Физико-химические основы миграции компонентов пульп хвостохранилищ и способы их локализации тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

0,1(0•лет к Ф

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № ?

Разыков Зафар Абдукахорович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИГРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ПУЛЬП ХВОСТОХРАНИЛИЩ И СПОСОБЫ ИХ ЛОКАЛИЗАЦИИ

02.00.04 - физическая химия АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Душанбе - 1998г.

Работа выполнена в Научно-производственном центре "Т" ПО "Востокредмет" при Правительстве Республики Таджикистан.

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Юнусов М.М. Официальные оппоненты: доктор технических наук",

академик АН

Республики Таджикистан, профессор Марупов P.M.

Ведущая организация:

кандидат химических наук, доцент Махмадмуродов С.М. Таджикский Государственный Технический Университет им. М.С.Осими

\

Защита диссертации состоится 10 июня 1998г. в 9-00 часов на заседании диссертационного Совета к 013.02.02. по защите диссертации на соискание учёной степени кандидата наук при Институте химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан по адресу: 734063 г. Душанбе, ул. Айни 299/2. E-Mail, guli @ academy td, Silk. org.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии имени В.И.Никитина АН Республики Таджикистан.

Автореферат разослан 7 мая 1998 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук

Г.Ф.Касымова

Г^^^сШ-1 - з -

ГОС ... -рггнная

, ,;ьОГ>ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание ядерной энергетики связано с вредным воздействием отдельных этапоп - добыча и переработка урановых руд, изготоплснис тепловыделяющих сборок, эксплуатация АЭС, переработка облучённого топлива, хранение радиоактивных отходов - на окружающую среду.

Наиболее опасными, с точки зрения возможного поступления радиоактивного материала п объекты внешней среды, являются этапы по переработке облученного топлива и эксплуатация АЭС.

Вопросу воздействия на окружающую среду предприятии по добыче и переработке ураноных руд оказывается недостаточное внимание, между тем все возрастающие масштабы этих производств вызывают глобальные нарушения установившегося веками равновесия в природе за счёт увеличения загрязнения окружающей среды естественными радионуклидами, другими факторами.

До настоящего времени основная масса отходов добычи и переработки урановых руд непосредственно поступает в окружающую среду, и задача снижения неблагоприятного воздействия их на окружающую среду является весьма важной и требует решения ряда сложных инженерных, научных, проектных и производственных проблем.

Одним из действующих объектов, расположенных на территории Республики Таджикистан является Дигмайское хвостохранилище (далее хвостохранилищс), которое с ранее захороненным опытным гидромсталлургическим заводом хвостохранилища (ГМЗ, г.Гафуров), расположенного в непосредственной близости от населённого пункта представляет собой потенциальную опасность для растительности, подземных вод, продуктов питания и т.д. Поэтому разработка способов прогнозирования взаимодействия указанных хностохранилищ с окружающей средой представляет собой актуальную задачу.

В связи с этим, целью настоящей работы является изучение взаимосвязи массопсреноса хвостохранилища с окружающей :редой (ОС), прогнозирование распространённости радиоктивных и токсичных элементов в ОС и разработка способа его надежного захоронения.

В соответствии с поставленной целью, задачи исследования таспадаются на ряд задач, которые были решены в ходе выполнения данной диссертационной работы:

- определение содержания радионуклидов и тяжёлых элементов в растительной флоре и почве, находящихся в зоне Днгмайского хвостохраннлнща в ближайшем его окружении;

- разработка способов экспресс-анализа уровня минерализации прудковых вод и составление соответствующей карты аномальных их значений в зоне объекта;

- моделирование процесса геофнльтрацин прудковых вод и миграции компонентов хвостохраннлнща, определение сорбционно-десорбционной характеристики фильтрующих материалов почвы и прогнозирование скорости распространения радионуклидов и тяжёлых элементов в окружающую среду;

- изучение миграции радона через различные материалы и использование полученных результатов для выбора материала и осуществление дозахоронения опытного гидрометаллургического завода.

Научная новизна. Впервые установлено содержание радиоактивных и тяжёлых элементов в растительной флоре и почве вокруг Днгмайского хвостохраннлнща, определён вид растений-накопителей радионуклидов, выявлена закономерность взаимосвязи состава этих металлов в почве и растениях.

Впервые методами вертикального (ВЭЗ) и кругового (КВЭЗ) электрозондирования составлена карта удельного электрического сопротивления вокруг хвостохраннлнща, установлена взаимосвязь его величины с уровнем минерализации прудковых вод и обнаружен ряд ннзкоомных аномалий соответствующих высокому содержанию электролитов в растекающейся жидкости.

Методами математического моделирования и с использованием вычислительной техники определено влияние жидкой техногенной фазы хвостохраннлнща на подземные воды регионов эксплуатации и прогнозированы условия распространения отдельных элементов-загрязнителей от очагов загрязнения и показана адекватность полученных результатов с данными наблюдательных скважин.

