CC BY
45
благоприятная среда жизнедеятельности человека
К вопросу о критерии и методе оценки радоноопасности участков застройки
А.А. Цапалов
Недостатки действующей системы нормативно-методических документов, предназначенных для обеспечения радонобезопасности сооружаемых зданий, достаточно аргументировано представлены проф. Гулабянцем Л.А. в публикации [1]. В числе основных актуальных проблем указывается отсутствие «четкого структурирования существующей системы санитарных и строительных документов». Другая, не менее важная проблема, заключается в не-представительности применяемого критерия оценки потенциальной радоноопасности площади застройки, основанного на прямых измерениях плотности потока радона (ППР) с поверхности грунта. Доказательно представлен ряд причин, по которым результат прямого измерения ППР нельзя использовать не только в качестве контрольной величины, но и для расчетного проектирования защиты здания от поступлений радона из грунтового основания. При отсутствии в настоящий момент критериев и методов такого проектирования главная ценность публикации [1] заключается в сформулированных принципах построения новых норм проектирования про-тиворадоновой защиты зданий. Не вдаваясь в детали методологии расчетного проектирования, связанного с сугубо строительными технологиями и знанием радиационно-физических характеристик материалов ограждающих конструкций здания, обратим внимание на то обстоятельство, что предлагаемый в [1] критерий оценки защищенности здания от радона требует информации о величине концентрации радона в грунтовом массиве под зданием.
Здесь важно отметить, что указанный параметр связан с концентрацией радона в поровом пространстве сухого грунта соотношением:
А = Є • А
гр пор
(1)
где А — объемная активность радона в грунтовом массиве, Бк/м3; А — объемная активность
' пор
радона в порах грунта, Бк/м3; £ — пористость сухого грунта, отн.ед.
Сделанное замечание приобретает существенную роль, когда возникает необходимость инструментального определения значения величины А . В работе [1] значение этой величины предлагается определять «на основе прямых измерений объемной активности радона в скважинах в процессе про-
ведения инженерных геологических изысканий на участке застройки». При таком способе измерения определение значения А также как и в случае с ППР, может оказаться малодостоверным по следующим обстоятельствам:
1. Объемная активность (ОА) радона в скважине примерно соответствует величине А . Согласно (1) для расчета А требуется дополнительная информация о пористости грунта, которую в естественных условиях, тем более при непостоянной влажности грунта, определить с приемлемой точностью проблематично (ошибка может быть в два и более раз).
2. Известно, что радоновое поле в активном слое [2] грунта крайне нестабильно во времени, поскольку зависит от влажности приповерхностных слоев грунта, а также от погодных условий и сезонности измерений [3]. Поэтому нет уверенности, что результат кратковременного измерения концентрации радона в грунте в случайный момент времени, по аналогии с ППР [4], будет соответствовать среднегодовому значению.
3. Неизвестна закономерность распределения радона по глубине скважины в случае присутствия в геологическом разрезе чередующихся слоев грунта с высоким и низким содержанием порового радона.
4. Отбор пробы воздуха из скважины не только технологически сложен в процессе изысканий, но и во многих случаях просто нереализуем. Например, из-за обсадки скважины при ее проходке, когда изолируется поступление радона из стенок скважины, или в случае ее заполнения водой из напорного водоносного горизонта.
Наиболее распространенный метод прямого измерения А путем погружения трубки-зонда в грунт и отбора пробы почвенного воздуха с глубины не более 1 метра имеет те же недостатки, а также ограниченную глубину пробоотбора (напомним, что заглубление современных зданий составляет от двух и более метров [1]).
Таким образом, методы полевых измерений не позволяют напрямую инструментально установить необходимое для расчетного проектирования в строительстве значение А , и, помимо этого, отлича-
гр
ются низкой достоверностью и сложностью пробоотбора. Подверженное влиянию внешних факторов и изменяющееся во времени радоновое поле ак-
3 2010 525
благоприятная среда жизнедеятельности человека
тивного слоя грунта в принципе не может характеризовать степень потенциальной радоноопасности участка территории на основе результатов кратковременных измерений. Поэтому полевые методы определения величины Агр, очевидно, следует вообще исключить из практики инженерных изысканий.
Наиболее качественное (достоверное, воспроизводимое, прослеживаемое) определение величины Агр может быть достигнуто при проведении инженерных геологических изысканий путем лабораторного анализа характеристик одной или нескольких проб грунта, отобранных из керна на глубине нижней отметки фундамента проектируемого здания (и/или еще ниже в зависимости от количества проб). В работе [1] приводится формула для расчета величины А
гр
А = Св • К • р,
гр ка эм г
(2)
где С^ — удельная активность радия-226 в пробе грунта, Бк/кг; К — коэффициент эманирования радона в пробе грунта, отн.ед.; р — плотность грунта, кг/м3.
