降雨對核素在包氣帶中的遷移影響及工程防護

黃 力，賈 超，徐玉良，賈佳佳

（山東大學 土建與水利學院，濟南250061）

降雨對核素在包氣帶中的遷移影響及工程防護

黃 力，賈 超，徐玉良，賈佳佳

（山東大學 土建與水利學院，濟南250061）

以某內陸核電站為例，模擬了核電站放射性收集箱破裂時，核素泄露經包氣帶進入地下水的過程，研究了降雨對核素在包氣帶中遷移的影響，并提出相應的工程措施，為核事故后果影響評估和應急工作提供了科學依據。

內陸核電；降雨；包氣帶；核素遷移；工程防護

核電作為一種清潔、經濟和高效的能源，在滿足經濟和社會發展不斷增長的能源需求，保障能源供應與安全，保護環境，實現電力工業結構優化和可持續發展，提升我國綜合經濟實力、工業技術水平都具有重要意義［1］。近期，我國陸續迎來核電發展的新階段，若干內陸核電站即將開工建設。為了更好地了解核素在巖土介質中的運移規律，研究降雨對核素在包氣帶中遷移影響很有必要。

目前關于降雨對核素在包氣帶中遷移的研究較少。吳曉艷、熊正為和彭小勇等［2］研究考慮降雨隨季節變化明顯的特點，研究了鈾尾礦庫周邊放射性核素在地下水中的遷移擴散規律。左自波、張璐璐和王建華［3］采用有限元數值分析的方法，研究了無降雨、連續降雨和間斷降雨條件下土體非飽和帶中孔隙水壓力和含水量變化及污染物的遷移規律。李洪、李鑫鋼和黃國強等［4］考慮降雨和蒸發的影響，分析有機污染物在土壤滲流區氣相、液相和固相中的傳質過程，運用Hydrus-2D研究了苯在滲流區土壤中的遷移規律。王春曉、張兆吉和費宇紅等［5］以甲苯為研究對象，采用原位土柱物理模擬試驗，通過降雨與土壤參數監測及土壤和土壤氣體取樣分析，研究了降雨條件下土壤中甲苯多相運移規律。

本文以某內陸核電站為例，考慮了核素衰變作用和吸附作用，研究了核電站事故工況下，降雨對核素在包氣帶中的運移規律，并根據研究結果提出了工程應對措施，為核事故后果影響評估和應急工作提供了科學依據。

1 工程概況

1.1 水文地質條件

某內陸核電站廠址附近區域總體地勢為西北較高東南較低，廠區多為丘陵剝蝕地貌和山間溝谷堆積地貌，地層巖性主要為第四系強、中或微風化基巖構成。廠區附近范圍內地下水主要來源于降雨補給，最終匯入廠區東北部和東南部河流，且周邊無大規模取水工程。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。

1.2 水文地質模型

建立研究區水文地質模型，如圖1。

圖1 研究區數值模型

核電站廠址的東部和北部被河流環繞，均可視為定水頭邊界；西部為分水嶺，西南邊界線與勘測資料所得的地下水流向平行，可概化為無流量邊界。

地層巖性從上向下為回填土層、第四系沖積層、強風化基巖層和中—微風化基巖層，水文地質條件較簡單。

研究區地層概化為2層，回填土層和第四系沖積層為第1層，強風化和中風化為第2層，模型底部邊界為微風化基巖層上表面，為不透水邊界。

1.3 參數選擇

研究區的水文地質參數主要來自于劉永等［6］的研究成果，其中彌散度和滲透系數由研究區域現場水文鉆孔實驗和抽水實驗確定初值，后根據12個觀測井中的實測水頭校準。其余參數根據地層類型和巖性，采用工程類比法確定。各地層水文地質參數最終取值如表1。

表1 水文地質參數取值

土壤水分特征曲線采用van Genuchten經驗公式，各地層土壤水分特征參數取值 （α和n為經驗參數）如表2。

表2 土壤水分特征參數

2 數值計算

2.1 理論基礎

放射性核素在地下水中遷移過程中受到對流、彌散、吸附和衰變作用的影響。其中衰變速率由核素半衰期確定，地質介質對核素的吸附模式采用線性等溫吸附模式。核素在地下水中的遷移控制方程如式（1）：

