Особенности формирования ореолов загрязнения грунтов на участке приповерхностного хранилища РАО при глубоком залегании уровня грунтовых вод

С использованием численного моделирования выполнена предварительная оценка ореолов загрязнения грунтов радионуклидами на участке приповерхностного хранилища РАО при глубоком залегании уровня грунтовых вод. Полученные результаты рекомендуется учитывать при обосновании системы мониторинга.

При обосновании мониторинга состояния недр на участках расположения приповерхностных хранилищ РАО необходимо предварительно оценить пространственные масштабы возможных ореолов загрязнения, в соответствии которыми должны даваться рекомендации по созданию сети режимных скважин. Рассматриваются условия распространения загрязнения от приповерхностного хранилища радиоактивных отходов в песчано-глинистых отложениях при наличии мощной зоны аэрации. Уровень свободной поверхности грунтовых вод в пределах исследованной части разреза (до глубины 30 м) не вскрыт. Таким образом, прежде чем достигнуть грунтового водоносного горизонта, загрязнение от его потенциального источника на поверхности будет мигрировать в зоне аэрации. Скорость миграции радионуклидов при этом зависит от климатических и гидрологических условий территории, а также от водно-физических и сорбционных свойств грунтов зоны аэрации. Для оценки глубины проникновения радионуклидов было выполнено разведочное математическое моделирование.

Постановка расчетов.

Предполагалось, что индикаторы загрязнения ⁹⁰Sr, ³H поступают из приповерхностного хранилища РАО с инфильтрующимися атмосферными осадками в течение 34 лет. Для оценки инфильтрационного питания и миграции радионуклидов в зоне аэрации разработана численная модель, которая представляет собой вертикальную грунтовую колонку. Миграция радионуклидов в зоне аэрации обусловливается конвективным переносом (с потоком влаги), а также за счет молекулярной диффузии и гидродинамической дисперсии. Физико-химические взаимодействия в системе «вода - водовмещающие отложения» определяются процессом сорбции.

Модель влагопереноса в зоне аэрации.

Для оценки водообмена в зоне аэрации моделируется одномерная вертикальная насыщенно-ненасыщенная фильтрация от  поверхности земли до нижней границы, расположенной глубже зоны колебания уровня грунтовых вод (рис. 1).

Рисунок 1. Схема моделирования влагопереноса в зоне аэрации

Для получения среднемноголетних характеристик потока влаги в зоне аэрации был рассмотрен длительный период времени (100 лет). Расчеты влагопереноса были выполнены с использованием уравнения Ван Генухтена [1]:

,      (1)

где

 – влажность водовмещающих отложений,

 - время,

 - вертикальная координата,  

 – высота давления (отрицательная в зоне неполного насыщения и положительная в зоне полного насыщения),

 – коэффициент влагопереноса,

 – транспирация влаги растениями.

Решение уравнения (1) выполнялось с учетом прекращения поступления влаги с поверхности в зимний период. В период положительных температур уравнение (1) решалось с учетом формирования поверхностного стока при задании на поверхности земли граничного условия, которое связывает поступление влаги в почву как баланс впитывающихся осадков и испарения из почвы.

В результате моделирования были количественно оценены суточные значения испарения из почвы, поверхностного стока и инфильтрационного питания. Моделирование влагопереноса в зоне аэрации, согласно рассмотренному алгоритму, было проведено с использованием программы HYDRUS [1].

Для определения гидрофизических характеристик грантов зоны аэрации использовалось вычислительная программа Rossetta Lite ver 1 [1]. Расчет гидрофизических параметров для водовмещающих отложений производился на основе данных гранулометрического анализа с учетом плотности грунтов в естественном сложении.

При моделировании влагопереноса в течение 100-летнего периода было получено модельное распределение всасывающего давления, определяемое балансом влаги в колонке при характерных для данного района метеоусловиях. Распределение всасывающего давления, полученное на конечный момент расчета, задавалось далее при моделировании миграции как начальное условие. Принимая во внимание более высокую миграционную способности трития по сравнению со стронцием-90, высота колонки для моделирования ³H составляла 52 м, а для ⁹⁰Sr 10 м.

