Поведение радионуклидов в подземных водах

Поведение радионуклидов в подземных водах

Основными факторами, определяющими поведение радиоактивных изотопов, попадающих в подземные воды, являются пути их поступления и физико-химические свойства, а также местные гидрогеологические условия, включающие геологическое строение участка и окружающего района, условия питания, движения и дренирования подземных вод, их химический состав и гидроди- намическую обстановку в водоносном горизонте. Сложная совокупность и переплетение указанных факторов обусловливают то многообразие в поведении и миграции радионуклидов, которое возможно в реальной обстановке.

По условиям формирования и поведения подземные воды подразделяют на два основных типа: ненапорные (грунтовые) и напорные (артезианские).

Основная особенность грунтовых вод заключается в том, что они имеют непосредственное питание от атмосферных осадков и поверхностных вод. В свою очередь грунтовые воды по условиям возможного питания подразделяют на воды, приуроченные к участкам, удаленным от открытых водоемов, и на воды, находящиеся на участках, расположенных вблизи рек и других водоемов.

Напорные (артезианские) воды не питаются непосредственно атмосферными осадками, а пополняются из других водоносных го- ризонтов за счет медленной нисходящей или восходящей фильтрации подземных вод через толщу относительно водоупорных пород или за счет атмосферных осадков, но из весьма отдаленных областей питания. В областях питания артезианских вод, приурочен-

ных к возвышенным формам рельефа, наряду с перемещением вод по водоносному пласту имеет место и нисходящая фильтрация их из одного водоносного горизонта в другой. В районах дренирования (пониженные участки долин основных рек, озерные впадины, морские побережья и др.) артезианские воды имеют восходящее движение из одного водоносного горизонта в другой.

В рыхлых осадочных породах (галечники, пески, глины) движение воды происходит по порам, образованным между отдельными зернами и частицами, из которых состоят эти породы. В пределах водоносного горизонта поры чаще всего распределены равномерно, поэтому движение воды также равномерное. Обычно в песках скорость перемещения подземных вод составляет от десятков сантиметров до 1-2 м в сутки, в глинистых породах - до нескольких миллиметров.

В трещиноватых скальных породах (известняки, песчаники, кварциты, граниты) вода движется по отдельным трещинам, которые распределены в породах неравномерно, в связи с этим могут встречаться локальные зоны повышенной трещиноватости, где проходят мощные потоки подземных вод. Скорость перемещения воды в этих породах может достигать нескольких километров в сутки.

На скорость движения подземных вод оказывает влияние не только состав горных пород, но и интенсивность водообмена. Ин- тенсивность водообмена характеризует время, в течение которого вода, находящаяся в водоносном горизонте, полностью замещается новой, поступающей за счет инфильтрации атмосферных осадков, поверхностных вод и т.д. Полный водообмен водоносных горизонтов обычно происходит в течение сотен, тысяч лет и более, причем для более поверхностно залегающих горизонтов сроки полного водообмена меньше. На интенсивность водообмена также влияют проницаемость горных пород, рельеф местности. В горных районах, рельеф которых расчленен глубокими долинами, интенсивность водообмена выше, чем в равнинных районах со слаборазвитой сетью оврагов. Наконец, питание подземных вод и водообмен водоносных горизонтов менее выражены в засушливых областях, чем в зонах с влажным климатом. Таким образом, на миграцию радионуклидов в подземных водах в зависимости от гидрогеологических условий будет влиять соотношение скорости движения подземных вод к интенсивности их разбавления.

Подземные воды при их движении взаимодействуют с горными породами. Это взаимодействие сводится к процессам выщелачивания и растворения пород и, наоборот, к процессам сорбции породами ряда веществ, содержащихся в воде. Сорбция породами химических веществ в основном определяется ионообменными процессами и поглотительной способностью пород, заключающейся в том, что ряд веществ, находящихся в воде, может давать нерастворимые соединения при взаимодействии с элементами, содержащимися в горных породах. Радиоактивные изотопы, подобно макрокомпонентам природной воды, поглощаются горными породами. Однако этому процессу свойственны и осо- бенности, определяющиеся чрезвычайно малой концентрацией радиоактивных продуктов (за исключением природного урана, который может содержаться в подземных водах в макроколичествах). Сорбционная способность горных пород составляет в среднем десятки миллиграмм-эквивалентов на 100 г природного сорбента, поэтому поглотительная емкость горных пород всегда намного выше возможного содержания в воде радионуклидов. Степень их поглощения породами зависит от химических свойств сорбирующих изотопов. Так, трехвалентный плутоний поглощается породой наиболее интенсивно, четырехвалентный плутоний - менее интенсивно, а двухвалентный - плохо. Четырехвалентный уран (в восстановительной среде) плохо растворим и практически не мигрирует в подземных водах, а шестивалентный высокоподвижен.

