СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ АДВЕКЦИИ ПОЧВЕННЫХ ГАЗОВ
METHOD TO MEASURE SPEED OF SOIL GASES ADVECTION

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к определению скорости адвекции почвенных газов, и может быть использовано в радиоэкологии, геохимии, геофизике, в сейсмологии при краткосрочном прогнозировании землетрясений, в строительстве при инженерно-экологических изысканиях.
Известен способ определения скорости адвекции почвенных газов [Van der Spoeel W.H. et al. // Health Phys. 1999, v.77(2), p.163-177], основанный на гидродинамической модели, требующий подробной информации о физико-геологических параметрах грунтов и данных о градиентах температур или давлений в грунтах, и заключающийся в том, что в соответствии с гидродинамической моделью скорость адвекции определяют из выражения
2
где k - газопроницаемость породы, м;
-5
µ - динамическая вязкость воздуха (1,83*10 Па·с при Т=20°C);
a
∇P - градиент давления почвенного воздуха в грунте, Па;
a
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
2
g - ускорение силы тяжести, м/с.
a
Газопроницаемость породы k и градиент давления почвенного воздуха в грунте ∇P для исследуемых грунтов измеряют с помощью стандартных приборов и методик.
Недостатками известного способа являются: 1) скорость адвекции почвенных газов и определяют заведомо с большой погрешностью, т.к. формула (1) не учитывает процессов теплообмена и влагооборота в системе «атмосфера-суша», влияющих на величину υ; 2) газопроницаемости породы и градиента давления почвенного воздуха в грунтах измеряют с соответствующей погрешностью, при этом увеличивается суммарная погрешность определения скорости адвекции почвенных газов.
1
2
1
Известен способ определения скорости адвекции почвенных газов [Патент РФ №2239206, МПК7 G01T 1/178, G01N 23/223, опубл. 27.10.2004], выбранный в качестве прототипа, основанный на диффузионно-адвективной модели переноса радона в пористых средах, и заключающийся в том, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 м до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h от 0,2 м до 0,5 м, а в другой - на глубине h=2h, а затем скорость адвекции почвенных газов определяют из выражения:
1
1
3
где A - объемная активность радона на глубине h, Бк/м;
2
2
3
А - объемная активность радона на глубине h, Бк/м;
1
h - глубина, на которой производят первое измерение, м;
e
2
D - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона, м/с;
-1
λ - постоянная распада радона, с.
-3
-3
-3
-4
-3
1
2
1
2
Недостатком известного способа-прототипа является ограничение на верхнюю границу диапазона оценок скорости адвекции ~10 см/с. Это объясняется тем, что при увеличении скорости адвекции до величины ~10 см/с, значение объемной активности радона, измеренное на грубине h, становится равным значению, измеренному на глубине h. Это иллюстрируется графиками, представленными на фиг.1, где видно, что при скорости адвекции υ=0 см/с (кривая 3) или υ=10 см/с (кривая 2) объемная активность радона сильно изменяется на глубинах от 20 до 100 см. А при скорости адвекции υ=10 см/с (кривая 1) объемная активность радона на рекомендуемых глубинах измерения от 20 до 100 см одинаковая. Таким образом, при скорости адвекции υ=10 см/с и выше значение А будет равно значению A, при этом формула (2) не имеет решения.
Задачей изобретения является разработка способа измерения скорости адвекции почвенных газов в более широком диапазоне значений.
Поставленная задача решена за счет того, что способ измерения скорости адвекции почвенных газов, также как и в прототипе, основан на диффузионно-адвективной модели переноса радона в пористых средах.
226
232
Согласно изобретению измеряют на исследуемом участке плотности потоков радона и торона с поверхности грунта, и удельные активности Ra и Th в поверхностном слое грунта, а затем скорость адвекции определяют из выражения:
где ;
Tn
Rn
-2
-1
q и q - плотности потоков торона и радона соответственно, Бк м с;
Ra
Th
1;
A и A - удельные активности радия-226 и тория-232 в грунте, Бк кг-
e
2
-1
D - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона/торона, м с;
Tn
Rn
-1
λ и λ - постоянные распада торона и радона соответственно, с.
