29 декабря 2015

Оценка скорости миграции радионуклидов в зоне аэрации для различных климатических условий (на примере Кировской и Свердловской областей)

Atomic-Energy.ru
Рисунок 1. Результаты моделирования миграции 90Sr (Свердловская область)

Авторы: Куринова Н.М., Дедюлина Е.А. (ФГУГП «Гидроспецгеология»)

При чрезвычайных ситуациях, таких как разливы радиоактивных вод на рельеф, перераспределение нуклидов происходит в основном с поверхностным стоком, с инфильтрационным питанием и за счет поглощения растительностью. Эти факторы тесно связаны с климатическими условиями конкретного района. В данной статье приводятся результаты модельных экспериментов, направленных на оценку динамики миграции 90Sr в зоне аэрации при условии оптимального и избыточного увлажнения.

Климат

Для климатической характеристики районов моделирования была выбрана классификация М.И. Будыко в основе, которой заложено соотношение тепла и влаги. Оно показывает достаточно ли тепла, приходящего к поверхности, для того чтобы испарить выпавшие на поверхность осадки. Это соотношение называют радиационным индексом сухости Кс:

                                                          (1),

где Kc – радиационный индекс сухости; E – испаряемость, мм/год; О – норма осадков, мм/год.

Индекс меньше единицы свидетельствует об избыточном увлажнении, а больше о засушливых условиях.

Свердловская область

Участок относится к зоне умеренно-континентального климата с резкими перепадами температуры воздуха, как в течение года, так и в течение суток. Среднегодовая температура воздуха +1.2 0С, средняя температура за январь -10 0С, среднемесячная температура воздуха самого жаркого месяца +21.1 0С. Рассматриваемая территория характеризуется оптимальным увлажнением: норма испарения по данным региональных работ составляет около 550 мм, а среднемноголетняя норма осадков – 541 мм. Радиационный индекс сухости составляет 1.04 таким образом, район характеризуется оптимальным увлажнением, и относится к природной зоне лесостепи. Основное количество осадков приходится преимущественно на май – сентябрь. Доля осадков холодного периода (ноябрь – март) составляет 118 мм.

Кировская область

Климат умерено-континентальный. Из-за близости Северного ледовитого океана, характерны сильные морозы зимой, заморозки и резкие похолодания в летние месяцы. Среднегодовая температура воздуха +2.4 0С; средняя многолетняя температура января -13.5 0С; июля +17 0С. Рассматриваемая территория характеризуется избыточным увлажнением: норма испарения составляет около 500 мм, норма осадков 651 мм. Радиационный индекс сухости составляет 0.70, таким образом, район относится к зоне смешанного леса и характеризуется избыточным увлажнением.

Выбор типовых грунтовых колонок

Сравнение влияния климатических факторов на миграцию радионуклидов в зоне аэрации возможно при условии идентичности всех остальных условий. Как отмечено выше оба района относятся к зоне развития лесной растительности, поэтому для моделирования был принят тип растительного покрова «Лес». Строение типовой грунтовой колонки двухслойное: верхний слой почвенно-растительный достигает 0.5 м, ниже до глубины 6.0 метров песок. Уровень грунтовых вод расположен на глубине 7 метров, это обуславливает свободное гравитационное стекание влаги.

Оценка инфильтрационного питания

Для оценки питания подземных вод с использованием модели влагопереноса в зоне аэрации моделировалась одномерная вертикальная насыщенно-ненасыщенная фильтрация от поверхности земли до нижней границы модели в программном комплексе Hydrus-1D [4]. Методика оценки инфильтрационного питания при помощи моделирования влагопереноса в зоне аэрации подробно изложена в работах [1, 2].

Верхнее граничное условие задано как суточный слой влаги, впитавшийся в почву, т.е. попавший на верхнюю границу модели, полученный по результатам моделирования в программе Surf_bal [2]. Нижнее граничное условие (Free drainage – Свободное стекание) обусловлено глубиной залегания подземных вод. Высота модельной колонки составила 6 м.

Выходными данными модельного расчета были величины балансовых составляющих: Транспирации, Поверхностного стока, Питания и Испарения. Проверка корректности расчета производилась путем сведения приходящих и расходных статей баланса.

O=Es+R+S*+Ep+TR+W                                              (2),

где О – осадки, мм/год; Es – эвапотранспирация (Surf_bal), мм/год и R – поверхностный сток, мм/год (Surf_bal); S* - дополнительный поверхностный сток, мм/год; Ep – испарение, мм/год; TR – транспирация, мм/год и W – инфильтрационное питание, мм/год.

Моделирование миграции радионуклидов

Согласно геомиграционной схематизации радионуклид распространяется вместе с вертикальным потоком влаги в растворенной форме. При этом предполагается, что в зоне аэрации радионуклид может находиться в растворе с удельной активностью C и в сорбированном на частицах породы состоянии с удельной активностью S. При этом не учитывалась кинетика сорбции-десорбции.

Равновесное распределение удельной активности радионуклида между сорбированной формой и растворенной описывается изотермой Генри:

                                                 (3),

где Kd – коэффициент распределения.

Кроме того при моделировании учитывался радиоактивный распад нуклида сорбированного на частицах и находящегося в растворе, согласно модели первого порядка:

                                                 (4),

где  – константа распада, t1/2 ­– период полураспада нуклида

В пределах глубины корневой зоны нуклиды могут поглощаться корнями растений, вместе с отбором почвенной влаги. При этом предполагается, что не происходит селективного отбора солей, то есть отбор нуклидов корнями растений происходит с той же концентрацией, что и в почвенной влаге.

