СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОНВЕКЦИИ ПОЧВЕННЫХ ГАЗОВ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/178 G01N23/223 

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к определению скорости конвекции почвенных газов, и может быть использовано в геохимии, в геофизике, в сейсмологии при краткосрочном прогнозировании землетрясений, в радиоэкологии при инженерно-экологических изысканиях.

Существующие способы определения скорости конвекции почвенных газов основаны на гидродинамической модели, требуют подробной информации о физико-геологических параметрах грунтов и данных о градиентах температур или давлений в грунтах.

Известен способ определения скорости конвекции, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в том, что в соответствии с гидродинамической моделью скорость конвекции определяют по формуле (закон Дарси) [van der Spoeel W.H. et al. // Health Phys. 1999, V.77(2), pp.163-177]:

где k - газопроницаемость породы, м;

- динамическая вязкость воздуха (1,83·10^-5 Па·с при Т=20°С);

P_a - давление воздуха, Па;

ρ_a - плотность воздуха, кг/м³;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

Газопроницаемость (k) и градиент давления (▿P_a) для исследуемых грунтов измеряют с помощью стандартных приборов и методик.

Недостатками известного способа являются: 1) скорость конвекции (υ) определяется заведомо с большой погрешностью, т.к. формула (1) не учитывает процессов теплообмена и влагооборота в системе атмосфера - суша, влияющих на величину ; 2) необходимость измерения газопроницаемости и градиента давления почвенного газа в грунтах, которые также определяются с соответствующей погрешностью, увеличивая тем самым суммарную погрешность определения скорости конвекции.

Задачей изобретения является разработка простого, дешевого и достоверного способа определения скорости конвекции почвенных газов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения скорости конвекции почвенных газов, основанном на диффузионно-конвективной модели переноса радона в пористых средах [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. Л., 1975, 406 с.], согласно изобретению 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 h₁ причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, а затем скорость конвекции определяют из выражения:

где А₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

А₂ - объемная активность радона на глубине h₂, Бк/м³;

h₁ - глубина, на которой производят первое измерение, м;

D_e - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона, м²/с;

λ - постоянная распада радона, с^-1.

Ограничение на максимальное расстояние между двумя точками измерения, равное 1 м, обусловлено тем, что свойства грунтов при измерениях должны быть одинаковыми. Минимальное расстояние, равное 0,2 м, связано с техническими сложностями проведения измерений на меньших расстояниях. Рекомендуемые глубины измерений от 0,2 до 1 м обусловлены следующими причинами: 1) на таких глубинах объемная активность радона изменяется достаточно быстро, что позволяет снизить погрешность определения скорости конвекции; 2) глубина h₁, на которой производится первое измерение, не должна быть меньше 0,2 м, т.к. на меньших глубинах велико влияние атмосферных условий, что приводит к снижению достоверности полученных результатов; 3) с увеличением глубины измерений больше 1 м повышается их стоимость и снижается точность определения скорости конвекции.

Измеряемые значения объемной активности радона автоматически учитывают конвективный перенос почвенных газов в реальных климатических и погодных условиях и физико-геологические свойства грунтов. Поэтому предлагаемый способ не требует дополнительных измерений, связанных с определением газопроницаемости грунтов и градиента давления почвенных газов, а использование глубин, отличающихся в 2 раза, позволяет определить скорость конвекции из простого аналитического выражения (2).

Таким образом, предлагаемый способ определения скорости конвекции почвенных газов является простым и дешевым, т.к. не требует проведения измерений, связанных с определением газопроницаемости грунтов и градиента давления почвенных газов. Предлагаемый способ является достоверным, т.к. найденные из выражения (2) значения скорости конвекции не содержат погрешностей, связанных с определением газопроницаемости грунтов и градиента давления, не требуют модельных представлений о сложном процессе конвекции почвенных газов, а также автоматически учитывают процессы теплообмена и влагооборота в системе атмосфера - суша, влияющие на величину скорости конвекции почвенных газов.

Почвенные газы всегда содержат радиоактивный газ радон, который является продуктом распада содержащегося в земной коре урана (радия). В предлагаемом способе определения скорости конвекции почвенных газов радон является удобным для измерений индикатором. Кроме того, для описания переноса радона в почвогрунтах разработана диффузионно-конвективная модель [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. Л., 1975. 406 с.], которая хорошо апробирована на практике и широко используется при поиске урановых руд и оценках радоноопасности территорий [Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.]. В соответствии с этой моделью распределение объемной активности радона по глубине описывается выражением:

где z - глубина, м;

- равновесная объемная активность радона, Бк/м³;

D_e - эффективный коэффициент диффузии радона, м²/с;

- скорость конвекции радона, м/с;

λ - постоянная распада радона, с^-1.

Если известны значения объемной активности радона на двух различающихся в два раза глубинах, то, используя выражение (3), можно получить формулу (2) для определения скорости конвекции υ.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Для измерений объемной активности радона в почвенном воздухе выбрали площадку, расположенную в “Лагерном саду” г.Томска, на которой пробурили два шпура на расстоянии 0,5 м друг от друга специально изготовленным буром. Первый шпур глубиной 35 см (h₁), второй глубиной 70 см (h₂) и оба диаметром 5,5 см. В каждый шпур помещали индивидуальный пассивный радиометр радона (ИПРР) с нитроцеллюлозным трековым детектором α-частиц, входящий в комплекс средств измерений интегральной объемной активности ²²²Rn в воздухе трековым методом (АИСТ-ТРАЛ), (Санкт-Петербург). Шпуры герметично закрывали сверху и выдерживали в течение 3 суток. Затем ИПРР вынимали и определяли объемную активность радона первого (А₁) и второго (A₂) трековых детекторов согласно инструкции по эксплуатации комплекса АИСТ-ТРАЛ. Измеренное значение A₁ составило 6,8 кБк/м³, А₂ 11,4 кБк/м³. Скорость конвекции почвенных газов, рассчитанная по формуле (2), составила 1,7·10^-4 см/с при эффективном коэффициенте диффузии радона D_e=0,032 см/с.

Использование: в геофизике, в сейсмологии, в радиоэкологии. Сущность: способ основан на модельных представлениях о переносе почвенных газов в пористых средах, причем одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, а затем рассчитывают скорость конвекции почвенных газов. Технический результат - упрощение способа, повышение достоверности измерений.

Способ определения скорости конвекции почвенных газов, основанный на модельных представлениях о переносе почвенных газов в пористых средах, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, а затем скорость конвекции почвенных газов определяют из выражения

где A₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

А₂ - объемная активность радона на глубине h₂, Бк/м³;

h₁ - глубина, на которой производят первое измерение, м;

D_e - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона, м²/с;

λ - постоянная распада радона, с^-1.