對(duì)地下核試驗(yàn)造成的地下水污染的評(píng)價(jià)論文

　　摘要：地下水核試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生放射性核素，人們非常關(guān)注它造成的環(huán)境危害。這種危害很大程度上依賴于物理和化學(xué)機(jī)理，這些機(jī)理控制著放射性核素如何進(jìn)入地下水并將它傳播給生物圈內(nèi)的各種物種。在內(nèi)華達(dá)州南部和美國(guó)其它的試驗(yàn)基地，相關(guān)的環(huán)境包括地下水中潛在的污染、它們對(duì)環(huán)境或農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的影響，以及它們對(duì)那些可能會(huì)發(fā)生間接生態(tài)影響的地方的地表水源的極限排泄的環(huán)境。在南太平洋的阿留申群島的海洋試驗(yàn)區(qū)，人們還對(duì)地下水中滲漏的放射性核素進(jìn)入海水以及由此引起的對(duì)漁民和其它生物所產(chǎn)生的影響表示關(guān)注。

　　關(guān)鍵詞：地下核試驗(yàn) 地下水污染

　　地下水核試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生放射性核素，人們非常關(guān)注它造成的環(huán)境危害。這種危害很大程度上依賴于物理和化學(xué)機(jī)理，這些機(jī)理控制著放射性核素如何進(jìn)入地下水并將它傳播給生物圈內(nèi)的各種物種。在內(nèi)華達(dá)州南部和美國(guó)其它的試驗(yàn)基地，相關(guān)的環(huán)境包括地下水中潛在的污染、它們對(duì)環(huán)境或農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的影響，以及它們對(duì)那些可能會(huì)發(fā)生間接生態(tài)影響的地方的地表水源的極限排泄的環(huán)境。在南太平洋的阿留申群島的海洋試驗(yàn)區(qū)，人們還對(duì)地下水中滲漏的放射性核素進(jìn)入海水以及由此引起的對(duì)漁民和其它生物所產(chǎn)生的影響表示關(guān)注。

　　在內(nèi)華達(dá)州的試驗(yàn)基地，進(jìn)行了800多項(xiàng)核試驗(yàn)，其中約有1/3在地下水位下。僅在地下水位以下進(jìn)行的試驗(yàn)中，放射性核素就有超過(guò)108居里的放射能，由于大部分的地下試驗(yàn)都位于地球表面之下幾百米甚至更深處，因其特性很難獲得數(shù)據(jù)，所除去的放射性污染物很少，很難評(píng)價(jià)其向公共水井或私人水井的流動(dòng)走勢(shì)。結(jié)果是對(duì)進(jìn)入或移向地下水放射性核素的潛能的評(píng)價(jià)。盡管這樣的模型設(shè)計(jì)得很容易理解放射性核素遷移過(guò)程所包含的復(fù)雜機(jī)理，但是它仍然能很好地對(duì)一些確實(shí)存在的特殊數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和綜合評(píng)價(jià)。也有利于今后確認(rèn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及其特性應(yīng)用。本文作者在這樣的模型研究中，討論了幾個(gè)更為獨(dú)特的、需要相關(guān)步驟的，而且重點(diǎn)在地下水位下擾亂了的環(huán)境附近的試驗(yàn)。分析中，第一步要理解“擾亂的”環(huán)境自身——它是如何形成的，放射量在試驗(yàn)的工作地點(diǎn)是如何分配的。大部分的討論是概念性的，考慮到了物理、化學(xué)和其它屬于傳統(tǒng)的傳輸模式范疇的、受較為復(fù)雜的相關(guān)沖擊的影響。接下來(lái)，作者會(huì)討論在放射物最終進(jìn)入水中的過(guò)程，哪些是更重要的過(guò)程，以及將來(lái)放射物從試驗(yàn)基地移走的問題。最后，作者主要討論根據(jù)這些工藝而設(shè)計(jì)的流線模擬設(shè)施，并對(duì)將來(lái)這個(gè)地方能進(jìn)行什么樣的工作進(jìn)行討論。