Определены сорбционные свойства пород по отношению к элементам-загрязнителям и, используя реакции ионного обмена, определена динамика формирования фронтов концентрации различных компонентов в жидкой фазе в зависимости от солевого и минералогического состава раствора и пород.

Разработана диффузионная модель распространения радона через различные материалы, определено значение коэффициентов диффузии, кратность ослабления дозы облучения в зависимости от толщины покрытия, выбран "суглинок лёссовидный" как наиболее оптимальный материал для уменьшения выхода радона из объекта в окружающую среду до субфонового уровня.

- s -

Практическая ценность. Полученные в работе количественные данные о радиационной обстановке, содержании радионуклидов и тяжёлых элементов в окружающей среде хвостохраннлища и динамики их распространения, использованы при разработке природоохранительных мероприятии и защите населения от отрицательного воздействия радиационных факторов.

Установленные закономерности перехода радона через различные материалы и количественные данные по определению коэффициентов диффузии позволили рекомендовать "суглинок лёссовидный" как нан-более доступный и экономически обоснованный материал для дозахо-ронения хвостохраннлища ГМЗ, что было осуществлено на практике и показано субфоновое значение радиационной обстановки на поверх-ностн объекта после её реализации.

Настоящее исследование выполнено в соответствии с планом НИР Минсредмаша СССР "Совершенствование ионообменной технологии извлечения урана и сопутствующих ценных компонентов из пульп и растворов ГМЗ-1", регистрационный номер РК-Х35494 и планом НИР ПО "Востокредмет" "Разработка комплекса геофизических методов при решении задач охраны окружающей среды".

Публикации: основное содержание диссертации изложено в 6 публикациях: 4 статьи и 2 тезиса доклада.

Апробация работы: результаты работы докладывались и обсуждались на техническом совете "Востокредмет", "Международной региональной конференции МАГАТЭ по вопросам консервации отходов ради-эяктнвных веществ", Алматы, октябрь 1995г.,"Республиканской конференции по вопросам охраны окружающей среды и вторичному исполь-»ованию отходов", Душанбе, июнь 1996г., Международной конференции 'Golden Jubilee convention. The Institution ofEngineers Pakistan ".Карачи, шрель 1998 г., a также на заседании учёного совета Института химии |м. В.И.Никитина АН Таджикистана, апрель 1998 г.

Объём и структура работы. Диссертация представляет собой ру-сопись, изложеную на стр. машинописного текста и результаты 1Сследовання и их обсуждение, а также список цитируемой литературы 13 134 наименований.

Работа иллюстрирована 28 рисунками и 9 таблицами.

Во введении изложены предпосылки и основные проблемы [сследования, обосновывается актуальность работы, раскрывается труктура диссертации.

В литературном обзоре проведён анализ работ, посвященных

вопросу воздействия на окружающую среду предприятий по добыче и переработке урановых руд, увеличения загрязнения ОС естественными радионуклидами, технике и методике осуществления контроля по вли-янию хвосгохранилищ на ОС, а также теоретические аспекты геофиль-трацни техногенных растворов и миграции их концентрации.

В экспериментальной части, представляющей вторую главу диссертации, приведены характеристики систем (объектов хвосгохранилищ), методики геоботанического и геофизического исследований зоны хвостохранилища, способы отбора и физико-математические методы анализа радионуклидов.

В третьей главе изложены и обсуждены данные, полученные в результате проведения исследования в соответствии с целью работы.

1 - СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ И ТЯЖЁЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ЗОНЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Распространение отдельных компонентов раствора от очагов загрязнения осуществляется путём сорбционно - десорбционного процесса в почве, и её степень заполнения уменьшается в зависимости от удаления от основного объекта вплоть до фонового уровня. Через почву радионуклиды и тяжёлые элементы могут попадать в подземные водь1, в виде аэрозоли поглощаются растениями.Поэтому установление качественного состава этих элементов в каждой из перечисленных материальных сред может характеризовать не только общую радиаци -онную обстановку, в зонехвосгохранилища, но и прогнозировать скорость распространения элементов-загрязнителей в окружающую среду и предпринимать своевременные мероприятия по её защите.

Отбор пробы для определения радионуклидов и тяжёлых элементов в зоне хвостохранилища проводился одновременно из растительности и почв по профилям, через 250 м. Для биогеохимнческих анализов были взяты пробы наземных частей (листья, стебли) полыни согдийской (Artemisia Sogdiana), катрана (Grambe Kotschyna), мордовника (Echinops maracandicus), боялыша (Salsola arbuscula), курчавки (Atraphaxis spinosa), лютика (Ranunculus pinnatisectus), левкои (Matiola integrifolia).

У лука (Allium barsmaracandicus) и мятлика (Poa buldosa) были отобраны листья вместе с луковичками.

