CC BY
30
---------------------------------- © П.В. Амосов, А.В. Наумов,
Н.В. Новожилова, 2007
УДК 556.3.07 + 621.039.75
П.В. Амосов, А.В. Наумов, Н.В. Новожилова
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ РАЗМЕЩЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ОПАСНОГО ОБЪЕКТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЖ зучение геологических аспектов проблемы подземной изоляции долгоживущих радиоактивных отходов должно осуществляться с позиций радиогеоэкологии. В частности, при обосновании выбора участка под строительство радиационноопасного объекта выполняется анализ целого ряда вопросов. В этом ряду находятся исследования, направленные на изучение гидрогеологического режима, интенсивности водообмена, полей скорости фильтрации подземных вод, лежащие в основе прогнозных оценок загрязнения радионуклидами источников водопользования и степени экологической безопасности проектов подземных объектов хранения радиационно-опасных материалов. В качестве одной из потенциальных площадок в северо-западном регионе России рассматривается площадка Сайда губа [1], характеризующаяся слабопроницаемыми кристаллическими породами.
Получить представление о структуре течения подземных вод с учетом особенностей гидрогеологических характеристик, а также выполнить оценку пространственного распространения растворенных загрязнителей на длительные времена в ближнем и дальнем поле объекта можно с помощью применения специализированных программных комплексов. На основе комплексного использования современной информационной, инструментальной и методической базы авторами разработана гидрогеологическая модель площадки Сайда губа, рассчитаны скоростные поля потока подземных вод для численных экспериментов по переносу пассивного стабильного трассера из вмещающего массива к источникам возможного водопользования.
С целью консервативного прогноза загрязнения нами используется фактор разбавления FD, который определяется следующим
образом: отношение концентрации в точках контроля (C) к условной постоянной концентрации на границе нарушенной зоны и дальнего поля (C0) объекта, т.е. FD = C / С0 [2]. Поскольку значение C0 выбирается произвольно, то фактор разбавления FD есть относительная функция пространственных и временной переменных, т.е. FD (x, у, 1, t) . Этот параметр служит консервативным показателем загрязнения геологической среды. С учетом получаемого выхода активности в ближнее поле радиационно-опасного объекта и соответствующего максимального значения концентрации на границе раздела ближнего и дальнего поля, определяются необходимые критерии оценки экологической безопасности объекта, в т.ч. пространственно-временное распределение загрязнения.
Используемые программные продукты
Комплексный характер радиогеоэкологического рассмотрения проблемы безопасности площадки Сайда губа требует применения компьютерных программ, использующих численные методы. В качестве основного рабочего «инструмента» авторами был использован код AQUA3D [3]. Указанный компьютерный код предназначен для решения нестационарного уравнения фильтрации в гетерогенном неизотропном водоносном горизонте:
^ дЪ^
К~
д ( дЪ 1 дЪ
+ ^\кгг—\ = Ss — - Q
д1 { 11 д1) * дt
где кх, ку , кгг - диагональные компоненты тензора гидравлической проводимости; х, у, 1 - пространственные координаты; t -время; Ъ - пьезометрический напор; Q - объемный расход на единицу объема водоносного горизонта источника или стока; Ss - коэффициент упругоемкости.
В компьютерном коде AQUA3D главные оси тензора гидравлической проводимости располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом имеется возможность разбиения моделируемой области на необходимое количество слоев по высоте; для каждого слоя решается свое уравнение, аналогичное уравнению фильтрации в гетерогенном неизотропном водоносном горизонте.
Кроме того, для самого верхнего слоя вводятся коэффициенты инфильтрации и водоотдачи.
В задаче трехмерного переноса примеси с подземными водами в компьютерном коде AQUA3D предусмотрено решение стандартного уравнения переноса (главные оси направлены вдоль направления потока) с учетом адвекции, диффузии, распада, источника и нестационарной составляющей
где компоненты вектора скорости Vx, Vy, Vz получаются в результате решения уравнения фильтрации; Dxx, Dyy, Dzz - диагональные компоненты тензора гидродинамической дисперсии Dj}-. В свою очередь компоненты тензора гидродинамической дисперсии вычисляются следующим образом:
\Dxx = aL • К + Dm > Ат = ат ' К + Аи > А~ = «Г ' К + А, ь Dm - коэффициент молекулярной диффузии; aL и аг - продольная и поперечная дисперсности, соответственно; C - концентрация растворенного вещества; cw - концентрация растворенного вещества в инжектированной воде; Qw - расход откачки/инжекции; R -
коэффициент задержки; X - постоянная распада радионуклида.
