对地下核试验造成的地下水污染的评价

2009-7-15 4:58:33  作者:佚名  来源:Environmental Geology  【 查看评论

    对地下核试验造成的地下水污染的评价
   
    地下水核试验会产生放射性核素,人们非常关注它造成的环境危害。这种危害很大程度上依赖于物理和化学机理,这些机理控制着放射性核素如何进入地下水并将它传播给生物圈内的各种物种。在内华达州南部和美国其它的试验基地,相关的环境包括地下水中潜在的污染、它们对环境或农业所产生的影响,以及它们对那些可能会发生间接生态影响的地方的地表水源的极限排泄的环境。在南太平洋的阿留申群岛的海洋试验区,人们还对地下水中渗漏的放射性核素进入海水以及由此引起的对渔民和其它生物所产生的影响表示关注。
    在内华达州的试验基地,进行了800多项核试验,其中约有1/3在地下水位下。仅在地下水位以下进行的试验中,放射性核素就有超过108居里的放射能,由于大部分的地下试验都位于地球表面之下几百米甚至更深处,因其特性很难获得数据,所除去的放射性污染物很少,很难评价其向公共水井或私人水井的流动走势。结果是对进入或移向地下水放射性核素的潜能的评价。尽管这样的模型设计得很容易理解放射性核素迁移过程所包含的复杂机理,但是它仍然能很好地对一些确实存在的特殊数据进行解释和综合评价。也有利于今后确认设计数据及其特性应用。本文作者在这样的模型研究中,讨论了几个更为独特的、需要相关步骤的,而且重点在地下水位下扰乱了的环境近的试验。分析中,第一步要理解“扰乱的环境自身——它是如何形成的,放射量在试验的工作地点是如何分配的。大部分的讨论是概念性的,考虑到了物理、化学和其它属于传统的传输模式范畴的、受较为复杂的相关冲击的影响。接下来,作者会讨论在放射物最终进入水中的过程,哪些是更重要的过程,以及将来放射物从试验基地移走的问题。最后,作者主要讨论根据这些工艺而设计的流线模拟设施,并对将来这个地方能进行什么样的工作进行讨论。
   
    一、核试验影响测试
    地下核设备的引爆会释放出大量的能量,使得试验点周围区域内相关的地质和设备材料发生蒸发。实验产生的高温和压缩的震动波会使试验点生成空隙和裂隙或者改变洞壁上的结构。孔穴是汽化作用和原始的地质介质的压缩所造成的。孔穴的大小(或半径)可以根据爆破能的作用力、埋藏的深度以及地质介质的强度而估算出来。孔穴最大尺寸在爆炸发生后的1/10秒内即可达到。在接下来的几秒钟,发生爆炸、温度冷却、气压消散、孔穴内气体的成分开始按顺序冷凝,冷凝顺序按相对蒸汽压或沸点进行。首先,岩石和重放射性核素元素,同墙内壁上的熔融岩块一起,在洞的底部积聚成熔融的泥胶土。试验几小时或几天后,上面的材料坍塌进入洞内,形成一个垂直的“碎石”竖井,这个“竖井”随着地面的扩大而扩展,在那里形成一个弹坑。部分倒塌的材料会落入熔融胶泥体内。如果最初的爆炸点位于地下水之下,则地下水此时会再次涌入洞内。
   
