автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Методика оценки загрязненности водных объектов техногенными радионуклидами

/V /г /л/уу -о

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Плескачевский Андрей Леонидович

X

Методика оценки загрязненности

водных объектов техногенными радионуклидами

Специальность 05.14.16 - технические средства и методы защиты

окружающей среды (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор М.П. Федоров

Санкт-Петербург 1998

Содержание

Стр.

Введение........................................................................................... 5

1. Обзор подходов оценки загрязненности техногенными радионуклидами водных сред и методов моделирования их распространения и поведения в водных объектах........................ 13

1.1. Задачи моделирования загрязненности техногенными радионуклидами водных объектов.............................................. 13

1.2. Общая структура моделирования................................................. 17

1.3. Краткий обзор методов моделирования поведения радионуклидов

в водных объектах......................................................................................................................................18

1.3.1. Классификация моделей........................................................................................................18

1.3.2. Простейшие модели дисперсии радионуклидов..............................................19

1.3.3. Модель прогноза радиоактивного загрязнения в слабопроточном водоеме........................................................................................................22

1.3.4. Камерные модели конечных объемов........................................................................24

1.3.5. Моделирование дисперсии радионуклидов в Ирландском море.... 26

1.4. Миграция радионуклидов в экосистеме водоемов........................................................27

1.4.1. Общий подход к построению модели миграции радионуклидов в экосистеме водоемов.................................. 27

137

1.4.2. Оценка возможного содержания активности Се в рыбе............ 29

1.5. Воздействие радиоактивного воздействия на человека..............................................30

1.5.1. Пути воздействия радиоактивного загрязнения

водоема на человека..................................................................................................................30

1.5.2. Величины, используемые в радиационной безопасности........................31

1.5.3. Оценка радиационного риска..............................................................................................32

1.6. Выводы..................................................................................................................................................................32

2. Процессы распространения радионуклидов в поверхностных водах.... 34

2.1. Общие положения..........................................................................................................................................34

2.1.1. Радиоактивные вещества в воде........................................................................................34

2.1.2. Техногенные радионуклиды уранового ряда......................................................35

2.2. Основные процессы, определяющие распространение и распределение радиоактивных веществ в поверхностных водах....................37

2.2.1. Процессы, определяющие распространение радионуклидов

в водном объекте..........................................................................................................................37

2.2.2. Распределение радионуклида между растворенной

и адсорбированной взвесью фазами..............................................................................39

2.2.3. Адсорбция радионуклида планктоном......................................................................43

2.3. Примеси воде, адсорбирующие радионуклид и влияющие на

характер его транспорта........................................................................................................................46

2.3.1. Общая характеристика взвешенных примесей................................................46

2.3.2. Взвешенные в воде неорганические и органические вещества..........46

2.3.3. Планктон и неорганический растворимый азот................................................52

2.4. Седиментация и резуспензия адсорбирующих радионуклиды взвесей... 56

2.4.1. Общий принцип..............................................................................................................................56

2.4.2. Влияние силы ветра на скорости придонного течения..............................56

2.4.3. Процессы резуспензии и седиментации.......................................61

2.5. Модель распространения радионуклидов в водном объекте..............................63

2.5.1. Общие положения и допущения модели..................................................................63

2.5.2. Система уравнений.............................................................65

2.5.3. Решение системы............................................................. 68

2.5.4. Адсорбция растворенного радионуклида донными отложениями.. 70 2.6. Выводы................................................................................. 72

3. Оценка загрязненности водного объекта техногенными

радионуклидами при их попадании в поверхностные воды................. 74

3.1. Описание метода и алгоритм моделирования.................................. 74

3.1.1. Применяемая методика..............................................................................................................74

3.1.2. Граничные условия и начальные данные..................................................................75

3.1.3. Алгоритм расчета............................................................................................................................79

3.1.4. Результаты расчета........................................................................................................................85

3.2. Примеры расчета распространения цезия и стронция в водном объекте. 86

3.3. Выводы..................................................................................................................................................................94

Заключение....................................................................................... 96

Список литературы............................................................................ 99

Приложения...................................................................................... 106

