溶質運移與高放核廢物處置

王 楷

0 引言

隨著人類社會的發展,自然資源的迅速減少,要求人類必須利用更加安全、可靠、高效的核資源。但隨著核資源的利用,產生了大量的核廢物,如何安全的處置核廢物成為了核工業可持續發展和環境保護面臨的挑戰性問題。如今世界處置高放核廢物的常用方法是深地質處置。經過多年的研究和實踐,目前普遍可接受的可行方案是把高放廢物深埋于地質處置庫之中。地質處置庫采用的是多重屏障設計,包括工程屏障和天然屏障[1]。

1 溶質運移

溶質運移是指溶解于地下水中的物質隨地下水水流在多孔介質中一起運移的現象。加強對地下水模擬,溶質運移方面的分析與研究對進行地下水資源評價和地下水變化趨勢的預測,指導地下水的合理開發利用及確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,因此從事地下水以及溶質運移的模擬具有重大的現實意義,要進一步加強這方面的研究。

經過近 30年的發展,我國已經建立了幾乎囊括國際地下水模擬中心(IGWMC)P.vender Heijde分類中所有的模型。研究范圍涉及飽和帶、非飽和帶及飽和—非飽和帶[2]。對水文地質條件的充分認識,是地下水模擬工作的基礎和關鍵所在。模型建立者應該對研究區有全面的了解,包括水文地質狀況、水資源開發利用歷史與現狀、工農業生產狀況、農業種植結構、水力工程的分布與利用等等[3]。

近年來,對于飽和帶地下水流模擬的研究,主要集中在二維流模型開發、流速場與流線的計算方法、非均質參數的區域概化和繁雜數據的優化處理。目前,進行區域二維地下水流分析的主要軟件有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]。

國內外利用遺傳算法求解管理模型反映了遺傳算法在復雜系統的優化過程中處理約束條件時選取罰因子的困難。吳劍鋒等[5]提出的 GASAPF方法通過模擬退火技術[7,8]來處理約束條件,可克服一般遺傳算法中罰因子選取的困難。在簡單的一維穩定流地下水管理問題中具有較好的求解效果。吳劍鋒等[9]再將這一技術首次應用到條件復雜的、大面積的徐州市裂隙巖溶水資源管理的實際中。

隨著電子計算機科學的迅速發展,地下水水流的模擬軟件不斷發展,已在水文地質計算和環境工程研究中得到了廣泛的應用。目前已有的軟件可以應用于不同的水文地質條件。如:潛水和承壓水,穩定流和非穩定流,一、二和三維水流,飽和和非飽和流等[10]。

2 我國高放核廢物處置

1985年 9月核工業總公司提出了“中國高放廢物深地質處置研究發展計劃”(即DGD計劃)。該計劃分4個階段,即技術準備階段、地質研究階段、現場試驗階段和處置庫建造階段。該計劃以高放玻璃固化和超鈾廢物以及少量重水堆乏燃料為處置對象,以花崗巖為處置介質,采用深地質處置技術路線,目標是在 2040年左右建成一座國家處置庫。

DGD計劃僅是一個初步設想,隨著工作進度和投資強度的變化以及國家核電計劃的進展,該計劃將會有所修改,以適應及時、安全最終處置高放廢物的需要[11]。

北山預選區位于甘肅省西部,該區在地貌上為低山丘陵區,相對高差不大,地勢低緩。該區為典型內陸干旱性氣候,無地表河流,大部分為干旱戈壁或基巖裸露的低山。無可耕種的農田,礦產資料貧乏,基本無經濟發展前景。該區無居民點,僅在夏季偶有牧民放牧。該區為地殼穩定區,是有利的候選地區。此外,該區的水文地質特征也十分有利:該區降雨量小,地表持水能力差;蒸發量遠大于降水量;地下水系統具有弱含水、弱滲透和低流速等特點。

3 溶質運移與我國高放核廢物處置

從核廢料深層地質處置來看,核廢料貯庫圍巖賦存在一定的物理地質環境中,溫度場(Thermal)、滲流場(Hyd rological)和應力場(Mechanical)(簡稱:THM),是巖體物理地質環境中的三個重要組成部分,對其進行了大量的研究,也得出了大量的實驗資料與實驗結果,但是,在實際當中,高放核廢物的處置環境還包括了化學場(Chem ical),化學場對高放核廢物的運移也有重要的作用。研究T-H-M-C四場的耦合情況及溶質運移的情況對目前高放廢物處置具有重要的作用。但是對于T-H-M-C四場的耦合情況,在理論和實驗都處于分析研究階段,我國科學工作者也作出了很大的貢獻。

