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

на правах рукописи

0 Д Плескачевскмй

Андрей Леонидович

1 1998

Методика оценки загрязненности

водных объектов техногенными радионуклидами

Специальность 05.14 16 - технические средства и методы защиты окружающей среды (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Not* выполнен* на кафедр* "Экологически* икмы i Синкт-Иетербургского государственного технического ушмрашп.

ПаучиыЙ руководитель;

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Федор«« М.П.

Официальные мпшшш: доктор технических наук, профессор Гнргидов ЛД.|

кандидат фюнко-математических мук, Петров Б.Ф.

Ведущая организация: Институт проблем бюопасиего ршпм атомной энергетики РАН (НБРЛЭ РАН)

Защита состоится 15 декабри IMS г. ■ |( часов на ut«u>u пкмртиаимп м вега Д. 063.38.09 при Санкт-Петербургском государствен мм гакичккм укиверсапгета я адресу: 195251, Сан ^Петербург, Политехническая ул., д.29, гидротехнический керяуе 3

«ГД 44L

С диссертацией можно ознакомиться • фуццммшыи! библиотеке университет». Автореферат разослан " " ноябри 199> г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., проф.

Орлов В.Т.

Актуальность работы. Природные и искусственные радиоактивные вещества присутст-: во всех составляющих окружающей среды. В связи с их потенциальными свойствами, ными для человека и живых организмов, необходим контроль при их использовании, сбросе спространении. Некоторые долгоживущие техногенные радионуклиды, обладающие доста-

0 большим периодом полураспада (например, радиоактивные цезий 137С8 и стронции '"йг с годом полураспада около 30 лет), переходя в различные химические формы, имеют способ-ь накапливаться в отдельных элементах экосистемы водоемов. Попадая в поверхностные I, они постепенно, за счет процессов переноса, сорбции-десорбции, седиментации и накопи через пищевые цепочки распространяются во всех звеньях экосистемы, причем умепыпе-их концентрации, например в воде, означает, что их содержание в других составляющих емы, например в донных отложениях (седимептах) повысилось. Так, в результате Черноуской аварии атмосферные выпадения и поверхностный сток в сотни раз увеличили содер-ае радиоактивных веществ на поверхности Балтийского моря, но затем концентрации их на ¡рхности уменьшались вследствие разбавления и оседания образовавшихся химических со-гений на дно. Однако все радиоактивные вещества остались внутри системы и продолжают пливаться в отдельных ее составляющих и по сегодняшний день. Таким образом, суммарная язненяосгь экосистем водоемов долгоживупщми техногенными радионуклидами, например, тешем, не уменьшается, а постоянно увеличивается, что рано или поздно может оказать : влияние при превышении допустимых значений их концентрации для отдельных звеньев истем.

Пути попадания техногенных радионуклидов в поверхностные воды различны и зависят сточников. Так, смыв радионуклидов с поверхности загрязненных территорий, сточные воз. атмосферные осадки являются источниками радиоактивного загрязнения как вследствие ¡альной радиоактивной загрязненности природной среды в результате ядерных испытаний в зсфере (например, на полигонах Новая Земля и Невада), масштабных аварий на объектах лого комплекса (например, Чернобыльских выбросов 86-го года, Кыштымской аварии 57-го

1 и др.) так и в связи с выбросами при нарушении технологических режимов в атомной про-зяенности (например, масштабных сбросов в озеро Карачай и реку Теча радиохимического бината "Маяк" на южном Урале, или Хендфордского ядерно-оружейного комплекса в США -х годах и др.). Отдельную группу потенциальных источников радиоактивного загрязнения 1ставляют собой захоронения отходов атомной промышленности (как подземные хранили-представляющие угрозу в случае попадания радиоактивных веществ в грунтовые воды с полющей их фильтрацией в водные объекты, так и захоронения контейнеров в морях, имев-

место в международной практике, куда можно отнести также аварии на атомных подвод-лодках, например на АЛЛ "Комсомолец").

