溶质运移与高放核废物处置

王 楷

0 引言

随着人类社会的发展,自然资源的迅速减少,要求人类必须利用更加安全、可靠、高效的核资源。但随着核资源的利用,产生了大量的核废物,如何安全的处置核废物成为了核工业可持续发展和环境保护面临的挑战性问题。如今世界处置高放核废物的常用方法是深地质处置。经过多年的研究和实践,目前普遍可接受的可行方案是把高放废物深埋于地质处置库之中。地质处置库采用的是多重屏障设计,包括工程屏障和天然屏障[1]。

1 溶质运移

溶质运移是指溶解于地下水中的物质随地下水水流在多孔介质中一起运移的现象。加强对地下水模拟,溶质运移方面的分析与研究对进行地下水资源评价和地下水变化趋势的预测,指导地下水的合理开发利用及确保地下水供水工程安全及防治地下水的污染等都具有重要作用,因此从事地下水以及溶质运移的模拟具有重大的现实意义,要进一步加强这方面的研究。

经过近 30年的发展,我国已经建立了几乎囊括国际地下水模拟中心(IGWMC)P.vender Heijde分类中所有的模型。研究范围涉及饱和带、非饱和带及饱和—非饱和带[2]。对水文地质条件的充分认识,是地下水模拟工作的基础和关键所在。模型建立者应该对研究区有全面的了解,包括水文地质状况、水资源开发利用历史与现状、工农业生产状况、农业种植结构、水力工程的分布与利用等等[3]。

近年来,对于饱和带地下水流模拟的研究,主要集中在二维流模型开发、流速场与流线的计算方法、非均质参数的区域概化和繁杂数据的优化处理。目前,进行区域二维地下水流分析的主要软件有HS3D(Kipp,1987年),SWIFT(GRranwell和Reeves, 1981年)以及世界上最流行的Visual MODFLOW(McDonald and Harbangh,1994年)[4]。

国内外利用遗传算法求解管理模型反映了遗传算法在复杂系统的优化过程中处理约束条件时选取罚因子的困难。吴剑锋等[5]提出的 GASAPF方法通过模拟退火技术[7,8]来处理约束条件,可克服一般遗传算法中罚因子选取的困难。在简单的一维稳定流地下水管理问题中具有较好的求解效果。吴剑锋等[9]再将这一技术首次应用到条件复杂的、大面积的徐州市裂隙岩溶水资源管理的实际中。

随着电子计算机科学的迅速发展,地下水水流的模拟软件不断发展,已在水文地质计算和环境工程研究中得到了广泛的应用。目前已有的软件可以应用于不同的水文地质条件。如:潜水和承压水,稳定流和非稳定流,一、二和三维水流,饱和和非饱和流等[10]。

2 我国高放核废物处置

1985年 9月核工业总公司提出了“中国高放废物深地质处置研究发展计划”(即DGD计划)。该计划分4个阶段,即技术准备阶段、地质研究阶段、现场试验阶段和处置库建造阶段。该计划以高放玻璃固化和超铀废物以及少量重水堆乏燃料为处置对象,以花岗岩为处置介质,采用深地质处置技术路线,目标是在 2040年左右建成一座国家处置库。

DGD计划仅是一个初步设想,随着工作进度和投资强度的变化以及国家核电计划的进展,该计划将会有所修改,以适应及时、安全最终处置高放废物的需要[11]。

北山预选区位于甘肃省西部,该区在地貌上为低山丘陵区,相对高差不大,地势低缓。该区为典型内陆干旱性气候,无地表河流,大部分为干旱戈壁或基岩裸露的低山。无可耕种的农田,矿产资料贫乏,基本无经济发展前景。该区无居民点,仅在夏季偶有牧民放牧。该区为地壳稳定区,是有利的候选地区。此外,该区的水文地质特征也十分有利:该区降雨量小,地表持水能力差;蒸发量远大于降水量;地下水系统具有弱含水、弱渗透和低流速等特点。

3 溶质运移与我国高放核废物处置

从核废料深层地质处置来看,核废料贮库围岩赋存在一定的物理地质环境中,温度场(Thermal)、渗流场(Hyd rological)和应力场(Mechanical)(简称:THM),是岩体物理地质环境中的三个重要组成部分,对其进行了大量的研究,也得出了大量的实验资料与实验结果,但是,在实际当中,高放核废物的处置环境还包括了化学场(Chem ical),化学场对高放核废物的运移也有重要的作用。研究T-H-M-C四场的耦合情况及溶质运移的情况对目前高放废物处置具有重要的作用。但是对于T-H-M-C四场的耦合情况,在理论和实验都处于分析研究阶段,我国科学工作者也作出了很大的贡献。