В результате моделирования влагопереноса были оценены основные составляющие водного баланса: поверхностный сток, инфильтрационное питание и испарение (таблица 1).

Таблица 1. Результаты моделирования влагопереноса

Моделирование миграции радионуклидов в зоне аэрации.

При моделировании миграции радионуклидов предполагалось, что в зоне аэрации каждый нуклид может находиться в воде с удельной активностью  и в сорбированном воде в твердой фазе с удельной активностью . При этом предполагается, что он переходит из твердой в жидкую фазу и обратно, мгновенно, то есть кинетика сорбции-десорбции не учитывается.

Равновесное распределение радионуклида между твердой и жидкой фазой описывается изотермой Генри с коэффициентом распределения :

.          (2)

Кроме того, и в твердой и жидкой фазе нуклид может распадаться согласно модели распада первого порядка с константой распада , связанной с периодом полураспада  нуклида как:

.                (3)

Параметр  для стронция-90 был принят по данным лабораторных определений 0,0106 м³/кг. Для трития данный параметр принимался нулевым. Активная пористость водовмещающих отложений принималась по данным лабораторных определений 0,32.

При расчетах была использована модель конвективно-дисперсионного переноса с потоком влаги [1]. В качестве начального условия принимались нулевые удельные активности радионуклидов. При модельных расчетах принималось, что поступление радионуклидов из хранилища происходит в течение первых 34 лет его эксплуатации, в дальнейшем в результате проведения реабилитационных мероприятий поступление влаги и радионуклидов из хранилища прекращается. На нижней границе модели задавался свободный вынос радионуклидов с потоком влаги. 

Обсуждение результатов моделирования.

Моделирование показало, что в рассматриваемых условиях удельная активность трития на глубине 27 м не превысит 0.01 от ее максимального значения, принятого на верхней границе моделируемой колонки (рис. 2 - 3). Таким образом, глубина распространения трития не превысит 27 м и он не достигнет уровня грунтовых вод.

Прогнозные модельные графики изменения удельной активности 3H на различных глубинах

Рисунок 3. Прогнозные модельные графики изменения удельной активности 3H по глубине на различные моменты времени

Рисунок 4. Прогнозные модельные графики изменения удельной активности 90Sr на различных глубинах

Рисунок 5. Прогнозные модельные графики изменения удельной активности 90Sr по глубине на различные моменты времени

Выводы

Моделирование показало, что в рассматриваемых условиях радионуклиды, которые могут поступать с атмосферными осадками из хранилища РАО, не достигнут уровня грунтовых вод и локализуются в зоне аэрации вследствие низких скоростей миграции с потоком влаги, а также радиоактивного распада и сорбции водовмещающими отложениями. Полученные результаты необходимо учитывать при организации объектного мониторинга состояния недр на участках хранилищ РАО, являющихся потенциальными источниками загрязнения грунтов и грунтовых вод. В частности, в рассматриваемых условиях сеть наблюдений следует ориентировать на верхнюю часть разреза зоны аэрации, расположенную непосредственно под хранилищем.

Представляется, что оптимизация сети мониторинга на основе численного моделирования с предварительной оценкой ореолов загрязнения позволит существенно сократить затраты на бурение наблюдательных скважин.

Автор выражает благодарность д.г.-м.н. А.А. Куваеву и д.г.-м.н., профессору С.П. Позднякову за критические замечания и полезные советы.

Литература

1. Šimůnek J., M. Th. van Genuchten and M. Šejna The HYDRUS-1D Software Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. Version 3.0. Preprint  DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCES UNIVERSITY OF CALIFORNIA RIVERSIDE RIVERSIDE, CALIFORNIA. 2005, 270р.

Автор

Н.М. Куринова (ФГУГП «Гидроспецгеология»)