На каждом пункте отбора проб замерялись мощности экспозиционной дозы гамма-излучения. Методами химического анализа определялось

\)

содержание 32 элементов, м спскгр;шьным - 18 элементов. В почвенных пробах дополнительно определялось содержание урана, радия, а в отдельных пробах - тория, калия - 40, цезия - 137 радиометрическим методом. Уровни накопления радионуклидов и тяжёлых элементов в растительности и почве устанавливались путём сравнения их содержания с фоновыми по Малюге, Перельману и Кэннону. Кроме того, был разработан и фоновый уровень радиоактивных элементов характерный для исследуемой местности, путём определения их содержания в растительности и почве в районе посёлка Ша.хрнстпн, мсиолпгающихся в 150 км ог хпостохрлнйлшкл, где характерно минимальное юздействие антропогенных факторов на растительность и почву и отсутствие рудопроявлений.

ТАБЛИЦА 1

СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ, УСРЕДНЕННОЕ В РАЗЛИЧНЫХ МАСТЯХ ХВОСТОХРАШШИДА

Элемент Ссшсрж. микроэл. % Норма, % по

МИН11М. мпке. Малюю Перельману Кэпмоп Шахри-

сган

'ран хЮ' 1,0 5,0 0,05 0,01 0,06 0,9

Гвинеи X10" (мое (10-100)* 10 1 70 79

1олибдсп х10* 1 3-5 2 1 1,3 0,43

(пик х 10' 1-5 5-20 90 10 14 07,5

(нрхошН хИ)' ) 5 - 1 - 1.4

лилдш"! х1П' 1 3 м 0,5 2,2 0,75

ерн.инш хЮ' 1 5 2 - 2 1.2

ядмий х 10' 1 5-10 0,01 1 - -

о5ал1,г *!()' 1 3 15 г 9 0,17

нкеш. хН)' 110 5-30 50 10 6 5 3,0

ром х 10' 1 3 2 5 0,5 0,9 0.65

II.11111.як х!1)' з .1 о.з 0,5 - -

- [П 1П|Н>1' ПО Прпфпчим

Из таблицы 1 следует, что содержание радиоактивных н тяжёлых (емеитов в растениях п целом повышено по сравнению с нормой, дпако, содержание микроэлементов по видам растений значительно гличасгся друг от друга, причем соответствующие изменения имеют гсто также и по профилям хносюхранилища. Для характеристики епеии поглощения радионуклидов и тяжелых элементов можно ввести эиятне "коэффициент биологического поглощения" - КБП,

показывающего соотношение элементов в растениях и почве (таблица 2). Анализ табл. 2 свидетельствует, что нижеперечисленные растения являются накопителями радионуклидов и тяжёлых элементои-иолынь (уран, свинец, цинк, кадмий, цирконии, молибден), мятлик (молибден, свинец), катран (уран, свинец), лютик (цинк, уран, цирконий), лук, колючелистннк, левкоя н боялыш (уран). Эти растения могут служить индикатором и накопителями цветных, редких и рассеянных элементов. Таким образом, проведённые исследования по изучению содержания радиоактивных и токсичных элементов в составе растительности и почве непременно свидетельствует о миграции компонентов хвостохраннлнша через почву и воздух, а также способствует точному установлению границы ореола рассматриваемой системы.

2. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОКРУГ ХВОСТОХРАНШШЩА

Массоперенос компонентов отходов хвостохранилища в окружающую среду, в основном, осуществляется посредством подземных вод, поэтому при описании параметров системы важная роль отводится контролю за миграцией хвостовых растворов, определению их мест утечки, а также разработке экспресс-методов анализа уровня их минерализации. Для данной цели широко используются геофизические методы контроля, к числу которых относится вертикальное и круговое электрозондирование.

Благодаря использованию этих методов во многих случаях установлены корреляционные связи между удельными электрическими сопротивлениями водоносного тризоита и минерализацией подземных под. Сущность метода ВЭЗ состоит в следующем. Измеряют силу гока 1>ь в питающей цепи АВ и разность потенциалов итп на измерительных электродах МИ и вычитаются кажущиеся удельные сопротивления среди Рк но формуле:

К = л * АМ * AN/ VV,

MN

Обработка и интерпретация результатов ВЭЗ проводятся в два этапа. Fia первом этапе анализируется весь материал и устанавливаются характерные особенности геоэлектрнческого разреза, как они отражаются на кривых ВЭЗ, низкоомные геоэлектрические аномалии увязываются с геохимическим

Элемент Свинец Цинк Уран Никель Мышьяк Бериллий Кобальт Ванадий Хром Молибден Цирконий

Профиль Растения 3 : 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7 3 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7 3 : 5-7

