CC BY
195
№ 306
УДК 621.039.75
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Январь
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
А. А. Зубков, В. В. Данилов, А.Д. Истомин, М.Д. Носков
2008
ПРОГНОЗНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФИЛЬТРАТА ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В ПЛАСТАХ-КОЛЛЕКТОРАХ ПОЛИГОНА ГЛУБИННОГО ЗАХОРОНЕНИЯ СИБИРСКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
Работа поддержана грантом РФФИ № 06-01-00073-а, № 06-07-96907-р_офи и грантом президента РФ № МК-5625.2006.8.
Представлена цифровая модель геологического строения полигона глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината. Описаны структура и принципы функционирования компьютерной гидрогеологической модели эволюции пластов-коллекторов полигона глубинного захоронения. Приведены результаты эпигнозных и прогнозных геофильтрационных и геомиграционных расчетов изменения гидродинамического состояния эксплуатационных горизонтов и распространения фильтрата отходов в процессе эксплуатации полигона глубинного захоронения. На основе результатов моделирования показана экологическая безопасность последствий работы полигона.
На Сибирском химическом комбинате (СХК) для утилизации жидких радиоактивных отходов (ЖРО) применяется их захоронение в глубоко залегающие пласты осадочных пород. Одним из условий применения этого способа является возможность прогнозирования последствий глубинного захоронения ЖРО [1]. В силу сложности прямого наблюдения процессов, протекающих в геологической среде, для прогнозирования состояния пласта-коллектора ЖРО необходимо использование методов компьютерного моделирования. В этой связи были разработаны математические модели, описывающие геохимические процессы (ми-нералообразование, газовыделение) при взаимодействии ЖРО с вмещающими породами [2], поведение органических компонентов ЖРО при глубинном захоронении [3, 4], изменения температурных и радиационных полей при удалении ЖРО [5-7]. Однако эти модели [2-7] отображают процессы, протекающие только в прифильтровых зонах отдельных нагнетательных скважин. В них не учитывается реальное гео-
логическое строение пласта-коллектора, а также пре-небрегается взаимным влиянием скважин. Поэтому данные модели не могут быть использованы для прогнозирования поведения ЖРО в пределах всего полигона глубинного захоронения.
В данной статье представлены созданная цифровая модель геологической среды в районе полигона глубинного захоронения ЖРО СХК и прогноз расположения контура фильтрата отходов в пределах эксплуатационных горизонтов после окончания захоронения.
Комплекс сооружений полигона глубинного захоронения ЖРО СХК расположен на правобережье р. Томи в 10 км севернее г. Северска (рис. 1, а). Эксплуатируется полигон с 1963 г., когда в южной части полигона, на площадке 18а (рис. 1, б), началось захоронение отходов среднего уровня активности. Удаление отходов низкого уровня активности проводится в северной части полигона на площадке 18 (рис. 1, б) с 1967 г. Окончание эксплуатации полигона глубинного захоронения планируется на конец 2015 г.
Рис. 1. а - район расположения полигона глубинного захоронения ЖРО (сплошным прямоугольником показаны границы области моделирования, пунктирной линией - границы бассейна внутреннего стока); б - плановые границы модели и расположение нагнетательных скважин на площадке 18 и 18а (квадратами показаны нагнетательные скважины, кружками - контрольные)
В геологическом плане район полигона расположен в окраинной части Западно-Сибирской низменности на ее стыке с Колывань-Томской складчатой зоной [8]. В его разрезе выделяются два структурных этажа. Нижний этаж представлен сильнодислоцированными породами палеозойского возраста, а верхний - стратифицированными осадочными отложениями мезокайно-зойского возраста. Осадочная толща верхнего структурного этажа включает в себя песчаные водонасыщенные горизонты и разделяющие их горизонты слабопроницаемых глини-
стых пород. Максимальная мощность осадочных пород в пределах горного отвода недр СХК достигает 520 м, а непосредственно в районе полигона ее значение изменяется от 390 до 420 м (рис. 2).
Для захоронения отходов используются II и III горизонты, относящиеся к верхнемеловым осадочным формациям. Эти горизонты сложены мелкозернистыми песками различной степени глинистости, емкостные и фильтрационные характеристики которых позволяют использовать их как пласты-коллекторы для захоронения ЖРО.
