CN116384045A - 采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用三维数值模拟确定土壤Ra‑226源项调查范围的方法。该方法具体包括以下步骤：(1)通过计算机数值模拟软件建立土壤三维数值模型，其包括概念模型建立、数学模型建立、数值模型建立、数值模型校正；(2)根据历史资料、现场勘查资料确定污染情形和源强，将源强带入土壤三维数值模型；(3)求解三维数值模型，得到模拟区内时间上和空间上Ra‑226比活度分布情况；(4)根据Ra‑226比活度分布情况确定土壤Ra‑226源项调查范围及深度。本发明针对放射性污染场地，以三维数值模拟为手段，指导土壤Ra‑226源项调查范围及深度。
Description
技术领域
本发明涉及铀矿冶退役治理领域，具体地说是一种采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法。
背景技术
铀矿冶设施是一种采冶铀矿的生产设施，主要产品为天然铀。天然放射性铀系子体中Ra-226属于极毒性，且半衰期较长，为1600年，是铀矿冶辐射防护和环境保护管控重要指标。铀矿山生产设施众多，既包括矿山开采、矿石分选、浸出和铀提取，又包括了尾矿库和废石场等放射性废物管理设施。这些设施在运行过程中产生的放射性排水和渗滤水致使少量Ra-226转移至周围土壤中，造成土壤局部污染。
当前，《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727-2020)中提出“土地去污整治后，任何平均100m2范围内土层中Ra-226的比活度扣除当地本底值后不超过0.18Bq/g，可无限制开放”，而我国铀矿山土壤放射性污染范围分散，土壤Ra-226源项调查范围的确定面临以下难题：1)无法真实表征土壤Ra-226比活度分布特征。铀矿山生产放射性流出物排入环境后，Ra-226随环境介质的迁移会呈现一定的分布特征，但目前缺少表征Ra-226在土壤中的迁移转化规律的有效方法。2)调查监测范围和深度难以准确把握。在土壤Ra-226源项调查时，调查监测取样范围和深度只是通过日常生产中流出物扩散进行概念识别，没有成套的识别理论体系，导致调查范围确定不准确，经常出现或大或小的现象，甚至出现源项遗漏的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，该方法以三维数值模拟为手段，识别土壤中Ra-226比活度分布特征，为土壤Ra-226源项调查的范围和深度提供科学和合理的指导。
本发明是这样实现的：一种采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，包括如下步骤：
(a)通过计算机数值模拟软件建立土壤三维数值模型；土壤三维数值模型的建立包括：建立概念模型、建立数学模型、建立数值模型、校正数值模型；
数学模型包括水分运移数学模型和放射性核素迁移数学模型；
水分运移数学模型如下：
式中：
θ——土壤体积含水率，m3/m3；
t——入渗时间，d；
x、y、z——直角坐标下的坐标，m；
K(θ)——土壤非饱和导水率，m/d；
D(θ)——土壤非饱和水扩散率，m2/d；
放射性核素迁移数学模型如下：
式中：
c——土壤液相中放射性核素Ra-226浓度，mg/L；
D——弥散系数，m2/d，代表分子扩散及水动力弥散，反映土壤水中核素扩散和弥散机理；
Q——体积流动通量，m/d；
λ——Ra-226的衰变常数；
建立数值模型即是在上述数学模型的基础上，对数学模型中的参数K(θ)、D(θ)、D和λ进行赋值的过程；
(b)根据历史资料、现场勘查资料确定污染情形和污染源强，将污染源强带入土壤三维数值模型；
(c)求解土壤三维数值模型，得到模拟区土壤中Ra-226比活度在时间上和空间上的分布情况；
(d)根据土壤中Ra-226比活度分布情况确定土壤Ra-226源项调查的范围及调查深度。
上述方案中，步骤(a)中建立数学模型后，确定边界条件以及初始条件；
边界条件包括定流量边界条件、定含水率边界条件、定水头边界条件、变流量边界条件、变含水率边界条件和变水头边界条件；
定流量边界条件：q(x,y,z)＝q0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
定含水率边界条件：θ(x,y,z)＝θ0(x,y,z)(x,y,z)∈s
定水头边界条件：h(x,y,z)＝h0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
变流量边界条件：qn＝q·n＝qb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变含水率边界条件：θn＝θ·n＝θb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变水头边界条件：hn＝h·n＝hb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s。
式中：
s——三维研究区的边界面；
h——边界面上沿法线方向的水头，m；
q——边界面上沿法线方向的单位面积流量，m3；
n——边界外法线的单位矢量；
初始条件为t＝0时模拟区内各点处含水率或水头分布情况。
数值模型建立后，采用试估-校正法对水分运移数值模型进行识别与验证，使建立的水分运移数值模型更加符合模拟区的实际情况。而对于放射性核素迁移数值模型，无需进行校正。