Таким образом, интенсивность вертикального переноса радионуклида к уровню подземных вод определяется:

  • Концентрацией радионуклидов в почвенной влаге;
  • Средней скоростью вертикального влагопереноса в зоне аэрации и зоне полного насыщения ниже уровня грунтовых вод;
  • Интенсивностью отбора радионуклидов корнями растений;
  • Интенсивностью распада радионуклидов;
  • Сорбционными процессами.

В растворе моделируется конвективно-дисперсионный перенос потоком влаги [3,4]:

                                          (5),

где w – влажность породы, D – эффективный коэффициент дисперсии, являющийся суммой коэффициентов диффузии и гидродисперсии, γ – плотность скелета грунта, q – скорость вертикального влагопереноса, et – интенсивность отбора влаги корнями растений определяемые при решении уравнения влагопереноса, z – глубина.

В качестве начальных условий для моделирования миграции рассмотрен случай разового разлива радионуклидов на поверхность грунта. Таким образом, в качестве начального условия принимается загрязнение только верхней части зоны аэрации (20 см) с удельной активностью равной 1 и отсутствие радионуклидов в остальной части разреза. Граничное условие на поверхности земли определяет промывание зоны аэрации чистыми атмосферными осадками. Для моделирования переноса нуклидов в зоне аэрации был выбран период сто лет.

Рассматривалось загрязнение 90Sr. Величина параметра Kd, приведенная в таблице 2, была получена по результатам лабораторных исследований, проведенных для проб грунтов отобранных в Кировской области. Моделирование проводилось в условных единицах.

Анализ результатов моделирования

Анализ результатов моделирования влагопереноса показал, что величины нормы осадков, инфильтрационного питания и испарения выше в Кировской области, тогда как отбор влаги корнями растительности выше в более засушливых условиях Свердловской области. В таблице 1 приведено распределение составляющих водного баланса, полученного в результате расчетов для моделей 1 (Кировская область) и 2 (Свердловская область).

Таблица 1. Результаты моделирования влагопереноса в зоне аэрации

Модель

h

уровень, м

TR

Транспирация, мм/год

W

Инфильтрационное питание, мм/год

R+S*

поверхностный сток (Surf_bal) +дополнительный поверхностный сток, мм/год

Es+Ep

эвапотранспирация +испарение, мм/год

O

осадки, мм/год

м

мм/год

мм/год

мм/год

мм/год

мм/год

Модель 1

(Кировская область)

-7,0

115

102

124

308

651

Модель 2

(Свердловская область)

-7,0

230

36

108

156

530

 

Таблица 2. Коэффициенты распределения и период полураспада 90Sr

Элементы

Kd, м3/кг

t1/2, сут

90Sr

0,003

10508

По результатам моделирования геомиграционных процессов в зоне аэрации видно, что динамика процесса распространения нуклида во многом зависит от климата рассматриваемой территории.

На рисунках 1 и 2 приведены графики распространения 90Sr по глубине в течение ста лет. Анализ графиков показывает, что климатические условия Кировской области способствуют проникновению 90Sr на большую глубину. За период моделирования в 100 лет максимальная глубина распространения нуклида достигла отметки 1.3 м в Кировской области, и 1,0 м в Свердловской. Большая глубина распространения ореола нуклида в Кировской области связана с промывным режимом влагопереноса в зоне аэрации (радиационный индекс сухости 0.70), при котором преобладает нисходящее направление валагопереноса.

Рисунок 1. Результаты моделирования миграции 90Sr (Свердловская область)
 
Рисунок 2. Результаты моделирования миграции 90Sr (Кировская область)

Необходимо так же отметить, что форма графиков имеет большое сходство. Для верхней части разреза (до 0.5 м) ореол быстро деградирует, что обусловлено конвективно-дисперсионным переносом вглубь по разрезу, а так же отбором корнями растительности. Форма графика прохождения фронта загрязнения на глубине 0.2 м, обусловлена геомиграционной схематизацией – на этой отметке проходит граница зоны загрязненного радионуклидами грунта. При общем сходстве есть отличия по степени размытия фронта загрязнения.

Для фронта прохождения 90Sr в климатических условиях Свердловской области характерно большая дисперсия, что может быть связано с незначительным преобладанием испарения над нормой осадков (радиационный индекс сухости 1.04), а, следовательно, наличием значительного восходящего потока влаги в зоне аэрации. В целом динамика распространения 90Sr замедляется в условиях более засушливого климата Свердловской области и прослеживается тенденция к стабилизации ореола в верхней части разреза.

Литература:

  1. Гриневский С.О., Поздняков С.П. Принципы региональной оценки инфильтрационного питания подземных вод на основе геогидрологических моделей, Водные ресурсы , 2010 Т37, 2010, N5 c 543–557.
  2. Поздняков С.П., Преображенская А. Е. Оценка эвапотранспирационной разгрузки подземных вод при помощи численного моделирования. Геоэкология. ГЕОЭКОЛОГИЯ 2009,N5 с457-469.
  3. Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. Изд. ИКЦ “АКАДЕМКНИГА”. 2003, 176с.
  4. 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.