CC BY
47
УДК 556.114.679; 502; 574
C.B. Васнленков, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ НА СКЛОНОВЫХ ЗЕМЛЯХ
В статье рассмотрены особенности передвижения влаги и радионуклидов в почвенно-грунтовой толще, разделенной относительными водоуиорами на отдельные слои с разной водопроницаемостью. В расчетах промывных поливов предлагается не расчленять вымыв радионуклидов на вертикальную и горизонтальную составляющие, т.к. необходимые для расчета комплексные параметры, определяемые по экспериментальным данным, характеризуют суммарное воздействие горизонтального и вертикального потока влаги.
Ключевые слова: вымыв цезия, поливы, радионуклиды. подоупор, ноток влаги, склоны.
По литературным данным известно, что радионуклиды. выпавшие на поверхность при Чернобыльской аварии, со временем перемещаются в гпубь почвы. Исследования по изучению ми-фации цезия - 137 по профилю почвы показывают. что на нераспаханных землях в слое 0-10 см содержание радионуклидов составляет 70-80%, ниже этого уровня его концентрации заметно снижается и по данным Романенко A.A. и Пешкова А.Н. /1/ в слое 15-20 см на лугах составляет 9%; по данным Белоуса Н.М. и Шаповалова В.Ф. /2/ на глубине 30 см достигает 5%. По нашим данным /3/ на нераспаханной поверхности сада п. Колодезский Новозыбковского р-на на глубине 70 см - 14%, а на пашне - 3,3%.
В опытах по вымыву цезия - 137 из 17,5 см слоя разнородного (3-х слойного) грунта при регулярных поливах дождеванием обнаружили, что после 17 циклов полива из верхнего почвенного слоя толщиной 6 см удельной радиоактивностью 4168 Бк/кг вымывалось 1370 Бк/кг радионуклида цезия, в следующем слое цеолита, толщиной 2,5м, начальной удельной активностью 120 Бк/кг сорбировалось 358 Бк/кг радионуклида цезия и в нижнем слое карьерного песка, толщиной 9 см с удельной активностью 30.9 Бк/кг сор-
Transportation peculiarities of moisture and radio nuclides in the soil thick layer, divided by relative water support on separate layers with different water permeability, is given here. It is offered not to divide radio nuclides leaching on horizontal and vertical components in soil watering calculation, because necessary complex parameters for this calculation. determined by experimental dates, characterize total influence of horizontal and vertical moisture stream.
Key words: cesium leaching, watering, radio nuclides, water support, moisture stream, hillsides.
бировалось 7 Бк/кг. Высокий прирост удельной активности в слое цеолита объясняется его повышенной адсорбционной способностью и снижением скорости фильтрации потока. В песке и скорость фильтрации выше, и адсорбционная способность ниже, в результате задержалось всего лишь 7 Бк/кг цезия, хотя слой грунта намного больше - 9 см.
В опыте с тем же самым радиоактивным грунтом и песком, но без цеолита, получились следующие результаты. После 16 поливных циклов из верхнего радиоактивного почвенного слоя, толщиной 6 см вымылось 1288 Бк/кг цезия. В следующем, подстилающем слое песка, толщиной 2,5см накопилось 76 Бк/кг цезия. В нижнем слое песка, толщиной 9 см, удельная активность увеличилась на 28,4 Бк/кг. Таким образом, слой песка, подстилающий радиоактивный грунт, насыщается вымытыми из него радионуклидами в большей степени чем нижележащие слои.
Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что на склонах вымыв цезия идет интенсивнее, чем на малоуклонных приво-дораздельных участках. Отбор проб по линии тока воды на склоне из 10 см слоя (п. Колодезский) дал следующие результаты: у подножья склона, на пойме удельная радиоактивность
Вестник БГСХА № I (2012)
Ветеринарии и зоотехния
составила 6692 Бк/кг, в нижней трети склона -1100 Ьк/кг, в следующей трети склона — 2060 Бк/кг. На распаханном водоразделе 2934 Бк/кг. На пойме оказалась самая высокая радиоактивность. что объясняется отложением, сорбцией принесенных со склона радионуклидов. На водоразделе, где радионуклиды хотя и перераспределились равномерно в 20 см слое, зафиксирована высокая радиоактивность, поскольку внутрипоч-венный сток здесь почти отсутствует. Почвенный слой, в котором сосредоточено основное количество корней растений, в том числе и перегнивших, где множество ходов дождевых червей, землероев. более разрыхлен, чем ниже лежащие грунты. Эти более плотные фунты могут быть относительным водоупором. часто повторяющим профиль дневной поверхности водосборов.