Определение в лабораторных условиях значений С^ и Кэм может быть выполнено одновременно путем измерения на сцинтилляционном гамма-спектрометре активности пробы сначала в деэма-нированном состоянии (в пробе содержится лишь связанный в твердой структуре вещества радон), а затем в герметично закрытой пробе по мере накопления свободного радона (выделяющегося из твердой структуры в открытые поры вещества пробы). Длительность выдержки пробы в герметичном контейнере с периодическим измерением может составлять от 4 до 30 дней в зависимости от активности пробы, ее эманационной способности и желаемой точности расчета А . Общее количество измерений должно быть не менее трех на одну пробу. Методика одновременного измерения СКа и Кэм в пробе грунта уже существует, вопрос лишь в обеспечении представительности пробоотбора.
Отметим, что почти все лаборатории радиационного контроля в стране оснащены необходимыми гамма-спектрометрами, но не имеют необходимых для рассматриваемого случая стандартизо-
ванных и надежных герметичных контейнеров для размещения проб. Опыт показывает [5,6], что все попытки герметизации имеющихся сейчас в ЛРК измерительных контейнеров с помощью подручных средств в подавляющем большинстве случаев безуспешны.
Важно уточнить, что предлагаемый метод определения величины Агр основан на результатах количественного лабораторного анализа только тех величин в формуле (2), значения которых не подвержены влиянию внешних факторов (в работах [79] теоретически и экспериментально установлено, что Кэм не зависит от влажности вещества). Именно поэтому значения расчетной величины Агр в геологическом разрезе на разных глубинах (до глубины проходки скважины) можно использовать в качестве контрольных при оценке потенциальной радоноопасности участка строительства. Сохраняя преемственность и наиболее плавный переход от менее качественных принципов контроля к более достоверным и эффективным, пока целесообразно оставить в качестве критерия оценки радоноопасности участка величину ППР, но при этом определять ее фактическое значение не путем прямых натурных измерений, а на основе расчета (что, кстати, не противоречит ОСПОРБ-99 [10]), имея в виду, что основной механизм переноса радона в грунте — молекулярная диффузия [11]:
ППР = сйа кэм Р = Лгр , (3)
где й — коэффициент диффузии радона в сухом грунте, м2/с; X — постоянная распада радона, 1/с.
Неопределенность предлагаемого расчета ППР может быть связана с вариациями коэффициента диффузии радона в грунтах. Однако вполне допустимо принять, что под зданиями влажность грунта относительно постоянна. Для расчета ППР с определенным запасом можно задаться либо универсальным значением й, независимо от состава грунтов в геологическом разрезе участка строительства, либо установить расчетное значение й для наиболее распространенных типов грунтов при влажности 5%.
Необходимо упомянуть о вероятном влиянии «глубинных» (дополнительных) источников радона,
Сезон года Продолжительность измерения
менее 1 часа 1 - 3 суток 1 - 2 недели 1 - 3 месяца
Теплый 3,0 2,3 1,8 1,5
Холодный 1,5 1,1 0,95 0,75
Таблица 2. Значения коэффициента вариации радона.
526 3 2010
благоприятная среда жизнедеятельности человека
Общее количество точек измерения (объем выборки) 30990
Среднее геометрическое (X), мБк/м2с 22,5
Мода (М), мБк/м2с 12
Медиана (Ме), мБк/м^с 20
Логарифмический стандарт (е), мБк/м2с 2,5
Минимум — максимум, мБк/м2с 4 - 8400
Интервал X • е"3—X • е+3 («3 сигма»), мБк/м2с 2 - 400
Количество измерений выпадающих из интервала «3 сигма» 315
Доля измерений выпадающих из интервала «3 сигма» (от общего объема выборки), %
Кол-во участков строительства, на которых зарегистрированы ППР, выпадающие из интервала «3 сигма» 38
Таблица 1. Параметры распределения ППР на территории Москвы (распределение логнормальное) [12].
