Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений
Определение проникающей способности стронция-90 и шестивалентного урана через породы, залегающие выше уровня подземных вод
Используя материалы, приведенные ранее, а также имеющиеся в литературе сведения о водных свойствах горных пород и данные о количестве выпадаемых атмосферных осадков, можно ориентировочно оценить проникновение растворимого стронция-90 через указанные породы с
инфильтрирующимися атмосферными осадками. По состоянию уровня современных данных нижеприводимые расчеты могут быть сделаны весьма схематично, приняв следующие условия.
1. Для определения среднего количества воды, которое в зоне аэрации проникает вертикально через глинистые покровные породы, используются данные по среднегодовому модулю грунтового стока (модуль питания грунтовых вод) на Европейской территории СССР (Н. П. Лобанская, 1959). Для северной части этой территории указанный модуль в среднем равен 3,5 л/сек-км2, что определяет среднюю скорость инфильтрации воды v инф = 0,03 см/сутки при равномерном движении ее в течение всего года (табл. 34). В Европейской части СССР среднегодовой модуль грунтового стока только в Карелии, в отдельных районах Прибалтики и на западном склоне Урала выше принятой средней величины и максимально достигает 7 л/сек» км2.
В южных областях Европейской части СССР, а также в Казахстане, Средней Азии, Сибири и на Дальнем Востоке (за исключением Приморья) среднегодовой модуль грунтового стока обычно меньше 3,5 л/сек-км2.
2. Движение загрязненных вод рассматривается для случаев: проникновение их через моренные суглинки и делювиальные глины. Для моренных суглинков общая пористость принимается р = 0,25 (см. табл. 24), объемный вес (Т=2,01; для делювиальной глины р = 0,46, 0=1,5. Водоотдача для обеих пород принята fi = 0,l (см. табл. 3). Коэффициенты распределения приняты согласно лабораторным определениям (см. табл. 18), а величины константы скорости сорбции — по данным опытов в фильтрационных приборах (см. табл. 20), но уменьшенных в 100 раз.
3. Принимается, что исходная концентрация в воде растворимого стронция-90 в начальном сечении пород остается постоянной и равна единице.
4. При расчете миграции стронция-90 в рассматриваемых породах не учитывается задержка его почвенным покровом.
Исходя из приведенных выше условий, по уравнениям (Ш-6 или III-9) рассчитывается положение условной границы участка насыщения (x'o, s), а по уравнениям (Ш-14 и III-18) — концентрация стронция-90 в инфильтрирующихся водах на глубинах її, 2 и 3 м через 5, 10, 40 и 100 лет после начала загрязнения.
Из уравнений (III-6 и Ш-18) определяется параметр w:
(V-1)
Величину (1 +h) можно принять за единицу, так как h для глинистых пород составляет тысячные доли единицы. Тогда уравнение (IV-1) принимает следующий вид:
(V-2)
Зная параметр ш, из уравнения (Ш-14) определяем относительную концентрацию сорбируемого радиоактивного вещества в воде на принятой глубине. Результаты расчета приведены в табл. 35.
Результаты расчетов показывают, что через 40 лет после загрязнения поверхности земли на глубине 1 м относительное содержание стронция-90 в воде, проникающей
Через делювиальные глины, составляет около 4 • Ю-3, а через 100 лет на глубинах 1, 2 и 3 м относительное содержание его в воде устанавливается соответственно 0,1; 8 • 10~4 и 2-Ю"6 от начальной концентрации. В водах, проникающих через моренный суглинок, стронций-90 движется с меньшей скоростью.
Здесь не учитывается естественный радиоактивный распад стронция-90, так как при принятых условиях время движения воды даже до глубины 3 м не превышает 1500 суток, что значительно меньше периода его 'полураспада. При разовом же загрязнении поверхности земли влияние естественного радиоактивного распада стронция-90 обусловливает падение исходной концентрации его на поверхности земли и соответственно в инфильтрирующихся водах.
Из приведенных выше данных видно, что исследованные покровные глинистые породы сильно задерживают продвижение стронция-90 в инфильтрирующихся водах. Но при большом радиоактивном загрязнении поверхности земли на значительной территории в сильно увлажненных районах, сложенных неоднородными супесями и легкими суглинками, имеющих повышенные фильтрационные свойства и относительно пониженную сорбционную способность, не исключено попадание растворимого стронция-90 с инфильтрирующимися атмосферными осадками через десятки лет после этого загрязнения в неглубоко залегающие грунтовые воды (на глубине 2—3 м от поверхности земли) в количествах, имеющих санитарное значение.