По данным исследований на сегодняшний день Балтийское, Черное и Ирландское м< наиболее загрязненные техногенными радионуклидами моря мира. Так, Балтийское море площади 400.000 кв. км весьма мелководно (средняя глубина 50 м, объем около 20.000 куб. и из-за сильной обособленности от океана среднее время полной замены воды в нем состав не менее 27 лет. В связи со сбросом в его воды промышленных отходов девяти стран, сток давлякмцего большинства рек северной и центральной Европы, наличия на берегах Балтики витой атомной энергетики вопросы распространения радионуклидов имеют для населения ное социальное, экономическое и, часто, - политическое значение. Это связано как с пост ным загрязнением Балтики сточными водами и осадками, содержащими радиоактивные сс нения в результате неконтролируемых выбросов (например, вследствие Чернобыльской ав или внештатных выбросов предприятий атомной промышленности), так и возможных ава ных ситуаций на ядерных объектах, расположенных в пределах водосбора акватории Балл вероятность возникновения которых может значительно повлиять на развитие экологиче ситуации в регионе.

В соответствии с международными принципами и нормами радиационной защиты с ствуют критерии, на основе которых вырабатываются рекомендации по принятию мер дл щиты населения и минимизации радиационного ущерба на основе оценки состояния регис прогнозирования развития ситуации (как реального радиоактивного загрязнения, так и для можной аварийной ситуации). Для этого необходимо изучение механизмов распространен пакопления радионуклидов в различных звеньях экосистемы, в частности в поверхности придонном слоях воды, биоте, взвесях, донных отложениях.

Оценка механизмов распространения и накопления радионуклидов в окружающей ( требует разработки различных методик химического анализа и моделирования процессов пространения этих радионуклидов, а также оценки их возможного влияния на экосистему. 1 моделирование должно быть ориентировано на решение конкретной постановки задачи, необходимы как простейшие модели и методы, предназначенные для аварийных ситу! дающие возможность оперативно давать приближенную оценку загрязненности и быстрого гнозирования развития ситуации, так и более сложные модели распространения радионукш учитывающие большой спектр факторов и предназначенные для исследования долговремет переноса и перераспределения радионуклидов между различными элементами экосистемы.

Существует много различных методик и моделей по расчету радиационного загряз» водных объектов, прогнозирования поведения радионуклидов в водоемах, расчету доз об: ния населения, оценке "доза-эффект", выработке соответствующих рекомендаций. Эко математические модели интегрируются с целью создания из них замкнутой цепочки "Вь радионуклидов - Загрязнение земной поверхности и водоемов - Прогноз поведения радиогг дов - Оценка доз внешнего и внутреннего облучения - Выработка рекомендаций". Такая си<

гея средством оценки последствий различных выбросов радиоактивных веществ, послед-различных аварийных сшуаций, расчета допустимого и предельно допустимого сбросов в мы, оценки радиационного ущерба от радиационно-опасных объектов, поддержки приня-япений при проведении профилактических противорадиационных мероприятий. Разрабо-I в настоящей диссертационной работе модель миграции и аккумулирования радионукли-водоемах является звеном в указанной выше цепочке и должна поставлять данные для га и оценки доз возможного внешнего и внутреннего облучения. Нель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

1) Проведение анализа и классификации современных методов моделирования распро-апм техпогепных радионуклидов (в первую очередь, - важнейших дозообразующих ра-гавных изотопов цезия, стронция и йода) в поверхностных водах.

2) Разработка методов для математического моделирования распространения техноген-адионуклидов при их попадании в поверхностные воды (в первую очередь,- небиологиче-троцессов с включением важнейших биологических факторов: адсорбции и накопления нуклидов планктоном). В постановку задачи входило рассмотреть и описать обусловлен-гецифическими физико-химическими свойствами отличие распространения и транспорта нуклида от транспорта растворенной субстанции, рассчитываемое на основе уравнений -Стокса и транспорта-диффузии. Для описания всего комплекса процессов распростране-здионуклидов в экосистеме водоема требовалось сочетать уже существующий алгоритм ирования транспорта растворенных примесей с разработанным методом расчета поправки щессы сорбции-десорбции радионуклидов взвесями, седиментацию-ресуспензию и накоц-в донных отложениях адсорбирующих радионуклиды примесей, радиоактивный распад.

