核环境监测与评价 第6章 放射性物质在岩石、土壤和地下水中的行为.ppt
第6章 放射性物质在岩石、土壤和地下水中的行为,6.1 岩石、土壤和地下水系统6.1.1 岩石1、岩石的成因和分类 岩石按成因可分为岩浆岩、变质岩、沉积岩。岩浆岩：岩浆冷凝固化形成的岩石。分成：侵入岩、火山岩、浅成岩；按岩石中的硅含量的不同，可分为基性岩、中性岩和酸性岩等。变质岩：地壳构造循环中产生的热量、压力及化学活性流体，可改变原有岩石的矿物成分和结构，从而形成新的变质。如页岩、砂岩、砾岩、灰岩等 沉积岩：沉积物经水的运移、沉积后，因其自然胶结、压实等岩化机制而形成的岩石。如板岩、片岩、大理岩等。,2、岩石中放射性核素的来源和分布 天然放射性核素：自地球形成，地壳中就含有原生放射性核素，它们的半衰期可与地球的年龄相比较，主要的原生放射性核素有40K、232Th、238U，次要的有87Rb、235U等。各类岩石因结构和矿物成分的差异，原生放射性核素的含量有明显的不同。一般情况下，酸性岩铀、钍含量较高，基性岩浆岩铀、钍含量较低。同一类型的花岗岩中，成岩年代愈近，铀、钍含量愈高。除原生放射性核素外，岩石中还含有某些宇生放射性核素如14C、3H及重核裂变产物如95Zr、137Cs、90Sr、131I等。,6.1.2 土壤1、土壤的性质和分类 土壤一般指基岩层以上有植物生长的疏松物层，它以不连续的状态覆盖于地球表面。它的基本成分是岩石与水循环系统之间长期风化作用形成的风化状岩石物质。土壤组成主要有矿物质、水、空气和有机质。土壤的分类按其无机矿物组分中砂粒、粉砂粒及粘粒组成不同可分为砂土、壤土、粘土。,2、土壤中放射性核素 天然放射性核素：40K、232Th、238U等。人工放射性核：137Cs、134Cs、90Sr、106Ru、240Pu等，其中137Cs、90Sr对土壤长期污染的贡献最大（TSr-90=28.8a,TCs-137=30.17a）。,6.1.3 地下水1、地下水的埋藏条件与分类 地下水面下岩土孔隙完全被水充满的地带为饱水带、地下水面以上的地带为包气带，地下水亦可相应地分为包气带水和饱水带水。饱水带水中的地下水不受岩土的束缚而处于自由状态，能在重力作用下自由流动，并可传递静水压力，又称为重力水。重力地下水按其埋藏条件又可分为上层带水、潜水及承压水。,3、地下水运动的基本规律 地下水在地层介质孔隙中的流动称为渗流。根据流量、孔隙度、孔径的不同，地下水可能呈现层流或紊流(湍流)两种流动状态。1）达西定律 一维系统中，地下水流动的通量为：式中的负号表示地下水由高水压向低水压处流动；渗透系数K与介质的孔隙度有关，也与地下水的粘滞度及密度有关。在潜水及承压水等饱水流动条件下，K值为常数；在包气带中非饱水流动条件下，K值因土壤水吸力的不同而有所变化。为水压梯度,饱水流动条件下，当地下水全部流程中水压梯度保持不变时，上式可改写为：,2）地下水的渗流速度 地下水流横截面积W指含水地层的过水面积，包括地层介质与孔隙所占面积之和，地下水流的实际过水面积W仅是空隙所占的面积：W=W 地下水在孔隙中的实际流速为：为介质的有效空隙率3）水力梯度 水力梯度I为地下水渗流过程中单位渗流途径长度(流程)上的水头损失。,4）渗流系数 水力梯度为定值时，渗流系数愈大，渗流速度就愈大；反之，渗流系数为定值时，水力梯度愈大，渗流速度也愈大。,6.2 放射性物质在岩石、土壤和地下水中的物理、化学与生物学行为6.2.1 放射性物质在岩石中的行为 1、放射性物质在岩石中的存在形态 原生的天然铀、钍元素可形成独立或共生矿物存在于岩石中，有的被其它矿物吸附，有的以溶解状态存在于矿物包裹或粒间及晶体裂隙的水分中。钾是地壳中的主要造壳元素之一，大部分赋存于碱性长石中，多与氧、硅或卤族元素结合，主要以钾长石、白榴石等矿物形式存在。随地下水进入岩石裂隙中的人工放射性核素常以离子状态被岩石表面吸着，也可能以氧化物或氢氧化物形式沉积在岩石表面上。