自然界中總是不同程度的存在四場全耦合的問題。在許多情形下,有些過程作用不明顯,其耦合可忽略不計,只有部分過程產生耦合,從組合上來說,可能存在的各種組合過程共有如下11種: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。結合國內外學者對四場的耦合情況來說,由于四場耦合的復雜性,人們有時將其進行分解研究。

T-H-M-C耦合的研究是建立在T-H-M耦合的基礎上。20世紀 80年代初期,由于石油,地熱等能源開發以及核廢物深埋地質處置等工程問題的實際需要,國外開始關注巖土工程中的T-H-M耦合問題,早期的T-H-M耦合研究主要集中在溫度場—滲流場—應力場三場耦合數學模型的建立以及數學模型求解方法(數值模擬)的有效性檢驗方面。從 20世紀 90年代開始,國外學者開始進行DECOVALEX的國際合作研究計劃,推動了裂隙巖體T-H-M耦合研究在數學模型,數值模擬以及試驗方面的發展[12]。從長遠觀點來看,化學場導致溫度場、滲流場和應力場特性都有所改變,因此為了研究近場完整的影響因素,還必須考慮化學場。

高放廢物處置庫由于涉及溫度場、水勢場、化學場、應力場的相互耦合作用而促使人們對耦合作用進行深入研究。四場耦合是一種相當復雜的相互作用,人們在研究的同時先對其分解進行研究,再對分解的情況進行綜合考慮,從而得出四場耦合的一些研究結果。由于四場耦合對溶質運移的影響,在進行分解研究之后,不能單一的疊加作為研究結果。應綜合考慮各種情況,對各種可能的情況進行分析研究。在分析研究國內外學者對溶質運移和四場耦合的情況下,結合我國高放核廢物處置的環境,從而研究得出適合我國高放核廢物處置的理論體系。認識到耦合過程的重要性,LBL在1984年以LBL Panel報告形式首次提出高放廢物處置庫T-H-M-C耦合過程。

耦合問題研究目前在世界范圍內得到蓬勃開展,但考慮到研究的復雜性,國際上目前主要研究熱濕力(T-H-M)過程。對于化學作用單獨進行考慮,當然包含化學動力學與化學熱力學的內容[13]。

由于四場是相互聯系、相互作用、相互制約的,在研究T-H-MC耦合時,將來對化學場及四場耦合的研究可能成為重點,從而為高放核廢物處置的研究提供較好的理論依據。

[1] 王 駒,徐國慶,金遠新.論高放廢物地質處置庫圍巖[J].世界核地質科學,2006,23(4):222.

[2] 薛禹群,吳吉春.面臨 21世紀的中國地下水模擬問題[J].水文地質工程地質,1999(5):1-3.

[3] 賈金生,田 冰,劉昌明.VisualMODFLOW在地下水模擬中的應用——以河北省奕城縣為例[J].河北農業大學學報, 2003(4):71-78.

[4] 魏林宏,束龍倉,郝振純.地下水流數值模擬的研究現狀與發展趨勢[J].重慶大學學報(自然科學版),2000(10):50-52.

[5] 吳劍鋒,朱學愚,劉建命.基于遺傳算法的模擬退火罰函數求解地下水管理模型[J].中國科學(E輯),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] 吳劍鋒,朱學愚,錢家忠,等.GASAPF方法在徐州市裂隙巖溶水資源管理模型中的應用[J].水利學報,2000(12):7-13.

[10] Alkaly Camaral,劉金濤,束龍倉,等.ASIVIWIN在鎮江市地下水滲流模擬中的應用[J].重慶大學學報(自然科學版), 2000(10):35-37.

[11] 王 駒,徐國慶.中國高放廢物深地質處置研究[J].水文地質工程地質,1998(5):30-32.

[12] 張強林,王 媛.巖體THM耦合應用研究現狀綜述[J].河海大學學報,2007(9):35-50.

[13] 沈珍瑤.高放廢物處置庫耦合過程簡介[J].輻射防護通訊,1997(6):17-30.