铀矿区地下水中氡迁移的室内模拟

2014-04-02张超宇彭玉芳

中国矿业 2014年6期

张莹，张超宇，彭玉芳，张健

(1.防灾科技学院，河北三河 065201；2.中国国土资源经济研究院，北京 101149)

氡是由天然元素铀、锕、钍等释放出来的一种放射性惰性气体，主要来源于自然界的岩石、土壤、水和植物中。氡能溶于水和有机质，它在地质环境中除以气态方式迁移外还以溶解态伴随地下水和土壤水迁移，迁移能力较强[1-2]。早在20世纪初，人们就已经开始对氡及其子体在岩石、矿物等地质体中的释放和运移现象进行了研究。研究成果表明，氡的迁移主要包括扩散作用、对流作用、泵吸作用、地热作用、水的携带作用、接力传递作用、“微气泡”等[3-5]。在已往的研究过程中，人们主要利用一维物理模型研究氡在气相、液相介质中的运移规律[6-8]，而氡在地下二维含水介质中的运移研究比较少。为了查清氡在地下孔隙含水介质中的迁移规律，本文采用渗流槽模拟实验模拟自然界地下水中氡的迁移过程，深入探讨地下水、土环境中氡的迁移过程的内在规律性，揭示氡的环境行为特征研究其运移的规律，为定量化研究地下环境中氡的迁移归宿提供科学依据，为氡在铀矿勘查中的应用提供理论支持。

1 实验原理

本次研究以新疆某铀矿区附近第四系孔隙含水层中地下水为模拟对象，地下水水位埋深约18m。含水层介质岩性为灰色细砂，灰色含砾中细砂岩，含水层富水性较强。地下水径流较为缓慢，平均水力坡度为8‰，地下水为低矿化度水。本次模拟范围为13200m2，模拟长度为110m，模拟宽度为30m，模拟深度为80m。以相似材料模拟方法为原理，为了使实验模拟模型满足相似条件，本次模拟实验将野外实体模型按一定比例尺缩小成室内模型，采用的模拟比例尺为1∶100，满足几何相似的条件。在室内模拟氡在孔隙含水介质中的运动，即模拟和实际水力坡度相近的地下水渗流环境。以野外场地铀矿区的含铀砂岩作氡源，通过氡在地下水中运移室内模拟实验揭示该矿区地下水中氡的运移规律。

2 实验设计

2.1 实验材料

水样：选取对氡迁移模拟实验影响最少的蒸馏水作为实验水样。

含水介质：实验用含水介质选取与野外场地实际含水层介质相类似的中粗砂，取自潮白河河流阶地，含水介质颗分结果见表1。

氡源：取自新疆某铀矿区内的砂岩作为实验氡源，含铀砂岩重1780g，铀含量为95μg/g。

表1 含水介质的颗分结果

2.2 实验装置

实验装置主要包括两部分：渗流槽和供水装置，如图1所示。供水装置为20L马氏瓶，渗流槽总长度为130cm，宽30cm，高80cm。渗流槽两侧有带滤网的有机玻璃板(断面abcd和断面a＇b＇c＇d＇)。沿渗流槽的长度方向将其分为三部分：两端由多孔过滤板分别隔出进水槽A和出水槽C，长均为10cm，中间B槽长度为110cm。A槽用来模拟地下水的侧向补给源，C用来控制渗流槽下游的地下水位，以调节两过滤板间B槽内的地下水水力坡度。B槽内填装孔隙含水介质，其孔隙介质填充情况见表2，在B槽的一侧设有多个取样孔，进行样品的采集和测试。在氡迁移实验开始时将氡源放置于A槽底部，直至氡迁移实验结束。

表2 模拟槽介质填充情况

图1 实验装置示意图

2.3 测试仪器

G&G T2200型电子天平(常熟双杰测试仪器厂)；MP515型电导率仪(上海三信仪表厂)；FD3017RaA型测氡仪(上海申核电子仪器有限公司)。

2.4 实验方法

2.4.1 示踪实验

为了查清室内模拟实验所填装物理模型中的含水介质特征，为后续进行的氡迁移实验提供必要的含水介质相关参数如渗透系数、地下水流速等，在进行氡迁移实验前有必要先开展示踪实验，以NaCI溶液为示踪剂，研究迁移性较强的惰性离子(CI-)在渗流槽中的迁移情况，为以后进一步建立氡迁移规律数学模型提供必要的理论依据，同时也为氡在含水介质中的迁移规律研究提供对比数据。实验采用0.2moL/L的NaCI溶液为示踪剂，采用蒸馏水饱和渗流槽。首先测定渗流槽中水的电导率背景值和蒸馏水的电导率值。根据实际水力坡度设计取样时间间隔和取样次数，定时从取样孔接取水样，测定其电导率值。连续取样直至各取样孔中水样电导率值均出现浓度峰值并稳定后，停止取样。本次示踪实验共历时295h。

2.4.2 氡迁移实验

示踪实验结束后将供水马氏瓶中的NaCl溶液更换为蒸馏水，冲洗渗流槽中的NaCl溶液，直至渗流槽出水口中水样的电导率值减少至示踪实验前渗流槽内水体的电导率值(即背景值)。其他条件不变，通过调节进水槽A和出水槽C处的地下水位使渗流槽内的地下水水力坡度与野外场地的实际情况接近，即水力坡度约为8‰。待其稳定流速24h后，测定渗流槽内水中氡的浓度(环境背景值)，将氡源铺埋于渗流槽中进水口处A槽底部，通过氡射气作用、溶解和扩散作用使氡进入水中并随着水流运移。根据实际流速定期从含水层介质中的指定取样孔取水样并测试氡的含量。采样时间间隔为1天。

