瑞典高放废物处置水化学研究现状及对我国借鉴意义

李亚楠，苏锐，陈亮，周志超，郭永海

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

国家核安全局在2013 年颁布的“高水平放射性废物地质处置设施选址”导则中，提出了“十大选址准则”。场址地球化学特征是“十大选址准则”之一，明确指出需要评价场址地下水化学特征、岩石-水-废物罐之间的相互作用、及其所处的地球化学环境等，这些都与场址的水文地球化学研究密切相关［1］。因此，充分理解和掌握处置库场址的水文地球化学特征对于处置库场址评价尤为重要。

瑞典早在1977 年就开始了在花岗岩中进行放射性废物深地质处置的项目研究，是首个在花岗岩中进行研究的国家，至今已开展了大量系统、详细的研究工作，其研究计划及成果被国际公认为是最好的，在花岗岩作为处置库天然屏障研究方面具有很好的代表性［2］。

我国1985 年启动了高放废物地质处置选址工作，初步筛选出华东、华南、西南、内蒙、新疆和西北6 大预选区，围岩包括花岗岩、黏土岩和凝灰岩，其中花岗岩为这6 大预选区的主要围岩。2011 年，将甘肃北山预选区定为我国高放废物地质处置库首选预选区［3］。

本文通过分析研究瑞典高放废物处置库选址的水文地球化学研究工作，意在为我国花岗岩处置场址筛选和评价提供参考和借鉴。

1 瑞典放射性废物深地质处置选址概况

瑞典的放射性废物深地质处置工作由SKB 负责，早在1977 年就开始了在花岗岩中进行放射性废物深地质处置的项目研究，是首个在花岗岩中进行研究的国家，并于20 世纪80 年代，在Stripa 铁矿山建造了地下实验室，1995 年建成了位于花岗岩中的ÄSPÖ 地下实验室。

2002 年瑞典已筛选出 Forsmark 和Laxemar 两处候选场址，并已完成对这两个场址的详细特性评价。2007 年瑞典已经完成场址的水文地球化学特征调查研究工作，并于2008 年建立初步的水文地球化学概念模型。2009 年瑞典最终选定Forsmark 为处置库的场址。

Forsmark 场址位于瑞典首都斯德哥尔摩北部约170 km，靠近Öregrundsgrepen 海岸，长约6 km，宽2 km；Laxemar 场址位于瑞典东南部，距斯德哥尔摩约350 km，与波罗的海相邻［4］。

花岗岩具有分布范围广、岩体规模大、渗透系数小、含水量较小、机械强度高、导热性好、抗辐射性能好、对放射性核素具有较好的阻滞性能等优点［5-6］，是放射性废物深地质处置非常理想的天然屏障。

但花岗岩中存在一些裂隙，具有各向异性、非均质性等特点，核素会随着地下水沿花岗岩中的裂隙迁移到生物圈，因此需要充分掌握花岗岩中的裂隙分布情况。为了描述花岗岩的裂隙分布情况，瑞典学者将整个花岗岩体分为高裂隙区、中等裂隙区和低裂隙区，裂隙按不同产状又分为近水平裂隙、缓倾角裂隙和陡倾角裂隙（图1）［7］。

2 瑞典处置库场址水文地球化学研究概况

瑞典高放废物处置库场址水文地球化学研究的总体目标是对场址的水文地球化学特征有一个系统的认识，为场址安全评价提供水文地球化学依据。

2.1 研究目的

通过水文地球化学特征的研究，建立概念模型来描述和可视化场址；为场址安全评价的计算提供水文地球化学方面相关的参数；为其他模型的建立，尤其是水文地质的研究提供水文地球化学基础资料；通过安全评价反馈，优化水文地球化学模型。

2.2 研究方法

应用传统的地球化学方法对地下水数据进行一个整体的检验，对场址有一个初步的了解。在这个框架的基础上，通过使用不同的模型进一步分析这些数据，如数据评价和可视化模型、混合模型、平衡模型、氧化还原模型，并且对其中的微生物、胶体、气体进行研究［7］。

图1 地下水在花岗岩裂隙介质中运移示意图Fig.1 Schematic diagram of groundwater migration in granite fracture media

2.3 研究内容

地下水的起源及其演化；围岩对地下水文地球化学组分的影响；裂隙充填物对水文地球化学成分的影响；地下水混合作用对水文地球化学成分的影响；不同深度上地下水文地球化学成分的变化规律；古水文地球化学特征；处置库深度、未来地下水文地球化学条件预测与评估；废物罐的侵蚀速率研究；处置库地下水溶质迁移速率研究等。

在水文地球化学评价中，PHREEQC 可以模拟计算水岩作用及化学反应的动态平衡；M3 可以模拟地下水文地球化学组分、混合作用方面的研究；CORE2D 可用于水文地球化学和水文地质模型的耦合；OpenDX 可用于3D可视化研究。

