CN110555215B - 一种近场核素迁移模型中edz区域的等效水流量模型 - Google Patents

Abstract

本发明属于高放废物地质处置安全评价方法技术领域，具体涉及一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型，用于在近场核素迁移模型中模拟EDZ区域的地下水流量，处置容器设置在地质处置库的巷道的处置钻孔中，所述EDZ区域是指所述地质处置库的围岩中的裂隙区，地下水通过所述EDZ区域与所述处置钻孔和所述处置容器接触。包括等效水流量模型以及用于表达所述处置钻孔周围不同水流路径的水流速率的参数A和f，所述不同水流路径包括参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4。该等效水流量模型能够通过简化的物理模型，完成近场核素迁移模型中EDZ区域的水流量估算，对于高放安全评价工作具有积极的意义。

Description

一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型

技术领域

本发明属于高放废物地质处置安全评价方法技术领域，具体涉及一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型。

背景技术

高放废物地质处置的安全评价实施过程中需要归纳FEPs(特征、事件和过程，Features,Events and Processes)，以完成特定景象下的地质处置系统模型。其中，EDZ(Excavation Damaged Zone，开挖损伤区)作为地质处置库中工程屏障与天然屏障的连接，该区域的地下水流量对于核素在地质处置近场浸出、扩散及迁移至关重要。通过简化的物理模型，完成近场核素迁移模型中EDZ区域的水流量估算对于高放安全评价工作具有积极的意义。

发明内容

本申请的目的是基于实际物理模型，提出一种等效水流量模型，用于估算EDZ区域的地下水流量。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型，用于在近场核素迁移模型中模拟EDZ区域的地下水流量，处置容器设置在地质处置库的巷道的处置钻孔中，所述EDZ区域是指所述地质处置库的围岩中的裂隙区，地下水通过所述EDZ区域与所述处置钻孔和所述处置容器接触，其中，

所述等效水流量模型的公式为：

其中

式中

U是达西流速，单位m³/m²/year；

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与所述处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

是指裂隙中扩散渗透的平均厚度，单位m；

D_w是指水中的扩散系数，单位m²/year；

t_w是指与地下水接触时间，单位year；

L是指地下水流路径长度，单位m；

ε_f是指水流孔隙率，无量纲；

U₀是位于有正常裂隙密度的岩石中的所述处置钻孔周围地下水的达西流速，单位m³/m²/year；

进一步，

所述EDZ区域按照位置的不同可以分为4类，包括：

第一路径EDZ区域，所述第一路径EDZ区域横穿所述处置钻孔；

第二路径EDZ区域，所述第二路径EDZ区域位于所述处置钻孔的开口处周围；

第三路径EDZ区域，所述第三路径EDZ区域横穿所述巷道或位于所述巷道周围；

第四路径EDZ区域，所述第四路径EDZ区域靠近所述处置钻孔底部下方；

所述等效水流量模型需要的输入参数包括：

1)所述处置钻孔的几何尺寸；

2)所述第一路径EDZ区域的地下水流速U₁和水流孔隙率ε_f1；

3)所述第二路径EDZ区域的地下水流速U₂和水流孔隙率ε_f2；

4)所述第三路径EDZ区域的地下水流速U₃和水流孔隙率ε_f3；

5)所述第四路径EDZ区域的地下水流速U₄和水流孔隙率ε_f4。

进一步，

还包括用于表达所述处置钻孔周围不同水流路径的水流速率的参数A和f，将式(2)代入式(1)，等效水流量模型的公式可以表述为：

处置钻孔周围的参考地下水流量表示为：

若，

则

所述不同水流路径包括参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4；

所述参考路径Q0，是假设所述处置钻孔位于有正常裂隙密度的岩石中；

所述第一路径Q1，位于所述第一路径EDZ区域；

所述第二路径Q2(TBM)，位于所述第二路径EDZ区域，是假设采用TBM技术开挖所述巷道；

所述第二路径Q2(TD)，位于所述第二路径EDZ区域，是假设采用TD技术开挖所述巷道；

所述第三路径Q3，位于所述第三路径EDZ区域，是假设所述巷道周围存在一个裂缝区；

所述第四路径Q4，位于所述第四路径EDZ区域，是假设所述处置钻孔底部存在一个裂缝区；

在公式(4)、(6)中，

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与所述处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

