Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Рыхлые пористые породы

Наиболее характерными представителями этой группы являются пески и глинистые породы, широко представлен­ные на больших территориях в верхних горизонтах земной коры.

Пески в зависимости от степени дифференциации харак­теризуются различной неоднородностью. Пески, образован­ные в континентальных условиях, менее однородны, чем морского происхождения. Наибольшая неоднородность пе­сков отмечается в образованиях ледниковых потоков.

Наряду с песками морского происхождения высокую однородность имеют эоловые пески, часто слагающие зна­чительные территории вдоль морских побережий, а также большие площади в пустынях.

1 Здесь не рассматриваются некоторые гидрогеологические факторы, как, например, уклон поверхности подземных потоков, химический со­став подземной воды и др., принимая их, при схематическом рассмотре­нии данного вопроса, постоянными.

Рыхлые пористые породы

Рыхлые пористые породы

Диаметр зерен в мм

Рис. 29. Графики механического состава образцов Щукинского аллювиального песка.

0,00f

Неоднородность песков выражается в неодинаковом их механическом составе и оценивается коэффициентом неод­нородности, представляющим собой отношение диаметра отверстия сита, через которое проходит 60% частиц, к дей­ствующему диаметру, т. е. к диаметру отверстия сита, через которое проходит 10% частиц песка (по весу):

Механический состав неоднородного песка меняется не только в пределах кажущегося однородного пласта, но даже в одной пробе. Для иллюстрации этого на рис. 29 при­ведены результаты анализов механического состава образ­цов, взятых из одной большой пробы аллювиального песка, отобранной из одного слоя.

Вследствие того что осадочные обломочные породы по условиям своего образования имеют слоистое строение, неоднородность их, как правило, более значительная в на­правлении, перпендикулярном к плоскостям слоистости. В песках часто наблюдается косослоистое сложение.

В зависимости от размера и формы зерен, а также от сложения песка изменяются величина и форма пор, по ко­торым движется вода. В табл. 24 приведены значения об­щей пористости песков различного происхождения.

Таблица 24

Общая пористость генетических типов песков (по В. А. Приклоненому, 1955)

Общая пористость, в %

Рыхлые пористые породы

О наи - наи - t - боль - мень - щ шая шая

Онкофоровые пески (фракция мелеющего моря)

43,2 64,0 47,6

Солянские пески (морские террасовые отложения)

Ергенинские пески (древний аллювий)

Пойменный аллювий р. Москвы

Древний аллювий р. Москвы

Различный размер пор в песке обусловливает изменение его водопроницаемости. При прочих равных условиях в по­рах, имеющих большой размер, движение воды происходит быстрее, чем в порах меньшего размера. К этому следует добавить, что если движение воды в порах песка рассма­тривать как в капиллярных каналах, то, согласно исследо­ваниям Н. Н. Павловского, происходит увеличение скоро­сти продвижения воды от стенок пор к их середине (Г. Н. Каменский, 1943).

При изучении миграции радиоактивных веществ в под­земных потоках, как и при решении многих других гидро­геологических задач, представляют интерес максимальная, средняя и минимальная скорости движения воды. По мак­симальной скорости движения воды можно рассчитать вре­мя появления радиоактивного вещества в точке или сече­нии подземного потока, находящихся на том или ином рас­стоянии от источника загрязнения. Средняя скорость дает возможность определит^ время наступления максимально­го содержания радиоактивного вещества в указанной точке или сечении потока в случае разового введения радиоактив­ного вещества в источнике загрязнения, а минимальная ско­рость позволяет установить это же время, но при постоян­но действующем устойчивом источнике загрязнения.

Распределение действительных скоростей движения воды, фильтрующейся через горные породы, главным обра­зом исследуется в полевых условиях при помощи различ­ных индикаторов (флюоресцеин, хлористый натрий, хлори­стый аммоний и радиоактивные изотопы — тритий, сера-35, бром-82 и йод-131). Для проведения этих опытов сооружа­ются две или несколько скважин, находящихся на расстоя­нии 1—3 м друг от друга. В одну из скважин одномомент­но вводят индикатор, по другим же скважинам ведут на­блюдения за изменением его содержания в воде.

