Экспериментальное исследование и моделирование диффузионного переноса загрязнения в неоднородных пластах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат наук Лехов, Владимир Алексеевич

• Лехов, Владимир Алексеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Лехов, Владимир Алексеевич

Оглавление

Введение

1. Характеристика полигона захоронения радиоактивных отходов Сибирского химического комбината

1.1. Характеристика полигона и история его функционирования

1.2. Геолого-гидрогеологическая характеристика района

1.2.1. Геологическое строение

1.2.2. Гидрогеологические условия

1.3. Результаты исследований геофильтрационных и геомиграционных процессов с прогнозированием долговременной миграции захороненных отходов

1.4. Обоснование цели и задач работы в связи с проблемой долговременного прогоноза миграции ЖРО в районое СХК

2. Материал для исследований и его описание

2.1. Минеральный состав

2.2. Анализ микроструктуры

2.3. Выводы к главе 2

3. Изучение диффузионных свойств на микроуровне

3.1. Диффузия в свободном растворе

3.2. Связь коэффициента диффузии с микроструктурой

3.3. Микротомографические исследования

3.4. Корреляционный анализ микроструктуры

3.5. Моделирование диффузионного переноса

3.6. Обработка результатов моделирования

3.7. Выводы к главе 3

4. Обоснование методики лабораторорного изучения миграционных свойств слабопроницаемых отложений

4.1. Теоретическое обоснование миграционных экспериментов

4.1.1. Теоретические модели сорбции

4.1.2. Модели диффузионных экспериментов

4.2. Разработка оборудования для диффузионного эксперимента

4.2.1. Интегрированная измерительная аппаратура

4.2.2. Устройство опытной установки для насыщения образов и определения фильтрационных параметров

4.2.3. Устройство опытной установки для определения миграционных параметров

4.3. Методика подготовки образцов для экспериментального исследования

4.3.1. Подготовка кернового материала

4.3.2. Насыщение образцов водой

5. Изучение миграционных и фильтрационных свойств слабопроницаемых отложений ПГЗ СХК

5.1. Экспериментальные исследования

5.1.1. Определение коэффициента фильтрации

5.1.2. Определение коэффициента диффузии и коэффициента распределения

5.2 Результаты и обсуждение

5.2.1. Фильтрационный эксперимент

5.2.2. Миграционный эксперимент

5.3. Сравнение опытных данных с результатами микромоделирования и опубликованными данными

5.4. Выводы к главе 5

6. Роль диффузии при долговременной миграции отходов в неоднородной среде

6.1. Модель геофильтрационной неоднородности

6.2 Оценка влияния численной дисперсии при горизонтальном и вертикальном переносе

6.3. Долгосрочное прогнозное моделирование

6.4. Обоснование параметров двойной емкости

6.4.1. Теоретическое обоснование модели многоскоростного обмена

6.4.2. Численное моделирование

6.5. Выводы к главе 6

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование и моделирование диффузионного переноса загрязнения в неоднородных пластах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Защита среды обитания человека от отходов предприятий химической и атомной промышленности ключевая проблема для развитых и развивающихся стран. Распространенным методом изоляции отходов является их захоронение в геологические формации. В мировой практике широко распространен способ захоронения жидких токсичных химических отходов в глубокозалегающие изолированные водоносные горизонты и комплексы [Underground Injection Science and Technology, 2005]. Для захоронения радиоактивных отходов в мире используется обычно их предварительное отверждение, а затем изоляция в горные выработки [Witherspoon, Bodvarsson, 2001]. В России наследуется опыт, начатый в 1960-х годах в СССР, когда сначала на полигоне глубинного захоронения Сибирского химического комбината (ПГЗ СХК), а затем на Горно-химическом комбинате (ГХК) и на площадке научно-исследовательского института атомных реакторов (НИИАР) была обоснована и начата закачка низкоактивных отходов в подземные воды [Рыбальченко и др., 1994].

Следует отметить, что в настоящее время отношение к захоронению радиоактивных отходов (РАО) в геологической среде в целом неоднозначное. В большинстве развитых стран Запада считается приемлемым захоронение отвержденных отходов, но неприемлемым закачка жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В России теоретические обоснования возможности безопасной изоляции радиоактивных отходов в геологической среде, используя в качестве природного аналога существование в течение геологического времени локализованных месторождений радиоактивного урана разрабатывалось школой Н.П. Лаверова [Лаверов, Омельяненко, Величкин, 1994; Laverov и др., 2000]. В то же время существуют и сторонники позиции о том, что всякое захоронение радиоактивных отходов должно быть запрещено [Королев, 1997]. На сегодняшний день законодательный акты Российской Федерации позволяют проводить закачку ЖРО на существующих полигонах, но запрещают организовывать новые («Об обращении с радиоактивными отходами ...» (№190-ФЗ от 02.07.2013 г.)).

Самым крупным подземным хранилищем является полигон глубинного захоронения Сибирского химического комбината, на котором закачка была начата, как временная экспериментальная акция в начале 1960-х годов, но накопленный безаварийный опыт позволил ее продолжать уже более 50 лет. В настоящее время полигон захоронения ЖРО на ПГЗ СХК имеет официальную лицензию до 2025 г. За время эксплуатации захоронено более 46 млн. м3 ЖРО общей активностью 4х1018 Бк на глубину 270 - 400 м [Рыбальченко и др., 1994].

Таким образом, сложившаяся ситуация с захоронением отходов на СХК привела к тому, что независимо от того будет ли продолжаться эксплуатация полигона до конца разрешенного периода или закончится ранее, в течение длительного времени уже закаченные стоки будут пред-

ставлять опасность для человека и биоты в целом. Поэтому оценка масштабов и прогноз долговременных последствий захоронения ЖРО, связанных с миграцией закаченных стоков в подземных водах в постинжекционный период является весьма актуальной проблемой.