D_w是指水中的扩散系数，单位m²/year；

L是指地下水流路径长度，单位m；

ε_f是指水流孔隙率，无量纲；

W₀是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的W的值，单位m；

L₀是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的L的值，单位m；

D_w0是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水中的扩散系数，单位m²/year；

ε_f0是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流孔隙率，无量纲；

U_i是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流速，单位m/year。

本发明的有益效果在于：

能够通过简化的物理模型估算近场核素迁移模型中EDZ的水流量，进而对地质处置库中核素释放计算的边界条件有初步的判断，为高放安全评价工作中核素迁移影响评估系统模型的建立提供支持。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的处置钻孔周围水流示意图；高放废物保存在处置容器中，处置容器放置在巷道内的处置钻孔中，并且在处置容器周围设置膨润土作为工程屏障，处置钻孔周围的主岩为天然屏障；

图2是本发明具体实施方式中的第一路径EDZ区域内的第一路径Q1中的水流示意图，箭头为水流方向；

图3是本发明具体实施方式中的第二路径EDZ区域内的第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)中处置钻孔开口处(或者说巷道底部)的扰动区域示意图；

图4是本发明具体实施方式中的第三路径EDZ区域内的第三路径Q3在巷道周围的裂隙分布示意图；

图5是本发明具体实施方式中的第四路径EDZ区域内的第四路径Q4中处置钻孔底部的裂隙区分布示意图；

图6是本发明的实施例中，采用TBM技术进行巷道开挖时，第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第三路径Q3、第四路径Q4和近场总的核素迁移释放速率的平均值示意图；

图7是本发明的实施例中，采用DB技术进行巷道开挖时，第一路径Q1、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4和近场总的核素迁移释放速率的平均值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

对于岩石中裂隙与水接触的库室(用于高放废物处置，在本申请中是指放置处置容器的处置钻孔)而言，其核素迁移通量由等效水流量决定。EDZ区域的水流量是等效水流量，也是一个虚拟的水流通量，水中的核素浓度与库室界面处的浓度一致；该参数值可以采用边界层理论对迁移扩散方程求解而得。等效水流量与接触面的几何尺寸、水流通量、水流孔隙率和扩散系数相关。为了更为形象地描述等效水流量定义，处置钻孔周围岩石中的水流如图1所示。处置钻孔周围岩石中的达西流速标识为U₀，水流路径长度为L。EDZ区域(即扰动区域)是指地质处置库围岩由于力-热-水-化学作用而产生的裂隙区，在硬质岩中裂隙不会自愈，该区域成为地下水和处置单元(处置钻孔和处置容器)接触的主要途径。

本发明提供的一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型，用于在近场核素迁移模型中模拟EDZ区域的地下水流量，等效水流量模型的公式可以定义为：

其中

处置钻孔/巷道的裂隙区与地下水接触时间t_w由达西流速U₀、水流孔隙率ε、水流路径长度L决定，

公式(1)、(2)中

U₀是达西流速，单位m³/m²/year；

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

是指裂隙中扩散渗透的平均厚度，单位m；

D_w是指水中的扩散系数，单位m²/year；

t_w是指与地下水接触时间，单位year；

L是指地下水流路径长度，单位m；

ε_f是指水流孔隙率，无量纲；

U₀是位于有正常裂隙密度的岩石中的处置钻孔周围地下水的达西流速(参考流量)，单位m³/m²/year；

地质处置库近场的EDZ区域按照位置的不同可以分为4类，包括：

第一路径EDZ区域，第一路径EDZ区域横穿所述处置钻孔；

第二路径EDZ区域，第二路径EDZ区域位于所述处置钻孔的开口处周围；

第三路径EDZ区域，第三路径EDZ区域横穿所述巷道或位于所述巷道周围；

第四路径EDZ区域，第四路径EDZ区域靠近所述处置钻孔底部下方。

等效水流量模型需要的输入参数包括：

1)处置钻孔的几何尺寸

2)第一路径EDZ区域的地下水流速U₁和水流孔隙率ε_f1；

3)第二路径EDZ区域的地下水流速U₂和水流孔隙率ε_f2；

4)第三路径EDZ区域的地下水流速U₃和水流孔隙率ε_f3；

5)第四路径EDZ区域的地下水流速U₄和水流孔隙率ε_f4。

模型建立之初，仅考虑了处置区域(处置钻孔)地下水流速；但是局部岩石区域的地下水可能存在差异，因此需要考虑于不同水流路径的水流速率，因此本发明所提供的一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型，还包括用于表达处置钻孔周围不同水流路径的水流速率的参数A和f，

