降雨对核素在包气带中的迁移影响及工程防护

黄 力，贾 超，徐玉良，贾佳佳

（山东大学 土建与水利学院，济南250061）

降雨对核素在包气带中的迁移影响及工程防护

黄 力，贾 超，徐玉良，贾佳佳

（山东大学 土建与水利学院，济南250061）

以某内陆核电站为例，模拟了核电站放射性收集箱破裂时，核素泄露经包气带进入地下水的过程，研究了降雨对核素在包气带中迁移的影响，并提出相应的工程措施，为核事故后果影响评估和应急工作提供了科学依据。

内陆核电；降雨；包气带；核素迁移；工程防护

核电作为一种清洁、经济和高效的能源，在满足经济和社会发展不断增长的能源需求，保障能源供应与安全，保护环境，实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合经济实力、工业技术水平都具有重要意义［1］。近期，我国陆续迎来核电发展的新阶段，若干内陆核电站即将开工建设。为了更好地了解核素在岩土介质中的运移规律，研究降雨对核素在包气带中迁移影响很有必要。

目前关于降雨对核素在包气带中迁移的研究较少。吴晓艳、熊正为和彭小勇等［2］研究考虑降雨随季节变化明显的特点，研究了铀尾矿库周边放射性核素在地下水中的迁移扩散规律。左自波、张璐璐和王建华［3］采用有限元数值分析的方法，研究了无降雨、连续降雨和间断降雨条件下土体非饱和带中孔隙水压力和含水量变化及污染物的迁移规律。李洪、李鑫钢和黄国强等［4］考虑降雨和蒸发的影响，分析有机污染物在土壤渗流区气相、液相和固相中的传质过程，运用Hydrus-2D研究了苯在渗流区土壤中的迁移规律。王春晓、张兆吉和费宇红等［5］以甲苯为研究对象，采用原位土柱物理模拟试验，通过降雨与土壤参数监测及土壤和土壤气体取样分析，研究了降雨条件下土壤中甲苯多相运移规律。

本文以某内陆核电站为例，考虑了核素衰变作用和吸附作用，研究了核电站事故工况下，降雨对核素在包气带中的运移规律，并根据研究结果提出了工程应对措施，为核事故后果影响评估和应急工作提供了科学依据。

1 工程概况

1.1 水文地质条件

某内陆核电站厂址附近区域总体地势为西北较高东南较低，厂区多为丘陵剥蚀地貌和山间沟谷堆积地貌，地层岩性主要为第四系强、中或微风化基岩构成。厂区附近范围内地下水主要来源于降雨补给，最终汇入厂区东北部和东南部河流，且周边无大规模取水工程。地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。

1.2 水文地质模型

建立研究区水文地质模型，如图1。

图1 研究区数值模型

核电站厂址的东部和北部被河流环绕，均可视为定水头边界；西部为分水岭，西南边界线与勘测资料所得的地下水流向平行，可概化为无流量边界。

地层岩性从上向下为回填土层、第四系冲积层、强风化基岩层和中—微风化基岩层，水文地质条件较简单。

研究区地层概化为2层，回填土层和第四系冲积层为第1层，强风化和中风化为第2层，模型底部边界为微风化基岩层上表面，为不透水边界。

1.3 参数选择

研究区的水文地质参数主要来自于刘永等［6］的研究成果，其中弥散度和渗透系数由研究区域现场水文钻孔实验和抽水实验确定初值，后根据12个观测井中的实测水头校准。其余参数根据地层类型和岩性，采用工程类比法确定。各地层水文地质参数最终取值如表1。

表1 水文地质参数取值

土壤水分特征曲线采用van Genuchten经验公式，各地层土壤水分特征参数取值 （α和n为经验参数）如表2。

表2 土壤水分特征参数

2 数值计算

2.1 理论基础

放射性核素在地下水中迁移过程中受到对流、弥散、吸附和衰变作用的影响。其中衰变速率由核素半衰期确定，地质介质对核素的吸附模式采用线性等温吸附模式。核素在地下水中的迁移控制方程如式（1）：

