Моделирование загрязнения подземных вод в случае аварийных ситуаций на объекте уничтожения химического оружия в пос. Кизнер

С использованием методов математического моделирования специалистами кафедры природопользования и экологического картографирования УдГУ были проанализированы и оценены воздействия на подземные воды при штатной работе объекта уничтожения химического оружия в районе пос. Кизнер и последствия наиболее опасных аварийных ситуаций, таких как:Специфика подземных вод как компонента окружающей среды связана с большой длительностью процессов, приводящих как к их загрязнению, так и к самоочищению. Инерционность процессов, протекающих в геологической среде, ограничивает возможности их непосредственного исследования и повышает значимость расчетных методов.

• проектная авария, при которой происходит полная разгерметизация трубопровода от агрегата расснаряжения в реактор с проливом ОВ по площади пола;
• запроектная авария, при которой происходит разрушение одного боеприпаса при проведении погрузочно-разгрузочных работ или при диверсии с проливом всего количества ОВ, содержащегося в боеприпасе.

Расчет осаждения ОВ при аварийных ситуациях выполнялся для варианта «мокрого» осаждения, т.е. предполагается, что в момент аварии идет дождь. В данном случае из атмосферы на почву осаждается большее количество ОВ, чем в случае «сухого осаждения». Расчет был выполнен для двух вариантов скорости ветра — 1 м/с и 4 м/с и двух наиболее неблагоприятных вариантов направления ветра — на п. Кизнер и на зону проектируемых водозаборных сооружений (участок Асинер). Расчеты показали, что, несмотря на принятые максимально жесткие условия, количества ОВ, осевших на поверхности земли, в целом будут ничтожно малы (не более 0,3 г на площадь 4 га по зарину, не более 0,2 г на площадь 4 га по зоману, не более 0,004 г на площадь 4 га по VX, не более 2 г на площадь 4 га по люизиту). При фоновых концентрациях мышьяка в почвах порядка 2 мг/кг последнее будет означать прирост концентрации этого элемента порядка 1% к существующему его содержанию на участке наибольшего осаждения в случае аварии с наиболее неблагоприятным сценарием.

При разработке геофильтрационной модели были использованы характеристики представленных в данном районе водоносных комплексов (табл. 1) согласно результатам завершенной в 2002 г. геологической и гидрогеологической съемки масштаба 1:200000 [1]. Вследствие больших по размеру областей фильтрации в качестве границ области моделирования могут выступать долины р. Люга и ее относительно крупных притоков, таких как р. Ягулка, и их водораздел. Внешние границы принимаются как непроницаемые; подтверждением корректности такого задания границ служит распределение уровней подземных вод во всех водоносных пластах. Они с некоторой долей условности согласуются с рельефом (по крайне неравномерно распределенным по площади скважинам). Наибольшее внимание при моделировании уделялось нижнеказанской карбонатно-терригенной свите как основному водоносному горизонту рассматриваемого района. Верификация геофильтрационной модели проводилась по данным о распределении уровней подземных вод и объемов водоотбора. В качестве критерия достоверности созданной модели выбрано соответствие модельных значений уровня подземных вод, измеренным в скважинах; результаты верификации приведены в табл. 2.

В соответствии с теорией фильтрации [2] движение жидкости в пористых средах при не очень больших скоростях хорошо описывается уравнением Дарси (1)

где p задает градиент напора, k — коэффициент напора (см. табл. 1), H — пористость среды, для плотных песчаных пород принимаемая 0,1.

Несжимаемость жидкости приводит к уравнению для напора, которое должно выполняться внутри расчетной области (2)

при заданных значениях напора на границе  

В результате решения задач (1) и (2) получается распределение скоростей движения жидкости внутри рассматриваемой области. Полученные скорости могут быть использованы для решения задачи фильтрации ОВ в заданном потоке (3)

где D — коэффициент диффузии, С — концентрация ОВ. Последнее уравнение позволяет рассмотреть эволюцию ОВ от заданного начального распределения, первоначально принимаемым гауссовым C(r) = C₀ exp (—r² / 2R²)  (4),

где r — расстояние от точки пролива, а параметры C₀ , R определяются количеством разлитых ОВ.

Состав пород гидрогеологических подразделений, включенных в модель, представлен в таблице 1. При этом активная для миграции пористость на основании данных региональных геологических исследований [1] принята 0,21 — для песчаных разностей и 0,29 — для глинистых. Пористость карбонатных пород принимается равной 0,1.

Численное моделирование двумерной задачи распространения ОВ подземными водами проводилось с помощью конечно-элементного пакета FreeFEM++ 2.6 на сетке с общим числом узлов на границе — 260, внутри области — 3797, числом треугольников — 7332 и квадратичной аппроксимацией функций.

