李杰彪，蘇銳，周志超，季瑞利，張明，邱國華

（核工業(yè)北京地質研究院，中核高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029）

氚示蹤法在北山地區(qū)地下水補給研究中的應用初探

李杰彪，蘇銳，周志超，季瑞利，張明，邱國華

（核工業(yè)北京地質研究院，中核高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029）

在高放廢物地質處置庫選址和性能評價過程中，地下水補給研究是最重要的方面之一。以北山預選區(qū)四十里井盆地為例利用人工示蹤劑氚研究該區(qū)地下水補給。結果表明，在180 d的試驗期間內，得到的淺層地下水補給量僅為0.007～0.018mm·d-1，淺層地下水補給量很小，這對高放廢物地質處置庫選址而言是非常有利的。

地下水補給；人工示蹤劑；氚；高放廢物

隨著我國核能事業(yè)的發(fā)展，高放廢物的安全處置成為制約核工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展、環(huán)境保護以及公眾安全的重大問題。對于高放廢物的處置，目前國際上普遍接受的可行性方案是深地質處置［1］。在處置庫選址和性能評價過程中，水文地質條件是必須慎重考慮的關鍵科學問題之一［2］。而地下水補給則是水文地質條件評價的重要組成部分，是研究地下水流場的基礎，也是進行地下水流數(shù)值模擬不可缺少的參數(shù)［3］。目前，研究干旱-半干旱地區(qū)地下水補給的方法主要有：1）地中滲透儀方法；2）物理方法（零通量面方法、達西方法、地下水位動態(tài)方法）；3）同位素方法（歷史示蹤劑、環(huán)境示蹤劑、人工示蹤劑）；4）數(shù)值模擬方法［4］。

人工示蹤劑方法具有定時、定位和定量投放的優(yōu)點，且不需要測定水文地質參數(shù)，花費少［5］。因此，其在地下水補給研究中應用非常廣泛。由于氚（3H）可以構成水分子的一部分，因此可以準確示蹤水流系統(tǒng)，作為人工示蹤劑研究地下水補給也較為廣泛。20世紀60年代，Zimmermann等最早應用人工氚示蹤劑來研究土壤水運移，隨后國內、外有關學者開展了大量相關方面的研究［6］。Saxena等（1983）利用人工示蹤劑3H和環(huán)境示蹤劑18O研究瑞典Uppsala地區(qū)的大氣降水入滲補給［7］。Rangarajan等（2000）應用3H作為人工示蹤劑選取25個典型代表區(qū)確定印度地區(qū)的排泄量為24～198mm·a-1［8］。陳宗宇等（2003）應用3H示蹤劑研究正定試驗場的入滲補給強度為95 mm·a-1［9］。汪丙國等（2008）運用人工示蹤劑Br-、3H確定河北平原地區(qū)的入滲補給強度為127.8mm·a-1［10］。

甘肅北山地區(qū)是我國高放廢物地質處置庫場址首選預選區(qū)，而新場—向陽山地段又是北山地區(qū)重要的候選場址之一。區(qū)內水文地質條件復雜，但可利用的水文地質資料較少。因此，在預選區(qū)內開展地下水補給方面的評價具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。筆者以四十里井盆地內2個典型包氣帶剖面為切入點，對該區(qū)的地下水補給做了初步的定量研究，以期為深入了解整個北山地區(qū)的地下水補給提供借鑒和參考價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省河西走廊以北，南距玉門鎮(zhèn)70 km，行政區(qū)劃隸屬甘肅省肅北蒙古自治縣和玉門市管轄。南距蘭新鐵路和312國道約80 km，有簡易公路可至312國道黃閘彎地段。（圖1）

區(qū)內總體地勢為南、北高而中部低，西部高而東部低，因而形成SN向次級水系向中部匯流，中部溝谷走向為近EW向。由于本區(qū)為極干旱地區(qū)，雨量極少，沒有常年性河流但季節(jié)性洪水形成的沖溝十分發(fā)育，溝谷兩側階地不發(fā)育。區(qū)域內降水具有明顯的季節(jié)性特點。多年平均降水量約70 mm，降水量60%以上集中在6～8月份，年平均蒸發(fā)量為3 200 mm，年平均氣溫為4～7℃，年平均風速達4 m·s-1。在區(qū)域地下水系統(tǒng)分區(qū)的基礎上，按控制地下水流動的地形、地貌和構造等條件，區(qū)域地下水系統(tǒng)可劃分為3種類型：山地基巖裂隙水、溝谷洼地孔隙—裂隙水、盆地孔隙—裂隙水。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location sketch of the study area

2 研究方法

2.1 方法原理

在一定深度投放示蹤劑，定期取樣分析剖面上示蹤劑濃度峰值的運移情況，根據(jù)峰值運移的深度和剖面含水量，就可以計算得到地下水補給量R［11］：

式中：Δt—取樣的時間間隔；Δz—峰值位移深度；θ—Δt時間內峰值的下移深度Δz上的平均土壤體積含水量，需要分段計算。

2.2 試驗實施及樣品的測試

在2012年8月20日開始示蹤劑試驗，試驗點位于四十里井盆地的中上游（圖2），在每個試驗點引入比活度為1.310×1011Bq·m-3的氚，氚示蹤劑的引入方法為：在距投源點橫向距離30 cm處挖槽，每個槽的深度約30 cm，長度約40 cm、寬度約10 cm，用長30 cm的細針頭以注射方式將氚示蹤劑引入土柱中心部位，最后將挖出的土回填至土槽中。取樣時間間隔為10、150和180 d，取樣間隔為10 cm。根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)共享玉門鎮(zhèn)的氣象數(shù)據(jù)（http://cdc.cma.gov.cn/home.do），試驗期間平均氣溫為0.70℃，降水量總量為20.07mm。日平均氣溫與日降水量變化如圖3、4所示。兩個采樣點土壤剖面特征如表1、2所示。

