Яковлева В.С. Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности пористых материалов

Подождите немного. Документ загружается.

121

ППР в одной и той же точке может со временем варьировать до 10 раз

[26].

Анализ результатов массовых обследований в период 1997–2003 гг.

в г. Москве (более 1000 участков под строительство) [147] показал раз-

личную изменчивость величины ППР для разных типов грунтов. Вре-

менная изменчивость величины ППР с поверхности песчаных грунтов

меньше (5–91 мБк м

–2

–1

), чем с поверхности глинистых (4–264 мБк м

–2

–1

) [34]. При этом удельная активность радия (

226

Ra) в грунтах состав-

ляла для песчаных – 10–15 Бк/кг, для глинистых – 15–30 Бк/кг. Средне-

месячные значения ППР изменялись в течение года на 25–30 % от сред-

него.

В последующих исследованиях ППР на территории г. Москва (рай-

он Северное Тушино, более 10200 измерений) [323], проведенных в пе-

риод 2002–2003 гг., выявлена изменчивость величины ППР в пределах 1

порядка величины. Среднегодовое значение плотности потока радона

составило 45 мБк м

–2

–1

, с диапазоном 9–96 мБк м

–2

–1

. Грунты обсле-

дованной территории имели довольно высокую для грунтов Москвы

удельную активность радия (

226

Ra) 36±6 Бк/кг.

Результаты измерений ППР, проведенных в сентябре–октябре 2004

г. на 2-х площадках (г. Томск и с. Рыбалово, Томского района) с исполь-

зование мгновенного метода, показали значительные вариации ампли-

туды исследуемой величины в десятки раз в течение суток [314] (Рис.

9.2). В некоторые дни наблюдалось снижение ППР в полуденное время.

Это можно объяснить изменением температурного градиента, т.е. рез-

ким повышением температуры атмосферного воздуха вследствие нагре-

ва солнечными лучами (температура почвы меняется намного медлен-

нее). С началом заморозков (рис. 9.2) было отмечено резкое снижение

величины плотности потока радона с поверхности земли, которое на-

блюдалось в вечернее время. В день измерений после обеда резко сни-

зилась температура воздуха до отрицательных значений, и почва по-

крылась коркой льда.

Сезонная изменчивость величины ППР была исследована в период

с сентября 2004 г по январь 2005 г в Томске [327]. Величину ППР опре-

деляли косвенным методом (3-й вариант) по измеренной трековым ме-

тодом объемной активности радона в почвенном воздухе на двух отли-

чающихся в 2 раза глубинах [122]. Длительность одного измерения со-

ставляла 4 суток. Среднее за период наблюдений значение ППР соста-

вило 55±86 мБк м

–2

–1

, при 95% доверительной вероятности. Результаты

измерений представлены на рис. 9.3. Изменение температуры атмо-

сферного воздуха и грунта на глубине 20 см, а также атмосферного дав-

ления приведено на рис. 9.4.

122

Рис. 9.2. Суточная динамика ППР в период 23–24.10.2004

На рис. 9.3 хорошо виден сезонный ход плотности потока радона с

поверхности земли. При промерзании верхних слоев грунта (начало но-

ября–январь) величина ППР с поверхности земли снижается до значе-

ний 5–15 мБк м

–2

–1

, вариации этой величины уже не столь существен-

ны. В сентябре–октябре вариации величины ППР достигают 10 раз.

С целью радиационно-гигиенического обследования территорий,

планируемых под строительство, и определения степени их потенци-

альной радоноопасности, контролирующие организации производят из-

мерения плотности потока радона, как правило, в рабочее (дневное)

время. В случае если для измерений выбраны мгновенные методы, то

учитывая существенную временную изменчивость ППР, а также то, что

минимальные значения ППР чаще наблюдаются в дневное время, ре-

зультаты измерений могут существенно отличаться от среднесуточных

значений. В итоге, заключение о степени радоноопасности данной тер-

ритории может быть ошибочным

Имеющиеся в литературе данные наблюдений временной динамики

все еще не достаточны для определения «стандартного» суточного хода

величины ППР. При разработке методических рекомендаций по изме-

рению ППР с поверхности земли, для оценки степени потенциальной

радоноопасности территорий, требуется учитывать временную измен-

чивость этой величины, вызванную влиянием внешних факторов.