Тутовник - 1 -10 - 2 3* 5 - 0,3 1 1 - - 0,3 - 0,3 - 0,3 + -

Лох - "10 - 2 3 - 0,3 - 1 - од - 0,3 - 0,3 - 0,3 + ОД

Виноград - 2 20 - - 3 0,3 1 1 - - 0,3 1 - - 0.3 1 + 0,1 " Жз

Боялыш Полынь 33 10 100 33 10 30 1,6 1 2 2 "ЗГ 1 3 0,3 т „ 0.3 1 0.3 ~г 0,3 1 1 0,3 - 4- 0,3 ¥ 0,3 - М ОД 1Г 1 0,3 03 0.3 Т -т + 0.6 "Г + 0.1 0.3 ДД М ТГ иХ

Колючелнстник 33 10 - 1 - 1 X - 1 - 1 1 м 1 - 0.3 1 - 0,3 1 1 - 0,3 -

Лютик 2 10 2 1 2 2 0,3 1 1 5 1 1 1 -Р од 0.3 3 1 0,3 1 0,3 Мо.з 3 5 + 0,2 П7 Ю" 0,2

Лук 3 - 1 - 0,3 - 1 - 1 - 1 - 1 - 0,3 - - + 0,2

Мятлик 2 33 1 2 0,6 2 0,3 3 1 т 0,3 1 дз 1 1 1 А.3 1 <у 1 - 0,3 .м м 1 1 1 т + -ГО

Ранг - 1 2 - 3 - - 1 - 0,3 + - 0,3 0,3 ' 1 - + -

* - в числителе минимальное значение КЛБ, а в знаменателе - максимальное + - содержание в растениях выше, чем в почве

опробованием по скважинам, определяются участки дополнительных геофизических исследований. На втором этапе кривые ВЭЗ интерпретируются по методике, предложенной О. Куфудом, для чего нами разработана программа VEZB, реализующая автоматическую интерпретацию методом "быстрейшего спуска", с помощью которой отработаны полученные полевые материалы.

Обработка данных КВЭЗ осуществлялась с помощью программы ав-томатизированной обработки "ЛЯМБДА".

В качестве примера на рис. 2 представлены карты изолиний кажущегося сопротивления для эффективных глубин, соответствующих разносов АВ/2 равной 150 м. Аналогичные изолинии были построены для значений АВ/2, соответственно равные 250 и 325 м, которые позволяют проследить процесс развития этих аномалий в зависимости от глубины зондирования. Сопоставление результатов ВЭЗ с данными геохимического опробования сети наблюдательных скважин допускает возможность существования взаимосвязи между значением Рг выделяемого низкоомного слоя и минерализацией пластовой воды верхнего водоносного горизонта. Полученные карты имеют высокую контрастность и могут быть использованы для определения уровня минерализации пластовых вод, используя условную шкалу, представленную таблицей 3.

ТАБЛИЦА 3

ВЗАИМОСВЯЗЬ ВЕЛИЧИНЫ КАЖУЩЕГОСЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СЛОЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ЕЁ ОБЩЕЙ МИНЕРАЛИЗАЦИЕЙ

F'K, ом. см.

Общая минерализ. г/л

Примечание

менее 20 более 8 -10 Сильно минерализовапиая вода

60—20 2—8 Минерализованная вода

более 60 менее 2 Слабо минерализованная вода

Анализ полученной информации позволяет нам сделать предполжение о существовании в обследуемом районе двух источников ннзкоомных геоэлектрических аномалий, первый из которых приурочен к зоне хвостохранилища. В этой зоне наблюдаются четыре низкоомные протяжённые геоэлектрические аномалии, представляющие из себя крестообразную структуру у Северного борта хвостохранилища.

Отмечание геоэлектрической аномалии скорее всего свидетельствует о существовании фильтрационного потока минерализованных растворов, что подтверждается также результатами геохимического

Рис.1. Источники низкоомных геоэлектрических аномалий.

анализа наблюдательных скважин.

Другая аномалия, также хорошо согласующаяся с результатами геохимического опробования контрольных скважин, позволяет заключить о существовании области инфильтрации под дамбой хвостохранилища с миграцией минерализованных растворов в северо-западном направлении. Продолжением этой аномалии в Юго-Восточном направлении явля-ется третья аномалия, выклинивающаяся уже на незначительном удалении от хвостохранилища. Результаты геохимического анализа показывают об отсутствии миграции минерализованйых хвостовых растворов в Юго-Восточном направлении.

Четвёртая аномалия расположена у Южного борта хвостохранилища, что связано с отсутствием выраженных фильтрационных процессов и особенностями геологических формирований, т.е. относится к зонам тектонических нарушеннй, развивающихся от Южного борта хвостохранилища в Южном и Юго-Западном направлениях.

Следует отметить, что выявленный второй источник низкоомных геоэлектрических аномалий находится в состоянии сложного гидродинамического взаимодействия с хвостохранилищем. Речь идёт о расположенной Юго-Западнее хвостохранилища зоне интенсивного полива. Поливная высокоминерализованная вода частично сбрасывается по саю преимущественно Северного и Северно-Западного направления, а частично фильтруется подпочвенным слоем, приводя к поднятию уровня подземных вод. В результате чего сложившаяся гидродинамическая обстановка может препятствовать распространению хвостовых растворов в Юго-Западном направлении от хвостохранилища через выявленные участки повышенной трещиноватости. Однако наличие минерализованной поливной воды также приводит к загрязнению верхнего водоносного горизонта, причём по результатам ВЭЗ здесь также наблюдается миграция минерализованных вод преимущественно в Северном и Северо-Западном направлениях.

