Влияние радиоактивного загрязнения

При расчетах использовались средние значения скорости оттока, начиная с 1996 г, имеющиеся среднегодовые экспериментальные данные. Расчеты показывают, что концентрации 90Sr и 137Cs принимают максимальные значения в начальный момент времени (физически соответствующий окончанию первоначального заполнения полости взрыва водой) и затем плавно спадают. Такое поведение радионуклидов обусловлено процессами их десорбции из зоны столба обрушения и дробленой породы и, как следствие, истощением пыле-аэрозольного источника. Экспериментально такое явление наблюдается в первые годы после взрыва, после момента окончания заполнения полости водой [79].

В настоящее время выше представленная модель широко используется при проведении прогнозных расчетов в подразделениях НЯЦ РК. Результаты данных по многолетнему радионуклидному мониторингу штольневых водотоков показали, что наблюдаемые штольни можно разделить на две группы (рис. 33).

Рисунок 33. Сравнение экспериментальных (черная линия) и расчетных данных

Для штолен 104, 165, 503 и 609 результаты моделирования хорошо совпадают с экспериментальными данными. Это можно объяснить тем, что практически весь объем воды, вытекающий из штольни, омывал столб обрушения и зону дробления и трещиноватости. Для остальных штолен (176, 177, 511) расчеты расходятся с экспериментальными данными [80].

Расхождение результатов моделирования и экспериментальных данных может быть вызвано недостаточно изученным механизмом формирования системы циркуляции воды, образующейся за счет трещинных вод и атмосферных осадков. Формирование этой системы к настоящему времени не закончено, поэтому возможно исчезновение (или появление) водных потоков и изменение их интенсивности.

Таким образом, предварительные прогнозные оценки, сделанные на основе современных знаний и данных, показывают, что в подземных водах горного массива Дегелен, выходящих за пределы центральных зон ПЯВ, в отсутствии резких изменений будет происходить медленное уменьшение концентрации 90Sr и 137Cs и слабое увеличение в течение 100 лет концентрации 239+240Рu [77].

4.2.2 Оценка влияния природных и техногенных сорбционных систем на процессы миграции техногенных радионуклидов с подземными водами на площадке «Дегелен»

Результаты исследований показали, что по условиям образования и степени радиоактивного загрязнения можно выделить два типа подземных вод. К первому типу отнесены штольневые воды с высокой концентрацией 137Cs, 90Sr и плутония. Ко второму типу отнесены поровые и трещинные воды. Данный тип характеризуется высокой концентрацией трития, при этом концентрации остальных радионуклидов находятся на уровнях предельно низких концентраций, в большинстве случаев находятся ниже значений МДК.

Существенное различие концентраций радионуклидов в штольневых и порово-трещинных водах свидетельствует о том, что в настоящее время происходит перераспределение радиоактивных продуктов ядерных взрывов из центральных зон в межгорные долины. Таким образом, геологические среды на СИП являются одним из основных объектов окружающей среды, которые определяют характер развития радиоэкологической обстановки, связанной с миграцией радионуклидов с подземными водами.

Расчет общей активности радионуклидов адсорбированных в сорбционных системах горного массива Дегелен

На площадке «Дегелен» можно выделить две основные геологические сорбционные системы, это скальные горные породы зон необратимых деформаций и рыхлые отложения межгорных равнин (рис. 34).

Рассмотрим схематизацию сорбционной системы массива скальных горных пород, вмещающих зоны необратимых деформаций. Существенно неоднородное деформирование реальной геологической среды не позволяет в деталях проанализировать и учесть характер распространения радионуклидов при каждом подземном ядерном взрыве. В связи с этим, для оценки сорбционной эффективности данной системы создана обобщенная модель, учитывающая наиболее общие для всех объектов закономерности. Исходя из того, что в горном массиве Дегелен ядерные взрывы проведены в штольнях, из которых 124 пройдены в гранитах и 45 в породах среднего и основного составов, сорбционные расчеты проведены с учетом различных типов пород.

Для проведения расчета были приняты следующие условия и допущения:

Основным источником радионуклидов являются зоны необратимых деформаций, где радионуклиды находятся в аэрозольно-пылевой форме.

Для расчетов рассмотрен взрыв ядерного заряда на основе 239Pu мощностью 20 кт. В результате взрыва наработано радионуклидов 90Sr - 0,5*1014 Бк и 137Cs - 1,3*1014 Бк. Исходя из того, что в аэрозольно-пылевой форме может содержаться до 30 % 90Sr и 137Cs, то окончательно в аэрозольно-пылевой форме находится 90Sr - 1,5*1013 Бк и 137Cs - 4,0*1013 Бк.

Сорбционная емкость гранита по 137Cs равна 3,4 кБк/м2, по 90Sr - 0,3 кБк/м2. Сорбционная емкость диорита к 137Cs 37 кБк/м2 к 90Sr 3,2 кБк/м2. В результате адсорбции 137Cs сорбируется в фиксированной форме на граните 22 %, а на диоритах до 80 %; 90Sr сорбируется в фиксированной форме на граните 12 %, а на диоритах до 33 %

Данные по сорбционным свойствам гранита и диорита по отношению к 137Cs приняты по результатам полученных нами данных. Для 90Sr приняты расчетные данные, представленных в работе [52].

В сорбционную систему входят две объемно-пространственные области.

Область №1 охватывает столб обрушения и зону дробления. В границах данной зоны горные породы разрушены до уровня отдельных обломков (рис. 35).

Рисунок 34. Схема зон необратимых деформаций

Суммарная сорбционная поверхность обрушенной горной породы определена из расчета того, что средний размер одного обломка породы равен ~40 см (средние диаметры образцов составили ~60 см для опыта Хардхэт и около 20 см для опытов Хэндкар) [31, 32].

В пределах области №2 сорбционным элементом являются плоскости петрогенетических и техногенных трещин. Область включает в себя зону интенсивной трещиноватости, зону блоковой трещиноватости и зону локальных необратимых проявлений.