ППР, мБк м

-2

-1

123

Рис. 9.3. Временной ход плотности потока радона в осенне-зимний период

(г. Томск)

Рис. 9.4. Изменение метеорологических величин в осеннее-зимний период

(г. Томск)

100

150

200

250

300

350

400

17.09.2004

17.10.2004

17.11.2004

17.12.2004

17.01.2005

ППР, мБк м

-2

-1

730

735

740

745

750

755

760

765

770

775

-30

-25

-20

-15

-10

-5

17.09.2004

17.10.2004

16.11.2004

16.12.2004

15.01.2005

Давление, мм рт. ст.

Температура, ºC

температура воздуха

температура грунта на глубине 20 см

атмосферное давление

124

9.3. ВЛИЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Еще в начале 20 века было экспериментально выявлено, что изме-

нения метеорологических условий на границе раздела почвы с атмосфе-

рой вызывают колебания ППР и концентрации радона преимуществен-

но в неглубоких слоях (до 1 м). В дальнейших исследованиях [326,

328330] среди метеорологических величин были выбраны следующие,

влияющие на величину плотности потока радона с поверхности земли:

скорость и направление ветра; температура почвы и атмосферного воз-

духа; атмосферное давление; турбулентность атмосферы; осадки.

Кроме этого, основными определяющими факторами, влияющими

на величину плотности потока радона и/или торона, являются геологи-

ческая структура и физико-геологические характеристики грунтов. В

работе [273] также было отмечено влияние растительности.

После того, как было предложено использовать величину ППР в

качестве предвестника землетрясений [40], был проведен ряд экспери-

ментальных исследований, подтверждающих влияние сейсмической ак-

тивности на величину плотности потока радона с поверхности земли.

Атмосферные осадки

Влияние атмосферных осадков на величину ППР было эксперимен-

тально исследовано в работах [18, 117, 132, 145, 158, 176, 177, 273,

331333].

Выявлено, что в периоды выпадения дождевых осадков величина

ППР заметно снижается. После окончания дождя величина ППР восста-

навливается до своего среднего уровня через 1,5–2 дня, в зависимости

от интенсивности осадков 1,5 мм и 15 мм, соответственно [132, 331]

В работе [18] детально описана связь ППР с осадками. Обнаружена

слабая отрицательная зависимость. При условии хорошей погоды днев-

ные значения ППР различаются на 30–40%.

Экспериментальные наблюдения [177, 332, 333] также показали,

что величина ППР снижается почти до нуля после сильного дождя.

В работе [158] отмечено, что величина ППТ более подвержена

влиянию осадков, чем ППР, из-за малой длины диффузии в грунте. Од-

нако, там же замечено, что длительный дождь, приводящий к подъему

верхней границы грунтовых вод, может снизить плотность потока радо-

на, не влияя при этом на величину плотности потока торона с поверхно-

сти земли.

Кроме самого случая выпадения дождевых осадков и их интенсив-

ности, на величину ППР также оказывает влияние их продолжитель-

125

ность и время между двумя последовательными случаями выпадения

осадков [145].

Дождевые или ливневые осадки приводят к полному или частич-

ному заполнению пор поверхностного слоя грунта водой, что приводит

к снижению коэффициента диффузии радона/торона, и, соответственно,

снижению потока газа.

Влияние атмосферных осадков на величину плотности потока ра-

дона и торона трудно изучать и прогнозировать, поскольку необходимо

знать много различных параметров, характеризующих не только сами

осадки, но и их влияние на верхний слой грунта: глубина проникнове-

ния осадков; зависимость степени заполнения пор грунта водой (коэф-

фициента водонасыщения) от глубины; изменение коэффициента водо-

насыщения от времени. Подобную информацию о влиянии осадков на

грунт сложно получить. Коэффициент водонасыщения можно рассчи-

тать, зная влажность грунта (см. §9.4). Однако, влажность поверхност-

ных грунтов практически не контролируют.