Цель и задачи исследования. Анализ проблемы и прогноз долговременных последствий закачки за счет миграции загрязнения в подземных водах может быть выполнен только при помощи гефильтрационных и геомиграционных моделей подземных вод региона [Рыбальченко и др., 1994; Shestakov и др., 2002], где осуществляется закачка отходов. Ключевой особенностью таких моделей является то, что период, для которого необходимо выполнять прогноз (тысячи лет) [IAEA, 2011] на порядки превышает период мониторинга миграции отходов в процессе закачки (десятки лет).

Следовательно, обоснование параметров прогнозных моделей не может базироваться только на данных мониторинга, а требует научных исследований доминирующих процессов при долговременной миграции отходов в подземных водах и описания неоднородности водовмеща-ющей среды, в которой она происходит. Одним из таких процессов является диффузия, приводящая в неоднородных водоносных пластах к перераспределению загрязнения между хорошо и слабопроницаемыми разностями и проявляющаяся при достаточно больших временах миграции загрязнения в подземных водах.

Основным механизмом транспорта загрязнения в подземных водах является конвективно-дисперсионный перенос [Румынин, 2011; Шестаков, 1995]. В гетерогенных средах, представленных переслаиванием песчано-глинистых разностей, миграция загрязнения от источника к области разгрузки осуществляется преимущественно конвекцией по хорошо проницаемым песчаным областям (фациям), а за счет гидродинамической дисперсии происходит «размазывание» фронта загрязнения и одновременно, накопление в слабопроницаемой глинистой части разреза за счет диффузии. Наиболее хорошо закономерности переноса в таких средах изучены теоретически для случая горизонтально-слоистых сред, когда латеральные размеры разностей сильно превышают характерный латеральный размер области миграции загрязнения, то есть для сред, в которых горизонтальные размеры фаций можно принять бесконечными [Шестаков, 1995]. Однако для широкого круга условий осадконакопления оказывается, что характерные горизонтальные размеры фаций могут составлять десятки и сотни метров, при их вертикальных размерах от долей до первых десятков метров. В таких средах характерный перенос загрязнения на сотни и тысячи метров не может быть сведен к модели горизонтально-слоистой среды, а роль диффузионной составляющей миграции априори не может быть оценена без использования реалистической модели неоднородности.

Кроме того, для слабопроницаемых отложений оценки коэффициента фильтрации и коэффициента диффузии могут варьировать на порядки. При низких скоростях фильтрационного потока роль молекулярной диффузии в переносе загрязнения в этих отложениях может быть преобладающей.

В связи с вышесказанным, целью данной работы является анализ миграции загрязнения в водовмещающей среде со сложной структурой неоднородности представленной прослаиванием песчано-глинистых разностей переменной мощности, определение эффективных геофильтрационных и миграционных параметров слабопроницаемых отложений и оценка их влияния на долговременную миграцию загрязнения. Практическая значимость данной цели связана с обоснованием региональных геофильтрационных и геомиграционных моделей водовмещающей толщи ПГЗ СХК состоящей примерно на 40% из слабопроницаемых отложений [Данилов, 2010]. Эти отложения формируют весьма существенную емкость, в которой в процессе миграции могут накапливаться отходы, закаченные в хорошо проницаемую часть толщи; учет этой емкости в моделях позволит повысить обоснованность геомиграционных прогнозов долговременной миграции отходов в постинжекционный период.

Для количественной оценки роли слабопроницаемых отложений в долговременной миграции отходов и обоснования параметров прогнозных моделей решались следующие задачи:

1. Обзор существующих способов определения коэффициента диффузии слабопроницаемых отложений в лабораторных условиях.

2. Разработка способа определения коэффициента диффузии по данным о микроструктурном строении с использованием моделирования процесса диффузии на микроуровне.

3. Экспериментальное определение коэффициента фильтрации и коэффициента диффузии нитрата натрия и сорбционных параметров слабопроницаемых отложений на образцах, отобранных из зоны закачки на ПГЗ СХК.

4. Анализ закономерностей миграции загрязнения при помощи численного моделирования конвективного и конвективно-диффузионного переноса на высоко разрешимой детальной модели со сложной структурой геофильтрационной неоднородности, имитирующей водовме-щающую среду ПГЗ СХК.

5. Обоснование эффективных параметров массообмена модели с двойной емкостью для региональных прогнозов долговременной миграции отходов в постинжекционный период.

Объектом исследования являются неоднородные меловые отложения разреза полигона захоронения ЖРО СХК, в частности слабопроницаемые отложения разделяющих толщ.

Предметом исследования является диффузионный и конвективно-диффузионный массо-перенос нейтрального и сорбируемых компонентов РАО в слабопроницаемой и гетерогенной во-довмещающей среде.

Фактический материал и методы исследования. Для выполнения работы, лабораторией геотехнологического мониторинга СХК, предоставлены 16 образцов кернов из слабопроницаемой части разреза полигона СХК с глубин 200 - 400 м, полученный при бурении наблюдательных скважин (Е-145, Е-150, Н - 29, Н - 33). Модель детальной геофильтрационной неоднородности предоставлена В.А. Бакшевской [Бакшевская, 2013]. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы обработки диффузионных экспериментов, статистические методы для обработки модельных и экспериментальных данных и численные методы для моделирования массопереноса загрязнения. Определение минерального состава осуществлялось с использованием рентгеновского дифрактометра ULTIMA-IV, микроструктурные исследования проводились с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ LEO 1450VP и рентгеновского компьютерного микротомографа TDM 1000H-II, приобретенных за счет средств Программы развития Московского университета им. М.В. Ломоносова. Выполнение гидрогеологических прогнозов осуществлялось в комплексе PM 8 включающего в себя программы для моделирования геофильтрации и геомиграции MODFLOW-2005, MT3DMS, SEAWAT. Для анализа информации о пространственной неоднородности использовался геостатистический комплекс SGeMS и Grapher 12. Написание авторских программ осуществлялось в следующих средах разработки: Visual Basic for Applications (VBA), Visual Basic 6.0 (VB) и Arduino IDE.