Некоторые исследователи (В. И. Аравин и С. Н. Нуме­ров, 1953; А. И. Силин-Бекчурин, 1951, и др.) считают, что средняя действительная скорость воды в подземном потоке соответствует времени появления максимального содержа­ния в воде индикатора; другие же (Г. Н. Каменский, 1943; М. П. Воларович и Н. В. Чураев, 1960, и др.) полагают, что эта скорость имеет большее значение и должна опреде­ляться по точке, находящейся на кривой между появлени­ем индикатора и максимальным содержанием его в воде. Экспериментальные исследования Н. Н. Биндемана (1959) показывают, что средняя скорость иср связана со скоростью продвижения максимума содержания индикатора в воде ^макс коэффициентом а:

И(максj ~ a"cp.

Коэффициент а<1, но при больших расстояниях пути фильтрации воды он приближается к ней. Вследствие того что при оценке явлений, связанных с загрязнением подзем­ных вод радиоактивными веществами, в преобладающем большинстве случаев рассматриваются значительные рас­стояния пути фильтрации воды (несколько десятков, сотен и даже тысяч метров), то можно принять, что средняя дей­ствительная скорость движения воды в подземном потоке равна скорости продвижения максимального содержания несорбируемого радиоактивного изотопа в подземной воде.

Таким образом, по данным полевых опытов можно определить среднюю и максимальную действительные ско­рости движения воды в подземном потоке.

Пески состоят из песчаных, пылевых и глинистых фракций. Песчаные фракции в преобладающем большинст­ве случаев состоят из кварца с подчиненным содержанием полевых шпатов, зерен кальцита, чешуек мусковита и не­большого количества тяжелых минералов (магнетит, иль­менит, гранат, рутил, циркон, роговая обманка и др.).

В составе пылевых и глинистых частиц песков присут­ствуют истертые зерна кварца и полевого шпата, мелкие частицы мусковита, хлорита, серицита и гидрослюд, а так­же во многих случаях в небольшом количестве отмечаются глинистые минералы группы каолинита и группы монтомо- риллонита.

Согласно данным табл. 12, по сорбционной способности кварц и полевые шпаты (ортоклаз, микроклин и альбит), являющиеся основными минералами песчаных фракций пес­ков, по отношению к радиоактивному стронцию сравнитель­но мало отличаются друг от друга. Иное соотношение наблюдается для радиоактивного цезия. Как показали ла­бораторные исследования, интенсивность сорбции указанно­го изотопа этими минералами различна. Большим разли­чием в сорбционной способности по отношению к цезию, а также к стронцию характеризуются минералы, входящие в пылеватые и глинистые фракции песков.

В зависимости от состава материнских пород и от ус­ловий образования минералогический состав песков значи­тельно изменяется. Но в пределах одной генетической фор­мации колебания в минералогическом составе песков обыч­но незначительные (В. П. Батурин, 1937). Поэтому неодно­родность сорбционных свойств песков в пределах одного слоя или одной толщи определяется главным образом ко­личественным соотношением в них песчаных, пылеватых и глинистых фракций, а не их минералогическим составом.

В естественных условиях содержание пылеватых и гли­нистых частиц в песках одного слоя в преобладающем боль­шинстве случаев непостоянно. Часто по распространению или по мощности слоя наблюдаются закономерные измене­ния содержания этих фракций, как, например, увеличение содержания пылеватых и глинистых частиц в песках от рус­ла к коренным берегам и от подошвы к кровле слоев в пой­менных отложениях равнинных рек или постепенное увели­чение содержания этих частиц в озерных и морских отло­жениях от берегов в глубь водоемов.

Гравийные и галечниковые отложения по своему сложе­нию аналогичны пескам, особенно в тех случаях, когда пу­стоты между галькой и частицами гравия заполнены пес­ком. Отличие состоит лишь в том, что водопроницаемость гравийных и галечниковых отложений значительно выше, чем у песков, вследствие чего при прочих равных условиях вода движется в них значительно скорее. Вследствие того что гравийные и галечниковые отложения большей частью не содержат или содержат в очень небольших количествах пылеватые и глинистые фракции, сорбционная способность их значительно ниже, чем у песков. По-видимому, и неод­нородность этого свойства у них также меньше выражена, чем у песков.