自然界中总是不同程度的存在四场全耦合的问题。在许多情形下,有些过程作用不明显,其耦合可忽略不计,只有部分过程产生耦合,从组合上来说,可能存在的各种组合过程共有如下11种:T-H耦合、T-M耦合、T-C耦合、H-M耦合、H-C耦合、M-C耦合、T-H-M耦合、T-H-C耦合、M-H-C耦合、T-M-C耦合、T-H-M-C耦合。结合国内外学者对四场的耦合情况来说,由于四场耦合的复杂性,人们有时将其进行分解研究。

T-H-M-C耦合的研究是建立在T-H-M耦合的基础上。20世纪 80年代初期,由于石油,地热等能源开发以及核废物深埋地质处置等工程问题的实际需要,国外开始关注岩土工程中的T-H-M耦合问题,早期的T-H-M耦合研究主要集中在温度场—渗流场—应力场三场耦合数学模型的建立以及数学模型求解方法(数值模拟)的有效性检验方面。从 20世纪 90年代开始,国外学者开始进行DECOVALEX的国际合作研究计划,推动了裂隙岩体T-H-M耦合研究在数学模型,数值模拟以及试验方面的发展[12]。从长远观点来看,化学场导致温度场、渗流场和应力场特性都有所改变,因此为了研究近场完整的影响因素,还必须考虑化学场。

高放废物处置库由于涉及温度场、水势场、化学场、应力场的相互耦合作用而促使人们对耦合作用进行深入研究。四场耦合是一种相当复杂的相互作用,人们在研究的同时先对其分解进行研究,再对分解的情况进行综合考虑,从而得出四场耦合的一些研究结果。由于四场耦合对溶质运移的影响,在进行分解研究之后,不能单一的叠加作为研究结果。应综合考虑各种情况,对各种可能的情况进行分析研究。在分析研究国内外学者对溶质运移和四场耦合的情况下,结合我国高放核废物处置的环境,从而研究得出适合我国高放核废物处置的理论体系。认识到耦合过程的重要性,LBL在1984年以LBL Panel报告形式首次提出高放废物处置库T-H-M-C耦合过程。

耦合问题研究目前在世界范围内得到蓬勃开展,但考虑到研究的复杂性,国际上目前主要研究热湿力(T-H-M)过程。对于化学作用单独进行考虑,当然包含化学动力学与化学热力学的内容[13]。

由于四场是相互联系、相互作用、相互制约的,在研究T-H-MC耦合时,将来对化学场及四场耦合的研究可能成为重点,从而为高放核废物处置的研究提供较好的理论依据。

[1] 王 驹,徐国庆,金远新.论高放废物地质处置库围岩[J].世界核地质科学,2006,23(4):222.

[2] 薛禹群,吴吉春.面临 21世纪的中国地下水模拟问题[J].水文地质工程地质,1999(5):1-3.

[3] 贾金生,田 冰,刘昌明.VisualMODFLOW在地下水模拟中的应用——以河北省奕城县为例[J].河北农业大学学报, 2003(4):71-78.

[4] 魏林宏,束龙仓,郝振纯.地下水流数值模拟的研究现状与发展趋势[J].重庆大学学报(自然科学版),2000(10):50-52.

[5] 吴剑锋,朱学愚,刘建命.基于遗传算法的模拟退火罚函数求解地下水管理模型[J].中国科学(E辑),1999,42(5): 474-480.

[6] KirkpatrickS,Gelatt CD,Vecchi M P.Optimization by simu lated annealinn[J].Science,1983,220(4598):671-680.

[7] Doughterty D E,Marryott R A.Optimal groundwater management,1.Simu lated annealing[J].Water Re-sour Res,1991,27 (10):2493-2508.

[8] Marryott R A,Dounhterty D E,Stollar R L.Optimal groundwater management,2.Application of simulated annealinn to a fieldscale contaminated site[J].Water Resour Res,1993,29(4): 847-860.

[9] 吴剑锋,朱学愚,钱家忠,等.GASAPF方法在徐州市裂隙岩溶水资源管理模型中的应用[J].水利学报,2000(12):7-13.

[10] Alkaly Camaral,刘金涛,束龙仓,等.ASIVIWIN在镇江市地下水渗流模拟中的应用[J].重庆大学学报(自然科学版), 2000(10):35-37.

[11] 王 驹,徐国庆.中国高放废物深地质处置研究[J].水文地质工程地质,1998(5):30-32.

[12] 张强林,王 媛.岩体THM耦合应用研究现状综述[J].河海大学学报,2007(9):35-50.

[13] 沈珍瑶.高放废物处置库耦合过程简介[J].辐射防护通讯,1997(6):17-30.