Отравляющие вещества имеют свойство разлагаться со временем, однако достоверных данных по скоростям разложения этих веществ и их производных в подземных водах нет. Растворимость в воде отравляющих веществ различна. Зарин хорошо растворяется в воде и уже в воздухе начинается процесс гидролиза. Зоман и VX ограниченно растворимы в воде и устойчивы в атмосфере. Гидролиз зарина и зомана катализируется металлами, обычно растворенными в подземных водах. Скорость гидролиза VX зависит от рН: изменяется от года при рН 7 до суток при рН 9,5. В рассматриваемых условиях величины рН в почве составляют от 4,7 до 6,0; в подземных водах от 6,5 до 8,7. Зоман разлагается в почвах с периодом полураспада до 10 сут., VX разлагается на 90% за 15 сут., зарин — за 5 сут. [3]. На основании изложенного предполагается, что при проливе зарин полностью гидролизуется в течение нескольких часов и продукты его разложения не токсичны. Ввиду отсутствия достоверных данных о поведении зомана и VX в реальных условиях водоносных горизонтов приняты максимально жесткие условия:

• снижение концентраций их за счет гидролиза в расчет не включается;
• скорость миграции принимается равной скорости фильтрации воды (максимально возможной).

На основании этих данных можно принять, что все количество зомана и VX, попавших в землю при проливе, при определенных условиях (например, дождя в момент пролива) может дойти до водоносного горизонта. Поскольку питание водоносного горизонта определяется в основном атмосферными осадками, попадание которых в грунт создает градиент напора, равный единице, то среднюю скорость распространения ОВ вместе с водой можно принять равной коэффициенту вертикальной фильтрации (табл. 1). Рельеф напорных уровней подземных вод в сочетании со свойствами пород определяет скорости движения подземных вод. Особенностью района проектируемой промзоны является наличие в непосредственной близости от нее (к северу и западу) участка малоподвижных вод, приуроченного к водоразделу рр. Люга и Тыжма.

При прогнозе последствий аварийных ситуаций учитывались направления и скорости движения подземных вод как при существующем положении, с отбором в п. Кизнер до 2 тыс. м3 в сутки, так и при выводе из работы водозабора в п. Кизнер и вводе водозабора «Асинер», с отбором до 9 тыс. м3/сут. Во втором случае закономерно имеет место небольшое уменьшение скоростей вблизи Кизнера и рост их в районе нового водозабора. На районе проектируемого объекта в силу его водораздельного расположения это практически не сказывается.

Общее число возможных вариантов расчета даже при ограниченности числа учитываемых сценариев практически неограниченно (скорости и направления ветра и их сочетания, полнота осаждения выбросов и т.п.). При ориентации на наиболее жесткие условия в общей сложности было выполнено более 100 вариантов расчетов для разных условий загрязнения подземных вод при штатной работе ОУХО и при аварийных ситуациях. При этом источник загрязнения подземных вод от осаждения выбросов является площадным, а время фильтрации ОВ до нижнеказанской карбонатно-терригенной свиты составляет от 130 лет в пределах пониженных элементов рельефа, включая районы пос. Кизнер и проектируемого водозабора «Асинер», до 170 лет непосредственно в районе проектируемой промзоны. Ниже представлены результаты расчетов для зомана, как для вещества с наиболее неблагоприятным соотношением выбросов и величины ПДК. По VX и люизиту расчетные концентрации во всех случаях на 2-3 порядка ниже; для зарина, как вещества нестойкого, расчеты загрязнения подземных вод не выполнялись.

Поскольку проектируемая промзона размещается на водораздельном участке, а источник загрязнения за счет осаждения выбросов носит площадной характер, потоки загрязняющих веществ в подземных водах будут направлены в разные стороны: к рр. Люга и Тыжма и по общему направлению потока — на запад, к р. Вятка. При штатном режиме работы по веществу с наиболее неблагоприятным соотношением ПДК и объемов выбросов (зоман) максимальные концентрации в местах разгрузки в рр. Люга и Тыжма, а также в районе водозабора п. Кизнер будут достигнуты через 40 лет после окончания фильтрации на уровень нижнеказанской карбонатно-терригенной свиты (т.е. через 170-210 лет) и составят на всех трех участках от 0,004 до 0,006 ПДК.

При оценке последствий аварийных ситуаций в целях максимального ужесточения условий расчета было также принято, что в случае аварии при работе существующих водозаборов в п. Кизнер ветер в момент аварии будет направлен к п. Кизнер, а в случае аварии при работе проектируемого водозабора «Асинер» — к водозабору «Асинер». Отсюда вытекают различия в расположении и формах областей загрязнения. Перенос будет происходить в направлении р. Тыжма и п. Кизнер, с разгрузкой через 160-170 лет. При этом максимальные концентрации составят 0,02-0,04 ПДК. Водозабор «Асинер» и в этом случае останется полностью незатронутым.

Наиболее неблагоприятный результат был получен для крайне маловероятного варианта, при котором выбросы ОВ постоянны и соответствуют величине ПДКрз на границе СЗЗ, т.е. их максимально допустимому уровню. В этом случае сформируется относительно изометричная в плане область загрязнения с максимальными концентрациями до 0,14 ПДК по зоману.

Поскольку в модели при всех факторах неопределенности принимались наиболее жесткие условия, приведенные значения следует рассматривать как максимальные. Результаты моделирования свидетельствуют о невозможности опасного загрязнения подземных вод как при штатной работе, так и при аварийных ситуациях.

Таблица 1
Краткая характеристика подразделений гидрогеологической стратификации

Таблица 2
Распределение натурных и модельных уровней в водоносных пластах