CC BY
15====== ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ =====
УДК 556.383/388:504(571.1)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕТЕКАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД В НАПОРНЫЕ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ НА ПРИМЕРЕ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ В ЗОНЕ РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА1
© 2021 г. А.П. Белоусова, Е.Э. Руденко
Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3 E-mail: [email protected], [email protected]
Поступила в редакцию 14.07.2021. После доработки 30.08.2021. Принята к публикации 01.09.2021.
Цель статьи - изучение методом математического моделирования процессов миграции различных загрязняющих веществ, включая радионуклиды, от слабо до сильно сорбируемых, происходящих в грунтовых и напорных подземных водах. Объектом исследований является часть территории Калужской области, наиболее пострадавшая от аварии на Чернобыльской атомной станции.
С использованием математической программы MT3D было проведено моделирование процессов загрязнения подземных вод и, главным образом, напорных вод в Калужской области в зоне радиоактивного следа по 3 сценариям развития процессов, с учетом различных загрязняющих веществ и массопереноса.
В процессе моделирования была проведена серия численных экспериментов по возможным сценариям загрязнения подземных вод: 1 сценарий - загрязнение сильно сорбируемыми веществами; 2 сценарий - загрязнение сильно сорбируемыми веществами, включая радиоактивные; 3 сценарий - загрязнения слабо сорбируемыми веществами. При этом рассматривался вариант, неблагоприятный для экологического состояния напорных подземных вод в связи с недостаточной непроницаемостью водоупора по отношению к проникновению загрязненных вод из грунтового водоносного горизонта. Это может быть обусловлено природным литологическим строением (присутствием прослоев, линз песков, супесей, недостаточной мощностью), а также техногенными факторами (плохо изолированные скважины, колодцы и другие инженерные сооружения, вскрывающие напорный водоносный горизонт). Всё вышеперечисленное относится к «быстрым путям миграции», которые приводят к проникновению многих загрязняющих веществ в напорные водоносные горизонты, содержащие пресные питьевые воды.
Для изучения миграции загрязняющих веществ на ранее созданной нами численной модели MT3D мы выбрали два разреза. Они направлены по линиям тока подземных вод от водораздела к области разгрузки - рекам. Анализ экологической ситуации проводился для четырех расчетных сроков: 30, 60, 100 и 300 лет (увязка с периодами полураспада радионуклидов и сроков действия водозаборов), для четырех коэффициентов распределения сорбции (Кр) ЗВ: 6, 26, 200 и 1000 л/кг для радионуклидов с распадом и других токсичных сильно сорбируемых веществ без распада; и 0.5, 1.0, 3,0 л/кг для слабо сорбируемых веществ. Оценивалась экологическая ситуации в первом слое - грунтовых водах, во втором - водораздельном слое, в поровых растворах, и в третьем слое - напорных подземных водах.
Помимо двух разрезов для анализа экологической ситуации были выбраны несколько точек.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-55-852003 «Экологическая безопасность АЭС при штатной и чрезвычайной ситуациях с оценкой неопределенности при захоронении ядерных отходов и надежности инженерных барьерных систем» и по Государственному заданию? номер Программы АААА-А18-118022090104-8 «Моделирование и прогнозирование процессов восстановления качества вод и экосистем при различных сценариях изменений климата и антропогенной деятельности».
В результате моделирования проведено сравнение всех сценариев развития процессов загрязнения и анализ факторов, их определяющих. Кроме этого рассматривался процесс диффузии загрязняющих веществ с точки зрения его возможностей и влияния на миграцию веществ. Таким образом, главными факторами формирования процессов миграции загрязняющих веществ являются в первую очередь их радиоактивный распад, во вторую - их сорбционные свойства, а в третью - гидродисперсия потоков подземных вод, которая в свою очередь зависит от геолого-гидрогеологических условий изучаемой территории. Также небольшое значение имеет процесс диффузии.
Рассмотренная ситуация свидетельствует о том, что водоупоры не являются полной гарантией защищенности напорных подземных вод от загрязнения.
Ключевые слова: грунтовые воды, подземные напорные воды, моделирование процессов миграции, загрязняющее вещество, радионуклиды, сорбция, молекулярная диффузия, радиоактивный распад. Б01: 10.24412/2542-2006-2021-3-156-191
Объектом исследований являются напорные подземные воды на части территории Калужской области.
Цель работы - изучение методом математического моделирования процессов миграции различных загрязняющих веществ (ЗВ), включая радионуклиды, от слабо до сильно сорбируемых, происходящих в грунтовых и напорных подземных водах.
Проведено моделирование процессов загрязнения подземных вод и, главным образом, напорных вод с использованием математической модели МТ3Б.
В процессе моделирования рассмотрены возможные сценарии загрязнения: 1 сценарий -загрязнение подземных вод сильно сорбируемыми ЗВ; 2 сценарий - загрязнение сильно сорбируемыми ЗВ, включая радиоактивные; 3 сценарий - загрязнение слабо сорбируемыми ЗВ.
Для изучения миграции загрязняющих веществ в заранее созданной численной модели МТ3Б были выбраны два разреза и несколько отдельных точек. Оценивалась экологическая ситуация в грунтовых водах, водораздельном слое и напорных подземных водах.
В результате моделирования проведено сравнение всех сценариев развития процессов загрязнения и анализ факторов, их определяющих. Выявлено, что главными факторами являются в первую очередь радиоактивный распад ЗВ, во вторую - их сорбционные свойства, а в третью - гидродисперсия потоков подземных вод, которая в свою очередь зависит от геолого-гидрогеологических условий изучаемой территории. При этом небольшое значение имеет процесс диффузии.
Результаты научных исследований по данной тематике могут быть использованы при оценке экологического состояния подземных вод на различных территориях страны в различных масштабах; при проектировании и строительстве водозаборов пресных питьевых подземных вод; при проектировании и организации мониторинга подземных вод в районах, пострадавших от аварии на Чернобыльской атомной электростанции.
Материалы и методы Выбор объекта моделирования
Географическое положение. Объектом моделирования гидрогеологических условий при антропогенной нагрузке была выбрана часть территории Калужской области, наиболее пострадавшая от аварии на Чернобыльской атомной станции. Границы этой территории, с учетом удобства задания граничных условий при моделировании, установлены по речной сети: по рекам Болва - Овсорок - Огарь на западе и юго-западе территории; по реке Рессета на юге и юго-востоке; по рекам Жиздра и Драгожань на северо-востоке; по реке Перетесна на севере. Часть западной и южной границы объекта совпадает с административной границей Калужской области (рис. 1).
Гидрогеологические условия. Они отличаются большим разнообразием водоносных горизонтов, как
безнапорных, так и напорных, а в целом гидрогеологическое строение
территории представляет собой «слоенный пирог». Безнапорные горизонты включают в себя воды четвертичных (аллювиальных,
гляциальных, флювиогляциальных, болотных, пролювиальных горизонтов), меловых и юрских отложений. Все горизонты связаны между собой и не имеют выдержанных водоупоров внутри общей толщи (комплекса).
Напорные водоносные горизонты пресных подземных вод включают в себя множество связанных между собой горизонтов каменноугольного возраста.
Рис. 1. Физическая карта Калужской области Между двумя этими толщами (красным контуром обозначен объект (водоносными комплексами) залегает
моделирования). выдержанный по площади
верхнеюрский водоупор.
Ниже каменноугольных горизонтов залегают водоносные горизонты девонского, протерозойского и архейского возраста, содержащие соленые подземные воды и рассолы.
Сравнивая современную ситуацию с послечернобыльской, можно сказать, что через 34 года после аварии (один период полураспада радионуклидов) еще остается значительное загрязнение поверхности почв радионуклидами. Мониторинг подземных вод (Доклад ..., 2013, Справка ..., 2013) не выявил участков водоносных горизонтов, где концентрации радионуклидов превышали бы допустимые уровни. К сожалению, здесь отсутствуют сведения о концентрациях радионуклидов в подземных водах, не превышающих ПДК, но превышающих фоновые значения, что важно при загрязнении чрезвычайно опасными веществами, влияние малых доз которых на здоровье населения не изучено. Мониторинг преимущественно проводился на действующих водозаборах, оборудованных для более глубоких горизонтов подземных вод, а грунтовые воды практически не наблюдались. Изучение подземных вод на территории соседней Брянской области показали наличие загрязнения, а это позволяет предположить, что и на изучаемой территории в Калужской области в подземных и особенно грунтовых водах загрязнение присутствует. В последних данных мониторинга (Данные ..., 2018; Радиационная обстановка ..., 2019) сведения о подземных водах отсутствуют.
Моделирование процессов геомиграции загрязняющих веществ
Описание условий загрязнения водоносных горизонтов. На данном этапе исследований рассмотрим возможность загрязнения напорных подземных вод. На предыдущем этапе (Белоусова, Руденко, 2020) было показано, что существует опасность загрязнения грунтовых вод радионуклидами за счет их миграции с поверхности земли, загрязненной Чернобыльскими радионуклидами. На данном этапе рассматривается возможность
СМОЛЕНСКАЯ ОБЛАСТЬ д
V"" л1
Марчотк»«
Спэс-Деменск
Киров
,". МОСКОВСКАЯ им I „ , . *•■:. область
}-.---- ЬЧЮ9*№ Искра
-. , о '"'»
Темкиио, Л* / ';'0&«мо "•.
" . м < "Протез «
м* о _ Малоярославец '
Иэноски оМелыиь Серпухов
с Мят лево •. ° , Протвж&% '
*« V " V 0 | -. °Детчино 1
Д., •• ^ 8ЙГ~Й Г- j
' Людково Товар*, ово °Пятовский 245■
"Зубово
Куровской0 Апекси»
с ДугнвД
Мещовск^ С г = Ч
Барятино Перемышль0 . ~ /
.27$ Мосальск0
Сухиничм
с I
Ььггощь^- ».„ ]г
Сосенский.
Козельск0 Дубиничи
275.
Дубровка
Жуковка0
, Ульяново |
^ Сиэдра0 *
И ВОТ - \ ко _]»,
ДудоровскиЗ^ 0Краливна Дятъково'3 * Ь ■
Еленск^ ^Ч»./
V,.. ■ V ИР Дубна
Суворов х-
= 54
Одоев0
* IУЛЬСКАЯ
Белев- ОБЛАСТЬ
2 "Г1Арсеньево Гор6аче80Г) Черньт
Сельцо^
БРЯНСКАЯ, л ОБЛАСТЬ
- _Ы
, \ Хвастовичио Волхов,-, черньэ
Брянск 35 -
ОРЛОВСКАЯ ОБЛАСТЬ
Мценс*.1'
□
КАЛУЖСКАЯ ОБЛАСТЬ
загрязнения напорных вод от загрязненных грунтовых вод.
