LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 3
(всего 5)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>


3.1 Численное исследование одномерных задач на установление стационарного распределения радона над площадью хвостохранилища

Приведем краткое описание постановки одномерных задач для расчета установившегося распределения концентрации Rn, выходящего из почвы в атмосферу.
Рассматриваются задачи о заполнении радоном первоначально пустого слоя, состоящего из 2-х однородных сред: от -z0 до z = 0 - грунт с пористостью m, от 0 до z1 - воздух (рис.7).











Рис.7. Геометрия задачи.

При описании распределения радона в средах используется одномерное конвективно-диффузионное уравнение:
.
Основные параметры задачи:
коэффициент диффузии радона в грунте D1=0.05 см2/с,
коэффициент диффузии радона в воздухе D2=0.1 см2/с,
постоянная полураспада радона ?=2.1?10-6 с-1,
пористость грунта m=0.2,
размеры рассматриваемой области z0=9м, z1=3м.

Здесь индекс 1 относится к грунту, а индекс 2 - к воздуху.
Данная задача рассматривалась в нескольких постановках:
* моделировался выход радона из грунта в атмосферу только за счет диффузии, когда в грунте действовал внутренний источник радона Q=?C0, равномерно распределенный по всей глубине (вариант 1);
* моделировался выход радона как в варианте 1, когда на глубине от 0 до 1 м не выделялся радон (вариант 2 - имитируется засыпка);
* моделировался выход радона из грунта в атмосферу как в варианте 1, когда в пределах грунта задан поток воздуха по проницаемым каналам с постоянной скоростью u1=const (вариант 3);
* моделировался выход радона из грунта в атмосферу как в варианте 2, когда в пределах грунта задан поток воздуха с постоянной скоростью u1=const (вариант 4).

Вариант 1.
В варианте 1 моделировался выход радона из грунта в атмосферу только за счет диффузии (u1=u2=0 ) и внутреннего источника Q=?C0, равномерно распределенного во всем слое грунта. На границе z = -z0 задано граничное условие , т.е. концентрация радона поддерживается на постоянном уровне за счет внутренних источников. На границе z = z1 для моделирования свободной поверхности (ухода радона в атмосферу) величина CRn берется с предыдущего шага. При этом, в начальный момент (t=0) во всей счетной области CRn = 0. Для получения установившегося распределения радона, счет велся до выхода на стационарное решение.

Вариант 2.
В варианте 2 моделировался выход радона из грунта в атмосферу за счет диффузии, когда в грунте действовал внутренний источник радона Q=?C0, равномерно распределенный по всей глубине до 1 метра от поверхности, а на глубине от 0 до z2=1 м - грунт не выделяет радон. Граничные и начальные условия те же, что и в варианте 1.
Для удобства изображения приведем профили концентрации в относительных единицах С=CRn/C0. Пространственное распределение установившейся концентрации радона CRn(z)/C0 и временная зависимость CRn(t)/C0 в точке раздела сред (z=0) для вариантов 1,2 представлены на рис.8,9.

Рис.8. Пространственное распределение концентрации радона CRn(z)/C0 в вариантах 1,2 (z2 - толщина засыпки).

Из рис.8 видно, что во 2 варианте с метровой засыпкой выход радона из грунта в атмосферу примерно в два раза меньше чем в 1 варианте без засыпки.

Рис.9. Временная зависимость CRn(t)/C0 в точке раздела сред (z=0) в вариантах 1,2
(z2 - толщина засыпки).

Из рис.9 видно, что примерно через 40 суток на границе раздела сред устанавливается постоянное значение концентрации СRn. В первом случае СRn/C0?0.14, а во втором СRn/C0?0.06. Видно, что засыпка нейтральным грунтом сильно влияет на концентрацию радона при выходе в атмосферу.
Вариант 3.
В варианте 3 моделировался выход радона из грунта в атмосферу как в варианте 1, когда в пределах грунта задан поток воздуха по проницаемым каналам с постоянной скоростью u1=const .
В данном варианте моделировался выход радона из грунта в атмосферу, когда в грунте задавался поток воздуха, выходящий по проницаемым каналам с постоянной скоростью u1=0.001см/с и внутренний источник радона Q=?C0. В воздухе распространение радона происходит только за счет диффузии (u2=0). Граничные и начальные условия те же, что и в варианте 1.