Таким образом, использование комплекса геофизических методов наряду с данными, полученными из наблюдательных скважин с применением методов скваженного экспресс-анализа состава подземных вод позволяет чётко устанавливать основные направления массопереноса компонентов хвостохранилища в окружающую среду.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ

ТЕХНОГЕННЫХ РАСТВОРОВ И МИГРАЦИИ ИХ КОНЦЕНТРАЦИИ

При составлении прогноза координат распространения отдельных

элементов - -.загрязнителей от очагов загрязнения и разработки способов их локализации, наряду с традиционными методами, приобретают важное значение методы математического моделирования и использования вычислительной техники. Математические модели, описывающие теорию массопереноса на практике, как правило, сводятся к геофильтрационным схемам и режимам эксплуатации хвостохрашшищ, а характер взаимодействия растворов с породами пласта рассчитывается с последующим вводом ряда поправочных коэффициентов, отражающих отставание фронта предельно допустимых концентраций (ПДК) отдельного компонента загрязнителя от фронта поршневого вытеснения техногенных жидкостей.

При геофильтрации и диффузионном переносе технологических растворов происходят ионообменные реакции между компонентами жидкостей и твёрдой фазы (породы) с последующим установлением состояния равновесия и формирования фронтов концентраций различных компонетов в жидкой фазе.

Наряду с этим имеет место конвективный перенос компонентов техногенных растворов при контакте с пластовыми водами, при движении жидкости через слоистые породы, по порам и трещинам, имеющим различную ориентацию и размеры. Все это потребовало постановки многочнсленныхэкспериментов Для получения характеристики различных пород и структуры геологических разрезов местности вокруг очага загрязнителя, что, в конечном итоге, обусловило модификацию модели для конкретного объекта.

Математическая модель гидродинамики. Основная задача моделирования заключается в определении поля скоростей фильтрации в пространстве, горизонте, расчете траекторий движений частиц (линия тока) растворов в зависимости от режимов работы объектов хвостохранилища и водозаборных скважин. Для этого составлен пакет прикладных программ на ПЭВМ, состоящий из математической модели среды, гидродинамики и программ графического отображения информации в виде гидроэкологических карт в плане и разрезе водоносных пластов на дисплее мониторов с последующим выводом на печать.

Основным вводимым параметром является характеристика хвостохранилища, представленная объемом фильтрующихся растворов (V) на заданный момент времени (I), который рассчитывается как разность закачиваемых объемов с объемами на испарение и оставшимися на прудке. Отдельно устанавливается характеристика пласта - коэффициенты фильтрации, положения водоупоров, активная пористость (Кп), текущая (1111), равновесная (гп*) ёмкость породы по отношению к

отдельным компонентам растворов. Третья группа параметров является характеристикой скважин - координаты устьев, положения фильтров, производительность по периодам, начальная (Со) и текущая (С1) концентрация компонентов в растворе.

Хвостохранилище схематизировалось, как сеть равномерно распределенных по площади прудка закачных скважин (50 скважин) с производительностью как частное от деления фильтрующихся объемов к количеству скважин. В свою очередь, скважины представляются как линейно распределённый источник или сток с постоянной, заданной или вычисляемой плотностью. В такой постановке процесс 'фильтрации описывается уравнением Дарси, правилом неразрывности потока, при условии непроницаемости водоупоров и невозмущенности потока на бесконечность. Эта система уравнений имеет аналитическое решение относительно определения значений скоростей фильтрации техногенных растворов в любой точке пространства водоносного горизонта в области хвостохранилища. На основании рассчитанного поля скоростей программно реализован расчёт линий тока, т.е. траектории движения элементарных объёмов фильтрующихся растворов от скважины.

Рис.2 Гидродинамическая схема растекания техногенных растворов на момент времени Т-9490 дней Цийры на пис.унке -'номера, сквзжин

На рис. 2 приводится гидродинамическая схема растекания техногенных растворов хвостохранилища в плане участка с отображением границ (фронтов) на различные моменты времени от начала функционирования объекта.

Как видно из рисунка в основном техногенные растворы

V

растекаются в северо-западном направлении, что обусловлено; гндродинамическим уклоном н общим направлением пластовых вод-. Примечательно, что эти данные находятся в полном соответствии с результатами ВЭЗ (рис.1).

Модель миграции компонентов. Для определения параметров миграции компонентов загрязнителей (концентрация i-ro компонента в жидкой фазе на момент времени "t" от начала функционирования объекта в точке с пространственными координатами "х") использовалось общее уравнение массопереноса, внутри- и внешнеднффузионнои кинетики, необратимой кинетики второго порядка, совместное решение которых даёт аналитическое выражение вида:

т. С.