Кроме этого, анализ существующего загрязнения подземных вод на территории Калужской области, проведенный на предыдущем этапе (Белоусова, Руденко, 2020), показал наличие химического загрязнения в различных водоносных горизонтах. Загрязнению подвержены горизонты от четвертичного до девонского возраста: практически во всех присутствует стабильный стронций, барий, фтор, нитраты, хлориды, сульфаты.
Анализ ЗВ по степени сорбируемости и их классификация проведены на предыдущем этапе исследований по литературным данным. Отнесение того или иного вещества к определенной степени сорбируемости проведено по наименьшим значениям коэффициента распределения - Кр из всего известного диапазона его изменений. Это связано с тем, что для данного масштаба исследований не представляется возможным учесть ряд факторов, увеличивающих скорость миграции радионуклидов (микрорельеф, трещины, крупные поры и др.), поэтому использовалось меньшее значение задерживающего коэффициента, чтобы получить максимально возможные значения показателей опасности загрязнения подземных вод. Такой метод практикуется в геоэкологических исследованиях.
Из материалов, приведенных ранее (Белоусова, Руденко, 2020), значения Кр многих химических элементов значительно превышают тысячи л/кг (для Ni Кр=152-5365 л/кг), что зависит от литологического состава водовмещающих пород и состояния самого элемента. В связи с этим использование классификации по семи степеням сорбируемости загрязняющих веществ для решения поставленной задачи является затруднительным. Поэтому для оценки защищенности и уязвимости напорных подземных вод от загрязнения, поступающего из грунтовых вод, используется упрощенное представление о собрируемости и выделяются только две категории по степени сорбируемости: слабо сорбируемые химические элементы с Кр=0-5 л/кг и сильно сорбируемые с Кр от 6 до 1000 л/кг (далее диапазоны изменения Кр будут рассмотрены более детально). Исследования процессов миграции радионуклидов в водонасыщенной толще практически не проводились, изучались только почвы и породы зоны аэрации.
Таким образом, для моделирования процессов загрязнения грунтовых и напорных подземных вод были выбраны радионуклиды (137Cs и 90Sr и другие сильно сорбируемые ЗВ, имеющие указанный диапазон коэффициентов распределения) и нейтральные, слабо сорбируемые ЗВ (нитраты, сульфаты, хлориды и нефтепродукты), с которыми проведена серия численных экспериментов в трехслойной среде.
Все ЗВ по степени сорбции их породами разделяются на группы. Для исследований в рамках моделирования была принята упрощенная классификация: слабо сорбируемые ЗВ с Кр от 0 до 5 л/кг, а все остальные были внесены в разряд сильно сорбируемых. В надгруппу слабо сорбируемых были отнесены ЗВ с Кр=0.5, 1.0 и 3.0 л/кг, а в сильно сорбируемые - с Кр=6, 26, 200 и 1000 л/кг, которые характеризуют сорбционные способности радионуклидов (90Sr и 137Cs). Этими же Кр могут характеризоваться и другие ЗВ.
Моделирование соответствует 200000 масштабу исследований. Расчет миграции загрязняющих веществ выполняется для первого горизонта грунтовых вод (водораздельного слоя), который мог быть представлен переслаиваем непроницаемых и проницаемых пород, содержащим так называемые «быстрые пути миграции» природного и техногенного характера (трещины, линзы, плохо изолированные скважины и др.), а также второго напорного водоносного горизонта.
Выбор вычислительной программы и расчетной модели
Для моделирования процесса массопереноса в подземных водах была выбрана модель MT3D (Zheng, Papadopulos, 1990), которая работает на основе транспортной модели
MODFLOW (Anderson, Woessner, 1992). Модель изучаемого объекта была создана в 20122013 гг., а результаты выполненного по ней моделирования являются предварительными и изложены в нескольких работах (Белоусова, 2015, 2019, Антонов, 2013).
Фундаментальная модель массопереноса MT3D
Основные уравнения (Zheng, Papadopulos, 1990). Частное дифференциальное уравнение описывает трехмерный перенос загрязняющих веществ в подземных водах, которое можно записать следующим образом (Zheng, 1990):
f^^-^+^+s^ (1).
где C - концентрация загрязняющих веществ, растворенных в подземных водах (г/л); t -время (сут); xt - расстояние вдоль соответствующей декартовой координатной оси (м); Dij -гидродинамический коэффициент дисперсии (м2/сут); Vi - просачивание или линейная скорость воды в порах (м/сут); qg - объемный поток воды на единицу объема водоносного горизонта, представляющий источник (положительный) и сток (отрицательный; л/сут); Сд -концентрация загрязнения переменного источника или стока (г/л); в - пористость, безразмерная; £fc=i R^ - химический термин реакции (г/л-сут).
Если предположить, что только равновесная линейная или нелинейная сорбция и скорость необратимой реакции первого порядка участвуют в химических реакциях, то термин химической реакции в уравнении (1) может быть выражен:
_ H=iR*=^f-4C+i?C") (2Х
где pi - плотность породы (кг/м3); С - концентрация загрязняющих веществ, сорбированных пористой средой (кгж/кгт)2; Я - константа реакции первого порядка (сут-1).
R Г= £ К $ - £ С* С) +'i Ся - A (c + f С) №
где R называется коэффициентом задержки и определяется, как:
R = 1+1Т1Т (4).
в de v '
Уравнение (3) является основным уравнением модели массопереноса, которое связано с моделью потока, в том числе с MODFLOW.
Модель MT3D основана на расчете нескольких процессов, таких как адвекция, дисперсия, линейная и нелинейная сорбция, и на некоторых химических реакциях первого уровня.
Адвекция. Второе слагаемое в правой части уравнения (3) - это — (*iC), известное как
адвекция (вынужденная конвекция). Она описывает перенос ЗВ, смешивающихся с той же скоростью, что и грунтовые воды.
Дисперсия. Следующим важным процессом при переносе ЗВ в подземных водах является дисперсия (гидродисперсия), зависящая от скорости фильтрации потока подземных вод, молекулярной диффузии и механической дисперсии скоростей.
Приемники и источники. Третья часть в управляющем уравнении (3) - это термин
приемник/источник, который представляет массу растворенного в воде или растворенное вещество, масса которого растворяется в воде. Приемники/источники загрязнения могут быть классифицированы как по площади распределения, так и по конкретному месту
2 кгж/кгт - отношение массы загрязняющего вещества в жидкой фазе к его массе в твердой. В последующем
единица измерения сокращается и мы получаем безразмерный коэффициент.
расположения.
Химические реакции, включенные в транспортную модель МТ3Б, равновесны и управляются линейной и нелинейной сорбцией и необратимой реакцией уровня первого порядка - чаще всего радиоактивного распада или биодеградации. Более сложные реакции могут быть добавлены к модели, когда это необходимо, не изменяя существующую программу.
Линейная или нелинейная сорбция. Она относится к процессу массообмена между ЗВ, растворенными в подземных водах (фазы раствора), и ЗВ, сорбируемыми на пористой среде (в твердой фазе). Принято считать, что существуют условия равновесия между раствором-фазы и твердофазными концентрациями и что сорбционная реакция проявляется достаточно быстро по сравнению со скоростью движения грунтовых вод, так что её можно рассматривать как мгновенную. Функциональная зависимость между растворенной и сорбируемой концентрациями называется изотермой сорбции. Изотермы сорбции, как правило, включены в транспортную модель с использованием фактора замедления.
Три типа изотермы сорбции рассматриваются в модели МТ3Б: линейная, Фрейндлиха и Ленгмюра.
Линейная изотерма предполагает, что концентрация сорбированных ЗВ (С) прямо пропорциональна концентрации растворенных ЗВ (С):
С = КрС (5),
где Кр называется коэффициентом распределения, см3/г.
Коэффициент замедления определяется, как:
н = 1 + Р±дс = 1 + Р±Кр (6).
в дС в р 4 '
Радиоактивный распад или биодеградация. Необратимая реакция первого порядка
включает в управляющее уравнение (3) часть Я (с + ^С), представляющую собой потерю
массы как растворенной фазы (С), так и фазы сорбированного (С) загрязнения с той же скоростью, которая является постоянной (Я). Константа скорости, как правило, выражается в терминах периода полураспада радионуклидов:
Я = (1п2)/1г/2 (7),
где - период полураспада радиоактивного или биоразлагаемого материала или время,
необходимое для того, чтобы уменьшить концентрацию радионуклидов до половины первоначальной величины.
Граничные условия
Задаются три типа граничных условий: 1 - концентрация изменяется во времени -ячейки с активной концентрацией; 2 - концентрация равна заданной величине - ячейки с постоянной концентрацией; 3 - в пределах ячейки нет концентрации - ячейка неактивной концентрации. Для решения поставленной задачи задавались граничные условия первого и третьего типов.
Начальные условия и гидрогеохимические параметры расчетной модели. Решение задачи геомиграции на данном этапе исследований было направлено на изучение возможных процессов загрязнения грунтовых и напорных вод с использование различных сценариев развития процессов загрязнения.
Исходное распределение концентрации ЗВ в грунтовых водах условно принято по аналогии с поверхностным распределением радиоактивного загрязнения в чернобыльском следе на территории Калужской области. Их концентрация может задаваться в г/л, Бк/л, ПДК и фоновых концентрациях. В данной работе используются значения ПДК (рис. 2).
Условные обозначения концентрация 13ТСЧ (Ки км2)
Превышает ПДК (>1,0)
в 2 раза
в 4 раза в б раз в 8 раз в 10 раз | в > 10 раз
составлена по данных гидрометцентра
Рис. 2. Картосхема поверхностного загрязнения радионуклидом 137Cs на юге Калужской области (Карта ..., 1991).
Для изучения миграции загрязняющих веществ в ранее созданной численной модели MT3D на территории были выбраны два разреза: по линии I-I в направлении с северо-востока на юго-запад и по линии II-II в направлении с юго-запада на юго-восток, вдоль линий тока подземных вод от водораздела к области разгрузки - реке (рис. 3). Оба разреза проходят через точку № 1, являющуюся самой высокой водораздельной точкой потока грунтовых вод, от которой поток растекается по всем направлениям.
Выбранный участок для моделирования - это возвышенность, купол, который по всей окружности основания окаймлен (граничит) реками Болвой, Рессетой и Жиздрой, что обусловило сложную конфигурацию потока грунтовых вод.