Научная новизна исследования:

1. Обоснована возможность определения коэффициента диффузии слабопроницаемых осадочных отложений на основе численного моделирования диффузии в масштабе пор с использованием данных микротомографии. По результатам моделирования показано: что для расчета коэффициента диффузии в пористой среде, при описании связи извилистости и пористости, предпочтительными являются эмпирические модели Арчи и Писсани; получено, что коэффициент диффузии обладает анизотропией на микроуровне, связанной с анизотропией микростроения.

2. Предложена новая методика проведения лабораторных диффузионных экспериментов с комбинированной системой регистрации результатов, позволяющая определять одновременно диффузионные и сорбционные параметры.

3. Показано, что в среде, представленной переслаиванием песчано-глинистых разностей в связи с непостоянством мощностей глинистых прослоев, эффективный параметр массообмена в модели с двойной емкостью уменьшается во времени, поэтому этот параметр, полученный путем решения обратных задач с использованием существующих данных мониторинга на ПГЗ СХК за 60-ти летний период, не может быть использован для долговременных прогнозов миграции. Предложен альтернативный способ оценки параметра массообмена на вспомогательных высоко разрешимых моделях с использованием лабораторных данных о коэффициенте

диффузии и полевых данных о распределении мощностей хорошо и слабопроницаемых отложений.

Личный вклад. Проведение анализов, которые не подразумевают использования уникального дорогостоящего оборудования, проектирование и сборка опытных установок для определения фильтрационных и миграционных параметров, разработка и конструирование автоматической системы долговременных наблюдений в диффузионном эксперименте, подготовка образцов к экспериментальным исследованиям, проведение экспериментов по определению фильтрационных и миграционных параметров, подготовка проб для анализов, обработка полученных результатов, построение вспомогательных моделей, математическое геомиграционное моделирование, написание авторских компьютерных программ для интерпретации и трансформации данных, в том числе управляющей программы для автоматизации наблюдений выполнено автором лично.

Практическая значимость исследования:

1. Предложена лабораторная методика определения коэффициентов диффузии путем долговременных диффузионных экспериментов в слабопроницаемых породах с комбинированной системой наблюдений.

2. Предложена методика расчета коэффициента диффузии пород по его значениям для свободного раствора в разных направлениях для индивидуальных слабопроницаемых образцов на основе данных микротомографии и моделирования диффузии в масштабе пор. Методика может быть применена в условиях ограниченного объема исследуемой породы.

3. Полученные значения коэффициентов диффузии, параметров сорбции и значений активной пористости могут быть использованы при разработке новых геомиграционных моделей оценки воздействия на окружающую среду СХК.

4. Оцененное значение коэффициента массообмена песчаных и глинистых линз может быть использовано при разработке региональной геомиграционной модели для оценки долговременного воздействия ПГЗ СХК на окружающую среду в постнижекционный период.

Защищаемы положения. 1. Для оценки эффективного коэффициента диффузии глинистых пород и его связи с пористостью целесообразно использовать микромоделирование диффузионного переноса в поровом масштабе на трехмерных моделях, полученных при помощи микротомографии образцов для этих пород. Обобщение результатов микромоделирования для образцов, отобранных из зоны закачки СХК показывает, что связь диффузионной извилистости % и пористости п хорошо описывается эмпирическим степенным законом Арчи с показателем степени т = 2,20 - 2,54.

2. Для совместного определения коэффициента диффузии нейтрального мигранта и коэффициентов распределения сорбируемых веществ в лабораторном масштабе целесообразно проводить эксперименты с многокомпонентным раствором, включающим сорбируемые и несор-бируемые мигранты на образцах ненарушенного строения. Это позволяет получать коэффициенты распределения в эксперименте, в котором привнесение сорбируемого мигранта в породу происходит за счет диффузии. Для образцов, отобранных из зоны закачки ПГЗ СХК результаты определения коэффициента диффузии хорошо совпадают с данными моделирования на микроуровне, что свидетельствует о достоверности полученных значений.

3. Перенос загрязнения в условиях песчано-глинистого разреза, характерного для ПГЗ СХК в зоне субвертикальной фильтрации происходит в основном за счет конвективной составляющей, а роль диффузионного переноса несущественна. В области субгоризонтальной фильтрации, диффузионный перенос играет существенную роль, вызывая отток мигрирующих отходов в слабопроницаемую часть водовмещающей среды. Это связано с особенностями геофильтрационного строения толщи - невыдержанности слабопроницаемых слоев в плане, чередованием прослоев разной мощности и проницаемости в разрезе.

4. Для прогноза долговременной миграции радиоактивных отходов в неоднородной песчано-глинистой среде в качестве прогнозной геомиграционной модели целесообразно использовать математическую модель миграции в среде с двойной емкостью. Эффективный параметр обмена между хорошо и слабопроницаемой частями среды может быть найден с помощью обработки выходных кривых, полученных при детальном моделировании конвективно-диффузионного переноса в трехмерной среде со сложной структурой геофильтрационной неоднородности, имитирующей водовмещающие отложения. Использование такого подхода позволило оценить параметр массообмена и рекомендовать для регионального геомиграционного моделирования долговременной миграции отходов в районе полигона захоронения СХК в качестве расчетного значения его величину равную 6*10-8 сут-1.