В обеих задачах для граничных условий возможно задание стандартных типов условий - Дирихле, Неймана, Коши.
Для создания цифровых гидрогеологических моделей нами были применены известные программы DIDGER и SURFER.. С их помощью создаются так называемые базовые карты, позволяющие производить привязку высотных отметок гидрогеологических блоков (слоев), обнажений скальных пород, геологических нарушений, рек и озер, местоположения скважин и т.п.
Подготовка модели исследуемой области выполняется поэтапно. Первоначально задается граница моделируемой области, про-
ходящая по границам водоразделов, руслам рек и по берегу моря. Затем область заполняется расчетными узлами, на основе которых с помощью заложенного в программе алгоритма генерирования строится сетка треугольных элементов. По мере наполнения модели сетка обновляется с целью учета топографии площадки, местоположения водоемов, геологических нарушений и т.п. Далее выполняется заполнение определенных областей модели соответствующими значениями гидрогеологических параметров, необходимых для численных расчетов фильтрации и переноса.
Гидрогеологическая модель площадки Сайда губа
На основе имеющейся гидрогеологической информации относительно площадки Сайда губа, сложенной преимущественно массивом скальных пород типа гранитов, перекрытых неглубоким слоем осадочных пород [1], авторами предложена следующая гидрогеологическая модель. Границами моделируемой области выбраны морское побережье на севере, русло реки Сайда на юге и востоке и водораздел реки Сайда на северо-западе. Вдоль русла реки и вдоль явно выраженного водораздела выбраны и затем оцифрованы границы модели. Оцифрованы также границы озера, нанесенные на карты линии высотных отметок, а также границы геологических элементов. Погрешность калибровки при оцифровке карт составила от 10 до 20 м.
Далее была подготовлена базовая концептуальная модель так называемого дальнего поля площадки. В целях более точного описания различных гидрогеологических блоков зона моделирования по вертикали разбивается на 4 слоя. Предполагается, что объект размещается под слоем плотных пород толщиной 50 м в слое, который по своим гидрогеологическим параметрам идентичен вышележащему. Геологическая среда дальнего поля представлена четвертичными осадочными породами по долине реки Сайда, трещиноватыми выветрелыми скальными породами, перекрывающими более плотные скальные породы по всей площадке. В результате модель представляет собой массив плотных скальных пород и покрывающие его пласты.
Таблица 1
Гидродинамические параметры модели губа Сайда
Параметры модели по слоям 1 слой 2 слой 3 слой 4 слой
Толщина слоя, м 5 45 50 15
Коэффициент фильтрации,
м/с:
четвертичные породы 10-5
плотные породы 10-7 10-7 10-8 10-9
разломы 10-6 10-6 10-7 10-8
Пористость, -:
четвертичные породы 0,05
плотные породы 0,01 0,01 0,005 0,005
разломы 0,025 0,025 0,01 0,01
При численном решении аналога уравнения фильтрации в гетерогенном неизотропном водоносном горизонте в каждом слое модели использованы следующие граничные условия:
1-й слой модели: условие Дирихле (т.е. постоянные пьезометрические напоры) для рек, озера и побережья и условие Неймана (нулевой поток) для естественного водораздела;
2-й слой: условие Дирихле для побережья и условие Неймана на всех остальных боковых границах;
3-й слой модели: условие Неймана на всех боковых границах;
4-й слой модели: условие Неймана на всех боковых и нижней границах.
Таким образом, граничные условия обеспечивают консервативное предположение о преимущественно горизонтальном перемещении загрязненного фильтрационного потока к пунктам водозабора.
Исходные данные для наполнения гидрогеологических моделей их численными характеристиками (толщина слоев модели, коэффициенты фильтрации, данные по инфильтрации, коэффициенты упругоемкости и др.) выбраны с учетом работ [1, 2]. Предполагается, что питание водоносного комплекса кристаллических пород осуществляется, в основном, за счет атмосферных осадков, при этом инфильтрация в грунтовые воды составляет примерно 10% от количества осадков, т.е. 60 мм/год. Коэффициент упругоемкости принимается, как и в
Рис. 1. Распределение гидродинамических напоров и поле скорости в 4-м слое модели площадки Сайда губа
работе [2], одинаковым по всей толщине модели - 10-5 м-1. В качестве примера в табл. 1 представлены значения некоторых гидрогеологических параметров модели.