3) Компьютерная реализация разработанного метода и верификационные расчеты рас-эанения радионуклидов при их попадании водный объект. В постановку задачи входила ютка независимых программных, блоков, описывающих процессы адсорбции-десорбции ауклида примесями, седиментации-ресуспензии взвесей, процесс образования ветровых вызывающих придонные течения п коренным образом влияющих на характер седимента-5суспензии и количество адсорбирующей радионуклид взвеси в воде, а тем самым, и ра-клида. Разработанные программные блоки стыкуются с базовой моделью гидродинамиче-роцессов и могут независимо друг от друга развиваться и дополняться.

Исходные материалы и методика исследований. В процессе проведения исследований ьзовались различные методики и данные, разработанные и полученные в научно-[овательском центре ПССС-Геестахт (Германия) (моделирование процессов ресуспензии и гнтадии взвесей, гидродинамические модели для расчета транспорта растворенных при-I а также данные по загрязненности техногенными радионуклидами акватории Балтийско-

го моря Лаборатории регионального экологического мониторинга и Лаборатории монито радиоактивного загрязнения окружающей среды Радиевого института им. В.Г.Хлошна.

Научная новизна. На сегодняшний день разработано большое количество мего; моделей для оценки и расчета загрязненности радионуклидами различных водных сред распространения. Такие модели разработаны для применения в различных ситуациях и о тированы для решения различных задач, но даже самые сложные из них, учитывающие бот, спектр факторов влияния, оперируют осредненными величинами. В разработанном по, впервые рассматривается распространение радионуклидов в водных объектах на основе т порта и седиментации-ресуспензии адсорбирующих радионуклид примесей, который, в очередь, привязан к метеорологическим условиям и гидродинамике через определение креггных на данный момент значений размытых или осевших взвесей, что сильно влияет 1 рактер транспорта радионуклидов. Так, например, сила ветра может в течении суток неск раз меняться, вызывая в прибрежной зоне ветровые волны, обуславливающие придонные ния и, тем самым, - ресуспензию. Взмытые взвеси адсорбируют растворенный радионуы затем, при уменьшении силы ветра и уменьшении суммарной скорости течения, осаждаю! дпо. Уже при одном таком цикле ресуспензии-седиментации суммарное количество ради ллда в объеме воды (растворенного и адсорбированного) может измениться в зависимое характера адсорбции-десорбции и размыва в несколько раз. Разработанный подход и его р зация в виде компьютерной модели учитывают эти процессы для 4 различных фракций вз с различными физико-химическими свойствами (размывающие скорости, коэффициенты пределения между растворенной и адсорбированной фазами).

Практическая значимость. Разработанная методика и компьютерная программа и ляет оценивать и прогнозировать потенциальные и фактические загрязнения водных си связанные с функционированием радиацнопно опасных объектов, вырабатывать требован ограничение сбросов и выбросов радиоактивных веществ с целью обеспечения нормам требований по допустимому уровню загрязнения водных объектов.

Разработанная методика применима для планирования и оценки эффективности ра ных природоохранных мероприятий, связанных с уменьшением радиационного загряз! водпых систем. Эта методика может служить базой для создания конкретных объе ориентированных моделей, привязанных к конкретным условиям, предназначенных для держки принятия решений по защите населения и окружающей среды от радиационного ] как в штатном, так и в возможном аварийном режиме функционирования данного радиада опасного объекта.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертацис работы докладывались на конференции "Вайсержойзер-Штранд-47", Германия, на междун ной конференции "Экобалтика XXI век" (С. Петербург, 1996) а также докладывались на

* семинарах института физики водных сред и атмосферы научно-исследовательского центра "С-Геестахт (1997-1998) и семинарах кафедры "Экологические основы природопользования" 6ГТУ (1994-1998). По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, [сха литературы и приложений. Работа изложена на НО с. машинописного текста, ючает // таблиц и 2 ^ рисунков. Список использованной литературы содержит на-гнований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована апуалыюсть темы работы, показана ее научная и практи-кая значимость, научная новизна, определена цель исследования.