Из практики работ на горном массиве Дегелен известно, что количество трещин в монолитных блоках горных пород ненарушенных техногенным воздействием меняется в широком диапазоне значений от 4-6 до 20 трещин на м2, а в зонах влияния тектонических нарушений их количество может превышать 100 трещин на м2. С учетом этого для создания расчетной системы возьмём для зоны интенсивной трещиноватости, с учетом новообразованных техногенных трещин, 80 трещин на м2, для зоны блоковой трещиноватости 30 трещин на м2, а для зоны локальных необратимых проявлений 20 трещин на м2. Таким образом, в расчетной системе принимаем для зоны интенсивной трещиноватости 160 м2 на 1 м3, для зоны блоковой трещиноватости 60 м2 на 1 м3, и для зоны локальных необратимых проявлений 40 м2 на 1 м3.

Для расчета объемов зон необратимых деформаций использованы формулы (7) и (8).

В таблице 14 представлены результаты расчетов значений площади сорбционной поверхности для каждой зоны и количество радионуклидов адсорбированных в каждой зоне.

Таблица 14 - Результаты расчета зон и количества адсорбированных радионуклидов в горном массиве Дегелен

Наименование зоны, площадь	Активность радионуклидов адсорб. в гранитах	Активность радионуклидов адсорб. в диоритах
	137Cs, Бк	90Sr, Бк	137Cs, Бк	90Sr, Бк
Зоны дробления и столба обрушения, 2,9*106 м2	0,2*1010	0,01*1010	8,6*1010	0,3*1010
Зона интенсивной трещиноватости, 1,5*107 м2	1,1*1010	0,05*1010	44,4*1010	1,6*1010
Зона блоковой трещиноватости, 9,7*107 м2	7,2*1010	0,3*1010	287*1010	10,2*1010
Зона локальных необратимых проявлений, 1,6*108 м2	12,0*1010	0,6*1010	474*1010	16,9*1010
Всего площадь зон: 2,7*108 м2	20,5*1010	1,0*1010	814*1010	29,0*1010
ВСЕГО наработано	1,9*1016	1,5*1016	1,9*1016	1,5*1016

По результатам расчетов в штольне, пройденной в граните активность адсорбированных радионуклидов составляет для 137Cs - 9,18*1011 Бк, из них 20,5*1010 Бк в фиксированной форме и по 90Sr - 0,81*1011 Бк, из них всего 1,0*1010 Бк в фиксированной форме. В штольнях, пройденных в горных породах среднего и основного составов количество адсорбированных радионуклидов для 137Cs равно 99,9*1011 Бк, из них 814*1010 Бк в фиксированной форме, для 90Sr - 8,64*1011 Бк, из них 29,0*1010 Бк в фиксированной форме.

Эффективность сорбционной системы становится очевидной при сопоставлении значений 137Cs и 90Sr, рассредоточенных в зонах необратимых деформаций и полученных значений адсорбированных радионуклидов в фиксированной форме.

Результаты исследований показывают, что в результате «вымывания» радионуклидов штольневыми водами происходит постепенное перераспределение радионуклидов из центральных зон ПЯВ в речные долины. Понижение концентрации радионуклидов в водных потоках подземных вод свидетельствует о наличии сорбционной системы рыхлых отложений и высокой ее эффективности.

Поступление штольневых вод в рыхлые отложения обусловлено тем, что центральные зоны ПЯВ находятся выше межгорных долин с разницей абсолютных отметок от 10 до 50 м. В данном случае основная часть потока движется через рыхлые грунты, что способствует более эффективному очищению воды от радионуклидов.

Для оценки эффективности сорбционной системы в рыхлых отложениях проведены расчеты с использованием следующих данных.

Объем рыхлых отложений речных долин в пределах границ горного массива Дегелен равен 3,4*107 м3 или 5,8*1010 кг.

Сорбционная емкость рыхлых отложений по отношению к 137Cs равна 5200 Бк/кг, к 90Sr 385 Бк/кг

В таком случае рыхлые отложения горного массива Дегелен способны адсорбировать 137Cs 3,2*1014 Бк и 90Sr 2,7*1013 Бк

Таким образом, сопоставление данных таблицы 14 и вышеприведенного расчета показывает, что сорбционная система рыхлых отложений межгорных долин значительно эффективнее, чем система зон необратимых деформаций: по 137Cs в 1,0*105 раз и в 1,4*105 раз по 90Sr чем граниты; а для диоритов в 2,0*103 раз эффективнее по 137Cs и 90Sr. Следует иметь в виду, что в самом массиве Дегелен на пути движения грунтовых штольневых вод также имеются рыхлые отложения, которые выполняют определенную барьерную роль по отношению к радионуклидам.

На основании проведенных расчетов, можно говорить о том, что с учетом радиоактивного распада, весь наработанный в результате взрывов 137Cs и 90Sr будут адсорбированы из штольневых вод рыхлыми отложениями речных долин в пределах границ горного массива Дегелен (рис. 36).

Рисунок 35. Горный массив Дегелен. Распределение 137Cs, 90Sr в рыхлых отложениях

Подтверждением наличия сорбционной системы рыхлых отложений межгорных долин послужили результаты исследований, проведенные в пределах основной водной артерии горного массива Дегелен русла ручья Узынбулак, представленные в следующем разделе.

4.2.3 Заверочные полевые исследования

Заверочные полевые исследования проводились для подтверждения и уточнения теоретических расчетов миграции радионуклидов с подземными водами. С учетом выше представленных расчетов можно утверждать, что штольневые воды являются основным носителем радионуклидов в поровые и трещинные подземные воды, выходящих за пределы гор Дегелен. Характер перераспределения радионуклидов из штольневых вод в трещинные и поровые воды достаточно детально изучался на двух участках, расположенных в пределах русла ручья Узынбулак [54]. Общая методология работ состояла из бурения гидрогеологических скважин вдоль русла ручья, вытекающего из штольни 104 с последующим отбором проб для лабораторных анализов.

Участок №1. Бурение скважин проведено по двум створам VI и VII (рис. 37). Основной задачей работ по створу VII являлось изучение загрязнения подземных вод двигающихся по основному руслу ручья Узынбулак. Скважины на створе VI бурились для изучения характера миграции радионуклидов в потоке подземных вод двигающихся от штольни 104. Глубина скважин на створах VI и VII не превышает 4,5 м. Уровень грунтовых вод установлен на глубине 0,6-1,9 м.

