高放废物处置库甘肃北山预选区综合水文地质研究

郭永海，苏 锐，季瑞利，王海龙，刘淑芬，宗自华，董建楠，张 明

（核工业北京地质研究院，中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

安全处置我国高放废物，首先需要选择合适、安全的场址。地下水是核素运移的载体，对核废物具有溶解和迁移能力，对工程屏障具有侵蚀破坏作用，因此，场址的适宜性、安全性在很大程度上取决于水文地质条件。而场址水文地质评价不仅需要把握预选区区域水文地质特征，也要认清重点预选地段的水文地质结构、地下水循环交替规律和流场特征等，同时，建立场址水文地质研究和评价方法［1-3］。笔者从处置库选址的特殊要求出发，一方面，从区域上阐述了北山宏观水文地质条件和地下水循环交替特征，并对北山区域作为处置库场址预选区的水文地质适宜性进行综合分析和判断；另一方面，对作为处置库场址各候选重点地段的水文地质可靠性进行了评价，通过对比排序，提出了北山预选区的重点地段，为进一步选址提供了依据，并为北山地区后续研究奠定了基础。

1 研究区背景概况

研究区位于甘肃省西部河西走廊以北的戈壁荒漠地带，行政上主要隶属于甘肃省酒泉地区、玉门地区和内蒙古额济纳旗等行政区。

北山地区地处欧亚大陆腹地，远离海洋，降水稀少，蒸发量大，日照时间长，四季多风，冬冷夏热，气候干燥，是我国极度干旱地区之一。区内多年平均降水量50～120 mm。

从流域角度分析，北山地区属于黑河流域的一个子流域，位于黑河流域的西北部，即黑河下游冲积平原的西侧。该区地表虽无常年流水，但季节洪水形成的水系十分发育。

区内岩浆岩分布广泛，出露面积约占北山地区基岩总面积的1/3，主要分布于马鬃山、公婆泉、尖山、三道明水、将军台、旧井和新场—向阳山等地。花岗岩是目前北山地区处置库的主要候选围岩。

区内主干构造线的压性、压扭性断裂带和褶皱轴面均呈EW或近EW向展布，且发育与其配套的SN向张性和NE、NW向扭性断裂构造。断裂构造以EW、NW及NE向为主，其他方向次之（图1）。

图1 研究区地理位置及构造地质图Fig.1 Location and tectonic map of study area

2 花岗岩体渗透性能

至2009年，高放废物地质处置项目在该区施工深度500至700 m的钻孔6个，其中 BS03、BS05和 BS06孔采用德国高达公司（Golder Associates GmbH）生产的“双栓塞”水文地质试验系统进行了水文地质试验。

渗透系数试验结果表明，渗透系数值分布在 1×10-5～1×10-12m·s-1之间，与深度的关系不甚明显，岩性、自重应力、地质构造、胶结程度和溶蚀等因素都会影响渗透系数的分布。因此，对于不同地区，因为所处地质条件不同，每种因素的影响程度也会存在明显差异。根据岩性相同的4个钻孔中获得的数据可以初步推测，北山地区控制渗透性能的主导因素不是自重应力，而应该是地质构造。当然，仅仅根据4个钻孔的数据难以总结出总体的规律性，要想获得可靠的规律性认识，还需要更多数据的支持。

从渗透系数的量级来看，大多小于10-7m·s-1，与国外处置库场址对比，这样数量级的渗透系数是比较小的，而该地区的水力坡度一般在1/1000之内，因此可以说明，北山岩体深部的渗透能力很差，不利于核素的迁移，也就是说有利于高放废物的深地质处置。

3 地下水动态特征

自2005年以来，在该区逐步开展了钻孔地下水水位动态监测工作，根据所获得的几个观测井水位动态特征分析，初步认为，该区深部基岩裂隙水水位动态类型属于弱入渗-径流型，沟谷潜水属于入渗-蒸发-径流型。由此说明，北山地下水与降水是相关的，同时也进一步证明了笔者以往关于北山地下水来自当地大气降水补给的认识。