В первой главе рассмотрены задачи моделирования и различные подходы к оценке за-зненносгя техногенными радионуклидами экосистем водоемов на основе моделирования пространения и поведения важнейших дозообразующих радионуклидов в водных объектах.

Цель разработки моделей поведения и распространения техногенных радионуклидов в [ном объекте - модель должна поставлять данные для расчета и оценки доз возможного шнего и внутреннего облучения для выработка соответствующих рекомендаций.

Существует большое количество моделей для расчета распространения и поведения ра->активных веществ, попавших вследствие обычных и аварийных сбросов в поверхностные [Ы. По точности описания рассматриваемого процесса модели можно подразделить на 4 ппы:

1. Модели, имеющие аналитическое решение и описывающие наипростейший случай нспорта для прямоугольной геометрии (прибрежные воды) или русла реки для точечного ис-ншса. Такие модели (как правило, двухмерные) рассматривают только адвективный транс-гг и радиоактивный распад. Такие модели применяются для оценочных расчетов.

2. Модели, описывающие процесс адсорбции-десорбции, седиментации-ресуспензии и иоактивный распад (для слабопроточных водоемов) для всего водоема в целом по осреднен-л данным. Имеют аналитические решения, могут решаться и численно. Применяются для :нки загрязненности малопроточных водоемов - озер или водохранилищ. Решения таких моей могут быть как аналитическими, так и численными.

3. Модели, описывающие обмен водными массами (осредненные данные) и, соответсг-но, радионуклидами, находящимися в воде (растворенные и адсорбированные взвесью) межзаливами и морями (камерные модели - каждая камера представлена заливом или участком >я). Учитываются потери радионуклида в воде при седиметации адсорбирующей взвеси по

осредненным данным (скорость осадконакопления в год). Применяются для оценки пмк^ ных загрязнений морей.

4. Модели, описывающие транспорт (адвекция), адсорбцию-десорбцию радионуклЕ взвесью, седиментацию взвеси по осредненным данным (скорость осадконакопления в год). ] шения таких моделей только численные. Например, такая модель применяется для расчета р; пространения радионуклидов в Ирландском море лабораторией Харвелл.

Кроме моделей, рассматривающих распространение радионуклидов в воде, существу также модели, рассматривающие процессы миграции радионуклидов в экосистеме водоемо! воздействие радиоактивного загрязнения на человека.

Выявлены преимущества и недостатки различных схем моделирования, определена I новная линия работы, а именно, - необходимость детально исследовать процесс ресуспензш седиментации адсорбирующих радионуклид взвесей и связать его с процессом адвективного) реноса.

Во второй главе рассмотрены процессы, влияющие на характер распространения тех] генных радионуклидов. Предложен подход, основанный на интеграции этих процессов в ал: ритм по расчету распространения радионуклидов при их попадании в водный объект. Разра( тан метод моделирования распространения и переноса радионуклидов в воде для двухмерв постановки задачи.

К основным процессам, определяющим распространение и распределение радиоактивн веществ в поверхностных водах, относятся:

1. Перенос в результате перемещения вод (транспорт).

2. Диффузия в воде (турбулентная и молекулярная)

3. Осаждение взвесей и коллоидов на дно водоема.

4. Повторное взвешивание осадков.

5. Сорбция и десорбция неорганическими и органическими веществами.

6. Захват биотой.

7. Радиоактивный распад и накопление.

8. Взаимодействие с грунтовыми водами.

9. Влияние ледового покрова.