Рисунок 36. Схема расположения гидрогеологических скважин в районе штольни 104

Результаты анализа проб из наблюдательных скважин показали, что в потоке подземных вод в пределах скважины 20, концентрация 137Cs находится ниже предела обнаружения, а концентрация 90Sr не превышает 0,8 Бк/кг. Аналогичная картина отмечена по скважинам 21 и 22, которые расположены вниз по потоку от скважины 20 на расстоянии 1 км и 1,5 км соответственно. Концентрация 137Cs составила от <2,0 до 2,5 Бк/кг, 90Sr до 0,4 Бк/кг. Более высокие значения концентрации трития в скважине 20 (140 кБк/кг по сравнению с 90кБк/кг в скважине 21 и 22) вероятнее всего, связан с поступлением загрязненных поровых вод по левому притоку ручья Узынбулак.

В скважинах 18 и 19, находящихся в зоне водотока из штольни 104 концентрация радионуклидов, как и в предыдущих скважинах, была очень мала: 90Sr до 0,8 Бк/кг и 137Cs <2,0 Бк/кг.

Полученные данные свидетельствуют о достаточно высокой сорбционной емкости рыхлых отложений, заполняющих речные долины массива Дегелен, понижающих концентрацию стронция и цезия в 100 раз. Таким образом, практически, полная очистка подземных вод от техногенных радионуклидов (кроме трития) происходит в непосредственной близости от штольни [54].

Участок №2 расположен в районе выхода ручья Узынбулак за пределы гор Дегелен (рис. 38).

1-Позднесилурийские отложения; 2-Верхнечертветичные отложения; 3-Неогеновые отложения; 4-Почвенно-растительный слой; 5-Дресва; 6-Песчаник; 7-Галечник; 8-Глина; 9-Базальт; 10-Гранит; 11-Водоносный горизонт; 12-Гидрогеологическая скважина.

Рисунок 37. Участок 2. Геологический разрез по створу скважин 13-12

Для изучения трещинных вод на участке было пробурено 2 колонковых скважины (16 и 17) глубиной до 40 м, для изучения поровых вод пробурены две шнековые скважины (13 и 12) глубиной до 10 м (рис. 36). Общие данные по скважинам представлены в табл. 15.



Таблица 15 - Общие данные по гидрогеологическим скважинам участка № 2

№	Номер скв.	Глубина скважины	Уровень подземных вод, м	3Н, кБк/кг	137Cs, Бк/кг	90Sr, Бк/кг
1	16	45,5	2,85	40	<2	0,1
2	17	43	2,9	10,4	-	0,1
3	12	4,1	1,6	-	-	-
4	13	4,5	1,3	110	<2	0,5

Скважины 16 и 17 вскрыли зону экзогенной трещиноватости палеозойского фундамента на глубине 37 и 44 м, соответственно. Уровень трещинных вод в скважинах находится на глубине 2,9 м. Результаты анализов показали, что концентрация 137Сs и в подземных водах находится ниже уровня минимально детектируемой активности (МДА), 90Sr от 0,1 до 0,5 Бк/кг. Концентрация 3Н в поровых водах достигает 130 кБк/кг. В то же время в подземных трещинных водах, вскрытых под глинами неогена (скважины 16 и 17) на данном участке, 3Н присутствует в количестве от 10 до 40 кБк/кг, что ниже, чем в других водах Дегелена, что указывает на отсутствие связи между этими типами вод на данном участке.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На основе проведенных исследований, можно утверждать, что в обозримом будущем повышения концентрации радионуклидов 90Sr и 137Cs в потоках подземных вод, выходящих за границы горного массива Дегелен не ожидается. Существенного повышения концентрации 239+240Рu так же не будет в связи с его высокими сорбционными свойствами.

Основным искусственным радионуклидом в подземных водах в настоящее время и в ближайшем будущем будет являться тритий. Существенного повышения концентрации трития в подземных водах не предполагается в связи с тем, что в течение десятилетия поступление трития из центральных зон ПЯВ имеет относительно стабильный характер. Значит, каналы миграции загрязненных тритием вод окончательно сформировались, и в обозримом будущем будет наблюдаться постепенное снижение концентрации трития в связи с его радиоактивным распадом, а так же в связи с постепенным истощением основного источника. При этом стоит учитывать, что в районе гор Дегелен существуют благоприятные условия инфильтрации. Т.е. в связи с отсутствием сплошного покрова рыхлых слабопроницаемых отложений, происходит постоянное поступление в подземные воды атмосферных осадков, что приводит к снижению концентрации трития, вплоть до безопасных уровней для питьевой воды.

Для оценки возможного поступления загрязненных подземных вод из мест проведения ядерных испытаний на СИП к области региональной разгрузки - реке Иртыш, рассмотрим основные возможные пути поступления техногенных радионуклидов с подземными водами.

Одним из основных возможных путей поступления загрязненных подземных вод с площадки «Дегелен» в воды реки Иртыш является направление движения подземных вод регионального бассейна (северо-северо-восточное).

Для оценки времени возможного поступления загрязненных техногенными радионуклидами подземных вод в воды реки Иртыш воспользуемся данными, полученными при проведении гидрогеологических исследований в рамках детальной разведки месторождения Караджал. Месторождение Караджал расположено в северной части площадки «Дегелен». Расчет проведем для радионуклида - трития. Тритий перемещается с подземными водами в виде тритиевой воды и не сорбируется вмещающими горными породами. По результатам гидрогеологических исследований максимальная скорость перемещения подземных вод в районе месторождения составляет 2,5 м/сутки. Таким образом, при данной скорости движения подземных вод и расстояния от площадки «Дегелен» до реки Иртыш равного 120 км, получим расчетное время перемещения подземных вод на данном участке более 100 лет. Имея в виду то, что со дня проведения первого ядерного взрыва на площадке «Дегелен» прошло почти 40 лет, то загрязненные тритием подземные воды с площадки «Дегелен» могут появиться в районе реки Иртыш примерно через 70 лет. С учетом радиоактивного распада, а также разубоживания трития за счет поступления атмосферных осадков в подземные воды, то время поступления загрязненных вод будет значительно дольше.