- фильтрат ЖРО
Рис. 2. Геологический разрез района полигона глубинного захоронения ЖРО СХК
В гидрогеологическом плане район полигона глубинного захоронения ЖРО - часть ЗападноСибирского артезианского бассейна [9], и сам является типичным артезианским бассейном внутреннего стока с системой напорных водоносных горизонтов, литологически соответствующих песчаным пластам. В плане граница этого бассейна проходит на юго-западе и западе по левобережью р. Томь, на северо-западе - по границе водосбора р. Камышка, на северо-востоке - по водоразделу бассейнов рр. Томь и Бол. Юкса (левый приток р. Чулым), на юго-востоке - по границе водосбора р. Бол. Киргизка (рис. 1, а). Областями питания всех напорных водоносных горизонтов бассейна являются участки Томь-Чулымской водораздельной возвышенности. В водораздельных областях гидравлические напоры в верхних водоносных горизонтах характеризуются большими значениями, чем в нижних. В результате этого формируются области нисходящей фильтрации. Главной областью разгрузки всех водо-
носных горизонтов на территории данного района является р. Томь. По мере приближения к ней, происходит инверсия гидравлических напоров, в результате чего в области р. Томь наибольшими абсолютными отметками характеризуются напоры нижних водоносных горизонтов, поэтому здесь формируются участки восходящей межпластовой фильтрации.
Карты гидроизопьез эксплуатационных горизонтов до начала работы полигона, когда естественный режим фильтрации не был нарушен, представлены на рис. 3, а, б. В настоящее время, в результате работы нагнетательных скважин полигона, пьезометрические поверхности обоих пластов-коллекторов претерпевают значительные искривления, выражающиеся в возникновении куполов репрессии (рис. 3, в, г). Эти купола репрессии фиксируются на расстоянии 2-3 км от границы полигона, при дальнейшем удалении от границ они становятся невычленимыми из естественных колебаний пьезометрических поверхностей горизонтов.
Рис. 3. Карты гидроизопьез II (а, в) и III (б, г) эксплуатационных горизонтов;
(а, б - в условиях ненарушенного режима фильтрации 1963 г.); (в, г - в условиях развития репрессионных куполов за счет нагнетания ЖРО на полигоне глубинного захоронения СХК)
Для создания цифровой модели геологической среды применялся пакет программ «РКОСЕ88ШО MODFLOW» [10]. Объект моделирования - стратифицированная толща осадочных пород на территории полигона глубинного удаления ЖРО СХК. В плане моделируемый участок полностью охватывал территорию обеих площадок 18,18а и имел размер 7,5-6,5 км (рис. 1, б). По вертикали область моделирования включала в себя II и III эксплуатационные горизонты и IV (буферный) горизонт, а также разделяющие их водоупорные пласты С и D (рис. 2). Модель является слоистой, каждый из горизонтов рассматривался как отдельный слой трехмерного массива.
Моделирование проводилось на квадратной сетке с плановым размером ячейки 50*50 м. Поверхности, ограничивающие модельные слои, рассчитывались путем
площадной интерполяции данных абсолютных отметок кровель и подошв рассматриваемых горизонтов по всем имеющимся скважинам как на моделируемом участке, так и за его пределами. После создания геометрической структуры модели каждой из ячеек трехмерного массива присваивался комплекс геофильтра-ционных и геомиграционных характеристик.
Начальное положение пьезометрических поверхностей водоносных горизонтов, как и абсолютные отметки кровель и подошв горизонтов, определялись с помощью интерполяции данных по отдельным скважинам. Исходные пьезометрические поверхности водоупорных слоев вычислялись путем осреднения значений перекрывающего и подстилающего водоносных горизонтов.
Площадное распределение горизонтальных коэффициентов фильтрации для эксплуатационных гори-
зонтов также рассчитывалось на основе интерполяции точечных данных. Эти данные получались при проведении одиночных и кустовых откачек или в результате анализа гранулометрического состава пород, слагающих водоносные горизонты. Горизонтальные коэффициенты фильтрации для глинистых водоупоров и IV (буферного) горизонта, вследствие отсутствия или скудности имеющихся данных полевых исследований, задавались как постоянные величины, не меняющиеся по всей площади модельного массива. Вертикальные коэффициенты фильтрации как для водоносных горизонтов, так и для водоупорных пластов принимались одинаковыми по всей площади слоя. Для водоносных горизонтов значения горизонтальных коэффициентов фильтрации в 80-100 раз превышают значения вертикальных, а для водоупорных - в 300-350 раз. Это связано тем, что каждый из моделируемых горизонтов в действительности не является однородным, а состоит
В качестве нижней границы модели принималась кровля глинистого пласта В, подстилающего нижний эксплуатационный горизонт. Верхней границей модели служила подошва водоупора Е, перекрывающего буферный горизонт. Влияние динамики перекрывающих и подстилающих слоев на моделируемые горизонты моделировалось с помощью задания граничного условия третьего рода. Для определения величины расхода воды, поступающей через подошвенную и кровельную границы, задавались напоры в центре перекрывающего и подстилающего пластов и величины вертикальной проводимости этих пластов.