Анализ экологической ситуации проводился для четырех расчетных сроков: 30, 60, 100 и 300 лет (увязка с периодами полураспада радионуклидов и сроком действия водозаборов), для четырех коэффициентов распределения сорбции (Кр) ЗВ: 6, 26, 200 и 1000 л/кг для радионуклидов с распадом и других токсичных, сильно сорбируемых веществ без распада; и 0.5, 1.0 и 3.0 л/кг для слабо сорбируемых веществ. Также оценивалась экологическая ситуация в первом слое - грунтовых водах, во втором - водораздельном слое, в поровых растворах и в третьем - напорных подземных водах.
Результаты и обсуждение
Результаты моделирования процессов миграции загрязняющих веществ из грунтовых вод в напорные подземные воды
Сценарий 1 - загрязнение сильно сорбируемыми загрязняющими веществами без ЭКОСИСТЕМЫ: ЭКОЛОГИЯ И ДИНАМИКА, 2021, том 5, № 3
распада. Разрез I-I. Через 30 лет после загрязнения (рис. 4) концентрация распределяется следующим образом: ЗВ с Кр=200 и 1000 л/кг незначительно уменьшается в первом слое -в грунтовых водах, с Кр=6 л/кг наиболее интенсивно уменьшается в точке № 1, с Кр=26 л/кг также наблюдается уменьшение, но менее значительное (табл. 1).
1
\
\
1
Н
\
\
U
\
\
i 1 - ■ \
/ N
£ Я л
■ * / 10
11
Ú
1 Т1
■
/ ■
Ш
Рис. 3. Схема размещения разрезов I-I и II-II с точками наблюдений на модели изучаемого объекта.
Во втором слое - водораздельном - наблюдается формирование загрязненного слоя поровых растворов, наиболее интенсивно - у точки № 1 с Кр=1000 л/кг, где концентрация достигает 1.7 ПДК, на остальной территории - не более 0.5 ПДК, а в точке № 16, которая была выбрана за пределами загрязненного следа, концентрация наблюдается в незначительных количествах (табл. 2). Это явление свидетельствует о растекании загрязненного следа на незагрязненные территории. В третьем слое - напорных водах -появляются отдельные линзы загрязненных вод в точке № 11, с незначительными концентрациями, не превышающими 0.1 ПДК при с Кр=3 л/кг, что свидетельствует о том, что загрязнение носит точечный характер.
Картографическое представление результатов моделирования приведено (рис. 5) в виде двумерных и трехмерных карт и является демонстрационным, поскольку нет возможности отразить реальный масштаб изменений концентраций, особенно в трехмерном варианте.
Через 60 лет после загрязнения тенденции формирования загрязнения грунтовых вод сохранились, при этом интенсивность загрязнения снизилась: если в точке № 1 после 30 лет при Кр=6 л/кг оно составляло 4 ПДК, то после 60 лет - 1.8 ПДК. В остальных точках с
различными Кр также наблюдается уменьшение загрязнения (табл. 2).
В раздельном слое - водоупоре - наблюдается нарастание концентраций сильно сорбируемых ЗВ, при этом при Кр=6 л/кг пик загрязнения 3.72 ПДК пришелся на точку № 11, а при других Кр - на точку № 1, где достигает 3.12 ПДК.
В напорных водах наблюдается повышение концентрации только в точке № 11.
о -
и
3 i* S с
а «
в * В н Я «
ер 3
н &
55 60
я
я
о «
_____________________________________________________________________________________________________________________________¿.'у.._______ \\
..у \\
У ✓ V ч V, \
............................................................... ........\..........V............................................................................................................... \ . \ V
\ N^ \ ч V ч >.
SNV.......................................................................... Х\ - \4v
\л
................
13 12 11 1 14
Номер точки наблюдения
15
16
-Кр 6 слой 1
-Кр 6 слой 2
-Кр 6 слой 3
----Кр 26 слой 1
----Кр 26 слой 2
----Кр 26 слой 3
- Кр 200 слой 1
- Кр 200 слой 2
- Кр 200 слой 3 Кр 1000 слой 1 Кр 1000 слой 2 Кр 1000 слой 3
Рис. 4. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу I-I через 30 лет после загрязнения (без распада).
Через 100 лет процесс в грунтовых водах направлен в сторону уменьшения концентраций до 1.0 ПДК в точке № 1 при Кр=6 л/кг, во всех других точках она также уменьшается.
В раздельном слое идет наращивание концентраций, причем большее увеличение соответствует ЗВ с Кр=200 и 1000 л/кг и достигает более 4 ПДК в точке № 1. При этом в точке № 11 при Кр=6 л/кг она составляет порядка 3.17 ПДК (табл. 2)
В напорных водах отмечается загрязнение незначительное только в точке в точке № 11.
Через 300 лет (рис. 6) в грунтовых водах отмечается резкое падение концентрации ЗВ при Кр=6 л/кг в точке № 1, где она не превышает 0.1 ПДК, при остальных Кр также происходит значительное уменьшение концентраций.
В раздельном слое, наоборот, идет резкое увеличение концентрации ЗВ до 6.5 ПДК при Кр=200 и 1000 л/кг в точке № 1, при всех других значениях также происходит увеличение концентраций (рис. 6).
В напорных водах также происходит увеличение растекания ЗВ и формируются значительные линзы слабо загрязненных вод (<0.1 ПДК) в районах точек № 1, 11, 14. Следует отметить, что каждая точка - это квадрат со стороной 2 км (рис. 7).
Таким образом, можно сделать вывод о том, что роль водоупора при миграции ЗВ из грунтовых вод в напорные очень велика и он является достаточно надежным защитником напорных вод от поверхностного загрязнения и загрязненных грунтовых вод, но, с другой стороны, он также является потенциальным источником загрязнения для напорных подземных вод.
Сказывается значительное влияние гидродисперсии на миграцию ЗВ из грунтовых вод в напорные.
Таблица 1. Изменение концентрации (ПДК) сильно сорбируемых загрязняющих веществ в грунтовых водах, водораздельном слое и напорных вода в процессе их миграции.
№ точки нач. конц 30 лет 60 лет 100 лет 300 лет
Слой
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Кр=6 л/кг без распада
1 /8 4.06 1.24 0 1.85 1.72 2.4*10-2 1.02 1.81 0 2.04*10-2 4.4*10-2 6.3*10-2
11 /6 4.85 0.35 5.51* 10-3 3.78 3.72 6.28*10-2 3.01 3.17 0.18 0.59 0.41 0.43
Кр=26 л/кг без распада
1 /8 5.63 1.44 0 3.71 2.17 3.04*10-2 2.61 2.77 0 0.1 0.12 0.17
11 /6 5.38 0.37 5.7*10-3 4.72 0.70 2.8*10-2 4.18 3.98 7.5*10-2 1.18 1.28 0.95
Кр=200 л/кг без распада
1 /8 7.47 1.66 0 6.89 2.93 3.77*10-2 6.42 3.91 0 3.92 4.58 0.43
11 /6 5.87 0.39 5.87*10-3 5.73 0.77 3.03*10-2 5.59 1.16 5.06*10-2 4.73 2.7 0.62
Кр=1000 л/кг без распада
1 /8 7.89 1.7 0 7.75 3.12 3.93*10-2 7.63 4.31 0 6.86 6.64 0.55
11 /6 5.97 0.39 5.9*10-3 5.94 0.79 3.07*10-2 5.91 1.19 5.15* 10-2 5.71 2.99 0.67
Кр=6 л/кг с распадом
1 /8 2.10 0.93 0 0.52 0.88 1.64*10-2 0.14 0.63 0 1.02* 10-3 1.02* 10-3 1.95* 10-2
11 /6 2.51 0.26 4.51*10-3 1.01 1.21 2.79*10-2 0.33 0.47 0.06 1.2* 10-3 2.23*10-3 6.34*10-2
Кр=26 л/кг с распадом
1 /8 2.91 1.07 0 1.01 1.23 1.98*10-2 0.31 0.76 0 5.86*10-3 7.74*10-2 2.0*10-2
11 /6 2.77 0.27 4.64*10-3 1.26 0.39 1.9* 10-2 0.46 0.56 2.62*10-3 2.59*10-3 6.26*10-3 9.72*10-2
Кр=200 л/кг с распадом
1 /8 3.86 1.21 0 1.84 1.56 0.02 0.71 1.44 0 1.21*10-2 0.32 7.09*10-2
11 /6 1.85 0.28 4.77*10-3 1.52 0.42 2.0*10-2 0.61 0.46 0.03 6.66*10-3 0.325 0.13
Кр=1000 л/кг с распадом
1 /8 4.07 1.24 0 2.06 1.63 2.45*10-2 0.84 1.53 0 1.09* 10-2 0.36 7.71* 10-2
11 /6 3.08 0.29 4.79*10-3 1.58 0.43 2.01*10-2 0.65 0.47 2.69*10-2 7.68*10-3 0.33 0.13
Слабо сорбируемые Кр=0.5 л/кг без распада
1 /8 3.22 1.11 0 1.24 2.59 2.01*10-2 0.57 1.05 0 2.57*10-3 6.09*10-3 2.95*10-2
11 /6 4.53 0.4 5.39*10-3 3.25 3.83 0.13 2.39 3.16 0.19 0.267 0.29 0.37
Слабо сорбируемые Кр=1.0 л/кг без распада
1 /8 3.31 1.13 0 1.29 2.56 2.06*10-2 0.61 1.61 0 2.82*10-3 7.73*10-3 2.24*10-2
11 /6 4.57 0.34 5.4*10-3 3.31 3.82 0.14 2.45 3.15 0.2 0.29 0.29 0.4
Слабо со" эбируемые Кр=3 л/кг без распада
1 /8 3.64 1.18 0 1.52 2.31 2.25*10-2 0.76 1.69 0 7.76*10-3 1.94*10-2 4.27*10-2
11 /6 4.7 0.35 5.45*10-3 3.52 3.77 0.1 2.7 3.18 0.19 0.41 0.45 0.43
Молекулярная диффузия
11 /6 2.85 3.08 0.32 0.54 0.59 0.5
Таблица 2. Изменение концентрации (ПДК) слабо сорбируемых загрязняющих веществ в грунтовых водах, водораздельном слое и напорных вода в процессе их миграции.