В распространения радионуклида, попавшего в водный объект, можно описать на коли сгвенном уровне целом характер следующим образом. Сначала растворенный радионуклид 1 падает в зопу с достаточно высокими скоростями течений (применительно к случаю выбр< через водовьшуски АЭС или устья реки), достаточными для поддержания в этой области п цесса ресуспензии, а следовательно, некоторой концентрации взвесей. Взмьгше в этой зс взвеси адсорбируют радионуклид е объеме, находящемся в зависимости от физико-химичеи свойств радионуклида, взвеси и воды. Затем растворенный радионуклид и вз мытые взвеси

овательно, и адсорбированные радионуклиды) за счет адвективного переноса транспорти-гся в глубь акватории, где скорости течения значительно ниже. В результате, при уменыне-скоросгей течения ниже критической для данной фракции частиц начинается процесс осе-1я адсорбировавших радионуклиды частиц на дно (седиментация), что обуславливает ьшение общего содержания радионуклида в объеме воды. Сильное влияние на этот процесс ывают также метеорологические условия. Изменение силы ветра, приводящего к изменению одивамики, обуславливает также изменение высоты и частоты ветровых волн, что в свою едь приводит к изменению пульсационных составляющих скоростей течения, вызывающих ъге и, следовательно, коренным образом влияющих на характер процессов ресуспензии и менгации.

Основное уравнение, которое решается в моделях радиоактивной дисперсии в водоемах но представить в виде:

— = А + 0~Я + Р-Л-С, (2)

а

7- концентрация в воде, А - адвекция, Б - диффузия, Я - накопление во взвешенных отложе-Р - учет потерь (источники-притоки, седиментация, биологический захват), Л - постоянная «активного распада, - скорости течения по осям х,у,г соответственно. Для равновесно->стояния:

¿с ас дс а(^ао) д(ггЗС\ _ „ „¿с ,„

А- и—+у— + и>—; Д = — ¿Г— +— — +—\К,— ; Д = —, (3) & # & ас\ * ас) фк у &/) ¿к ' а) "а

3 - концентрация радионуклида во взвеси, Ка - коэффициент равновесного распределения внуклида между взвесью и водой (экспериментальная величина) - отношение количества юнуклида во взвеси к количеству радионуклида, находящегося в растворе.

С 5

Кй (Бк/кг)/(Бк/м3) = (м3/кг), (4)

О?

- концентрация радионуклида во взвеси (Бк/кг), С* - концентрация радионуклида в воде гворенная фаза) (Бк/м3), С/ - концентрация радионуклида суммарная (раствор и сь)(Бк/м3), Сз7• концентрация взвеси в воде (кг/м3), р, - плотность взвеси (кг/м3). При помощи К^ концентрация радионуклида во взвеси может бьпъ определена: г С.К,

/-< 5___1 "

~ г г № Л (Бк/кг). (5)

[г-^ыс.-с,')

При седиментации Ал играет существенную роль. Чем больше радионуклида адсорбиро-I взвесью, тем большие потери радионуклида в воде произойдут при выпадении взвеси в се-

диметы. Адсорбция радионуклида планктоном аналогична процессу распределения радиону] лада в воде между растворенным и адсорбированным взвесью фазами.

Характер распределения концентрации взвеси по глубине определяется скоростью осад дения (седиментации) частиц (зависит от их крупности и плотности), поверхностной и придо) ной концентрациями взвеси и гидродинамическими характеристиками потока. Эмпирическг зависимость, описывающая распределение концентрацию взвеси CSW{H) в воде как функци глубины, может бьггь выражена в виде;

w,-H

C/(H) = CSJ-е'^ . (6)

CJ* - концентрация взвеси в придонном слое воды, w, - скорость седиментации частиц, Н глубина, Акп- коэффициент вертикального обмена, Сд- коэффициент Шези:

Вследствие адсорбции радионуклида взвесью его содержание в воде (растворенная фаз напрямую связано с распределением концентрации взвеси, которое определяет соотношение а сорбированного и растворенного радионуклида. В придонном слое, где концентрация взве( максимальная, содержание адсорбированного радионуклида также максимально.

Седиментация и ресуспензия примесей определяются их параметрами и скоростями т чения: если для конкретной фракции частиц с определенными свойствами скорость течения больше размывающей скорости н„, имеет место ресуспензия, если и меньше и0, то седаментаци В рассматриваемом подходе модели учитываются три фракции частиц взвеси с различны» размывающими скоростями и скоростями осаждения. В качестве четвертой фракции приме« рассматривается планктон, количество которого в расчетном узле может изменятся не только связи с переносом и осаждением, а также в зависимости от освещенности, температуры и с держания питательных веществ.