式中 θ为地下介质的孔隙度，无量纲；Ck为物质k的溶解浓度（ML-3）；t为时间（T）；xi，xj分别为沿x，y坐标轴的距离（L）；Dij为水动力弥散系数张量（L2T-1） ；vi为渗流或线性孔隙水流速度（LT-1）；qs为单位体积含水层源汇的体积流量 （T-1）；Cks为源汇流中物质的浓度（ML-3）；ΣRn为吸附项（ML-1）；I为放射性衰变项（ML-1）。

2.2 包气带厚度计算

本文旨在研究核素在包气带中的迁移规律，故以研究核素纵方向的迁移为主，又因核素在地下水流场方向上横向影响范围最大，所以取经过厂址的地下水流场方向的纵剖面为研究区域。

通过相关的气象资料，边界条件和地层划分等条件，反演出包气带的厚度和地下水潜水位。假定某一状态为初始状态，在上述源汇项作用下进行计算，最终地层中达到饱和含水率的区域趋于稳定，则可认为达到相应饱和体积含水率的区域即为饱和带，饱和带以上为包气带。计算结果如图2。

图2 厂区包气带与饱和带分布

由图2可知，厂区附近第二层全部区域与第一层最底层区域均达到了相应地层的饱和体积含水率，可视作为饱和带，其上部分为包气带。厂址下方包气带厚度为10m。

2.3 核素迁移计算

2.3.1 源项设计

假定某收集箱破裂，84.8m3废液全部泄漏，不考虑地基对放射性废液泄漏的延迟作用。收集箱中所有的放射性物质作为直接进入地下水的源项，该假设对于分析估计事故影响偏保守。源项的释放时间为72h，72h后核事故应急干预措施会阻止放射性物质的进一步释放。

由于90Sr半衰期较长，对地下水影响时间较长，选取90Sr为典型核素，研究降雨对90Sr核素在包气带中迁移的影响。90Sr的相关参数如表3。

表3 流出物收集箱核素量

根据我国现行的国标规定，生活饮用水中总的β放射性标准为1Bq/l［7］。不考虑环境固有放射性的前提下，90Sr放射性活度1Bq/l时，对应浓度2.2×10-12mol/m3，用该浓度值作为核素迁移距离和影响指标的判断标准。

2.3.2 降雨条件下90Sr运移结果分析

90Sr在降雨情况下的动态运移过程如图3，厂址处地下监测点浓度变化如图4。

由图3和图4可知：①在3万d时，90Sr已运移到厂址处地下10m监测点处，开始检测到浓度；②在10万d时，90Sr的影响区域到达了饱和带，然后在地下水流场的作用和地层介质的吸附作用共同影响下，向北部河流以较快的速度运移；③在15万d时，放射性核素的浓度中心到达监测点，监测点浓度出现峰值，接着随着浓度中心的继续向下运移，离开监测点，监测点的浓度开始降低；④第20万d时，污染物的影响范围如图3D，此时核素进入基岩层的最大浓度为2.74×10-11mol/m3（12.5Bq/l），经过包气带的延迟作用，此时浓度中心的浓度为初始浓度的1.42%。

图3 90Sr模拟浓度分布

图4 厂址处地下监测点浓度变化

2.3.3 隔绝降雨条件下90Sr运移结果分析

为研究降雨的影响，把污染源周边40m范围内的地表区域设置成不透水边界，其他条件不变，最终计算结果如图5。

对比图3和图5可知：

（1）隔绝降雨后污染源不受周边区域降雨入渗的影响，与无措施相比，90Sr基本上仅在垂直方向运移，水平方向上的影响范围很小，无措施在计算期末的水平运移距离为20m，隔绝降雨条件下计算期末的水平运移距离为5m。

图5 隔绝降雨90Sr迁移浓度分布

（2）隔绝降雨后90Sr垂直方向上的迁移速度较无工程措施时有所减小，在10万d时，无工程措施的情况下，90Sr的影响范围已进入饱和带，达到1，2层的分界线，而隔绝降雨情况下，90Sr的影响范围刚进入饱和带。