№ Кр (л/кг) 30 лет 60 лет 100 лет 300 лет
точ- Слой
ки 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0.5 3.22 1.11 0 1.24 2.59 2.01*10-2 0.57 1.05 0 2.6*10-3 6.1*10-3 2.9*10-2
1.0 3.31 1.13 0 1.29 2.56 2.06*10-2 0.61 1.61 0 2.8*10-3 7.7*10-3 2.2*10-2
1 3.0 3.64 1.118 0 1.52 2.31 2.3*10-2 0.76 1.69 0 7.7*10-3 1.9* 10-2 4.3*10-2
6.0 4.06 1.24 0 1.85 1.72 2.4*10-2 1.02 1.81 0 2 -0 * 0. 2. 4.4/10-2 6.3*10-2
0.5 10.02 0.30 0 7.87 0.54 0 5.82 0.77 0 2.68 1.89 0
4 1.0 10.06 0.30 0 7.96 0.55 0 6.20 0.78 0 1.84 1.89 0
3.0 10.27 0.31 0 8.27 0.56 0 6.60 0.80 0 2.18 1.92 0
6.0 10.50 0.31 0 8.65 0.57 0 7.09 0.84 0 2.87 1.60 0
0.5 4.53 0.34 5.39*10-3 3.25 3.83 0.135 2.39 3.16 0.19 0.27 0.29 0.37
11 1.0 4.57 0.34 5.4*10-3 3.30 3.82 0.136 2.45 3.15 0.2 0.29 0.29 0.40
3.0 4.70 0.35 5.5*10-3 3.52 3.77 0.1 2.70 3.18 0.19 0.41 0.45 0.43
6.0 4.86 0.32 6.3*10-2 3.78 3.72 6.3*10-2 3.0 3.0 0.18 0.59 0.41 0.43
0.5 2.67 0.28 0 1.97 1.45 0 1.14 1.45 0 0.14 0.47 9.59*10-2
14 1.0 2.70 0.28 0 2.01 1.44 0 1.19 1.47 0 0.27 0.51 9.64*10-2
3.0 2.82 0.29 0 2.08 1.21 0 1.34 1.49 0 0.25 0.82 6.3*10-2
6.0 2.96 0.31 0 2.24 0.45 0 1.54 1.53 0 0.38 0.81 5.2*10-2
3 О * 5 о * 9 0 4*10-15 4*10-16 0 1*10-8 0 -0 * 0 4*10-3 2.5*10-4 0
16 6 без распада О * 2. 3. о * 6. 5. 0 о * 9. 2. О * 3. 0 со -0 * 7. 0 -0 * 7. 6. 0 -0 * 9. 5. -0 * 6. 0
1000 с рас-па- дом (N1 О * 6. 4. (N1 О 3. 0 5 (N1 О * 9. 8.7*10-24 0 5.7*10-24 2 2-0 * 8. 3. 0 3 2-0 * 9. 4. 21-0 * 8. 0
1000 с рас-па- дом (N1 О * 7. 3. (N1 О * 2. 0 5 2 О * 2 о * 6 0 2*10-24 2 2 о * 0 21 о * 2 2 о * 7 0
I слой
III слой
Рис. 5. Картографическое представление миграции сильно сорбируемого вещества с Кр=6 л/кг (без распада) на 30 год после загрязнения в двумерном (а) и трехмерном (б) представлении.
о
U
V
э
я*
ge
ь- й-
м Я
5 вя я Н Я Ü
« Й-
6 3
Н <ъ
я и
я я
й
8 7 6 5 4 3 2 1 0
• • • •
у / • • • • • •
у • • • • Ч • \
// • • V 4
.У / чч k. N . У> . • • V. V......X............................................................................ • \ N
* / /. ' AS / у^ ч > ......................... * ............................✓ \ ч- ч\
t ............. 5 si. ................ ч..
13 12 11 1 14 15 Номер точки наблюдения
16
Кр=6, слой 1
- — - Кр=26 слой 1
— • Кр=200, слой 1 ......Кр=1000, слой 1
Кр=6, слой 2
- — - Кр=26, слой 2
— • Кр=200, слой 2 ......Кр=1000, слой 2
Кр=6, слой 3
- — - Кр=26, слой 3
— • Кр=200, слой 3 ......Кр=1000, слой 3
Рис. 6. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу I-I через 300 лет после загрязнения (без распада).
Основное значение имеет тип ЗВ и его сорбционные свойства. Чем больше Кр, тем медленнее загрязнение проникнет в напорные подземные воды, но фактор времени уменьшает шансы напорных вод остаться незагрязненными.
Разрез II-II в отличие от первого имеет сложную конфигурацию загрязнения в следе. Если в точке № 1 была зафиксирована максимальная начальная концентрация ЗВ, в нее ничего не притекало из других точек, а только растекалось по другим близлежащим точкам, то во втором разрезе концентрация ЗВ в точке № 1 далеко не максимальная, а поверхность начального загрязнения имеет сильно изогнутую форму, что значительно влияет на процесс миграции ЗВ на фоне гидродисперсии потоков во всех рассматриваемых слоях.
Через 30 лет (рис. 8) контур загрязненных грунтовых вод повторяет контур начальной концентрации ЗВ с некоторым плавным снижением концентрации, наибольшее значение которой соответствует Кр=6 и 26 л/кг и достигает минимума 4.2 ПДК. При остальных Кр минерализации выше.
В раздельном слое наблюдается формирование повсеместно загрязненных поровых вод с куполом в точке № 1 при всех Кр (до 1.8 ПДК), кроме Кр=26 л/кг, где более значительные концентрации (5.5 ПДК) наблюдаются в районе точки № 3.
В напорных водах в пределах разреза загрязнение не отмечено.
Через 60 лет наблюдается дальнейшее уменьшение концентрации ЗВ в грунтовых водах при всех Кр, с минимальным 1.9 ПДК в точке № 1 при Кр=6 л/кг.
В раздельном слое продолжается формирование водонасыщенного загрязненного слоя, причем здесь имеется только один купол в районе точки № 1, где максимумом является 3.1 ПДК при Кр=1000 л/кг, а минимумом - 1.0 ПДК при Кр=6 л/кг.
В напорных водах появляется линза слабо минерализованных вод в районах точек № 1-2.
Через 100 лет процесс уменьшения концентрации ЗВ в грунтовых водах продолжается с сохранением предыдущих тенденций. В точке № 1 при Кр=6 л/кг концентрация составляет порядка 1.0 ПДК.
В раздельном слое также имеет место нарастание купола загрязненных поровых вод до концентраций 4.3 ПДК. Купол охватывает точки № 1, 2, 3, 8, 9, 10.
В напорных водах загрязнение в пределах разреза не отмечено.
а
I слой
\_____5 /'» ■)
в- - Нр "¿Ц
* Я И /'■.Г-о.вц.
С?.. , ЩШ,
=г„
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000
а
II слой
а
III слой
Рис. 7. Картографическое представление миграции сильно сорбируемого вещества с Кр=6 л/кг (без распада) на 300 год после загрязнения в двумерном представлении (а) и трехмерном (б).
о
U
V
а
Я \ГД « «
м Я
S ва
S ^ я «
« й-^ Э н «
Я И
«
я я
3
14 12 10 8 6 4
4 У
•У ...................................................................................1 V- V....................................................... >"•• У Л
И ............................VvV.v..................... г / -"чЛ/ / >/ / J г / /
v f /
---—1-1— Т"
5 4 3 2 1 8 Номер точки наблюдения
10
Кр=6, слой 1 Кр=6, слой 2 Кр=6, слой 3
— — — Кр=26, слой 1
— — — Кр=26, слой 2
— — — Кр=26, слой 3
— • Кр=200, слой 1
— • Кр=200, слой 2
— • Кр=200, слой 3
......Кр=1000, слой 1
......Кр=1000, слой 2
......Кр=1000, слой 3
Рис. 8. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу II-II через 30 лет после загрязнения (без распада).
Через 300 лет (рис. 9) в грунтовых водах процесс нарастает в точке № 1 при Кр=6 л/кг, минерализация вод - порядка 0.1 ПДК.
14 12
о
U
«
Э
sS
ан 10
««
а
5 вя ит я « « й ^ S
Н ш
я ва «
я я
&
8 6 4 2 0
5 4 3 2 1 8 Номер точки наблюдения
10
-Кр=6, слой 1
-Кр=6, слой 2
-Кр=6, слой 3
----Кр=26, слой 1
----Кр=26, слой 2
----Кр=26, слой 3
- Кр=200, слой 1 Кр=200, слой 2 Кр=200, слой 3 Кр=1000, слой 1 Кр=1000, слой 2 Кр=1000, слой 3
Рис. 9. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу II-II через 300 лет после загрязнения (без распада).
В раздельном слое интенсивность нарастания загрязнения резко увеличивается и достигает 8.5 ПДК в точке № 10 при Кр=1000 л/кг, появляется второй купол в точках № 3, 4, 5, концентрация - 2.9 ПДК при Кр=1000 л/кг.
В напорных водах появляются линзы слабо минерализованных вод в районах точек № 1,
0
7
6
9
7
6
9
2, 6, 8, 9, 10.
Сценарий 2 - загрязнение сильно сорбируемыми загрязняющими веществами с распадом. Разрез 1-1. Через 30 лет (рис. 10) после аварии в грунтовых водах происходит сильное снижение концентрации радионуклидов, в точке № 1 при Кр=6 л/кг концентрация уменьшается до 2.0 ПДК против начальной 8.0 ПДК, при Кр=1000 л/кг она составляет порядка 4.0 ПДК.
о
U
V
э
ge
ь- й-<я «
м Я
5 вя
5 ^ s «
к £
6 3
н ш я ва ш
s
35 й
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1
0.5 0
• * • • •
• •................./____________ ......Ч-........................................................................................................................- •
• » ^ • _
......................................................................... ............vi,..............................................................................................._
—
--------------------урпЛЛЛ;;"--------------------------------------------------------------------- _
Кр=6, слой 1 Кр=6, слой 2 Кр=6, слой 3
Кр=26, слой 2
13 12 11 1 14 15 Номер точки наблюдения
16
Рис. 10. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу I-I через 30 лет после загрязнения (с распадом).
В раздельном слое формируется водонасыщенный слой, в точке № 1 - 9.8 ПДК, а при Кр=1000 л/кг - 1.5 ПДК.
В напорных водах в точке № 11 возникает линза загрязненных вод до 0.1 ПДК.
Через 60 лет процесс в грунтовых водах протекает с уменьшением концентрации до 0.5 пДк в точке № 1 при Кр=6 л/кг и до 2.0 ПДК при Кр=1000 л/кг.
В водораздельном слое формируется более сложная конфигурация с 0.9 ПДК при Кр=6 л/кг в точке № 1, с 1.2 ПДК при Кр=6 л/кг в точке № 11. Максимальная концентрация составляет 1.5 ПДК при Кр=1000 л/кг в точке № 1.
В напорных водах появляется линза слабо минерализованных вод в точках № 1 и 11.
Через 100 лет в грунтовых водах при Кр=6 л/кг концентрация радионуклидов изменяется с 0.1 до 0.9 ПДК.
