铀在花岗岩介质中的迁移预测

摘 要 :通过建立高放废物处置预选场研 究区水文地质迁移模型 , 分析 pH 、弥散度 、扩散系数和温 度等各种不 同 的影响因素在模拟中所起的作用 。 讨论研究了花岗岩地下 水中铀扩 散吸附时 的弥散 度 、扩 散系数 、渗 流速度 、 地下水化学成分等参数 , 并用批式法测定 了铀在研究区花岗岩 粉末中的分 配系数 。 同 时运用 美国地 质调查 局 的水文地球化学模拟软件 P H REEQ C-Ⅱ 模拟和预测铀元素 进入花 岗岩地 下水后 的浓度 分布和 迁移情况 。 结 果表明 , 铀在研究区地下水中迁移主要受 pH 值 、弥散度 、扩散系数的影响 。 关键词 :高放射性废物 ;核素迁移 ;水文地球化学模 拟 ;批式法 中图分类号 :P 641 文献标志码 :A 文 章编号 :1000-8063(2011)02-0089-06
第 30 卷 第 2 期 2011 年 5 月
铀 矿 冶 U RANIUM M IN ING A ND M ET A L L URGY
Vo l.30 No.2 M ay 2011
铀在花岗岩介质中的迁移预测
韦红钢1, 2 , 周仲魁1 , 孙占学1 , 钟佐燊2
(1 .东华理工大学土木与环境工程 学院 , 江西 抚州 344000 ;2 .中国地质大学水资 源与环境学院 , 北京 l00086)
第 2 期
地点 北山 BS 04 号孔 试验用地下水
韦红钢 , 等 :铀在花岗岩介质中的迁移预测
K+ 5 .44 21 .99
表 1 模拟地下水的离子成分及 pH 值
Na+ 1 638 .00
C a2 + 349 .60
ρB/(mg · L -1)
Mg2 +
Cl -
71 .67
1 701 .00
1 研究方法
1 .1 研究区概况 预选区位于甘肃北山地区的南部 , 行政区划
属甘肃省肃北县 。区内地形相对平缓 , 地貌类型 为低山丘陵 。总的地势是西高东低 , 北高南低 , 海 拔标高在 1 600 m 左右 。区内气候干旱 , 年平均
降水量为 60 ～ 80 mm , 年平均蒸 发量为 2 900 ～
90
铀 矿 冶
第 30 卷
1 .3 数学模型的建立
1 .3 .1 控制方程
对于一维单裂隙的核素迁移 , 考虑 m 个放射
性核素链式衰变迁移的控制方程式[ 5] 可表示为 :
Ri
ci +u t
ci x
=DL
2 ci x2
-Riλi ci
+
Ri-1 λi-1 ci-1
-
F b
D
p e
cpi z
孔隙率 , 无量纲 ;Dp 为岩石中孔隙水的扩散系数 ,
m2/ a ;x 和 z 分别表示水平迁移距离和垂向扩散
距离 , m ;t 为时间 , a ;R i 为裂隙中第 i 个核素的迟
滞因子 , 无量纲(由于裂隙壁本身的吸附作用忽略
不计 , 可取 R i =1);Rpi 为岩石中第 i 个核素的迟
滞因子 , 无量纲 。
初始 ρ(U)=0 .01 g/ L , pH =7 .6 , V =50 mL , t =2 d , 温度为 25 ℃。 图 3 粒径与分配系数的关系
初始 ρ(U)=0 .01 g/ L , 粒径为 80 ～ 100 目 , pH =7 .6 , V =50 m L , 温度为 25 ℃。
图 1 接触时间与分配系数的关系
3 200 mm , 年平均气温为 4 ～ 7 ℃, 地表水和地下
水都十分贫乏 。地下水主要接受大气降水的垂直
入渗补给 , 富集于沟谷洼地及断裂破碎带中的地
下水 , 部分消耗于蒸发 , 部分通过沟谷或构造破碎
带向下游径流排泄 , 最终流向盆地或区域排泄点 ,
构成完整的地下水循环交替系统 。 按地下水分布
的地形 、地貌 、岩性结构及地质构造条件 , 区内地
下水主要划分为山地基岩裂隙水 、沟谷孔隙-裂隙
水 、盆地孔隙-裂隙水 3 种类型 。区内地下水阳离
子以 N a +为主 , 占水中阳离子物质的量的 76 %～
90
%, 其次为
Ca2 +
;阴离子以
Cl -和
S
O
2 4
-
为主
,
