黃 力，賈 超，徐玉良，賈佳佳

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061）

降雨對(duì)核素在包氣帶中的遷移影響及工程防護(hù)

黃 力，賈 超，徐玉良，賈佳佳

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061）

以某內(nèi)陸核電站為例，模擬了核電站放射性收集箱破裂時(shí)，核素泄露經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水的過程，研究了降雨對(duì)核素在包氣帶中遷移的影響，并提出相應(yīng)的工程措施，為核事故后果影響評(píng)估和應(yīng)急工作提供了科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)陸核電；降雨；包氣帶；核素遷移；工程防護(hù)

核電作為一種清潔、經(jīng)濟(jì)和高效的能源，在滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不斷增長(zhǎng)的能源需求，保障能源供應(yīng)與安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，提升我國(guó)綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力、工業(yè)技術(shù)水平都具有重要意義［1］。近期，我國(guó)陸續(xù)迎來核電發(fā)展的新階段，若干內(nèi)陸核電站即將開工建設(shè)。為了更好地了解核素在巖土介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，研究降雨對(duì)核素在包氣帶中遷移影響很有必要。

目前關(guān)于降雨對(duì)核素在包氣帶中遷移的研究較少。吳曉艷、熊正為和彭小勇等［2］研究考慮降雨隨季節(jié)變化明顯的特點(diǎn)，研究了鈾尾礦庫(kù)周邊放射性核素在地下水中的遷移擴(kuò)散規(guī)律。左自波、張璐璐和王建華［3］采用有限元數(shù)值分析的方法，研究了無降雨、連續(xù)降雨和間斷降雨條件下土體非飽和帶中孔隙水壓力和含水量變化及污染物的遷移規(guī)律。李洪、李鑫鋼和黃國(guó)強(qiáng)等［4］考慮降雨和蒸發(fā)的影響，分析有機(jī)污染物在土壤滲流區(qū)氣相、液相和固相中的傳質(zhì)過程，運(yùn)用Hydrus-2D研究了苯在滲流區(qū)土壤中的遷移規(guī)律。王春曉、張兆吉和費(fèi)宇紅等［5］以甲苯為研究對(duì)象，采用原位土柱物理模擬試驗(yàn)，通過降雨與土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)及土壤和土壤氣體取樣分析，研究了降雨條件下土壤中甲苯多相運(yùn)移規(guī)律。

本文以某內(nèi)陸核電站為例，考慮了核素衰變作用和吸附作用，研究了核電站事故工況下，降雨對(duì)核素在包氣帶中的運(yùn)移規(guī)律，并根據(jù)研究結(jié)果提出了工程應(yīng)對(duì)措施，為核事故后果影響評(píng)估和應(yīng)急工作提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)條件

某內(nèi)陸核電站廠址附近區(qū)域總體地勢(shì)為西北較高東南較低，廠區(qū)多為丘陵剝蝕地貌和山間溝谷堆積地貌，地層巖性主要為第四系強(qiáng)、中或微風(fēng)化基巖構(gòu)成。廠區(qū)附近范圍內(nèi)地下水主要來源于降雨補(bǔ)給，最終匯入廠區(qū)東北部和東南部河流，且周邊無大規(guī)模取水工程。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。

1.2 水文地質(zhì)模型

建立研究區(qū)水文地質(zhì)模型，如圖1。

圖1 研究區(qū)數(shù)值模型

核電站廠址的東部和北部被河流環(huán)繞，均可視為定水頭邊界；西部為分水嶺，西南邊界線與勘測(cè)資料所得的地下水流向平行，可概化為無流量邊界。

地層巖性從上向下為回填土層、第四系沖積層、強(qiáng)風(fēng)化基巖層和中—微風(fēng)化基巖層，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。

研究區(qū)地層概化為2層，回填土層和第四系沖積層為第1層，強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化為第2層，模型底部邊界為微風(fēng)化基巖層上表面，為不透水邊界。