В водораздельном слое в куполе концентрация радионуклидов превышает концентрацию в грунтовых водах и достигает 1.5 ПДК при Кр=1000 л/кг.
В напорных водах линза сохраняется только в точке № 11.
Через 300 лет (рис. 11) происходит резкое уменьшение концентраций радионуклидов в грунтовых водах, максимум наблюдается в точке № 1, где составляет от 0.001 ПДК при Кр=6 и 1000 л/кг.
Концентрация радионуклидов в водораздельном слое хотя и превышает концентрации в грунтовых водах, однако не превышает 0.04 ПДК при Кр=1000 л/кг, минимальное значение -0.1*10-3 при Кр=6 л/кг в точке № 1.
В напорных водах в линзе в точках № 1, 11, 13 максимальная концентрация - 0.01 ПДК при Кр=200 л/кг.
о
U
V
э
R а
Я «
se
ь- й
sí 5 ва
5 ^ я «
к й
6 3
н ш я ва ш
я я
й
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
* тя • • ► \ • •
/ • •
г • / V • 1 •
• • _...............................................................1..................................................... * .........V........................................................................ • V-Л____________________________________________________________________
• * • ■ • .........................................................§................л ......................./ / / ......\\.............................................................
1 А' i ' W ч / ""/....................... f у Ж Ж
Лч> f. ¿5 ж~ • *
i 1
13 12 11 1 14 15 Номер точки наблюдения
16
Кр=6, слой 1 Кр=6, слой 2 Кр=6, слой 3 Кр=26, слой 1 Кр=26, слой 2 Кр=26, слой 3 Кр=200, слой 1 Кр=200, слой 2 Кр=200, слой 3 Кр=1000, слой 1 Кр=1000, слой 2 Кр=1000, слой 3
Рис. 11. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу I-I через 300 лет после загрязнения (с распадом).
Разрез II-II. Через 30 лет (рис. 12) процесс в грунтовых водах протекает симметрично начальной концентрации радионуклидов, уменьшение до 2.1 ПДК происходит при Кр=6 л/кг в точке № 1 при начальном загрязнении 8.0 ПДК и до 5.0 ПДК при Кр=1000 л/кг при начальном 10.0 ПДК.
о
и
е
э
р.
ь- й ае
sí
5 ва ит
я «
« й
6 3
те я ва
е я н
£
7 6 5 4 3 2 1 0
......................................................................................................................... Ä\V у % ..................................Si.............
I ............V/.....................................................>............. // л-
9 ух. .• * ' \vv / / / ...................
у'У Vb-»"' /
' У
5 4 3 2 1 8 Номер точки наблюдения
9 10
Кр=6, слой 1 Кр=6, слой 2 Кр=6, слой 3
— — - Кр=26, слой 1
— — — Кр=26, слой 2
— • Кр=200, слой 1
— • Кр=200, слой 2
......Кр=1000, слой 1
......Кр=1000, слой 2
Рис. 12. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу II-II через 30 лет после загрязнения (с распадом).
В водораздельном слое загрязнение поровых вод составляет 0.9 ПДК при Кр=6 л/кг в точке № 1 и 1.5 ПДК при Кр=1000 л/кг. Купол растянулся от точки № 3 до № 10. В напорных водах в пределах разреза загрязнения не отмечается.
7
6
Через 60 лет наблюдается сильное снижение концентрации до 0.5 ПДК в грунтовых водах в точке № 1, максимальное составляет 2.5 ПДК в точке № 4 при Кр=6 л/кг и до 3.2 ПДК при Кр=1000 л/кг. Сформировались два купола у точек № 1 и 2.
В водораздельном слое один купол тянется от точки № 3 до № 10, в точке № 1 концентрация составляет 1.5 ПДК при Кр=1000 л/кг и 0.8 ПДК при Кр=6 л/кг.
Картографическое представление дано на рисунках 13 и 14.
В напорных водах формируется слабо минерализованная линза в точках № 1, 2.
Через 100 лет в грунтовых водах отмечаются два купола в точках № 7, 6, 5, 1, 3, максимальная минерализация - 1.5 ПДК при Кр=1000 л/кг; в точках № 3, 2, 1, 8, 9, 10 минимальная составляет 0.1 ПДК при Кр=6 л/кг, максимальная - 1.2 ПДК при Кр=1000 л/кг.
В раздельном слое в первом из куполов минерализация грунтовых вод незначительно превышает минерализацию поровых вод (0.6 ПДК при Кр=6 л/кг), во втором минерализация поровых превышает минерализацию грунтовых (максимальная - 1.5-1.8 ПДК при Кр=1000 л/кг и 1.0 ПДК при Кр=6 л/кг).
В напорных водах линзы не сформировались.
Через 300 лет (рис. 15) отмечается резкое снижение минерализации во всех слоях менее 1 ПДК. В грунтовых водах минерализация изменяется от минимальной 0.2*10-3 в точке № 9 до максимальной 1.5 ПДК в точке № 8 при Кр=1000 л/кг.
В водораздельном слое минерализация поровых вод везде превышает минерализацию грунтовых. Сформировалась достаточно сложная структура потока от минимальных 0.6*10-3 при Кр=6 л/кг в точке № 1 до 0.9 ПДК при Кр=6 л/кг в точке № 10, хотя на всем протяжении минерализация при Кр=1000 л/кг выше, чем при других значениях Кр.
В напорных водах в линзах на точках № 2, 1, 8, 9, 10 при Кр=6 л/кг максимальная минерализация составляет 0.5*10-2, как и в линзе на точках № 1, 2-8 при Кр=1000 л/кг.
Отмечается резкое снижение концентрации радионуклидов при всех значения Кр. При радиоактивном распаде интенсивность нарастает вдвое, при этом следует отметить немаловажное влияние гидродисперсии потока. В целом, роль радиоактивного распада сказывается гораздо интенсивнее на миграции радионуклидов по сравнению с миграцией нерадиоактивных токсичных ЗВ, что четко прослеживается при моделировании процесса миграции по первому сценарию.
Сценарий 3 - загрязнение слабо сорбируемыми загрязняющими веществами с Кр=0.5, 1.0 и 3.0 л/кг. Разрез 1-1. Через 30 лет (рис. 16) наблюдается достаточно интенсивное снижение минерализации грунтовых вод с 8.0 ПДК (начальная концентрация сразу после аварии) в точке № 1 до 3.5 ПДК при всех Кр=0.5, 1.0 и 3.0 л/кг, с небольшими различиями в значениях в несколько десятых долей ПДК (на графике линии практически параллельны).
В водораздельном слое минерализация поровых вод в точке № 1 для всех значений Кр также колеблется около 1.0 ПДК, с растеканием до минимальных значений в точках № 13 и 16.
Начинается формирование линзы загрязненных напорных вод в точке № 11.
Через 60 лет происходит снижение минерализации грунтовых вод, практически идентичное для всех значений Кр, минерализация уменьшается до 1.2 ПДК в точке № 1.
Формируется купол увеличения минерализации поровых вод до 3.8 ПДК в точке № 11 при всех Кр.
В точках № 1 и 11 формируется линза загрязненных напорных вод с незначительной концентрацией ЗВ.
Через 100 лет после загрязнения наблюдается снижение купола загрязненных грунтовых вод до <3.0 ПДК в точке № 12 при всех значениях Кр.
В водораздельном слое тенденция с уменьшением минерализации до 3.2 ПДК сохраняется в точке № 11.
а
I слой
III слой
Рис. 13. Картографическое представление миграции сильно сорбируемого вещества с Кр=6 л/кг (с распадом) на 30 год после загрязнения в двумерном (а) и трехмерном (б) представлении.
II слой
0000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000
а
III слой
Рис. 14. Картографическое представление миграции сильно сорбируемого вещества с Кр=6 л/кг (с распадом) на 300 год после загрязнения в двумерном (а) и трехмерном (б) представлении.
о
U
V
э
Isa Se
ce «
м Я
S ва £ н я «
к й-^ S
н ш
я ва «
я я
й
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
J •
№ • У/
j-- / _..........................................................................................................................................................................................................N........У......../...................
• / / / /
.....................................................................................i \..................................................... / / '......................^...........//.....................
t, 3/ \\ / /
/ Ж/ / / -J / / / /
5
4 3
2
1
89
10
Номер точки наблюдения
Кр=6, слой 1 Кр=6, слой 2 Кр=6, слой 3 Кр=26, слой 1 Кр=26, слой 2 Кр=26, слой 3 Кр=200,слой 1 Кр=200, слой 2 Кр=200, слой 3 Кр=1000, слой 1 Кр=1000, слой 2 Кр=1000, слой 3
Рис. 15. График миграции сильно сорбируемых веществ по разрезу II-II через 300 лет после загрязнения (с распадом).
7
6
о
U
V
э
Isa
я*
Se
« «
а
S ва я н я « к й ^ S
н ш
я ва «
я я
й
5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1
0.5 0
13
i i 12 11 1 14
Номер точки наблюдения
15
16
• • Кр=0.5, слой 1 _ Кр=0.5, слой 2 _ Кр=0.5, слой 3 Кр=1, слой 1 Кр=1, слой 2 Кр=1, слой 3 Кр=3, слой 1 Кр=3, слой 2 Кр=3, слой 3
Рис. 16. График миграции слабо сорбируемых веществ по разрезу I-I через 30 лет после загрязнения.
В напорных водах загрязненная линза растекается.
Через 300 лет (рис. 17) наблюдается практически выравнивание концентраций ЗВ в грунтовых (максимальная минерализация - <2 ПДК) и поровых водах.
В напорных водах формируется линза слабо загрязненных вод в точках № 1, 11 и 14.
Разрез II-II. Через 30 лет (рис. 18) наблюдается тенденция уменьшения минерализации грунтовых вод; линии на графике следуют параллельно исходному загрязнению, мало
отличаются для разных значений Кр, и только в точке № 5 отмечается разрыв концентраций между 3.2 и 4.8 ПДК при Кр=0.5, 1.0 и 3.0 л/кг.
В водораздельном слое наблюдается формирование слабого купола минерализации поровых вод, практически идентичное для всех значений Кр.
ч «
еа н 05 £ Я а
Я 3
« «
а и ^ ё £ Э
« « Р
3 2 к я
м К
а
и «
Я Я
51
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
.чЛ.
"..................................................."> ......................................................................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................................................................................................................... ■А £
Л Я .....Д1............................................
....................................X.......................... « V
"................................Т............................... _...........................;/................................... .............\\..................................... \\ ...................................../...ч.............................................................................
Л
'.....................1.......................................... •У ...............................л................................................ .................../ТС.,»0*4*—.................... ......................................