Одним из препятствий инфильтрации воды может служить иллювиальный горизонт. Ниже его еще более медленное стегание фунтовых вод формируется на границе выветривания. Накапливающиеся на этих относительных водоупорах дождевые и поливные воды стекают в горизонтальном направлении и в уменьшенном количестве сквозь водоупорные слои.
Определение глубины залегания водоупора по литологическому разрезу почво-грунтов сопряжено со значительными трудностями, особенно в случаях, когда водоупорный и водоносный пласты сложены одной и той же породой, различающейся по водопроницаемости отдельных слоев. Изыскание других, более объективных способов установления глубины до водоупора, предприняты В.В. Романовым [4], И.Б. Вольфцупом [5], В.Ф. Василенковым [6].
Ими разработаны расчетные методы, в основу которых положены данные наблюдений за уровнями фунтовых вод в смотровых скважинах.
Концентрация цезия А2, вымытого из выделенной колонны почвы вертикальным потоком инфильтрующейся воды за время Д1, восстанавливается приносимыми со стороны с горизонтальным внутрипочвенным стоком радионуклидами и снова расходуется с уходящим из колонны горизонтальным потоком влаги. В вертикальной колонне может происходить и накопление приносимых со стороны радионуклидов цезия, когда, например, выпуклый профиль склона меняется на вогнутый и в других случаях. Поскольку потерянная концентрация цезия в почве в результате инфильтрации промывных вод меняется во времени и по длине склона, то даже при постоянной интенсивности горизонтального потока радионуклида цезия, на пополнение концентрация цезия в почве будет расходоваться не одинаковая во времени и по длине склона часть горизонтального потока радионуклидов.
Аналогичная особенность процесса отражена при моделировании стекания грунтовых вод с водосбора в работе [6], в уравнении.
= -иг, (1)
а/.
где первое слагаемое в правой части уравнения характеризует стекание воды по водоупору в горизонтальном направлении, второе слагаемое -подъем уровня фунтовых вод за счет вакуума (торможение процесса), третье - поступление инфильтрующихся в почву дождевых и поливных вод.
Ог уравнения (I) можно перейти к уравнению (2): = {2 2)2_ш (2)
В середине XIX века Ферхюльст учел взаимодействие особей в растущей популяции, связав удельную скорость роста ,и с усиливающимся по мере роста популяции процессом гибели части особей.
ах 1
ц =---= т-гх
ск х
или
ах ,
— = тх - гх
т.е. удельная скорость роста рассматривается как функция убывающей численности популяции «X».
Ферхюльст пе конкретизировал природу или механизм тормозящего взаимовлияния особей, угнетающее действие которого пропорционально квадрату числа имеющихся в наличии особей популяции (в уравнении (1) аналогом является (.1222). Уравнение Ферхюльста, близкое ему по форме эмпирическое уравнение логистической кривой Пирл
я и уравнения других исследователей, в том числе, процессов в неживой природе были с успехом использованы при хорошем совпадении экспериментальных и расчетных данных. Это является определенным свидетельством фундаментальности гипотезы Ферхюльста, что отмечалось исследователями.