теоретически способных при наличии значимой адвекции в грунте увеличить реальное значение А по сравнению с расчетным. Несмотря на большое количество публикаций по этой проблеме, количественно преобладание адвективного переноса радона в грунте над диффузионным пока еще корректно никем экспериментально не доказано. При этом очевидно, что диффузионный механизм переноса радона носит регулярный характер, а адвективный — эпизодический и тем более не строго периодический во времени. Более того, на примере Московского региона в работе [12] на основе более чем 30000 прямых натурных измерений ППР (табл.1) экспериментально установлено, что основной механизм
переноса радона в грунтовом массиве — молекулярная диффузия. Лишь в 1% случаев статистически достоверно были зарегистрированы аномально высокие уровни ППР, возможно связанные с присутствием «глубинных» источников радона. Вывод о преобладающей роли диффузионного механизма переноса радона в грунтовом массиве был получен на основе представленного в табл. 2 сопоставления усредненных результатов натурных измерений ППР с расчетом по формуле (3), а в одном из случаев — с применением многослойной математической модели диффузионного переноса [13].
В табл. 2, помимо установленной для расчета ППР удельной активности радия-226 (измеренной с соблюдением правил пробоподготовки), также приводится полученная на сцинтилляционном гамма-спектрометре удельная активность радия-226 в де-эманированной пробе — тот результат измерения, который обычно получается и будет получаться действующими ЛРК, пока они не будут обеспечены надежными герметичными контейнерами для пробоподготовки. Как видно из таблицы, несоблюдение правил пробоподготовки приводит к значительному занижению СКа . Из-за отсутствия надежной герметизации, результаты определения Кэм также занижаются. В итоге занижается расчетное значение ППР (3). Таким образом, результатом несоблюдения правил пробоподготовки и неверных представлений о роли тех или иных механизмов переноса радона в грунте явилась легализация ППР в качестве контрольного уровня в ОСПОРБ-99 [10].
Тем не менее, учитывая предыдущие ошибки, а также накопившейся опыт, игнорировать влияние «глубинных» источников на процесс формирования
Значения исходных параметров для расчета ППР ППР, мБк/м2с
Территория Р- КГ^М Бк/кг К. Д м2с диапазон значение Расчет по полубесконечному слою (многослойная модель) Фактич. ср. значения
Районы, сложенные глинами 1800 35 (20*) 0,43 (0,3-2,5)*10“6 0,5*10'6 22-60 27 29
Районы, сложенные песками 1700 13(7*) 0,45 (1,0-7,0)*10'6 2,5*10'6 14-37 21 18
В среднем по территории города 1750 29 (16*) 0,44 0,6*10-6 23 22,5
Подвал здания ФЦРПН 1664 24 (16*) 0,34 2,3*106 29,5 (31,5) 32,3
* активность деэманированной (незагерметизированной) пробы
Таблица 2. Результаты сопоставления расчетных и фактических средних значений ППР на территории г. Москвы [12].
3 2010 527
благоприятная среда жизнедеятельности человека
радонового поля в грунтовых основаниях зданий и при оценке потенциальной радоноопасности территорий пока не следует. Значимость влияния «глубинных» источников радона можно количественно установить путем лабораторного анализа тех же проб грунта по изотопным соотношениям СрЬ/CRa, где СрЬ — также стабильная во времени удельная активность долгоживущего продукта распада радона свинца-210 (или полония-210) в грунте. Методика для лабораторного определения содержания долгоживущих дочерних продуктов распада радона в пробах грунта разработана ФГУП «ВИМС» и утверждена Госстандартом РФ [14].
В связи с изложенным выше, содержащееся в п.5.3.2. Санитарных правил [10] требование:
«При выборе участков территорий под строительство жилых домов и зданий социально-бытового назначения предпочтительны участки с... плотностью потока радона с поверхности грунта не более 80 мБк/(м2с). При отводе для строительства здания участка с плотностью потока радона более 80 мБк/(м2с) в проекте здания должна быть предусмотрена система защиты от радона (монолитная бетонная подушка, улучшенная изоляция перекрытия подвального помещения и др.). Необходимость радонозащитных мероприятий при плотности потока радона с поверхности грунта менее 80 мБк/(м2с) определяется в каждом отдельном случае по согласованию с органом государственной санитарно-эпидемиологической службы» — представляется не только необоснованным, но и неуместным. Разработка методов оценки уровня радоноопасности площадей застройки и правил проектирования адекватных этим уровням мер по противорадоновой защите зданий относится к области инженерных задач, которые должны рассматриваться не в санитарных правилах и методических указаниях Роспотребнадзора, а в строительных нормах и правилах по проведению инженерных изысканий для строительства и нормах проектирования зданий и сооружений.
Литература
1. Гулабянц Л. А. Принцип построения новых норм проектирования противорадоновой защиты зданий. Academia. Архитектура и строительство. — М. НИИСФ РААСН, 2009 г., с.461-467.
