностной части неоген-четвертичного водоносного горизонта и практически стабилен вследствие высоких сорбционных свойств водовмещающих отложений (Рис. 13). Установленные закономерности распространения ¹³⁷Cs подтверждают результаты исследований, проведенных Научно-производственным объединением «Тайфун» [1].

Рис. 13. Прогнозный модельный ореол 137Cs в грунтовых водах на участке ХЖО-2 (2114 г.)

По результатам анализа данных мониторинга и проведённого геомиграционного моделирования разработаны рекомендации по оптимизации сети мониторинга.

Заключение

Опыт работ ФГУГП «Гидроспецгеология» показывает эффективность ОМСН при прогнозировании воздействия ЯРОО на грунты, грунтовые и поверхностные воды, а также при обосновании решений по безопасной эксплуатации ЯРОО и выводу их из эксплуатации.

Список литературы

1. С.М. Вакуловский. Государственное учреждение «Научно-производственное объединение «Тайфун». Радиационная обстановка на территории России и сопредельных государств в 2009 году, ежегодник, г. Обнинск, 2010

2. Wen-Hsing Chiang, Wolfgang Kinzelbach. 3D-groundwater modeling with PMWIN: a simulation system for modeling groundwater flow and pollution. Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hong Kong, London, Milan, Paris, Singapore,Tokyo, 2000.

Авторы

Комментарии экспертов

Долгих Александр Поликарповичexternal link, opens in a new tab, главный специалист Департамента противоаварийной готовности и радиационной защиты ОАО «Концерн Росэнергоатом»

«Вопросы прогнозирования распространения радиоактивных загрязнений в подземных водах и с подземными водами являются важной частью обоснования экологической безопасности атомных станций.

Математическое моделирование геомиграционных процессов позволяет:

• прогнозировать распространение радиоактивных загрязнений в пространстве и во времени и на этой основе планировать проведение необходимых мероприятий;
• существенным образом снизить необходимый объем контроля, определяя ограниченный перечень скважин, данные которых наиболее информативны;
• оценивать эффективность предлагаемых реабилитационных мероприятий и таким образом дает возможность оптимизировать затраты на их проведение.

В настоящее время использование геомиграционных моделей касается в основном прогнозирования и немного оценки эффективности уже проведенных реабилитационных мероприятий. Впереди решение вопросов оптимизации мониторинга и контроля загрязнения подземных вод радиоактивными веществами.

Считаю, что представленная статья актуальна, а изложенные в ней результаты являются интересными».

Расторгуев Иван Александровичexternal link, opens in a new tab, старший научный сотрудник КЯТК НИЦ «Курчатовский институт»

«Авторами статьи были тщательно исследованы сложные геологические и гидрогеологические условия площадки Нововоронежской АЭС. Применен модельный комплекс PMWin и расчётные модули MODFLOW для разработки трехмерных и двухмерных моделей. По полученным расчётам приведены ореолы распределения по таким показателям, как тритий, кобальт, цезий. Считаю необходимым поддержать эту работу и продолжать развитие разработанных моделей. Хотелось бы порекомендовать в последующих работах

1. учесть прогноз распространения загрязнения в направлении в пруда-охладителя, согласно карте гидроизогипс (рис.1);
2. дать оценку защитным свойствам зоны аэрации (мощность которой по разрезам от 10 до 30 м);
3. уточнить тип граничных условий на водотоках (рис.6);
4. 4. показать миграционные параметры  - активная пористость, дисперсивность;
5. уточнить величины распада радионуклидов».

Ожован Михаил Ивановичexternal link, opens in a new tab, профессор Имперского Колледжа Лондона, Департамент Материалов, эксперт МАГАТЭ

«Применение математического моделирования с использованием геомиграционных моделей особенно ценно в плане прогнозных оценок воздействия промышленных объектов на окружающую среду и в частности на грунтовые и поверхностные воды. Как правило, такого рода оценки носят консервативный характер, тем не менее они нуждаются в надежных и весьма детальных данных гидрогеологического мониторинга.

Данная статья кратко излагает результаты математического моделирования на примере Нововоронежской АЭС. Особенно ценной является разработанная региональная геофильтрационная модель территории Нововоронежской АЭС и профильная модель участка полей фильтрации. Авторами использованы две модельные постановки модулей фильтрационных потерь из источника, причем наиболее реалистичной представляется модель естественного инфильтрационного питания. Несмотря на то что многие детали выполненной работы остались за пределами публикации, изложенный опыт использования данных объектного мониторинга состояния недр весьма интересен».