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

кандидата технических наук
Плескачевский, Андрей Леонидович
город
Санкт-Петербург
год
1998
специальность ВАК РФ
05.14.16
Автореферат по энергетике на тему «Методика оценки загрязненностиводных объектов техногенными радионуклидами»

Автореферат диссертации по теме "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.