Глинистые породы по своему происхождению, сложению и минералогическому составу весьма разнообразны. Они об­разуются при континентальном выветривании материнских горных пород, а также в результате сноса и осаждения ма­териала выветривания этих пород в континентальных и морских водоемах.

Как и пески, глинистые породы, образованные в конти­нентальных условиях, обычно характеризуются большей не­однородностью по сравнению с глинами морского проис­хождения. Пористость глинистых пород в естественном их залегании колеблется в больших пределах — от 25 до 53%, в зависимости от их механического состава и уплотнения (табл. 25).

Из табл. 25 видно, что небольшой пористостью характе­ризуются четвертичные моренные глины (25—26%) и глины
в областях с интенсивным проявлением тектонических про­цессов, как, например, в пределах Кавказа (30—32%), По­ристость большинства мезозойских, третичных и четвертич­ных глин составляет 40—50%.

Таблица 25

Пористость различных глинистых пород, по данным различных исследователей (по В. А. Приклоненому, 1955)

Возраст глинистых пород

Район

Порис­тость, в %

Нижнекаменноугольный (угле­носная толща)

Подмосковный

34,0

Нижнекаменноугольный (туль­ская толща)

»

30,5

Верхнекаменноугольный

»

36,0

Пермский

Поволжье

27,0

Верхнеюрский (оксфорд-кимеридж - ский)

»

52,0

То же

»

48,5

Верхнеюрский (келловей)

»

47,0

Нижнемеловой (готерив)

Среднее Поволжье

46,0

» (апт)

» »

44,0

Верхнемеловой (сантонский)

Р. Дон

47,5

Палеогеновый (киевский)

Нижнее Поволжье

47,0

» (майкопский)

» »

53,0

Олигоценовый

Западный Кавказ

30,0

Неогеновый (нижнесарматский)

Крым

56,0

(верхнесарматский)

»

41,0

» (апшеронский)

Закавказье

32,0

Четвертичная верхняя морена

Поволжье

25,0

» нижняя »

»

26,0

» ленточная глина

Северо-запад

53,0

Четвертичные лессовидные су­глинки То же

Европейской части СССР Северо-запад Евро­пейской части СССР Узбекская ССР

Четвертичный аллювий

Вопрос о водопроницаемости глин является не совсем ясным. Если в отношении супесей и легких суглинков, т. е. пород, в основном состоящих из пылеватых частиц и содер­жащих песчаные фракции, установлено, что они являются в той или иной степени водопроницаемыми (коэффициент фильтрации супесей 0,1—0,01 м/сутки, суглинков — 0,01 — 0,0001 м/сутки), то в. отношении водопроницаемости глин такого определенного ответа не имеется. Эксперименталь­ные лабораторные исследования С. А. Роза (1950) показы­вают, что движение воды в глинах наступает только в том случае, когда действующий градиент давления воды превы­шает определенную величину, названную им начальным градиентом давления воды В лабораторных эксперимен­тах, проведенных С. А. Роза, начальный градиент давления воды был равен 20—40, в зависимости от уплотнения образ­ца глины. В природных условиях градиенты давлений воды не достигают таких величин. Это дает основание считать, что в указанных условиях глины являются совершенно не­проницаемыми породами.

С другой же стороны, региональные гидрогеологические исследования ряда артезианских бассейнов показывают, что даже мощные, относительно однородные толщи глин, име­ющие выдержанное распространение, являются проницае­мыми, и вода, проходящая через них, при сравнительно не­больших градиентах давления обеспечивает питание и дренирование артезианских водоносных горизонтов, зале­гающих под этими толщами (А. Н. Мятиев, 1947; А. С. Бе- лицкий, 1958; С. А. Шагоянц, 1959). Но движение воды в глинах в этих условиях происходит весьма медленно.

Водопроницаемость глинистых пород зависит не толь­ко от их механического состава и уплотнения, но также от минералогического состава. При прочих равных условиях каолиновые глины имеют большую водопроницаемость, чем монтмориллонитовые глины.

Водопроницаемость глин иногда увеличивается за счет их агрегатного строения. Часто это отмеча'ется в четвертич­ных глинах и глинах других формаций, залегающих близко к поверхности земли. Агрегатное строение также характер­но для полуокаменелых глин (аргиллитов и алевролитов).