4.3 Площадка «Балапан»

Основными радионуклидами, которые в настоящее время определяют радиоактивное загрязнение подземных вод, являются “долгоживущие” радионуклиды: 3Н, 90Sr, 137Cs и 239+240Pu, наработанное количество которых является самым большим. Из них тритий обладает самыми высокими миграционными свойствами, поскольку он входит в состав воды и не сорбируется горными породами. Плутоний почти на 100% после ПЯВ сосредоточен в радиоактивном расплаве в пределах котловой полости. Из чего следует, что в настоящее время, в основном, 90Sr и 137Cs лежат в основе проблемного вопроса радиационной безопасности, как и куда они мигрируют с подземными водами и какую опасность они представляют для окружающей среды. По результатам оценок, в результате проведения ПЯВ на площадке «Балапан», наработано 90Sr 1,5Ч1016 и 137Cs 1,9Ч1016 Бк. С другой стороны данные многолетнего радионуклидного мониторинга подземных вод на площадке «Балапан» показали, что на большей части территории площадки концентрации 90Sr и 137Cs не превышают допустимых значений для питьевой воды. В связи с этим, встает законный вопрос, где сосредоточены основные запасы этих радионуклидов и какое их распространение ожидает в обозримом будущем.

В рамках настоящего раздела проведена прогнозная оценка площадного и временного характера распространения 90Sr и 137Cs на площадке «Балапан».

4.3.1 Анализ структуры фильтрационного потока на площадке «Балапан»

Анализ структуры фильтрационного потока выполнен с целью определения основных возможных путей перемещения загрязненных техногенными радионуклидами потоков подземных вод из ЦЗ ПЯВ в пределах площадки «Балапан» [53]. Методика анализа построена на сопоставлении имеющегося материала и включает:

- создание единой системы представления картографической информации

- создание электронной базы данных по буровым скважинам;

- анализ особенностей поверхностного стока;

- анализ особенностей подземного стока.

Обработка исходных данных выполнена с привлечением геоинформационных технологий. Пространственное распределение параметров, характеризующих поверхностный и подземный сток, нашло отражение на картах изолиний, полученных с использованием процедур автоматизированного построения.

Система представления картографической информации

Имеющийся картографический материала собран в единую систему средствами настольной геоинформационной системы MapInfo, имеющей удобный интерфейс регистрации растровых изображений разнообразных графических форматов в системе географических координат и гибкий инструмент управления наиболее популярными и часто используемыми картографическими проекциями.

Электронная база данных по буровым скважинам

Создание электронной базы данных по буровым скважинам преследовало основную цель: получить общий источник координатно-привязанной информации по скважинам для построения электронных карт в единой системе географических координат. Необходимость такого подхода продиктована тем, что исходные данные по скважинам находятся в различных, не связанных между собой, таблицах.

Анализ структуры поверхностного стока

Для анализа структуры поверхностного стока использована цифровая модель рельефа опытной площадки Балапан, построенная средствами программного комплекса SURFER. В качестве исходных данных этой модели использованы значения абсолютных отметок рельефа дневной поверхности, определенные в точках заложения буровых скважин и хранящиеся в электронной базе данных. На рис. 39 показана цифровая модель рельефа опытной площадки «Балапан», построенная в изолиниях абсолютных отчеток с сечением через 2 м.

Рисунок 38. а) Локальные направления и интенсивность поверхностного стока; б) цифровая модель сглаженного рельефа опытной площадки Балапан в изолиниях; в) региональное направление и интенсивность поверхностного стока. Точками показано положение буровых скважин

Выявить направление поверхностного стока помогает векторная карта, показанная на рис. 39 а, стрелки отражают локальные направления поверхностного стока, а их длина характеризует величину уклона поверхности и, следовательно, косвенно указывает скорость поверхностного стока.

Анализ структуры подземного стока

Для анализа структуры подземного стока использована цифровая модель уровненной поверхности подземных вод в пределах опытной площадки «Балапан», построенная средствами программного комплекса SURFER. На рис. 40 показана цифровая модель напоров подземных вод в пределах площадки «Балапан», построенная в изолиниях абсолютных отчеток уровней подземных вод с сечением через 2 м.

Рисунок 39. а) Цифровая модель распределения напоров подземных вод в пределах опытной площадки «Балапан», сечение гидроизогипс и гидроизопьез 2 м; б) цифровая модель распределения напоров подземных вод в пределах опытной площадки «Балапан», сечение гидроизогипс и гидроизопьез 2 м. Стрелки отражают локальные направления фильтрационного потока. Точками показано положение буровых скважин

Показанное на рис. 40а распределение величин гидростатического напора, дает возможность оценить направление подземного стока. Сравнение характера распределения напоров с отметками рельефа показывает, что в общих чертах просматривается хорошая степень согласованности региональных направлений поверхностного и подземного стока в общем направлении на северо-восток. Это важное обстоятельство вполне однозначно свидетельствует о наличии местного инфильтрационного питания подземных вод. В качестве региональной дрены в данном случае выступает долина р.Иртыш, а область питания приурочена к возвышенным участкам поверхности в юго-западной части площадки.

Исходя из этой предпосылки, можно перейти к анализу скоростей фильтрации и расходов потока подземных вод на площадке «Балапан». Ключевым параметром для этого является величина гидравлического уклона фильтрационного потока. Результат показан на рис. 41а и 41б, где представлена карта скоростей фильтрационного потока.

Рисунок 40. а) Распределение скоростей фильтрационного потока. Закрашены площади, на которых скорость менее 0,005 м/сут; б) распределение скоростей фильтрационного потока. Закрашены площади, на которых скорость более 0,005 м/сут

Завершает анализ структуры фильтрационного потока карта (рис. 42а и 42б), на которой показано распределение расчетных величин расходов потока подземных вод.

Рисунок 41. а) Распределение расходов фильтрационного потока. Закрашены площади, на которых расход менее 1 м3/сут; б) распределение расходов фильтрационного потока. Закрашены площади, на которых расход менее 2 м3/сут.



Подготовительные вычисления для построения этой схемы выполнены путем умножения скоростей фильтрационного потока на значение мощности водоносной зоны. [53].

4.3.2 Расчет активности137Cs и 90Sr адсорбированных в блоках горных пород вмещающих центральные зоны ПЯВ на площадке «Балапан»

Результаты проведенной схематизации фильтрационного потока подземных вод показали, что на большей части территории площадки «Балапан» расходы потоков подземных вод близки к своим средним и достаточно низким (по абсолютной величине) значениям. Иначе говоря, представляют собой область транзита подземного потока. Максимальные величины расхода наблюдаются в южной части площадки, где и по другим косвенным признакам локализуется область питания подземных вод.