// X ... ч
13
12
11
1
14
15
16
........Кр=0.5, слой 1
----Кр=0.5, слой 2
-Кр=0.5, слой 3
........Кр=1, слой 1
----Кр=1, слой 2
-Кр=1, слой 3
........Кр=3, слой 1
----Кр=3, слой 2
-Кр=3, слой 3
Номер точки наблюдения
Рис. 17. График миграции слабо сорбируемых веществ по разрезу 1-1 через 300 лет после загрязнения.
В напорных водах в пределах данного разреза загрязнение не наблюдается. Через 60 лет продолжается аналогичное снижение концентрации ЗВ в грунтовых водах. Картографическое представление данного процесса дано на рисунках 19 и 20.
В водораздельном слое происходит нарастание минерализации поровых вод и формирование купола в точках № 1, 2, 3, 8, 9, 10, идущее практически параллельно, с небольшим отличием концентраций вне зависимости от значений Кр.
« 12
вэ
т с 10
К я е 3
я « е ва а 8
а н я о и е « в 6
и 3
я я о ю я .де 4
Й н м я р и 2
а
0
.......I-.*
.4"" ......
5 4 3 2 1 8 Номер точки наблюдения
........Кр=0.5, слой 1
----Кр=0.5, слой 2
-Кр=0.5, слой 3
........Кр=1, слой 1
----Кр=1, слой 2
-Кр=1, слой 3
........Кр=3, слой 1
----Кр=3, слой 2
-Кр=3, слой 3
10
Рис. 18. График миграции слабо сорбируемых веществ по разрезу II - II через 30 лет после загрязнения.
7
6
9
В напорных водах линза загрязненных вод приурочена к точкам № 1 и 2.
а
III слой
Рис. 19. Картографическое представление миграции слабо сорбируемого вещества с Кр=0.5 л/кг на 30 год после загрязнения в двумерном представлении (а) и трехмерном (б).
а
III слой
Рис. 20. Картографическое представление миграции слабо сорбируемого вещества с Кр=0.5 л/кг на 300 год после загрязнения в двумерном представлении (а) и трехмерном (б).
Через 100 лет минерализация грунтовых вод уменьшается, максимальная сосредотачиваясь в точке № 4 и мало завися от Кр.
В водораздельном слое формируется более сложная конфигурация минерализации поровых вод, появляются четыре купольных структуры минерализации от точки № 5 до № 10, минерализация достигает 3.0 ПДК в точке № 8.
В напорных водах на данном разрезе линза растеклась.
Через 300 лет (рис. 21) наблюдается практически выравнивание минерализации грунтовых вод и ее снижение до максимальных значений порядка 1.2 ПДК при Кр=1 и 3 л/кг в точке № 4 и до 2.9 ПДК в поровых водах в точке № 4. И там, и там отмечается формирование двух куполов в точках № 2, 3, 4, 5 и № 1, 8, 9, 10.
В напорных водах отмечается формирование двух линз загрязненных вод в точках № 1, 2 и 9, 10.
«
и
н
W V
Е?
ва у а о ^ н fcB В 2 R 35 м R
а
U
«
2.5
к
S
S
«
X
V
S X
й
п
1.5 1
0.5 0
ж _.................................................................................: :1.........• -.чч........................................... ✓ '7 ..............................................................................у......../»..............
:i -л ^ .-1 •. • ч \ ...................................................................Л1................................................ у // .................................Z/......................
.,;;;,:./......
..............................••"',«'".....................#.....................................'••••«, \ \................. I .........
1..... » *Д _____1 1 1 1 1 1 ..........л /......... .........Iiis................ ..... /-1 \ __ 1 Г * I i" 1
........Кр=0.5, слой 1
----Кр=0.5, слой 2
-Кр=0.5, слой 3
........Кр=1, слой 1
----Кр=1, слой 2
-Кр=1, слой 3
........Кр=3, слой 1
----Кр=3, слой 2
-Кр=3, слой 3
10
2
7
6
5
4
3
2
1
8
9
Номер точки наблюдения
Рис. 21. График миграции слабо сорбируемых веществ по разрезу II-II через 300 лет после загрязнения.
Следует отметить, что в сценарии с сильно сорбируемыми ЗВ были также рассмотрены вещества с Кр=6 л/кг, которые отнесены к сильно сорбируемым. Если сравнить результаты исследований по этому сценарию и сценарию со слабо сорбируемыми ЗВ с Кр=0.5, 1.0 и 3.0 л/кг, то можно увидеть, что тенденции развития всех процессов с добавлением особенностей ЗВ с Кр=6 л/кг симметричны, только при Кр=6 л/кг процесс миграции незначительно замедляется. Но мы отнесли ЗВ с Кр=6 л/кг к сильно сорбируемым, исходя из того, что этими значениями характеризуется процесс сорбции некоторых радионуклидов.
Кроме разрезов миграция ЗВ рассматривалась в двух опорных наблюдательных точках: точке № 1 - водораздельная точка потока грунтовых вод, от которой поток устремляется ко всем граничным рекам - областям разгрузки; и точке № 11, где на протяжении всех периодов моделирования по всем сценариям миграции ЗВ происходит формирование линзы загрязненных напорных вод (табл. 1).
Рассмотрение процессов миграции ЗВ в этих точках проводилось по тем же сценариям, что и для разрезов.
Сценарий 1 - загрязнение сильно сорбируемыми загрязняющими веществами без распада в точках наблюдений. Точка № 1 (табл. 1). На 30 год загрязнение грунтовых вод резко снижается с 8.0 ПДК до 4.0 ПДК при Кр=6 л/кг (рис. 22), при Кр=26 л/кг снижение также идет интенсивно, а при Кр=200 и 1000 л/кг - плавно. На 60 год оно имеет значительную
интенсивность, несколько уменьшаясь и на 100 год. К 300 году загрязнение плавно уменьшается до 0.1 ПДК при Кр=6 и 26 л/кг, а при Кр=200 и 1000 л/кг изменяется от начальных 8 до 6.9 ПДК (рис. 23).
£ « <Ц м
„ а
О! Я
Я а
« я ед
а 2 «
5 £ 2
о и й-
т я
ва
5
1 слой
2 слой •3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 22. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=6 л/кг в точке № 1.
4
3
2
1
0
10
й
к £ ие Ч. В 8 -
я я <Я Я а 2 ч 6
тя
нн <я
ез ва 4 -
Я R н
нр ог а з W V Э ш ва 2 0
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 23. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=1000 л/кг в точке № 1.
В водораздельном слое идет обратный процесс: на 30 год формируется загрязнение поровых вод в пределах от 1.0 до 1.7 ПДК по мере увеличения Кр; на 60 год вплоть до 100 года наблюдается резкое увеличение минерализации с 1.8 до 4.5 ПДК по мере увеличения Кр; на 300 год при Кр=6 и 26 л/кг минерализация снижается до 0-0.2 ПДК, а при Кр=200 и 1000 л/кг она плавно увеличивается с 4.6 до 6.6 ПДК.
В напорных водах на 60 и 300 годы после загрязнения наблюдается формирование непостоянной линзы слабо минерализованных вод.
Точка № 11 (табл. 1) . В грунтовых водах на 300 год наблюдается плавное снижение минерализации от 6.0 до 0.6 и 1.3 ПДК при Кр=6 (рис. 24) и 26 л/кг, а при Кр=200 и 1000 л/кг - от 4.7 до 5.6 ПДК.
В водораздельном слое в промежутке от 30 до 100 лет наблюдается резкий скачок минерализации поровых вод от 0.5 до 3.0-4.0 ПДК при Кр=6 и 26 л/кг, с последующим до 300 лет снижением минерализации от 0.5 до 1.5 ПДК; а при Кр=200 и 1000 л/кг (рис. 25) от 30 до 300 лет наблюдается плавное увеличение минерализации поровых вод от 2.6 до 3.0 ПДК.
« £
Я о^
* Я'
« Я
а 2
£ я
Я X
« м
Я я
я а
о I«
а
«
в
«
И
н и
э
ва
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 24. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=6 л/кг в точке № 11.
6
5
4
3
2
1
0
7 и
й 6
« £ Ч
ие * я « Я а 2 В .де 5 4 -
тя
нн ез а в 3 -
я я т 2 1
нр ог а з с е э е
в 0
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 25. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=1000 л/кг в точке № 11.
В напорных водах формируется постоянная линза загрязненных поровых вод, минерализация которой увеличивается от 0 до 0.4 ПДК при Кр=6 л/кг и до 0.7 ПДК при Кр=1000 л/кг.
Сценарий 2 - загрязнение сильно сорбируемыми загрязняющими веществами с распадом в точках наблюдений. Точка № 1 (табл. 1). На 30 год после загрязнения наблюдается резкое снижение минерализации грунтовых вод с 8.0 ПДК (начальная концентрация) до 2.0 ПДК при Кр=6 л/кг (рис. 26), до 2.8 ПДК при Кр=26 л/кг, до 4.0 ПДК при Кр=1000 л/кг. Затем резкое снижение продолжается до 60 лет и к 100-летнему периоду достигает 0.2 ПДК при Кр=6 л/кг и 1.0 ПДК при Кр=1000 л/кг (рис. 27). К 300 году минерализация достигает порядка 0.1 ПДК при всех Кр.
В водораздельном слое минерализация поровых вод нарастает в период от 30 до 60 лет и достигает 0.8 ПДК при Кр=6 л/кг и 1.7 ПДК при Кр=1000 л/кг, затем до 300 лет плавно снижается до 0.1 и 0.4 ПДК при Кр=6 и 1000 л/кг.
В напорных водах формируется временная линза со слабой минерализацией на 60 и 300 годы после загрязнения.
Точка № 11 (табл. 1). В период от начала до 100-летнего срока происходит резкое уменьшение минерализации грунтовых вод до 0.3 ПДК при Кр=6 л/кг (рис. 28) и до 0.8 ПДК
при Кр=1000 л/кг, затем до 300 лет минерализация плавно уменьшается до 0.1 ПДК при Кр=6 л/кг и до 0.4 ПДК при Кр=1000 л/кг (рис. 29).
й 2.5
я g Ч 2
и ге В
я я <Я Я а 2 ч е 1.5 -
тя ,а
нн 1 -
ез в
я я т
нр ог с е 0.5
а з В е
в 0
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 26. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ (с распадом) с Кр=6 л/кг в точке № 1.
5
к £ ие Э 4 -
я Я « Я а 2 ч е 3
тя ,а
нн
ез в 2 -
я я т
нр ог а з с е Э е в 1 0
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 27. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ (с распадом) с Á"p=1000 л/кг в точке № 1.