式中 θ為地下介質的孔隙度，無量綱；Ck為物質k的溶解濃度（ML-3）；t為時間（T）；xi，xj分別為沿x，y坐標軸的距離（L）；Dij為水動力彌散系數張量（L2T-1） ；vi為滲流或線性孔隙水流速度（LT-1）；qs為單位體積含水層源匯的體積流量 （T-1）；Cks為源匯流中物質的濃度（ML-3）；ΣRn為吸附項（ML-1）；I為放射性衰變項（ML-1）。

2.2 包氣帶厚度計算

本文旨在研究核素在包氣帶中的遷移規律，故以研究核素縱方向的遷移為主，又因核素在地下水流場方向上橫向影響范圍最大，所以取經過廠址的地下水流場方向的縱剖面為研究區域。

通過相關的氣象資料，邊界條件和地層劃分等條件，反演出包氣帶的厚度和地下水潛水位。假定某一狀態為初始狀態，在上述源匯項作用下進行計算，最終地層中達到飽和含水率的區域趨于穩定，則可認為達到相應飽和體積含水率的區域即為飽和帶，飽和帶以上為包氣帶。計算結果如圖2。

圖2 廠區包氣帶與飽和帶分布

由圖2可知，廠區附近第二層全部區域與第一層最底層區域均達到了相應地層的飽和體積含水率，可視作為飽和帶，其上部分為包氣帶。廠址下方包氣帶厚度為10m。

2.3 核素遷移計算

2.3.1 源項設計

假定某收集箱破裂，84.8m3廢液全部泄漏，不考慮地基對放射性廢液泄漏的延遲作用。收集箱中所有的放射性物質作為直接進入地下水的源項，該假設對于分析估計事故影響偏保守。源項的釋放時間為72h，72h后核事故應急干預措施會阻止放射性物質的進一步釋放。

由于90Sr半衰期較長，對地下水影響時間較長，選取90Sr為典型核素，研究降雨對90Sr核素在包氣帶中遷移的影響。90Sr的相關參數如表3。

表3 流出物收集箱核素量

根據我國現行的國標規定，生活飲用水中總的β放射性標準為1Bq/l［7］。不考慮環境固有放射性的前提下，90Sr放射性活度1Bq/l時，對應濃度2.2×10-12mol/m3，用該濃度值作為核素遷移距離和影響指標的判斷標準。

2.3.2 降雨條件下90Sr運移結果分析

90Sr在降雨情況下的動態運移過程如圖3，廠址處地下監測點濃度變化如圖4。

由圖3和圖4可知：①在3萬d時，90Sr已運移到廠址處地下10m監測點處，開始檢測到濃度；②在10萬d時，90Sr的影響區域到達了飽和帶，然后在地下水流場的作用和地層介質的吸附作用共同影響下，向北部河流以較快的速度運移；③在15萬d時，放射性核素的濃度中心到達監測點，監測點濃度出現峰值，接著隨著濃度中心的繼續向下運移，離開監測點，監測點的濃度開始降低；④第20萬d時，污染物的影響范圍如圖3D，此時核素進入基巖層的最大濃度為2.74×10-11mol/m3（12.5Bq/l），經過包氣帶的延遲作用，此時濃度中心的濃度為初始濃度的1.42%。

圖3 90Sr模擬濃度分布

圖4 廠址處地下監測點濃度變化

2.3.3 隔絕降雨條件下90Sr運移結果分析

為研究降雨的影響，把污染源周邊40m范圍內的地表區域設置成不透水邊界，其他條件不變，最終計算結果如圖5。

對比圖3和圖5可知：

（1）隔絕降雨后污染源不受周邊區域降雨入滲的影響，與無措施相比，90Sr基本上僅在垂直方向運移，水平方向上的影響范圍很小，無措施在計算期末的水平運移距離為20m，隔絕降雨條件下計算期末的水平運移距離為5m。

圖5 隔絕降雨90Sr遷移濃度分布

（2）隔絕降雨后90Sr垂直方向上的遷移速度較無工程措施時有所減小，在10萬d時，無工程措施的情況下，90Sr的影響范圍已進入飽和帶，達到1，2層的分界線，而隔絕降雨情況下，90Sr的影響范圍剛進入飽和帶。