,2、放射性物质在岩石中的行为 1）原生放射性物质在岩石中的迁移 地壳浅部的表生带内因太阳能的作用，存在着剧烈的元素迁移、分散和富集作用，以至形成具有开采价值的矿床，并使铀元素得以强烈迁移。铀在自然界中主要以四价和六价两种价态存在，在有氧化剂的存在时，四价铀氧化成六价铀，进而与氧结合成铀酰络合阳离子；镭一般不进入矿物晶格内，不形成独立矿物，具有很强的迁移能力；钾极易从矿物中释放进入水，具有很强的迁移能力；钍在表生带中以机械风化迁移为主。,2）放射性物质在岩石裂隙中的吸着和迁移 固体放射性废物处置主要倾向于采用近地表埋藏和地质处置。故研究放射性物质在地质层中的迁移行为已成为放射性废物安全处置的重要课题之一。影响迁移的因素：水力输运作用和岩、土介质对核素的吸着作用。核素在岩土表面与水流之间的分配特性可用固液相分配系数Kd表示：,6.2.2 放射性物质在土壤中的物理化学行为 1、放射性物质在土壤中的物理化学行为1）粘粒矿物的阳离子交换作用 土壤中的次生矿物和腐殖质多以胶体颗粒的形态存在，具有较大的表面能和吸附性能，因此，交换吸附是影响放射性物质在土壤中迁移的最主要的物理化学过程。粘粒的主要成分次生硅铝酸盐，是一种片状结构的颗粒，其表面带有丰富的负电荷，具有可观的阳离子交换容量。放射性物质与之吸附、交换等过程。,土壤中的阳离子吸附在土壤的表面，它与放射性离子交换：有相腐殖质的H+也可发生上述反应：,2）放射性物质在土壤中的迁移 放射性核素在土壤中以交换作用而吸着在土壤颗粒表面、与氧化物或氢氧化物的形式沉淀、与土壤中的有机物螯合等三种形式存在。3）农作物的吸收 放射性核素与它的稳定核素相同的离子形式被植物吸收。研究表明，凡是在土壤中以阳离子形式存在的金属元素都能在植物中出现。,2、影响放射性核素在土壤中物理化学行为的因素1）气候与地形地貌 气载流出物中的放射性核素下雨放射性核进入土壤大量降雨加速核素向深层渗透和迁移。地貌影响雨水的吸附，贮积等，如斜坡比平地受放射性核素污染程度少。,2）放射性核素存在的形态和性质 一般情况下，高价阳离子，水合离子半径或等效体积小的离子，极性离子，与土壤颗粒中离子基团反应强烈的离子，与溶液中电荷相反的离子生成络合物可能性较小的离子，在粘粒表面上的交换吸着容量较大。按离子的化合价来说，粘粒矿物的选择性吸附顺序为：四价离子三价离子二价离子一价离子；碱金属与碱土金属的水合离子半径随原子序数增大而减小，其选择性吸附顺序为：Cs+Rb+K+Na+Li+；Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+；,核素形态对交换吸着也有很大影响，一般溶解态的阳离子易被吸着，迁移能力小；难容态的氧化物或沉淀物不易被吸着则随水流在土壤缝隙迁移。如土壤中PuO2的迁移速度比Pu4+快约100倍。以固体微粒形态存在的放射性物质，其粒径及比活度对溶解度及被农作物吸收摄取的程度有明显的影响。,3）土壤的性质 土壤的种类和颗粒大小：粘土的吸附能力大于砂土的吸附能力；颗粒越小，比表面越大，吸附能力越强；土壤的pH值：pH与土壤中的CO2有关，它影响土壤中放射性核素的水解，影响微生物与细菌的活动；,土壤中的配位体：土壤是一个络合-螯合物质体系，其中含有多种天然的无机和有机配位体，可与放射性核素发生络或螯合反应，无机配位体有：HCO3-、CO32-、SO42-、H2PO4-、HPO42-等，有机配位体有：腐殖酸、胡敏酸、富里酸及微生物分解合成的有机产物和分泌物等。例：,土壤中的天然载体：土壤中含有多种常量及微量元素，它们可成为放射性核的天然载体，对其在土壤表面的吸附具有某种竞争及稀释作用，从而减少其吸附量；,土壤的含水量：含水量影响pH、对某些放射性核素有溶解作用、影响微生物及细菌的活动等；土壤中的氧化还原物质：土壤中的氧化剂为氧气、微量高价金属离子和硝酸根等，还原剂主要是有机质。土壤的氧化还原状态会改变放射性核素的价态，从改变其吸附行为。,6.2.3 放射性物质在地下水中的物理、化学及生物行为1、放射性物质在地下水中的存在形态 基本存在形态有溶解状态的无机离子、溶存状态的有机化合物及胶体。