Можно отметить некоторую неполноту набора данных для построения точной гидрогеологической модели площадки для ее валидации на данном этапе моделирования. Имеющиеся оценки расположения водоносного комплекса в кристаллических породах и положения уровня грунтовых вод в пределах площадки (5-10 м от поверхности), а также данные по химическому составу подземных вод менее достоверны, чем экспериментальная информация. По данным бурения 4 скважин до глубины 100 м, коэффициенты фильтрации кристаллических пород вне зон разломов характеризуются значениями от ~ 10-9 м/с до 10-7 м/с. В зонах разломов предполагается увеличение коэффициента фильтрации от 10-6 м/с на поверхности до 10-8 м/с на глубине. Область четвертичных отложений, согласно геологической карте, приписана к долине реки Сайда.
Скоростные поля течения подземных вод
С переменным временным шагом выполнены тестовые расчеты течения подземных вод до достижения условия стационарности скоростного поля. Для анализа результатов были изучены карты изолиний гидравлических напоров, а также скоростные поля по всем слоям модели. В целом можно отметить, что общее направление потока подземных вод совпадает с общим уклоном поверхности к морю в северо-восточном направлении. Максимальные значения скорости Дарси в 1-м слое модели отмечены в области четвертичных отложений вдоль долины реки Сайда, а также по зонам разломов кристаллических пород.
Результаты расчетов гидродинамических напоров и скоростного поля в 4-м (нижнем) слое модели площадки представлены на рис. 1. Анализ скоростного поля данного слоя модели подсказывает наилучшее расположение подземного объекта радиационноопасных материалов на площадке для принятых предположений. Область минимальных значений скорости подземных вод, представляющая собой форму веера, располагается на границе водораздела (отмечена на рис.1 прямоугольником, как возможное место размещения объекта).
Перенос стабильного трассера во вмещающем массиве
Выполненные исследования стали базой для изучения переноса во вмещающем массиве стабильной пассивной примеси. Отметим, что для долгоживущих радионуклидов модель трассера, стабильного в отношении радиоактивного распада и пассивного в отношении адсорбции, является консервативной и весьма полезной. Выбрано условие фиксированного уровня концентрации (в расчетах - единичной) трассера по границе области подземного объекта хранения/захоронения радиационно-опасных материалов. Опыт предыдущих исследований в рамках данной методологии по проблеме безопасного захоронения РАО [2] позволил выбрать уровни изолиний загрязнения, которые для пути облучения через потребление загрязненной питьевой воды описывают как границу безопасной области (FD = 10 7), так и потенциально опасной - с
FD = 10-5.
Рис. 2. Пространственное распределение относительной концентрации и поля скорости в 1-м слое модели Сайда губа (время 1,5 млн. суток). Прямоугольником отмечено положение объекта в 4-м слое (граничные уровни изолиний: 1.010-7; 4.110Т6; 8.110Г6; 1.210-5; 1.610т5)
Результаты расчетов, выполненные по программе AQUA3D для модели площадки Сайда губа, представлены рис. 2 и показывают пространственное распределение относительной концентрации стабильного пассивного трассера в 1-м слое модели на расчетное время моделирования 1,5 млн. суток.
Однако, представленные на рис. 2 пространственные распределения относительной концентрации загрязнения еще не позволяют конкретизировать преимущественное направление движения загрязнения. Поэтому дополнительно для 1-го слоя модели построены изолинии уровня загрязнения, выбранные на основе минимальных и максимальных значений загрязнения в этом слое. Картина загрязнения имеет интересный характер. Особенно заметно это проявляется на малых расстояниях от объекта. В частности,
было видно, что основная масса загрязнения в 1-м слое модели направляется к Сайда губе в северо-северо-восточном направлении. Причем пятно с максимальным уровнем концентрации смещено в указанном направлении по отношению к положению подземного объекта на незначительное расстояние (примерно 50 м от проекции центра хранилища до центра пятна). Объяснение данного факта было найдено из детального анализа скоростного поля площадки.
По причине невысоких гидравлических градиентов для этой площадки значения компонентов вектора скорости в уравнении подземного массопереноса весьма малы. Например, в 1-м слое над областью хранилища расчетные модули векторов скорости имеют порядок 10"10-10"9 м/с. Скорости подземных вод в направлении на северо-северо-запад от объекта, а также вдоль проекции восточного разлома с юга на север составляют величины порядка 10-8 м/с. И лишь вдоль южных границ моделируемой области (впадение в реку Сайда) модули скоростей выходят на относительно высокий уровень 10-7 м/с. Подобный анализ скоростного поля в 4-м слое модели, где коэффициенты гидравлической проводимости очень низкие, также подтверждает наличие низких скоростных потоков: в области хранилища модули скорости имеют порядок 10-11-10-10 м/с, тогда как в области разломов - 10-9 м/с. Таким образом, для данной модели площадки весьма важным механизмом переноса трассера, по-видимому, является диффузия.