圖2 采樣點分布圖Fig.2 Distribution of sam pling location

圖3 試驗期間日降水量變化圖Fig.3 Daily precipitation variation during the test

圖4 試驗期間日平均氣溫變化圖Fig.4 Daily average temperature variation during the test

土壤中氚比活度的測試采用核工業(yè)北京地質研究院發(fā)明的一種土壤中氚的連續(xù)提取方法（提取實驗裝置如圖5所示）［12］。具體操作步驟為：用天平依次稱取石英舟、土壤樣品（約50～70g）＋石英舟以及2個3H收集瓶和尾氣收集瓶的重量；用移液槍向2個3H收集瓶中分別加入20 mL本底水，再將收集瓶組裝好并與石英管連接，然后將稱有土樣的石英舟放入氧化爐內，在200℃加熱約2 h，加熱程序執(zhí)行完后，將2個3H收集瓶中的溶液倒入容量瓶中并混合均勻，再用天平分別稱取2個3H收集瓶和尾氣收集瓶的重量。至此，自由水氚提取過程完畢。將提取出的水樣送核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心測定，測量儀器為美國Quantulus 1220-003低本底液閃儀，測量時間為500～900 min。本底水樣計數(shù)率為0.454 cpm，儀器計數(shù)效率為23.41%，該方法探測下限約為8.14×10-2Bq·kg-1。

圖5 土壤中氚提取實驗裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of experimental device for tritium extraction from soil

表1 RGC-01剖面土壤特征觀察表Table 1 Observed characteristics of Soil profile RGC-01

表2 RGC-02剖面土壤特征觀察表Table 2 Observed characteristics of Soil profile RGC-02

3 試驗結果分析

目前，僅得到6個月內的氚峰值遷移情況（如圖6、7）。由圖可知，總體而言，RGC-01氚的遷移速率比RGC-02大，這主要與兩個剖面的土壤質地有關。由表1、2可見，在0～45 cm深度范圍內，RGC-01土壤粒徑更大，且RGC-01在30～50 cm深度范圍內，發(fā)現(xiàn)少量殘留的植物根系這也在一定程度上增大了RGC-01的孔隙度。

圖6 氚示蹤剖面RGC-01Fig.6 Profiles of tritium tracer RGC-01圖7氚示蹤剖面RGC-02Fig.7 Profiles of tritium tracer RGC-02

RGC-01隨著時間的延長，峰值逐漸下移。RGC-02在第2個月時峰值上移了大約10 cm，這主要是由于試驗初期地表溫度較高、土壤蒸發(fā)量大且降水較小，導致土壤中向下的毛細壓力小于向上的毛細壓力，從而使峰值向上遷移［12］。這也在一定程度上反映了大氣降水入滲補給的過程。在零通量面以上，滲入至土壤中的大氣降水容易發(fā)生上下波動的現(xiàn)象。試驗后期，隨著氣溫的降低（2012-11-02以后氣溫降溫0℃），降水量增大，這些影響幾乎可以忽略。

由于試驗前期，氚遷移易受各種不確定性因素的影響，確定的補給量精確度較差，因此，以第6個月的數(shù)據(jù)計算得到兩個試驗點大氣降水入滲補給速率分別為0.018mm·d-1（6.57 mm·a-1）、0.007 mm·d-1（2.56 mm·a-1），兩個試驗點結果差異較大。

表3 地下水補給量計算結果Table 3 Calculated results of groundwater recharge

4 結論與建議

1）兩個試驗點計算得到的地下水補給量為0.007～0.018 mm·d-1。由于兩個試驗點在180 d內氚峰值僅遷移了10～20 cm，因此，該方法確定的補給量僅能代表入滲到30～50 cm深度范圍內的降水量，實際入滲到淺層地下水中補給量應更小?？傊?，該區(qū)淺層地下水補給量很小，這對高放廢物地質處置庫選址是非常有利的。

2）試驗點RGC-02在第2個月峰值出現(xiàn)向上移的情況。這可能是由于示蹤劑投放深度較淺，氚遷移易受蒸發(fā)作用影響造成的。因此，建議今后開展此項工作時加深示蹤劑的投放深度。

3）不同試驗點由于土質類型的差異，試驗結果有所不同。由于北山地區(qū)土質類型差異性較大，因此，本次試驗結果代表性有限。建議今后開展不同土質類型的氚示蹤試驗，同時開展其它方法如環(huán)境示蹤劑方法、地下水位動態(tài)方法等進行綜合對比分析驗證。

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Prelim inary study on application of tritium tracer method in estimating groundwater recharge in Beishan area

LIJiebiao，SU Rui，ZHOU Zhichao，JIRuili， ZHANGMing，QIU Guohua
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

In the siting and site characterization study for high-level radioactive waste repository，the groundwater recharge is one of the most important evaluation factors.Sishilijing basin of Beishan preselected area was discussed as an example for the groundwater recharge estimation by artificial tracer tritium.The research results show that the recharge rate is only 0.007～0.018 mm·d-1during the 180 days test period.This is very small and favorable for the high-level radioactive waste repository site selection.

groundwater recharge；artificial tracer；tritium；high-level radioactive waste

P597；P641

A

1672-0636（2015）02-0114-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.02.010

2014-04-08；

2014-05-06

李杰彪（1987—），男，河北冀州人，助理工程師，主要從事高放廢物地質處置方面的工作。

E-mail：hgylijiebiao@126.com