CC BY
18
ОЦЕНКА ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ РАДИОАКТИВНЫМИ ПРОДУКТАМИ ДЕЛЕНИЯ УРАНА
А. С. Белицкий
Таблица 1
Приближенные средние значения коэффициентов фильтрации рыхлых горных пород1
По сравнению с водами открытых водоемов подземные воды значительно труднее загрязнить радиоактивными веществами. Защищенность подземных источников водоснабжения от очагов радиоактивного загрязнения определяется условиями залегания и питания подземных вод, местом заражения (поверхность или глубокие слои земли), а также временем движения воды от очага загрязнения до точки водозабора и способностью горных пород сорбировать радиоактивные вещества.
Ниже будут рассмотрены два случая загрязнения: а) при загрязнении подземных вод только с поверхности земли и б) при непосредственном введении радиоактивных веществ в водоносные горизонты.
Радиоактивные вещества, загрязняющие поверхность земли при взрывах атомных и термоядерных бомб в атмосфере, прежде чем попасть в грунтовые воды, должны пройти через почву и породы, находящиеся выше ¡уровня этих вод. Передвижение здесь указанных веществ в основном происходит вследствие растворения их выпадающими атмосферными осадками, которые инфильтрируются в почвы и горные породы.
Скорость вертикального движения инфильтрирующихся атмосферных осадков зависит от водопроницаемости пород, слагающих зону аэрации. Для грубых расчетов можно принять, что указанная скорость (и) численно равна коэффициенту фильтрации пород (&), разделенному на
£
их активную пористость (р.) (и= —). Это дает возможность приближенно определить время, в течение которого загрязненные на поверхности земли атмосферные осадки дойдут до грунтовых вод. В табл. 1 приведены средние значения коэффициентов фильтрации (&) и активной пористости (ц.) различных рыхлых пород.
Величина коэффициентов фильтрации почв обычно занимает среднее положение между песками и глинами.
Из приведенных данных видно, что наибольшую опасность радиоактивное загрязнение поверхности земли представляет для грунтовых вод, в кровле которых залегают крупнообломочные породы. Но еще большее влияние это загрязнение может оказать на грунтовые воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам, когда последние не
Наименование пород Коэффициент фильт рации (в м/сут) Активная пористость
Гравий...... 200—100
Гравий с песком 150—75
Песок крупнозернистый граэелистый 100—50 0,35—0,25
Песок крупнозернистый ...... 75—25
Песок среднезернис-тый...... 25—10 0,25—0,20
Песок мелкозернистый ...... Песок мелкозернистый глинистый 10—5 5—1 1 0,20—0,15
Супесь...... 1—0,1 0,15—0,10
Суглинок..... 0,1—0,001
Глина ...... 0,001—0,00001
О. Б.
По данным Н. Н. Биндемана (1943) Скирчелло (С. В. Троянский и др., 1956).
покрыты рыхлыми отложениями. Коэффициенты фильтрации трещиноватых скальных пород могут быть значительно выше 200 м/сут.
Большое значение имеет глубина залегания уровня грунтовых вод. Чем больше эта глубина, тем больше времени потребуется для проникновения загрязненных атмосферных осадков до грунтовых вод.
Однако защищенность грунтовых вод от радиоактивных загрязнений, находящихся на поверхности земли, определяется не только водопроницаемостью и мощностью пород, залегающих в зоне аэрации, но также и способностью этих пород сорбировать радиоактивные вещества.
Ниже будет рассмотрена возможность загрязнения грунтовых вод радиоактивными: стронцием-90, рутением-106 и цезием-137, так как остальные осколочные радиоактивные вещества, получающиеся при взрывах атомных и термоядерных бомб, в преобладающем большинстве случаев имеют небольшой период полураспада (табл. 2) или очень хорошо сорбируются горными породами. Например, по имеющимся данным, можно предполагать, что радиоактивные цирконий-95, ниобий-95 и редкоземельные элементы при ожидаемых уровнях загрязнения будут полностью задерживаться даже сравнительно небольшим слоем почвы, мощностью несколько десятков сантиметров.
