Способ определения скорости конвективного переноса радионуклида в почве

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для прогноза вертикальной миграции радионуклидов в почве. Задачей изобретения является снижение трудоемкости определения скорости конвективного переноса радионуклида в почве. Для этого на почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества, определяют удельную активность почвы по глубине, по вертикали измеряют расстояние от поверхности почвы до точек, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности почвы, определяют плотность почвы в этих слоях, а скорость конвективного переноса определяют путем численного решения предложенного управления с учетом ранее определенных параметров и времени, прошедшего с момента разового залпового выброса радиоактивного вещества. 1 табл.

Изобретение относится к почвоведению и охране окружающей среды и может быть использовано в службах радиационно-экологического мониторинга и практике агрохимической службы при оценке и прогнозе вертикальной миграции радионуклидов в почве.

Известен способ определения скорости фильтрации воды, заключающийся в определении коэффициента фильтрации, градиента давления жидкости в почве, коэффициента режима фильтрации, а скорость фильтрации воды находят из соотношения: V_в k_ф I^m м/c, (1) где V_в скорость фильтрации воды, м/c; k_ф коэффициент фильтрации воды (размерность зависит от численного значения коэффициента m); I градиент давления жидкости в почве, Па/м; m коэффициент режима фильтрации.

(См. Арье А. Г. Физические основы фильтрации подземных вод. М. Недра, 1984, с. 7-8).

Этот способ имеет следующие недостатки. Во-первых, необходимо выполнять большое количество измерений скорости фильтрации в лабораторных условиях для получения среднего значения за интересующий период времени; во-вторых, исследования проводятся на образцах почвы в лабораторных установках при этом естественная структура почв нарушается, что приводит к снижению достоверности результатов; в-третьих, снижается достоверность оценки скорости фильтрации жидкости, так как не учитывается влияние нестационарной диффузии примеси на скорость конвективного переноса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения линейной скорости движения стронция 90 в почвах, включающий измерения распределения радионуклида в почве и средней линейной скорости движения почвенной влаги, определение влажности почвы и плотности почвенного раствора, определение коэффициента распределения радионуклида, а линейную скорость движения стронция 90 находят из соотношения: v_л= м/с, (2) где V_л линейная скорость движения стронция 90 в почве, м/c; W влажность почвы; U средняя линейная скорость движения почвенной влаги, м/c; K_d коэффициент распределения радионуклида; γ- плотность почвенного раствора, кг/м³.

(См. Прохоров В. М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. М. Энергоиздат, 1981, с. 85-86).

Основными недостатками этого способа являются необходимость измерения скорости движения почвенной влаги и отсутствие информации о динамике вертикального профиля радионуклида. Измерение линейной скорости почвенной влаги как по величине, так и по направлению связано с большими экспериментальными трудностями, так как сезонный поток влаги много раз меняет величину и направление. Поэтому для получения достоверных оценок среднего значения линейной скорости движения почвенной влаги необходимо проводить длительные наблюдения, что существенно увеличивает трудоемкость определения скорости конвективного переноса радионуклида в почве.

Следует отметить, что физический смысл линейной скорости движения радионуклида в почве и скорости конвективного переноса радионуклида в почве один и тот же, но последний термин является общепринятым в теории энергомассообмена.

Задачей данного изобретения является снижение трудоемкости определения скорости конвективного переноса радионуклида в почве, поверхность которой загрязняется залповым выбросом радиоактивного вещества.

Задача изобретения решается за счет того, что в известном способе определения линейной скорости движения радионуклида в почве, включающем измерение распределения радионуклида в почве, плотность почвы и расчет скорости конвективного переноса по математической зависимости, отличающийся тем, что на почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества, определяют удельную активность почвы на различных глубинах, по вертикали измеряют расстояния от внешней поверхности почвы до точек, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности почвы, определяют плотность почвы в этих слоях, а скорость конвективного переноса радионуклида в почве находят путем численного решения уравнения:
×
× exp-0,5 , (3) где А_у*, А_y,m значения максимальной и минимальной удельной активности почвы, Вк/кг;
γ_п.m, γ_п* плотность почвы в слоях, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности, кг/м³;
z_* расстояние от внешней поверхности почвы до точки ее минимальной активности, м;
z_m расстояние от внешней поверхности почвы до точки ее максимальной активности;
t_* время, прошедшее с момента залпового выброса радиоактивного вещества на почву, с;
u скорость конвективного переноса радионуклида в почве, м/c.