Влажность грунта

Влажность грунта являются значимым фактором, влияющим на ве-

личину ППР [78, 112114, 142, 145, 147, 175, 176, 239, 243, 273, 282,

307, 323, 331, 332, 334344]. В некоторых работах получен довольно

высокий коэффициент отрицательной корреляции от -0,82 до -0,99 [78].

Наличие воды в почвенных порах приводит к снижению коэффи-

циента диффузии газов, особенно в верхнем дециметровом слое грунта.

Такой слой является «запирающим» для радона и торона. Соответст-

венно, выход газов в приземную атмосферу снижается, уменьшается и

их концентрация в атмосфере, а в верхнем слое грунта, наоборот, про-

исходит накопление радона и торона.

В грунтах с высокой газопроницаемостью, изменение влажности

грунта меньше влияет на величину ППР, чем в грунтах с низкой газо-

проницаемостью [78, 112, 334]. Возможно, по этой причине в работе

[113] обнаружена слабая негативная связь между ППР и влажностью

поверхностного грунта.

Анализ результатов эксперимента в Москве [344] показывает, что

основной причиной вариаций ППР является изменение влажности слоѐв

грунта до глубины около 10 метров. Причѐм краткосрочные «флуктуа-

ции» плотности потока обусловлены довольно быстрым изменением

влажности относительно тонкого (несколько см) приповерхностного

слоя грунта, а сезонные вариации происходят за счѐт более инерцион-

ных изменений влажности нижних слоев грунтов, расположенных до

уровня грунтовых вод [323]. Было отмечено, что при повышении уровня

126

грунтовых вод, уменьшается величина ППР, и наоборот. Обнаружена

значимая обратная связь между влажностью грунта и величиной ППР

(коэффициент корреляции Пирсона r = -0,8) [323].

В работе [282] провели исследование влияния на величину ППР

водонасыщенности грунта, измеряемой на двух глубинах 20 и 50 см.

Данные, полученные во время и после дождя, показали, что дождь

сильно изменяет водонасыщенность грунта на глубине 20 см. Степень

заполнения пор грунта водой почти не изменяется при моросящем дож-

де, и может измениться только после сильного дождя, причем с боль-

шой задержкой по времени в несколько часов от начала дождя. Поэто-

му, для дальнейших исследований было предложено водонасыщенность

представить функцией глубины и определить ее следующим образом:

 глубже 100 см функция не изменяется и имеет установленное зна-

чение;

 до глубины 100 см функция изменяется линейно и определяется

на 3-х глубинах 20, 50 и 100 см.

Исходя из функции водонасыщенности определяли коэффициент

диффузии и газопроницаемость по формулам, предложенным в работе

[342] (см. §4.1 и §9.4). Рассчитанные с учетом измеренных значений во-

донасыщенности и градиента давления (выражения (4.5, 4.9–4.13) в

§4.1) величины ППР с сравнили с измеренными ионизационным мето-

дом. Было получено хорошее согласие для всего 4-х дневного периода

наблюдений, кроме одного утреннего периода, когда рассчитанные зна-

чения превысили измеренные в 2 раза. В это утро прошел легкий дождь,

и, согласно модели [282] должно быть небольшое снижение потока, од-

нако экспериментально наблюдаемая плотность потока радона во время

дождя сильно снизилась. Объяснением этому различию может служить

некорректный расчет газопроницаемости. Полученная в [282] зависи-

мость величины ППР от водонасыщенности грунта на глубине 20 см

представлена на рис. 9.5.

Влияние влажности грунта на величину ППР подтвердилось и в ра-

боте [332]. После увлажнения грунта через 5 мин. величина ППР сни-

жалась в 2–7 раза, и, затем, в течение 3–10 ч восстанавливалась до сво-

его первоначального значения. На сильные различия в величине ППР и

ППТ для сухих и сильно увлажненных грунтов указано в работе [343].

Средневзвешенное по территории значение ППР составило 1,12 мБк м

–2

–1

– для увлажненных грунтов и 5,7 мБк м

–2

–1

– для сухих. По плотно-

сти потока торона определены следующие значения – 173 и 854 мБк м

–2

–1

, соответственно, для увлажненных и сухих грунтов. Зависимость

между величиной ППТ и водонасыщенностью грунта была исследована

в полевых условиях [335], в результате обнаружена значимая связь.