R Р П
я k в
а 2 3 н os ~ 35 я «
Щ м И
Я О! Н
S & и
о u «
«S В
м 33 ва
3 2.5 2 1.5 1
0.5 0
1 слой
2 слой
3 слой
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 28. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ (с распадом) с Кр=6 л/кг в точке №11.
« £ « я « В
и *
а 2 3
£ 05 -т
в в «
« м ва
Я О! н
в а °
о и «
а 5 э
ва
3.5 3 2.5 2 1.5 1
0.5 0
■ 1 слой 2 слой ■3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 29. График изменения концентрации сильно сорбируемых загрязняющих веществ (с распадом) с Кр=1000 л/кг в точке № 11.
В водораздельном слое имеет место резкий скачок минерализации поровых вод от 30 до 60 лет - от 0.3 ПДК до 1.3 ПДК при Кр=6 л/кг с последующим снижение до 100-летнего срока до 0.5 ПДК при Кр=6 л/кг. При остальных Кр минерализация колеблется в интервале 0.0-0.5 ПДК.
В напорных водах формируется постоянная линза слабо минерализованных вод.
Сценарий 3 - загрязнение слабо сорбируемыми загрязняющими веществами с Кр=0.5, 1.0, 3.0 л/кг в точках наблюдений. Точка № 1 (табл. 2). От начала загрязнения до 100-летнего рубежа наблюдается резкое снижение минерализации грунтовых вод от 8.0 ПДК (начальная минерализация) до 0.6-0.7 ПДК при Кр=0.5 (рис. 30) и 3.0 л/кг, в дальнейшем к 300-летнему рубежу происходит плавное снижение до 0.1 ПДК при всех Кр. При Кр=1.0 л/кг за 60 лет происходит увеличение с 1.0 до 2.5 ПДК, к 100-летнему рубежу загрязнение спадает до 1.0 ПДК, а далее наблюдается его плавное снижение.
3 5 -,..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
а 3.5 1
^ § 3 ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Н* 2г ............ 1 слой
ш 1.5: :::::::::::: 2 слой
а: а « 1 .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 3 слой
| 0.5 ...........................................................................................................................................................................................................................................................................................................
М 0 -I- , , -1
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 30. График изменения концентрации слабо сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=0.5 л/кг в точке № 1.
В водораздельном слое динамика снижения минерализации поровых вод при Кр=0.5 л/кг аналогична динамике грунтовых вод с таким же ПДК, а при Кр=1.0 и 3.0 л/кг происходит быстрее, чем в грунтовых водах, и нарастает до 1.0 ПДК к 100-летнему рубежу при Кр=3.0 л/кг в сравнении с грунтовыми водами и до 0.5 ПДК при Кр=1.0.
В напорных водах на 60 и 300 год после загрязнения происходит формирование непостоянной линзы слабо минерализованных вод.
Точка № 11 (табл. 2). В грунтовых водах к 100 году при Кр=0.5 (рис. 31) и 1.0 л/кг наблюдается плавное снижение минерализации от 6.0 ПДК (начальная) до 2.3 л/кг, с последующим изменением до 0.5 ПДК к 300 году; при Кр=3.0 л/кг к 100 году ПДК достигает значений 2.7 с дальнейшим уменьшением в диапазоне очень малых концентраций (<0.1 ПДК).
a 5
0! g п 4
Я « В
ц « 5 а 2 ч е 3
Н 0! « в
Я Я « м 2
Я Я т
х а О U с е 1
« щ е в 0
1 слой
2 слой
3 слой
30 60 100 300
Моделируемое время после загрязнения, лет
Рис. 31. График изменения концентрации слабо сорбируемых загрязняющих веществ с Кр=0.5 л/кг в точке № 11.
Сравнительная характеристика результатов моделирования процессов миграции загрязняющих веществ по различным сценариям их развития
Влияние гидродисперсии - транспортной сети потока подземных вод на миграцию загрязняющих веществ. Результаты моделирования показали, что в первом слое - грунтовых водах (рис. 32а) - наблюдается сложная структура потока. Это связано в первую очередь с геолого-гидрогеологическим строением изучаемой и моделируемой территории. Сама территория представляет собой овальное поднятие, находящееся в зоне Калужского тектонического поднятия и ограниченное со всех сторон внешними реками, где на модели и были заданы граничные условия первого рода; кроме них внутри территории находятся их многочисленные притоки (внутренние граничные условия; рис. 2). Все это обусловило сложность структуры потока грунтовых вод, сильно дренированного гидрологическою сетью. Разрезы I-I и II-II приурочены к водораздельным площадям (рис. 3). Наиболее сложный поток расположен по горизонтальной границе на отметках 30000-60000 м, по вертикали - от 20000-40000 м (рис. 32а).
Анализ результатов моделирования выявил, что во втором слое - водораздельном слое (рис. 32б) - геометрия потока поровых вод более спокойная, не зависит или слабо зависит от дренированности притоками и только в одном квадрате: по горизонтали 30000-60000 м и вертикали 20000-40000 м наблюдается нарушение потока, практически симметричное грунтовому. Здесь, по-видимому, большое значение имеет уменьшение мощности водоупора, что усиливает перетекание через него.
По данным результатов моделирования мы определили, что в третьем слое - напорных водах (рис. 32в) - наблюдаются достаточно сильные отличия в структуре потока: он спокойный и направлен к областям разгрузки, к внешним границам - рекам, а внутренняя речная сеть не оказывает на него никакого влияния и не дренирует его. И только в одном квадрате (по горизонтали 30000-45000 м, по вертикали 20000-40000 м) сформировалась область его нарушения, которая унаследовала ее от первого и второго слоев. Основная причина этого кроется в уменьшении мощности водоупора и формировании области проникновения грунтовых вод через водоупор в напорные воды. Обусловлено это
тектоническим поднятием и формированием на изучаемой территории довольно высокого водораздела подземных вод.
Рис. 32. Картосхемы гидродисперсии потоков: а) грунтовых вод, б) поровых вод в водораздельном слое, в) напорных подземных вод.
Влияние процессов сорбции на миграцию загрязняющих веществ. Сильно сорбируемые загрязняющие вещества в разрезе I-I к 300-летнему сроку претерпели значительное уменьшение концентраций в грунтовых водах. ЗВ с Кр=6 и 26 л/кг накапливались в водоупоре, а с Кр=200 л/кг и особенно с 1000 л/кг в значительной степени оставались в грунтовых водах, но и в водоупоре отмечалось их значительное содержание, что помимо прочего контролируется гидродисперсией - притоком и оттоком ЗВ из ячейки в ячейку (точку). В третьем слое - напорных водах - формируется линза загрязненных вод.
В разрезе II-II наблюдается аналогичная ситуация, только начальные концентрации ЗВ в первом слое больше, чем в первом разрезе, а в точке № 10 они превышают 10 ПДК, и, соответственно, накопление ЗВ в водоупоре тоже идет более интенсивно. В третьем слое формируются две линзы.
Абсолютно иная ситуация наблюдается при миграции сильно сорбируемых ЗВ с
распадом, в данном случае рассматривается радиоактивный распад. На 300-летний срок в грунтовых водах и водоупоре остаются следы ЗВ с Кр=6, 26, 200 и 1000 л/кг с концентрацией 0.026-5*10-4 ПДК, а также отмечаются следы в линзах напорных вод с концентрацией 0.0273*10-20 ПДК. Здесь также заметно влияние гидродисперсии, когда за 30 лет концентрация в ячейках уменьшается не вдвое, а более-менее за счет притока или оттока из других ячеек.
Слабо сорбируемые ЗВ мигрируют значительно интенсивнее, и к 300 году в грунтовых водах остается их незначительное количество в пределах 0-2.0 ПДК при всех Кр, а в водоупоре их накапливается столько же, но иногда больше, чем осталось в грунтовых водах. В напорных водах помимо прочего формируется линза загрязнения. В таблице 2 показано, что интенсивность сорбционных процессов внутри этого интервала очень мало различается при малых значениях Кр=0-5 л/кг.
Главными факторами формирования процессов миграции ЗВ являются в первую очередь их распад, если таковой присутствует, во вторую - их сорбционные свойства, в третью -гидродисперсия потоков подземных вод, которая в свою очередь зависит от геолого-гидрогеологических условий изучаемой территории.
Здесь в модели рассматривался выдержанный по своему литологическому строению водоупор, что не всегда соответствует действительности. В водоупорах в природе могут содержаться линзы, прослои более проницаемых отложений, а также техногенные нарушения, такие как скважины и другие глубокозалегающие сооружения. Все это в значительной степени может нарушить структуру водоупора и ускорить процессы загрязнения подземных вод. Рассмотренная ситуация свидетельствует о том, что водоупоры не являются полной гарантией защищенности напорных вод от загрязнения, а имеют сложный характер проницаемости, что и обеспечивает возможность формирования в напорных водах линз загрязненных вод, хотя в данном случае с незначительной концентрацией ЗВ.
Помимо двух разрезов для анализа экологической ситуации мы выбрали несколько точек. По двум из них - № 1 и 11 (табл. 1) - был проведен анализ, аналогичный анализу самих разрезов. В этих точках процесс миграции различных ЗВ происходит с теми же тенденциями, которые были рассмотрены в пределах вышеописанных разрезов. Точка № 16 (табл. 2) была выбрана за границей площади загрязнения, чтобы рассмотреть возможность растекания фронта загрязненных грунтовых и напорных вод за пределы области загрязнения.
В результате установлено (табл. 1), что при Кр=3 и 6 л/кг имеет место слабый приток ЗВ в первый и второй слои, а в третьем слое загрязнение не наблюдается. При Кр=1000 л/кг с распадом и без него приток в эти слои резко снижается, а в третьем слое отсутствует. Сам приток увеличивается к 300 году и составляет 4*10-3 ПДК в первом слое при Кр=3 л/кг, 5.9*10-7 ПДК при Кр=6 л/кг, 4.9*10-23 ПДК при Кр=1000 л/кг без распада, 1*10-21 ПДК при Кр=1000 л/кг с распадом.
Кроме этого мы рассматривали возможности процесса диффузии ЗВ и его влияние на миграцию ЗВ.
Полученные результаты (табл. 1) помогли нами выявить, что за 300 лет процесс проявился в третьем слое в 22 точках из 1122 в модели, и только одна из них (№ 11) попала на анализируемый разрез.
В линзах минерализация в третьем слое составляет от 0.1 до 5.5*10-5 ПДК при максимальном значении 0.44 ПДК. Причем следует иметь в виду, что диффузия рассматривается не в чистом виде, а при наличии гидродисперсии потока, и, как видно в точке № 11 (табл. 1), процесс формирования загрязненных вод начинается ранее, чем за 100 лет, и продолжается до 300-летнего рубежа. Он очень близок к миграции слабо сорбируемых ЗВ с Кр=3 и 6 л/кг, а значит, на фоне гидродисперсии диффузия получается вынужденной. Это говорит о том, что процесс диффузии в зоне активного водообмена
подчиняется сильному влиянию гидродисперсии потоков и не оказывает большого значения на формирование загрязнения подземных вод, которое формируется за счет других гидрогеохимических процессов.
