郭永海，蘇 銳，季瑞利，王海龍，劉淑芬，宗自華，董建楠，張 明

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

安全處置我國高放廢物，首先需要選擇合適、安全的場址。地下水是核素運移的載體，對核廢物具有溶解和遷移能力，對工程屏障具有侵蝕破壞作用，因此，場址的適宜性、安全性在很大程度上取決于水文地質(zhì)條件。而場址水文地質(zhì)評價不僅需要把握預(yù)選區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)特征，也要認清重點預(yù)選地段的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水循環(huán)交替規(guī)律和流場特征等，同時，建立場址水文地質(zhì)研究和評價方法［1-3］。筆者從處置庫選址的特殊要求出發(fā)，一方面，從區(qū)域上闡述了北山宏觀水文地質(zhì)條件和地下水循環(huán)交替特征，并對北山區(qū)域作為處置庫場址預(yù)選區(qū)的水文地質(zhì)適宜性進行綜合分析和判斷；另一方面，對作為處置庫場址各候選重點地段的水文地質(zhì)可靠性進行了評價，通過對比排序，提出了北山預(yù)選區(qū)的重點地段，為進一步選址提供了依據(jù)，并為北山地區(qū)后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)背景概況

研究區(qū)位于甘肅省西部河西走廊以北的戈壁荒漠地帶，行政上主要隸屬于甘肅省酒泉地區(qū)、玉門地區(qū)和內(nèi)蒙古額濟納旗等行政區(qū)。

北山地區(qū)地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，降水稀少，蒸發(fā)量大，日照時間長，四季多風(fēng)，冬冷夏熱，氣候干燥，是我國極度干旱地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)多年平均降水量50～120 mm。

從流域角度分析，北山地區(qū)屬于黑河流域的一個子流域，位于黑河流域的西北部，即黑河下游沖積平原的西側(cè)。該區(qū)地表雖無常年流水，但季節(jié)洪水形成的水系十分發(fā)育。

區(qū)內(nèi)巖漿巖分布廣泛，出露面積約占北山地區(qū)基巖總面積的1/3，主要分布于馬鬃山、公婆泉、尖山、三道明水、將軍臺、舊井和新場—向陽山等地。花崗巖是目前北山地區(qū)處置庫的主要候選圍巖。

區(qū)內(nèi)主干構(gòu)造線的壓性、壓扭性斷裂帶和褶皺軸面均呈EW或近EW向展布，且發(fā)育與其配套的SN向張性和NE、NW向扭性斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造以EW、NW及NE向為主，其他方向次之（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置及構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.1 Location and tectonic map of study area

2 花崗巖體滲透性能

至2009年，高放廢物地質(zhì)處置項目在該區(qū)施工深度500至700 m的鉆孔6個，其中 BS03、BS05和 BS06孔采用德國高達公司（Golder Associates GmbH）生產(chǎn)的“雙栓塞”水文地質(zhì)試驗系統(tǒng)進行了水文地質(zhì)試驗。

滲透系數(shù)試驗結(jié)果表明，滲透系數(shù)值分布在 1×10-5～1×10-12m·s-1之間，與深度的關(guān)系不甚明顯，巖性、自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、膠結(jié)程度和溶蝕等因素都會影響滲透系數(shù)的分布。因此，對于不同地區(qū)，因為所處地質(zhì)條件不同，每種因素的影響程度也會存在明顯差異。根據(jù)巖性相同的4個鉆孔中獲得的數(shù)據(jù)可以初步推測，北山地區(qū)控制滲透性能的主導(dǎo)因素不是自重應(yīng)力，而應(yīng)該是地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)然，僅僅根據(jù)4個鉆孔的數(shù)據(jù)難以總結(jié)出總體的規(guī)律性，要想獲得可靠的規(guī)律性認識，還需要更多數(shù)據(jù)的支持。

從滲透系數(shù)的量級來看，大多小于10-7m·s-1，與國外處置庫場址對比，這樣數(shù)量級的滲透系數(shù)是比較小的，而該地區(qū)的水力坡度一般在1/1000之內(nèi)，因此可以說明，北山巖體深部的滲透能力很差，不利于核素的遷移，也就是說有利于高放廢物的深地質(zhì)處置。

3 地下水動態(tài)特征

自2005年以來，在該區(qū)逐步開展了鉆孔地下水水位動態(tài)監(jiān)測工作，根據(jù)所獲得的幾個觀測井水位動態(tài)特征分析，初步認為，該區(qū)深部基巖裂隙水水位動態(tài)類型屬于弱入滲-徑流型，溝谷潛水屬于入滲-蒸發(fā)-徑流型。由此說明，北山地下水與降水是相關(guān)的，同時也進一步證明了筆者以往關(guān)于北山地下水來自當(dāng)?shù)卮髿饨邓a給的認識。