2. Гулабянц Л.А., Заболотский Б.Ю. Мощность «активного» слоя грунта при диффузионном переносе радона в грунтовом основании здания. АНРИ, 2001, №4. с. 38-40.
3. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Механизмы формирования потока радона с поверхности почв и под-
ходы к оценке радоноопасности селитебных территорий. АНРИ, 2007, №2. с. 2-16.
4. Заболотский Б.Ю. О влиянии влажности грунта на интенсивность выделения радона. Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-технической конференции. — М.: НИИСФ РААСН, 2006, с. 477-485.
5. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Охрименко С.Е. Исследования коэффициента эманирования грунтов г.Москвы. АНРИ, 2005, № 2 (41). с.30-38.
6. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Учет эманирования грунтов и почв при измерениях радия-226 на сцинтилляционных гамма-спектрометрах. АНРИ, 2006, №3 (46). с.45-51.
7. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Влияние влажности на эманирование песчано-глинистых пород. АНРИ, 2009, № 1(56), с. 53-57.
8. Sasaki, T., Gunji, Y. and Okuda, T. Mathematical Modeling of Radon Emanation. Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 41, No. 2, p. 142—151 (February 2004).
9. Sasaki, T., Gunji, Y. and Okuda, T. Theoretical Study of High Radon Emanation. Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 42, No. 2, p. 242—249 (February 2005).
10. СП 2.6.1.799-99. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОС-ПОРБ-99).
11. Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации. Доклад Научного комитета ООН по действию атомной радиации Генеральной Ассамблее за 2000 г., с приложениями. Том 1., 2001.
12. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Цапалов А.А. Принципы оценки потенциальной радоноопасности территорий. АНРИ, 2008, № 4(55), С. 14-19.
13. Гулабянц Л.А., Лившиц М.И. Расчет концентрации радона в помещениях проектируемых зданий. АНРИ, 2007, №4, с. 9-13.
14. Малышев В.И., Бахур А.Е., Мануилова ЛИ. и др. Методика выполнения измерений удельной активности полония-210 и свинца-210 в пробах почв альфа-бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой. Свидетельство об аттестации № 49090.3Н621 ЦМИИ ГНМЦ ВНИИФТРИ Госстандарта РФ; Свидетельство НСАМ № 431-ЯФ. Утверждена Директором ЦМИИ ГНМЦ ВНИИФТРИ Госстандарта РФ. Утверждена Председателем НСАМ МПР России. М.: ФГУП ВИМС, 2001.
К вопросу о критерии и методе оценки радоноопасности участков застройки
Осуществляемый в настоящее время радоновый контроль при ведении строительства в Рос-
528 3 2010
благоприятная среда жизнедеятельности человека
сии неэффективен. Для решения проблемы в работе рассматривается новый альтернативный метод наиболее достоверной оценки радоноопасности участков застройки, одновременно способный обеспечить проектные расчеты необходимыми исходными данными.
Суть нового метода заключается в принципиальном отказе проведения инструментальных измерений в полевых условиях, результаты которых крайне нестабильны из-за влияния внешних факторов. Наибольшая точность оценок достигается при анализе в лабораторных условиях радиационно-физических свойств проб грунтов, извлеченных с определенной глубины грунтового основания здания. Содержание Ra-226, коэффициент эманирования радона, а также изотопное соотношение Pb-210/Ra-226 в пробах грунта стабильны во времени, и поэтому в совокупности наиболее адекватно характеризуют степень радоноопасности участков застройки.
On the criteria and method for estimating the radon risk of building sites
by A.A.Tsapalov The radon control carried out now in construction in Russia is ineffective. To solve the problem in this paper we consider a new alternative method is the
most reliable evaluation of radon risk of building sites at the same time able to provide the design calculations required input data.
The essence of the new method is fundamental rejection of instrumental measurements in field conditions, results of which are inherently unstable because of the influence of external factors. The highest accuracy of the estimates obtained in the analysis of in vitro radiation-physical properties of soil samples extracted from a certain depth of the ground base of the building. The content of Ra-226, the coefficient of radon emanation and isotope ratio Pb-210/Ra-226 in soil samples are stable over time, and therefore the most adequate in the aggregate characterize the degree of radon risk of building sites.
Ключевые слова: радон, концентрация радона в грунте, плотность потока радона, диффузионный перенос, адвективный перенос, эманирование радона, радиационный контроль, участок застройки, грунтовое основание здания.
Key words: radon, radon concentration in soil, radon flux, diffusion transport, advective transport, radon emanation, radiation control, building site, ground base of the building.
з 2oio 529