上述方案中，步骤(a)中建立概念模型指：通过适当简化和合理假设，对土壤系统内外水分和Ra-226的补排关系、包气带岩性类型及空间结构、边界条件及源汇项及参数分布特征进行定性表达。
本发明提供了一种采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，其能够反映土壤中Ra-226的迁移转化规律，表征土壤中Ra-226的三维分布特征，指导土壤Ra-226源项调查时监测取样范围和深度的确定。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明实施例中通过求解得到的模拟区内放射性核素Ra-226比活度三维分布情况示意图。
图3是本发明实施例中得到的土壤Ra-226源项调查的取样点分布情况图。
图4是按照常规方法所确定的土壤Ra-226源项调查的取样点分布情况图。
具体实施方式
结合图1，本发明所提供的采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)：通过计算机数值模拟软件建立土壤三维数值模型。
该步骤具体包括以下实施方式：
(1.1)建立概念模型
通过适当简化和合理假设，对土壤系统内外水分和Ra-226的补排关系、包气带岩性类型及空间结构、边界条件及源汇项及参数分布特征等进行定性表达。
(1.2)建立数学模型
通过数学关系式来刻画概念模型的数量关系和空间形式，将水文地质概念模型转化为了数学模型。具体如下：
a.土壤水分运移和放射性核素迁移的数学模型，分别如下：
①水分运移的数学模型如下：
式中：
θ——土壤体积含水率，m3/m3；
t——入渗时间，d；d表示天，下同；
x、y、z——直角坐标系下的坐标，m；
K(θ)——土壤非饱和导水率，m/d；
D(θ)——土壤非饱和水扩散率，m2/d。
②放射性核素迁移方程与衰变过程由对流-弥散-衰变方程来刻画，公式如下：
式中：
θ——土壤体积含水率，m3/m3；
c——土壤液相中放射性核素Ra-226浓度，mg/L；
t——入渗时间，d；
x、y、z——直角坐标系下的坐标，m；
D——弥散系数，m2/d，代表分子扩散及水动力弥散，反映土壤水中核素Ra-226扩散和弥散机理；
Q——体积流动通量，m/d；Q可由θ求出；
λ——Ra-226的衰变常数。
b.边界条件确定
通过边界条件确定研究区范围，以及边界区土壤水分运移特征。边界条件分为定流量边界条件、定含水率边界条件、变流量边界条件和变含水率边界条件。此外，在模拟软件中多以水头h代替含水率θ，因此，边界条件还包括定水头边界条件和变水头边界条件。
定流量边界条件：q(x,y,z)＝q0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
定含水率边界条件：θ(x,y,z)＝θ0(x,y,z)(x,y,z)∈s
定水头边界条件：h(x,y,z)＝h0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
变流量边界条件：qn＝q·n＝qb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变含水率边界条件：θn＝θ·n＝θb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变水头边界条件：hn＝h·n＝hb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s。
式中：
s——三维研究区的边界面；
h——边界面上沿法线方向的水头，m；
q——边界面上沿法线方向的单位面积流量，m3；
n——边界外法线的单位矢量。
c.初始条件
模型初始时刻(t＝0)模拟区内各点处含水率或水头分布情况称为初始条件，通常用下式表示：
θ(x,y,z,0)＝θ0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
或h(x,y,z,0)＝h0(x,y,z)(x,y,z)∈s。
边界条件和初始条件，只依靠水分运移以及分布情况即可，对于放射性核素Ra-226来说，均视为0。
(1.3)数值模型建立；
在概念模型和数学模型的基础上，运用数值模拟软件HYDRUS-3D建立土壤水分运移数值模型和放射性核素迁移数值模型。
数值模型的建立，其实就是将数学模型中的一些参数数值化。在本发明中，对于上面的水分运移数学模型而言，K(θ)、D(θ)为本步骤中需要数值化的；对于放射性核素迁移数学模型而言，弥散系数D和衰变常数λ是需要数值化的。数值化的过程即是赋值过程，数值化完成后，就形成了相应的数值模型。
(1.4)数值模型校正；
采用试估-校正法对步骤(1.3)建立的水分运移数值模型进行识别与验证，使建立的水分运移数值模型更加符合模拟区的实际情况。对于放射性核素迁移数值模型无需进行校正。
模型的识别是结合地质及水文地质条件，通过调整模型的结构、参数等，达到模拟的土壤状态(含水率、水头等)与实测土壤状态最大限度的拟合，以使模型尽可能刻画实际情况，提高模型的仿真程度。模型验证是用识别后的模型继续模拟另一时间段实测数据，各源汇项和边界条件均按该时段实际情况给出，比较模拟值与实际观测值以验证模型的精度。
步骤(2)：根据历史资料、现场勘查资料确定污染情形及源强，并将污染源强带入步骤(1)所建立的土壤三维数值模型中。
具体包括以下实施方式：
(2.1)收集铀矿山生产历史资料、现场勘查资料，以确定污染情形及污染源强。
(2.2)将步骤(2.1)确定的污染源强带入步骤(1)的数值模型中。
污染源强中既有水分也存在放射性核素Ra-226污染物，因此将污染源强分别代入步骤(1.3)的放射性核素迁移数值模型以及步骤(1.4)校正后的水分运移数值模型中。