Под скоростью потока понимается сумма средней скорости штока иху (адвекция)

пульсационной составляющей скорости течения, вызванной ветровыми волнами uw (ее осре ненное значение по глубине и времени), т.к. волны, вызванные ветром, создают добавочную с ставляющую течений, играющую иногда решающую роль в процессе ресуспензии седиментов.

Средняя скорость течения, обусловленная гармонической ветровой волной, может бы выражена формулой:

In

где h - высота волны, X - длинна волны, Н - глубина, к - —-, a=2nf, где/-частота, Т-период.

А

В результате обработки натурных данных были получены зависимости частоты, высот и длины волны от силы ветра. Использование формулы (7) и подученных зависимостей д

зможность оденивать характер размыва донных отложений, обусловленный ветровыми вол-ми.

Изменение содержания взвеси в воде при седиментации АС,"'и ресуспензии АС* за 1 с [ределены следующим образом:

ас:

М(т~ т^Г

(В)

И 1-^-11)-—1с,

г

АС, = -

II

е коэффициенты М =0,001 и а = 1,04 подобраны эмпирически, И7, - скорость седиментации с етом турбулентности, С, - концентрация взвеси в воде, т = ] " касательное напряжение

I дне, и - средняя суммарная скорость течения потока, /V плотность воды. Для седиментов знания седиментации АС,'~° и ресуспензии АС^" определяются аналогично, но относятся не к убине потока Н, а к активному слою седиментов А, содержащем радионуклид. Вводится также раничение для ресуспензии, исходя из транспортирующих свойств потока.

Для учета процессов, определяющих отличие распространения радионуклидов от распро-ранения расгаоренной субстанции, а именно: адсорбции-десорбции, седиментации-суспензии, молекулярной диффузии и радиоактивного распада была рассмотрена система »авнений, в основе которой лежит баланс при обмене веществом между водой и донными от->жениями в расчетном узле. Важно отметить, что система учитывает конкретные значения из-гнения концентрации ресуспендированных и седиментированных взвесей, что привязано к метрологическим условиям (ветровые волны) и гадродинамике.

Для водной камеры (бокса) соотношение концентраций радионуклида в воде и в донных иожениях без учета адвекции и турбулентной диффузии может быть определено следующим ¡разом: при седиментации уменьшение содержания вещества в воде пропорционально увели-шло его содержания в седиментах, и наоборот, при ресуспензии увеличение концентрации в де пропорционально уменьшению концентрации в седиментах: &С

= -Я• С, + АС» -АС5 +АСл-АС^

а

дС (9)

^ = . с2 - АСР + АС, - АСЛ + А Сл..

- концентрация радионуклида в воде (растворенный и адсорбированный радионуклид) (Бк/м3), концентрация радионуклида в седименте (Бк/кг), АСа , АС? - изменение концешрации в 5дствкй ресуспензии и соответственно седиментации, АС^,АСаь - »вменение концентрации

вследствие молекулярной диффузии из придонного слоя воды в седимент и соответственно го седимекга в воду (/? - коэффициент молекулярной диффузии). При подстановке и приведении подобных членов окончательный вариант системы уравнений выглядит следующим образом - содержание радионуклида в растворенной фазе, определяемый через Ко).

Система (10) имеет аналитическое решение, нтегрированое в модель распространения растворенной субстанции, куда включены также процессы, перечисленные в описании разработанного программного пакета (см. рис.1.). Это реализовано подпрограммой, рассчитывающей поправку на эти процессы к численному решению уравнения транспорта-диффузии базовой двухмерной, осредненной по вертикали модели гидродинамических процессов для каждого расчетного узла.