Cl- 占 水 中 阴 离 子 物 质 的 量 总 数 的 50 % ～ 70 %[ 4] , 因此 , 地下 水的主要化学相 为 C l · SO 4-
地下水流速 , m/ a ;DL (=αL u +D0 )为裂隙的纵向
弥散系数 , m2/ a ;λi 为 第 i 个 核素 的衰 减常 数 ,
a-1 , 且 λ0 =0 ;F 为能允许核素扩散到岩石中去的
裂隙壁表面积占裂隙壁总面积的比例 ;Dpe =θp D p
为岩石的有效扩散系数 , m2 / a , 其中 θp 为岩石的
2 模拟软件的选择
选择母体核素铀 , 采用 PH REEQC-II 模拟软 件开展核素在特定场 址花岗岩介质 中的迁移预 测[ 6] 。 目前 的 P H REEQ C 第二 版(PH REEQ CⅡ)不仅可以描述局部平衡反应 , 还可以模拟动态 生物化学反应以及双重介质中多组分溶质的一维 对流-弥散 过程 。 它采 用分 裂算 子(split o perato r)的技术 , 在已经计算好的水流场的基础上 , 再进行改进的 特征法(MM OC)模拟 。 每个模拟 时段内先进行对流项计算 , 之后进行化学反应项 和弥散项的计算 , 再重新进行化学反应项的计算 。 这种方法可以减少数值弥散 , 对于具有复杂化学 反应的溶质运移模拟比较有效 。
N a 和 SO 4 ·Cl-N a , 其次为 Cl ·SO 4-N a · Ca 。
1 .2 模型概化
通过了解高放废物预选处置场花岗岩裂隙地
下水的运动情况 , 对研究区水文地质条件进行概
化 , 研究核素在花岗岩潜水中的迁移 , 对迁移进行
计算分析和模拟 。假设该废物处置场的所有处置
装置失效 , 核素进入地下含水层后即开始迁移过
若岩石中的吸附为瞬时 、可逆的线性过程, 则 :
R
p i
=1
+(1
-θp)ρp K di θp
,
(3)
式中 :K di 为第 i 个核素的分配系数 , m L/ g ;ρp 为
岩石中的干密度 , g/ cm 3 。
1 .3 .2 初始条件与边界条件
对于方程(1)和(2), 其初始条件为 :
ci(x , t) t =0 = Υi(x),
1 059 .93
207 .01
57 .57
1 237 .90
SO 24 1 980 .00 1 296 .80
HCO 3120 .60 121 .20
91
pH 7 .54 7 .60
3 .4 分配系数 分配系数(K d)表示吸附达到平衡时 , 固相和
液相中污染物的浓度之比 , 反映了溶质 在两相中 的迁移能力及分离效能[ 11] , 是描述物质在两相中 行为的重要物 理化学特 征参数 。 试验 选用批 式 法 , 结合铀在岩石中的静态吸附研究数据 , 以及不 同因素如 pH 值 、温度 、粒径等对铀在处置场岩石 中 K d 的影响 , 并分析 K d 的变化规律 , 以此作为 模型参数取值的依据 。选取北山采取的黑云母二 长花岗岩样品 。 岩石样品经粉碎 、筛分 , 用去离子 水漂洗数次 , 倾去悬浮颗 粒 , 在 105 ℃下烘干 备 用 。 试验料液分别采用 1 g/ L 和 100 mg/ L 的铀 标准溶液(东华理工大学分析测试中心提供)加 入模拟地下水溶液稀释配制而成 。 先称取 10 g 的 粉末样品置于带盖聚乙烯瓶中 。 将预先配制的铀 溶液 50 m L , 用 N aO H 和 H N O 3 溶液调节每组各 个样的 pH 至规定范围内 , 盖好瓶盖 。 按试验要 求将样品在恒温空气浴振荡器中振荡一定时间后
静置 , 待样品澄清 , 取 20 μL 上清液进行测量 。 采 用标准加入法通过微量铀分析仪测定其铀质量浓 度 , 然后计算铀在岩石中的 K d (mL ·g -1 )。试验 结果示于图 1 ～ 图 5 。
粒径为 80 ～ 100 目 , pH =7 .6 , V =50 mL , t =2 d , 温度为 25 ℃。 图 2 ρ(U)与分配系数的关系
, (1)z =0RFra bibliotekp i
cpi t
=Dp
2 cpi z2
-R
p i
λi cpi
+Rpi-1 λi-1 cpi-1 ,
(2)