步骤(3)：求解三维数值模型，得到模拟区土壤中Ra-226比活度在时间上和空间上的分布情况。
(3.1)求解步骤(2.2)数值模型。
(3.2)根据模拟结果，分析模拟区土壤中Ra-226比活度在时间上和空间上的分布情况。
步骤(4)：根据土壤中Ra-226比活度在时间上和空间上的分布情况确定土壤Ra-226源项调查的范围及调查深度。
(4.1)根据《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727-2020)，确定土壤取样的Ra-226比活度标准值为扣除本底值后不超过0.18Bq/g。
(4.2)依据步骤(4.1)确定的标准值，圈定污染土壤范围，确定土壤Ra-226源项调查的范围和深度。
下面结合具体实施例对本发明所述的采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法进行详细介绍。
实施例1
某铀矿山尾渣库附近污染农田的包气带土层岩性主要为砂质粘性土，农田污染的主要原因为采用附近污染水溪及污染水塘中水进行灌溉导致。按照步骤(1)使用HYDRUS-3D建立该矿山尾渣库周围污染农田的水流和Ra-226运移三维数值模型；按照步骤(2)将污染源强带入三维数值模型中；按照步骤(3)求解三维数值模型，得到模拟区内放射性核素Ra-226比活度三维分布情况，见图2。按照步骤(4)确定土壤Ra-226源项调查的取样范围及深度，取样点分布情况见图3，具体如下：0cm-20cm垂直深度，土壤横向40m、50m、60m和70m处沿纵向0m、10m、20m、30m和40m各设置1个取样点；20cm-40cm垂直深度，土壤横向0m、10m、20m、30m、40m、50m和60m处沿纵向0m、10m、20m、30m和40m各设置1个取样点；40cm-60cm垂直深度，土壤横向0m、10m、20m、30m处沿纵向0m、10m、20m、30m和40m各设置1个取样点。共设置取样点75个。
如果按照常规方法确定取样点，每10m设置一个取样点，共设置135个取样点，见图4。因此，本发明可减少样品采集和分析数量约56％。
按照本发明源项调查范围的方法进行源项调查，调查结果统计见表1，由该调查结果确定污染土壤挖除区域对应表1中加粗部分数据；按照常规源项调查范围的方法进行源项调查，调查结果统计见表2，由该调查结果确定污染土壤挖除区域对应表2中加粗部分数据。对比可知，本发明源项调查方法可以在样品采集和分析数量大量削减的情况下，达到与常规方法相同的调查精度。
表1本发明方法获得的源项调查结果统计值 单位：Bq/g
表2常规方法获得的源项调查结果统计值 单位：Bq/g
Claims (2)
1.一种采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，其特征是，包括如下步骤：
(a)通过计算机数值模拟软件建立土壤三维数值模型；
土壤三维数值模型包括水分运移模型和放射性核素迁移模型；
水分运移模型如下：
式中：
θ——土壤体积含水率，m3/m3；
t——入渗时间，d；
x、y、z——直角坐标下的坐标，m；
K(θ)——土壤非饱和导水率，m/d；
D(θ)——土壤非饱和水扩散率，m2/d；
放射性核素迁移模型如下：
式中：
c——土壤液相中放射性核素Ra-226浓度，mg/L；
D——弥散系数，m2/d，代表分子扩散及水动力弥散，反映土壤水中核素Ra-226扩散和弥散机理；
Q——体积流动通量，m/d；
λ——Ra-226的衰变常数；
上述模型中，参数K(θ)、D(θ)、D和λ为已知数；
(b)根据历史资料、现场勘查资料确定污染情形和污染源强，并将污染源强带入土壤三维数值模型；
(c)求解土壤三维数值模型，得到模拟区土壤中Ra-226比活度在时间上和空间上的分布情况；
(d)根据土壤中Ra-226比活度分布情况确定土壤Ra-226源项调查的范围及调查深度。
2.根据权利要求1所述的采用三维数值模拟确定土壤Ra-226源项调查范围的方法，其特征是，步骤(a)中水分运移模型的边界条件和初始条件如下：
边界条件包括定流量边界条件、定含水率边界条件、定水头边界条件、变流量边界条件、变含水率边界条件和变水头边界条件；
定流量边界条件：q(x,y,z)＝q0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
定含水率边界条件：θ(x,y,z)＝θ0(x,y,z)(x,y,z)∈s
定水头边界条件：h(x,y,z)＝h0(x,y,z)(x,y,z)∈s；
变流量边界条件：qn＝q·n＝qb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变含水率边界条件：θn＝θ·n＝θb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
变水头边界条件：hn＝h·n＝hb(x,y,z,t)(x,y,z,t)∈s；
式中：
s——三维研究区的边界面；
h——边界面上沿法线方向的水头，m；
q——边界面上沿法线方向的单位面积流量，m3；
n——边界外法线的单位矢量；
初始条件为t＝0时模拟区内各点处含水率或水头分布情况。
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| Publication number | Publication date |
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