　　一、核試驗(yàn)影響測(cè)試

　　地下核設(shè)備的引爆會(huì)釋放出大量的能量，使得試驗(yàn)點(diǎn)周圍區(qū)域內(nèi)相關(guān)的地質(zhì)和設(shè)備材料發(fā)生蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高溫和壓縮的震動(dòng)波會(huì)使試驗(yàn)點(diǎn)生成空隙和裂隙或者改變洞壁上的結(jié)構(gòu)�？籽ㄊ瞧�化作用和原始的地質(zhì)介質(zhì)的壓縮所造成的�？籽ǖ拇笮�(或半徑)可以根據(jù)爆破能的作用力、埋藏的深度以及地質(zhì)介質(zhì)的強(qiáng)度而估算出來(lái)�？籽ㄗ畲蟪叽缭诒�炸發(fā)生后的1/10秒內(nèi)即可達(dá)到。在接下來(lái)的幾秒鐘，發(fā)生爆炸、溫度冷卻、氣壓消散、孔穴內(nèi)氣體的成分開始按順序冷凝，冷凝順序按相對(duì)蒸汽壓或沸點(diǎn)進(jìn)行。首先，巖石和重放射性核素元素，同墻內(nèi)壁上的熔融巖塊一起，在洞的底部積聚成熔融的泥膠土。試驗(yàn)幾小時(shí)或幾天后，上面的材料坍塌進(jìn)入洞內(nèi)，形成一個(gè)垂直的“碎石”豎井，這個(gè)“豎井”隨著地面的擴(kuò)大而擴(kuò)展，在那里形成一個(gè)彈坑。部分倒塌的材料會(huì)落入熔融膠泥體內(nèi)。如果最初的爆炸點(diǎn)位于地下水之下，則地下水此時(shí)會(huì)再次涌入洞內(nèi)。

　　二、放射性核素的分布

　　放射性核素同地下水的核爆炸有關(guān)，核反應(yīng)與爆炸有關(guān)，并在地質(zhì)介質(zhì)中生成活性產(chǎn)物。在爆炸后幾秒到幾小時(shí)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，控制著最初的化學(xué)成分以及空間的分布。大多數(shù)放射性核素蒸汽在孔穴擴(kuò)張時(shí)存留在孔穴內(nèi)。這是因?yàn)樵谥苓叺慕橘|(zhì)內(nèi)的壓縮處于均衡狀態(tài)，這種均衡狀態(tài)是由于流出的震動(dòng)波和隨后地質(zhì)介質(zhì)回彈到爆炸點(diǎn)，壓縮空氣趨向封閉和封密狀態(tài)，潛在的驅(qū)動(dòng)壓力從旁路流失的結(jié)果。要注意還有一例外情況，會(huì)導(dǎo)致少量的放射性核素蒸汽從洞區(qū)流出，發(fā)生“即時(shí)性注入”在冷卻和冷凝過(guò)程中，具有較高的沸點(diǎn)的重放射性核素，如241Am和239Pu，首先發(fā)生的冷凝在正在凝聚的熔融玻璃體中變?yōu)橐惑w。沸點(diǎn)較低的放射性核素，如氚（3H）、36CL 、22Na、129I，稍后冷凝，盡管有一些在熔融相中也可以找到，但通常沿著洞壁和洞內(nèi)的碎石表面以及豎井的較低部分進(jìn)行。理論上放射性區(qū)域總是視為一個(gè)以試驗(yàn)點(diǎn)為中心的球體，從地震井內(nèi)的觀測(cè)來(lái)看，其半徑在1.5m之間變動(dòng)。其它的放射性核素，如85Kr、90Kr、137Xe，可在無(wú)壓縮的氣體內(nèi)存在，如果環(huán)境允許，還會(huì)在體積變化中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)�？傮w來(lái)說(shuō)，氣體的置換會(huì)促進(jìn)蒸發(fā)的重新分配，置換作用與洞體坍塌、浮力、分子擴(kuò)散有關(guān)，在氣體可以進(jìn)入的、不飽和空隙空間內(nèi)進(jìn)行。一些放射性核素，90 Sr、 137Cs，都會(huì)在熔融區(qū)外面發(fā)現(xiàn)，它們是一些只能短期存在的物質(zhì)如85Kr、137Xe等衍生物的產(chǎn)物。對(duì)試驗(yàn)所產(chǎn)生的放射性核素的總量，通常用試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和放射性核素的特征性數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)熔融玻璃體內(nèi)物質(zhì)的區(qū)分、置換體積、不壓縮的氣體分?jǐn)?shù)，也可根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)所得到的特征數(shù)據(jù)以及元素的熱力學(xué)能估算出來(lái)。作為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的函數(shù)，可以用來(lái)估算試驗(yàn)中所產(chǎn)生的熔融玻璃體的總量。Olsen（1993）建議，每千噸的試驗(yàn)場(chǎng)地可以產(chǎn)生約700噸的熔融玻璃體。放射性核是如何在熔融玻璃體內(nèi)進(jìn)行冷凝的，以及冷凝后在巖塊和回流的地下水中化學(xué)狀態(tài)，人們知之甚少。已經(jīng)知道熔融體相是混合了氣泡和大塊玻璃體的各向異性的角礫石，通常內(nèi)部混合物有落下來(lái)的碎石，這些碎石的物化性能和放射性核素的含量是不同的。大部分玻璃體保留了母體巖塊的化學(xué)組成。在碎石內(nèi)，當(dāng)蒸汽冷凝或地下水回流到洞里時(shí)，冷凝的放射性核素會(huì)從空隙中溶入回流的水。它們會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，形成液體核素，也可能根據(jù)地下水的速度返回并接近不飽和區(qū)，從洞內(nèi)或豎井區(qū)移出。對(duì)一些放射性核素來(lái)說(shuō)，盡管已經(jīng)對(duì)鉆孔內(nèi)的水樣進(jìn)行了測(cè)定，但是仍需要對(duì)它們真實(shí)的含水量以體積交換的空間分布作出更為精確的評(píng)價(jià)。

