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

Подождите немного. Документ загружается.

131

Исследования, проведенные на территории г. Томска в 2002–2004

гг. разными методами измерения, показали для отдельных временных

периодов различную зависимость между величиной ППР с поверхности

грунта и атмосферным давлением от слабой (К=-0,4) до значимой (К=-

0,78) [65, 327].

Влияние изменения атмосферного давления на величину плотности

потока торона с поверхности земли было также экспериментально вы-

явлено, однако связь оказалась слабее, чем для радона [117].

Температура грунта и воздуха (градиент)

Снижение температуры сопровождается сжатием газов, повышение

– их расширением, поэтому при понижении температуры грунта в нее

из атмосферы поступают новые порции воздуха, при нагревании – на-

оборот. Эти процессы имеют ярко выраженный суточный ритм в соот-

ветствие с изменением температуры атмосферного воздуха, связанной с

приходящей солнечной радиацией. Кроме того, наличие градиента тем-

пературы между почвой и атмосферой приводит к возникновению кон-

вективных потоков.

Влияние температуры почвы на величину ППР экспериментально

подтверждено в работах [65, 78, 113, 117, 243, 273, 323, 327, 339341,

349, 352354]. Значимая положительная корреляция (0,81–0,91) величи-

ны ППР от температурного градиента в почвенном слое, расположен-

ном на глубине от 15 до 80 см, обнаружена в работе [78], однако, не для

всех исследуемых участков. Здесь же приводится объяснение выявлен-

ной корреляции, вытекающее из связи температуры и влажности грунта.

С ростом температуры грунта его влажность снижается, следовательно,

скорость выхода радона из грунта увеличивается. В другой работе [65]

обнаружено, что увеличение температуры воздуха на 7 ºС, а температу-

ры почвы на 4 ºС, может привести к возрастанию величины ППР в 3–4

раза. Коэффициенты корреляции величины ППР с температурой грунта

и воздуха определены равными 0,60 и 0,66, соответственно.

Слабая связь температуры грунта с величиной ППР обнаружена в

работах [273, 323, 349]. В работе [349] оценено, что при изменении тем-

пературы грунта на 20 ºС следует ожидать увеличения величины ППР

всего на 0,4%. При обследованиях территории г. Москвы также была

выявлена слабая положительная связь величины ППР с температурой

атмосферного воздуха, коэффициенты корреляции составили 0,42 [273]

и 0,51 [323]. В работе [354] было отмечено, что высокие значения плот-

ности потока радона (200–300 мБк/м

с) наблюдаются при существенном

перепаде температур между атмосферным воздухом и почвой во время

резких осенних похолоданий в сухую погоду, что обусловлено интен-

132

сификацией выноса почвенного воздуха в атмосферу за счет естествен-

ной конвекции.

Скорость и направление ветра. Циклоны

Считается, что усиление горизонтального ветра, связанное с увели-

чением турбулентности атмосферы, может приводить к увеличению

вертикального градиента ОА радона в системе «грунт-атмосфера» и, со-

ответственно, повышению скорости выхода радона из грунта.

Положительная связь скорости ветра (горизонтальная составляю-

щая) и величины ППР была экспериментально обнаружена в [18, 78,

117, 219, 346, 355, 356]. Выявлено, что именно в периоды сухой погоды

ветер оказывает наибольшее влияние на изменение ППР.

Однако, связь величины ППР с горизонтальной скоростью ветра

наблюдается далеко не для всех территорий или типов грунтов. В рабо-

те [78] из четырех обследуемых площадок значимая корреляция (0,93)

обнаружена только для одной – с глинистой слабопроницаемой почвой.

Экспериментально выявлена связь величины ППР с прохождением

циклонов и антициклонов [18, 356]. Например, отмечет рост плотности

потока радона с поверхности земли в 2–4 раза в моменты развития ци-

клонов [18]. При прохождении антициклона в совокупности с увеличе-

нием давления было замечено аномальное снижение величины ППР.

В литературе отсутствует информация об исследовании влияния

скорости вертикального ветра на величину ППР.