Таким образом, обработка исходных данных по буровым скважинам с использованием геоинформационных технологий позволила выявить основные характеристики подземного стока. Региональный фильтрационный поток направлен от области питания, расположенной в юго-западной части площадки к области разгрузки, представленной долиной р. Иртыш.

В основу расчета общей сорбционной поверхности горных пород подвергшихся воздействию ПЯВ на площадке «Балапан» положен тот факт, что в результате физико-механического воздействия ударной волны ПЯВ на массив горных пород образуется ряд, описанных в литературном обзоре, различных зон необратимых деформаций. В данном случае, в качестве возможных «площадок» для сорбции радионуклидов из подземных вод рассматриваются поверхности обломков горных пород и поверхности плоскостей петрогенетических и техногенных трещин.

Расчетная система адсорбирования радионуклидов включает две отдельные взаимосвязанные расчетные области. В область №1 входит столб обрушения и зона дробления. Область № 2 включает: зону интенсивной трещиноватости, зону блоковой трещиноватости и зону локальных необратимых проявлений.

Область №1 выделена в отдельную расчетную систему в связи с тем, что зона дробления и столб обрушения значительно меньше по объему зон трещиноватости и горные породы в пределах этих зон разрушены до уровня отдельных обломков. Объем горных пород в столбах обрушения и зонах дробления определялся по формулам (7) и (8). Суммарная сорбционная поверхность обрушенной горной породы определена из расчета того, что средний размер одного обломка породы равен ~40 см (средневзвешенные диаметры образцов составили ~60 см для опыта Хардхэт и около 20 см для опытов Пайлдрайвер и Хэндкар).

Область № 2 (зона интенсивной трещиноватости, зона блоковой трещиноватости и зона локальных необратимых проявлений). Данные зоны необратимых деформаций выделены в отдельную расчетную систему. Это обосновано тем, что на площадке «Балапан» количество подземных ядерных взрывов, приходящихся на единицу площади, достаточно велико. В этом случае особенности геологических структур становится не основным фактором пространственной конфигурации механической деструкции горных пород. Точки расположения ядерных зарядов, расположены хаотически относительно этих структур и волны разрушения к ним подходили с разных направлений, что позволяет рассматривать данную геологическую среду достаточно изотропной и, в среднем, однородной. При таком предположении области деструкции горных пород будут определяться, в основном, только плотностью поглощенной механической энергии, поскольку при множестве силовых воздействий геологические структуры в механическом смысле постепенно "гомогенизируются" и теряют свою индивидуальность.

Исходя из изложенных предположений, для теоретической оценки степени пространственной разрушенности горных пород представляется логичным использование модели сильного точечного взрыва, разработанного Седовым (1946 г.) и Нейманом (1947 г.) и описанного в современном виде в задаче о сильном взрыве. Решение данной задачи имеет центральную симметрию. Применительно к оценке деструкции горных пород на площадке «Балапан» с помощью отмеченной теории воспользуемся следующими рассуждениями: логично предположить, что степень деструкции (степень разрушенности) горных пород при взрыве находится в прямой зависимости от количества поглощенной средой механической энергии взрыва, т.е. удельная поглощенная энергия в любой точке геологической среды определяет относительную разрушенность горных пород в данной точке [78].

Для создания расчетной схемы были сделаны следующие физические предположения:

1. Взрывы на участке производились последовательно во времени и не были взаимосвязаны по местоположению. От взрыва к взрыву геологическая среда все более механически гомогенизируется, становясь со временем все более квазиоднородной и квазиизотропной. После некоторого количества взрывов, последующие единичные взрывы вызывают центрально-симметричные разрушения. При этом первоначальная структурированность геологической среды перестает существенно сказываться на структуре поля разрушения участка земных недр.

2. Основным фактором, определяющим разрушение геологических пород при мощном ядерном взрыве, является ударная волна, фронт распространения которой от единичного взрыва, в первом приближении имеет центральную симметрию.

3. Для единичного взрыва время существования ударной волны связано с гидродинамической фазой развития взрывного процесса, поскольку плотность энергии за ее фронтом сопоставима с энергией разрушения пород и потому последние ведут себя как квазижидкость. В связи с этим кинетические характеристики ударной волны в горных породах принимаются аналогичными по структуре характеристикам политропного газа, описываемых теорией сильного взрыва Седова-Неймана.

4. Степень деструкции горных пород есть функция поглощения горными породами энергии ударной волны. Исходя из этих соображений, вычислена для единичного взрыва удельная плотность поглощенной энергии в каждой точке окружающего пространства. В результате чего стало возможным построить пространственное поле наведенной (деструктивной) пористости на площадке «Балапан» СИП непосредственно в значениях пористости. Общее же (суммарное, конечное) поле пористости было получено наложением естественных и поствзрывных полей и визуализировано с помощью программы «Surfer» на различных уровнях среза геологической среды.

Поле суммарной пустотности горных пород было получено в результате сложения полей исходной пористости и вторичной трещиноватости горных пород. Результаты вычислений визуализированы в виде серии погоризонтных планов. На рисунке (рис. 43 и рис. 44) приведены погоризонтные планы 100 и 400 м.

Рисунок 42. Суммарная пустотность горных пород. Горизонт 100 м. Площадка «Балапан»

Рисунок 43. Суммарная пустотность горных пород. Горизонт 400 -500 м. Площадка «Балапан»

Полученные данные о пространственном распределении суммарной пустотности горных пород сопоставлялись с имеющимися геолого-геофизическими данными по участку. Анализировались местонахождение, конфигурация аномальных зон, числовые значения. Установлено качественное согласие с имеющимися данными геолого-геофизических исследований. Показано, что наибольшая суммарная пустотность горных пород, т. е. наибольшая деструкция геологической среды изучаемой площадки, проявляется в ее средней части в окрестности скважин 1314 - 1304, 1344 - 1363. В относительно меньшей степени она проявляется в северо-западной части участка, в районе скважин 1203. С увеличением глубины, суммарная пустотность горных пород сначала растет вплоть до глубин 400 -500 м, а затем уменьшается. Максимальное значение пустотности в аномальных зонах деструкции горных пород составляет ~20 %, минимальная ~1-2 % - за пределами мест взрывов [78].