　　三、影響放射性核素遷移的因素

　　1．模擬分析的原始條件

　　嚴(yán)格地講，放射性核素在試驗(yàn)中的相對(duì)移動(dòng)，在試驗(yàn)一爆炸時(shí)就發(fā)生了，或稱為“零時(shí)間”，這是因?yàn)樗鼈兊恼羝�在洞�?nèi)和變換體積時(shí)分布和冷凝所造成的。然而，放射性核素在地下水中的遷移似乎應(yīng)發(fā)生在“零時(shí)間”幾天或幾個(gè)月后，當(dāng)?shù)叵滤�回流到洞和豎井內(nèi)之后才更合乎邏輯，且由爆炸所引起的、復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)變化在這個(gè)時(shí)間已經(jīng)結(jié)束。假定放射性核素的數(shù)量可以預(yù)算出來(lái)，則“原始”狀態(tài)可以假定為熔融玻璃體內(nèi)各組分平均分配，洞周邊發(fā)生置換的體積為理想球形。這種假定方法對(duì)熔融玻璃體和置換容積的尺寸的估計(jì)值是有效的，放射性核素在這些區(qū)域內(nèi)的含量的變化在計(jì)算過(guò)程中不屬于重要的參數(shù)。另外。Guell（1999）注意到，在這種方法中，不冷凝的放射性核素的初始分布大體上是近似的。放射性核素從這種“原始”狀態(tài)進(jìn)行釋放，受下列因素的影響：地下水流動(dòng)及傳輸過(guò)程、不同溫度、熔融玻璃體的分解、與物種、吸附作用或沉淀反應(yīng)相關(guān)的地球化學(xué)性質(zhì)。這些觀點(diǎn)將在下面進(jìn)行討論。

　　2．地下水的流動(dòng)

　　相對(duì)于試驗(yàn)的前提條件，地下水在洞和豎井內(nèi)的流動(dòng)可能會(huì)因?yàn)閹r層滲透性的變化而變化，滲透性的變化可能會(huì)發(fā)生在坍塌的豎井內(nèi)，也可能發(fā)生在與洞體和豎井相鄰的新鮮的介質(zhì)上。在坍塌的豎井內(nèi)，這些變化與坍塌材料的類型及其填入洞內(nèi)的途徑有關(guān)。較硬的巖塊一般會(huì)裂成較大的碎塊，這種大型碎塊在一起空隙大，滲透性強(qiáng)。相對(duì)試驗(yàn)前，這樣的條件適于加強(qiáng)地下水在這些區(qū)域的流動(dòng)。在淤積系統(tǒng)內(nèi)，坍塌的材料更多地“跌落”于自然界中，導(dǎo)致相同的更低的滲透性和空隙體積。在一次實(shí)驗(yàn)中，坍塌現(xiàn)象總會(huì)伴隨著失敗，從而導(dǎo)致更大范圍的當(dāng)?shù)氐叵滤�流的變化�?/p>

　　在鄰近洞體和豎井的原始介質(zhì)中，可能會(huì)發(fā)生兩種類型的滲透性變化。在洞體邊緣和底部周圍的區(qū)域內(nèi)，在“壓碎區(qū)”的上方會(huì)形成一個(gè)剪切斷裂增加的區(qū)域，該區(qū)的滲透性和空隙增加。在這些區(qū)域之上，滲透性可能會(huì)增加，但是會(huì)隨著距離半徑的增加而迅速減少。總之，作者對(duì)環(huán)境的研究已不再局限于對(duì)隧道和地上鑿洞等雜亂區(qū)域的觀測(cè)，也不再局限于對(duì)“豎井”上表面的氣體滲透性的測(cè)試。