V *S —- — К. * lk I

т. С С. '

V = ( Кп+—-—) * V +-— 1п_-_

1 Coi " Bi(Ki-l) j _Ci_ (2)

Coi

S - площадь поперечного сечения трубки тока;

Утр - объём раствора, прошедшего через точку с координатами "х" на момент времени "t";

U - линейная скорость фильтрации;

Bi -коэффициенты массопереноса при внутри-(Вг) и внешнедиффузиопной (В,) кинетики;

Ki - коэффициент избирательности;

Mi - поглощающая способность породы по i-му компоненту;

Расчёт параметров трубки тока осуществляется на модели гидродинамики, где линия тока является осью симметрии трубки. В свою очередь, трубка тока разбивается на сегменты и программно реализован расчёт баланса i-ro компонента в зависимости от его концентрации на входе сегмента и ёмкостных свойств пород.

Настройка модели на параметры моделируемого объекта осуществляется программой оптимизации значений коэффициентов "В,", "К." и "М," по минимуму среднеквадратичного отклонения значений моделируемой концентрации i-ro компонента на момент времени "t" отданных наблюдении в точках с координатами наблюдательных скважин.

Одним из компонентов, в больших количествах поступающих в подземные воды из хвостохранилища являются сульфат- ионы, где их концентрация достигает до 20г/л, в то время как в эксплуатационных скважинах мелиоратнвно-иррнгационной сети, расположенных между

Днгмайской возвышенностью и сухим руслом реки Ходжа-Бакирган эти концентрации составляют 0,6-0,8 г/л. Исходя из этого,наблюдение за миграцией нонов 5042" может характеризовать в целом инфильтрациоиные потери из хвостохранилища.

- В качестве примера на рис. 3 и 4 соответственно отображены гидрогеоэкологическая карта и разрез миграции иона 504г' в водоносном пласте на момент окончания функционирования хвостохранилища по результатам математического моделирования. На этих же рисунках приводятся также данные ПДК, полученные при аналитическом определении ионов Б042" в пробах воды, взятых из наблюдательных скважин.

Как видно из рисунка, фронт концентраций иона БО/' в пределах ПДК практически совпадает с его положением по данным наблюдений.

Таким образом, сравнительная оценка данных наблюдательных скважин и моделирование показали адекватность модели гидродинамики процессу геофильтрации техногенных растворов хвостохранилища, а модель миграции ¡-го компонента позволяет прогнозировать эколо-гическую обстановку в водоносном горизонте на любой момент времени от начала функционирования объекта в зависимости от режимов его работы, геолого-гидрогеологических характеристик пласта и физико-химических свойств пород.

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ ХВОСТОХРАНИЛИЩА ГМЗ

Результаты, полученные в предыдущих главах, могут быть использованы для локализации радионуклидов вокруг хвостохранилища ГМЗ, образованного в начале 50-х годов, которое в настоящее время в результате градостроительства оказалось в городской черте г.Гафурова (Таджикистан) и, естественно, к нему предъявляются повышенные требования по радиационной безопасности.

Путём гамма-каротажа и пробоотбора по короткометражным скважинам установлена сложная структура объекта, обусловленная технологией переработки руд на опытном ГМЗ и формированием хвостохранилища. Основным радиоактивным веществом в захоронении является радий-226, что обуславливает эсхаляцию радона с поверхности хвостохранилища в пределах 0,14-15,9 БКхМ2 сек"1 при фоновом значении в районе объекта 0,009-0,018 БКхМ2сек'. Эти данные дали основание считать необходимым постановку задачи по доконсервации хвостохранилища с использованием местных материалов.

41 Л?."»

• ••• •

Рис. 3 Положение [рента миграции нона с 1Щ!С=0,Г) г/л п пл-ше на момент времени 'Г = 9<190 дней

М

1

Рис. 4 Положение :[ронта миграции ионаЗОн в

разрезе волонесного горизонта на момент времени Т = Р-1 0 дней ( 1- хпостохрлми.ищс, А- водоносный пласт, В и С - верхний и нняний водоупоры)

В связи с этим были поставлены две задачи - выбор консервирующего материала и определение толщилы слоя покрытия хвостохранилища ГМЗ, обеспечивающего надёжную радиационную защиту. Для решения поставленной задачи в качестве основного метода исследования было выбрано изучение диффузионных процессов радона через различные материалы путём определения коэффициентов диффузии и расчёта толщины слоя, обеспечивающего снижение концентрации радона до фонового уровня. Диффузионные процессы были изучены с помощью так называемой "баковой модели", представляющей собой цилиндр диаметром ) м, где помещены эманирующие радиоактивные вещества, сверху которых насыпан слои исследуемого материала, имеющего на различных глубинах от поверхности пробоотборники воздуха, связанные с внешней средой стеклянными трубками. После установления диффузионного равновесия через трубки отбиралась эманация с помощью эманометра, и определялась концентрация радона. Кажущийся (D*) и истинный (D) коэффициенты диффузии вычислялись по следующим уравнениям:

