1фгуп «Сибирский химический комбинат», г. Северск, 2 фгоу впо «Северская государственная технологическая академия»

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ РАЙОНА РАСПОЛОЖЕНИЯ полигона глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов СИБИРСКОго ХИМИЧЕСКОго КОМБИНАТа
Данилов В.В.¹ Истомин А.Д.² Носков М.Д.²

¹ФГУП «Сибирский химический комбинат», г. Северск,

² ФГОУ ВПО «Северская государственная технологическая академия», г. Северск
Одним из способов изоляции жидких радиоактивных отходов (ЖРО) атомных производств, является их захоронение в стратифицированные геологические формации через сеть нагнетательных скважин на специально оборудованных полигонах. Для адекватной оценки последствий, техногенного воздействия на геологическую среду в результате захоронения ЖРО необходимо создание и применение методов математического моделирования. Основой для выполнения модельных расчетов является цифровая модель геологической среды района полигона.

При моделировании различных процессов характерные размеры элементов геологической среды могут изменяться от первых сантиметров (колматация проницаемых пропластков в прифильтровой зоне скважины) до нескольких десятков километров (фильтрацонные и миграционные процессы в осадочной толще). Выполнение модельных расчетов на базе одной универсальной модели геологической среды процессов столь различного масштаба, нецелесообразно вследствие отсутствия фактической информации высокого уровня детальности на большей части рассматриваемой области и технически неосуществимо вследствие ограниченности мощностей современных вычислительных машин. В этой связи, возникает необходимость использования нескольких моделей различных масштабов, увязанных в единую иерархическую модель.

В настоящей работе представлена иерархическая модель, описывающая геологическую среду в районе полигона глубинного захоронения жидких РАО СХК. Иерархическая модель включает в себя модели трех масштабов, сопряженные друг с другом:

модель района расположения полигона (модель I ранга);
модель эксплуатационных и буферных горизонтов и разделяющих их водоупорных пластов в пределах полигона (модель II ранга);
комплекс прискважинных моделей (модели III ранга).

Модель района расположения полигона (модель I ранга) является самой мелкомасштабной моделью. Объектом ее рассмотрения является вся стратифицированная геологическая толща осадочного чехла Западно-Сибирской плиты в этом районе. В разрезе осадочных образований чехла прослеживается неравномерное по площади и в разрезе чередование песчаных и глинистых пород, что предопределяет этажное развитие водоносных и водоупорных горизонтов, характеризующихся фильтрационной неоднородностью в плане и в разрезе.

На территории относящейся к району полигона принята условная система стратификации [1], в соответствии с которой, в разрезе мезокайнозойских отложений выделяется семь литологических горизонтов, преимущественно песчаного состава, которые нумеруются снизу вверх римскими цифрами: I, II, III, IV, IVа, V, VI и восемь глинистых условно водоупорных слоев, которые обозначаются буквами латинского алфавита снизу вверх по разрезу: А1, А2, В, С, Д, Е, F, G. Захоронение жидких РАО осуществляется во II-ой и III-ий (эксплуатационные) горизонты осадочного чехла, которые отделены от вышележащих водоносных слоев и палеозойского фундамента пачкой из глинистых водоупоров и буферных горизонтов.

Н
аправление потока фильтрации во всех горизонтах района западно-юго-западаное, областью питания для них служит Томь-Чулымская водораздельная возвышенность, а областью разгрузки – долина реки Томь [2]. Структура фильтрационного потока является главным фактором, обуславливающим выбор боковых границ области моделирования; эти границы на востоке проходят по Томь-Чулымскому водоразделу, на западе-юго-западе – по руслу реки Томь, c юга и севера модель ограничена руслами рек Самуська, и Б. Киргизка соответственно (рис. 1).

На рисунке 1а жирными линиями показаны границы моделируемых областей. На рисунке 1б прямоугольным контуром показана область вложенной в нее модели II ранга, сплошными линиями выделены границы модели, выделенные по руслам рек Самуська и Б.Киргизка, штрих-пунктиром – граница по водораздельному хребту, зубчатой линией – граница по линии разгрузки.

Нижняя граница моделируемого массива соответствует кровле палеозойского фундамента, а верхняя – дневной поверхности. Общая площадь территории составляет около 400 км². В модели выделяется семь слоев, соответствующих песчаным горизонтам и восемь – глинистым водоупорным пластам; в результате чего общее число моделируемых слоев составляет 15.

