Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Основные типы потоков подземных вод

По условиям формирования и динамики, что во многом определяет характер возможного поступления радиоактив­ных веществ, а также миграцию их в подземных водах, водоносные горизонты разделяются на два основных типа: ненапорные (грунтовые) и напорные (артезианские).

Основной особенностью грунтовых вод является то, что они имеют непосредственное питание атмосферными осад­ками и поверхностными водами, вследствие чего сравни­тельно легко уязвимы для поверхностных загрязнений. В свою очередь грунтовые воды по условиям возможного питания подразделяются на воды, приуроченные к участ­кам, удаленным от рек и других открытых водоемов, и на воды, находящиеся в участках, расположенных вблизи рек или других водоемов.

Грунтовые воды первых участков преимущественно встречаются на междуречных возвышенных пространствах. В основном питание их происходит путем местной инфильт­рации атмосферных осадков. Местное питание обусловли­вает го, что одним из возможных источников поступления радиоактивных веществ в грунтовые воды может быть по­верхность земли, загрязненная этими веществами.

Кроме того, радиоактивные загрязнения могут попадать в грунтовые воды непосредственно при случайных утечках радиоактивных растворов из подземных коммуникаций, при удалении в землю твердых радиоактивных отходов или при устройстве поглощающих колодцев, траншей и т. д.

Грунтовые воды участков, находящихся вблизи рек и других открытых водоемов, большей частью приурочены к аллювиальным, озерным и морским пескам или к трещино­ватым скальным породам. Кроме инфильтрации атмосфер­ных осадков, питание грунтовых вод, находящихся в указанных участках, может происходить за счет притока речных вод. Поэтому источниками загрязнения грунтовых вод радиоактивными веществами в рассматриваемых участ­ках, кроме тех, которые были отмечены ранее, для участков, расположенных на водораздельных пространствах, могут быть загрязненные речные воды или загрязненные воды других открытых водоемов.

Напорные (артезианские) воды не имеют непосредствен­ного питания атмосферными осадками и поверхностными водами, а пополняются из других водоносных горизонтов путем медленной нисходящей или восходящей фильтрации подземных вод через толщи относительно водоупорных пород или из отдаленных областей питания. В зависимости от рельефа поверхности земли, развития гидрографической сети и геологического строения выделяются области пита­ния и районы дренирования артезианских вод.

В областях питания, приуроченных к возвышенным формам рельефа, наряду с перемещением вод по водонос­ному пласту имеет место нисходящая фильтрация их из одного водоносного горизонта в другой. Поэтому в областях питания всегда имеется потенциальная возможность за­грязнения артезианского горизонта с поверхности земли. Однако, прежде чем попасть в артезианский горизонт, по­верхностные загрязнения должны проникнуть и в вышеле­жащие водоносные горизонты. Вследствие этого проникно­вение в артезианский горизонт поверхностных радиоактив­ных загрязнений затруднено и практически возможно лишь при очень сильном загрязнении грунтовых вод и вод выше­лежащих напорных водоносных горизонтов на больших территориях. Более реально непосредственное загрязнение артезианских вод через поглощающие скважины.

Районы дренирования артезианских (напорных) вод приурочены к пониженным участкам долин основных рек, а также к озерным впадинам и к морским побережьям. В отличие от областей питания в районах дренирования артезианские воды имеют восходящее движение из одного водоносного горизонта в другой. Поэтому здесь условия для проникновения поверхностных радиоактивных загрязнений в артезианские водоносные горизонты весьма затруднены. Только в тех случаях, когда пьезометрические уровни воды в артезианских водоносных горизонтах в районах дрениро­вания снижены откачкой ниже уровня поверхностных и грунтовых вод или когда радиоактивные растворы через специальные скважины закачиваются под большим давле­нием, может отмечаться местное загрязнение напорных вод.

В зависимости от типа подземных вод и характера дви­жения их в водоносном горизонте решаются гидродинамиче­ские задачи, позволяющие установить количественные взаимосвязи между различными, параметрами подземных потоков. Во многих случаях эти количественные взаимосвя­зи можно использовать при решении санитарно-гндрогеоло - гических вопросов.