樂都區(qū)氣候濕潤、生態(tài)環(huán)境較好，具有發(fā)展蔬菜生產(chǎn)得天獨厚的條件。近些年來，樂都區(qū)依托河湟谷地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展機遇，蔬菜產(chǎn)業(yè)迎來了較大規(guī)模發(fā)展。西葫蘆(Cucurbita pepo L.)是樂都地區(qū)主要的蔬菜種植種類，利用設(shè)施栽培可達到周年生產(chǎn)與供應(yīng)，是供給我省菜籃子的重要蔬菜之一。但是，伴隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，一些制約蔬菜生產(chǎn)的問題也日益顯現(xiàn)，如多年重茬和連茬栽培，導(dǎo)致西葫蘆病毒病、白粉病和灰霉病等病害在栽培中廣泛發(fā)生且較為嚴重，不但使產(chǎn)量下降明顯，而且種植戶經(jīng)濟效益也受影響。

監(jiān)測結(jié)果顯示，巖體深部觀測井在觀測期內(nèi)的水位變幅很小，且對降水表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象，這也充分說明，目前所選擇的處置庫巖體滲透能力差，接受降水入滲補給的能力也很差，與巖體滲透性能研究結(jié)果吻合。

4 水文地球化學(xué)研究

4.1 地下水化學(xué)特征

經(jīng)對200余組地下水化學(xué)測試結(jié)果統(tǒng)計，北山地下水的pH值介于7.39～10.14之間；水溫介于8～17℃之間；地下水總?cè)芙夤腆w（TDS）變化在0.7～19g·L-1之間。地下水的主要化學(xué)類型為 Cl·SO4—Na 和 SO4·Cl—Na，其次為 Cl—Na·Ca。

4.2 地下水化學(xué)分布特征

低中山區(qū)為地下水的補給區(qū)。降水多，徑流條件良好，水循環(huán)交替頻繁，流經(jīng)途徑短，礦化度多小于1 g·L-1，水化學(xué)類型主要為 Cl·SO4·HCO3—Na·Ca 型。

低山區(qū)為地下水補給、徑流區(qū)。有些地區(qū)，主要表現(xiàn)出補給區(qū)特點。水化學(xué)特征基本與低中山區(qū)相似。有些地區(qū)，補給徑流條件相對較好，水循環(huán)交替頻繁，但流經(jīng)途徑較長，因此，一般礦化度位于1～2 g·L-1。由于馬鬃山東、西段巖性不同，水化學(xué)類型也不相同。大口子以東，以花崗閃長巖為主，為Cl·SO4—Na型水，大口子以西，變質(zhì)作用影響較大，水化學(xué)類型為 SO4·Cl—Na·Ca型。

山前地帶及丘陵區(qū)，主要為地下水徑流區(qū)。距離補給區(qū)近，流經(jīng)途徑短，水力坡度大，因此，礦化度一般為1～2 g·L-1。由于主要受變質(zhì)巖區(qū)地下水補給，水化學(xué)類型與大口子以西低山區(qū)相近，為SO4·Cl—Na·Ca型。

山前地帶，基巖裂隙水常轉(zhuǎn)化為白堊系層間水。由于流經(jīng)途徑較長，徑流條件較差，礦化度均大于 2 g·L-1，小于 3 g·L-1，水化學(xué)類型為 Cl·SO4—Na 型。

盆地一般為地下水局部排泄區(qū)，徑流條件差，流經(jīng)途徑長，大量溶濾鹽份，礦化度在3 g·L-1以上。火成巖、變質(zhì)巖丘陵區(qū)因補給徑流條件差，局部含水段因蒸發(fā)濃縮使礦化度高達5 g·L-1以上。水化學(xué)類型均為Cl·SO4—Na 型。

除水平分帶性外，層間水還表現(xiàn)出垂直分帶性，上部礦化度一般小于 5g·L-1，下部均大于 5 g·L-1，其主要原因是下部徑流條件差。

5 地下水同位素特征

5.1 氫、氧同位素特征

深部地下水氫、氧同位素特征：由于區(qū)內(nèi)地下水露頭多為淺井或下降泉，在研究區(qū)內(nèi)只取到深部地下水樣品5個，分別取自BS04鉆孔137至174.44 m深度和BS03鉆孔不同深度，BS04鉆孔地下水同位素測試結(jié)果為：δD，-75.9‰；δ18O，-5.8‰；氚，7.74 TU。