Апробация результатов работы. Научные и практические результаты полученные в ходе работы над диссертацией докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Международная школа-семинар «Моделирование гидрогеологических процессов: от теоретических представлений до решения практических задач (к 90-летию со дня рождения В.М. Шестакова - основателя школы гидрогеодинамики МГУ)» (Москва, 2017); XXIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2017» (Москва, 2017); Международной конференции «AGU Fall Meeting 2016» (Сан-Франциско, 2016); XI научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Санкт-Петербург, 2015); Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии» (Томск, 2015); Международная научная школа молодых ученых «Физическое

и математическое моделирование процессов в геосферах» (Москва, 2015); Международная конференция «The MADE Challenge for Groundwater Transport in Highly Heterogeneous Aquifers: Insights from 30 Years of Modeling and Characterization at the Field Scale and Promising Future Directions» (Валенсия, 2015); II Всероссийская конференция с международным участием «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Владивосток, 2015); XXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2015» (Москва, 2015); Международной конференции «AGU Fall Meeting 2014» (Сан-Франциско, 2014); XXI Международная молодежная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2014). Результаты исследований использованы при выполнении гранта РФФИ № 14-05-00409 А.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в шести работах, из которых три статьи входят в базу данных RSCI.

Структура и объем диссертации. Диссертация представлена на 127 страницах, состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 111 позиций. Работа включает 48 рисунков и 21 таблицы.

Благодарности. Автор выражает благодарность и признательность своему научному руководителю профессору С.П. Позднякову, заведующему кафедрой гидрогеологии Геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, за помощь и постоянную поддержку во время хода и написания работы и, особенно, за поддержу в трудные моменты.

Автор благодарит коллег, без которых эта работа не состоялась бы: н.с. ИВП РАН к.г.-м.н. В.А. Бакшевскую за предоставленную модель детальной геофильтрационной неоднородности и сотрудников лаборатории геотехнологического мониторинга ОАО «СХК» к.г.-м.н. А.А. Зубкова и к.г.-м.н. В.В. Данилова за предоставленные образцы слабопроницаемых пород. Автор благодарит за ценные рекомендации во время хода работы сотрудников кафедры гидрогеологии, в особенности в.и. С.А. Смирнову и проф. А.В. Лехова. За консультации по ряду вопросов в.н.с.

A.А. Лапицкого (ЛОГС МГУ), проф. А.Ю. Бычкова и н.с. Д.А. Бычкова (кафедра геологии и геохимии полезных ископаемых МГУ) и зав. лабораторией экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами к.х.н. Е.В. Захарову (ИФХЭ РАН). Автор особо признателен коллективу лаборатории грунтоведения и технической мелиорации грунтов МГУ: проф.

B.Н. Соколову, с.н.с. М.С. Чернову, в.и. С.В. Закусину, Л.Г. Булыгиной.

Отдельно хочется поблагодарить аспиранта Тюбингенского университета (ФРГ) Е.В. Кор-тунова за критические замечания по ходу выполнения работы и магистра геологии П.А. Маева за колоссальную помощь при подготовке к миграционному эксперименту.

Автор особо признателен своей семье за поддержку, помощь и терпение на протяжении всего времени работы над диссертацией.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИГОНА ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ СИБИРСКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИГОНА И ИСТОРИЯ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Одно из крупнейших предприятий ядерного технологического цикла в России и в мире -Сибирский химический комбинат, на котором, в частности, осуществляется глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. Для дальнейшего краткого описания геолого-гидрогеологического строения выделим район исследований, который включает территорию СХК. Район принадлежи краевой части Западно-Сибирской низменности, и располагается на правом берегу р. Томь (рис. 1.1) [Данилов, 2010]. В северной части район ограничен левым берегом р. Самуська, на юге - правым берегом р. Большая Киргизка, а с восточной стороны - водораздельной линией бассейнов р. Томь и р. Чулым. В административном положении комбинат входит в Томский район Томской области, и расположен в непосредственной близости от закрытого территориального образования (ЗАТО) Северск.

Рис. 1.1. Схема расположения полигонов захоронения ЖРО СХК и водозаборов г. Северска. Красным цветом показаны линии разрезов В - А и А1 - В1 [Бакшевская, 2013]

В ходе работы основных производств СХК образуются низко- и среднеактивные жидкие отходы. Низкоактивные отходы состоят преимущественно из солевых растворов (нитрата натрия) минерализацией не более 20 г/л с pH = 6 - 10,5 и общей удельной активностью 0,0037 -0,37 ЫВк/л. Среднеактивные отходы имеют минерализацию (в основном NaNOз) менее 300 г/л, кислую или щелочную реакцию и удельную активность 3,7 - 370000 МБк/л. Состав радионуклидов представлен преимущественно изотопами стронция, рутения, церия и цезия. Для низко- и среднеактивных отходов примерно 50% общей активности составляют радионуклиды с периодами полураспада менее двух лет (изотопы рутения, стронция (кроме 90), церия, цезия-134 и др.). Остальная активность формируется за счет радионуклидов стронция-90 и цезия137 с периодом полураспада около 30 лет и долгоживущими радионуклидами (уран, изотопы плутония и др.), которые содержатся в неизвлекаемых количествах [Бакшевская, 2013].

Полигон глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов (ПГЗ ЖРО) СХК состоит из двух промплощадок 18 и 18a (рис. 1.1), которые расположены в непосредственной близости от основных производств, в пределах санитарно-защитной зоны предприятия [Рыбальченко и др., 1994]. В связи с высокой потенциальной опасностью отходов и большой ответственностью принимаемых решений первоначально было осуществлено обоснование и проектирование экспериментальной площадки 18a, включавшей на тот момент 5 нагнетательных скважин. В 1963 г. на комбинате был запущен эксперимент по закачке 110 000 м3 среднеактивных отходов из бассейнов выполняющих роль хранилищ. Состав удаляемых отходов был представлен солями натрия (нитраты, ацетаты, карбонаты, сульфаты) и кремнекислотой. Общее минерализация составляла 160 - 200 г/л с удельной активностью 10-2 - 10-1 Ки/л и включала следующие радионуклиды: стронций, цезий, рутений, церий и др. Положительный результат экспериментальных работ позволил начать проектирование и строительство опытной площадки 18 для захоронения нетехнологических низкоативных отходов и промышленной площадки 18а для захоронения технологических отходов. В 1967 г опытная площадка 18 была введена в эксплуатацию [Рыбальченко и др., 1994].

