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).

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

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.

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,