Вариант 4.
В варианте 4 моделировался выход радона как в варианте 3, когда на глубине от 0 до z2=1м грунт не выделяет радон.
Пространственное распределение установившейся концентрации радона CRn(z)/C0 и временная зависимость CRn(t)/C0 в точке раздела сред (z=0) для вариантов 3,4 представлены на рис.10,11.

Рис.10. Пространственное распределение концентрации радона в вариантах 3,4
(z2 - толщина засыпки).

Из рис.10 видно, что в 4 варианте с метровой засыпкой выход радона из грунта в атмосферу примерно в полтора раза меньше чем в 3 варианте без засыпки.

Рис.11. Временная зависимость концентрации радона в точке раздела сред (z=0) в вариантах 3,4 (z2 - толщина засыпки).

Из рис.11 видно, что примерно через 60 суток на границе раздела сред устанавливается постоянное значение концентрации СRn. В первом случае СRn/C0 ?0.5, а во втором СRn/C0 ?0.4. Видно, что моделирование конвективного переноса радона сильно влияет на концентрацию радона при выходе в атмосферу.

После описания распределения концентрации Rn, выходящего из почвы в атмосферу, были проведены расчеты для установления распределения CRn по глубине для различных значений D2.
Основные параметры задачи: коэффициент диффузии в воздухе D2=0.1 см2/с, коэффициент диффузии в грунте варьировался D1={0.1, 0.05, 0.01} см2/с, пористость грунта m=0.2, постоянная полураспада радона ?=2.1?10-6 с-1, z0=9м, z1=9м. В грунте действовал внутренний источник радона Q=?, равномерно распределенный на глубине от -z0 до -1м. Моделировался выход радона только за счет диффузии, т.е. скорость конвективного переноса u1=u2=0. При этом, в начальный момент (t=0) во всей счетной области CRn = 0, на границе z = -z0 было задано граничное условие ?CRn(z=-z0,t)/ ?z=0, а на границе z = z1 для моделирования свободной поверхности (ухода радона в атмосферу) величина CRn бралась с предыдущего шага. Полученные зависимости CRn(z) были нормированы на экспериментальное значение CRn в точке z=0. Данные эксперимента представлены в таблице 5 (здесь следует отметить, что ПДК по радону - 200 Бк/м3).
Таблица 5.
Z(cm)
CRn (Бк/м3)
0
970
20
720
50
380
200
360

На рис.12 представлено установившееся распределение CRn по z для различных значений D1.

Рис.12. Распределение CRn для различных значений D1

Из рис.12 видно, что при уменьшении D1 на порядок концентрация радона в грунте уменьшается в 2 раза.
На рис.13 представлено установившееся распределение CRn по z при D1=0.1 см2/с для различных значений u1.

Рис.13. Распределение CRn для различных значений u1.

Из рис.13 видно, что при увеличении u1 на порядок концентрация радона в грунте уменьшается в 7 раз.
На рис.14 приведено сравнение установившегося распределения CRn в выделенном приповерхностном участке z?[0,220cm] для различных значений D1 и экспериментальных данных из таблицы 5.

Рис.14. Распределение CRn для различных значений D1.

На рис.15 представлены установившееся распределение CRn в выделенном приповерхностном участке z?[0,220cm] для различных значений u1 и экспериментальные данные из таблицы 5.

Рис.15. Распределение CRn для различных значений u1.

Из рисунков 14,15 видно, что в двух точках существует разница между результатами расчетов и экспериментальными данными. Разница, по-видимому, объясняется погрешностями измерений.
Рассмотрим результаты трехмерных численных расчетов по изучению радонового поля над хвостохранилищем. Цель этих расчетов состояла в определении пределов распространения вредной для здоровья концентрации радона. В этих задачах использовались экспериментальные данные измерений радиационного фона. Расчетная область совпадает с областью вокруг ХВХ, где проводились измерения гамма-фона. Первая задача - это задача на установление стационарного распределения радона над площадью хвостохранилища в безветренную погоду. Эти расчеты при отсутствии ветра позволяют оценить характерную высоту облака с его повышенным содержанием, подобрать коэффициенты модели, соответствующие изучаемому региону. Вторая задача - это исследование распределения радона над хвостохранилищем при постоянном ветре. Эти расчеты позволяют оценить количество радона, уносимого ветром с площади хвостохранилища.