Геологическая структура и характеристики грунтов

Исходя из анализа процессов образования и переноса радиоактив-

ных газов в грунте и системе «грунт-атмосфера» видно, что основными

факторами, определяющими величины ППР и ППТ с поверхности земли

являются физико-геологические характеристики грунтов (плотность,

пористость, коэффициенты диффузии и эманирования, удельные актив-

ности

238

U (

226

Ra) и

232

Th) и геологическая структура территории. Это

следует и из математической модели (выражение 4.7 §4.1).

Поэтому, нет необходимости в экспериментальных исследованиях

влияния вышеуказанных факторов на величины ППР и ППТ, здесь дос-

таточно лишь провести теоретические оценки по известным данным о

грунтах (см. §9.4). Подобные теоретические оценки величины ППР лег-

ли в основу методики построения карт потенциальной радоноопасности

территорий [27−33], предназначенных для дальнейших оценок доз и

рисков облучения населения, а также представляющих основу в моде-

лях переноса воздушных масс.

133

Тем не менее, во многих исследованиях был произведен корреля-

ционный анализ измеренных значений ППР с содержанием радия [18,

195], плотностью [18], пористостью [114, 163], гранулометрическим со-

ставом [163], трещиноватостью [147] и пр. Однако, результаты подоб-

ных исследований подтверждают лишь многофакторность проблемы.

Принимая во внимание значительные временные вариации ППР с

поверхности грунта, вызванные влиянием внешних факторов, для экс-

периментального получения репрезентативной величины, достоверно

характеризующей радоноопасность исследуемой территории, требуется

большой объем измерений и соответствующие материальные затраты.

9.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

НА ВЕЛИЧИНЫ ППР И ППТ

Изменение состояния атмосферы, а именно: изменение вертикаль-

ных градиентов температуры и давления; скорости ветра; турбулентно-

сти; приводит к изменению скорости адвекции радиоактивных газов в

грунте. Изменение состояния литосферы, под которым подразумевается

изменение напряженно-деформированного состояния земной коры, на-

пример, при подготовке землетрясений, также влияет на скорость ад-

векции почвенных радиоактивных газов. Поэтому, влияние всех выше-

перечисленных параметров и характеристик на величины плотности по-

токов радона и торона с поверхности земли можно моделировать изме-

нением скорости адвективного переноса. Влияние выпадения осадков,

приводящих к повышению влажности грунта, можно моделировать из-

менением величины коэффициента диффузии радона и торона. Далее

изложены результаты моделирования влияния различных факторов на

величины ППР и ППТ, а также их отношение [249].

Зависимость ППР и ППТ от скорости адвекции

Рассмотрим влияние скорости адвекции на величину плотности по-

тока радона/торона с поверхности грунта для территории с относитель-

но однородной геологической структурой. Для этого воспользуемся

диффузионно-адвективной моделью переноса радона в пористых средах

(см. §4.1). Физико-геологические параметры поверхностного грунта,

выбранного для моделирования, представлены в табл. 9.2, и соответст-

вуют средним для суглинков значениям.

Диапазон изменения скорости адвекции выбран от -10

–3

до 10

–3

см/с, в соответствии с экспериментально определенными в сейсмически

спокойном регионе значениями [229]. При положительных значениях

скорости υ адвективный поток направлен к поверхности земли и скла-

134

дывается с диффузионным, увеличивая суммарный поток радиоактив-

ных газов в атмосферу. При отрицательных значениях υ адвективный

поток направлен вглубь земной поверхности, снижая суммарный поток

газов в атмосферу.

Таблица 9.2. Физико-геологические параметры грунта для моделирования

Удельная

актив-

ность,

Бк/кг

Коэффициент

эманирова-

ния радона,

отн. ед.

Коэффици-

ент диффу-

зии

радона,

см

-1

Плот-

ность

частиц

грунта,

г/см

Порис-

тость

грунта,

отн. ед.

226

232

0,2

0,03

2,7

0,45

Результаты моделирования изменения величин ППР и ППТ в зави-

симости от скорости и направления адвективного потока представлены

на рис. 9.10.

Из-за различий физических свойств радона и торона, а именно пе-

риодов их полураспада, которые отличаются на 4 порядка, возможны

принципиальные различия в закономерностях переноса радона и торона

на границе системы «атмосфера-литосфера». В связи с предполагаемы-

ми различиями в поведении величин ППР и ППТ, далее сделан особый

упор на рассмотрении отношения этих величин (ППТ/ППР) и диапазона

его изменения. Влияние скорости адвекции на отношение ППТ/ППР

представлено на рис. 9.11.