Для проведения расчетов сорбционной поверхности массива горных пород приняты следующие соотношения:

- зоны со значениями эффективной пористости от 7 до 20 % соответствуют зоне интенсивной трещиноватости;

- зоны от 3 до 7 % соответствуют зоне блоковой трещиноватости;

- зоны от 0 до 3 % соответствуют зоне локальных необратимых проявлений.

Для создания расчетной системы возьмём для зоны интенсивной трещиноватости, с учетом новообразованных техногенных трещин, 80 трещин на м2, для зоны блоковой трещиноватости 30 трещин на м2, а для зоны локальных необратимых проявлений 20 трещин на м2. Таким образом, в расчетной системе принимаем для зоны интенсивной трещиноватости 160 м2 на 1 м3, для зоны блоковой трещиноватости 60 м2 на 1 м3, и для зоны локальных необратимых проявлений 40 м2 на 1 м3. Расчет мелкой пылеобразной фракции, которая обладает высокой сорбционной способностью не проводился, т.к. нет такой методики, но сорбция радионуклидов на ней будет давать существенный вклад в центральной и ближней зонах.

Общие пространственные границы расчетной области консервации радионуклидов определим следующим образом (рис. 33, 34)

Южная граница. В южной части площадки «Балапан» расположена зона питания подземных вод. Данное обстоятельство говорит в пользу того, что миграции загрязненных подземных вод в южном направлении от «боевых» скважин, расположенных в южной части площадки, не происходит. Исходя из чего, трассу южной границы расчетной области правомочно провести по линии расположения «боевых» скважин расположенных в пределах южной границы площадки «Балапан» (1354, 1353, 1388, 1352, 1350, 1348, 1346).

Западная граница. В пределах западной границы площадки также расположена зона питания подземных вод. Движение подземных вод в западном направлении от площадки почти не происходит, за исключением зон влияния Калба-Чингизкого и Чинрауского региональных разломов. В связи с тем, что характер миграции радионуклидов по зонам разломов изучен слабо, то в расчетную схему данный фактор не включаем. Таким образом, западная граница расчетной области, как и в южной, проведена по линии расположения «боевых» скважин в пределах западной части площадки «Балапан».

Восточная граница. Восточная граница начинается от скважины 1346 и далее проходит до скважины 1004 («Атомное» озеро). Затем до северной границы проходит по руслу реки Шаган.

По результатам данных соотношений построены погоризонтные планы (рис. 45).

Рисунок 44. Площадка «Балапан». Схема зон природно-техногенной сорбционной системы в погоризонтных планах

Расчет суммарной площади сорбционной системы проводился так же как для площадки «Дегелен». Результаты расчета зон и количества адсорбированных радионуклидов представлены в таблице 16.

Таблица 16 - Результаты расчета зон и количества адсорбированных радионуклидов на площадке Балапан

Наименование зоны, площадь	Активность радионуклидов адсорбированных в горных породах
	137Cs, Бк	90Sr, Бк
Зоны дробления и столба обрушения, 1,2*109 м2	0,04*1015	0,001*1015
Зона интенсивной трещиноватости, 2,0*1011 м2	5,9*1015	0,2*1015
Зона блоковой трещиноватости, 1,1*1013 м2	325,6*1015	11,6*1015
Зона локальных необратимых проявлений, 6,2*109 м2	0,2*1015	0,006*1015
Всего площадь зон: 11,2*1012 м2	3,3*1017	1,2*1016
Всего наработано в результате взрывов	2,8*1016	2,1*1016

Результаты расчетов показали, что выделенная природно-техногенная сорбционная система на площадке «Балапан» на поверхностях обломках горных пород и плоскостях трещин способна адсорбировать из подземных вод гораздо больше 137Cs, чем его наработано ПЯВ. Несколько меньше она способна адсорбировать90Sr.

На самом деле, в горном массиве площадки «Балапан» андезитовые порфириты составляют примерно 40%. Остальная часть объема площадки сложена осадочными метаморфизовынными породами: песчаниками, углисто-глинистыми алевролитами, реже углистыми сланцами с пропластками углей, обладающих высокой сорбционной способностью. В связи с этим, правомочно полагать, что результаты проведенных расчетов по оценке количества законсервированных 137Cs и 90Sr в определенной мере даже занижены.

4.3.3 Моделирование миграции 90Sr с трещинными подземными водами на площадке «Балапан»

Работы по математическому моделированию миграции 90Sr с трещинными подземными водами на площадке «Балапан» проведены в рамках проекта [53]. Для описания движения грунтовых вод была выбрана программа MOC3D. Эта компьютерная программа предназначена для расчета транспорта и дисперсии растворенного вещества в грунтовых водах, протекающих в пористых средах. Эта модель была развита в виде модуля для U.S. Geological Surveys (USGS) MODFLOW, предназначенного для расчетов движения грунтовых вод, и является одним из альтернативных методов для решения уравнения транспорта растворенных веществ, совместимых с MODFLOW. Эта модель, названная MOD3D, была создана вследствие модификации 2-D кода (MOC) , который был первоначально описан Кониковым и Бредехофтом (1978).

Эта модель используется для расчета концентраций растворенного вещества для случая 3-D - транспорта грунтовыми водами. Расчеты требуют одновременного решения двух дифференциальных уравнений в частных производных. Первое уравнение - это уравнение движения грунтовых вод, которое описывает распределение давления жидкости. Второе -уравнение транспорта растворенного вещества движущейся жидкости. Вследствие объединения этих уравнений, эта модель может быть применена как для стационарного, так и для переходного режимов. Целью расчетов в рамках этой модели является расчет концентрации растворенного вещества в любой точке пространства на любой момент времени.

Эта модель может быть применена для решения широкого круга полевых проблем. Однако, в модели присутствуют некоторые допущения и ограничения. MOC 3D применим для широкого спектра полевых проблем, включающих транспорт растворенного вещества, тем не менее в ряде случаев результаты расчетов могут оказаться неточными или использование данной модели может оказаться неэффективным. Эти случаи рассмотрены ниже.