В качестве пластов-коллекторов для закачки были выбраны II и III водоносные горизонты по стратификации комбината (рис. 1.2, табл. 1.1), сложенные преимущественно разнозернистыми песками, залегающими в интервале глубин 270 - 400 м. К настоящему времени закачено более 40 млн. м3 отходов с суммарной активностью около 1 млрд. Ки [Рыбальченко и др., 1994]. На площадке 18 осуществляется закачка низкоактивных отходов во II и III водоносные горизонты на глубину 280 - 350 м, а на площадке 18а закачка высоко- и среднеактивных отходов только во II водоносный горизонт на глубину 350 - 400 м [Попов, Коробкин, Рогов, 2002].

1.2. ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА 1.2.1. Геологическое строение

Район СХК расположен в зоне сочленения Западно-Сибирской плиты и Колывань-Том-

ской зоной Саяно-Алтайской складчатой области, где скальные породы палеозойского фундамента погружаются под толщу песчано-глинистых мезо-кайнозойских пород, содержащих песчаные слои, обладающие коллекторскими свойствами, и слои глинистых слабопроницаемых пород - относительных водоупоров [Рыбальченко и др., 1994]. Район имеет четкое двухъярусное строение. Нижний структурный этаж представлен Томско-Каменским выступом палеозойского фундамента, слагаемым сложнодислоцированными метаморфизованными терригенными отложениями палеозоя. Верхний структурный этаж слагается мезозойско - кайнозойскими терриген-ными породами платформенного чехла, залегающими на склоне Томско - Каменского выступа [Бакшевская, 2013]. Верхний структурный этаж в свою очередь подразделяется на два подэтажа - верхний, представленный отложениями кайнозойского возраста, покрывающими сплошным чехлом всю площадь, и нижний, представленный породами мезозойского возраста [Геология СССР, 1967].

B

100

-100

-200

-300

^00

A

Глинистый сланец Глины

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

■--Границы свит

Границы горизонтов

Наблюдательная скважина.

© © Песок с линзами глин Суглинок

I, II, III, IV, IVa, V, VI - нумерация водоносных

горизонтов принятая на СХК

А, В, С, D, Е, F, G - нумерация водоупроных слоев принятая на СХК

- фильтрат ЖРО

^ Снизу - абсолютная отметка забоя скважины.

Рис. 1.2. Геологический разрез осадочного чехла в районе расположения полигона глубинного захоронения ЖРО по линии В - A [Данилов, 2010]

Меловая система

Верхнемеловые отложения в изучаемом районе делятся на симоновскую (Юзшп), и сым-скую (К2sms) свиты. Симоновская свита образована породами туронского и нижней частью ко-ньякского ярусов, что подтверждается палеонтологическим анализом растительности и формаи-нифер, которая с перерывом в осадконакоплении залегает на выветрелом палеозойском фундаменте. Мощность отложений симоновской свиты увеличивается в северо - западном направлении, тем самым выравнивая древний рельеф. В нижней части, свита представлена разнозерни-стыми зеленовато - серыми песками, с прослоями зеленовато - серых и пестроцветных глин, а также линзами лигнита и растительного детрита. В верхней части, свита сформирована терриген-ными отложениями представленными песками разной зернистости и долей глинистых минералов, алевропелитами и глинами. Мощность песков достигает 65 м, в то время как, мощность глин сильно варьирует от 0 до 40 м [Бакшевская, 2013].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лехов, Владимир Алексеевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бакшевская В.А. Моделирование геомиграции жидких отходов в неоднородной водовмещающей среде для обоснования эффективных параметров региональных (прогнозных) моделей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., 2013 г.

2. Брилинг И.А. Фильтрация в глинистых породах. М.: ВИЭМС. Сер. гидрогеол. и инж. геология, 1984. 57 с.

3. Булыгина Л.Г. и др. Анализ структуры грунтов комплексом растровый электронный микроскоп - рентгеновский компьютерный микротомограф (РЭМ - цКТ) // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014. С. 457-463.

4. Геология СССР. Том XIV. Западная Сибирь (Алтайский край, Кемерово, Новосибирская, Омская, Томская области). Часть 1 Геологическое описание. / под ред. В.Д. Фомичева. М.: Недра, 1967. 664 с.

5. Глинский М.Л. и др. Мониторинг подземного хранилища жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината // Разведка и охрана недр. 2013. № 10. С. 66-71.

6. Глинский М.Л. и др. Моделирование последствий эксплуатации полигона глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината на среднесрочный и сверхдолгосрочный периоды // Радиохимия. 2014. Т. 56. № 6. С. 554-560.

7. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. М.: Недра, 1986. 160 с.

8. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016. 19 с.

9. Грунтоведение / под ред. В.Т. Трофимова. Москва: Изд-во МГУ, 2005. Вып. 6-е изд. 1024 с.

10. Данилов В.В. Математическое моделирование глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов (на примере Сибирского химического комбината). Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Т., 2010.

11. Данилов В.В., Истомин А.Д., Носков М.Д. Многоуровневая цифровая модель осадочной толщи района расположения Сибирского химического комбината // Вестник Томского государственного университета. 2009. № 329. С. 256-261.

12. Демьянов В.В., Савельева Е.А. Геостатистика: теория и практика. М.: Наука, 2010. 327 с.

13. Дрожко Е.Г. и др. Компьютерная модель нестационарной миграции растворов в подземных водах // В сборнике докладов Обнинского симпозиума 15 Менделеевского съезда по общей и прикладной химии «Радиоэкологические проблемы в ядерной энергетике и при конверсии производства». 1995. С. 33-43.

14. Зубков А.А. и др. Анализ системы геотехнологического мониторинга полигона подземного захоронения жидких радиоактивных отходов СХК // Разведка и охрана недр. 2007. № 11. С. 56-61.