Рассмотренные случаи движения растворимого строн - ция-90 в воде, проникающей через почвы и покровные породы, относятся к средним природным условиям. Поэтому в местах, где наблюдается повышенная инфильтрация атмосферных осадков, как, например, в пониженных участках рельефа поверхности земли, а также при увеличении водопроницаемости или уменьшении сорбционной способности почв и пород вследствие изменения их состава или повышения минерализации воды миграция растворимого стронция-90 в водах, движущихся в них, может быть более высокая, чем это определено произведенными ранее расчетами. Особенно это относится к случаям, когда покровными породами являются пески.
Для определения распространения стронция-90 в водах, инфильтрирующихся в песках с поверхности земли, величины средних скоростей инфильтрации их принимаются в
возможных пределах, определенных по карте среднегодового количества атмосферных осадков на территории СССР и по карте среднегодовых модулей грунтового стока на Европейской части СССР (см. табл. 34).
Разности песков |
Гравелистые крупнозернистые Среднезернистые Мелкозернистые Средняя скорость инфильтрации воды иинф (;Ucp — QA см/сутки) Гравелистые крупнозернистые Среднезернистые Мелкозернистые |
Гравелистые крупнозернистые Среднезернистые Крупнозернистые |
Сорбционная способность обычных песков колеблется в относительно небольших пределах. Как отмечалось в главе II (см. табл. 5), коэффициент распределения при поглощении стронция-90 песками обычно составляет от 1,0 до 20. Исходя из этих данных, можно для различных периодов рассчитать по уравнениям (III-6 или III-9) положение условной границы участка насыщения (ato. s)- Результаты расчета для трех принятых величин средней скорости инфильтрации воды в песках, характеризующих возможные значения их в различных климатических условиях территории СССР, представлены в табл. 36. Средняя
Таблица 36
Данные расчета длины условного участка насыщения стронция-90 в воде, проникающей через пески
Коэффи |
Распреде |
Циент рас |
Лительное |
Пределения |
Отноше |
Кр |
Ние h |
Длина участка насыщения (* ) через различные периоды после загрязнения поверхности земли, в м |
5 лет І 10 лет 40 лет 100 лет |
1 |
0,25 |
0,43 |
0,86 |
3,44 |
5 |
0,05 |
0,10 |
0,20 |
0,80 |
10 |
0,025 |
0,05 |
0,10 |
0,40 |
0,1 см/сутки |
Средняя скорость инфильтрации воды иинф — 0,03 см/сутки (иср — 0,12 см/сутки) |
1 |
0,25 |
1,44 |
2,88 |
11,42 |
5 |
0,05 |
0,34 |
0,68, |
2,74 |
10 |
0,025 |
0,17 |
0,34 |
1,37 |
28,80 6,84 3,42 |
1 |
0,25 |
2,88 |
5,76 |
22,84 |
5 |
0,05 |
0,68 |
1,36 |
5,48 |
10 |
0,025 |
0,34 |
0,68 |
2,74 |
Активная пористость песков принята равной р = 0,25, общая пористость р = 0,4 и объемный вес сг = 1,6.
Влияние естественного радиоактивного распада стронция-90 в рассматриваемых случаях, как и для условий движения воды через почвы и покровные глинистые породы, выражается в уменьшении исходной концентрации его в начальной стадии инфильтрации воды.
Рассматривая данные, приведенные в табл. 36, необходимо отметить, что коэффициенты распределения, близкие к 1,0, характерны для гравелистых крупнозернистых или чистых кварцевых песков, а также при большом содержании катионов, особенно кальция, в загрязненных водах (плотный остаток вод составляет десятки граммов на 1 л); значения же коэффициента распределения больше 10,0 свойственны пылеватым мелкозернистым пескам., У обычных разнозернистых песков с небольшим содержанием пы - леватых и глинистых частиц величины коэффициентов распределения обычно равны от 5,0 до 10,0 (при сорбции стронция-90 из пресных вод).
Из табл. 34 видно, что в природных условиях средние скорости инфильтрации воды в песках при проникновении в них атмосферных осадков в преобладающем большинстве случаев не должны превышать 0,1 см/сутки. Большие величины скорости инфильтрации, вероятно, могут наблюдаться лишь в отдельных ограниченных районах, в которых имеется совпадение ряда условий, благоприятствующих этому (большое количество выпадающих атмосферных осадков, ровный рельеф поверхности земли, отсутствие почвенного покрова и т. д.), или в пределах понижений поверхности земли, собирающих поверхностный сток с окружающей территории.