式中 :i =1 , 2 , …, m , m 为 衰变系 列中核素 的总
数 ;ci
和
c
p i
分别为裂隙和岩石中第
i
个核素的浓
度 , m ol/ L ;b 为裂隙隙宽的的一半 , m ;u 为裂隙中
根据李春江[ 9] 的研究 , 参考郭永海等[ 10] 对研 究区所做的水文地质调查和钻孔抽水试验结果 , 从安全角度考虑 , 选择有利于核素迁移的值 , 模拟 计算渗流速度取 2 .59 ×10-8 m/ d 。 3 .3 地下水化学成分
根据北山 BS04 号钻孔 400 m 深地下水离子 成分 , 模拟北山地下水配制的混合地下水 , 其离子 成分及 pH 值列于表 1 。
3 核素迁移参数确定
3 .1 弥散度 、扩散系数 水动力弥散是由溶质在多孔介质中的机械弥
散和分子扩散所引起的 。 当流速较大时 , 机械弥 散是主要的 ;当流速甚小时 , 分子扩散的作用就变 得很明显 。显然 , 机械弥散和分子扩散都会使溶 质既沿平行流动方向扩展又沿垂直于它的方向扩 展 。 前者称为纵向弥散 , 后者称为横向弥散 。 一 般来说 , 溶质浓度的变化会导致液体密度和黏度 的变化 。 这些变化反过来会影响水流状态 , 即流 速的变化 。但在通常情况下 , 这类影响不大 , 可以 忽略[ 7] 。本文的弥散主要考虑纵向弥散度 , 据刘 德军 等[ 8] 的 研究 , 分 别 取纵 向 弥散 度为 1 .72 、 17.2 和 172 m 。扩散系数的取值分别为 1 .88 × 10-9 、1 .88 ×10-5 和 1 .88 ×10 -3 m2/ a 。 3 .2 渗流速度
高放射性废物具有高放射性 、高辐射性和高 放射毒性 , 且半衰期长的特征 , 从而对人类生存和 生态环境构成了长久和严重的危害 。我国因核电 事业的飞速发展急需解决高放废物的处置问题 , 目前初步选定处置库围岩为花岗岩[ 1] 。同时初步 确定甘肃北山为高放废物处置库的重点预选区 , 并正在该区的旧井 、野马泉和向阳山地段开展场 址评价方法学研究 。因此 , 要求对处置库场址与 周围地区的水文地质因素及地下水的行为进行长 期预测 。 目前 , 国外的一些研究者已将放射性水 文地球化学模拟方法运用到核素迁移中[ 2-3] 。 为 给我国建立高放废物 处置场提供科 学的理论依 据 , 笔者通过试验分析不同的参数对该研究区地 下水中铀元素迁移的影响 , 采用美国地质调查局 开发的水文地球化学模拟软件 P H REEQC-Ⅱ对 研究区地下水中铀元素的迁移进行模拟 , 并对铀 元素迁移行为的影响因素进行讨论 。
程 。 由于预选区地下基岩为相对隔水层 , 所以本
文假设核素在雨水的 淋溶作用下进 入均质含水
层 , 并向前水平迁移 。
收稿日期 :2010-12-08 基金项目 :国防科工委铀矿高放废物地质 处置研究开发项目(科工计[ 2007] 832 号) 作者简介 :韦红钢(1972 —), 男 , 广西蒙山人 , 副教授 , 在读博士 , 研究方向为水文与水环境 。
初始 ρ(U)=0 .01 g/ L, 粒径为 80 ～ 100 目 , V =50 mL , t =2 d , 温度为 25 ℃。 图 4 酸度与分配系数的关系
式中 :f i(t)为从工程屏障中释放出来的第 i 个核
素的弥散通量 , mol/(m2 · a)。
岩石中 , 核素扩散方程(2)的边界条件为 :
cpi (x , y , z ) z =0 =ci(x , t),
(7)
cpi z
=0 ,
z =d
(8)
方程(7)表示在裂隙壁处 , 岩石中的核素浓度 等于裂隙中的核素浓度 , m ol/ L ;方程(8)中 d 为 在岩石中核素扩散的最大深度 , m 。
(4)
cpi (x , z , t) t =0 = Υpi (x , z),
(5)
式中 :Υi(x)和 Υpi (x , z)分别为裂隙和岩石中第 i
个核素的初始浓度分布 , mol/ L 。
裂隙上游边界为 Cauchy 边界 , 可表示为 :
u ci -DL
ci x
= f i (t),
z =0
(6)