（3）在计算期末，90Sr的浓度迁移范围都进入了饱和带，并运移到第2含水层，但隔绝降雨条件下，90Sr进入第2含水层的深度和影响范围均较小。

由图3和图5中4个时间节点，90Sr浓度中心的最大值（见图3和图5中右上角标注值）得到图6。

图6 90Sr不同时间最大浓度对比

由图6可知：

（1）不同时间的90Sr运移影响范围最大浓度在隔绝降雨后均有所降低，1万d时隔绝降雨后的最大浓度较未无措施时降低了约50%；

（2）随着时间推移，隔绝降雨影响逐步减小，在计算期末，两种情况下90Sr迁移分布的最大浓度基本相等。

综上可知，隔绝降雨通过改变90Sr的运移速度梯度，从而改变了运移影响范围的整体分布的均匀程度，核素总量并未改变。另外，由于厂区处于污染中心，对于放射性烟羽干湿沉降造成的面源污染，隔绝降雨也可防止浓度最大的面源污染区域的核素随降雨入渗，进而污染地下水。

3 工程防护

基于以上计算结果可知，降雨对核素在包气带中的迁移具有较明显的促进作用，因此在实际工程应用中可采取以下措施：

（1）对厂区周围一定区域内地面进行水泥硬化，或者铺设沥青路面，防止降雨入渗对核素迁移产生加速作用，从而降低地下水的污染风险。同时还可避免放射性烟羽通过干湿沉降降落到地面污染地下水的风险。

（2）对地面进行硬化时应该注意设置排水系统，避免对地表水产生影响。如有需要还可对放射性活度较大的雨水进行收集处理，水质达标后再向环境中排放。

（3）在核应急过程中，对于厂区外较远，放射性核素又容易聚集的区域，可临时通过注射化学物质使其固结或喷灌混凝土等方法，降低地基土的透水性，防止放射性核素入渗进入地下水，并对汇集的放射性污水进行收集处理。

4 结语

（1）以某内陆核电站为典型案例，计算了核电站厂区周围地下水流场和包气带的厚度，在此基础上考虑核素的衰变和吸附作用，研究了降雨对核素在包气带中迁移的影响。同时从工程防护的角度提出了相应的工程措施。

（2）降雨会加快核素在包气带中的迁移速度，在隔绝降雨条件下，在计算期末90Sr迁移的深度和影响范围均较小。隔绝降雨通过改变90Sr的运移速度梯度，从而改变了运移的影响范围的整体分布的均匀程度，核素总量并未有所改变。

（3）根据计算结果，在实际工程中可采用对核电站周边区域进行路面硬化，设置排水系统和核事故应急时采取紧急硬化等措施缓解降雨对核素迁移的影响。

［1］赵小辉，邹树梁，刘永.内陆核电发展形势分析［J］.南华大学学报（社会科学版）， 2012（3）：1-7.

［2］吴晓艳，熊正为，彭小勇，等.降雨对铀尾矿库地下水中核素迁移影响的模拟研究［J］.安全与环境学报，2013（1）：92-96.

［3］左自波，张璐璐，王建华.降雨条件下非饱和土中污染物迁移的数值模拟 ［J］.地下空间与工程学报，2011（S1）：1347-1352.

［4］李洪，李鑫钢，黄国强，等.降雨蒸发条件下渗流区污染物迁移的数值模拟［J］.化学工程， 2007（9）：51-54.

［5］王春晓，张兆吉，费宇红，等.降雨对土壤中甲苯运移影响的初步研究［J］.西南大学学报（自然科学版）， 2015（5）：146-152.

［6］刘永，毛亚蔚，郑伟，等.地下水模型系统GMS在核电厂地下水核素迁移数值模拟中的应用 ［J］.辐射防护，2015（4）：221-226.

［7］GB 5749—2006，生活饮用水卫生标准［S］.

The effect of rainfall on the migration of nuclide in the unsaturated zone and engineering protection

HUANG Li，JIA Chao，XU Yu-liang，JIA Jia-jia
（School of Civil Engineering， Shangdong University， Jinan 250061， China）

Based on an inland nuclear power plant， this paper simulated radioactive nuclide transport from the collection tank to groundwater， and studied the influence of rainfall on radionuclide migration in the unsaturated zone， and put forward the corresponding engineering measures.The research provides a scientific basis for nuclear accident consequence impact assessment and respond work.

inland nuclear； rainfall； unsaturated zone； nuclide transport； engineering measures

P641.131 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2017）06-0042-05

2017-08-03

黄 力（1992-），男（汉族），湖北武汉人，硕士研究生，主要从事地下水环境和辐射防护方面的研究工作，（Tel）17865131229。

尹健婷）