Таким образом, в наиболее часто встречаемых природных условиях СССР зона аэрации, сложенная обычными разнозернистыми песками, мощностью 4—6 м является существенной защитой от проникновения с инфильтрирующимися атмосферными осадками растворимого стронция-90 в грунтовые воды с загрязненной поверхности земли.
Однако когда породы представлены хорошо фильтрующими крупнозернистыми кварцевыми песками или чистым гравием, а также галечником, обладающими низкими сорбционными свойствами, и имеются условия, благоприятствующие усиленной инфильтрации атмосферных осадков, то заметное проникновение растворимого стронция-90 в грунтовые воды через десятки лет после разового загрязнения поверхности земли можно ожидать и при мощности зоны аэрации, равной первым десяткам метров.
Иная картина будет наблюдаться при затоплении поверхности земли загрязненными поверхностными водами. Так, значительное проникновение растворимого стронция-90 с инфильтрирующимися водами возможно в пойменных участках, периодически заливаемых загрязненными речными водами. В качестве примера можно привести данные А. Н. Марея (Радиационная гигиена, т. II, 1962) по удельной активности песка, залегающего на берегу экспериментального прудика (табл. 37). Этот берег непродолжительное время был затоплен загрязненной водой.
Таблица 37 Распределение продуктов деления урана в песках на периодически затопляемом берегу
|
Из табл. 37 видно, что радиоактивные - вещества (в основном растворимый стронций-90) за небольшой период проникли в значительных концентрациях на глубину более 1,4 м. Вопросы вертикальной миграции стронция-90 при полном заполнении пор пород более подробно рассматриваются в следующей главе.
Материал, изложенный выше, был посвящен определению движения стронция-90 с водами, инфильтрующи - мися с поверхности земли. Из сорбируемых радиоактивных веществ этот элемент имеет лучшую миграционную способность и поэтому при решении санитарных вопросов распространение его может быть принято максимальным
Пределом возможного движения других сорбируемых радиоактивных продуктов деления. Однако загрязнение поверхности земли может быть обусловлено и радиоактивными элементами, которые не поглощаются горными породами, как, например, радиоактивные изотопы серы, молибдена, рутения и йода, а также ураном.
Из радиоактивных веществ, плохо сорбируемых почвами и породами, практический интерес для загрязнения подземных вод представляет уран. Как и в естественных условиях, уран в источниках загрязнения может находиться в двух формах: четырехвалентной и шестивалентной.
В настоящее время вопросу миграции естественного урана в подземных водах посвящена большая литература, связанная с изучением урановых оруденений в горных породах и с разработкой методов, поисков и разведки его месторождений (А. Й. Германов и А. А. Сауков, 1955; А. И. Германов, С. Г. Батулин и др., 1959; А. Н. Токарев, А. В. Щербаков, 1956; Е. В. Рожкова, Е. Г, Разумная, 1959; Л. С.Евсеева, А. И. Перельман, 1962, и др.). Из материалов, приведенных в указанной литературе, видно, что в водах, движущихся в почвах и покровных породах, имеются все условия для сохранения подвижной шестивалентной формы урана, так как эти воды богаты растворенными кислородом и углекислотой, вследствие чего среда в них является окислительной. В этой среде уран очень хорошо мигрирует в карбонатных и сульфатных водах. Таким образом, на распространение шестивалентного урана в водах зоны аэрации, сложенной песчаными породами, влияют только гидрогеологические факторы (скорость инфильтрации, активная пористость пород, разбавление незагрязненными водами и т. д.).
Когда воды, загрязненные шестивалентным ураном, проникают через глинистые почвы и породы, то некоторое количество его может осаждаться в них. Осадителями урана в этих случаях могут быть органические вещества, силикагель, гидроокись марганца, двухвалентное железо, особенно сульфиды железа и сами глинистые минералы (монтмориллонит и каолинит). Поэтому при проникновении загрязненных вод через указанные породы может происходить некоторое уменьшение в этих водах урана, который лучше сорбируется из сульфатных вод, чем из гидрокарбонатных. Как правило, интенсивное осаждение урана из подземных вод происходит в зоне перехода окислительной обстановки и восстановительную,