Для прогнозирования содержания радиоактивных ве­ществ в загрязненных подземных водах необходимо знать время, в течение которого вода пройдет путь от очага за­грязнения до выбранных точек или сечения потока, а также в отдельных случаях степень разбавления воды, содержа­щей радиоактивные вещества, не загрязненной водой естественных потоков. Зависимость времени движения воды от других параметров выражается уравнениями, которые
для различных типов подземных потоков неодинаковые. Далее для некоторых основных типов указанных потоков приводятся уравнения, выражающие эту зависимость. Ряд уравнений заимствован из имеющихся литературных работ (Г. Н. Каменский, 1943; В. Н. Щелкачев и Б. Б. Ла - пук, 1949; И. А. Чарный, 1956, и др.); другие же явля­ются преобразованными уравнениями известных фор­мул подземной гидродина­мики.

Плоский равномерный подземный поток постоян­ной мощности. В этом пото­ке частицы воды движутся с постоянной скоростью по прямым, параллельным друг другу траекториям. Приме­рами таких потоков являют­ся плоское движение воды в артезианском пласте посто­янной мощности (рис. 1) или движение грунтовой во­ды по наклонной поверхно­сти водоупорных пород от совершенной поглощающей прямолинейной галереи бес­конечной длины, заложенной параллельно берегу откры­того водоема (рис. 2). В этих

Условиях время движения воды от первого до второго сече­ния может быть определено по следующему уравнению:

Уклон зеркала поверхности воды в подземном потоке подставляя эту величину в уравнение 1-4, по-

Лучаем:

Как будет видно далее, уравнения (1-4, 1-5 и 1-6) могут использоваться для ориентировочных расчетов и в других более сложных случаях движения подземных вод.

Плоский неравномерный подземный поток непостоянной мощности (рис. 3). В естественных условиях потоки подоб­ного типа встречаются очень часто.

А — вертикальный разрез по линии АВ-, 6 — план участка потока; t — водоносные породы; 2 — водо­упорные породы; 3 — направление движения воды; 4 — статический уровень воды; 5 — гндроизогипсы; 6 — поглощающая галерея; 7 — открытый водоем; 1—первое поперечное сечение потока; //— второе поперечное сечение потока.

Для ориентировочного определения времени движения грунтовой воды от одного поперечного сечения до другого можно использовать уравнения (1-4, 1-5 и 1-6), так как обычно падение уровня воды (АН—Hi—#2) составляет очень небольшую часть мощности этого горизонта.

Грунтовые воды имеют облегченные условия местного питания за счет инфильтрации атмосферных осадков, а иногда и поверхностных вод. При значительной инфильт­рации атмосферных осадков расход плоского потока грун­товых вод по мере их движения постепенно увеличивается.

Рис. 3. Схема движения воды в плоском не­равномерном грунтовом потоке.

А — вертикальный разрез по линии АВ; б — план участка потока; I —- водоносные породы; 2 — водо­упорные породы; 3 — направление движения воды; 4 — статический уровень воды; S — гндронзогипсы; / — первое поперечное сечение потока; II — второе поперечное сеченне потока.

Если необходимо учитывать это, то время движения воды от I до II сечения (рис. 4) можно определить по следующе­му уравнению:

T = hl^Ei + Яг1 lg і і о-

Уинф \ Яі

Где: Vинф — средняя скорость инфильтрации атмосферных осадков;

Qx — расход воды через начальное сечение потока (сечение 1).

В неограниченном плоском грунтовом потоке, питаю­щемся за счет инфильтрации атмосферных осадков, могут возникнуть затруднения в определении величины ц\. Эту величину приближенно можно определить, если на неболь­шом расстоянии выше по потоку от сечения I известен уро­вень грунтовых вод Н0 (рис. 4), тогда:

1 — схема движения воды при работе водозаборной скважины; JI — схема движения воды при работе поглощающей скважины; а — вертикальные разрезы потоков; 6 — планы участков потоков; 1 — водоносные породы;

2 — водоупорные породы; 3 — направление движения воды; 4 — ненару­шенный пьезометрический уровень воды; 5 — динамический уровень

Воды.