乐都区气候湿润、生态环境较好，具有发展蔬菜生产得天独厚的条件。近些年来，乐都区依托河湟谷地现代农业发展机遇，蔬菜产业迎来了较大规模发展。西葫芦(Cucurbita pepo L.)是乐都地区主要的蔬菜种植种类，利用设施栽培可达到周年生产与供应，是供给我省菜篮子的重要蔬菜之一。但是，伴随着蔬菜产业的快速发展，一些制约蔬菜生产的问题也日益显现，如多年重茬和连茬栽培，导致西葫芦病毒病、白粉病和灰霉病等病害在栽培中广泛发生且较为严重，不但使产量下降明显，而且种植户经济效益也受影响。

监测结果显示，岩体深部观测井在观测期内的水位变幅很小，且对降水表现出明显的滞后现象，这也充分说明，目前所选择的处置库岩体渗透能力差，接受降水入渗补给的能力也很差，与岩体渗透性能研究结果吻合。

4 水文地球化学研究

4.1 地下水化学特征

经对200余组地下水化学测试结果统计，北山地下水的pH值介于7.39～10.14之间；水温介于8～17℃之间；地下水总溶解固体（TDS）变化在0.7～19g·L-1之间。地下水的主要化学类型为 Cl·SO4—Na 和 SO4·Cl—Na，其次为 Cl—Na·Ca。

4.2 地下水化学分布特征

低中山区为地下水的补给区。降水多，径流条件良好，水循环交替频繁，流经途径短，矿化度多小于1 g·L-1，水化学类型主要为 Cl·SO4·HCO3—Na·Ca 型。

低山区为地下水补给、径流区。有些地区，主要表现出补给区特点。水化学特征基本与低中山区相似。有些地区，补给径流条件相对较好，水循环交替频繁，但流经途径较长，因此，一般矿化度位于1～2 g·L-1。由于马鬃山东、西段岩性不同，水化学类型也不相同。大口子以东，以花岗闪长岩为主，为Cl·SO4—Na型水，大口子以西，变质作用影响较大，水化学类型为 SO4·Cl—Na·Ca型。

山前地带及丘陵区，主要为地下水径流区。距离补给区近，流经途径短，水力坡度大，因此，矿化度一般为1～2 g·L-1。由于主要受变质岩区地下水补给，水化学类型与大口子以西低山区相近，为SO4·Cl—Na·Ca型。

山前地带，基岩裂隙水常转化为白垩系层间水。由于流经途径较长，径流条件较差，矿化度均大于 2 g·L-1，小于 3 g·L-1，水化学类型为 Cl·SO4—Na 型。

盆地一般为地下水局部排泄区，径流条件差，流经途径长，大量溶滤盐份，矿化度在3 g·L-1以上。火成岩、变质岩丘陵区因补给径流条件差，局部含水段因蒸发浓缩使矿化度高达5 g·L-1以上。水化学类型均为Cl·SO4—Na 型。

除水平分带性外，层间水还表现出垂直分带性，上部矿化度一般小于 5g·L-1，下部均大于 5 g·L-1，其主要原因是下部径流条件差。

5 地下水同位素特征

5.1 氢、氧同位素特征

深部地下水氢、氧同位素特征：由于区内地下水露头多为浅井或下降泉，在研究区内只取到深部地下水样品5个，分别取自BS04钻孔137至174.44 m深度和BS03钻孔不同深度，BS04钻孔地下水同位素测试结果为：δD，-75.9‰；δ18O，-5.8‰；氚，7.74 TU。