Удельную активность почвы определяют следующим образом: отбирают пробу почвы и измеряют ее массу; измеряют активность радионуклида, содержащегося в пробе почвы; выполняют расчет по формуле
A_y,i= Вк/кг (4) где A_{y i} удельная активность i-й пробы почвы, Бк/кг;
A_i активность радионуклида, содержащегося в i-й пробе почвы, Бк;
M_i масса i-й пробы почвы, кг.

Измерения массы пробы почвы и активности радионуклида, содержащегося в этой пробе, осуществляют в соответствии с требованиями действующих Государственных стандартов. Измерения времени, прошедшего с момента залпового выброса радиоактивного вещества на поверхность почвы, и расстояний до точек с максимальной и минимальной удельными активностями почвы также осуществляют стандартными методами. Для получения теоретического распределения радионуклида в почве решается дифференциальное уравнение
+ u D λC, (5) для следующих условий:
C(z, O) 0, -D +uC()lm C ≠ ∞, (6) где C(z,t) концентрация радионуклида в почве, г/кг;
z вертикальная координата, м;
t текущее время процесса миграции радионуклида, с;
D коэффициент диффузии радионуклида в почве, м²/c;
λ- константа скорости изменения содержания радионуклида в почве
Q масса радионуклида, выпавшего на единичную площадь поверхности почвы в единицу времени при залповом выбросе радиоактивного вещества, г/(м²˙с);
δ (t) дельта функция Дирака.

Решение уравнения (5) для условия (6), с точностью достаточной в практических расчетах, можно записать в виде:
C(z,t) exp[-(0,5u²t^-1+
+λ)t]exp[-0,5zD^-1(0,5zt^-1+u)] г/м³. (7)
Координата точки, соответствующей максимальной удельной активности почвы, определяется из условия dC/dz 0. Вычислив производную функции (7) по z и приравняв ее к нулю, получим
D (z_m² u² t_*²) м²/c. (8)
Концентрация радионуклида и удельная активность почвы связаны между собой соотношением
A_y= Бк/кг, (9) где k_A активность единичной массы радионуклида, Бк/г;
γ_п средняя плотность почвы в отобранной пробе, кг/м³.

Активность единичной массы любого радионуклида величина известная (см. например, Моисеев А.А. Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 14) и постоянная для конкретного радионуклида, поэтому подставив в выражение (7) формулы (8) и (9), вычислим A_y* A γ_n*^-1 k_A C; A_y.m γ_n.m^-1 k_A C, и рассчитав отношение A_y*/A_y.m, получим уравнение (3). Таким образом, в уравнении (3) неизвестной величиной является только скорость конвективного переноса радионуклида u. Определение значения u осуществляют путем численного решения уравнения (3).

Практическая реализация предлагаемого способа определения скорости конвективного переноса радионуклида в почве осуществлена в Центре химизации и сельскохозяйственной радиоэкологии "Тульский" для территорий Тульской области, загрязненной продуктами выброса при аварии на ЧАЭС. Были определены значения скорости конвективного переноса ¹³⁷Cs в почве, которые использованы для прогноза радиационно-экологической обстановки на загрязненных территориях. При этом время, затраченное на определение каждого значения скорости конвективного переноса радионуклида в почве не превышало 5 суток, а трудоемкость исследований снизилась в 9 раз. Исследования выполнены для различных хозяйств, при этом разрезы, по которым осуществлялось определение скорости конвективного переноса радионуклида, находятся на почвах, отличающихся друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Результаты практической реализации предлагаемого способа представлены в таблице.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОНВЕКТИВНОГО ПЕРЕНОСА РАДИОНУКЛИДА В ПОЧВЕ, включающий определение распределения радионуклида в почве и плотности почвы и расчет скорости конвективного переноса радионуклида по математической зависимости, отличающийся тем, что на почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества, определяют удельную активность почвы на различных глубинах, по вертикали измеряют расстояния от внешней поверхности почвы до точек, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности почвы, плотность почвы определяют в слоях, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности, а скорость конвективного переноса радионуклида в почве находят путем численного решения уравнения

где A_у*, A_уm - значения максимальной и минимальной удельной активности почвы, Бк/кг;
γ_п,m, γ_п* - плотность почвы в слоях, соответствующих значениям максимальной и минимальной активности, кг/м³;
z_* - расстояние от внешней поверхности почвы до точки ее минимальной активности, м;
z_m - расстояние от внешней поверхности почвы до точки ее максимальной активности, м;
t_* - время, прошедшее с момента залпового выброса радиоактивного вещества на почву, с;
u - скорость конвективного переноса радионуклида в почве, м/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1