В ряде работ отечественных исследователей было отмечено, что с увеличением солевого состава раствора уменьшается поглоще- ние сорбентами радионуклидов. Так, с повышением концентрации ионов натрия и калия снижается сорбция изотопов цезия и стронция.

Степень поглощения радиоактивных продуктов зависит от типа горных пород, т.е. от их минералогического, химического, механического состава, а также от структуры и сложения породы. В табл. 44 приведены коэффициенты распределения радиоизотопов между природными сорбентами и водой гидрокарбонатно-кальциевого состава (коэффициент распределения - отношение концентрации радиоактивного элемента в горной породе к равновесной концентрации этого элемента в растворе, находящемся в соприкосновении с данным природным сорбентом).

Таблица 44. Распределение некоторых радиоизотопов между природными сорбентами и водой (по А. С. Белицкому и Е.И. Орловой)

С увеличением в породе числа мелких глинистых частиц и ионообменной емкости сорбентов возрастает сорбционная способность породы.

В миграции радионуклидов в подземных водах важны не только процессы сорбции отдельных элементов, но и явления десорбции, которые могут наблюдаться при резком уменьшении удельной активности воды. Степень десорбции изотопов в значительной степени зависит от механизмов поглощения отдельных радиоэлементов горными породами. Легче всего десорбируются изотопы тех элементов, которые сорбируются породой по ионообменному механизму поглощения.

Каков же характер миграции радионуклидов в подземных водах в действительности? На основании экспериментальных исследова- ний в натурных условиях и данных ионообменной хроматографии, используемой для прогнозирования миграции радиоактивных продуктов с подземными водами, разработаны методы оценки этого процесса при проникновении радионуклидов в грунтовые воды с поверхности земли, перемещении вод в водоносных горизонтах, а также при фильтрации вод, содержащих радиоактивные изотопы, через водоупорные пласты, дающие удовлетворительные результаты. Как показали материалы расчетов, например, через 40 лет после загрязнения земли 90Sr на глубине 1 м его относительное содержание в воде, проникающей через делювиальные глины, со- ставит около 4?10-3, а через 100 лет на глубине глины 1 и 2-3 м относительное содержание его будет соответственно 8?10-4 и 2?10-5 исходного. Таким образом, покровные глинистые породы интенсивно задерживают 90Sr в инфильтрирующихся водах. Однако при массивном загрязнении поверхности земли на больших территориях в районах с грунтом повышенной фильтрационной способности (супесь, легкий суглинок) не исключено попадание стронция в неглубоко залегающие грунтовые воды через десятки лет. Оценка возможного их распространения из одного артезианского горизонта в другой свидетельствует о том, что даже при облегченной фильтрации вод через глинистые породы скорость движения воды, содержащей радиоактивные изотопы, будет достигать всего лишь 0,65 м за 10 лет и 1,3 м за 100 лет. Поэтому основная роль в их миграции в подземных водах принадлежит горизонтальному распространению по водоносному горизонту. При постоянном поступлении в водоносные горизонты через поглощающую скважину

90Sr в зависимости от структуры осадочной породы и расхода поступающих растворов радиус распространения зоны с относительным содержанием этого изотопа до 50% исходного через 100 лет может быть в пределах от 50 до 550 м и более. В трещиноватых породах этот радиус может достигать десятков километров.

Таким образом, приведенные сведения позволяют сделать вывод: в большинстве случаев миграция искусственных радионуклидов в подземных водах по сравнению с водами открытых водоемов в значительной мере ограничена.

Контрольные вопросы

1. Каково поведение радиоактивных аэрозолей в атмосферном воздухе при ядерных взрывах?

2. Какова скорость очистки тропосферных загрязнений от радиоактивных аэрозолей?

3. Какова скорость очистки стратосферы от долгоживущих осколков деления?

4. По каким широтам отмечался максимум глобальных выпадений долгоживущих радионуклидов?

5. Какие факторы предопределяют поведение радионуклидов, поступающих в атмосферный воздух через дымовые трубы?

6. Каковы пути возможного поступления радионуклидов в растения?

7. Какие условия обусловливают степень накопления радионуклидов в растениях?

8. Каковы поведение и пути миграции радионуклидов в поверхностных водах?

9. Каковы особенности поведения радионуклидов в подземных водах?

YAmedik.org