Величины ППР и ППТ практически не изменяются в диапазоне

значений скорости адвекции |υ|≤10

–4

см/с (рис. 9.10 и 9.11). При даль-

нейшем увеличении скорости адвекции на порядок величина ППР изме-

няется почти в 4 раза, в то время, как ППТ изменяется не более чем на

3%.

Отношение ППТ/ППР остается постоянным в большом диапазоне

изменения скорости адвекции (рис. 9.11), и для указанных параметров

грунтов равно 77. Во всем диапазоне изменения скорости адвективного

переноса почвенных газов, которое может быть вызвано влиянием толь-

ко погодных условий [229], отношение ППТ/ППР меняется более чем на

порядок (от 20 до 320) и определяется, в основном, чувствительностью

потока радона к изменению внешних факторов.

135

Рис. 9.10. Изменение ППТ и ППР в зависимости от скорости адвекции

Рис. 9.11. Изменение отношения ППТ/ППР в зависимости от

скорости адвекции

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

-1,E-03 -1,E-04 -1,E-05 -1,E-06 0,E+00 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03

Cкорость адвекции, см/с

ППТ,

ППР,

ППТ

ППР

мБк/м

-1,E-03 -1,E-04 -1,E-05 -1,E-06 0,E+00 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03

Скорость адвекции, см/с

Отн. изменения ППР и ППТ

100

200

300

Отношение ППТ/ППР

ППТ

ППР

ППТ/ППР

136

Зависимость ППР и ППТ от коэффициента диффузии

Величины ППР и ППТ, согласно выражению (4.8), зависят прямо

пропорционально корню квадратному из коэффициента диффузии ра-

дона (торона). Коэффициент диффузии определяется содержанием воды

в порах грунта и его пористостью [243]

, (9.1)

где D

– коэффициент молекулярной диффузии радона (торона) в возду-

хе (D

=0,11 см

/с); m – коэффициент водонасыщения, т.е. степень влаж-

ности или заполнения объема пор водой, которую рассчитывают по

массовому содержанию воды w (природная влажность грунта) из соот-

ношения [30]



1000//

sws

wwm 

. (9.2)

где ρ

– плотностью частиц грунта, г см

–3

Выражение (9.1) было получено на основе анализа результатов из-

мерений коэффициента диффузии в 1073 образцах грунта разного типа

(от песчано-гравийных до глинистых) с различной влажностью (от пол-

ностью водонасыщенных до сухих), пористостью и плотностью [243].

Зависимость коэффициента диффузии от степени влажности, рас-

считанная из выражения (9.1), представлена на рис. 9.12. Видно, что из-

менение коэффициента диффузии сильно зависит от изменения содер-

жания воды в порах грунта. Известно, что коэффициент диффузии ра-

дона/торона для рыхлых поверхностных отложениях изменяется незна-

чительно, со средним значением 0,03 см

/с. Содержание влаги в поверх-

ностных грунтах при нормальных условиях находится, в основном, в

пределах от 10 до 30%, что соответствует (рис. 9.12) диапазону измене-

ния коэффициента диффузии от 0,02 до 0,04 см

/с. При полном заполне-

нии пор водой коэффициент диффузии снижается до значения 10

-5

см

/с,

а в сухом грунте – достигает 0,05 см

/с. В работе [114] получено расхо-

ждение экспериментально определенных значений коэффициента диф-

фузии с рассчитанными по формуле (9.1) при m≥19% (рис. 9.13).

Изменения величин ППТ и ППР в зависимости от водонасыщенно-

сти грунта, рассчитанные относительно средних значений при коэффи-

циенте диффузии 0,03, представлены на рис. 9.14 при различных значе-

ниях скорости адвекции. Видно, что плотность потока торона с поверх-

ности грунта снижается практически до нуля при полном заполнении

пор водой. Та же зависимость наблюдается и для плотности потока ра-

дона, если преобладает диффузионный перенос, или при адвективных

потоках, направленных вглубь земли. Если адвективный поток в атмо-

сферу значительно преобладает над диффузионным, то ППР после вы-

падения осадков снижается, но несущественно.



eDD





137

Рис. 9.12. Зависимость коэффициента диффузии от водонасыщености

грунта

Рис. 9.13.Зависимость коэффициента диффузии радона/торона от водона-

сыщенности грунта: 1 – [114]; 2 – рассчитано из выражения (9.1)

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Водонасыщенность, отн. ед

Коэффициент диффузии, см2/с

Коэффициент диффузии, см

/с

138

Рис. 9.14. Изменение ППТ и ППР в зависимости от водонасыщенности

Зависимость отношения ППТ/ППР от величины скорости адвекции

при различных коэффициентах диффузии представлена на рис. 9.15.