將δD和δ18O數(shù)據(jù)點繪在圖上，并與全球雨水線對比，可以看出，區(qū)內(nèi)地下水同位素組成主要分布在全球雨水線的附近和右下側(cè)，說明地下水起源于當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓霛B補給。位于全球雨水線的附近及上方的水點，多取自地下水循環(huán)交替較快的溝谷內(nèi)，受蒸發(fā)濃縮作用影響較弱。而位于全球雨水線右下側(cè)的水點，其重同位素含量相對較高，這種地下水重同位素相對富集的現(xiàn)象可以解釋為受淺層蒸發(fā)作用所致，因為研究區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)，受蒸發(fā)作用的影響，無論是淺部地下水還是大氣降水，都受到強烈的蒸發(fā)作用而導(dǎo)致地下水重同位素含量明顯高于地表水同位素組成的情況，它表明淺部地下水的循環(huán)交替能力是較強的，這點從地下水的氚含量較高也可以得到進一步的說明［4-5］。

5.2 地下水14C年齡

用14C測定地下水年齡是同位素水文學(xué)中的重要方法之一。14C測年是通過測定水中溶解含碳物質(zhì)的14C年代來實現(xiàn)的。如果含碳物質(zhì)（及其14C）隨水分子同步運移，就可以把水中含碳物質(zhì)的年齡看成是地下水的年齡。一般地這種方法較適用于埋藏較深的地下水。

受取樣條件限制，僅對BS05鉆孔采集了地下水14C樣品，并獲得了測試數(shù)據(jù)（表1）。由該表數(shù)據(jù)可見，巖體深部地下水14C年齡高達8000 a左右，說明取自鉆孔深部的地下水在地下的滯留時間很長，也就說明了深部地下水的循環(huán)交替能力是很微弱的，即地下水的滲透能力很差，這對高放廢物處置是有利的。今后的工作中，還應(yīng)加大該區(qū)地下水14C定年研究，獲得更多有價值的地下水14C年齡數(shù)據(jù)。

表1 地下水14C年齡測試結(jié)果Table 1 Measured results of groundwater14C age

野外調(diào)查及地下水氫、氧同位素分析表明，高放廢物處置庫北山預(yù)選區(qū)淺部地下水為大氣降水入滲補給形成，為近期入滲補給形成的地下水，滯留時間較短，反映淺部含水系統(tǒng)水循環(huán)交替速度快，更新周期短的特征；此外，淺部地下水氚含量變化較大，高者可達45.82 TU，低者小于1 TU，反映了淺部地下水系統(tǒng)在循環(huán)交替能力方面存在明顯差異，氚含量較高的地下水樣品多取自補給區(qū)，地下水在地下滯留時間短，氚含量與當(dāng)?shù)卮髿饨邓嘟?，水的年齡相對較小；而氚含量較低的地下水樣品多取自徑流區(qū)和排泄區(qū)，說明這種類型的地下水一般均在地下滯留了一定的時間，地下水的年齡也相對較老。而深部地下水的氚含量明顯低于淺部地下水，說明深部地下水滯留時間較長，地下水14C年齡數(shù)據(jù)與此相吻合。

6 地下水CFC研究

CFC法是近20余年來發(fā)展起來的、適用于年輕地下水測年的新方法。為進一步揭示北山地下水的形成問題，開展了CFC地下水測年方法在北山地區(qū)的應(yīng)用研究。

