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

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 К_с:

                                                          (1),

где K_c – 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=E_s+R+S*+E_p+TR+W                                              (2),

где О – осадки, мм/год; E_s – эвапотранспирация (Surf_bal), мм/год и R – поверхностный сток, мм/год (Surf_bal); S* - дополнительный поверхностный сток, мм/год; E_p – 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 K_d – 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, t_1/2 ­– 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, e_t – 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 K_d, 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

Таблица 2. Коэффициенты распределения и период полураспада ⁹⁰Sr

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.