М
одель полигона (модель II ранга) описывает область пластов-коллекторов полигона глубинного захоронения жидких РАО. Боковые границы модели II ранга задаются таким образом, чтобы обеспечить нахождение фильтрата отходов в пределах моделируемой области в течение всего проектного времени эксплуатации полигона (рис. 2.). Общая площадь ее территории на порядок меньше площади модели I ранга и составляет 40 км².
В плане моделируемый массив имеет форму прямоугольника, длинная сторона которого ориентирована в субмеридиональном направлении. По вертикали, верхняя граница моделируемого массива соответствует кровле IV – верхнего буферного горизонта, а нижняя – подошве I, нижнего буферного горизонта. Модель описывает непосредственно сами пласты-коллекторы, подстилающий, перекрывающий их буферные горизонты, а также разделяющие их водоупорные слои с помощью 159 слоев, соответствующих литологическим разностям моделируемой слоистой толщи.

В состав описываемой моделью слоистой толщи входят: непосредственно сами пласты-коллекторы, подстилающий, перекрывающий их буферные горизонты, а также разделяющие их водоупорные слои. Модели III ранга описывают геологические структуры эксплуатационного горизонта в областях расположения одной или нескольких нагнетательных скважин. Прискважинные модели используются для описания кольматации фильтровых зон скважин и расчета интенсивных физико-химических процессов, протекающих в пределах пластов-коллекторов в окрестностях нагнетательных скважин. Результаты исследований [3, 4] показывают, что размеры области протекания этих процессов могут достигать сотни метров в зависимости от объема отходов, удаленных через данную нагнетательную скважину. Взаимное перекрытие или даже слияние этих областей, обусловленное пространственной близостью нагнетательных скважин, предопределяет совместное моделирование нескольких нагнетательных скважин с помощью одной модели III ранга. С учетом этого, все эксплуатировавшиеся на полигоне нагнетательные скважины для удаления технологических отходов, сгруппированы в восемь прискважинных моделей (рис. 3). Скважины, используемые удаления нетехнологических отходов пространственно удалены друг от друга на расстояние ста и более метров, вследствие чего для моделирования процессов протекающих в их прифильтровых зонах используется индивидуальные модели.

Все описанные выше модели реализованы в виде трехмерных ячеечных массивов, каждая из ячеек которого представляет собой призму с квадратным основанием (рис. 4). Для модели I ранга размер стороны основания призмы составляет 100 м, для модели II ранга – 25 м, а для прискважинных моделей – 2.5 м. Высоты призм изменяются в зависимости от мощности моделируемого пласта или пропластка.

Каждой из ячеек модельного массива присваивается набор величин, характеризующий ее гидродинамические и геофильтрационные и параметры: начальный гидравлический напор, горизонтальный и вертикальный коэффициенты фильтрации, активная и общая пористость, упругая емкость, вертикальная, продольная и поперечная дисперсивность.

П
ри переходе к модели более высокого ранга в плане ячейка модели низшего ранга замещается 16 (при переходе от региональной к модели полигона) или 100 (при переходе от модели полигона к прискважинным) ячейками модели высшего ранга. По вертикали ячейки замещаются в соответствии с разбиением слоя модели на пропластки. При этом обеспечивается согласованность геофильтрационных и геомиграционных параметров в моделях различного ранга.

Представленная в работе иерархическая модель геологической среды может быть использована для выполнения прогнозных расчетов поведения фильтрата радиоактивных отходов как в прифильровых зонах отдельных скважин, так и в целом для всего района.

Работа поддержана грантом РФФИ № 06-07-96907-р_офи и грантом президента РФ № МК-5625.2006.8.

Список литературы:

Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М., ИздАТ. 1994. 256 с.
Всеволожский В.А. Ресурсы подземных вод южной части Западно-Сибирской низменности. М., Наука. 1973. 88с.
Истомин А.Д., Носков М.Д., Кеслер А.Г. и др. Моделирование распределения радионуклиджов в пласте-коллекторе при глубинном захоронении кислых жидких радиоактивных отходов // Радиохимия. –2007. –Т. 49. –№ 2, –С.182-187.
Истомин А.Д., Носков М.Д., Балахонов В.Г., Зубков А.А., Егоров Г.Ф. Математическое моделирование поведения отработанного органического экстрагента в прискважинной области в случае глубинного захоронения //Атомная энергия. –2005. –Т. 99. –№ 2, –С.127-135.