Динамика фактора разбавления
Для исследования параметра фактора разбавления для площадки Сайда губа в созданных гидрогеологических моделях в 1м слое были выбраны точки контроля. Эти точки контроля, которые расположены на различных расстояниях и направлениях от подземного объекта, можно рассматривать как потенциальные места расположения скважин водозабора. При этом предполагается, что откачка не будет приводить к существенному изменению поля течения подземных вод.
На рис. 3 изображены положения точек контроля для площадки Сайда губа. Выбор размещения точек контроля следует из анализа скоростного поля и пространственного распределения загрязнения, полученного в предварительных расчетах.
320
1466
23 ^ ж ооу
® - точка контроля
441
Рис. 3. Схема расположения точек контроля в 1-м слое и объекта в 4-м слое модели на площадке Сайда губа (цифрами указаны номера узлов модели)
Особое внимание было уделено северо-восточному направлению, а также долине реки Сайда.
Факторы разбавления подразумевают условие равновесия, когда уровень загрязнения в точках наблюдения выходит на некоторый стационарный уровень. Именно поэтому первоначально были выполнены расчеты с продолжительностью процессов миграции до 6000 лет. Анализ результатов показал, что даже для самой удаленной точки контроля выход на стационарный режим происходит за период времени до 700 лет. Для более близких к подземному объекту точек контроля время выхода на постоянное значение еще меньше - порядка 300 лет.
Анализ числовых значений факторов разбавления для площадки Сайда губа показывает, что они могут быть сгруппированы следующим образом. Первую группу с уровнем разбавления порядка (1^2)'10-3 составляют факторы разбавления в точках контроля севе-ро-северо-восточного направления с номерами (320, 1466, 423, 1020). Поскольку именно в этом направлении имеет место движе-
ние основной массы загрязнения, то представляется неоптимальным рекомендовать обустройство водозаборных скважин в указанном направлении. Зато этот район весьма перспективен для проведения мониторинга загрязнения подземных вод.
Вторую группу с уровнем разбавления порядка (5^9)10-5 формируют факторы разбавления в точках контроля юго-западного направления с номерами (1445, 1033). Указанный факт можно объяснять как доминирующей ролью диффузионного механизма переноса, так и близостью расположения точек контроля к подземному объекту.
Третью группу с уровнем разбавления порядка 10"7-10"5 образуют факторы разбавления в точках контроля южного и юговосточного направлений с номерами (447, 1132 и 1477, 210 соответственно). И, наконец, в четвертую группу с разбавлением ниже 10-7 можно отнести факторы разбавления в точках контроля восточного направления с номерами (657, 669). По-видимому, столь низкие значения фактора разбавления для этих точек контроля можно объяснить, как их удаленностью, так и наличием геологического разлома, который обуславливает определенный конвективный перенос загрязнения в южном и северном направлении (см. например, поле скоростей в 4-м слое модели на рис. 1).
Заключение
На основе созданной цифровой гидрогеологической модели площадки Сайда губа:
выполнены расчеты скоростного поля течения подземных вод и определено потенциальное месторасположение объекта радиационно-опасных материалов;
проведены расчеты по переносу пассивного стабильного трассера в дальнем поле объекта;
выполнен анализ результатов расчетов пространственновременного распределения трассера, являющегося консервативным количественным показателем загрязнения геологической среды.
С учетом определяемого в задаче высвобождения активности в ближнем поле радиационно-опасного объекта максимального значения концентрации (на границе раздела ближнего и дальнего поля) полученные консервативные количественные показатели загрязнения геологической среды позволяют выполнить оценку экологической безопасности объекта.
1. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Катков Ю.Р. Отработавшее ядерное топливо судовых энергетических установок на европейском Севере России. - Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН. - 2003. - ч.2. - 209 с.
2. Предварительная оценка безопасности: Отчет по задаче 6 проекта ТАСИС R4.10/95 "Повышение безопасности обращения с радиоактивными отходами в северо-западном регионе России. Размещение радиоактивных отходов. - Этап 2". // Горный институт КНЦ РАН (Россия); SCK-CEN (Бельгия); //Под редакцией Н.Н.Мельникова, В.П.Конухина, M.Detilleux, G.Volckaert. - Апатиты-Брюссель, 2000. - 238 с.
3. AQUA3D. Groundwater flow- and contaminant transport model (version 3.4). / Vatnaskil Consulting Engineers, 1998. - 86 p.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Амосов П.В. - ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, Наумов А.В. - ст. научный сотрудник,
Новожилова Н.В. - магистр,
Г орный институт Кольского научного центра РАН.