3 瑞典处置库场址水文地球化学研究进展

瑞典高放废物处置研究工作较为系统，以花岗岩作为处置库天然屏障开展的研究在世界上具有很好的代表性。

3.1 场址水文地球化学调查

为了获取后期用于长期研究的水文地球化学基础数据，瑞典开展了水文地球化学监测项目（Hydrogeochemical monitoring program），建立了水文地球化学监测体系，将水相环境分为地表环境、近地表环境及深部环境。地表环境中，主要采集地表水，包括大气降水、河水、湖水、海水，其采样频率分别为河水每年6 次、海水每年4 次；在近地表环境中，浅部地下水主要赋存于风化带含水层中，通过浅钻孔抽取其中的浅层地下水，采样频率为每年6 次；在深部环境中，地下水主要赋存于基岩裂隙中，可通过PACKER 系统分层采集，采样频率为每年两次，采样时间为每年5 月和11 月［8］。

3.2 场址水化学垂向分布规律

近地表水埋藏深度小于20 m，近地表水的水化学特征主要由表层灰岩风化决定，其中二氧化碳（来源于有机质的腐败及植物根系的呼吸作用）及风化作用产生的碳酸盐，直接影响近地表水的pH 值及Ca2＋和HCO3-的浓度。目前季节性变化的二氧化碳含量可以影响近地表水中的Ca2＋和HCO3-的浓度，但主要还是取决上覆灰岩盖层的影响。场址近地表水的Ca2＋浓度为50～200 mg/L，HCO3-的浓度200～900 mg/L，Cl-浓度通常＜200 mg/L。

浅部地下水埋藏深度在20～200 m 之间。浅部地下水与近地表水的水化学成分不同，说明大部分近地表水与浅部地下水水力联系很弱，只有少部分近地表水通过优势水力通道与浅部地下水相连。100～150 m 之间，Forsmark 场址地下水主要赋存于高裂隙区，由现代水和古海水组成；还有一些非常年轻的地下水经过水岩相互作用后，逐渐入渗，与上述地下水混合。场址浅部地下水Cl-浓度通常在200～2 000 mg/L 之间。

中等深度地下水埋藏深度为200～600 m，该深度地下水赋存于低渗透区，主要由深部古盐水和冰川融水混合而成，在渗透性较高区域，主要由Littorina 的古海水补给。场址中等深度地下水Cl-浓度通常在2 000～6 000 mg/L 之间。

深部地下水埋藏深度大于600 m，该深度地下水由古海水和古盐水混合而成，场址深部地下水Cl-浓度通常在4 000～20 000 mg/L之间。

3.3 场址水化学形成

Forsmark 和Laxemar 场址的地下水是由不同起源的水体混合而形成的。通过研究，证实了Forsmark 和Laxemar 场址的地下水至少由4 种来源的水体混合而成：深部古盐水、冰川融水、古海水和现代大气降水入渗水。由此可知，混合作用是Forsmark 和Laxemar场址地下水形成演化最主要的作用。混合作用打破了地下水系统原有的平衡，混合后，经过水岩相互作用，使混合的地下水再次达到平衡状态。可通过反向模型（混合与质量平衡计算）定量评价上述过程，这些模型包括NETPATH、PHREEQC 和基 于M3 的PCA分析方法。

深部古盐水：这类型的地下水由于长时间处于相对封闭的环境，通过水岩作用形成于百万年前的花岗岩中，其水文地球化学特征与Forsmark 和Laxemar 场址中最深、最咸的地下水样一致。迄今为止，最深、最咸的地下水样取自Laxemar 的KLX02 钻孔，深度1 625 m、TDS 值高达75 g/L、地下水年龄达到150 万年（36Cl 测年）、水化学类型Ca-Na-Cl、δ18O 和δD 曲线明显偏离全球大气降水线。

冰川融水：冰川融水中溶解性固体含量非常低，甚至低于现代大气降水，这类水代表冰川地表融水，该水没有经过水岩相互作用，并且未入渗到地下。300 万年前的冰期和间冰期，冰川融水逐渐入渗到花岗岩中，然而由于当时气候的迅速变化，Forsmark 和Laxemar 场址中，冰川融水极易和其他类型起源的水体混合，所以，很难找到冰川融水仅经过水岩相互作用形成的地下水。

古海水：Littorina 海（现波罗的海所在位置）的海水，在9500 年前，最后一个冰期之后，逐渐渗入，补给Forsmark 场址所在位置的地下水。而现在的Forsmark 场址就位于Littorina 海水之下。直到1 000年前，随着Forsmark 场址所在位置地层的抬升，Littorina海水的补给才结束。