3.2 Численное исследование задачи на установление стационарного распределения радона над площадью хвостохранилища в безветренную погоду

Полевые эксперименты показали, что между мощностью дозы ?-излучения и содержанием Ra в подпочвенном слое хранилища наблюдается четкая линейная зависимость: . Максимальное измеренное значение мощности дозы составляет ? ˜ 1000 мкр/ч, а соответствующая ей концентрация радия (в единицах активности) CRa ˜ 0.8 nKu/г; в результате имеем оценку k?,Ra ˜ 0.0008 nKu ?ч/г?мкр.
С использованием этой линейной зависимости можно определить источник радона в уравнении конвективно-диффузионного переноса в области грунта:
, , Qz = 1 при z < 0 и Qz = 0 при z ? 0,

где ?п - плотность породы, равная примерно ˜ 2.5г/см3, ERn - коэффициент эманирования по радону; для вторичных (переработанных) пород, к каковым относится высохшая пульпа, содержащая радий, ERn оценивается ˜ 0.3 - 0.5.
Значения мощности дозы ? - излучения измерены по всей площади хвостохранилища и проинтерполированы на декартову сетку с размером ячейки ?X = ?Y ˜ 30м.
В результате уравнение конвективной диффузии записывается в виде:
=.
Исходя из этого уравнения, сформулируем задачу на установление следующим образом:
1. Рассмотрим чисто диффузионный процесс - .
2. Счетная область является параллелепипедом, характеризуемым координатами граничных точек Xmin=0, Xmax=1950м; Ymin=0, Ymax=3006м; Zmin= - 4м, Zmax= 4м.
3. Размер ячейки в плоскости XOY определяется дискретизацией ?- фона и составляет 31?31м2. По оси Z количество точек, предположительно, должно быть ˜ 20 в грунте и ˜ 40 в воздухе; в силу принципиальной неоднородности распределения CRn в вертикальном направлении эти точки сгущаются вблизи границы грунт - воздух.
4. В начальный момент времени считаем, что во всей счетной области CRn(t=0,x,y,z)=0.
5. Граничные условия:
а) на границе z= Zmax величина CRn в каждый момент времени берется с предыдущего шага;
б) на нижней границе z= Zmin - ставится условие непроницаемости ;
в) на 4-х боковых границах в плоскости XOY - ставится также условие непроницаемости , , , .
6. Параметры уравнения: ux=uy=0, D=10-6м2/с, пористость m=0.2 .
7. Счет велся до установления стационарного решения; по диффузионным оценкам момент установления tкон ˜ 106 - 107с.

В результате решения определялись следующие интегральные характеристики:
средняя концентрация по вертикали от поверхности земли до высоты h=4 м
;
средняя концентрация по всему пространству над хвостохранилищем до высоты h=4 м
;
коэффициент корреляции радонового поля и гамма-фона
, где ;
дисперсия распределения радона по площади хранилища
.
На рис.16 представлено установившееся распределение CRn на поверхности хранилища (z=0.5 см).

Рис.16. Распределение CRn (10-2 nKu/m3) на поверхности хранилища.
На рис.17 представлено установившееся распределение CRn над поверхностью ХВХ (z=2м).

Рис.17. Распределение CRn (10-2nKu/m3) над поверхностью хранилища (z=2 м).
На рис.18 представлено распределение средней по высоте концентрации .

Рис.18. Распределение средней по высоте концентрации Cs(10-2nKu/m3).
На рис.19 представлено установившееся распределение CRn над поверхностью ХВХ (z=0) в трехмерном виде, где в горизонтальной плоскости отложены координаты поверхности ХВХ, а по вертикали - значения концентрации.


Рис.19. Распределение CRn (10-2nKu/m3) над поверхностью ХВХ.
При представлении результатов расчетов для дополнительной наглядности имеет смысл рассмотреть также одномерные распределения концентрации радона в некоторых характерных сечениях в продольном и поперечном направлениях. Подобные сечения, проходящие через область с максимальным уровнем ?-фона и, соответственно, с максимальным значением CRn, изображены вертикальной и горизонтальной линиями на рис. 18. Продольное сечение в выбранной счетной области отвечает координате x0=594 м по оси OX, а поперечное сечение - координате y0=2398 м по оси OY. Графики одномерных распределений концентрации радона и ?-фона в относительных единицах , , где , , приведены на рис.20, 21.