Введение

Актуальность работы. Природные и искусственные радиоактивные вещества присутствуют во всех составляющих окружающей среды. В связи с их потенциальными свойствами, опасными для человека и живых организмов, необходим контроль при их использовании, сбросе и распространении. Некоторые долгоживущие техногенные радионуклиды, обладающие достаточно большим периодом полураспада (например, радиоактивные цезий 137Сб и стронций 903г с периодом полураспада около 30 лет), переходя в различные химические формы, имеют способность накапливаться в отдельных элементах экосистемы водоемов [35]. Попадая в поверхностные воды, они постепенно, за счет процессов переноса, сорбции-десорбции, седиментации и накопления через пищевые цепочки распространяются во всех звеньях экосистемы, причем уменьшение их концентрации, например в воде, означает, что их содержание в других составляющих системы, например в донных отложениях (седиментах) повысилось [58]. Так, в результате Чернобыльской аварии атмосферные выпадения и поверхностный сток в сотни раз увеличили содержание радиоактивных веществ на поверхности Балтийского моря, но затем концентрации их на поверхности уменьшались вследствие разбавления и оседания образовавшихся химических соединений на дно [51,35]. Однако все радиоактивные вещества остались внутри системы и продолжают накапливаться в отдельных ее составляющих и по сегодняшний день. Таким образом, суммарная загрязненность экосистем водоемов долгоживущими техногенными радионуклидами, например, плутонием, не уменьшается, а постоянно увеличивается, что рано или поздно может оказать свое влияние при превышении допустимых значений их концентрации для отдельных звеньев экосистем [31].

Пути попадания техногенных радионуклидов в поверхностные воды различны и зависят от источников. Так, смыв радионуклидов с поверхности загрязненных

территорий, сточные воды и атмосферные осадки являются источниками радиоактивного загрязнения как вследствие глобальной радиоактивной загрязненности природной среды в результате ядерных испытаний в атмосфере (например, на полигонах Новая Земля и Невада), масштабных аварий на объектах ядерного комплекса (например, Чернобыльских выбросов 86-го года, Кыштымской аварии 57-го года и др.) так и в связи с выбросами при нарушении технологических режимов в атомной промышленности (например, масштабных сбросов в озеро Карачай и реку Теча радиохимического комбината "Маяк" на южном Урале, или Хендфордского ядерно-оружейного комплекса в США в 50-х годах и др.). Отдельную группу потенциальных источников радиоактивного загрязнения представляют собой захоронения отходов атомной промышленности (как подземные хранилища, представляющие угрозу в случае попадания радиоактивных веществ в грунтовые воды с последующей их фильтрацией в водные объекты, так и захоронения контейнеров в морях, имевшие место в международной практике, куда можно отнести также аварии на атомных подводных лодках, например на АЛЛ "Комсомолец") [12].

По данным исследований на сегодняшний день Балтийское, Черное и Ирландское моря - наиболее загрязненные техногенными радионуклидами моря мира. Так, Балтийское море при площади 400.000 кв. км весьма мелководно (средняя глубина 50 м, объем около 20.000 куб. км) и из-за сильной обособленности от океана среднее время полной замены воды в нем составляет не менее 27 лет [13]. В связи со сбросом в его воды промышленных отходов девяти стран, стока подавляющего большинства рек северной и центральной Европы, наличия на берегах Балтики развитой атомной энергетики вопросы распространения радионуклидов имеют для населения важное социальное, экономическое и, часто, - политическое значение. Это связано как с постоянным загрязнением Балтики сточными водами и осадками, содержащими радиоактивные соединения в результате неконтролируемых выбросов (например, вследствие Чернобыльской аварии или внештатных выбросов

предприятий атомной промышленности), так и возможных аварийных ситуаций на ядерных объектах, расположенных в пределах водосбора акватории Балтики, вероятность возникновения которых может значительно повлиять на развитие экологической ситуации в регионе [13,35].

В соответствии с международными принципами и нормами радиационной защиты существуют критерии, на основе которых вырабатываются рекомендации по принятию мер для защиты населения и минимизации радиационного ущерба на основе оценки состояния региона и прогнозирования развития ситуации (как реального радиоактивного загрязнения, так и для возможной аварийной ситуации). Для этого необходимо изучение механизмов распространения и накопления радионуклидов в различных звеньях экосистемы, в частности в поверхностном и придонном слоях воды, биоте, взвесях, донных отложениях [44].

Оценка механизмов распространения и накопления радионуклидов в окружающей среде требует разработки различных методик химического анализа и моделирования процессов распространения этих радионуклидов, а также оценки их возможного влияния на экосистему. Такое моделирование должно быть ориентировано на решение конкретной постановки задачи. Так, необходимы как простейшие модели и методы, предназначенные для аварийных ситуаций, дающие возможность оперативно давать приближенную оценку загрязненности и быстрого прогнозирования развития ситуации, так и более сложные модели распространения радионуклидов, учитывающие большой спектр факторов и предназначенные для исследования долговременного переноса и перераспределения радионуклидов между различными элементами экосистемы [21].