В работе [7] приведено дифференциальное уравнение переноса радионуклидов по территории. обусловленное стеканием внутрипочвенных вод по водоупору и вертикальным потоком влаги:
си
Нсстник БГСХА № I (2012)
Ветеринария и зоотехния
где |i, =
L • £ ■ <рКс мБк/м3
- кпнстанга интен-
сивности снижения концентрации радионуклидов в почве вдоль склона;
Z - величина снижения концентрации радионуклидов под действием склонового фильтрационного потока воды, Бк /м
- равновесная концентрация вымытых потоком воды радионуклидов, Бк/м';
НВв - наивысшая концентрация радионуклидов на водосборе, Бк /м
Э - коэффициент интенсивности выноса или привноса радионуклидов с вертикальным потоком влаги.
Уравнение (3) похоже по написанию на уравнение (2), но интерпретация буквенных обозначений другая.
Целесообразно предположить, что для учета выноса радионуклидов с инфильтрующимся вертикальным потоком влаги и со склоновым внут-рипочвенным потоком уравнение (3) необходимо несколько изменить:
dz _ //,//%„
M Z.
(Z„ - Z)Z ± DZ
(4)
где О - коэффициент интенсивности выноса -привноси радионуклидов с внутрипочвенным склоновым фильтрующимся потоком влаги, 1/м; Решение уравнения (4) имеет вид:
Z -
(5)
Z.,
где 2СТ =—--^--стационарная вели-
ЩН вв
чина снятой концентрации радионуклидов при непрерывном поступлении фильтрата по вертикали и горизонтали, Бк/м\
Если нанести экспериментальные данные на график в координатах
Ъ -Ъ
ф = —-L и 2С, то на оси ординат будет
отсекаться отрезок.
фм=1- е
а на оси абсцисс Zcт.
По значению <рм находим
„ ив ±п_
Ц|Н вв±и -
M
Полученные значения используются в расчетах по уравнению (5). Величина Z0 - это начальное значение снятой концентрации, при котором произойдет спрямление экспериментальных данных на графике ф = t{Zc). Методика определения параметров уравнения описана в работах [3] и [6].
Чтобы выявить роль промывных поливов в производственных условиях на склоновых землях, где существует и внутрипочвенный сток в горизонтальном направлении, необходимо проводить во время предпроектных изысканий опытные промывки в полевых условиях с разными поливными нормами, результаты которых использовать при проектировании. Поскольку процессы вымыва в верти кал ьном и горизонтальном направлении идут одновременно, нет необходимости их расчленять в расчетах. Экспериментальные данные полевых промывок позволят определять комплексные параметры p|HBBB±D; Z^, характеризующие совместное воздействие промывок в вертикальном и горизонтальном направлении.
Заключение. Сотни экспериментальных кривых снижения концентрации радионуклидов по линиям тока воды на склонах, обусловленного вертикальным и горизонтальным стеканием дождевых и талых вод в почвенном слое, показали хорошее совпадение с теоретическими кривыми, что позволяет рекомендовать полученные математические модели для использования в расчетах при проектировании оросительных систем и назначении эксплуатационных промывных норм.
Литература. 1. Романенко A.A. Пешков А.И. К вопросу об использовании глин на лугах в качестве сорбента цезия - 137 // Сб. Наука и образование возрождению сельского хозяйства России в XXI веке - Брянск - 2000 -С. 173-125.
2. Белоус Н.М., Шаповалов В.Ф. Продуктивность пашнн и реабилитация песчаных почв -Брянск: БГСХА - 2006 - 432с.
3. Василенков C.B. Водохозяйственные реабилитационные мероприятия на радиоактивно загрязненных территориях. - М.: изд. МГУП, 2009 - 289с.
4. Романов В.В. Некоторые приемы анализа режима грунтовых вод // Труды ГГИ-Л.: 1969. -вып. 165,-с. 18-22.
5. Вольфцун И.Б. Расчеты элементов баланса фунтовых вод. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 272с.
6. Василенков В.Ф. Моделирование процессов стекания фунтовых вод с водосбора и методы расчетов сельскохозяйственного дренажа. Брянск: изд. Брянской ГСХА - 250с.
7. Василенков В.Ф., Василенков C.B. Вымыв цезия из почвы промывными поливами на склонах. Сб. «Проблемы энергообеспечения, информатизации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК» - Брянск - 2011 - Изд. Брянской. 2009-289 с.