    二、放射性核素的分布
    放射性核素同地下水的核爆炸有关,核反应与爆炸有关,并在地质介质中生成活性产物。在爆炸后几秒到几小时的时间内发生的复杂的动力学过程,控制着最初的化学成分以及空间的分布。大多数放射性核素蒸汽在孔穴扩张时存留在孔穴内。这是因为在周边的介质内的压缩处于均衡状态,这种均衡状态是由于流出的震动波和随后地质介质回弹到爆炸点,压缩空气趋向封闭和封密状态,潜在的驱动压力从旁路流失的结果。要注意还有一例外情况,会导致少量的放射性核素蒸汽从洞区流出,发生“即时性注入”在冷却和冷凝过程中,具有较高的沸点的重放射性核素,如241Am和239Pu,首先发生的冷凝在正在凝聚的熔融玻璃体中变为一体。沸点较低的放射性核素,如氚(3H)、36CL 、22Na、129I,稍后冷凝,尽管有一些在熔融相中也可以找到,但通常沿着洞壁和洞内的碎石表面以及竖井的较低部分进行。理论上放射性区域总是视为一个以试验点为中心的球体,从地震井内的观测来看,其半径在1.5m之间变动。其它的放射性核素,如85Kr、90Kr、137Xe,可在无压缩的气体内存在,如果环境允许,还会在体积变化中产生运动。总体来说,气体的置换会促进蒸发的重新分配,置换作用与洞体坍塌、浮力、分子扩散有关,在气体可以进入的、不饱和空隙空间内进行。一些放射性核素,90 Sr、 137Cs,都会在熔融区外面发现,它们是一些只能短期存在的物质如85Kr、137Xe等衍生物的产物。对试验所产生的放射性核素的总量,通常用试验的设计和放射性核素的特征性数据进行估计。对熔融玻璃体内物质的区分、置换体积、不压缩的气体分数,也可根据多次实验所得到的特征数据以及元素的热力学能估算出来。作为实验产生的函数,可以用来估算试验中所产生的熔融玻璃体的总量。Olsen(1993)建议,每千吨的试验场地可以产生约700吨的熔融玻璃体。放射性核是如何在熔融玻璃体内进行冷凝的,以及冷凝后在岩块和回流的地下水中化学状态,人们知之甚少。已经知道熔融体相是混合了气泡和大块玻璃体的各向异性的角砾石,通常内部混合物有落下来的碎石,这些碎石的物化性能和放射性核素的含量是不同的。大部分玻璃体保留了母体岩块的化学组成。在碎石内,当蒸汽冷凝或地下水回流到洞里时,冷凝的放射性核素会从空隙中溶入回流的水。它们会根据当地的地理环境形成液体核素,也可能根据地下水的速度返回并接近不饱和区,从洞内或竖井区移出。对一些放射性核素来说,尽管已经对钻孔内的水样进行了测定,但是仍需要对它们真实的含水量以体积交换的空间分布作出更为精确的评价。
   