Существует много различных методик и моделей по расчету радиационного загрязнения водных объектов, прогнозирования поведения радионуклидов в водоемах, расчету доз облучения населения, оценке "доза-эффект", выработке соответствующих рекомендаций. Эколого-математические модели интегрируются с целью создания из них замкнутой цепочки "Выброс радионуклидов - Загрязнение

земной поверхности и водоемов - Прогноз поведения радионуклидов - Оценка доз внешнего и внутреннего облучения - Выработка рекомендаций". Такая система является средством оценки последствий различных выбросов радиоактивных веществ, последствий различных аварийных ситуаций, расчета допустимого и предельно допустимого сбросов в водоемы, оценки радиационного ущерба от радиационно-опасных объектов, поддержки принятия решений при проведении профилактических противорадиационных мероприятий. Разработанная в настоящей диссертационной работе модель миграции и аккумулирования радионуклидов в водоемах является звеном в указанной выше цепочке и должна поставлять данные для расчета и оценки доз возможного внешнего и внутреннего облучения [12].

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

1) Проведение анализа и классификации современных методов моделирования распространения техногенных радионуклидов (в первую очередь, - важнейших дозообразующих радиоактивных изотопов цезия, стронция и йода) в поверхностных водах.

2) Разработка методов для математического моделирования распространения техногенных радионуклидов при их попадании в поверхностные воды (в первую очередь,- небиологических процессов с включением важнейших биологических факторов: адсорбции и накопления радионуклидов планктоном). В постановку задачи входило рассмотреть и описать обусловленное специфическими физико-химическими свойствами отличие распространения и транспорта радионуклида от транспорта растворенной субстанции, рассчитываемое на основе уравнений Навье-Стокса и транспорта-диффузии. Для описания всего комплекса процессов распространения радионуклидов в экосистеме водоема требовалось сочетать уже существующий алгоритм моделирования транспорта растворенных примесей с разработанным методом расчета поправки на процессы сорбции-десорбции радионуклидов взвесями, седиментацию-резуспензию и накопление в донных отложениях адсорбирующих радионуклиды примесей, радиоактивный распад.

3) Компьютерная реализация разработанного метода и верификационные расчеты распространения радионуклидов при их попадании водный объект. В постановку задачи входила разработка независимых программных блоков, описывающих процессы адсорбции-десорбции радионуклида примесями, седиментации-резуспензии взвесей, процесс образования ветровых волн, вызывающих придонные течения и коренным образом влияющих на характер седиментации-резуспензии и количество адсорбирующей радионуклид взвеси в воде, а тем самым, и радионуклида. Разработанные программные блоки стыкуются с базовой моделью гидродинамических процессов и могут независимо друг от друга развиваться и дополняться.

Исходные материалы и методика исследований. В процессе проведения исследований использовались различные методики и данные, разработанные и полученные в научно-исследовательском центре ГКСС-Геестахт (Германия) (моделирование процессов резуспензии и седиментации взвесей, гидродинамические модели для расчета транспорта растворенных примесей [47]) а также данные по загрязненности техногенными радионуклидами акватории Балтийского моря лаборатории регионального экологического мониторинга и Лаборатории мониторинга загрязнения окружающей среды Радиевого института им. В.Г.Хлопина [4,5,13].

Научная новизна. На сегодняшний день разработано большое количество методик и моделей для оценки и расчета загрязненности радионуклидами различных водных сред и их распространения [8]. Такие модели разработаны для применения в различных ситуациях и ориентированы для решения различных задач, но даже самые сложные из них, учитывающие большой спектр факторов влияния, оперируют осредненными величинами [10]. В разработанном подходе впервые рассматривается распространение радионуклидов в водных объектах на основе транспорта и седиментации-резуспензии адсорбирующих радионуклид примесей, который, в свою очередь, привязан к метеорологическим условиям и гидродинамике

через определение конкретных на данный момент значений размытых или осевших взвесей, что сильно влияет на характер транспорта радионуклидов. Так, например, сила ветра может в течении суток несколько раз меняться, вызывая в прибрежной зоне ветровые волны, обуславливающие придонные течения и, тем самым, -резуспензию. Взмытые взвеси адсорбируют растворенный радионуклид, а затем, при уменьшении силы ветра и уменьшении суммарной скорости течения, осаждаются на дно. Уже при одном таком цикле резуспензии-седиментации суммарное количество радионуклида в объеме воды (растворенного и адсорбированного) может измениться в зависимости от характера адсорбции-десорбции и размыва в несколько раз. Разработанный подход и его реализация в виде компьютерной модели учитывают эти процессы для 4 различных фракций взвесей с различными физико-химическими свойствами (размывающие скорости, коэффициенты распределения между растворенной и адсорбированной фазами).

Практическая значимость. Разработанная методика и компьютерная программа позволяет оценивать и прогнозировать потенциальные и фактические загрязнения водных систем, связанные с функционированием радиационно опасных объектов, вырабатывать требования на ограничение сбросов и выбросов радиоактивных веществ с целью обеспечения нормативных требований по допустимому уровню загрязнения водных объектов.

Разработанная методика применима для планирования и оценки эффективности различных природоохранных мероприятий, связанных с уменьшением радиационного загря