放射性核素在地下水中的存在形态与其来源关；与地下水的氧化还原电位、酸碱度及水化学成分等物理化学性质有关。,2、放射性物质的水迁移 放射性物质的水迁移分为两处阶段：第一阶段：放射性物质从岩石中进入水中 放射性核素在水中富集过程；第二阶段：放射性物质在重力水的作用下在地下迁移，其迁移强度与核素在地下水中的存在形式及水的运移方向和速度有关。,3、放射性物质在地下水中的物理化学行为氧化还原反应：放射性核素的电极电位及pH值有关；酸碱反应：放射性核素(金属)在土壤中水解生成H+离子，水解反应受地下水的pH影响十分明显；离子交换和吸附：它们对放射性核素的水迁移能力有很大的影响，其吸着程度与地下水的pH值及化学组成、介质的性质及成分有很大的关系；,配位作用：土壤中含有许多有机和无机配位体，它们能与放射性核素发生络合或螯作用；核素的衰变：一般情况下，短寿命的核素对环境污染面积较小，长寿命的放射性核影响较大。,4、放射性物质在地下水中的生物学行为 某些植物生长能富集放射性核素，某些动植物和微生物的代谢产物可与水中放射性物质的作用，微生物与放射性物质的作用。,如：,6.3 放射性物质在包气带及饱水带地下水中的迁移6.3.1 地下水中物质迁移的基本理论1、多孔介质 包气带土层、潜水层和承压水层介质都是有一定孔隙度的多孔介质。a 多孔介质是一种多相物质，在其所占据的空间中，除固体相外，至少有一相不是固体(为气相或液相)；b孔隙所占的空间在整个多孔介质内接近均匀分布，且比较狭窄，因此，固体骨架的比表面较大；c孔隙空间应有相当部分相互连通，就水在多孔介质中的流动而言，相互连通的孔隙为有效孔隙，不连通的孔隙空间对水在多孔介质中的流动是无效的。,2、溶质的平流输运 地下水在含水地层介质孔隙中流动时，携带着水中的污染物以相同的运移速度在孔隙中迁移，导致污染物的平流输运。污染物随水流运动的迁移通量称为污染物平流通量，它与地下水中污染物浓度成正比：,3、弥散作用 实验：一长度为L的砂柱先用纯水使饱和，从t=0开始，沿断面A连续均匀地注入浓度为C0的守恒示踪剂溶液，浓度和流量保持不变。在t=t时，测得浓度变化曲线呈型。,图为一维均匀流场中某一点连续注入一种守恒示踪剂溶液后，示踪剂在源点周围地下水的弥散情况。,地下水的弥散作用：分子扩散和机械弥散1）分子扩散 多孔介质中污染物的分子扩散可用浓度梯度理论来描述：,a,b,c,2）机械弥散,机械弥散导致的污染通量为：地下水在地层介质中流动时，分子扩散和机械弥散往往是同时存在的两者合称为水动力弥散，相应的污染物弥散通量为：式中K为水动力弥散系数：,4 廓清作用对非守恒污染物应考虑与地下水及介质之间的物理、化学及生物反应所导致的廓清作用。吸附、离子交换、沉淀和衰变降解具有廓清作用，其他反应具有增强或削弱廓清作用的影响。,（1）吸附滞留 吸附解吸、离子交换、可逆性沉淀等廓清作用统称吸附作用。污染物在介质颗粒表面上的吸附会阻滞其迁移，是其在介质中的输运速度小于地下水的运移速度，通过单位距离的输运时间比地下水运移所需时间长，污染区范围比无廓清作用时小。吸附作用对污染物迁移的滞留效应可以阻滞因子加以描述：,（2）衰变 放射性衰变导致地下水核素浓度的变化可用下式表示：,6.3.2 地下水中污染的迁移方程1、饱水介质中的迁移方程1）基本方程 饱水介质中，在稳定均匀流场条件下，如果不考虑迁移过程中地下水的补给和流失，忽略弥散系数的时间变化，假定流速向量为X轴方向，污染物在地下水的二维迁移方程为：,积累项,平流项,弥散项,反应项,6.3.3 地下水中污染的迁移参数的确定 为准确计算污染物在包气带及饱水带地下水中浓度的时空分布，除需要建立符合实际的数学模型外，更重要的是必须根据特定地区地下水的埋藏条件和地层介质的特性，合理准确地确定迁移模型中各参数的数值。需要确定数值的参数包括包气带、潜水层或承压水层的厚度，地下水流向及流速，水力弥散系数，吸附分配系数及阻滞因子等。,