Боковые внешние границы области моделирования для глинистых водоупорных слоев задавались непроницаемыми, а для песчаных горизонтов на внешних боковых границах задавались граничные условия третьего рода. Для определения величины расхода воды, поступающей через эти границы, использовались напоры на границах бассейна внутреннего стока, а также задавались величины проводимости водоносного горизонта на всем протяжении от границы бассейна внутреннего стока до соответствующей границы модели.
На основе созданной гидрогеологической модели были выполнены расчеты распространения компонентов отходов в пределах пластов-коллекторов полигона. Последовательно решались геофильтрационная и гео-миграционная задачи. Для выполнения геофильтраци-онных расчетов использовался расчетный модуль ММ-flow 96 [11]. Расчеты проводились на основании задания суточных расходов поступления ЖРО через нагнетательные скважины. Для выполнения миграционных
из множества мелких пропластков с различными фильтрационными свойствами. При этом в горизонтальном направлении фильтрация осуществляется в основном по пропласткам с более высокими значениями коэффициентов фильтрации, а вертикальная фильтрация - через все пропластки горизонта. Упругоем-кость и эффективная пористость для каждого слоя модели задавались постоянными величинами, не меняющимися по всей площади слоя. Значение константы продольной гидродисперсии (дисперсивности) для песчаных горизонтов принималось равным 1,0 м, а для глинистых водоупоров - 0,1 м. Величины поперечной горизонтальной и вертикальной дисперсивности рассчитывались пропорционально продольной, коэффициент пропорциональности принимался равным 0,1 как для песчаных, так и для глинистых пластов. Значения и диапазоны изменения параметров, описанных выше, приведены в таблице.
расчетов использовался программный модуль МТ3БМ8 [11]. Рассматривалось распространение не взаимодействующего с вмещающими породами (инертного) компонента отходов. В реальных условиях такому компоненту более всего соответствует нитрат-ион, присутствующий во всех видах ЖРО. Вследствие инертности моделируемого загрязнителя, получаемый результат соответствовал максимально возможному распространению фильтрата отходов в геологической среде. Молекулярная диффузия при проведении модельных расчетов не учитывалась, т.к. ее вклад в миграцию на столь короткий промежуток времени пренебрежительно мал по сравнению с адвективным массопереносом и гидродисперсией.
Моделирование проводилось на все планируемое время эксплуатации полигона, т.е. с 1963 по 2015 г. На период 1963-2006 гг. проводилось эпигнозное моделирование. Его целью была калибровка геофильтра-ционных и геомиграционных параметров, а также граничных условий модели путем сравнения результатов моделирования с данными реальных измерений. Шаг проведения эпигнозного моделирования составлял один месяц. Прогнозные расчеты выполнялись на период 2006-2015 гг. с шагом в один год.
Полученные при эпигнозных расчетах графики изменения уровней в точках расположения наблюдательных скважин сравнивались с данными реальных замеров (рис. 4). Хорошая сходимость расчетных и натурных данных позволяет сделать вывод о том, что моделируемое распределение поля напоров в каждом водоносом горизонте соответствует реальному. Следова-
Геофильтрационные и геомиграционные параметры геологической среды в области модели
Параметр Слой модели (горизонт в системе стратификации, принятой на СХК)
1-й слой (горизонт IV) 2-й слой (горизонт Э) 3-й слой (горизонт III) 4-й слой (горизонт С) 5-й слой (горизонт II)
Горизонтальный коэффициент фильтрации, м/сут 2,0 0,028 0,13-1,0 0,055 0,25-0,9
Вертикальный коэффициент фильтрации, м/сут 2,5 х 10-2 8,4 х 10-5 8,0 х 10-3 1,55 х 10-4 1,0 х 10-2
Упругоемкость, - 5,1 х 10-7 2,1 х 10-5 1,0 х 10-7 1,5 х 10-5 1,4 х 10-7
Эффективная пористость, % 10 20 10 20 15
Продольная дисперсивность, м 1,0 0,1 1,0 0,1 1,0
Поперечная дисперсивность, м 0,1 0,01 0,1 0,01 0,1
тельно, конфигурация линий тока и значения скоростей фильтрации в исследуемой геологической толще рассчитаны с достаточным уровнем точности. Трехмерное из-бражение результатов моделирования миграции фильтрата ЖРО в пределах литологической толщи представлено на рис. 5. Плановые карты распространения поля отходов в пределах II и III водоносных горизонтов совместно с картами гидроизопьез соответствующих горизонтов на
конец 2006 и 2015 гг. приведены на рис. 6. Контур фильтрата отходов проведен по уровню 10-5 от исходной концентрации компонента в удаляемом растворе. Сравнение результатов моделирования и данных геохимического опробования из наблюдательных скважин показало, что области распространения отходов, полученные при моделировании, соответствуют реальности с достаточно высоким уровнем точности.