При агрегатном строении глинистых пород движение во­ды в них происходит неравномерно. Наряду с весьма мед-

1 Градиент давления равен отношению разности давления воды в двух сечениях, расположенных перпендикулярно направлению дви­жения воды, к расстоянию между этими сечениями.

Ленным движением воды по мелким порам, находящимся внутри агрегатов, имеет место относительно повышенное движение воды по межагрегатным каналам.

В зоне выветривания глины агрегатного строения иног­да имеют значительную водопроницаемость.

Водопроницаемость некоторых глинистых пород имеет неодинаковую величину в различных направлениях. Так, на­пример, водопроницаемость ленточных глин в горизонталь­ном направлении намного больше, чем в вертикальном. На­оборот, у лессовидных пород в вертикальном няпоавлении отмечается большая водопроницаемость (табл. 26),

Таблица 26

Водопроницаемость лессовидных пород

КфвкК

Фг

(по В. А. Приклонскому, 1955)

Коэффициент фильтрации в ы/сутки

Лессовидный су­

Глинок

1,8—2,0

0,310

12,21

37,5

То же

2,6—2,8

0,378

1,72

4,5

» »

1,8—2,0

0,017

0,12

7,0

» »

2,65-2,8

0,011

0,11

10,0

Наименование породы

Глубина отбора образца в м

В горизонталь­ном направле - нии Кфг

В вертикаль­ном направле - иии кфв

Отношение

По минералогическому составу глинистые породы раз­деляются на три основные группы (Л. Б. Рухин, 1953).

А) Гидрослюдистые глинистые породы, преимуществен­но состоящие из различных минералов группы гидрослюд и иногда содержащие в виде примесей хлорит, каолинит и монтмориллонит. Кроме того, в них почти всегда присутст­вуют пылеватые и песчаные фракции, состоящие из частиц кварца, полевого шпата и тяжелых минералов. Эти глини­стые породы характерны для ледниковых и аллювиальных образований, но встречаются и в осадках морского проис­хождения.

Б) Каолинитовые глины, в которых наряду с минерала­ми каолинитовой группы содержится примесь гидрослюд, органических веществ, пирита, сидерита, зерен кварца и по­левого шпата. Каолинитовые глины являются продуктами выветривания кислых кристаллических пород. Различают
первичные каолинитовые глины, залегающие в элювии этих пород, и вторичные каолинитовые глины, образуемые в кон­тинентальных водоемах за счет приноса и осаждения мате­риала разрушения первичных каолинов.

В) Монтмориллонитовые глинистые породы, в основном состоящие из минералов группы монтмориллонита, в виде примесей содержат кварц, кальцит, гипс, органические ве­щества и др. Эти глины главным образом встречаются в морских отложениях, но также отмечаются в элювии основ­ных коренных пород.

Минералогическое изучение глинистых пород показыва­ет, что содержание отдельных минералов в разных механи­ческих фракциях, составляющих эти породы, различно (М. С. Швецов, 1948; Р. Е. Грим, 1956). Поэтому неоднород­ность сорбционных свойств глинистых пород определяется главным образом степенью постоянства соотношения в них отдельных механических фракций. Исходя из сказанного, наибольшую неоднородность в способности сорбировать ра­диоактивные вещества следует ожидать в глинистых поро­дах ледниковых отложений и делювия. Глинистые же поро­ды озерного и морского происхождения по этой способно­сти являются более или менее однородными. В табл. 8, 9 и 11 приведены коэффициенты распределения радиоизото­пов между водой и некоторыми разностями глинистых пород.

Почвы в преобладающем большинстве случаев имеют агрегатное строение, поэтому вода в них одновременно дви­жется в мелких порах, находящихся внутри агрегатов, и по более крупным порам, образованным в межагрегатных про­странствах.

Почвы характеризуются большой общей пористостью, в среднем равной от 40 до 55%. В верхнем горизонте Ах об­щая пористость достигает 60—70%. Значительная часть во­ды, заполняющей поры почв, является малоподвижной. Это связанная, рыхло-связанная, стыковая и пленочная вода. Объем этой воды в различных почвах составляет от 25 до 37% от общего объема почвы. Таким образом, активная по­ристость почв, которая заполняется водой, свободно движу­щейся под влиянием силы тяжести, в среднем равна от 15 ДО 25%.