Рис.20. Зависимости , для продольного сечения.

Рис.21. Зависимости , для поперечного сечения.
Данные зависимости демонстрируют, что пространственные изменения CRn практически совпадают с аналогичными изменениями ?-фона, что является следствием относительно малого времени жизни атомов радона и медленного характера их диффузионного распространения в неподвижной атмосфере от места эксхаляции (за четверо суток они диффундируют на расстояния не более 20 метров). Результирующий коэффициент корреляции для безветренной погоды оказывается близок к единице: k ˜ 0.9 (почти стопроцентная корреляция).
Полное расчетное установившееся количество радона в приземном слое над ХВХ составило C = 0.004 Ku, что соответствует средней концентрации C/h?S ˜ 0.5 (nKu/m3). Дисперсия распределения радона по площади хранилища получилась сравнимой с этой величиной - ˜ 0.19 (nKu/m3), что также свидетельствует о слабом влиянии диффузионного переноса на распределение радона в плоскости земли.

3.3 Численное исследование распределения радона над хвостохранилищем при постоянном ветре

После исследования задачи на установление стационарного распределения радона в неподвижной атмосфере необходимо рассмотреть динамику сноса радонового поля из области хвостохранилища постоянным ветром в каком-либо направлении.
Пусть в начальный момент t=0 над хранилищем имеет место стационарное распределение Rn по высоте. В этот же момент включается ветер в направлении X. В ходе решения нестационарной проблемы переноса определялся темп спада максимальной концентрации Rn в приземном слое Сmax. В ходе счета достигается режим установления, когда Сmax(x,y,t) приближается к фоновому значению. Исходя из расчетного темпа спада Сmax, оценивается время исчезновения повышенной концентрации Rn при постоянном ветре. При линейной модели переноса такая же концентрация установится через несколько часов над населенными пунктами в окрестности ХВХ. Но постоянная смена ветра и вертикальная конвекция приводит к быстрому снижению концентрации радона в воздухе. Экспериментальные данные говорят о концентрациях ниже ПДК за санитарной зоной и практическом отсутствии радона в районе жилых массивов.
На рис.22 представлено установившееся распределение CRn на поверхности ХВХ (z=0.5 см, u=1 м/с).

Рис.22. Распределение CRn (10-2nKu/m3) на поверхности ХВХ (z=0.5 см).

На рис.23 представлено установившееся распределение CRn над поверхностью ХВХ (z=20 см, u =1 м/с).


Рис.23. Распределение CRn (10-2nKu/m3) над поверхностью ХВХ (z=20 см).
На высоте одного метра концентрации CRn практически не наблюдается.
На рис.24 представлено распределение средней по высоте концентрации Cs.

Рис.24. Распределение средней по высоте концентрации Cs(10-2nKu/m3).

На рис.25 представлено установившееся распределение CRn над поверхностью ХВХ (z=0.5 см) в трехмерном виде, где в горизонтальной плоскости отложены координаты поверхности ХВХ, а по вертикали - значения концентрации.

Рис.25. Распределение CRn (10-2nKu/m3) над поверхностью ХВХ.

На рис.26 для продольного сечения при х=x0=594 м представлены в относительных единицах зависимости , . Продольное и поперечное сечения, выбранные для анализа результатов, изображены вертикальной и горизонтальной линиями на рис. 24.

Рис.26. Зависимости , для продольного сечения.
На рис.27 для поперечного сечения при y=y0=2398 м представлены зависимости , .

Рис.27. Зависимости , для поперечного сечения.
В результате решения данной задачи получены следующие интегральные характеристики:
* интегральная концентрация по всему пространству над ХВХ - C=0.00001 Ku;
* коэффициент корреляции радонового поля и гамма-фона - k=0.45;
* дисперсия распределения радона по площади хранилища =0.0006 (nKu/m3).
Численные расчеты показали, что между мощностью дозы ?-излучения и содержанием Ra над хранилищем при постоянном ветре наблюдается достаточно сильная корреляция.

