溶質(zhì)運(yùn)移與高放核廢物處置

王 楷

0 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展,自然資源的迅速減少,要求人類(lèi)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(chǎn)生了大量的核廢物,如何安全的處置核廢物成為了核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。如今世界處置高放核廢物的常用方法是深地質(zhì)處置。經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐,目前普遍可接受的可行方案是把高放廢物深埋于地質(zhì)處置庫(kù)之中。地質(zhì)處置庫(kù)采用的是多重屏障設(shè)計(jì),包括工程屏障和天然屏障[1]。

1 溶質(zhì)運(yùn)移

溶質(zhì)運(yùn)移是指溶解于地下水中的物質(zhì)隨地下水水流在多孔介質(zhì)中一起運(yùn)移的現(xiàn)象。加強(qiáng)對(duì)地下水模擬,溶質(zhì)運(yùn)移方面的分析與研究對(duì)進(jìn)行地下水資源評(píng)價(jià)和地下水變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè),指導(dǎo)地下水的合理開(kāi)發(fā)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(zhì)運(yùn)移的模擬具有重大的現(xiàn)實(shí)意義,要進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究。

經(jīng)過(guò)近 30年的發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)建立了幾乎囊括國(guó)際地下水模擬中心(IGWMC)P.vender Heijde分類(lèi)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(duì)水文地質(zhì)條件的充分認(rèn)識(shí),是地下水模擬工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。模型建立者應(yīng)該對(duì)研究區(qū)有全面的了解,包括水文地質(zhì)狀況、水資源開(kāi)發(fā)利用歷史與現(xiàn)狀、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、水力工程的分布與利用等等[3]。

近年來(lái),對(duì)于飽和帶地下水流模擬的研究,主要集中在二維流模型開(kāi)發(fā)、流速場(chǎng)與流線(xiàn)的計(jì)算方法、非均質(zhì)參數(shù)的區(qū)域概化和繁雜數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理。目前,進(jìn)行區(qū)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(guó)內(nèi)外利用遺傳算法求解管理模型反映了遺傳算法在復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程中處理約束條件時(shí)選取罰因子的困難。吳劍鋒等[5]提出的 GASAPF方法通過(guò)模擬退火技術(shù)[7,8]來(lái)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(jiǎn)單的一維穩(wěn)定流地下水管理問(wèn)題中具有較好的求解效果。吳劍鋒等[9]再將這一技術(shù)首次應(yīng)用到條件復(fù)雜的、大面積的徐州市裂隙巖溶水資源管理的實(shí)際中。

隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展,地下水水流的模擬軟件不斷發(fā)展,已在水文地質(zhì)計(jì)算和環(huán)境工程研究中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已有的軟件可以應(yīng)用于不同的水文地質(zhì)條件。如:潛水和承壓水,穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流,一、二和三維水流,飽和和非飽和流等[10]。

2 我國(guó)高放核廢物處置

1985年 9月核工業(yè)總公司提出了“中國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置研究發(fā)展計(jì)劃”(即DGD計(jì)劃)。該計(jì)劃分4個(gè)階段,即技術(shù)準(zhǔn)備階段、地質(zhì)研究階段、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段和處置庫(kù)建造階段。該計(jì)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(duì)象,以花崗巖為處置介質(zhì),采用深地質(zhì)處置技術(shù)路線(xiàn),目標(biāo)是在 2040年左右建成一座國(guó)家處置庫(kù)。

DGD計(jì)劃僅是一個(gè)初步設(shè)想,隨著工作進(jìn)度和投資強(qiáng)度的變化以及國(guó)家核電計(jì)劃的進(jìn)展,該計(jì)劃將會(huì)有所修改,以適應(yīng)及時(shí)、安全最終處置高放廢物的需要[11]。

北山預(yù)選區(qū)位于甘肅省西部,該區(qū)在地貌上為低山丘陵區(qū),相對(duì)高差不大,地勢(shì)低緩。該區(qū)為典型內(nèi)陸干旱性氣候,無(wú)地表河流,大部分為干旱戈壁或基巖裸露的低山。無(wú)可耕種的農(nóng)田,礦產(chǎn)資料貧乏,基本無(wú)經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景。該區(qū)無(wú)居民點(diǎn),僅在夏季偶有牧民放牧。該區(qū)為地殼穩(wěn)定區(qū),是有利的候選地區(qū)。此外,該區(qū)的水文地質(zhì)特征也十分有利:該區(qū)降雨量小,地表持水能力差;蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量;地下水系統(tǒng)具有弱含水、弱滲透和低流速等特點(diǎn)。

3 溶質(zhì)運(yùn)移與我國(guó)高放核廢物處置

從核廢料深層地質(zhì)處置來(lái)看,核廢料貯庫(kù)圍巖賦存在一定的物理地質(zhì)環(huán)境中,溫度場(chǎng)(Thermal)、滲流場(chǎng)(Hyd rological)和應(yīng)力場(chǎng)(Mechanical)(簡(jiǎn)稱(chēng):THM),是巖體物理地質(zhì)環(huán)境中的三個(gè)重要組成部分,對(duì)其進(jìn)行了大量的研究,也得出了大量的實(shí)驗(yàn)資料與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但是,在實(shí)際當(dāng)中,高放核廢物的處置環(huán)境還包括了化學(xué)場(chǎng)(Chem ical),化學(xué)場(chǎng)對(duì)高放核廢物的運(yùn)移也有重要的作用。研究T-H-M-C四場(chǎng)的耦合情況及溶質(zhì)運(yùn)移的情況對(duì)目前高放廢物處置具有重要的作用。但是對(duì)于T-H-M-C四場(chǎng)的耦合情況,在理論和實(shí)驗(yàn)都處于分析研究階段,我國(guó)科學(xué)工作者也作出了很大的貢獻(xiàn)。