将δD和δ18O数据点绘在图上，并与全球雨水线对比，可以看出，区内地下水同位素组成主要分布在全球雨水线的附近和右下侧，说明地下水起源于当地的大气降水入渗补给。位于全球雨水线的附近及上方的水点，多取自地下水循环交替较快的沟谷内，受蒸发浓缩作用影响较弱。而位于全球雨水线右下侧的水点，其重同位素含量相对较高，这种地下水重同位素相对富集的现象可以解释为受浅层蒸发作用所致，因为研究区属于典型的干旱地区，受蒸发作用的影响，无论是浅部地下水还是大气降水，都受到强烈的蒸发作用而导致地下水重同位素含量明显高于地表水同位素组成的情况，它表明浅部地下水的循环交替能力是较强的，这点从地下水的氚含量较高也可以得到进一步的说明［4-5］。

5.2 地下水14C年龄

用14C测定地下水年龄是同位素水文学中的重要方法之一。14C测年是通过测定水中溶解含碳物质的14C年代来实现的。如果含碳物质（及其14C）随水分子同步运移，就可以把水中含碳物质的年龄看成是地下水的年龄。一般地这种方法较适用于埋藏较深的地下水。

受取样条件限制，仅对BS05钻孔采集了地下水14C样品，并获得了测试数据（表1）。由该表数据可见，岩体深部地下水14C年龄高达8000 a左右，说明取自钻孔深部的地下水在地下的滞留时间很长，也就说明了深部地下水的循环交替能力是很微弱的，即地下水的渗透能力很差，这对高放废物处置是有利的。今后的工作中，还应加大该区地下水14C定年研究，获得更多有价值的地下水14C年龄数据。

表1 地下水14C年龄测试结果Table 1 Measured results of groundwater14C age

野外调查及地下水氢、氧同位素分析表明，高放废物处置库北山预选区浅部地下水为大气降水入渗补给形成，为近期入渗补给形成的地下水，滞留时间较短，反映浅部含水系统水循环交替速度快，更新周期短的特征；此外，浅部地下水氚含量变化较大，高者可达45.82 TU，低者小于1 TU，反映了浅部地下水系统在循环交替能力方面存在明显差异，氚含量较高的地下水样品多取自补给区，地下水在地下滞留时间短，氚含量与当地大气降水相近，水的年龄相对较小；而氚含量较低的地下水样品多取自径流区和排泄区，说明这种类型的地下水一般均在地下滞留了一定的时间，地下水的年龄也相对较老。而深部地下水的氚含量明显低于浅部地下水，说明深部地下水滞留时间较长，地下水14C年龄数据与此相吻合。

6 地下水CFC研究

CFC法是近20余年来发展起来的、适用于年轻地下水测年的新方法。为进一步揭示北山地下水的形成问题，开展了CFC地下水测年方法在北山地区的应用研究。

为探讨该区地下水的循环交替特征、地下水补给条件和途径，在研究区中部的丘陵地区初步尝试了地下水CFC定年研究。

样品在国际原子能机构（IAEA）测试，结果见表2。

由地下水CFC测年结果可见，在降水量极少的干旱地区，地下水接受补给的能力是非常差的。对于包气带以砂为主，厚度小于2 m的下部潜水而言，地下水接受补给的能力应当是很强的，5个地下水取样点，水位埋深都小于2 m，地下水的年龄却已经达到了15～26 a，北山地区的气候是极端干旱的，50～120 mm的多年平均降水量主要集中在蒸发量较大的6～8月份；多数降雨不能形成地表径流，雨后又很快被蒸发。即使能够形成地表径流，但由于每次降雨量不大，渗入地下的水量很少，能够湿润包气带的深度也极为有限。据野外实地观测，次降雨量达到15 mm时，所能湿润的包气带深度不足0.5 m，雨后5～10 d，被湿润的包气带又在强烈的蒸发作用下恢复到原来的干燥程度。即小于15 mm的次降雨量实际上对地下水的补给是不起作用的。而在1 a之内，能够达到15 mm的次降雨量是很难发生的，甚至几年内都不会发生，也就是说，对于某一区域而言，地下水可能几年内都得不到补给，这就是为什么水位埋深较浅的潜水，其年龄却相对较大的主要原因。