為探討該區(qū)地下水的循環(huán)交替特征、地下水補給條件和途徑，在研究區(qū)中部的丘陵地區(qū)初步嘗試了地下水CFC定年研究。

樣品在國際原子能機構(gòu)（IAEA）測試，結(jié)果見表2。

由地下水CFC測年結(jié)果可見，在降水量極少的干旱地區(qū)，地下水接受補給的能力是非常差的。對于包氣帶以砂為主，厚度小于2 m的下部潛水而言，地下水接受補給的能力應(yīng)當(dāng)是很強的，5個地下水取樣點，水位埋深都小于2 m，地下水的年齡卻已經(jīng)達到了15～26 a，北山地區(qū)的氣候是極端干旱的，50～120 mm的多年平均降水量主要集中在蒸發(fā)量較大的6～8月份；多數(shù)降雨不能形成地表徑流，雨后又很快被蒸發(fā)。即使能夠形成地表徑流，但由于每次降雨量不大，滲入地下的水量很少，能夠濕潤包氣帶的深度也極為有限。據(jù)野外實地觀測，次降雨量達到15 mm時，所能濕潤的包氣帶深度不足0.5 m，雨后5～10 d，被濕潤的包氣帶又在強烈的蒸發(fā)作用下恢復(fù)到原來的干燥程度。即小于15 mm的次降雨量實際上對地下水的補給是不起作用的。而在1 a之內(nèi)，能夠達到15 mm的次降雨量是很難發(fā)生的，甚至幾年內(nèi)都不會發(fā)生，也就是說，對于某一區(qū)域而言，地下水可能幾年內(nèi)都得不到補給，這就是為什么水位埋深較淺的潛水，其年齡卻相對較大的主要原因。

表2 北山地下水CFC含量及計算補給年份Table 2 The CFC content and calculated ages of groundwater

地下水CFC研究說明，對于丘陵地區(qū)而言，地下水主要源自溝谷地區(qū)豐水期降水的直接入滲補給，首先形成溝谷孔隙-裂隙水，而后，在相對較長的枯水期，溝谷孔隙-裂隙水側(cè)向滲流，緩慢地補給溝谷兩側(cè)的基巖地區(qū)，形成丘陵區(qū)基巖裂隙水。這應(yīng)該是北山地區(qū)水循環(huán)的重要模式之一。

7 區(qū)域地下水流模擬研究

7.1 研究區(qū)范圍

研究區(qū)范圍南到河西走廊，東到額濟納旗黑河流域，北到中蒙邊界，西到馬鬃山。

模擬研究將北山地下水流動系統(tǒng)、河西走廊地下水流動系統(tǒng)和額濟納盆地地下水流動系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的地下水大系統(tǒng)，從整體上把握區(qū)域地下水流動特征。

7.2 模擬結(jié)果

通過邊界條件確定、模型剖分、參數(shù)和初始水頭輸入、采用軟件Processing Modflow for Windows（PMWIN）模擬，對模型進行求解，使用穩(wěn)定流計算，得出地下水流場分布。同時，對滲透系數(shù)進行了不同方案的組合，在基本模型的基礎(chǔ)上，改變各區(qū)的滲透系數(shù)，形成不同滲透系數(shù)組合方案，獲得了不同條件下的地下水流場分布圖（圖2）。

圖2 模擬的地下水流場分布圖Fig.2 Simulated distribution map of groundwater flow field

8 北山地區(qū)作為處置庫場址的水文地質(zhì)適宜性分析

8.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件的適宜性

高放廢物處置庫選址所關(guān)心的水文地質(zhì)問題，主要是地下水動力學(xué)問題和地下水化學(xué)問題，這兩方面在很大程度上決定了場址的適宜性，而兩者之間，前者的影響更為突出。適宜于高放廢物處置的地下水動力學(xué)特征，應(yīng)該滿足的基本條件是：從處置庫到地下水排泄區(qū)，地下水能夠在地下滯留足夠長的時間，而地下水在地下滯留時間的長短主要是由介質(zhì)的滲透性強弱、水流路徑長短、水力坡度大小等因素決定。

根據(jù)上述研究成果，北山地區(qū)有利于高放廢物隔離的水文地質(zhì)因素可概括為8個方面：1）降雨量小，蒸發(fā)量大，且氣候有向更干旱方向發(fā)展的趨勢，不利于地下水的形成和富集；2）無論是基巖裂隙水，還是孔隙地下水，都具有弱補給、弱含水、低滲透、低流速特征；3）距離人口稠密的河西走廊地區(qū)或黑河流域，花崗巖地下水的流經(jīng)長度一般大于50 km；4）重點地段主要位于地下水補給區(qū)或徑流區(qū)的上游；5）地下水對多種礦物，特別是黏土礦物達到飽和狀態(tài)；6）花崗巖裂隙多有礦物充填，特別是黏土礦物；7）廣大地區(qū)的地下水水力坡度平緩，限制了地下水的流速；8）多數(shù)巖體與河西走廊之間可能存在局部地下分水嶺，將限制地下水向走廊地區(qū)的流動。

同時，也存在若干不利于高放廢物隔離的水文地質(zhì)因素，可概括為3個方面：1）地下水氯化物和硫酸鹽含量相對較高，對工程屏障具有一定的破壞作用；2）氧化帶深度較大不利于核廢物的隔離；3）水位埋深小，處置庫將位于飽和帶中，不利于核廢物的圈閉。