3.4 Численное исследование ширины перемешивания радона и воздуха при различных скоростях ветра
При изучении процесса распространения радона воздушным путем возникает задача подъема радона в атмосферу за счет турбулентного перемешивания. В процессе смешения двух газов, радона и воздуха, скользящих друг по другу под действием ветра, образуется зона перемешивания, ширина которой зависит от отношения скорости воздуха к скорости радона. Для изучения ширины перемешивания радона с воздухом при различных скоростях ветра рассмотрена задача на сдвиговую неустойчивость двух газов, радона и воздуха, по - модели из комплекса KIVA (Amsden A.A., O'Rourke, Butler T.D. A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays. LA-11560-MS, UC-96, 1989).
При моделировании перемешивания для упрощения будем считать, что поверхность над хвостохранилищем состоит из двух газов разделенных горизонтальной границей в поле силы тяжести. Толщина нижнего слоя (радона) 0.5м, а верхнего (воздуха) 1.5м (рис. 28). Будем следить за фрагментом поверхности над хвостохранилищем длинной 100м. На левую границу набегает поток до 0.5 метров имеющий скорость и плотность , а от 0.5м до 2м -. Уравнения состояния газов задаются в виде , где -квадрат скорости звука.




Рис. 28. Геометрия и краевые условия задачи.
Плотность воздуха полагалась , плотность радона , скорость звука . На границе разделов веществ (X=0) скорость полагалась равной "эффективной" скорости, которая бралась в виде . Расчет проводился до установления стационарного режима , что соответствует примерно 3.8 суток (время полураспада радона). Отметим, что стационарный режим, т.е. когда ширина перемешивания не меняется с течением времени, наступает раньше. Для расчета было взято равномерное разбиение по и по . На левой границе было реализовано граничное условие притока вещества, а на правой оттока.
В таблице 6 приведены параметры потоков для 3 вариантов. Скорость радона полагалась а скорость воздуха бралась , что соответствует средней скорости ветра по розе ветров Кара-Балты. В столбце приведена максимальная ширина перемешивания воздуха и радона в метрах. В столбце приведена разница в высоте радона с концентрацией 0.001 и начальной высотой (0.5 м).
Таблица 6

Номер численного эксперимента



Вариант 1
100
200
0.044
0.008
Вариант 2
100
400
0.052
0.012
Вариант 3
100
800
0.063
0.021

На рис. 29 приведены фрагменты системы (на рис. 28 он отмечен черным прямоугольником): по вертикали от 0.455 м до 0.545 м и 0.1 м по горизонтали, для трех вариантов расчета, а также распределение массовой концентрации радона , где -полная масса смеси газов в ячейке, а - масса радона в ячейке на конечный момент времени Черная изолиния сверху соответствует минимальной массовой концентрации радона 0.001, а внизу максимальной - 1. Пунктирная линия соответствует начальному положению радона.
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Рис. 29. Распределение массовых концентраций радона для трех вариантов расчета на момент установления
Численные расчеты по математической программе турбулентного перемешивания показывают, что сдвиговая неустойчивость слабо развивается при тех скоростях, которые характерны для района ХВХ. Однако, несмотря на упрощенный подход к моделированию перемешивания радона и воздуха над хвостохранилищем, следует отметить, что:
1. с увеличением скорости ветра рост зоны перемешивания возрастает нелинейно;
2. при рассмотренных скоростях ветра (от 2м/сек до 8/м.сек) зона перемешивания воздуха и радона составляет от 1 до 2 см, что составляет 1.6%-4% от начальной толщины слоя радона.
Приведенные расчеты являются предварительными. Предложенная модель является неполной, т.к. не учитывается тепловая конвекция газов при прогреве поверхности, а также развитие турбулентности от неровности поверхности, так называемая турбулентность от пограничного слоя. Кроме того, требуют уточнения некоторые данные, например, плотность радона, средняя температура газов, распределение радона на поверхности по высоте. Для верификации модели необходимы эксперименты по измерению концентрации радона при различных скоростях ветра и на разных высотах. Реализация полной модели турбулентного перемешивания достаточно трудоемка и выходит за рамки данного проекта.
Из анализа всех численных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При отсутствии ветра происходит радиактивное загрязнение только района ХВХ.
2. При любом ветре радиактивное загрязнения окружающей местности не происходит, т.к. концентрация радона очень быстро падает за счет перемешивания с воздухом.
3. Перемешивание происходит в основном за счет процессов конвекции. Сдвиговая неустойчивость слабо развивается при тех скоростях, которые характерны для района ХВХ.
4. Выбор места для организации хвостохранилища вблизи жилых массивов не сказывается негативно в той же степени, как при рассмотрении загрязнения от переноса пыли с территории ХВХ или грунтовыми водами.
5. Возможно радиоактивное облучение при попадании людей на территорию ХВХ.
6. Желательно произвести засыпку ХВХ метровым слоем грунта и охранять территорию ХВХ от проникновения туда населения.
Литература к разделу I.2.