Типы реакций, которые могут быть учтены в MOC 3D, ограничиваются реакциями первого порядка, такими как радиоактивный распад или непрерывными обратимыми сорбционно-десорбционными реакциями, удовлетворяющими линейным изотермам и постоянным коэффициентам распределения (Кd).

Концентрация радионуклидов в подземной полости

Важным параметром модели является функция источника, определяющая количество радионуклидов способных мигрировать с подземными водами и зависимость от времени их поступления в водоносные горизонты. Функция источника определяется многими факторами, мощностью взрыва, моделью подземной полости, типом грунта в котором был произведен подземный ядерный взрыв и т.д. В данном случае полагается следующая модель подземной полости: после взрыва образуется сферическая полость с диаметром, зависящим от мощности взрыва. Полость соединена с водоносным горизонтом колонной обрушения и заполнена водой за счет сообщения с водоносным горизонтом.

Концентрацию С радионуклида в воде подземной полости можно записать следующим образом:

(12)

где А - активность радионуклидов в полости;

V - объем полости;

- пористость полости (полость может быть не пустой, а иметь пористую структуру);

R - коэффициент уменьшения концентрации радионуклидов в воде за счет сорбции на породе:

, (13)

где - плотность породы;

Kd - коэффициент сорбции.

Зависящее от времени уравнение баланса для системы - полость заполненная водой с растворенными радионуклидами с учетом выноса потоками воды, сорбцией и радиоактивным распадом будет выглядеть следующим образом:

(14)

где - постоянная радиоактивного распада нуклида,

r - радиус полости.

Первый член в соотношении (14) представляет собой уменьшение концентрации нуклида вследствие радиоактивного распада, второй - пропорционален скорости Дарси vD и обратно пропорционален коэффициенту R и диаметру полости 2r и представляет собой изменение концентрации, связанное увлечением радионуклидов потоком воды и сорбцией радионуклидов в полости. Решением уравнения (14) будет:

(15)

где С0 - начальная концентрация нуклидов в воде, при t=0 и



(16)

Соотношение (16) позволяет рассчитать зависимость концентрации нуклидов в полости в зависимости от времени и использовать в качестве параметра для расчета транспорта радионуклидов в уравнении (12).

По представленным в данном разделе основополагающим уравнениям, описывающим миграцию радионуклидов с подземными водами, проведены оценочные расчеты миграции радионуклидов для площадки «Балапан».

В основных уравнениях был сделан ряд предположений, которые должны быть учтены до применения модели.

1. Закон Дарси выполняется и градиенты гидравлических напоров - единственно значимая движущая сила для движения жидкости.

2. Гидравлическая проводимость транспортной среды постоянна во времени. В случае, если система анизотропна, полагается, что главные оси тензора гидравлической проводимости ортогональны, и недиагональные компоненты тензора гидравлической проводимости равны нулю.

3. Градиенты плотности жидкости, вязкости и температуры не влияют на распределение скоростей.

4. Не существует таких химических реакций, которые влияют на свойства жидкости и транспортной среды.

5. Коэффициенты дисперсии постоянны во времени и транспортная среда изотропна по отношению к продольной дисперсии.

Эти предположения не должны привести к существенным погрешностям в результатах вычислений.

Гидродинамическое моделирование переноса радионуклидов подземными водами

Моделирование осуществлено на ПК с использованием программных средств MODFLOW/MODPATH (U.S.Geological Survey).

Программа MODFLOW применена для моделирования трехмерного потока подземных вод постоянной плотности в зоне полного насыщения.

Программа MODPATH позволяет отслеживать движение "частицы" воды с потоком подземных вод модельной гидрогеологической системы (начальное и заключительное положение, общее время передвижения и координаты траектории).

1. Модельная гидрогеологическая система охватывает территорию площадью более 770 тыс.км2, в пределах которой расположен площадка «Балапан».

2. В качестве исходных данных для гидродинамического моделирования использованы материалы региональных съемочных гидрогеологических работ в том числе:

- карта гидроизогипс водоносного горизонта территории,

- карта глубин залегания уровня грунтовых вод,

- результаты гидрогеологического опробования различных литологических разностей водовмещающих пород.

3. При схематизации природных гидрогеологических условий и обосновании модельной гидрогеологической системы проведено следующее упрощение геолого-гидрогеологических особенностей территории.

3.1. Территория модели представляет собой гидрогеологический массив трещинных подземных вод, питание которых происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и паводковых стоков местных рек - притоков р.Иртыш. Значительная расчлененность рельефа создает благоприятные условия питания и дренирования трещинных подземных вод в верхней части скальных эффузивно-терригенных и интрузивных палеозойских пород. Глубина обводненности кристаллических пород варьирует от 50-70 до 100 м и более , а значения коэффициентов фильтрации колеблются от 0,1-0,3 до 1,5-2,5 м/сут.

3.2. При гидродинамическом моделировании в целях упрощения расчетов не учтено:

- наличие в кровле обводненных трещиноватых пород локально развитых водоносных прослоев покровных рыхлых кайнозойских осадков;

- наличие зон региональных линейных разломов;

- наличие русел мелких поверхностных водотоков, которые могут оказывать местное дренирующее влияние на региональный поток подземных вод.

3.3. Подземные ядерные взрывы в пределах площади участка Балапан проводились довольно длительное время. Продукты их деления и активации, захороненные в недрах, большей частью аккумулируются стекловидной массой (расплавом). Особо важным моментом, характерным для подземных ядерных взрывов, является механическое дробление вмещающих горных пород, образование полости и зон деформаций, новой системы техногенной трещиноватости, раскрытие залеченных трещин, и, как следствие, изменение фильтрационных и водно-коллекторских показателей окружающих горных пород.

При подземном ядерном взрыве в массиве горных пород образуются следующие зоны деформаций, размеры которых зависят от мощности ядерного взрыва:

- собственно полость взрыва;

- зона дробления пород, представленная разрушенной до состояния дресвы и щебня исходной породой. Коэффициенты фильтрации в этой зоне достигают до 300 м/сут;

- зона интенсивной трещиноватости, которая характеризуется развитием открытой трещиноватости как по ранее существовавшим системам, так и по новым направлениям. Значения коэффициента фильтрации для зоны обычно изменяются в пределах 45-60 м/сут;

- зона блоковой трещиноватости, в которой развивается трещиноватость по ранее существовавшим трещинам, то есть происходит их раскрытие и обновление, степень трещиноватости при этом уменьшается от центра к периферии взрыва, а значения коэффициента фильтрации для зоны достигают 5-7 м/сут.