Рис. 4. Сравнение реальных замеров абсолютных пьезометрических уровней и результатов моделирования
Пл.18а
Рис. 5. Контур распространения фильтрата ЖРО в моделируемой геологической толще на конец 2015 г. (вид с юго-юго-восточной стороны)
Рис. 6. Результаты эпигнозного (а, б; 2006 г.) и прогнозного (в, г; 2015 г.) моделирования распределения напоров и распространения несорби-руемого компонента фильтрата отходов в пределах эксплуатационных горизонтов (II горизонт - а, в; III горизонт - б, г)
Хорошая сходимость геофильтрационных и геомигра-ционных расчетов с данными наблюдений за состоянием полигона свидетельствует о правильности построенной модели геологической среды, адекватности используемых граничных условий и достоверности прогнозных расчетов. Результаты моделирования показали, что в конце эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО область фильтрата отходов будет находиться на значительном удалении от границ горного отвода недр. Наименьшее расстояние между границей горного отвода недр и фронтом фильтрата отходов (по уровню 10-5 от исход-
ной концентрации) на момент планируемого срока окончания эксплуатации полигона составит около 1,5 км. Участок горного отвода недр, где фиксируется это расстояние, находится в его северо-восточной части, а естественное направление потока подземных вод во всех водоносных горизонтах юго-западное. Поэтому после остановки полигона расстояние между границей отвода и фронтом фильтрата ЖРО на данном участке сокращаться не будет. На момент планируемого срока окончания эксплуатации полигона по направлению естественного потока расстояние между границей отвода и фронтом фильтрата ЖРО по
результатам моделирования во II эксплуатационном гори- этих горизонтах (1-3 м/год) [9], время возможного выхода
зонте составит около 6 км, а в III горизонте - около 7 км. фильтрата отходов за пределы горного отвода недр соста-
При естественной скорости фильтрации подземных вод в вит более 2 тыс. лет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыбальченко А.И., ПименовМ.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАТ, 1994. 256 с.
2. Зубков А.А., Макарова О.В., Данилов В.В. и др. Техногенные геохимические процессы в песчаных пластах-коллекторах при захоронении
жидких радиоактивных отходов // Геоэкология. 2002. № 2. С. 133-144.
3. Балахонов В.Г., Зубков А.А., Матюха В.А. и др. Математическое моделирование радиационно-химического разложения органических приме-
сей жидких радиоактивных отходов при глубинном захоронении // Радиохимия. 2001. Т. 43, N° 1. С. 82-86.
4. Истомин А.Д., Носков М.Д., Балахонов В.Г., Зубков А.А., Егоров Г.Ф. Математическое моделирование поведения отработанного органиче-
ского экстрагента в прискважинной области в случае глубинного захоронения // Атомная энергия. 2005. Т. 99, вып. 2. С. 127-135.
5. Косарева И.М., Савушкина М.К., Архипова М.М. и др. Температурное поле при глубинном захоронении жидких радиоактивных отходов
// Атомная энергия. 1998. Т. 85, вып. 6. С. 441-448.
6. Косарева И.М., Савушкина М.К., Архипова М.М. и др. Температурное поле при глубинном захоронении жидких радиоактивных отходов:
моделирование многоэтапного удаления // Атомная энергия. 2000. Т. 89, вып. 6. С. 435-440.
7. Ларин В.К., Зубков А.А., Балахонов В.Г. и др. Моделирование динамики радиационных и тепловых полей при глубинном захоронении жид-
ких отходов // Атомная энергия. 2002. Т. 92, вып. 6. С. 451-455.
8. Врублевский В.А., НагорскийМ.П., Васильев Е.В. и др. Геологическое строение области сопряжения Кузнецкого Алатау и Колывань-Томской
складчатой зоны. Томск: Изд-во ТГУ, 1987. 95 с.
9. Земскова И.М., Смоленцев Ю.К. Полканов М.П. и др. Ресурсы пресных и маломинерализованных подземных вод южной части Западно-
Сибирского артезианского бассейна. Новосибирск: Новосибирскгеология, 1991. 267 с.
10. Processing Modflow. Режим доступа: http://www.pmwin.net/index.htm
11. Processing Modflow. Режим доступа: http://www.baum.ethz.ch/ihw/soft/welcome.html
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 30 декабря 2007 г.