Tn
Rn
Измеряемые значения плотностей потоков радона и торона автоматически учитывают адвективный перенос почвенных газов в реальных климатических и погодных условиях и физико-геологические свойства грунтов. Использование в данном способе величин плотностей потоков радона и торона позволяет избавиться от ограничений на верхнюю границу диапазона оценок скорости адвекции. Для реализации способа параметр B должен удовлетворять условию 1<B<λ/λ=5937. На практике это условие всегда выполняется для всего многообразия пород и грунтов. Предлагаемый способ позволяет измерять скорость адвекции почвенных газов в более широком диапазоне значений от 0 см/с и вплоть до 1,5 см/с, если таковые существуют на практике.
Термин "адвекция", активно используемый за рубежом [Mosley R.В., Menetrez M.Y., Snoddy R., Brubaker S.A. The influence of diffusion and advective flow on the distribution of radon activity within USEPA's soil chamber // Environmental International. 1996. V.22. (Suppl.l) P.521-533], был введен для обозначения перемещения радона под воздействием внешних сил, таких как градиент давления, температуры, теплообмен и влагооборот в системе «литосфера-атмосфера» и других, имеющих место в рассматриваемой ситуации, кроме молекулярной диффузии. В России был введен условный термин "конвекция" [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. Л., 1975. 406 с.] для обозначения перемещения радона под действием тех же перечисленных выше внешних воздействий, который на некоторое время прижился в России и за рубежом среди ученых, занимающихся радоновой тематикой. Однако, чтобы избежать путаницы в подразумеваемых под условным термином "конвекция" процессах переноса радона, здесь используется термин "адвекция".
Физико-химические свойства радиоактивных газов радона и торона практически не отличаются [Сердюкова А.С., Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и короткоживущие продукты их распада в природе. - М.: Атомиздат, 1979. - 294 с.], поэтому коэффициенты диффузии радона и торона являются при одних и тех же условиях одинаковыми.
Почвенные газы всегда содержат радиоактивные газы радон и торон, которые являются продуктами распада содержащихся в земной коре радионуклидов радия-226 и тория-232. В предлагаемом способе измерения скорости адвекции почвенных газов радон и торон являются удобными для измерений индикаторами, а их совместное использование с привлечением диффузионно-адвективной модели переноса позволяет определять скорость адвекции из простого аналитического выражения (3).
-3
-4
На фиг.1. представлена зависимость объемной активности радона в почвенном воздухе от глубины при различных значениях скорости адвекции, где кривая 1 соответствует скорости адвекции υ=10 см/с, кривая 2-υ=10 см/с, кривая 3-υ=0 см/с.
Изобретение иллюстрируется следующим примером:
-2
2
-2
-1
-2
-1
226
-1
232
-1
-3
2
-1
Rn
Tn
Ra
Th
e
Для измерений скорости адвекции почвенных газов выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем г.Томска. На грунт установили устройство (патент РФ №97540), содержащее накопительную камеру объемом 3,14 л, высотой 0,1 м и площадью основания S=3,14·10 м, с расположенным внутри нее сцинтилляционным альфа-детектором БДПА-01 (НТЦ «Радэк»), который регистрирует электрические импульсы от попавшего внутрь него альфа-излучения. Импульсы усиливаются блоком усиления сигнала и передаются в счетчик для подсчета и затем передаются в ЭВМ для программной обработки. ЭВМ содержит программу для перевода количества зарегистрированных импульсов от альфа-излучения в скорость счета импульсов и определения плотности потоков радона и торона по алгоритму, основанному на анализе кривой роста скорости счета импульсов от альфа-излучения внутри накопительной камеры, а также на расчетных данных, полученных при решении системы уравнений баланса объемной активности радона, торона и продуктов их распада внутри накопительной камеры [Яковлева B.C., Зюбин С.А., Каратаев В.Д. Динамика радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры для измерения плотности потока с поверхности земли // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Сборник трудов международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьева. - Томск: ТПУ, 2009 - Т.1. - С.214-221]. Определенные программой значения плотностей потоков радона и торона с поверхности исследуемой площадки составили q=98,5 мБк м с и q=1980 мБк м с. Затем произвели отбор пробы грунта по стандартной методике [ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб] и произвели спектрометрический анализ грунта с помощью полупроводникового гамма-спектрометра на основе германиевого детектора ДГДК-100B согласно инструкции по эксплуатации спектрометра. Измеренная удельная активность Ra составила A=58,6 Бк кг, а удельная активность Th-A=42,1 Бк кг. Рассчитанный параметр В составил 14,44. Скорость адвекции почвенных газов, рассчитанная из выражения (3), составила 1,34·10 см/с при эффективном коэффициенте диффузии радона D=0,03 см с.