В третьей главе приведены примеры расчетов и показан общий алгоритм моделирования распространения радионуклидов в водном объекте и оценки его радиоактивного загрязнения. На рис. 2. приведен пример расчета распространения радиоактивных изотопов цезия и стронция при их попадании в водовыпуски АЭС (залповый выброс), расположенной на берегу морского залива. Для обоих радионуклидов брались одинаковые граничные и начальные условия. Главное отличие заключалось в различной адсорбирующей способности цезия и стронция, что привело к различным потерям на седиментацию при изменении характеристик потока (ветер восточного направления был задан различной силы во времени, что вызывало то ресуспензию, то седиментацию взвесей, а следовательно, и радионуклида).

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате проведения исследований.

В приложении рассмотрены технические вопросы моделирования, приведена информация о структуре разработанной программы и ее применении, а также некоторые натурные данные.

Программы написаны на языке FORTRAN-77 (UNIX) и инсталлированы на SUN-Workstation. Вывод результатов осуществляется при помощи пакетов PV-WAVE и PAGEVIEW.

ее,, в в w

W

-

(10)

Процессы, рассматриваемые в каждом расчетном узле

• Адвективный транспорт взвесей и турбулентная диффузия:

а) 3 фракции взвесей с различными скоростями седиментации и размыва,

б) радионуклида в воде (растворенный и адсорбированный взвесью),

в) радионуклида, адсорбированного планктоном,

г) планктона,

д) растворенного неорганического азота,

е) тепла

• Адсорбция-десорбция радионуклида взвесью и планктоном

• Седиментация и ресуспензия взвесей (функция скоростей течения; динамической и вызванной ветровыми волнами составляющих)

• Седиментация и ресуспензия адсорбированного взвесью радионуклида

• Молекулярная диффузия: обмен между седиментированными взвесями н взвесями в придонном слое воды

• Адсорбция растворенного радионуклида седиментами

• Радиоактивный распад

• Поглощение планктоном неорганического растворенного азота (функция температуры воды и освещенности)

Ветер

Ветловые волны

Солнечное излучение.--

адвективный транспорт

О ' ■Ж О

О

о

турбулентная диффузия

"О - ° "•О 0

' ^ седамемация О

>рбщм седимешами

8-*

адсо;

1«Э

»8*

зцбция радионуклида, "ресуспензия О

__—О..

о» *

молекулярная. диффузия . -

** в0* *Лридош<ЫЙ слой взвеси * ' * ¿К>,

ссднченты (слой, содержащий радионуклид)

• частицы взвеси ю радионуклид, адсорбированный

планктон

•«^^«¡«а» частичками взвеси

О радионуклид (растворенный) «дг'ЗЖ»»

радионуклид, адсорбированный ® растворенный неоргани- планктоном

ческий азот

ис. 1. Схематическое изображение рассматриваемых в модели процессов

Суммарная скорость ветра

Концентрация взвеси в воде (расчетный узел х=200, у=120)

Время (сутки)

концогтрация, Бк/м*

уЛГЩ?

Узел -х=200: ;;:<у=120:

ЗАЛИВ

скорость течения

Сцемрнй:

в первый день расчета в водовьтуски АЭС^ попадает разовый аварийный сброс по 5-10" Бк шСз и «^г

1.0 ш/>: ■ 0.3 т/я : <

Рис.2. Пример расчета распространения цезия и стронция в водном объекте

Выводы по диссертационной работе

1. Проведен анализ и классификация современных методов моделирования распространения, поведения л влияния техногенных радионуклидов (в первую очередь, - важнейших дозо-образующих радиоактивных изотопов цезия, стронция и йода) в поверхностных водах, выявлены достоинства и недостатки различных направлений моделирования поведения радионуклидов в водных средах, определены основные направления исследований.

2. Разработан метод для математического моделирования распространения техногенных радионуклидов при их попадании в поверхностные воды (небиологические процессы с включением важнейших биологических факторов: адсорбции и накопления радионуклидов планктоном), впервые основанный на расчете седиментации и ресуспензии адсорбирующих радионуклиды взвесей. Рассмотрено и описано обусловленное специфическими физико-химическими свойствами отличие транспорта радионуклида от транспорта растворенной в воде примеси, рассчитываемое на основе уравнений Навье-Стокса и транспорта-диффузии. Для описания всего комплекса процессов распространения радионуклидов в экосистеме водоема в уже существующий алгоритм моделирования транспорта растворенной субстанции был интегрирован разработанный в диссертационной работе метод расчета поправки на процессы сорбции-десорбции радионуклидов взвесями, седиментацию-ресуспензшо и накопление в донных отложениях адсорбирующих радионуклиды примесей, радиоактивный распад.