雖然“有利”和“不利”因素共存，但可以明顯看出，其主導(dǎo)因素，如弱補給、弱含水、低滲透、低流速、流經(jīng)路徑長等特征是很有利的。此外，北山地區(qū)面積廣大，可供選擇的花崗巖體數(shù)量多，作為處置庫的重點預(yù)選區(qū)，具有非常好的前景，值得投入更多的工作。

8.2 北山重點地段的水文地質(zhì)條件適宜性評價

我國目前高放廢物處置庫的概念設(shè)計是：處置庫深度在距地表500 m以下結(jié)晶巖體內(nèi)，這就意味著巖體深部地下水環(huán)境的研究尤為重要。關(guān)于區(qū)域水文地質(zhì)特征和適宜性已在前面討論，本節(jié)主要對北山重點地段深部地下水環(huán)境特征進行水文地質(zhì)條件適宜性評價。

通過研究區(qū)深部地下水動力環(huán)境特征、地下水動態(tài)特征、地下水滲透流速、深部地下水化學(xué)環(huán)境特征、深部斷裂水文地質(zhì)特征等的綜合分析認為：北山地區(qū)3個重點研究地段深部花崗巖體地下動力環(huán)境具有典型的弱含水、弱補給、低滲透和低流速特征；北山地區(qū)深部地下水化學(xué)環(huán)境具有還原性、低溶解性和強吸附性特征，這些構(gòu)成了北山深部地下水環(huán)境的主體，這些特征對高放廢物地質(zhì)處置都是有利的。此外斷裂所表現(xiàn)出的弱含水和阻水性，雖然無法證明其代表性，但其暫作為北山地區(qū)3個重點研究地段的優(yōu)勢之一是毋庸置疑的。

8.3 重點地段水文地質(zhì)條件對比

根據(jù)擬發(fā)布的新修訂的 《放射性廢物地質(zhì)處置設(shè)施選址》導(dǎo)則的有關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合舊井、野馬泉和新場—向陽山3個重點預(yù)選地段水文地質(zhì)研究程度和水文地質(zhì)條件，現(xiàn)階段對比準則可以考慮7個方面的因素：1）地下水流場特征；2）巖體地下水補給條件；3）巖體地下水富水程度；4）巖體滲透性能；5）地下水埋藏條件；6）地下水位動態(tài)特征；7）地下水化學(xué)特征。通過對比分析認為：根據(jù)地下水流場條件，野馬泉地段對處置高放廢物最為有利，新場—向陽山地段和舊井地段較有利；根據(jù)巖體地下水補給條件，新場—向陽山地段最為有利，野馬泉地段和舊井地段較有利；根據(jù)巖體地下水富水程度方面，新場—向陽山地段的新場巖體最為有利，野馬泉地段和舊井地段有利；根據(jù)巖體滲透性能，新場—向陽山地段的新場巖體最為有利，野馬泉地段和舊井地段有利；根據(jù)巖體地下水埋藏條件，3個地段條件基本相似，皆有利；根據(jù)地下水動態(tài)特征反映的情況，3個地段均有利；根據(jù)地下水化學(xué)特征，3個地段條件也基本相似，難分彼此。因此，從總體上看，3個地段中，新場—向陽山地段水文地質(zhì)條件最為有利。

9 結(jié)論和認識

北山地區(qū)地處戈壁荒原，氣候干旱，具備高放廢物處置庫場址得天獨厚的地理、氣象和水文條件。該區(qū)構(gòu)成了一個具有獨立補給、徑流、排泄的完整基巖裂隙地下水系統(tǒng)；該區(qū)深部基巖裂隙水水位動態(tài)類型屬于入滲—徑流型，溝谷潛水屬于入滲—蒸發(fā)—徑流型；地下水以微咸水為主，主要化學(xué)類型為 Cl·SO4—Na 和 SO4·Cl—Na；研究區(qū)淺部地下水源自大氣降水，為近期入滲補給的地下水，而深部地下水源自地質(zhì)歷史時期大氣降水補給的地下水，14C年齡為8000 a左右。

根據(jù)擬發(fā)布的新修訂的 《放射性廢物地質(zhì)處置設(shè)施選址》導(dǎo)則的有關(guān)技術(shù)要求，綜合考慮地下水流場特征、巖體地下水補給條件、巖體地下水富水程度、巖體滲透性能、地下水埋藏條件、地下水位動態(tài)特征和地下水化學(xué)特征7個方面的因素，北山地區(qū)3個重點地段水文地質(zhì)適宜性對比結(jié)果是新場—向陽山地段優(yōu)于舊井和野馬泉兩個地段。

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