15. Зубков А.А. и др. Прогнозное моделирование распространения фильтрата жидких радиоактивных отходов в пластах-коллекторах полигона глубинного захоронения Сибирского химического комбината // Вестник Томского государственного университета. 2008. № 306. С. 161-167.

16. Карсанина М.В. Моделирование и реконструкция структуры и свойств пористых сред с помощью корреляционных функций. М.: ИДГ РАН, 2016. Автореф. д. 28 с.

17. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.

18. Королев В.А. Об опасности захоронения радиоактивных отходов в геологической среде // Экология и промышленность России. 1997. С. 44-48.

19. Лабораторные работы по грунтоведению: Учебное пособие / под ред. В.Т. Трофимова, В.А. Королева. М.: КДУ, Университетская книга, 2017. 3-е изд. 654 с.

20. Лаверов Н.П., Омельяненко Б.И., Величкин В.И. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов // Геоэкология. 1994. № 6. С. 3-20.

21. Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика. М.: КДУ, 2010. 500 с.

22. Лехов А.В., Соколов В.Н. Проблемы миграции продуктов разложения осадка сточных вод // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2002. № 1. С. 53-62.

23. Лехов А.В., Федорова Ю.В., Шваров Ю.В. Учет сорбции при моделировании диффузии в слабопроницаемых породах // Инженерная геология. 2017. № 6. С. 46-56.

24. Лехов В.А., Соколов В.Н. Экспериментальное определение коэффициента фильтрации и коэффициента диффузии в слабопроницаемых отложениях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2017. № 3. С. 67-76.

25. Лукина В.С. Взаимосвязь микроструктурных, диффузинных и осмотических параметров глинистых грунтов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., 2007 г.

26. Лыков А.В. Теория теплопроводости. М.: Выс. шк., 1967. 600 с.

27. Марморштейн Л.М. Петрофизические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах. М.: Недра, 1985. 190 с.

28. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Монография в 3-х томах. Том 1. Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов. М.: Изд-во МГГУ, 1998. 611 с.

29. Никуленков А.М. Экспериментальное обоснование миграционных параметров песчано-глинистых отложений нижнего кембрия и верхнего венда для оценки безопасности

эксплуатации хранилищ низко- и среднеактивных отходов (г. Сосновый Бор, Ленинградская область). Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. СПб., 2011 г.

30. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 576 с.

31. Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород / под ред. Е.М. Сергеева. М.: Недра, 1989. 211 с.

32. Поздняков С.П. и др. Влияние схематизации неоднородности осадочных отложений на прогноз миграции загрязнения // Вестник Московского университета. Серия 4 Геология. 2012. Т. 1. № 1. С. 40-48.

33. Попов В.К., Коробкин В.А., Рогов Г.М. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья. Т.: Изд-во ТГАСУ, 2002. 143 с.

34. Робинсон Р., Стокс Р. Растворы электролитов. М.: Изд-во ин. лит., 1963. 647 с.

35. Ромм Е.С. Структурные модели порового пространства горных пород. Л.: Недра, 1985. 240 с.

36. Рошаль А.А. Методы определения миграционных параметров. М.: ОБЗОР ВИЭМС. Серия «Гидрогеология и инженерная геология», 1980. 62 с.

37. Румынин В.Г. Геомиграционные модели в гидрогеологии. СПб: Наука, 2011. 1160 с.

38. Рыбальченко А.И. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАТ, 1994. 256 с.

39. Рычкова И.В. Стратиграфия и палеогеография верхнего мела - среднего палеогена юго-востока Западной Сибири. Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Т., 2006 г.

40. Свительман В.С. Разработка математических моделей и методов описания микроструктуры горных пород средствами теории случайных полей. М.: МФТИ, 2014. Автореф. д. 20 с.

41. Ханин А.А. Петрофизика нефтяных и газовых пластов. М.: Недра, 1976. 295 с.

42. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995. 368 с.

43. Япаскурт О.В. Литология: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Изд. центр «Академия», 2008. 336 с.

44. Akanni K.A., Evans J.W., Abramson I.S. Effective transport coefficients in heterogeneous media // Chem. Eng. Sci. 1987. Т. 42. № 8. С. 1945-1954.

45. Alhashmi Z., Blunt M.J., Bijeljic B. Predictions of dynamic changes in reaction rates as a consequence of incomplete mixing using pore scale reactive transport modeling on images of porous media // J. Contam. Hydrol. 2015. Т. 179. С. 171-181.

46. Appelo C.A.J., Postma D. Geochemistry, Groundwater and Pollution // Vadose Zo. J. 2006. Т. 5. № 1. С. 510.

47. Appelo C.A.J., Wersin P. Multicomponent diffusion modeling in clay systems with application to the diffusion of tritium, iodide, and sodium in opalinus clay // Environ. Sci. Technol. 2007. T. 41. № 14. C. 5002-5007.

48. Appelo C. a. J., Loon L.R. Van, Wersin P. Multicomponent diffusion of a suite of tracers (HTO, Cl, Br, I, Na, Sr, Cs) in a single sample of Opalinus Clay // Geochim. Cosmochim. Acta. 2010. T. 74. № 4. C. 1201-1219.

49. Archie G.E. The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics // Trans. AIME 1942. T. 146. № 1. C. 54-62.

50. Bakshevskaia V.A., Pozdniakov S.P. Simulation of Hydraulic Heterogeneity and Upscaling Permeability and Dispersivity in Sandy-Clay Formations // Math. Geosci. 2016. T. 48. № 1. C. 4564.

51. Barone F.S., Rowe R.K., Quigley R.M. Estimation of Chloride Diffusion Coefficient and Tortuosity Factor for Mudstone // J. Geotech. Eng. 1992. T. 118. № 7. C. 1031-1045.