将公式(2)带入公式(1)可得公式(3)，其中处置钻孔周围的地下水流速记为U₀(参考流速)。

处置钻孔周围的参考地下水流量表示为：

若，

则

在公式(1)、(2)中，U₀是指处置容器周围岩石的达西流速，由地下水流场计算而得，计算过程中采用具有代表性的岩石介质参数。真实的A值是由真实的水流路径所在区域的地下水流速、横切面宽度和水流路径长度决定的。不同水流路径包括参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4；不同的水流路径对应的参数值见表1。

表1不同的水流路径对应的参数

参考路径Q0的景象是假设处置钻孔位于具有正常裂隙密度的岩石中，假设水流孔隙率为0.0001，水流路径长度为5.72m。

第一路径Q1的景象是假设处置钻孔所处岩石周围的水流孔隙率在0.0001和0.001之间，与参考景象(参考路径Q0)相比，岩石的裂隙密度更大，处置钻孔周围的水流量也更大，假设水流量是参考景象(参考路径Q0)下水流速的1-5倍。第一路径Q1的示意图如图2所示。

第二路径Q2(TBM)的景象是假设采用TBM技术开挖巷道，巷道周围受损区域(处置钻孔开口处)的厚度为1米(因此对应的W值为1m)，该区域岩石的导水系数与未扰动区域相比增加10-100倍；水流通量增加2-5倍；

第二路径Q2(TD)的景象是假设采用TD技术开挖巷道，巷道周围受损区域(处置钻孔开口处)的厚度为2米(因此对应的W值为2m)；该区域岩石的导水系数与未扰动区域相比增加10-100倍；水流速增加10-100倍，岩石的水流空隙为0.0003-0.001，第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(TD)的示意图如图3所示。

第三路径Q3的景象是假设巷道周围存在一个裂缝区，距离处置钻孔中心的距离为3m，该区域的导水系数增加100-1000倍。如果该区域的水流速更大，可认为处置钻孔位置不合适。由于膨润土、回填材料的阻滞作用，该路径通常重要性差一些。第三路径Q3的示意图如图4所示。

第四路径Q4的景象是假设处置钻孔底部存在一个裂缝区，(最近距离5m)，该区域的水流速增加100-10000倍。由于岩石的阻滞作用，该路径不是很重要。第四路径Q4的示意图如图5所示。

在公式(4)、(5)、(6)中，

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

D_w是指水中的扩散系数，单位m²/year；

L是指地下水流路径长度(地下水流经过处置钻孔的长度)，单位m；

ε_f是指水流孔隙率，无量纲；

W₀是指参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的W的值，单位m；

L₀是指参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的L的值，单位m；

D_w0是指参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水中的扩散系数，单位m²/year；

ε_f0是指参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流孔隙率，无量纲；

U_i是指参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流速，单位m/year。

实施例

本发明所提供的等效水流量模型应用实例

以近场中核素U-235的迁移为例，核素U-235在水中的扩散系数(D_w)为1×10^-9m²/s，那么等效水流量模型计算中涉及的参数A和f如表2所示。

表2等效水流量模型计算中涉及的参数

在近场核素迁移释放模型中，按照表2设置通过第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3和第四路径Q4的地下水流量，地下水流量参数采用概率密度函数进行数据输入，采用蒙特卡洛方法计算上述4种路径对于近场核素迁移释放速率的影响。