1.3 參數(shù)選擇

研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)主要來自于劉永等［6］的研究成果，其中彌散度和滲透系數(shù)由研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)水文鉆孔實(shí)驗(yàn)和抽水實(shí)驗(yàn)確定初值，后根據(jù)12個(gè)觀測(cè)井中的實(shí)測(cè)水頭校準(zhǔn)。其余參數(shù)根據(jù)地層類型和巖性，采用工程類比法確定。各地層水文地質(zhì)參數(shù)最終取值如表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)取值

土壤水分特征曲線采用van Genuchten經(jīng)驗(yàn)公式，各地層土壤水分特征參數(shù)取值 （α和n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）如表2。

表2 土壤水分特征參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 理論基礎(chǔ)

放射性核素在地下水中遷移過程中受到對(duì)流、彌散、吸附和衰變作用的影響。其中衰變速率由核素半衰期確定，地質(zhì)介質(zhì)對(duì)核素的吸附模式采用線性等溫吸附模式。核素在地下水中的遷移控制方程如式（1）：

式中 θ為地下介質(zhì)的孔隙度，無量綱；Ck為物質(zhì)k的溶解濃度（ML-3）；t為時(shí)間（T）；xi，xj分別為沿x，y坐標(biāo)軸的距離（L）；Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量（L2T-1） ；vi為滲流或線性孔隙水流速度（LT-1）；qs為單位體積含水層源匯的體積流量 （T-1）；Cks為源匯流中物質(zhì)的濃度（ML-3）；ΣRn為吸附項(xiàng)（ML-1）；I為放射性衰變項(xiàng)（ML-1）。

2.2 包氣帶厚度計(jì)算

本文旨在研究核素在包氣帶中的遷移規(guī)律，故以研究核素縱方向的遷移為主，又因核素在地下水流場(chǎng)方向上橫向影響范圍最大，所以取經(jīng)過廠址的地下水流場(chǎng)方向的縱剖面為研究區(qū)域。

通過相關(guān)的氣象資料，邊界條件和地層劃分等條件，反演出包氣帶的厚度和地下水潛水位。假定某一狀態(tài)為初始狀態(tài)，在上述源匯項(xiàng)作用下進(jìn)行計(jì)算，最終地層中達(dá)到飽和含水率的區(qū)域趨于穩(wěn)定，則可認(rèn)為達(dá)到相應(yīng)飽和體積含水率的區(qū)域即為飽和帶，飽和帶以上為包氣帶。計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 廠區(qū)包氣帶與飽和帶分布

由圖2可知，廠區(qū)附近第二層全部區(qū)域與第一層最底層區(qū)域均達(dá)到了相應(yīng)地層的飽和體積含水率，可視作為飽和帶，其上部分為包氣帶。廠址下方包氣帶厚度為10m。

2.3 核素遷移計(jì)算

2.3.1 源項(xiàng)設(shè)計(jì)

假定某收集箱破裂，84.8m3廢液全部泄漏，不考慮地基對(duì)放射性廢液泄漏的延遲作用。收集箱中所有的放射性物質(zhì)作為直接進(jìn)入地下水的源項(xiàng)，該假設(shè)對(duì)于分析估計(jì)事故影響偏保守。源項(xiàng)的釋放時(shí)間為72h，72h后核事故應(yīng)急干預(yù)措施會(huì)阻止放射性物質(zhì)的進(jìn)一步釋放。

由于90Sr半衰期較長(zhǎng)，對(duì)地下水影響時(shí)間較長(zhǎng)，選取90Sr為典型核素，研究降雨對(duì)90Sr核素在包氣帶中遷移的影響。90Sr的相關(guān)參數(shù)如表3。

表3 流出物收集箱核素量

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)規(guī)定，生活飲用水中總的β放射性標(biāo)準(zhǔn)為1Bq/l［7］。不考慮環(huán)境固有放射性的前提下，90Sr放射性活度1Bq/l時(shí)，對(duì)應(yīng)濃度2.2×10-12mol/m3，用該濃度值作為核素遷移距離和影響指標(biāo)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 降雨條件下90Sr運(yùn)移結(jié)果分析