Цезий-137 тоже хорошо сорбируется и прочно удерживается почвами и породами, однако слабее, чем цирконий, ниобий и редкие земли. По данным В. М. Клечковского, сорбция цезия-137 более интенсивно происходит из вод, характеризующихся меньшей минерализацией, при этом щелочные почвы сорбируют его больше, чем кислые.
Стронций 90 сорбируется почвами и горными породами примерно так же, как цезий-137, более интенсивно щелочными почвами из вод слабой минерализации. Но стронций имеет способность хорошо десорбироваться при уменьшении активной реакции и изменении минерализации воды, особенно когда увеличивается содержание в ней кальция. Поэтому можно опасаться, что стронций при небольшой мощности зоны аэрации может загрязнять грунтовые воды.
Из перечисленных осколочных радиоактивных элементов рутений-106 может в относительно большом количестве достигать грунтовых вод, так как он весьма слабо сорбируется почвами и горными породами.
Необходимо отметить, что радиоактивные вещества лучше сорбируются мелкодисперсными породами — глинами, особенно монтморилло-нитовыми. Пески обладают значительно меньшей сорбционной способностью, а сорбционная способность грубообломочных и трещиноватых скальных пород еще ниже.
Таким образом, из приведенных данных видно, что проникновение радиоактивных веществ с поверхности земли в грунтовые воды сильно затруднено. При достаточной мощности покрывающих пород и при наличии в составе их глин и суглинков радиоактивные загрязнения могут практически не дойти до грунтовых вод.
В санитарном отношении наиболее надежным являются артезианские воды. Артезианские водоносные горизонты не имеют непосредственного питания атмосферными осадками, выпадающими на поверхность
Таблица 2
Радиоактивные продукты деления урана и их периоды полураспада
Наименование элемента (изотопа) Обозначение элемента (изотопа) Период полураспада (Т)
Стронций-89 Бг89 54 дня
Стронций-90 Бг90 25 лет
Иттрий-90 У90 2,54 дня
Цирконий-95 65 дней
Ниобий-95 ЫЬ» 3,7 дня
Рутений-106 Яи«* 290 дней
Цезий-137 Се1" 33 года
Церий-144 Се1« 282 дня
Празеодиум-144 ргш 7,5 мину-
ты
земли, а питаются за счет вод из отдаленных областей или из вышележащих водоносных слоев. Однако при содержании в атмосферном воздухе активных аэрозолей артезианские скважины, оборудованные воздушными водоподъемниками (эрлифт), могут давать недоброкачественную воду вследствие загрязнения скважины, а также воздушных и водоводных сетей насосной станции. Для восстановления качества подаваемой воды следует полностью заменить в компрессорах и рессиверах компрессорное масло, а также промыть слабокислым раствором все коммуникации насосной станции.
Водозаборные скважины следует оборудовать глубинными центробежными насосами, применение которых исключает попадание в скважину поверхностных загрязнений.
Непосредственное загрязнение подземных вод может происходить также при взрывах атомных и термоядерных бомб на поверхности или ниже поверхности земли, а также в результате введения радиоактивных растворов в заброшенные горные выработки или скважины. Такой характер загрязнения является опасным не только для грунтовых, но и для артезианских источников водоснабжения.
При непосредственном загрязнении подземных вод радиоактивные вещества, содержащиеся в них, движутся в общем потоке водоносного горизонта. Наиболее опасными в этом отношении, так же как и при загрязнении поверхности земли, являются радиоактивные спронций-90, ру-тений-106, а также, возможно, цезий-137 и продукты наведенной активности, имеющие большой период полураспада (углерод-14, натрий-22, хлор-36, кальций-41, железо-55 и др.).