Как известно, преобладание процесса диффузии проявляется в зоне затрудненного водообмена, где процессы гидродисперсии сводятся практически к нулю, и тогда на первое место выходит диффузия, где главной движущей силой является не градиент скоростей потока, а градиент концентрации ЗВ.
Выводы
Модельным объектом исследований была выбрана часть территории Калужской области наиболее пострадавшая от аварии на Чернобыльской атомной станции.
В результате проведения исследований был получен ряд результатов.
По 3 сценариям развития процессов с учетом различных ЗВ и процессов массопереноса с использованием математической программы MT3D проведено моделирование процессов загрязнения подземных вод и главным образом напорных вод на территории Калужской области в зоне радиоактивного следа.
В процессе моделирования рассмотрены возможные сценарии загрязнения подземных вод: 1 сценарий - загрязнение подземных вод сильно сорбируемыми ЗВ; 2 сценарий -загрязнение сильно сорбируемыми ЗВ, включая радиоактивные; 3 сценарий - загрязнение слабо сорбируемыми ЗВ.
Для изучения миграции загрязняющих веществ на численной модели MT3D, ранее созданной, были выбраны два разреза, направленных по линиям тока подземных вод от водораздела к области разгрузки - рекам. Анализ экологической ситуации проводился для четырех расчетных сроков: 30, 60, 100 и 300 лет (увязка с периодами полураспада радионуклидов), для четырех коэффициентов распределения сорбции (Кр) ЗВ: 6, 26, 200 и 1000 л/кг для радионуклидов с распадом и других токсичных сильно сорбируемых ЗВ без распада; и 0.5, 1.0, 3,0 л/кг для слабо сорбируемых ЗВ; оценивалась экологическая ситуации в первом слое - грунтовых водах, во втором слое - водораздельном слое, в поровых растворах и в третьем слое - напорных подземных водах.
В результате моделирования проведено сравнение всех сценариев развития процессов загрязнения и выполнен анализ факторов их определяющих.
Установлено, что влияние гидродисперсии наиболее значительно сказывается в грунтовых водах (первый слой), где наблюдается сложная структура потока, связанная с достаточно сильной ее дренированностью. Это связано в первую очередь с геолого-гидрогеологическим строением изучаемой, моделируемой территории и обусловлена тем, что она находится в пределах Калужского тектонического поднятия. Во втором, водораздельном слое геометрия потока поровых вод более спокойная, не зависит или слабо зависит от дренированности притоками. В третьем слое - напорных водах наблюдаются достаточно сильные отличия в структуре их потока: поток спокойный направлен к областям разгрузки - внешним границам - рекам, поток практически не дренируется, и только на незначительной территории сформировалась область нарушения потока, которая унаследовала ее от первого и второго слоев.
Выявлено, что влияние сорбции особенно сильно сказывается на сильно сорбируемых ЗВ. К 300-летнему сроку наблюдается значительное уменьшение их концентраций в грунтовых водах, но в водоупоре отмечается их значительное содержание, а в напорных водах формируется линзы загрязненных вод.
Для миграции сильно сорбируемых ЗВ с распадом рассматривался радиоактивный распад, сильно отличающийся от выше приведенного случая. Спустя 300 лет в грунтовых водах и
водоупоре остаются только следы ЗВ, и также отмечаются следы и в линзах в напорных водах.
Установлено, что слабо сорбируемые ЗВ мигрируют значительно интенсивнее и спустя 300 лет в грунтовых водах остается незначительное количество ЗВ, а в водоупоре накапливается такое же количество ЗВ иногда больше, чем осталось в грунтовых водах, а также формируется линза загрязненных вод в напорных водах.
Кроме этого был рассмотрен процесс диффузии ЗВ с точки зрения его возможностей и влияния на миграцию ЗВ. Показано, что процесс диффузии в зоне активного водообмена подчиняется сильному влиянию гидродисперсии потоков и не вносит значительной доли в формирование загрязнения подземных вод, которое формируется за счет других гидрогеохимических процессов.
Таким образом, главными факторами формирования процессов миграции ЗВ являются в первую очередь радиоактивный распад ЗВ, во вторую - сорбционные свойства ЗВ, в третью - гидродисперсия потоков подземных вод, которая в свою очередь зависит от геолого-гидрогеологических условий изучаемой территории, помимо этого незначительную долю в процессе миграции ЗВ имеет диффузия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
REFERENCES
1. Антонов К.А., Кирьякова Е.А., Руденко 1. Е.Э. 2013. Моделирование процесса геофильтрации на участке Калужской области (в зоне радиоактивного следа) // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность: VII международная конференция молодых ученых и талантливых студентов, 11 -13 декабря 2013 г. М.: ИВП РАН. С. 121-125.
2. БелоусоваА.П. 2015. Оценка опасности загрязнения подземных вод как компонента окружающей среды // Вода: химия и экология. № 12. С. 31-40.
3. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2019. Эколого-гидрогеологические 2. исследования на территориях европейской части России, пострадавших от аварии на ЧАЭС // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. № 4 (136). С. 38-56.
4. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2020. Трансформация уязвимости грунтовых вод к радиоактивному загрязнению в зоне 3. Чернобыльского следа на территории Калужской области // Экосистемы: экология и динамика. Т. 4. № 1. С. 18-103.
5. Доклад о состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории Калужской области в 2012 году. 2013. Калуга. 218 с.
6. Карта радиационной обстановки на территории европейской части СССР по 4.
Antonov KA, Kiryakova EA, Rudenko EE. Modeling the geofiltration process in the Kaluga region (in the radioactive footprint zone) [Modelirovaniye protsessa geofil'tratsii na uchastke Kaluzhskoy oblasti (v zone radioaktivnogo sleda)] Water resources, ecology and hydrological safety. VII International Conference of Young Scientists and Talented Students, December 11-13 [Vodnyye resursy, ekologiya i gidrologicheskaya bezopasnost'. VII ezhdunarodnaya konferentsiya molodykh uchenykh i talantlivykh studentov]. Moscow: IVP RAS, 2013:121-125. Belousova AP. Assessment of the hazard of groundwater pollution as a component of the environment [Otsenka opasnosti zagryazneniya podzemnykh vod kak komponenta okruzhayushchey sredy] Water: Chemistry and Ecology [Voda: khimiya i ekologiya]. 2015;12:31-40. Belousova AP, Rudenko EE. Ecological-hydrogeological studies in the territories of European Russia affected by the Chernobyl Accident [Ekologo-gidrogeologicheskiye issledovaniya na territoriyakh yevropeyskoy chasti Rossii, postradavshikh ot avarii na CHAES] Water Purification, Water Treatment, Water Supply [Vodoochistka, vodopodgotovka, vodosnabzheniye]. 2019;4(136):38-56. Belousova AP, Rudenko EE. Transformation
состоянию на декабрь 1990 г. 1991. Плотность загрязнения местности цезием-137. М.: Госкомгидромет СССР. Л. И-35-А.
7. Данные по радиоактивному загрязнению территории населённых пунктов Российской Федерации цезием-137, стронцием-90 и плутонием-239+240. 2018 / Ред. С.М. Вакуловский. Обнинск: ФГБУ «НПО «Тайфун». 225 с. 5.
8. Радиационная обстановка на территории России и сопредельных государств в 2018 году. 2019. Обнинск: НПО «Тайфун». 324 с.
9. Справка о радиационной обстановке на территории Калужской области в 6. 2013 году. 2013. Обнинск: НПО «Тайфун».
С. 8.
10. Anderson M.P., Woessner W.W. 1992. Applied Groundwater Modeling (Simulation of Flow and Advective Transport). London: Academic Press, Inc. 381 p.
11. Zheng C., Papadopulos S.S. 1990. A Modular Three-Dimensional Transport Model for 7. simulation of Advection, Dispersion and Chemical Reactions of Systems Contaminant
in Groundwater. The United States Environmental Protection Agency, Robert S. Kerr Environmental Research Laboratory. Inc., Ada, Oklahoma. 231 p.
of groundwater vulnerability to radioactive contamination in the Chernobyl footprint zone in the Kaluga region [Transformatsiya uyazvimosti gruntovykh vod k radioaktivnomu zagryazneniyu v zone Chernobyl'skogo sleda na territorii Kaluzhskoy oblasti] Ecosystems: Ecology and Dynamics. 2020;1(4):18-103.
5. Report on the state of natural resources and environmental protection in the Kaluga region in 2012 [Doklad o sostoyanii prirodnykh resursov i okhrane okruzhayushchey sredy na territorii Kaluzhskoy oblasti v 2012 godu]. Kaluga, 2013:218.
6. Map of the radiation situation in the territory of European USSR in December 1990 [Karta radiatsionnoy obstanovki na territorii yevropeyskoy chasti SSSR po sostoyaniyu na dekabr' 1990 g. ]. Contamination density of Caesium-137 [Plotnost' zagryazneniya mestnosti tseziyem-137.]. Moscow: Goskomgidromet of the USSR, 1991:H-35-A.
7. Data on radioactive contamination of the territory of settlements of the Russian Federation with Caesium-137, Strontium-90 and Plutonium-239 + 240 [Dannyye po radioaktivnomu zagryazneniyu territorii punktov Rossiyskoy Federatsii tseziyem-137, strontsiyem-90 i plutoniyem-239 + 240]. Ed. C.M. Vakulovsky. Obninsk: FSBI NPO Typhoon, 2018:225.
8. Radiation situation in Russia and neighboring countries in 2018 [Radiatsionnaya obstanovka na territorii Rossii i sopredel'nykh gosudarstv v 2018 godu]. Obninsk: NPO Typhoon. 2019:324.
9. Information about the radiation situation on the territory of the Kaluga region in 2013 [Spravka o radiatsionnoy obstanovke na territorii Kaluzhskoy oblasti v 2013 godu]. Obninsk: NPO Typhoon, 2013:8.
10. Anderson MP, Woessner WW. Applied groundwater modeling (Simulation of flow and advective transport). London: Academic Press, Inc., 1992:381.
11. Zheng C, Papadopulos SS. A modular three-dimensional transport model for simulation of advection, dispersion and chemical reactions of systems contaminant in
groundwater. The United States Environmental Protection Agency, Robert S. Kerr Environmental Research Laboratory. Inc., Ada, Oklahoma, 1990:231.