当采用TBM技术进行开挖时，第二路径Q2(TBM)的地下水流量采用表2中第二路径Q2(TBM)的数据，经过计算，经由第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第三路径Q3、第四路径Q4和近场总的核素迁移释放速率的平均值见图6。当采用DB技术进行开挖时，第二路径Q2的地下水流量采用表2中第二路径Q2(DB)的数据，经过计算，经由第一路径Q1、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4和近场总的核素迁移释放速率的平均值见图7。图中数据说明，在处置后1E6年内，放射性核素由第一路径Q1和第二路径Q2释放到近场环境的释放速率占总释放速率的比例最大；在处置1E6以后，放射性核素由第三路径Q3释放到近场环境的释放速率也逐渐增大，放射性核素由第一路径Q1、第二路径Q2、第三路径Q3释放到近场环境的释放速率占总释放速率的比例基本维持在同一水平。以放射性核素近场释放速率为结果分析对象，分析第一路径Q1、第二路径Q2、第三路径Q3、第四路径Q4地下水流量对放射性核素近场释放速率的敏感分析结果表明，4种路径对于放射性核素近场释放速率的贡献大小排序为：第一路径Q1>第二路径Q2>第三路径Q3>第四路径Q4。其中第二路径Q2包括第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (1)

1.一种近场核素迁移模型中EDZ区域的等效水流量模型，用于在近场核素迁移模型中模拟EDZ区域的地下水流量，处置容器设置在地质处置库的巷道的处置钻孔中，所述EDZ区域是指所述地质处置库的围岩中的裂隙区，地下水通过所述EDZ区域与所述处置钻孔和所述处置容器接触，其特征是：

所述等效水流量模型的公式为：

其中

式中

U是达西流速，单位m³/m²/year；

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

是指裂隙中扩散渗透的平均厚度，单位m；

D_w是指水中的扩散系数，单位m²/year；

t_w是指与地下水接触时间，单位year；

L是指地下水流路径长度，单位m；

ε_f是指水流孔隙率，无量纲；

U₀是位于有正常裂隙密度的岩石中的所述处置钻孔周围地下水的达西流速，单位m³/m²/year；

所述EDZ区域按照位置的不同分为4类，包括：

第一路径EDZ区域，所述第一路径EDZ区域横穿所述处置钻孔；

第二路径EDZ区域，所述第二路径EDZ区域位于所述处置钻孔的开口处周围；

第三路径EDZ区域，所述第三路径EDZ区域横穿所述巷道或位于所述巷道周围；

第四路径EDZ区域，所述第四路径EDZ区域靠近所述处置钻孔底部下方；

所述等效水流量模型需要的输入参数包括：

1)所述处置钻孔的几何尺寸；

2)所述第一路径EDZ区域的地下水流速U₁和水流孔隙率ε_f1；

3)所述第二路径EDZ区域的地下水流速U₂和水流孔隙率ε_f2；

4)所述第三路径EDZ区域的地下水流速U₃和水流孔隙率ε_f3；

5)所述第四路径EDZ区域的地下水流速U₄和水流孔隙率ε_f4；

还包括用于表达所述处置钻孔周围不同水流路径的水流速率的参数A和f，

所述等效水流量模型的公式表述为：

所述处置钻孔周围的参考地下水流量表示为：

若，

则

所述不同水流路径包括参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4；

所述参考路径Q0，是假设所述处置钻孔位于有正常裂隙密度的岩石中；

所述第一路径Q1，位于所述第一路径EDZ区域；

所述第二路径Q2(TBM)，位于所述第二路径EDZ区域，是假设采用TBM技术开挖所述巷道；

所述第二路径Q2(TD)，位于所述第二路径EDZ区域，是假设采用TD技术开挖所述巷道；

所述第三路径Q3，位于所述第三路径EDZ区域，是假设所述巷道周围存在一个裂缝区；

所述第四路径Q4，位于所述第四路径EDZ区域，是假设所述处置钻孔底部存在一个裂缝区；

在公式(4)、(6)中，

W是指裂隙、裂隙区岩石中的水流与所述处置钻孔接触表面积的宽度几何参数，单位m；

W₀是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的W的值，单位m；

L₀是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的L的值，单位m；

D_w0是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水中的扩散系数，单位m²/year；

ε_f0是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流孔隙率，无量纲；

U_i是指所述参考路径Q0、第一路径Q1、第二路径Q2(TBM)、第二路径Q2(DB)、第三路径Q3、第四路径Q4中对应的水流速，单位m/year。

Images