Вопросы разбавления загрязненных грунтовых вод чис­тыми инфильтрующимися атмосферными осадками или на­оборот рассматриваются в главе VI.

Радиальный подземный поток постоянной мощности ха­рактеризуется тем, что настицы воды в горизонтальной плоскости движутся в нем не параллельно друг другу, а по радиусам, идущим от-одного центра; следовательно, попе­речные сечения этого потока представляют собой поверх­ности цилиндров. По мере движения воды площадь этих поверхностей изменяется. Радиальный поток является не­равномерным: чем дальше от его центра, тем меньше ско­рость движения воды в нем.

Радиальный поток воды постоянной мощности возника­ет в напорном (артезианском)- водоносном. горизонте в окружении работающих артезианских водозаборных или поглощающих скважин и является очень распространенным случаем движения подземных, вод. При работе 'водозабор­ной скважины вокруг них пьезометрический уровень воды понижается и поверхность этого уровня образует так назы­ваемую депрессионную воронку, имеющую форму конуса с вершиной, направленной вниз (рис.. 5, /). В окружении по­глощающих скважин пьезометрический уровень подземных вод повышается (рис. 5, //). Поверхность уровня у погло-

А

\\\\\\\w ШшШ

Рис. 6. Схема расположения рабочей части скважины

В водоносном горизонте. а — артезианский водоносный горизонт; б — водоносный гори­зонт грунтовых вод; 1 и 3 — совершенные скважины; 2 н 4— несовершенные скважины.

Щающей скважины образует повышение, по форме и разме­ру тот же конус, как у водозаборных, но повернутый в другую сторону.

Так как настоящая работа посвящена вопросам мигра­ции радиоактивных веществ в подземных водах при их за-
грязненин, то далее скважины рассматриваются как погло­щающие, через которые в водоносный горизонт вводятся радиоактивные растворы.

Движение подземных вод и распространение в них радиоактивных веществ в окружении поглощающих сква­жин зависит не только от природных гидрогеологических условий, но и в значительной мере от типа, количества, расположения, конструкции и производительности погло­щающего устройства. По расположению рабочей части по­глощающего устройства в водоносном горизонте разли­чают (рис. 6):

А) совершенные скважины или колодцы, забой (дно) которых доведен до подошвы водоносного горизонта;

Б) несовершенные скважины или колодцы, у которых забой находится выше подошвы водоносного горизонта.

В рассматриваемом радиальном потоке время движения воды t от поглощающей совершенной скважины до любого поперечного сечения потока может быть определено по уравнению (1-9):

T==lВЦ**-,?) (1-9)

Или

V Х-*- с-10)

Где: Q — расход водозаборной или поглощающей скважины;

Цх — расстояние (радиус) выбранного сечения от поглощающей сква­жины; г0 — радиус скважины; т — мощность водоносного горизонта.

При решении многих "задач радиусом г0 можно прене­бречь, так как его величина несоизмеримо меньше рас­стояния Rx.

Уравнение (1-9) получено из допущения, что ненару­шенная поверхность естественного пьезометрического уров­ня представляет собой горизонтальную плоскость, т. е. до работы поглощающей или водозаборной скважины движе­ние воды в водоносном горизонте отсутствует. В природной обстановке такие условия встречаются редко, так как почти всегда в водоносном горизонте происходит перемеще­ние подземных вод, и пьезометрическая поверхность уровня понижается по естественному их потоку. Однако величина падения поверхности естественного пьезометрического уровня обычно является небольшой, поэтому и при наличии
естественного движения подземных вод во многих случаях можно использовать уравнения (1-9 и 1-10) для получе­ния достаточно надежных результатов.

Если пьезометрический уровень ненарушенного плоско­го естественного потока имеет значительное падение, то траектории, по которым движутся частицы воды от погло­щающей или к водозаборной скважине, не представляют

I и

Рис. 7. Схема движения воды в радиальном подземном

Потоке непостоянной мощности, I — схема движения воды при работе водозаборной скважины; И — схема движения воды при работе поглощающей сква- жниы; а — вертикальные разрезы потоков; б — планы участ­ков потоков; 1 — водоносные породы; 2 — водоупорные по­роды; 3 — направление движения воды; 4 — ненарушенный статический уровень воды; 5 — динамический уровень шоды.