90Sr在降雨情況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)移過程如圖3，廠址處地下監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化如圖4。

由圖3和圖4可知：①在3萬d時(shí)，90Sr已運(yùn)移到廠址處地下10m監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，開始檢測(cè)到濃度；②在10萬d時(shí)，90Sr的影響區(qū)域到達(dá)了飽和帶，然后在地下水流場(chǎng)的作用和地層介質(zhì)的吸附作用共同影響下，向北部河流以較快的速度運(yùn)移；③在15萬d時(shí)，放射性核素的濃度中心到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度出現(xiàn)峰值，接著隨著濃度中心的繼續(xù)向下運(yùn)移，離開監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度開始降低；④第20萬d時(shí)，污染物的影響范圍如圖3D，此時(shí)核素進(jìn)入基巖層的最大濃度為2.74×10-11mol/m3（12.5Bq/l），經(jīng)過包氣帶的延遲作用，此時(shí)濃度中心的濃度為初始濃度的1.42%。

圖3 90Sr模擬濃度分布

圖4 廠址處地下監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化

2.3.3 隔絕降雨條件下90Sr運(yùn)移結(jié)果分析

為研究降雨的影響，把污染源周邊40m范圍內(nèi)的地表區(qū)域設(shè)置成不透水邊界，其他條件不變，最終計(jì)算結(jié)果如圖5。

對(duì)比圖3和圖5可知：

（1）隔絕降雨后污染源不受周邊區(qū)域降雨入滲的影響，與無措施相比，90Sr基本上僅在垂直方向運(yùn)移，水平方向上的影響范圍很小，無措施在計(jì)算期末的水平運(yùn)移距離為20m，隔絕降雨條件下計(jì)算期末的水平運(yùn)移距離為5m。

圖5 隔絕降雨90Sr遷移濃度分布

（2）隔絕降雨后90Sr垂直方向上的遷移速度較無工程措施時(shí)有所減小，在10萬d時(shí)，無工程措施的情況下，90Sr的影響范圍已進(jìn)入飽和帶，達(dá)到1，2層的分界線，而隔絕降雨情況下，90Sr的影響范圍剛進(jìn)入飽和帶。

（3）在計(jì)算期末，90Sr的濃度遷移范圍都進(jìn)入了飽和帶，并運(yùn)移到第2含水層，但隔絕降雨條件下，90Sr進(jìn)入第2含水層的深度和影響范圍均較小。

由圖3和圖5中4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，90Sr濃度中心的最大值（見圖3和圖5中右上角標(biāo)注值）得到圖6。

圖6 90Sr不同時(shí)間最大濃度對(duì)比

由圖6可知：

（1）不同時(shí)間的90Sr運(yùn)移影響范圍最大濃度在隔絕降雨后均有所降低，1萬d時(shí)隔絕降雨后的最大濃度較未無措施時(shí)降低了約50%；

（2）隨著時(shí)間推移，隔絕降雨影響逐步減小，在計(jì)算期末，兩種情況下90Sr遷移分布的最大濃度基本相等。

綜上可知，隔絕降雨通過改變90Sr的運(yùn)移速度梯度，從而改變了運(yùn)移影響范圍的整體分布的均勻程度，核素總量并未改變。另外，由于廠區(qū)處于污染中心，對(duì)于放射性煙羽干濕沉降造成的面源污染，隔絕降雨也可防止?jié)舛茸畲蟮拿嬖次廴緟^(qū)域的核素隨降雨入滲，進(jìn)而污染地下水。

3 工程防護(hù)

基于以上計(jì)算結(jié)果可知，降雨對(duì)核素在包氣帶中的遷移具有較明顯的促進(jìn)作用，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中可采取以下措施：

（1）對(duì)廠區(qū)周圍一定區(qū)域內(nèi)地面進(jìn)行水泥硬化，或者鋪設(shè)瀝青路面，防止降雨入滲對(duì)核素遷移產(chǎn)生加速作用，從而降低地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)還可避免放射性煙羽通過干濕沉降降落到地面污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對(duì)地面進(jìn)行硬化時(shí)應(yīng)該注意設(shè)置排水系統(tǒng)，避免對(duì)地表水產(chǎn)生影響。如有需要還可對(duì)放射性活度較大的雨水進(jìn)行收集處理，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后再向環(huán)境中排放。

（3）在核應(yīng)急過程中，對(duì)于廠區(qū)外較遠(yuǎn)，放射性核素又容易聚集的區(qū)域，可臨時(shí)通過注射化學(xué)物質(zhì)使其固結(jié)或噴灌混凝土等方法，降低地基土的透水性，防止放射性核素入滲進(jìn)入地下水，并對(duì)匯集的放射性污水進(jìn)行收集處理。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）以某內(nèi)陸核電站為典型案例，計(jì)算了核電站廠區(qū)周圍地下水流場(chǎng)和包氣帶的厚度，在此基礎(chǔ)上考慮核素的衰變和吸附作用，研究了降雨對(duì)核素在包氣帶中遷移的影響。同時(shí)從工程防護(hù)的角度提出了相應(yīng)的工程措施。

（2）降雨會(huì)加快核素在包氣帶中的遷移速度，在隔絕降雨條件下，在計(jì)算期末90Sr遷移的深度和影響范圍均較小。隔絕降雨通過改變90Sr的運(yùn)移速度梯度，從而改變了運(yùn)移的影響范圍的整體分布的均勻程度，核素總量并未有所改變。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際工程中可采用對(duì)核電站周邊區(qū)域進(jìn)行路面硬化，設(shè)置排水系統(tǒng)和核事故應(yīng)急時(shí)采取緊急硬化等措施緩解降雨對(duì)核素遷移的影響。

［1］趙小輝，鄒樹梁，劉永.內(nèi)陸核電發(fā)展形勢(shì)分析［J］.南華大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）， 2012（3）：1-7.

［2］吳曉艷，熊正為，彭小勇，等.降雨對(duì)鈾尾礦庫(kù)地下水中核素遷移影響的模擬研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013（1）：92-96.

［3］左自波，張璐璐，王建華.降雨條件下非飽和土中污染物遷移的數(shù)值模擬 ［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（S1）：1347-1352.

［4］李洪，李鑫鋼，黃國(guó)強(qiáng)，等.降雨蒸發(fā)條件下滲流區(qū)污染物遷移的數(shù)值模擬［J］.化學(xué)工程， 2007（9）：51-54.

［5］王春曉，張兆吉，費(fèi)宇紅，等.降雨對(duì)土壤中甲苯運(yùn)移影響的初步研究［J］.西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015（5）：146-152.

［6］劉永，毛亞蔚，鄭偉，等.地下水模型系統(tǒng)GMS在核電廠地下水核素遷移數(shù)值模擬中的應(yīng)用 ［J］.輻射防護(hù)，2015（4）：221-226.

［7］GB 5749—2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.

The effect of rainfall on the migration of nuclide in the unsaturated zone and engineering protection

HUANG Li，JIA Chao，XU Yu-liang，JIA Jia-jia
（School of Civil Engineering， Shangdong University， Jinan 250061， China）

Based on an inland nuclear power plant， this paper simulated radioactive nuclide transport from the collection tank to groundwater， and studied the influence of rainfall on radionuclide migration in the unsaturated zone， and put forward the corresponding engineering measures.The research provides a scientific basis for nuclear accident consequence impact assessment and respond work.

inland nuclear； rainfall； unsaturated zone； nuclide transport； engineering measures

P641.131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9900（2017）06-0042-05

2017-08-03

黃 力（1992-），男（漢族），湖北武漢人，碩士研究生，主要從事地下水環(huán)境和輻射防護(hù)方面的研究工作，（Tel）17865131229。

尹健婷）