    三、影响放射性核素迁移的因素
    1.模拟分析的原始条件
    严格地讲,放射性核素在试验中的相对移动,在试验一爆炸时就发生了,或称为“零时间”,这是因为它们的蒸汽在洞内和变换体积时分布和冷凝所造成的。然而,放射性核素在地下水中的迁移似乎应发生在“零时间”几天或几个月后,当地下水回流到洞和竖井内之后才更合乎逻辑,且由爆炸所引起的、复杂的动力学变化在这个时间已经结束。假定放射性核素的数量可以预算出来,则“原始”状态可以假定为熔融玻璃体内各组分平均分配,洞周边发生置换的体积为理想球形。这种假定方法对熔融玻璃体和置换容积的尺寸的估计值是有效的,放射性核素在这些区域内的含量的变化在计算过程中不属于重要的参数。另外。Guell(1999)注意到,在这种方法中,不冷凝的放射性核素的初始分布大体上是近似的。放射性核素从这种“原始”状态进行释放,受下列因素的影响:地下水流动及传输过程、不同温度、熔融玻璃体的分解、与物种、吸附作用或沉淀反应相关的地球化学性质。这些观点将在下面进行讨论。
    2.地下水的流动
    相对于试验的前提条件,地下水在洞和竖井内的流动可能会因为岩层渗透性的变化而变化,渗透性的变化可能会发生在坍塌的竖井内,也可能发生在与洞体和竖井相邻的新鲜的介质上。在坍塌的竖井内,这些变化与坍塌材料的类型及其填入洞内的途径有关。较硬的岩块一般会裂成较大的碎块,这种大型碎块在一起空隙大,渗透性强。相对试验前,这样的条件适于加强地下水在这些区域的流动。在淤积系统内,坍塌的材料更多地“跌落”于自然界中,导致相同的更低的渗透性和空隙体积。在一次实验中,坍塌现象总会伴随着失败,从而导致更大范围的当地地下水流的变化。
    在邻近洞体和竖井的原始介质中,可能会发生两种类型的渗透性变化。在洞体边缘和底部周围的区域内,在“压碎区”的上方会形成一个剪切断裂增加的区域,该区的渗透性和空隙增加。在这些区域之上,渗透性可能会增加,但是会随着距离半径的增加而迅速减少。总之,作者对环境的研究已不再局限于对隧道和地上凿洞等杂乱区域的观测,也不再局限于对“竖井”上表面的气体渗透性的测试。
    除了对少量的熔融玻璃体片断进行实验室测定,人们对原位熔融玻璃体区内的渗透性和空隙知道的并不多。这些区域呈现明显的不均匀性和潜在的断裂,并拥有一定程度的裂隙渗透性。相反,熔融玻璃体的分散会形成变化的物质,这些物质充满裂隙的空间,减少可渗透性。
    3.热力学影响
    爆炸后核试验所产生的残留热量,当地下水回流到竖井系统之后,会再存留几年的时间。试验热量的存在会改变周围的地下水的流动,减少或增加纵向的、受浮力驱动的流动,热值超过天然地热。更高的温度会增加放射性核素从熔融玻璃体中的释放速度。流过这些地区的地下水的流动速度和导热系数受控于试验热量的流失。因为热的传导速度相对较慢,热量存留在系统中的时间长度可用来计算地下水在热量区的整体流动速度,通过推理,还能得出该地区的渗透性。该事实已被Maxwell和其助手(2000),在内华达试验场进行的CHESHIRE实验中开发,用于推断熔融玻璃体、洞体、竖井以及原位的火山岩的渗透性。CHESHIRE核试验模拟了一系列的温度曲线,该曲线用斜孔试验中所收集的3种温度录井资料进行校准。这些录井资料数据表明残留的热量最初集中在熔融的玻璃体内,火山岩内热量仅比熔融玻璃体稍高。模拟实验表明残余的热量在试验50年后才能散尽。
   
    四、结 论
    评估放射性核素从地下核试验释放到地下水的速度是一项具有挑战性的工作。附近区域的淤积层表明:洞体、竖井和熔融玻璃体都是性能优异的放射源,其放射性会持续几百年、几千年甚至更长时间。控制放射性核素进入地下水的速度,这一重要过程包括熔融玻璃体的溶解、与吸附活性矿物质有关的化学抑制的影响。洗提对活性矿物质在系统中的含量和分布以及熔融玻璃体的溶解速度是非常敏感的。对大型区域模型中这些因素应该理解透彻,准确定位、模拟。证明流线型方法是研究这种课题的一种非常有用的、灵活的技术。它可将较高的溶解三维活性物传输难题分解为大量的,但却易于处理的一维活性传输问题,再将其结果组合为三维的结果。结果由计算机用最短的时间组合起来,可以更迅速地来解决问题的各个方面。对一维结果的初步分析,是快速作出特殊敏感性问题和设计问题的基准,也可在流线型试验进行之前,用来证明和解释特殊的传输和反应行为。通过熔融的玻璃体样品和模拟火山岩的玻璃体,来测定活性玻璃体的表面面积,以及矿物性质和淤积层不同成分,这些都刚刚起步。作者认为数据收集方面的努力更能确定原位放射性核素的浓度、可以更好地确定吸附性和胶质的传输性能。这一领域的数据对更好地了解系统中物理、化学过程,校正和确定预定的模式,都有着重要的作用。
    (资料来源:Environmental Geology,2002)

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