氡迁移实验历时44天。渗流槽中采样孔为2-2、2-3、2-4、1-3、3-3(见图1)。每个采样孔每次采水样100ml，共采集水样28批次，测试分析水样140个。

3 实验结果与分析

3.1 水位观测结果

根据渗流槽中的三个测压管及渗流槽两端A、C水槽的实际水位观测数据，绘制出渗流槽水位观测结果图(图2)。由图2可以看出，在渗流槽的进水端和出水端处水力坡度较小，渗流槽内地下水水力坡度约为0.008，与野外场地的实际地下水水力坡度相近，可进一步开展示踪实验和氡迁移的室内模拟实验。

图2 水位观测结果

3.2 示踪实验结果

将取样孔水样的电导率监测值和初始电导率(即实验初始配置的0.2mol/L的NaCI溶液示踪剂电导率值)的比值用电导率相对值表示，根据渗流槽中2-2、2-4两个取样孔的地下水样电导率测试数据，绘制水样电导率相对值随时间变化的曲线图，见图3。

图3 电导率相对值随时间变化曲线

由图3可知，2-2、2-4两个取样孔的水样电导率相对值变化情况相似，均表现出电导率相对值随着时间的延长逐渐增大，最后稳定趋近于1。这是由于实验初始时，渗流槽被蒸馏水饱和，渗流槽内水样电导率值均较低，电导率值近似于0，因此取样孔处水样电导率相对值较小近似于0。随着实验进行，NaCI溶液逐渐流入渗流槽内，水样中NaCI含量逐渐增大，电导率监测值亦逐渐增大，直至增大到与初始电导率值相近，因此水样电导率相对值也逐渐增大，直至趋近于1。

可根据达西定律计算地下水渗流速度V和含水介质的渗透系数K，达西定律见式(1)。

V=l/t；K=V/I；u=V/n

(1)

式中：l为取样孔至进水端的距离，m；t为取样孔电导率相对值出现峰值的时间，d；I为水力坡度；u为地下水的实际流速，m/d；n为有效孔隙度。

由图3可知，采样孔2-2、2-4电导率出现峰值的时间分别是125h、217h，经测试含水介质的孔隙度为0.298，可由达西定律公式计算渗流槽中地下水的参数，计算结果见表3。该实验结果为进一步建立氡迁移规律数学模型提供了必要的数据支撑。

3.3 氡迁移实验结果

3.3.1 氡在水平方向上的变化规律

以第6天、第29天、第41天的氡的迁移实验数据为例，沿水平方向，分别选取横向上2-2、2-3、2-4各取样孔中氡的测试数据进行分析(见图4)。由图4可知：随时间推移，各取样孔处氡浓度总体上呈现增大的趋势。在第6天时距离氡源75cm处氡浓度相对值即可达到0.2，然而氡在水平向上的扩散速度极慢，因此在沿水流方向上，氡的迁移主要受到地下水的对流作用，以地下水为载体将氡不断运移。在同一时刻，从进水断面到出水断面沿水平向氡的浓度相对值逐渐递减，即随着氡在渗流槽中迁移路径的延长其浓度相应减小。作者认为这与氡的挥发、自身衰变以及含水介质对其的吸附作用等有关。

表3 示踪实验计算的地下水参数表

图4 水平方向上各取样孔氡浓度相对值分布(取样孔埋深23cm处)

3.3.2 氡在垂直方向上的变化规律

沿着垂直方向，分别选取渗流槽各取样孔第6天、第29天、第41天的数据进行分析。图5为渗流槽中相同取样断面在不同时刻的地下水中氡的相对浓度垂向分布图。由图可以看出，不同时刻氡浓度在垂直方向上的分布规律总体相似，氡的浓度在垂向上分布不均匀，随着取样孔埋深增大氡的浓度逐渐增大。氡迁移实验中氡源是铺埋于渗流槽中A槽的底部，其他条件相同情况下，距离氡源最近的取样孔1-3处氡浓度最高，距离氡源最远的取样孔3-3处氡浓度最低，再次表明氡在孔隙含水介质中的运移以水平迁移为主，而埋深最小的取样孔3-3处氡的浓度随时间逐渐增大，说明在垂向上存在氡的积累，除了水平向迁移外氡也同时具有竖直方向上运移的能力，已有研究成果中的“微气泡”理论并非氡在孔隙含水介质中运移的主要机制。

3.3.3 氡随时间变化规律

各取样孔处地下水中氡的浓度随时间的变化规律相一致，各观测点的氡浓度变化随时间呈上升趋势，在某一时刻达到浓度峰值后，氡的浓度又会呈下降趋势(图6)。与氯离子示踪实验结果相对比，同一取样孔处氡的浓度并非单调递增或递减，表明氡的迁移除了累积效应外同时还存在衰减效应，即氡在地下水环境中的扩散、对流作用与挥发、衰变、吸附作用同时存在，而相比氯离子氡的阻滞作用要更为明显。此外，氡的浓度呈现非单调递增或递减的规律可能还与氡的释放、扩散具有阵发性的特点有关。与氯离子迁移相比，氡的迁移特性表现为稳定性较差。随着时间的推移，同一取样孔氡浓度整体上呈上升趋势，结合前述的氡在水平方向上的迁移规律结果，可得出氡的运移以水平向对流作用为主。但即使到实验结束时也未出现氡的最终稳定浓度峰值。