127

Рис. 9.5. Зависимость ППР от водонасыщенности грунта

Более детальное исследование влияния водонасыщенности в диапа-

зоне 3,5–30% на величины ППР и ППТ было произведено в Японии

[114] с использованием метода статической НК и сцинтилляционного

детектора. Результаты измерений представлены на рис. 9.6. В этой ра-

боте также были рассчитаны значения ППР и ППТ по диффузионной

модели, где коэффициент диффузии является функцией, зависящей от

водонасыщенности грунта и его пористости (см. §9.4).

Сравнение расчетных и измеренных прямым методом значений

ППР и ППТ в зависимости от водонасыщенности грунта представлено

на рис. 9.7.

При водонасыщенности ниже 6–8%, наблюдается тенденция к сни-

жению значений ППР и ППТ. При увеличении водонасыщенности от

8% до 24% величины плотности потоков радиоактивных газов медленно

снижаются приблизительно в 5 раз (рис. 9.6). Оцененные по диффузи-

онной модели с учетом водонасыщенности значения ППР превышали

измеренные значения в 4 раза. Для плотности потока торона наблюда-

лось хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных (рис.

9.7).

128

Рис. 9.6. Зависимость плотности потоков радона и торона от

водонасыщенности грунта

Рис. 9.7. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей

плотности потоков радона и торона от водонасыщенности грунта

129

Атмосферное давление

Существование значимой отрицательной связи между атмосфер-

ным давлением и величиной ППР не удивительно, поскольку это было

неоднократно подтверждено экспериментами [18, 78, 117, 219, 345,

346], а также следует из математической модели [95, 117, 219, 347, 348].

По результатам исследований [117] выявлено, что атмосферное давле-

ние, среди других метеорологических величин, оказывает наибольший

эффект на величину ППР с поверхности земли. Самое высокое значение

коэффициента корреляции (-0,99) было получено в работе [78]. В поле-

вых исследованиях временной изменчивости ППР в Нью-Мексико [219]

было обнаружено, что изменение атмосферного давления на 1–2% при-

водит к вариациям величины ППР на 20–60%, причем вариации ППР

зависят также и от длительности изменений давления. Исследования,

проведенные в Калужской, Ростовской областях и Дагестане [18], пока-

зали, что величина ППР изменяется в моменты резкой смены давления с

обратной зависимостью, при этом снижение давления на 5 мб за сутки

вызывает увеличение ППР на 50%.

Слабая связь величины ППР с атмосферным давлением выявлена в

работах [273, 349], в [273] коэффициент корреляции составил -0,42. В

[349] получено, что спад атмосферного давления на 1% приводит к уве-

личению ППР всего на 6%.

Не обнаружено значимой связи с атмосферным давлением (рис. 9.8)

в работе [282], однако, выявлена слабая связь между величиной ППР и

градиентом давления, т.е. разница между атмосферным давлением у

дневной поверхности и почвенным на глубине 1 м (рис. 9.9). Из экспе-

риментов в г. Москве [323] также выявлено, что величина атмосферного

давления воздуха не оказывает значимого влияния на скорость выделе-

ния радона из грунта (коэффициент корреляции Пирсона -0,06).

Согласно другим экспериментам в г. Москве [147], повышенные

значения ППР (200 мБк/м

с и выше) наблюдаются при резком падении

атмосферного давления, когда поток почвенного воздуха направлен в

атмосферу. В таких условиях могут формироваться «факельные выбро-

сы» радона, при этом величина ППР может превышать 1000 мБк/м

[350]. При резком повышении давления происходит обратный процесс –

плотность потока радона снижается практически до нулевых значений.

Замечено также, что на плотность потока радона с поверхности земли

оказывают влияние только относительно резкие и значительные по ам-

плитуде колебания атмосферного давления. Подобную зависимость на-

блюдали в работе [351].

130

Рис. 9.8. Зависимость величины ППР от атмосферного давления

Рис. 9.9. Зависимость величины ППР от разницы давлений

в атмосфере и грунте на глубине 1 м