1. Соколов Л.В., Симонова К.И., Шестаков А.А., Широковская О.С. Методические исследования для одномерных численных расчетов распространения загрязнения в пористой среде. Препринт №92, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1996.
2. Шестаков А.А. Исследование возникновения осцилляций при решении одномерного уравнения миграции. Препринт №100, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1996.
3. Соколов Л.В., Чернов В.В., Шестаков А.А. и др. Двумерная методика численного решения системы уравнений, описывающих распространение загрязнения в пористой среде. Препринт №104, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1996.
4. Гаджиев А.Д., Соколов Л.В., Шестаков А.А. и др. Методика 'РОМБ' для численного решения трехмерного уравнения миграции радионуклидов в подземных водах на произвольных шестигранных сетках. Препринт №117, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1997.
5. Голубкина О.В., Соколов Л.В., Филимонцев Г.А., Шестаков А.А. Численное сравнение методики МИФ и методики MT3D при решении трехмерного уравнения миграции. Препринт №118, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1997.
6. Гаджиев А.Д., Филимонцев Г.А., Шестаков А.А. Методика МИФ для численного решения трехмерного уравнения миграции радионуклидов в подземных водах на произвольных шестигранных сетках. Препринт №126, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1998.
7. Комоско В.В., Симоненко В.А., Шестаков А.А. и др. Математическое моделирование распространения загрязнения в подземных водах района озера Карачай. Препринт №134, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1998.
8. Ивашкин Н.В., Петровцев А.В., Шестаков А.А. и др. Численное моделирование изменения состояния геологической среды и миграция радионуклидов в период до 10000 лет при глубинном захоронении. Препринт №133, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1998.
9. Ивашкин Н.В., Петровцев А.В., Шестаков А.А. и др. Численное моделирование изменения состояния геологической среды и миграция радионуклидов в период до 10000 лет при глубинном захоронении. ВРБ, Озерск,2000, №2, с.3-18.
10. Чалов П.И., Васильев И.А., Шестаков А.А. и др. Численное моделирование радиационной и иной опасности от хвостохранилища Карабалтинского гидрометаллургического завода по переработке ураносодержащих руд. Препринт №184, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2000.
11. Шестаков А.А., Селезнев В.Н. Исследование математической модели для описания распространения загрязнения в подземных водах с учетом плотностной конвекции. Сборник научных трудов, Бишкек, ИЛИМ,2000,с.76-96.
12. Чалов П.И., Васильев И.А., Шестаков А.А. и др. Численное моделирование радиационной и иной опасности от хвостохранилища Кара-Балтинского гидрометаллургического завода по переработке ураносодержащих руд. Сборник научных трудов, Бишкек, ИЛИМ,2004,с.40-59.
13. Чалов П.И., Васильев И.А., Шестаков А.А. и др. Основные итоги радиоэкологических исследований Кара-Балтинской площади в Кыргызстане в 1997-2000 г.г. Сборник научных трудов, Бишкек, ИЛИМ,2004,с.65-73.
14. Политов В.Ю., Сахаров М.Ю., Чернов В.В., Шестаков А.А. Тестирование программы конвективно-диффузионного переноса радионуклидных примесей в трещиновато-пористой среде. Препринт №203, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2004.