　　除了對(duì)少量的熔融玻璃體片斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，人們對(duì)原位熔融玻璃體區(qū)內(nèi)的滲透性和空隙知道的并不多。這些區(qū)域呈現(xiàn)明顯的不均勻性和潛在的斷裂，并擁有一定程度的裂隙滲透性。相反，熔融玻璃體的分散會(huì)形成變化的物質(zhì)，這些物質(zhì)充滿裂隙的空間，減少可滲透性。

　　3．熱力學(xué)影響

　　爆炸后核試驗(yàn)所產(chǎn)生的殘留熱量，當(dāng)?shù)叵滤�回流到豎井系統(tǒng)之后，會(huì)再存留幾年的時(shí)間。試驗(yàn)熱量的存在會(huì)改變周圍的地下水的流動(dòng)，減少或增加縱向的、受浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，熱值超過(guò)天然地?zé)�。更高的溫度�?huì)增加放射性核素從熔融玻璃體中的釋放速度。流過(guò)這些地區(qū)的地下水的流動(dòng)速度和導(dǎo)熱系數(shù)受控于試驗(yàn)熱量的流失。因?yàn)闊岬膫鲗?dǎo)速度相對(duì)較慢，熱量存留在系統(tǒng)中的時(shí)間長(zhǎng)度可用來(lái)計(jì)算地下水在熱量區(qū)的整體流動(dòng)速度，通過(guò)推理，還能得出該地區(qū)的滲透性。該事實(shí)已被Maxwell和其助手（2000），在內(nèi)華達(dá)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的CHESHIRE實(shí)驗(yàn)中開發(fā)，用于推斷熔融玻璃體、洞體、豎井以及原位的火山巖的滲透性。CHESHIRE核試驗(yàn)?zāi)�擬了一系列的溫度曲線，該曲線用斜孔試驗(yàn)中所收集的3種溫度錄井資料進(jìn)行校準(zhǔn)。這些錄井資料數(shù)據(jù)表明殘留的熱量最初集中在熔融的玻璃體內(nèi)，火山巖內(nèi)熱量?jī)H比熔融玻璃體稍高。模擬實(shí)驗(yàn)表明殘余的熱量在試驗(yàn)50年后才能散盡。

　　四、結(jié) 論

　　評(píng)估放射性核素從地下核試驗(yàn)釋放到地下水的速度是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。附近區(qū)域的淤積層表明：洞體、豎井和熔融玻璃體都是性能優(yōu)異的放射源，其放射性會(huì)持續(xù)幾百年、幾千年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。控制放射性核素進(jìn)入地下水的速度，這一重要過(guò)程包括熔融玻璃體的溶解、與吸附活性礦物質(zhì)有關(guān)的化學(xué)抑制的影響。洗提對(duì)活性礦物質(zhì)在系統(tǒng)中的含量和分布以及熔融玻璃體的溶解速度是非常敏感的。對(duì)大型區(qū)域模型中這些因素應(yīng)該理解透徹，準(zhǔn)確定位、模擬。證明流線型方法是研究這種課題的一種非常有用的、靈活的技術(shù)。它可將較高的溶解三維活性物傳輸難題分解為大量的，但卻易于處理的一維活性傳輸問題，再將其結(jié)果組合為三維的結(jié)果。結(jié)果由計(jì)算機(jī)用最短的時(shí)間組合起來(lái)，可以更迅速地來(lái)解決問題的各個(gè)方面。對(duì)一維結(jié)果的初步分析，是快速作出特殊敏感性問題和設(shè)計(jì)問題的基準(zhǔn)，也可在流線型試驗(yàn)進(jìn)行之前，用來(lái)證明和解釋特殊的傳輸和反應(yīng)行為。通過(guò)熔融的玻璃體樣品和模擬火山巖的玻璃體，來(lái)測(cè)定活性玻璃體的表面面積，以及礦物性質(zhì)和淤積層不同成分，這些都剛剛起步。作者認(rèn)為數(shù)據(jù)收集方面的努力更能確定原位放射性核素的濃度、可以更好地確定吸附性和膠質(zhì)的傳輸性能。這一領(lǐng)域的數(shù)據(jù)對(duì)更好地了解系統(tǒng)中物理、化學(xué)過(guò)程，校正和確定預(yù)定的模式，都有著重要的作用。

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