52. Beeckman J.W. Mathematical description of heterogeneous materials // Chem. Eng. Sci. 1990. T. 45. № 8. C. 2603-2610.

53. Bhatia S.K. Directional autocorrelation and the diffusional tortuosity of capillary porous media // J. Catal. 1985. T. 93. № 1. C. 192-196.

54. Blunt M.J. h gp. Pore-scale imaging and modelling // Adv. Water Resour. 2013. T. 51. C. 197-216.

55. Boudreau B.P. The diffusive tortuosity of fine-grained unlithified sediments // Geochim. Cosmochim. Acta. 1996. T. 60. № 16. C. 3139-3142.

56. Boving T.B., Grathwohl P. Tracer diffusion coefficients in sedimentary rocks: correlation to porosity and hydraulic conductivity // J. Contam. Hydrol. 2001. T. 53. № 1-2. C. 85-100.

57. Bruggeman D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen // Ann. Phys. 1935. T. 416. № 7. C. 636-664.

58. Carle S.F. T-PROGS: Transition probability geostatistical software. Version 2.1. Davis, California: University of California, 1999. 84 c.

59. Carrera J. h gp. On matrix diffusion: formulations, solution methods and qualitative effects // Hydrogeol. J. 1998. T. 6. № 1. C. 178-190.

60. Cavé L. h gp. A technique for estimating one-dimensional diffusion coefficients in low-permeability sedimentary rock using X-ray radiography: Comparison with through-diffusion measurements // J. Contam. Hydrol. 2009. T. 103. № 1-2. C. 1-12.

61. Chiang W.H., Kinzelbach W. 3D-Groundwater Modeling with PMWIN. New York: Springer Berlin Heidelberg, 2001. 346 c.

62. Dal Ferro N. u gp. Coupling X-ray microtomography and mercury intrusion porosimetry to quantify aggregate structures of a cambisol under different fertilisation treatments // Soil Tillage Res. 2012. T. 119. C. 13-21.

63. Doherty J. PEST: A Unique Computer Program for Model-independent Parameter Optimisation // Water Down Under 94: Groundwater/Surface Hydrology Common Interest Papers; Preprints of Papers, 1994. C. 551.

64. Epstein N. On tortuosity and the tortuosity factor in flow and diffusion through porous media // Chem. Eng. Sci. 1989. T. 44. № 3. C. 777-779.

65. Fernandez-Garcia D., Sanchez-Vila X. Mathematical equivalence between time-dependent singlerate and multirate mass transfer models // Water Resour. Res. 2015. T. 51. № 5. C. 3166-3180.

66. Fick A. Ueber Diffusion // Ann. der Phys. und Chemie. 1855. T. 170. № 1. C. 59-86.

67. Giles C.H. u gp. 786. Studies in adsorption. Part XI. A system of classification of solution adsorption isotherms, and its use in diagnosis of adsorption mechanisms and in measurement of specific surface areas of solids // J. Chem. Soc. 1960. C. 3973.

68. Gimmi T. u gp. Anisotropic diffusion at the field scale in a 4-year multi-tracer diffusion and retention experiment - I: Insights from the experimental data // Geochim. Cosmochim. Acta. 2014. T. 125. C. 373-393.

69. Grathwohl P. Diffusion in natural porous media: contaminant transport, sorption desorption and dissolution kinetics. Boston, MA: Springer US, 1998. 207 c.

70. Guo W., Langevin C.D. User's Guide to SEAWAT: A computer program for simulation of three-dimensional variable-density ground-water flow, 2002.

71. Haggerty R. u gp. What controls the apparent timescale of solute mass transfer in aquifers and soils? A comparison of experimental results // Water Resour. Res. 2004. T. 40. № 1.

72. Haggerty R., Gorelick S.M. Multiple-Rate Mass Transfer for Modeling Diffusion and Surface Reactions in Media with Pore-Scale Heterogeneity // Water Resour. Res. 1995. T. 31. № 10. C. 2383-2400.

73. Harbaugh A. u gp. M0DFL0W-2000, the US Geological Survey Modular Ground-Water Model -User Guide to Modularization Concepts and the Ground-Water Flow Process. Reston: 2000. 130 c.

74. IAEA. Disposal of radioactive waste. Intl Atomic Energy Agency, 2011.

75. Iversen N., J0rgensen B.B. Diffusion coefficients of sulfate and methane in marine sediments: Influence of porosity // Geochim. Cosmochim. Acta. 1993. T. 57. № 3. C. 571-578.

76. Jakob A., Pfingsten W., Loon L. Van. Effects of sorption competition on caesium diffusion through compacted argillaceous rock // Geochim. Cosmochim. Acta. 2009. T. 73. № 9. C. 2441-2456.

77. Jury W.A. Transfer functions and solute movement through soil: theory and applications. Boston, Berlin: Birkhauser Verlag Basel, 1990.

78. Klinkenberg L.J. Analogy between diffsion and electrical conductivity in porous rocks // Geol. Soc. Am. Bull. 1951. T. 62. C. 559-564.

79. Laverov N.P. u gp. Long-Term Solutions to Managing Nuclear Waste in The Russian Federation // The Environmental Challenges of Nuclear Disarmament. Dordrecht: Springer Netherlands, 2000. C. 75-83.

80. Lerman A. Geochemical processes : water and sediment environments. New York, NY: Wiley, 1979. 481 c.

81. Liu Y., Kitanidis P.K. Tortuosity and Archie's Law // Advances in Hydrogeology. New York, NY: Springer New York, 2013. C. 115-126.

82. Loon L.R. Van u gp. Effect of confining pressure on the diffusion of HTO, 36Cl- and 125I- in a layered argillaceous rock (Opalinus Clay): diffusion perpendicular to the fabric // Appl. Geochemistry. 2003. T. 18. № 10. C. 1653-1662.