表2 北山地下水CFC含量及计算补给年份Table 2 The CFC content and calculated ages of groundwater

地下水CFC研究说明，对于丘陵地区而言，地下水主要源自沟谷地区丰水期降水的直接入渗补给，首先形成沟谷孔隙-裂隙水，而后，在相对较长的枯水期，沟谷孔隙-裂隙水侧向渗流，缓慢地补给沟谷两侧的基岩地区，形成丘陵区基岩裂隙水。这应该是北山地区水循环的重要模式之一。

7 区域地下水流模拟研究

7.1 研究区范围

研究区范围南到河西走廊，东到额济纳旗黑河流域，北到中蒙边界，西到马鬃山。

模拟研究将北山地下水流动系统、河西走廊地下水流动系统和额济纳盆地地下水流动系统作为一个统一的地下水大系统，从整体上把握区域地下水流动特征。

7.2 模拟结果

通过边界条件确定、模型剖分、参数和初始水头输入、采用软件Processing Modflow for Windows（PMWIN）模拟，对模型进行求解，使用稳定流计算，得出地下水流场分布。同时，对渗透系数进行了不同方案的组合，在基本模型的基础上，改变各区的渗透系数，形成不同渗透系数组合方案，获得了不同条件下的地下水流场分布图（图2）。

图2 模拟的地下水流场分布图Fig.2 Simulated distribution map of groundwater flow field

8 北山地区作为处置库场址的水文地质适宜性分析

8.1 区域水文地质条件的适宜性

高放废物处置库选址所关心的水文地质问题，主要是地下水动力学问题和地下水化学问题，这两方面在很大程度上决定了场址的适宜性，而两者之间，前者的影响更为突出。适宜于高放废物处置的地下水动力学特征，应该满足的基本条件是：从处置库到地下水排泄区，地下水能够在地下滞留足够长的时间，而地下水在地下滞留时间的长短主要是由介质的渗透性强弱、水流路径长短、水力坡度大小等因素决定。

根据上述研究成果，北山地区有利于高放废物隔离的水文地质因素可概括为8个方面：1）降雨量小，蒸发量大，且气候有向更干旱方向发展的趋势，不利于地下水的形成和富集；2）无论是基岩裂隙水，还是孔隙地下水，都具有弱补给、弱含水、低渗透、低流速特征；3）距离人口稠密的河西走廊地区或黑河流域，花岗岩地下水的流经长度一般大于50 km；4）重点地段主要位于地下水补给区或径流区的上游；5）地下水对多种矿物，特别是黏土矿物达到饱和状态；6）花岗岩裂隙多有矿物充填，特别是黏土矿物；7）广大地区的地下水水力坡度平缓，限制了地下水的流速；8）多数岩体与河西走廊之间可能存在局部地下分水岭，将限制地下水向走廊地区的流动。

同时，也存在若干不利于高放废物隔离的水文地质因素，可概括为3个方面：1）地下水氯化物和硫酸盐含量相对较高，对工程屏障具有一定的破坏作用；2）氧化带深度较大不利于核废物的隔离；3）水位埋深小，处置库将位于饱和带中，不利于核废物的圈闭。

虽然“有利”和“不利”因素共存，但可以明显看出，其主导因素，如弱补给、弱含水、低渗透、低流速、流经路径长等特征是很有利的。此外，北山地区面积广大，可供选择的花岗岩体数量多，作为处置库的重点预选区，具有非常好的前景，值得投入更多的工作。

8.2 北山重点地段的水文地质条件适宜性评价

我国目前高放废物处置库的概念设计是：处置库深度在距地表500 m以下结晶岩体内，这就意味着岩体深部地下水环境的研究尤为重要。关于区域水文地质特征和适宜性已在前面讨论，本节主要对北山重点地段深部地下水环境特征进行水文地质条件适宜性评价。