II. СОЗДАНИЕ ГЕОМИГРАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ С УЧЕТОМ СОРБЦИОННОЙ МОДЕЛИ МИГРАЦИИ УРАНА В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ РАСТВОРАХ ЧЕРЕЗ ОСНОВАНИЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Область существования подземных вод может быть разделена на зону аэрации и зону насыщения. Первая зона представляет собой поровое пространство грунтов, занятое частично водой и частично воздухом. Во второй все поровое пространство заполнено водой, находящейся под гидростатическим давлением. На большей части суши существует единственная зона аэрации, которая простирается от поверхности до нижележащей зоны насыщения. В отсутствие вышележащих водонепроницаемых слоев верхней границей зоны насыщения служит зеркало грунтовых вод. Оно определяется как поверхность с давлением, равным атмосферному, и может быть установлено по уровню, на котором стоит вода в открытых скважинах. Вода, находящаяся в грунте, движется вниз через ненасыщенную зону под действием силы тяжести, в то время как в зоне насыщения она движется в направлении, определяемом местными гидравлическими условиями. В большинстве случаев разгрузка природных подземных вод происходит путем излияния в поверхностные водные бассейны. Разгрузка их может также происходить и через поверхность суши, в том числе посредством испарения растительностью. При адвекции нереакционноспособные растворенные вещества переносятся со средней скоростью, равной средней линейной скорости подземных вод. Однако растворенные вещества стремятся распространяться также в боковых направлениях от пути, обусловленного гидравликой потока. Это явление называется гидродинамической дисперсией и приводит к разбавлению растворенных веществ. Гидродинамическая дисперсия возникает в результате механического перемешивания при течении жидкости к вследствие молекулярной диффузии. Последний эффект имеет значение лишь при низких скоростях движения. Дисперсия, вызванная только движением жидкости, называется гидравлической. Дисперсия - это процесс перемешивания, в условиях поверхностных вод она качественно представляет собой просто дейтвие турбулентности. В условиях пористой среды концепции средней линейной скорости и продольной дисперсии тесно связаны между собой. Продольная дисперсия - это процесс, в котором часть воды и молекул растворенных веществ перемещается быстрее, чем со средней линейной скоростью, а часть - медленнее. Поэтому растворенное вещество распространяется в направлении потока, но концентрация его при этом убывает.
Создание математической модели процесса переноса загрязнений в подземных водах без учета сорбционной модели миграции урана было завершено в проекте МНТЦ КР-72. В этой модели предполагалось, что загрязнение проходит без задержки через основание хвостохранилища до грунтовых вод и далее мигрирует с подземными водами. Основной сорбирующий слой находится в ложе хвостохранилища, поэтому в данном проекте основное внимание было уделено созданию геомиграционной модели процесса переноса загрязнений с учетом сорбции и многокомпонентных растворов в основании хвостохранилища (рис.30). Далее предполагается, что растворы через зону аэрации без изменения опускаются до грунтовых вод и моделируются как и раньше. Отличие в расчетах будет объясняться разными граничными условиями на поверхности грунтовых вод, т.к. в новой модели граничные концентрации будут другими.

Рис. 30. Конструкция карты хвостохранилища ГМЗ КГРК.