D* = * ( "V*')2 ; ( 3) D = g * D* ; (4)

UnN.-ln,)

где к = 2.097x10* сек1 - постоянная распада радона

N - концентрация радона (Кихл1) на глубинах соответственно

х, и х, (см.) р - пористость горной породы

Рассчитанные значения D* могут быть использованы для установления взаимосвязи кратности ослабления плотности потока радона (п) от толщины слоя покрытия (R)

R - -J \)*l X * In il (5)

Из таблицы 4. в которой приводятся значения величины D* и R для различных материалов, видно, что по выбранным критериям в наибольшей степени удовлетворяет бетон, глина влажная и суглинок лёссовидный. Среди этих материалов но экономическим и доступным соображениям предпочtenue слсх1ует отдать лёссовидному суглинку -тонкозернистой однородном породе, с большим содержанием кварца и силикатов, отличающейся хорошей пористостью и влагопроннцаемостыо, относительно мало деформирующейся при увлажнении, который и был выбран в качесте материала для дальнейшего исследования.

ТАБЛИЦА 4

КАЖУЩИЙСЯ КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ (О*) И ТОЛЩИНА СЛОЯ (И) ЮО-КРАТНОГО СОКРАЩЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА РАДОНОВЫДЕЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наименование материала

Э* (см'.сек')

Я (см)

Песок

Суглинок, рыхлая кора выветривания Суглинок лёссовидный Глина влажная Бетон

5x10»

(0,5-1,0)х103 2* 10'

(0,5-1,0)х10> 2x10"»

708

224-3.18 142 " " 71-100 44

Кинетические данные, полученные в модельных условиях (база 60 см; х, = 20 см; х2 = 80 см) с использованием суглинка представлены на рис. 5. Видно, что диффузионное равновесие в системе практически устанавливается через неделю, а со временем суглинок слёживается и самоуплотняется, что проявляется в некотором снижении коэффициента О* в пределах от 4,25x10° до 3,67x10 ' см2 сек1. Из модельных опытов следует также, что распределение величины О* послойно неоднородно: средний слой (20-40 см) при укладке оказался более рыхлым (0*=15, 4x10"5 см2 сек1), а верхний слон ( 0-20 см ) хорошо уплотнён (Э*= 1,52х 103 см2 сек"1).

*-/<7 м*с'

0 ■

О •

О -

Рис.5 Изменение •• величины

]} от продолжительности наблюдения

.10 го зо 50 эни

Результаты, полученные на модельных опытах(п=100; R=200 см), апробированы на поверхности хвостохраиилища - ГМЗ, для чего была сооружена ступенчатая площадка размером 30 х!0 м с тремя секциями 10x10 м, в пределах которой насыпан и укатан слой лёссовидного суглинка толщиной соответственно 1,0; 1,5; 2,5 м. Первые две площадки хорошо уплотнены колёсами автомашин и бульдозера, а третья площадка уплотнена лишь утаптыванием. В центре последней площадки установлена полиэтиленовая закрытая трубка глубиной около 3,5 м, пересекающая лёссовую и старую гравийную насыпь и доходящая до слоя отходов, позволяющая измерять эсхаляцию радона на различных уровнях. Полученные данные свидетельствуют об эффективности консервации и благоприятной роли уплотнения. Так,например, при изменении мощности слоя от 1,0 до 1,5 м и соответствующего уплотнения эсхаляция радона уменьшается от 330 до 7000 раз, в то время как при мощности слоя 2,5 м без уплотнения эсхаляция радона снижается лишь в 150 раз. Процесс диффузии радона в слое консервирующей засыпки, определяемый путём гамма-каротажа скважины, (специально пробуренной на третьей площадке), происходит путём постепенного роста радиоактивности в нижней и средней частях скважины и последующего запределнвания. Изменения гамма-активности в поверхностной части скважины практически отсутствуют. Полученные в данной части работы результаты были использованы для расчёта толщины покрытия хвостохраиилища, равной 2 м, обеспечивающей снижение выхода радона на поверхность до субфонового значения - 0,05 БК м2 сек"1.

Данная разработка успешно прошла экологическую экспертизу в Минохране природы Республики Таджикистан и использована для дозахоронения хвостохраиилища ГМЗ.

Таким образом, изучение диффузионных процессов радона через различные материалы подтверждает обоснованность выбора суглинка лёссовидного, как наиболее доступного материала, а практическое воплощение данной разработки свидетельствует о надёжной локализации хвостохраиилища опытного ГМЗ и благоприятной радиационной обстановки вокруг него.