Собой прямые линии (см. рис. 32). В этих случаях можно установить границы расстекания воды от поглощающей скважины или границы области питания водозаборной скважины (см. главу VI). За пределами этих границ не будет наблюдаться влияние поглощающей скважины на состав подземных вод, а источники загрязнения, располо­женные за их пределами, не могут влиять на состав воды в водозаборной скважине.

Радиальный подземный поток непостоянной мощности образуется при работе поглощающей или водозаборной скважины, заложенной на водоносный горизонт грунтовых вод. В отличие от потока артезианских вод мощность
потока грунтовых вод меняется в различных сечениях (рис. 7). Когда водоупорная подошва водоносного горизон­та грунтовых вод представляет собой горизонтальную по­верхность, то изменение мощности этого горизонта в раз­личных сечениях Am равно падению уровня воды в этих же сечениях потока АН.

Время движения воды между выбранной точкой ради­ального потока грунтовых вод и скважиной не может быть точно определено уравнениями гидродинамики, так как эти уравнения не поддаются решению. Однако для приближен­ного определения указанного времени можно использовать уравнения (1-9 и 1-10), подставляя вместо величины m среднюю мощность водоносного горизонта #ср. Если вели­чина падения уровня воды АН и изменения мощности в радиальном потоке является небольшой по сравнению с мощностью водоносного горизонта #Ср, то использова­ние этих уравнений не приводит к большим ошибкам. Когда же имеет место значительное падение уровня воды и уменьшение мощности, радиальный поток разбивается на отдельные интервалы. По каждому интервалу, используя уравнение (1-9), производится расчет времени движения вод At между двумя сечениями, ограничивающими этот интервал:

М^^-ІА-гЬ, (мі)

Где: Ні — средняя мощность водоносного горизонта в пределах одного ин-

Ях + Яа

Тервала: Ht = --------- ^----- ;

Ги г2, Нь Я2— расстояние сечений от скважины, ограничивающих выбранный интервал, и мощность водоносного горизонта в этих сече­ниях.

Общее время движения воды в изучаемом потоке будет равно:

T = M! + M2.................................................. Ч - Ш,

Где:

1, 2 ..., п—порядковый номер интервала.

Чем больше количество интервалов, на которые разби­вается радиальный поток, тем точнее определяется общее время движения воды.

Почти во всех гидрогеологических расчетах необходимо знать величины коэффициента фильтрации Кф и активной пористости, которая равна водоотдаче ц, пород. Точные зна­чения этих величин определяются на основании данных по­левых и лабораторных исследований в каждом отдельном случае. Но для ориентировочных расчетов в табл. 3 указа­ны приближенные значения этих величин. Однако необхо­димо отметить, что для условий движения загрязненных вод в скальных трещиноватых породах данными этой табли­цы следует пользоваться очень осторожно.

Приведенные в настоящем параграфе уравнения для определения времени движения воды получены из рассмот­рения простых схем подземных потоков в условиях устано­вившегося движения подземных вод. В действительности природные гидрогеологические условия более сложны. Наряду с задачами, которые можно решать уравнениями, отражающими установившееся движение подземных вод,

Могут возникнуть условия неустановившегося движения этих вод, когда расход и другие параметры меняются во времени, как, например, при инфильтрации атмосферных осадков во время дождей или при непостоянном количестве загрязненных растворов, удаляемых в поглощающие сква­жины, или в случае изменения уровня загрязненной поверх­ностной воды, подсасываемой водозаборной скважиной, и т. д. Кроме того, для точных решений необходимо учиты­вать не только естественные гидрогеологические условия, но и характер и расположение поглощающих или водозабор­ных сооружений. В этих случаях должны применяться специальные гидродинамические методы решения. Однако приведенные здесь уравнения могут служить основой для приближенного определения времени движения воды и во многих сложных случаях движения подземных вод (см. главы V и VI).