3. Разработан программный пакет для расчета распространения радионуклидов в водном объекте на основе вышеуказанной методики. Разработанный программный пакет сопряжен с базовым пакетом расчета гидродинамических процессов TRIM (гидродинамическая модель для расчета транспорта растворенных примесей, автор В. Казули, в переработанной 2-х мерной версии научно-исследовательского центра ГКСС-Геестахт). Пакет состоит из независимых программных блоков, описывающих различные процессы, влияющие на распространение радионуклидов (см. рис. 1): процессы адсорбции-десорбции радионуклида примесями, седиментации-ресуспензии взвесей, процесс образования ветровых волн, вызывающих придонные течения и коренным образом влияющих на характер седименгации-ресуспензии и количество адсорбирующей радионуклид взвеси в воде, а тем самым, - я радионуклида. Разработанные и стыкованные с базовой моделью гидродинамических процессов программные блоки могут независимо друг от друга развиваться и дополняться.

4. С использованием разработанного программного пакета проведены расчеты распространения основных дозообразующпх радионуклидов (цезий, стронций, йод) в акватории Балтийского моря. В результате расчетов показано, что существенное влияние на характер распространения радионуклидов (па примере транспорта цезия и стронция) оказывают их физико-химические характеристики, приводящие к значительным различили в их переносе, что вызвано различием в характере их сорбции взвесями и осаждении адсорбированных радионуклидов в

донные отложения. Указанные отличия в транспорте цезия и стронция подтверждаются результатами многолетних наблюдений распространения радионуклидов в акватории Балтийского моря. Показано, что на характер распространения радионуклидов в водном объекте сильное влия ние оказывают метеорологические условия, определяющие гидродинамику и ветровые волны, i следовательно, - транспорт и характер ресуспензии и седиментации адсорбирующих радионуклиды взвесей. Вместе с тем также показано, что биологические процессы незначительно влиякп на характер распространения радионуклидов на начальной стадии и представляют интерес толь ко с точки зрения накопления радионуклидов в пищевых цепочках для таких крупных водньс объектов, как морские заливы.

5. Разработанная методика и компьютерная программа позволяет оценивать и прогноза ровать потенциальные и фактические загрязнения водных систем, связанные с функционирова нием радиационно опасных объектов, вырабатывать требования на ограничение сбросов и вы бросов радиоактивных веществ с целью обеспечения нормативных требований по допустимому уровню загрязнения водных объектов.

Разработанная методика применима для планирования и оценки эффективности различ ных природоохранных мероприятий, связанных с уменьшением радиационного загрязнен» водных систем. Эта методика может служить базой для создания конкретных объектно ориентированных моделей, привязанных к конкретным условиям, предназначенных для под держки принятая решений по защите населения и окружающей среды от радиационного риск как в штатном, так и в возможном аварийном режиме функционирования данного радиационнс опасного объекта.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Проблемы транспорта техногенных радионуклидов в водных объемах // Тез. докл. между-нар. молодежи, форума "Экобалтика - XXI век", С.-Петербург, 1996.

2. Экологические аспекты математического моделирования транспорта растворенных приме сей И Тезисы доклада научно-технической конференции «25 неделя науки СПбГТУ», Санкт Петербург, 1996.

3. Belastungen in der Newamuendung und im oestlihen Teil des Finnischen Meerbusens - Ergrbniss des oekologischen Monitorings / Warnsignale aus der Ostsee, Berlin, 1997.

4. Spreading of Technogenic Radionuclei in the Eastern Part of the Gulf of Finland / GKSS Forschungszentrum, Geesthacht, Institut fuer Gewaesserphysik, Hamburg, 1997.