ВЫВОДЫ

1. Впервые, рассматривая Дигмайское хвостохранилище как термодинамическую систему, изучен массоперенос компонентов пульп в окружающую среду путём определения содержания радиоактивных

тяжёлых элементов в почве, растительности, в воздухе и подземных одах районов эксплуатации. Моделированы процессы юфильтрацнн техногенных растворов н миграций его компонентов, озволяющие прогнозировать распространение радионуклидов и эксических элементов в пространстве и продемонстрирована цекватность полученных результатов с данными наблюдательных сважнн.

2. Методами радиометрии , спектрального н химического анализов тределено содержание тридцати двух элементов в растительности и очвенном покрове вокруг действующего Дигмайского юстохранилища. Установлены типы и виды растительных сообществ, .¡явлены морфологические изменения у отдельных видов и определены араметры распределения химических элементов, позволяющие ыявить растения -индикаторы, способные накапливать тдиоактивиые и сопутствующие им химические элементы - полынь ран, свинец, цинк, кадмий, цирконий, молибден); мятлик (молибден, >ннец); катран (уран, свинец); лютик (цинк, уран, цирконий), лук, элючелистник, левкоя и боялыш (уран). Показано, что как в чтениях, так и в почве содержание радиоактивных и токсичных гементов значительно превышает норму и постепенно снижается до энового уровня в радиусе около 800 метров от центра их источника, айдена корреляция между содержанием элементов в почве и 1стителыюсти.

3. Впервые для установления степени минерализации прудковых >д и определения путей миграции хвостовых вод использовались офизические методы вертикального (ВЭЗ) и кругового (КВЭЗ) [ектрозондировання. Установлены корреляционные связи между (ельным электрическим сопротивлением водоносного горизонта и инерализацней подземных вод. Составлена карта удельного ектрнческого сопротивления и выявлены два источника низкоомных оэлектрических аномалий, первый из которых расположен в зоне юстохранилища, а другой - в области инфильтрации под" дамбой юстохранилища, что является следствием миграции парализованных растворов в северо-западном направлении.

4. Используя закон Дарен и исходя из принципа независимости ютекання обменных реакций в системе "раствор-порода" 1зработаны математические модели геофильтрации и миграции шпонентов техногенных растворов в виде пакетов прикладных юграмм на ПЭВМ, позволяющие но данным объёма фильтрующихся 1створов и их минерального состава устанавливать фнзнко-

химические параметры пород - коэффициентов фильтрации, массопереноса, избирательности, поглощающей способности пород, активной пористости, и т.д., а также гидродинамические характеристики - поля скоростей фильтрации в пространстве водоносного горизонта, траектории движения компонентов растворов в зависимости от режимов работы хвостохранилища и водозаборных скважин.

5. Изучена применяемость разработанных моделей для прогноза миграции элементов-загрязнителей в пространстве, показано соответствие полученных данных с результатами наблюдательных и контрольных скважин по концентрации элементов-загрязнителей на различные моменты времени в период эксплуатации хвостохранилища.

6. Изучены миграции радона через различные материалы - песок, глина, бетон, плёнки, плёнкообразующие покрытия и различные виды суглинка - определены физико-химические параметры - коэффициент диффузии, кратность ослабления радиационного облучения в зависимости от толщины покрытия и плотности трамбовки -выявлены закономерности их взаимосвязи, обоснованы удобство и эконо-мнческая эффективность применения суглинка лёссовидного для дозахоронения хвостохраннлища опытного гидрометаллургического завода в г. Гафурове Республики Таджикистан, приводящего радиологическую обстановку вблизи объекта до субфонового значения.

По материалам диссертации опубликовано:

1. Разыков З.А., Юнусов М. М., Содержание радионуклидов и тяжёлых элементов в почвенном покрове и растительности в зоне Дигмайского хвостохранилища. //Докл. А Н Республики Таджикистан -1997.-T.41.-N 11-12.-с. 25-29

2. Разыков З.А., Юнусов М.М. Эффективность различных материалов для локализации радионуклидов хвостохранилища. // Докл. АН Республики Таджикистан-1997.-T.41.-N 11-12,-с.30-33

3. Минерализация подземных вод вокруг Дигмайского хвостохранилища / Разыков З.А., Юнусов М.М. ПО "Востокредмет".-Душанбе, 1997г.,-5с.-Рухопись деп. в ТаджикНПИЦентр02.97г. N40(1183)

4. Геофильтрация техногенных растворов и миграция их ионов /Разыков З.А., Коптелов В.П., Юнусов М.М. ПО "Востокред-мет"-Душанбе, деп. в Таджик НП И Центр. 02.97г. N 41 (1184)

5. Yuimsov М.М., Razikov Z.A. Chemical elenents plant geobotanic chistribution near woste stoc' Icpiles at hidrometal-curgic enterprises. Golden jubilee convention. The Institution of Engineers Pakistan. April 1998 . Karach., p.93

6. YunusovM.M., Razikov Z.A., BezzubovN.I. Research on ground woter re-cultivation by the method of vertical electric sounding. Golden jubilee convention. The Insti-tution of Engineers. Pakistan. April 1998 Karach., p.94