Водопроницаемость почв определяется главным обра­зом размером и количеством межагрегатных пор; внутри - агрегатная пористость при этом имеет подчиненное значе­ние. На величину водопроницаемости почв большое влия - ниє оказывает наличие в них трещин, ходов червей, корне­вых ходов и т. д. Наблюдается, что водопроницаемость почв в вертикальном разрезе изменяется, в верхних гори­зонтах она большей частью более высокая, чем в нижних.

На рис. 30 (заимствовано из книги А. А. Роде, 1952) по­казано изменение водопроницаемости некоторых почв в

■6

Рыхлые пористые породы

Водопроницаемость, в см/сутки

Рис. 30. Изменение водопроницаемости почв.

А — по профилю дериово-средиеподзолистой почвы, развитой на легком покровном суглнике, подстилаемом тяжелым песчанистым суглинком (по даииым Васильева); б — по профилю мощного су­глинистого чернозема под целинной степью и под лесом (по дан­ным Долгополовой).

Различных горизонтах. Из приведенных данных можно ви­деть, что вода в почве движется с различными скоростями.

Большой материал по водным свойствам почв приведен в книге А. А. Роде (1952).

Свойства почв сорбировать радиоактивные продукты де­ления урана освещены в работе В. М. Кдечковского и И. В. Гулякина (1958). Различные почвы имеют неодина­ковую способность поглощать эти продукты. В табл. 27 приведены данные определения коэффициента распределе­ния стронция-90, церия-144 и цезия-137 между пресной гид­рокарбонатной водой и различными почвами, полученные Е. И. Орловой в опытах в статических условиях.

В кислых почвах радиоактивные элементы сорбируются хуже, чем в нейтральных и щелочных. Внесение в почву различных удобрений изменяет их сорбционную способ-

Таблица 27

Поглощение продуктов деления урана почвами из пресной гидрокарбонатной воды

Величина коэффициента распределения

Наименование почвы и место взятия

Почва тундры (Архангельская область, Амдерма, от 0 до 10 см) Почва серая лесная (Орловская область, Новосельская опыт­ная станция, от 0 до 10 см) Почва серая лесная (район г. Том­ска, от 0 до 5 см) Почва среднеподзолистая (пахот­ная) (Московская область, сов­хоз «Коммунарка», от 0 до 23 см)

Почва среднеподзолистая (Мос­ковская область, Можайский район, от 0 до 10 см) Чернозем (Воронежская область, Институт земледелия им. До­кучаева, от 0 до 23 см) Почва каштановая (Саратовская область, Красный Кут, от 0 до 23 см)

Стронций-90

Ность. Так, калийные удобрения сильно понижают погло­щение почвами цезия-137. Способность сорбировать радио­активные продукты деления значительно повышается в поч­вах, богатых перегноем, поэтому в вертикальном разрезе обычно отмечается уменьшение сорбционной способности почв сверху вниз.

Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Оценка надежности подземных источников водоснабжения при загрязнении поверхности земли продуктами ядерных взрывов

Из радиоактивных веществ, образующихся при прове­дении воздушных и наземных ядерных взрывов, наиболее: опасными для загрязнения подземных источников водо­снабжения являются: стронций-90, йод-131, рутений-106.. Первые два элемента почти не поглощаются горными по­родами, …

Санитарно-гидрогеологические условия при удалении твердых и небольших Количеств жидких радиоактивных отходов

В настоящее время радиоактивные вещества использу­ются многими промышленными и сельскохозяйственными предприятиями, научными и лечебными учреждениями. В большинстве случаев на каждом объекте образуется не­большое количество, преимущественно твердых, радиоактив­ных отходов. Основное количество …

ОРИЕНТИРОВОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕ­НИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Независимо от характера источника загрязнения радиоак­тивные вещества, попав в водоносный горизонт, движутся с потоком подземных вод. Для упрощения проводимых да­лее ориентировочных расчетов принимается, что в источнике загрязнения эти вещества равномерно …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.