1. Оценка формирования загрязнений подземных вод

Степень загрязнения подземных вод определяется их защищенностью от проникновения загрязняющих веществ с поверхности. Последняя, в свою очередь, зависит от многих факторов, которые можно разделить на три основных группы - природные, техногенные и физико-химические.
К природным факторам относятся: наличие в разрезе пород зоны аэрации слабопроницаемых отложений; глубина залегания подземных вод; литология и фильтрационные свойства пород, перекрывающих подземные воды.
Техногенные факторы определяются условиями нахождения загрязняющих веществ на поверхности земли и характером проникновения загрязняющих веществ в подземные воды.
К физико-химическим факторам относятся специфические свойства загрязняющих веществ, их миграционная способность, сорбируемость, химическая стойкость или время распада, взаимодействие загрязняющих веществ с породами и подземными водами.
Кроме того, защищенность подземных вод зависит от объемов сброса загрязняющих веществ, т.к. водоносный горизонт может оказаться в большей степени защищенным по отношению к эпизодическим и небольшим по количеству сбросам загрязняющих веществ на поверхность земли.
Условия формирования загрязнения подземных вод на участке хвостохранилища КГРК можно охарактеризовать следующими данными.
Природные факторы. Климат района умеренно континентальный с высокими летними, умеренными зимними температурами и небольшим количеством атмосферных осадков (среднегодовое количество - 380 мм). Наибольшее количество их выпадает в виде дождя и приходится на весну и осень, минимальное - на август и сентябрь. Атмосферные осадки и талые воды инфильтруются в рыхлообмолочный материал. На инфильтрацию расходуется до 46% (2,8 м3/с). Подземные воды под хвостохранилищем - трещиногрунтовые и трещиножильные - безнапорные, вскрыты на глубинах (мощность зоны аэрации) 45-80 м, образуют системы бассейнов, соответствующих площадям поверхностных водосборов, с интенсивным водообменом, гидравлически взаимосвязаны. Зеркало подземных вод в сглаженном виде повторяет поверхность современного рельефа. Уклон подземного потока 0,002-0,003 в северном направлении в сторону основных водозаборов г.Кара-Балта и ближайших сел. В естественных условиях минерализация подземных вод изменяется в пределах 0,1?0,3 г/л, воды преимущественно гидрокарбонатные кальциевые.
Коэффициенты фильтрации гравийно-галечных отложений в районе ХВХ меняются в зависимости от мощности и состава заполнителя от 30 до 230 м/сут (при среднем 80-100 м/сут). С поверхности земли водоносный горизонт защищен слабо, покровные суглинки не превышают 1 метра, что способствует интенсивному проникновению загрязняющих веществ хвостовой пульпы в почвогрунты и далее - в подземные воды.
Техногенные факторы. Отходами производств КГРК, которые складируются на хвостохранилище, являются жидкая хвостовая пульпа, состоящая из песков, илов, технологических растворов и воды, используемой для транспортировки этого материала по пульпопроводу. Пульповый раствор содержит от 0,1 до 15 мг/л, а отработанная хвостовая порода после выщелачивания от 160 до 260 мг/кг U238. Концентрация урана в отходах зависит от поставляемого на переработку сырья, метода выщелачивания (кислотного или щелочного), эффективности технологии выделения урана. Природные и техногенные растворы взаиморастворимы.
В состав перерабатываемых на заводе руд входят: SiO2 (56-74%), Al2O3 (11-14,7%), Fe2O3 (1,3-4,6%), СaO (4,3%), MgO (2,7%), MnO (2,3%) и другие компоненты. Кроме того, руды содержат твердые (коротко- и долгоживущие) и газообразные радиоактивные элементы.
При переработке руд используются следующие реагенты: азотная и серная кислоты, пиролюзит, аммиак, известь и др. Объем использования вышеперечисленных реагентов, особенно в период 1970-1980 г.г., был наибольшим за весь период работы ГМЗ.
В табл. 7 приводятся химические анализы проб воды хвостовой пульпы, сброшенной на карту №8 в 2003-2004 г.г.
Таблица 7
Химический состав хвостовой пульпы
Содержание, мг/дм3
17.12.2003
18.03.2004
27.08.2004
Na++K+

77

70

6772

NH4+

5200

3333

5500

Са2+

1104

263

320

Мg2+

Не обн.

Не обн.

255

СL-

2269

4644

110

SО42-

1074

1111

27426

NО3-

177

2215

2215

NО2-

0,002

0

7

СО32-

1560

996

630

НСО3-

Не обн.

Не обн.

336

Общая жесткость

55

13

37

в т.ч. карбонатная

55

13

26

Сухой остаток

15050

36000

45200


Из данных таблицы 7 видно, что концентрация загрязняющих веществ в хвостовой пульпе отличается значительной нестабильностью и меняется в течение года в десятки и сотни раз. При этом, на общем фоне резкого снижения количества сбрасываемых на хвостохранилище сточных вод, концентрация загрязняющих веществ в последних остается предельно высокой.
Содержание специфических загрязняющих компонентов, характерных для промстоков ГМЗ КГРК, - Mn, Mo, U приведено в таблице 8. В ней дана максимальная установленная концентрация этих веществ в период с 1971 по 1997 г.
Таблица 8
Концентрация специфических загрязняющих компонентов хвостовых вод, мг/л
Место отбора пробы
Мn
ПДК=0,1
Мо
ПДК=0,25
U
ПДК=0,002
Аккумулирующий колодец
1170
15
59?10-5
Отстойник оборотной воды
1089

<< Пред. стр.

страница 3
(всего 5)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign