劉興偉 王旭宏 呂濤 李星宇 夏加國

關(guān)鍵詞：近地表處置設(shè)施;水流特征;非飽和帶;Porflow;壓力水頭;流速;飽和度

伴隨我國“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的提出，核能作為清潔能源迎來了高速發(fā)展期。核能的利用不可避免將產(chǎn)生放射性廢物（絕大多數(shù)屬于低中放廢物），如何保證放射性廢物安全處置，往往是社會和公眾較為關(guān)心的問題。目前，我國對放射性廢物實施分類處置策略，低中放廢物實施近地表處置。在處置設(shè)施的安全評價中，需考慮少則幾百年多則數(shù)千年處置設(shè)施的長期安全。在長時間序列下處置設(shè)施系統(tǒng)部件（如處置單元內(nèi)水泥砂漿、混凝土單元）的性能會隨時間的推移而發(fā)生退化[1-2]，需進行變參數(shù)尺度下處置設(shè)施核素遷移模擬預(yù)測與評價。

在處置設(shè)施核素遷移模擬領(lǐng)域，國際上總體可分為兩類：一類基于庫室模型模擬核素遷移;另一類為基于精細(xì)化模型模擬核素遷移。對于庫室類模型以Ecolego[3]、GoldSim[4]軟件為代表，這類軟件屬于系統(tǒng)級軟件[5]，通?？赡M放射性核素遷移的完整途徑，含近場（廢物體及廢物處置單元周邊區(qū)域）、地質(zhì)圈和生物圈。將遷移途徑上的介質(zhì)概化為一個個庫室，如瑞典使用Ecolego軟件完成SFR處置庫長期安全評價[2]。但這類軟件為了能夠涵蓋不同圈層的遷移計算，對模型進行了高度概化，無法給出處置設(shè)施周圍環(huán)境的細(xì)節(jié)特征。對于精細(xì)化模型模擬以Porflow[6]、Hydrus、GMS、TOUGH系列[7]為代表，這類軟件通常關(guān)注核素在近場和地質(zhì)圈的遷移過程，能夠給出處置設(shè)施及周邊環(huán)境的細(xì)節(jié)特征，有助于處置設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計與相關(guān)材料性能研究，目前已在美國[8-9]、韓國[10]等得到廣泛應(yīng)用。

我國目前已完成的處置設(shè)施安全評價中主要以庫室模型為主[11-12]，雖然可以滿足安全評價需求，但無法給出處置設(shè)施周圍環(huán)境及處置設(shè)施內(nèi)部水流分布特征，不便于處置設(shè)施優(yōu)化設(shè)計。此外，處置設(shè)施系統(tǒng)部件（多為混凝土等人工材料）性能會隨時間推移而發(fā)生退化，導(dǎo)致滲透系數(shù)等特征參數(shù)發(fā)生變化，Hydrus、GMS等軟件目前很難進行長時間序列下變滲透系數(shù)問題的模擬，而Porflow軟件可進行變參數(shù)問題的模擬。本研究利用Porflow軟件給出我國處置設(shè)施關(guān)閉后處置功能部件性能退化條件下水流場及飽和度分布情況，為我國處置設(shè)施設(shè)計優(yōu)化及相關(guān)材料性能研究提供服務(wù)。

1計算原理及軟件

1.1非飽和帶計算原理

我國GB9132—2018規(guī)定近地表處置單元底板應(yīng)高于地下水水位，因此處置單元位于非飽和帶。非飽和帶的滲透系數(shù)與土壤基質(zhì)勢及含水量相關(guān)。本次模擬土壤基質(zhì)勢和含水量之間的關(guān)系選用非飽和帶模擬中常用的VanGenuchren模型[13]：

式中，ψm為土壤基質(zhì)勢;θ為體積含水量;θr為殘余含水量;θs為飽和含水量;α、m、n分別為土壤對應(yīng)的經(jīng)驗參數(shù)。

以基質(zhì)勢為自變量的形式：

1.2模擬軟件簡介

Porflow是由美國ACRi軟件公司開發(fā)的一款綜合性計算流體力學(xué)CFD（ComputationalFluidDynamics）工具（見圖1），可進行單相及多相流體耦合模擬，適于精細(xì)分析非穩(wěn)定或穩(wěn)定流體流動、非飽和、多孔或裂隙介質(zhì)中的動態(tài)相變等問題，支持自定義放射性衰變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、并行計算，可服務(wù)于地下水模擬和放射性廢物處置工程領(lǐng)域的專業(yè)設(shè)計與分析，已在國外得到廣泛應(yīng)用[6，9，14-15]。

2計算模型

2.1概念模型

本次模擬以我國某近地表處置場為例，該處置單元位于溝谷一側(cè)山腰處，地下水以松散巖類孔隙水為主，主要接受降雨入滲補給，向附近溪溝排泄或補給下伏基巖裂隙含水層，地下水位距離處置單元底板6.7m。本次研究重點關(guān)注處置設(shè)施關(guān)閉后處置系統(tǒng)功能部件隨時間演化下的水流特征。處置單元（用于處置放射性廢物的混凝土構(gòu)筑物，圖2中黃色區(qū)域所示）內(nèi)部凈尺寸25m×25m×8m，墻厚1m。廢物處置過程中向碼放廢物桶的處置單元內(nèi)澆筑水泥砂漿，將處置設(shè)施內(nèi)廢物桶與水泥砂漿概化為廢物體砂漿。處置設(shè)施關(guān)閉后對處置單元兩側(cè)使用回填材料回填至處置單元頂部高度，并在頂部填加覆蓋層。覆蓋層為高密度聚乙烯膜（high-densitypolyethylene，HDPE）、黏土層、砂層等組成的多層結(jié)構(gòu)[16-17]。處置單元底部設(shè)有集水管廊，關(guān)閉后使用水泥砂漿填充，處置設(shè)施關(guān)閉后剖面如圖2所示。

2.2模型邊界與剖分

選取處置單元中心剖面構(gòu)建二維水流模型，覆蓋層HDPE膜下部為模型頂部邊界，將覆蓋層滲漏量作為給定流量邊界，模型底部選取地下水位為給定水頭邊界，模型兩側(cè)取為隔水邊界（如圖3所示）。模型尺寸選取長50m，高17.8m。綜合考慮模擬計算需求及計算耗時，網(wǎng)格總體上采取均勻剖分，對處置單元及集水管廊區(qū)域采取局部加密處理。剖分后長103、寬104個網(wǎng)格，共計10712個網(wǎng)格（如圖3所示）。根據(jù)覆蓋層設(shè)計及水泥基材料性能退化過程，將模擬期劃分為3個階段（如表1、圖4所示），第一階段（0～150年）處置設(shè)施關(guān)閉，有極少量雨水入滲，水泥基材料（即混凝土單元和廢物體砂漿）處于良好狀態(tài);第二階段（150～300年）處置設(shè)施排水系統(tǒng)逐漸失效，覆蓋層功能逐漸失效，水泥基材料處于退化階段;第三階段（300～1000年）覆蓋層完全失效，水泥基材料完全失效。模型其他參數(shù)列于表2。

3結(jié)果與討論

3.1壓力水頭及流向分布

由水流場壓力計算結(jié)果圖5a可以看出，初始時刻（覆蓋層完成后）在無入滲的情況下處置單元及周邊回填材料處水流場整體上無差異，整體為非飽和狀態(tài)，上部壓力水頭較低，下部壓力水頭高，到達地下水水面處為0，同一高度壓力水頭相同，呈水平分布狀態(tài)，最大吸力（壓力水頭的相反數(shù)）為1773cm?？倓菽苌喜扛?，下部低。由流線可知，水流由上向下運動，處置單元區(qū)由于滲透系數(shù)較低（約為周圍回填土壤的千萬分之一），來自處置單元正上方水流受處置單元阻滯而發(fā)生偏移，向回填土壤區(qū)域偏移。而隨時間的推移，覆蓋層HDPE膜性能退化，導(dǎo)致降雨入滲量逐步增加，處置單元頂部壓力水頭逐步升高，呈現(xiàn)處置單元中間區(qū)域壓力水頭高于兩邊壓力水頭，處置單元頂板以下無明顯變化（圖5b）。流線與初始時刻基本相同，僅有微弱改變。

由水流邊界條件知，第150年后覆蓋層排水功能失效，覆蓋層入滲率由初始時刻的1.02×10-3cm/a，增加至0.1cm/a，同時水泥基材料混凝土和水泥砂漿性能退化，滲透系數(shù)增加，導(dǎo)致在處置單元區(qū)形成較低的壓力水頭。由流線可以看到處置單元下部（以集水管廊下部為主）出現(xiàn)水流上吸現(xiàn)象。在集水管廊區(qū)域出現(xiàn)駐點（即水流停滯點）（如圖6所示）。

對地下水上升區(qū)域總勢能進行分析，在上升區(qū)域取A（白色）、B（紅色）兩點（如圖7所示），取地下水面為基準(zhǔn)面。

總勢能A=重力勢能A+基質(zhì)勢（用壓力水頭表示）A=430+（-692）=-262cm。

總勢能B=重力勢能B+基質(zhì)勢（用壓力水頭表示）B=177+（-178）=-1cm。

B點總勢能高于A點總勢能，水流由勢能高點向勢能低點運動，與水流線的分布相符。

進一步從地下水流垂向分速度進行分析，由第151年垂向分速度（正值表示向上分量）分布可以看出（如圖8所示），垂向流速呈對稱分布，在處置單元底部兩側(cè)及地下集水管廊區(qū)域形成較大的地下水上升區(qū)域。隨著降雨入滲及地下水面對處置單元區(qū)域水分的補充，處置單元較低壓力水頭區(qū)域范圍逐漸變小，垂向分速度的最大值先變大后變小，第153年在集水管廊與處置單元通道處出現(xiàn)最大向上的垂向分速度0.72cm/a。隨后向上的垂向分速度范圍逐漸下移并縮小，相對高流速區(qū)主要集中在集水管廊及集水管廊下方。至第165年時向上的垂向分速度范圍被分為兩部分，呈左右對稱。至第170年時，向上的垂向分速度基本消失。

由圖9可以看出，在第300年～1000年期間總體壓力水頭均較關(guān)閉時刻及150年時刻高，總體在-800～-100cm區(qū)間。主要原因是300年后覆蓋層功能失效，頂部邊界補給量較初始時刻變大了近1000倍，整體上補給與排泄達到動態(tài)平衡，300年～1000年壓力水頭隨降雨補給動態(tài)變化。

3.2流速分布

非飽和帶中水流速度相對較小，如圖10所示，初始時刻因水流場總勢能差異較小，總體流速數(shù)值很小，最大流速出現(xiàn)在處置單元外部頂端角點處，最大值也僅約為0.006cm/a。處置單元混凝土墻處流速最低，接近于0，呈現(xiàn)外部環(huán)境中水流速高于處置單元區(qū)域。流線上相鄰黑色標(biāo)記點表示在時間間隔內(nèi)質(zhì)點遷移的距離。如圖10a表示初始時刻的流場下需要50000年時間質(zhì)點才能遷移流線上相鄰兩黑色標(biāo)記點間的距離。

隨著來自覆蓋層滲漏量的增加，非飽和帶中水流速度逐漸增加，在150年時最大流速可達到0.41cm/a。此時處置單元混凝土墻及水泥砂漿中流速均較低。處置單元頂端角點遠(yuǎn)離處置單元方向形成相對“高速”滲流區(qū)域（圖10b）。

由圖11a可以看出，300年最大流速集中于集水管廊區(qū)域，最大流速為18.32cm/a。少部分分布于處置單元上部頂角處，處置單元內(nèi)部兩側(cè)流速高于其他位置。處置單元外部兩側(cè)存在低流速區(qū)。在處置單元區(qū)域流線上黑色時間標(biāo)記點較為稀疏，兩側(cè)標(biāo)記較為密集。同時兩側(cè)呈現(xiàn)上部稀疏下部密集的現(xiàn)象，進一步證明處置單元兩側(cè)低流速帶區(qū)域的存在。

因第300年處置區(qū)域混凝土性能及降雨入滲補給量的變化，導(dǎo)致在第301年流速場發(fā)生較大的變化。由圖11b可知最大流速變?yōu)?3.15cm/a，最大流速仍集中于地下水集水管廊及處置單元上部兩端角點區(qū)域。整體流速均高于第300年時刻流速。在模擬區(qū)上部出現(xiàn)高流速帶，呈逐漸下移趨勢。至第305年僅處置單元兩側(cè)存在少部分低流速區(qū)域，最大流速升為67.45cm/a（圖11c）。

在第300～1000年期間，流速場隨降雨入滲量的動態(tài)變化而變化，整體變動范圍較小。由流線上黑色時間標(biāo)記點可以看出整體流速略有提升。處置單元內(nèi)部兩側(cè)流速高于中間位置。第500年時刻最大流速為80.68cm/a（圖11d），第1000年時刻最大流速為86.40cm/a（圖11e）。

3.3飽和度分布

處置設(shè)施及周邊飽和度信息如圖12所示，處置單元區(qū)域飽和度相對較高，達0.99，近似達到飽和狀態(tài)。原因在于處置單元區(qū)域孔隙度相對周邊較低，受混凝土和砂漿含水率與吸力關(guān)系參數(shù)限制，在相同吸力（壓力水頭的相反數(shù)）條件下，飽和度較高。黏土層（飽和度近0.5）向下飽和度逐漸降低，土壤層表面飽和度最低約0.2，向地下水面逐漸升高，至地下水面再次達到飽和。

從時間分布看，飽和度隨時間變化相對較小，在初始至150年，飽和度基本不變，第150年～300年，回填土壤層飽和度升高，處置單元兩側(cè)附近回填土壤的飽和度略低于遠(yuǎn)處回填土壤的飽和度。原始地層巖性中，處置單元下方飽和度高于處置單元兩側(cè)地層飽和度（圖12a、b、c）。第300年～500年模擬區(qū)域整體飽和度均有所上升。黏土層飽和度增加明顯，由0.5升高為0.8左右，受降雨入滲補給影響大于其他部分。處置單元及地下管廊區(qū)域因主要為混凝土和砂漿，受材料性能影響，飽和度基本不變，保持在近似飽和狀態(tài)。第500～1000年，飽和度無明顯變化，1000年以后基本保持不變。

由以上分析可知，處置單元中混凝土和水泥砂漿的服役環(huán)境變化較微弱，整體處于近似飽和狀態(tài)。處置單元相鄰回填土壤層的飽和度呈逐步上升狀態(tài)，由初始的約0.3逐步上升為約0.5。處置單元底部地下管廊混凝土外部服役環(huán)境中飽和度前150年基本保持不變，維持在0.2附近，150年后呈逐步上升狀態(tài)，由初始約0.2逐步上升為約0.4。隨降雨入滲量動態(tài)變化，飽和度變化范圍0.38～0.41之間。

4結(jié)論

綜上分析可知，放射性廢物處置設(shè)施關(guān)閉后近場區(qū)域水流場負(fù)壓水頭隨覆蓋層性能退化逐漸升高（數(shù)值變大），第150～170年期間受水泥基材料性能退化的影響，處置單元底部及兩側(cè)在一段時間內(nèi)存在局部水流上升區(qū)。在流線方面，前150年處置單元上方補給主要通過處置單元兩側(cè)流走，150年后處置單元上方補給主要通過處置單元向下流出。在流速方面，前150年流速較低，最大值為0.41cm/a，隨后逐漸增大，最大值約為86.4cm/a，高流速區(qū)域主要分布在處置單元頂端兩個角點及地下排水管廊區(qū)域，低流速區(qū)域主要分布在處置單元兩側(cè)。飽和度總體變化不大，處置單元區(qū)基本維持在近似飽和狀態(tài)（0.99），處置單元兩側(cè)及底部飽和度呈升高趨勢，動態(tài)變化范圍為0.3～0.5之間。

通過本次研究獲得了放射性廢物近地表處置設(shè)施關(guān)閉后長時間序列覆蓋層及水泥基材料性能退化情景下水流場特征，并找出了處置單元高流速分布區(qū)域，得到處置單元關(guān)閉后各功能部件總體服役環(huán)境，有助于處置設(shè)施優(yōu)化設(shè)計。滲流場的分布可為放射性廢物處置單元內(nèi)廢物桶的碼放方案優(yōu)化提供依據(jù)，保證我國放射性廢物的安全處置。