（3）在計算期末，90Sr的濃度遷移范圍都進入了飽和帶，并運移到第2含水層，但隔絕降雨條件下，90Sr進入第2含水層的深度和影響范圍均較小。

由圖3和圖5中4個時間節點，90Sr濃度中心的最大值（見圖3和圖5中右上角標注值）得到圖6。

圖6 90Sr不同時間最大濃度對比

由圖6可知：

（1）不同時間的90Sr運移影響范圍最大濃度在隔絕降雨后均有所降低，1萬d時隔絕降雨后的最大濃度較未無措施時降低了約50%；

（2）隨著時間推移，隔絕降雨影響逐步減小，在計算期末，兩種情況下90Sr遷移分布的最大濃度基本相等。

綜上可知，隔絕降雨通過改變90Sr的運移速度梯度，從而改變了運移影響范圍的整體分布的均勻程度，核素總量并未改變。另外，由于廠區處于污染中心，對于放射性煙羽干濕沉降造成的面源污染，隔絕降雨也可防止濃度最大的面源污染區域的核素隨降雨入滲，進而污染地下水。

3 工程防護

基于以上計算結果可知，降雨對核素在包氣帶中的遷移具有較明顯的促進作用，因此在實際工程應用中可采取以下措施：

（1）對廠區周圍一定區域內地面進行水泥硬化，或者鋪設瀝青路面，防止降雨入滲對核素遷移產生加速作用，從而降低地下水的污染風險。同時還可避免放射性煙羽通過干濕沉降降落到地面污染地下水的風險。

（2）對地面進行硬化時應該注意設置排水系統，避免對地表水產生影響。如有需要還可對放射性活度較大的雨水進行收集處理，水質達標后再向環境中排放。

（3）在核應急過程中，對于廠區外較遠，放射性核素又容易聚集的區域，可臨時通過注射化學物質使其固結或噴灌混凝土等方法，降低地基土的透水性，防止放射性核素入滲進入地下水，并對匯集的放射性污水進行收集處理。

4 結語

（1）以某內陸核電站為典型案例，計算了核電站廠區周圍地下水流場和包氣帶的厚度，在此基礎上考慮核素的衰變和吸附作用，研究了降雨對核素在包氣帶中遷移的影響。同時從工程防護的角度提出了相應的工程措施。

（2）降雨會加快核素在包氣帶中的遷移速度，在隔絕降雨條件下，在計算期末90Sr遷移的深度和影響范圍均較小。隔絕降雨通過改變90Sr的運移速度梯度，從而改變了運移的影響范圍的整體分布的均勻程度，核素總量并未有所改變。

（3）根據計算結果，在實際工程中可采用對核電站周邊區域進行路面硬化，設置排水系統和核事故應急時采取緊急硬化等措施緩解降雨對核素遷移的影響。

［1］趙小輝，鄒樹梁，劉永.內陸核電發展形勢分析［J］.南華大學學報（社會科學版）， 2012（3）：1-7.

［2］吳曉艷，熊正為，彭小勇，等.降雨對鈾尾礦庫地下水中核素遷移影響的模擬研究［J］.安全與環境學報，2013（1）：92-96.

［3］左自波，張璐璐，王建華.降雨條件下非飽和土中污染物遷移的數值模擬 ［J］.地下空間與工程學報，2011（S1）：1347-1352.

［4］李洪，李鑫鋼，黃國強，等.降雨蒸發條件下滲流區污染物遷移的數值模擬［J］.化學工程， 2007（9）：51-54.

［5］王春曉，張兆吉，費宇紅，等.降雨對土壤中甲苯運移影響的初步研究［J］.西南大學學報（自然科學版）， 2015（5）：146-152.

［6］劉永，毛亞蔚，鄭偉，等.地下水模型系統GMS在核電廠地下水核素遷移數值模擬中的應用 ［J］.輻射防護，2015（4）：221-226.

［7］GB 5749—2006，生活飲用水衛生標準［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 文獻標識碼：B 文章編號：1672-9900（2017）06-0042-05

2017-08-03

黃 力（1992-），男（漢族），湖北武漢人，碩士研究生，主要從事地下水環境和輻射防護方面的研究工作，（Tel）17865131229。

尹健婷）