Рассмотрен характерный диапазон изменения коэффициента диффузии,

а также случай выпадения дождевых осадков, приводящий к заполне-

нию пор грунта водой, в среднем, до 80%. Для оценок взят коэффициент

диффузии, равный 0,001 см

/с. Установлено, что изменение коэффици-

ента диффузии от 0,02 до 0,04 см

/с слабо сказывается на изменение от-

ношения ППТ/ППР. И только при сильном увлажнении грунта и при

скоростях адвекции больших 10

-5

см/с отношение ППТ/ППР начинает

возрастать и может увеличиться до 6. Суммируя результаты численных

экспериментов, можно сделать вывод: такое поведение отношения

ППТ/ППР обусловлено различиями в чувствительности потоков радона

и торона к внешним воздействиям, сказывающимся на изменении ско-

рости адвекции. Анализ полученных зависимостей усложняется тем, что

скорость адвективного переноса является практически неизученной на

сегодняшний день величиной, а именно, не известна функция ее зави-

симости от метеорологических и других факторов, известен только диа-

пазон изменения скорости адвекции [229].

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

Водонасыщенность, отн. ед.

Относительное изменение ППР и ППТ

Относительные изменения ППР и ППТ

0,0001 см/с

- 0,0001 см/с

- 0,001

см/с

0,001 см/с

|v |≤ 10

-5

см/с

ППТ, |v |≤ 10

-3

см/с

ППР

139

Рис. 9.15. Изменение отношения ППТ/ППР в зависимости от скорости

адвекции при различных коэффициентах диффузии, см

/с

Зависимость ППР и ППТ от содержания радия и тория

Величины плотности потоков радона и торона прямо пропорцио-

нально зависят от физико-геологических характеристик грунтов, таких

как удельная активность

226

Ra и

232

Th, плотности грунта и коэффициента

эманирования, и обратно пропорционально – от его пористости [213].

В связи с этим, пространственную динамику плотности потоков в

пределах, например, городской территории будут определять тип грунта

и содержание

226

Ra и

232

Th в грунтах. Для г. Томска экспериментально

определенный в работе [266] диапазон удельной активности

226

Ra и

232

Th в поверхностных грунтах составил, соответственно, 15–49 и 18–35

Бк/кг, со средними значениями 25 и 26 Бк/кг. Таким образом, ожидае-

мое за счет вариаций содержания радионуклидов изменение ППР и ППТ

составит 3,3 и 2 раза, соответственно.

На рис. 9.16 представлена зависимость ППР от удельной активно-

сти

226

Ra при разных значениях и направлении скорости адвекции.

Пунктирной линией отмечено допустимое согласно строительным нор-

мам значение ППР на территории застройки, при превышении которого

территорию относят к радоноопасной. Например, на территории г. Том-

ска превышение допустимого значения 80 мБк м

-2

-1

следует ожидать

только при высоких значениях ≥ 4·10

-4

см/с скорости адвективного по-

100

1000

10000

-1,E-03 -1,E-04 -1,E-05 -1,E-06 0,E+00 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03

Скорость адвекции, см/с

ППТ/ППР, отн. ед.

0,03

0,02

0,04

0,001

140

тока, направленного к земной поверхности. На рис. 9.17 представлена

зависимость ППТ от удельной активности

232

Th при разных значениях и

направлении скорости адвекции.

Рис. 9.16. Зависимость ППР от удельной активности

226

Рис. 9.17. Зависимость ППТ от удельной активности

232

Сравнивая рис. 9.14 и 9.17 можно заключить, что величина ППТ с

поверхности земли для определенного участка будет изменяться только

при изменении водонасыщенности грунта, т.е. будет зависеть от осад-

ков. Зависимость отношения ППТ/ППР от соотношения удельных ак-