Лабораторные и полевые наблюдения показывают, что рутений-106 может распространяться в потоке подземных вод на значительные расстояния. При проведении полевого опыта он был обнаружен в подземных водах, движущихся в трещиноватых скальных породах, на расстоянии 2 км от экспериментального участка загрязнения.
Стронций-90 и цезий-137 в значительном количестве сорбируются вблизи очага загрязнения. Однако данные полевого опыта, проведенного нами совместно с А. Ф. Зайцевой и А. И. Рыжовым, показывают, что при введении через центральную скважину в грунтовый поток, приуроченный к среднезернистым аллювиальным пескам, всего 50 мС строн-ция-89, он был обнаружен в концентрации 1,2- Ю-8 С/л через 3 месяца в воде наблюдательной скважины, находящейся в 9 м, а через 71/г месяцев следы его установлены в воде наблюдательной скважины, находящейся в 24 м от центральной скважины вниз по потоку грунтовых вод. Последнее указывает на то, что радиоактивный стронций-90, имеющий значительно больший период полураспада, чем стронций-89, в относительно малых концентрациях может обнаруживаться в подземных водах на значительных расстояниях от очага загрязнения.
Для того чтобы оценить величину зоны влияния очага радиоактивного загрязнения на качество подземных вод, движущихся в потоке, необходимо знать время, в течение которого вода от очага загрязнения дойдет до выбранной точки или сечения потока, а также способность водовмещающих пород сорбировать тот или иной радиоактивный элемент.
Зная время движения воды, можно определить концентрацию радиоактивных веществ, обладающих небольшой способностью к сорбции, как, например, рутений-106, в воде потока, загрязненного в любой точке, и тем самым узнать величину зоны их влияния на качество подземных вод.
Существующие формулы динамики подземных вод путем их преобразования позволяют связать расстояние между двумя пунктами с временем, в течение которого подземная вода дойдет от одного пункта к другому. Например, для простого случая движения подземных вод в
плоском равномерном потоке указанное время может быть определено по формуле (1) 1
/>
где t—время, в течение которого вода движется от источника загрязнения до выбранного пункта (сечения потока) (в сутках); I - расстояние выбранного пункта (сечения) от источника загрязнения (в м); К — коэффициент фильтрации водоносных пород (в м/сут); ¡i. — активная пористость водоносных пород; h\ — уровень подземной воды в очаге радиоактивного загрязнения (в абсолютных или относительных отметках в м); h2 — уровень подземной воды в выбранном пункте (сечении) (в абсолютных или относительных отметках в м).
При времени движения воды t от очага загрязнения до выбранного пункта концентрация радиоактивного вещества в воде указанного пункта, без учета явлений сорбции, определяется по формуле (2)2
—0.693t Сх=Со-е т .
где Сх — концентрация радиоактивного вещества в воде выбранного сечения, находящегося на расстоянии х от очага загрязнения; Со — то же в загрязненной воде очага загрязнения (исходная концентрация); е — основание натуральных логарифмов; t — время движения воды от очага загрязнения (в годах); Т — период полураспада радиоактивного вещества (в годах).
При оценке степени влияния источника загрязнения, содержащего радиоактивный стронций-90 или цезий-137, кроме естественного распада, необходимо учитывать еще сорбцию их водоносными горными породами. В настоящее время процессы сорбции радиоактивных веществ горными породами изучены весьма слабо. Имеющиеся немногочисленные материалы по этому вопросу показывают, что способность горных пород поглощать стронций и цезий, находящиеся в воде в микроколичествах, зависит от многих факторов. Одними из главных факторов являются минералогический и механический состав пород и их сложение. Большое значение имеют показатели химического состава воды, например ее активная реакция и содержание в ней кальция и магния.