自然界中總是不同程度的存在四場(chǎng)全耦合的問(wèn)題。在許多情形下,有些過(guò)程作用不明顯,其耦合可忽略不計(jì),只有部分過(guò)程產(chǎn)生耦合,從組合上來(lái)說(shuō),可能存在的各種組合過(guò)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(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)四場(chǎng)的耦合情況來(lái)說(shuō),由于四場(chǎng)耦合的復(fù)雜性,人們有時(shí)將其進(jìn)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(chǔ)上。20世紀(jì) 80年代初期,由于石油,地?zé)岬饶茉撮_(kāi)發(fā)以及核廢物深埋地質(zhì)處置等工程問(wèn)題的實(shí)際需要,國(guó)外開(kāi)始關(guān)注巖土工程中的T-H-M耦合問(wèn)題,早期的T-H-M耦合研究主要集中在溫度場(chǎng)—滲流場(chǎng)—應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型的建立以及數(shù)學(xué)模型求解方法(數(shù)值模擬)的有效性檢驗(yàn)方面。從 20世紀(jì) 90年代開(kāi)始,國(guó)外學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行DECOVALEX的國(guó)際合作研究計(jì)劃,推動(dòng)了裂隙巖體T-H-M耦合研究在數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬以及試驗(yàn)方面的發(fā)展[12]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)來(lái)看,化學(xué)場(chǎng)導(dǎo)致溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)特性都有所改變,因此為了研究近場(chǎng)完整的影響因素,還必須考慮化學(xué)場(chǎng)。

高放廢物處置庫(kù)由于涉及溫度場(chǎng)、水勢(shì)場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的相互耦合作用而促使人們對(duì)耦合作用進(jìn)行深入研究。四場(chǎng)耦合是一種相當(dāng)復(fù)雜的相互作用,人們?cè)谘芯康耐瑫r(shí)先對(duì)其分解進(jìn)行研究,再對(duì)分解的情況進(jìn)行綜合考慮,從而得出四場(chǎng)耦合的一些研究結(jié)果。由于四場(chǎng)耦合對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響,在進(jìn)行分解研究之后,不能單一的疊加作為研究結(jié)果。應(yīng)綜合考慮各種情況,對(duì)各種可能的情況進(jìn)行分析研究。在分析研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移和四場(chǎng)耦合的情況下,結(jié)合我國(guó)高放核廢物處置的環(huán)境,從而研究得出適合我國(guó)高放核廢物處置的理論體系。認(rèn)識(shí)到耦合過(guò)程的重要性,LBL在1984年以L(fǎng)BL Panel報(bào)告形式首次提出高放廢物處置庫(kù)T-H-M-C耦合過(guò)程。

耦合問(wèn)題研究目前在世界范圍內(nèi)得到蓬勃開(kāi)展,但考慮到研究的復(fù)雜性,國(guó)際上目前主要研究熱濕力(T-H-M)過(guò)程。對(duì)于化學(xué)作用單獨(dú)進(jìn)行考慮,當(dāng)然包含化學(xué)動(dòng)力學(xué)與化學(xué)熱力學(xué)的內(nèi)容[13]。

由于四場(chǎng)是相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的,在研究T-H-MC耦合時(shí),將來(lái)對(duì)化學(xué)場(chǎng)及四場(chǎng)耦合的研究可能成為重點(diǎn),從而為高放核廢物處置的研究提供較好的理論依據(jù)。

[1] 王 駒,徐國(guó)慶,金遠(yuǎn)新.論高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)圍巖[J].世界核地質(zhì)科學(xué),2006,23(4):222.

[2] 薛禹群,吳吉春.面臨 21世紀(jì)的中國(guó)地下水模擬問(wèn)題[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1999(5):1-3.

[3] 賈金生,田 冰,劉昌明.VisualMODFLOW在地下水模擬中的應(yīng)用——以河北省奕城縣為例[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003(4):71-78.

[4] 魏林宏,束龍倉(cāng),郝振純.地下水流數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000(10):50-52.

[5] 吳劍鋒,朱學(xué)愚,劉建命.基于遺傳算法的模擬退火罰函數(shù)求解地下水管理模型[J].中國(guó)科學(xué)(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(xué)愚,錢(qián)家忠,等.GASAPF方法在徐州市裂隙巖溶水資源管理模型中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2000(12):7-13.

[10] Alkaly Camaral,劉金濤,束龍倉(cāng),等.ASIVIWIN在鎮(zhèn)江市地下水滲流模擬中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000(10):35-37.

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

[12] 張強(qiáng)林,王 媛.巖體THM耦合應(yīng)用研究現(xiàn)狀綜述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2007(9):35-50.

[13] 沈珍瑤.高放廢物處置庫(kù)耦合過(guò)程簡(jiǎn)介[J].輻射防護(hù)通訊,1997(6):17-30.