通过研究区深部地下水动力环境特征、地下水动态特征、地下水渗透流速、深部地下水化学环境特征、深部断裂水文地质特征等的综合分析认为：北山地区3个重点研究地段深部花岗岩体地下动力环境具有典型的弱含水、弱补给、低渗透和低流速特征；北山地区深部地下水化学环境具有还原性、低溶解性和强吸附性特征，这些构成了北山深部地下水环境的主体，这些特征对高放废物地质处置都是有利的。此外断裂所表现出的弱含水和阻水性，虽然无法证明其代表性，但其暂作为北山地区3个重点研究地段的优势之一是毋庸置疑的。

8.3 重点地段水文地质条件对比

根据拟发布的新修订的 《放射性废物地质处置设施选址》导则的有关技术要求，结合旧井、野马泉和新场—向阳山3个重点预选地段水文地质研究程度和水文地质条件，现阶段对比准则可以考虑7个方面的因素：1）地下水流场特征；2）岩体地下水补给条件；3）岩体地下水富水程度；4）岩体渗透性能；5）地下水埋藏条件；6）地下水位动态特征；7）地下水化学特征。通过对比分析认为：根据地下水流场条件，野马泉地段对处置高放废物最为有利，新场—向阳山地段和旧井地段较有利；根据岩体地下水补给条件，新场—向阳山地段最为有利，野马泉地段和旧井地段较有利；根据岩体地下水富水程度方面，新场—向阳山地段的新场岩体最为有利，野马泉地段和旧井地段有利；根据岩体渗透性能，新场—向阳山地段的新场岩体最为有利，野马泉地段和旧井地段有利；根据岩体地下水埋藏条件，3个地段条件基本相似，皆有利；根据地下水动态特征反映的情况，3个地段均有利；根据地下水化学特征，3个地段条件也基本相似，难分彼此。因此，从总体上看，3个地段中，新场—向阳山地段水文地质条件最为有利。

9 结论和认识

北山地区地处戈壁荒原，气候干旱，具备高放废物处置库场址得天独厚的地理、气象和水文条件。该区构成了一个具有独立补给、径流、排泄的完整基岩裂隙地下水系统；该区深部基岩裂隙水水位动态类型属于入渗—径流型，沟谷潜水属于入渗—蒸发—径流型；地下水以微咸水为主，主要化学类型为 Cl·SO4—Na 和 SO4·Cl—Na；研究区浅部地下水源自大气降水，为近期入渗补给的地下水，而深部地下水源自地质历史时期大气降水补给的地下水，14C年龄为8000 a左右。

根据拟发布的新修订的 《放射性废物地质处置设施选址》导则的有关技术要求，综合考虑地下水流场特征、岩体地下水补给条件、岩体地下水富水程度、岩体渗透性能、地下水埋藏条件、地下水位动态特征和地下水化学特征7个方面的因素，北山地区3个重点地段水文地质适宜性对比结果是新场—向阳山地段优于旧井和野马泉两个地段。

［1］ IAEA.Isotope techniques in water development［C］//Proceedings of a symposium，Vienna:IAEA，1987.

［2］ IAEA.Hydrogeological investigation of sites for the geological disposalofradioactive waste ［C］//Technical reports series，ISSN0074-1914；No.391，Vienna:IAEA，1998:1-15.

［3］ IAEA.Isotope techniques in the hydrogeological assessment of potential sites for the disposal of highlevel radioactive waste［C］//Technical report series No.228，Vienna:IAEA，1983:1-16.

［4］王恒纯.同位素水文地质概论［M］.北京:地质出版社，1991:145-167.

［5］赵霞，陈建生，饶文波，等.河西走廊盆地地下水的氦同位素指示［J］. 地质学报，2007，81（4）:563-569.