Как показали предварительные лабораторные экспериментальные исследования, проведенные Е. И. Орловой, в высокой фильтрационной колонке, заполненной среднезернистым аллювиальным песком, способность песков поглощать стронций-90 зависит от концентрации его в воде. По этим данным, пески сорбировали стронций-90 в 4—20 раз больше, чем его содержалось в контактирующей воде, при расчете на одинаковый объем песка и воды. В указанных лабораторных исследованиях использовали воду гидрокарбонатно-кальциевого типа с плотным остатком 150—200 мг/л, активной реакцией рН 7,8—8,2 и с содержанием кальция 30—60 мг/л и магния 8—16 мг/л. Аллювиальный среднезернистый кварцевый песок содержал 8,6% пылеватых и 0,3% глинистых частиц. Необходимо отметить, что приведенные данные предварительных лабораторных исследований для другого песка и при другом химическом составе воды будут иными.
По данным этих же лабораторных исследований, преобладающее количество радиоактивного стронция сорбировалось песками на участ-
1 Получена путем преобразования известного уравнения плоского равномерного
—Аа
потока подземной воды—ц = К—~—,где д—расход воды через единицу поперечного
сечения потока.
г Н. Г. Гусев (1956).
ке, который прилегает к начальному сечению колонки. Длина указанного участка зависит от объема пропущенной загрязненной воды. Однако некоторое количество стронция проникало и в нижнюю часть колонки.
Таким образом, при мощном источнике загрязнения можно ожидать, что, несмотря на процессы сорбции, радиоактивный стронций в относительно малых концентрациях может мигрировать сравнительно далеко от источников загрязнения.
Учитывая, что в настоящее время процессы сорбции радиоактивных веществ горными породами изучены весьма слабо, надежными критериями полного самоочищения воды от указанных веществ следует пока считать только время движения воды от источника загрязнения до выбранного пункта и период полураспада радиоэлемента.
Выводы
Проникновение радиоактивных веществ с поверхности земли в грунтовые воды сильно затруднено. При достаточной мощности покрывающих пород и при наличии в составе их глин и суглинков радиоактивные загрязнения могут практически не дойти до грунтовых вод.
При непосредственном загрязнении подземных вод радиоактивные вещества, содержащиеся в них, движутся в общем потоке водоносного горизонта. Зная время движения воды от очага радиоактивного загрязнения до выбранной точки или сечения потока, можно практически определить величину зоны влияния этого очага загрязнения. Подземные воды являются наиболее защищенными источниками водоснабжения от возможности заражения их радиоактивными веществами, если не имеется поглощающих и заброшенных скважин или горных выработок.
ЛИТЕРАТУРА
Белицкий А. С. Водоснабжение и сан. техника, 1955, № 3, 9—12. — Бинде-м а н Н. Н. Справочник по использованию подземных вод для полевого и временного водоснабжения, М.—Л. 1943. — Гусев Н. Г. Справочник по радиоактивным излучениям и защите. .М., 1956. — Троянский С. В., БелицкийА. С., ЧекинА. И. Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых, М., 1956. — Hovard L., Andrews Н. L. Science, 1955, v. 122, N. 3167, p. 453.
Поступила 25/XII 1957 г.
EVALUATION OF THE GROUND WATER SOURCES FROM TERRITORIES POLLUTED WITH RADIOACTIVE PRODUCTS FROM URANIUM FISSION
A. S. Belitskiy
The penetration of radioactive substances from the surface of the ground to the ground water sources does not take place as easily as it may be expected. When the protecting layers of the ground are thick and consist of clay and sandy Icam the radioactive substances may practically never reach the ground waters. In case of direct pollution of ground waters, ¿he radioactive substance contained therein travels in the direction of the general flow of water in the waterbearing strata. If we know the rate of the water flow from the source of the radioactive pollution to some selected point, it is practically possible to determine the extent of the pollution zone. The ground waters are the best protected water sources in respect to the pollution with radioactive substances, provided there are no abandoned drillholes and quarries.
•fe it 4c