Движение подземных вод на площадке «Балапан».

На рис. 46 представлены результаты расчетов пьезометрических уровней, полученные с помощью программы MODFLOW. На этом же рисунке показана сетка, используемая для решения конечно-разностной задачи движения подземных вод. На рис. 47 представлены исходные пьезометрические уровни, используемые при моделировании. Сравнение рис. 46 и рис. 47 показывает, что качественно они схожи, но на рис. 46 наблюдается ряд особенностей заключающихся в наличии дополнительных источников и стоков, которые отсутствуют на рис. 47. Для приведения в соответствие исходных и расчетных данных необходимо провести калибровку модели. Для этого использован пакет программ PEST и UCODE. Хорошего соответствия расчетных и экспериментальных данных можно добиться и при фиксировании пьезометрических уровней для наиболее изученных в плане гидрологии, скважин, а возможно и бурении дополнительных гидрологических скважин.

На рис. 48 и рис. 49 представлены поля скоростей движения грунтовых вод и траектории движения частичек жидкости первоначально локализованных в ряде произвольно выбранных точек. Расчеты выполнены с использованием (MODFLOW и PMPATH).

На рис. 50 наряду с траекториями движения частичек жидкости в виде изолиний показаны значения скоростей движения жидкости. Из рис. 50 видно, что значения скоростей искажены в значительной степени на границах области моделирования. Диапазон скоростей течения жидкости при использованных в расчетах параметрах составляет от 0 до ~100 метров в год.

Следует отметить, что общая тенденция направления движения подземных вод на северо-восток правильно отражена на расчетных зависимостях траекторий скоростей течения жидкости.

Рисунок 45. Расчетные пьезометрические уровни подземных вод

Рисунок 46. Исходные пьезометрические уровни подземных вод, используемые в расчетах

Рисунок 47. Расчетные поля скоростей движения грунтовых вод на площадке «Балапан»



Рисунок 48. Траектории движения подземных вод из произвольно выбранных точек на площадке Балапан. Зеленые кружочки - начальное местонахождение частичек жидкости

Рисунок 49. Карта изолиний скоростей движения жидкости на площадке «Балапан»

Результаты моделирования миграции 90Sr с подземными водами на площадке «Балапан»

С использованием полученных значений скоростей течения жидкости были проведены расчеты миграции радионуклидов на площадке «Балапан» на примере радионуклида 90Sr. Данные расчеты можно рассматривать только как консервативную оценку, т.к. в расчетах не учитывался радиоактивный распад, что должно существенно уменьшить значения концентраций радионуклидов со временем, функции источника для всех скважин взяты одинаковыми и соответствуют максимальной мощности взрывов. Значения параметров, при которых проведены расчеты, приведены в табл. 17.



Таблица 17 - Значения параметров для проведения расчета миграции на площадке Балапан

	коэффициент распределения объемной сорбции	6.2*10-2
AL	продольная дисперсия	25*10-2 м
D	коэффициент диффузии в матрице породы	2.5*10-11м2/c
Kd	коэффициент распределения объемной сорбции	2.1*10-2м3/кг
	постоянная радиоактивного распада	-

Результаты расчетов зависимости концентраций 90Sr от времени при указанных значениях приведены на рис. 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57. Видно, что в начальный период времени распределение концентраций изменяется незначительно, существенное изменение следует ожидать к моменту ~100 лет после окончания проведения взрывов. Общая картина изменения со временем распределения концентраций стронция, как и следовало ожидать при сделанных приближениях, определяется течением жидкости (направлением и величиной скорости) - наблюдается “вымывание” в направлении северо-восток, т.е. в направлении преимущественного течения жидкости.

Рисунок 50. Распределение концентраций 90Sr через 10 лет



Рисунок 51. Распределение концентраций 90Sr через 20 лет

Рисунок 52. Распределение концентраций 90Sr через 40 лет

Рисунок 53. Распределение концентраций 90Sr через 50 лет

Рисунок 54. Распределение концентраций 90Sr через 100 лет



Рисунок 55. Распределение концентраций 90Sr через 200 лет

Рисунок 56. Распределение концентраций 90Sr через 300 лет

Результаты расчетов, приведенные на рисунках, дают представление об общем изменении распределения концентраций радионуклида с течением времени на изучаемой площадке. Для более детального исследования изменения концентраций со временем нами были выбраны контрольные точки 1-5 (рис. 58). Эти точки были выбраны произвольным образом и представляют наиболее представительные области площадки: точка 3 представляет собой место с максимальной концентрацией радионуклида в начальный момент времени (скважина, в которой был произведен взрыв), точка 4 - со средней концентрацией и точки 1, 2, 5 - с минимальными значениями концентраций в начальный момент, но в местах с разной скоростью течения жидкости. На рис. 59 представлены зависимости концентраций радионуклидов со временем в контрольных точках. Видно, что для точки 3 наблюдается уменьшение концентрации на всем временном интервале, связанное с "вымыванием" радионуклида подземным течением. Для точки 4 в начальный период времени концентрации радионуклида уменьшаются, но впоследствии возрастают, что объясняется течением загрязненных подземных вод с южной и юго-западной части площадки. И для точек 1, 2, 5 - наблюдается монотонный рост концентраций радионуклида до определенного периода времени и далее уменьшение концентрации, связанное с общим смывом радионуклидов. Данный подход дает возможность выбрать наиболее представительные точки наблюдения для организации станций мониторинга состоянием подземных вод.

Рисунок 57. Схема расположения произвольно выбранных контрольных точек на площадке «Балапан»

Рисунок 58. Зависимости от времени концентраций 90Sr в контрольных точках

В заключении следует отметить, что представленные результаты следует рассматривать как предварительные, выполненные расчеты являются оценочными и требуют уточнения, и корректировки в соответствии с экспериментальными данными как в части расчетов направления и скорости течения жидкости, так и в плане распространения радионуклидов с подземными водами.

...