83. Loon L.R. Van, Soler J.M., Bradbury M.H. Diffusion of HTO, 36Cl- and 125I- in Opalinus Clay samples from Mont Terri: Effect of confining pressure // J. Contam. Hydrol. 2003. T. 61. № 1-4. C. 73-83.

84. Mackie J.S., Meares P. The Diffusion of Electrolytes in a Cation-Exchange Resin Membrane. I. Theoretical // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1955. T. 232. № 1191. C. 498-509.

85. Maxwell J.C. A treatise on electricity and magnetism // J. Franklin Inst. 1954. T. 258. № 6. C. 534.

86. Millington R.J. Gas Diffusion in Porous Media // Science (80-. ). 1959. T. 130. № 3367. C. 100102.

87. Nakashima Y., Kamiya S., Nakano T. Diffusion ellipsoids of anisotropic porous rocks calculated by X-ray computed tomography-based random walk simulations // Water Resour. Res. 2008. T. 44. № 12.

88. Nakashima Y., Nakano T. Steady-State Local Diffusive Fluxes in Porous Geo-Materials Obtained by Pore-Scale Simulations // Transp. Porous Media. 2012. T. 93. № 3. C. 657-673.

89. Neale G.H., Nader W.K. Prediction of transport processes within porous media: Diffusive flow processes within an homogeneous swarm of spherical particles // AIChE J. 1973. T. 19. № 1. C. 112-119.

90. Patrick Wang P., Zheng C., Gorelick S.M. A general approach to advective-dispersive transport with multirate mass transfer // Adv. Water Resour. 2005. T. 28. № 1. C. 33-42.

91. Petersen E.E. Diffusion in a pore of varying cross section // AIChE J. 1958. T. 4. № 3. C. 343-345.

92. Pisani L. Simple Expression for the Tortuosity of Porous Media // Transp. Porous Media. 2011. T. 88. № 2. C. 193-203.

93. Pozdniakov S.P., Lekhov V.A., Bakshevskaya V.A. Advective and diffusive contaminant transport through heterogeneous sandy-clay formation // The MADE Challenge for Groundwater Transport in

Highly Heterogeneous Aquifers: Insights from 30 Years of Modeling and Characterization at the Field Scale and Promising Future Directions. 2015. https://agu.confex.com/agu/15chapman4/webprogram/Paper48203.html

94. Pozdniakov S.P., Lekhov V.A., Bakshevskaya V.A. Effect of uncertainty of low permeable unit hydraulic parameters on prediction of long term contaminant transport // AGU Fall Meeting 2014. 2014. http://adsabs.harvard.edu/abs/2014AGUFM.H33C0821L

95. Pozdniakov S., Tsang C.-F. A self-consistent approach for calculating the effective hydraulic conductivity of a binary, heterogeneous medium // Water Resour. Res. 2004. T. 40. № 5. C. 1-13.

96. Pozdniakov S.P., Shestakov V.M. Analysis of groundwater discharge with a lumped-parameter model, using a case study from Tajikistan // Hydrogeol. J. 1998. T. 6. № 2. C. 226-232.

97. Shackelford C.D. Laboratory diffusion testing for waste disposal — A review // J. Contam. Hydrol. 1991. T. 7. № 3. C. 177-217.

98. Shen L., Chen Z. Critical review of the impact of tortuosity on diffusion // Chem. Eng. Sci. 2007. T. 62. № 14. C. 3748-3755.

99. Shestakov V.M. u gp. Flow and transport modeling of liquid radioactive waste injection using data from the Siberian Chemical Plant Injection Site // Environ. Geol. 2002. T. 42. № 2-3. C. 214-221.

100. Sokolov V.N. u gp. Quantitative analysis of pore space of moraine clay soils by SEM images // J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2007. T. 1. № 4. C. 417-422.

101. Tomadakis M.M., Sotirchos S. V. Transport properties of random arrays of freely overlapping cylinders with various orientation distributions // J. Chem. Phys. 1993. T. 98. № 1. C. 616-626.

102. Torskaya T. u gp. Grain Shape Effects on Permeability, Formation Factor, and Capillary Pressure from Pore-Scale Modeling // Transp. Porous Media. 2014. T. 102. № 1. C. 71-90.

103. Ullman W.J., Aller R.C. Diffusion coefficients in nearshore marine sediments // Limnol. Oceanogr. 1982. T. 27. № 3. C. 552-556.

104. Underground Injection Science and Technology / nog peg. C.-F. Tsang, J.A. Apps. Berkeley: Elsevier, 2005. 704 c.

105. Understanding variation in partition coefficient, Kd, values. Vol. I: The Kd model, methods of measurement, and application of chemical reaction code. U.S. Environmental Protection Agency, EPA 402-R-99-004B, 1999. 212 c.

106. Weissberg H.L. Effective Diffusion Coefficient in Porous Media // J. Appl. Phys. 1963. T. 34. № 9. C. 2636-2639.

107. Witherspoon P.A., Bodvarsson G.S. Geological challenges in radioactive waste isolation. Berkeley: Berkeley National Loboratory, 2001. 335 c.

108. Wu J., Boucher A., Zhang T. A SGeMS code for pattern simulation of continuous and categorical variables: FILTERSIM // Comput. Geosci. 2008. T. 34. № 12. C. 1863-1876.

109. Xiang Y. h gp. Diffusive anisotropy in low-permeability Ordovician sedimentary rocks from the Michigan Basin in southwest Ontario // J. Contam. Hydrol. 2013. T. 155. C. 31-45.

110. Yokoyama T., Nakashima S. Diffusivity anisotropy in a rhyolite and its relation to pore structure // Eng. Geol. 2005. T. 80. № 3-4. C. 328-335.

111. Zheng C., Wang P.P. MT3DMS: A Modular Three-Dimensional Multispecies Transport Model for simulation of advection, dispersion and chemical reactions of contaminants in groundwater systems. Tuscaloosa, Department of Geological Sciences, University of Alabama, 1999. 169 c.