现代大气降水入渗水：现代大气降水入渗水3H 含量很高，代表20 世纪60 年代后的降水补给，是现代大气降水与第四系松散沉积物发生水岩相互作用后形成的。

深部古盐水TDS 值高达75 932 mg/L，冰川融水TDS 值只有1.85 mg/L，古海水TDS 值为11 831 mg/L，现代大气降水与第四系松散沉积物发生水岩相互作用后，形成的现代大气降水入渗水TDS 值为611 mg/L（表1）。

在场址中，能够直接取到深部古盐水、现代大气降水入渗水这两种类型的地下水，而古海水、冰川融水的化学特征只能通过其他的地质信息进行推断，所以，用于计算混合比例的4 种类型水体的选择存在很大的不确定性。

为减少因古海水与冰川融水这两种类型水体化学特征选择不确定性问题，更加精确的计算不同类型水体的混合比例，一些学者采用蒙特卡洛方法进行不确定性分析［9］。

3.4 场址地下水化学指标

掌握场址的地下水化学特征，对预测未来地下水化学特征的变化规律非常重要。铜罐的腐蚀及膨润土的失效直接影响未来处置系统的安全。为了安全处置高放废物，场址的水文地球化学特征模型中应该考虑以下指标：TDS 值、Eh 值、pH 值、Cl-、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、HS-、S2-、HCO3-/CO32-、Fe2＋、Mn2＋、氮化物、磷化物、胶体、微生物等，此外，还包括溶解性气体二氧化碳、甲烷、氢气等，这些气体与微生物的反应密切相关。

表1 Forsmark 用于计算混合比例的4 种类型水体水化学指标表/（mg·L-1）Table 1 The chemical indicators of four types water used to calculate the mixing ratio in Forsmark

TDS 值：地下水的TDS 值对近场和远场的核素迁移都有重要影响。在近场，地下水的TDS 值影响膨润土的稳定性，从而影响核素在膨润土中的吸附扩散性能，如影响Cs＋和Sr2＋的扩散；地下水的TDS 值非常高时，会破坏膨润土的膨胀性能及增强其导水性，当地下水的TDS 值＞100 g/L 时，密度为2 000 kg/m3的膨润土的膨胀性能会减半。在远场，地下水的TDS 值通过影响地下水的密度来影响地下水流，高TDS 值可以减缓核素从处置库迁移到生物圈的速度。

通过上述分析可知，在近场，地下水的TDS 值越高，越利于核素迁移；而在远场，地下水的TDS 值越高，越不利于核素迁移。

Eh 值：地下水的Eh 值对废物罐（铜罐）的稳定性影响显著，在缺氧的环境下，废物罐稳定性较好，反之，在氧化环境下，铜罐的腐蚀非常强烈。

pH 值：地下水的pH 值影响铜罐的腐蚀速率；也影响膨润土的稳定性，高pH 值会影响蒙脱石的溶解性，从而影响膨润土的阻滞性能。地下水的pH 值同样影响许多核素的溶解速率，如Pu、Am，这些核素的溶解能力随着pH 值的增加而减小；高pH 值会降低一些核素的溶解能力，同时增加这些核素的吸附能力，如Cs＋、Sr2＋。

Cl-：当地下水的pH 值＜6，温度80～100℃，有氧环境下，地下水中的Cl-浓度非常高时，铜罐腐蚀的速率最快。

Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋：地下水中的Ca2＋、Mg2＋、Na＋对膨润土的稳定性起非常重要的作用，当其浓度过低（＜4 mg/L）时，这些离子会转变成胶体颗粒，随地下水运移；但这些离子的浓度也不能过高，尤其是Ca2＋，富含Ca2＋的地下水会与黏土矿物中的Na＋进行阳离子交换作用，从而降低膨润土的膨胀性能，并增加其渗透性；当温度高于100℃时，伊利石中的K＋同样会降低膨润土的膨胀性能，但当温度低于100℃时，该影响就非常微弱；Ca2＋、Mg2＋、Na＋同样影响核素的阻滞性能，如对Cs＋、Sr2＋的吸附性能的影响，直接取决于地下水中其他阳离子的浓度。

HS-、S2-：HS-、S2-会引起铜罐的腐蚀，并通过与氧气反应影响Eh 值，从而影响一些核素的溶解、迁移性能。

DOC（dissolved organic carbon）：在地下水的补给区，微生物可通过分解地下水中的有机碳，消耗氧气，降低地下水的Eh 值。

溶解性气体：地下水中溶解的气体，如H2、CH4对核素的迁移起到重要作用，可作为核素的载体，促进核素的迁移。其他气体，如N2、CO2、Ar、He 也有类似的作用，此外CO2通过碳酸平衡影响地下水的pH 值。

SO42-：通过脱硫酸作用，影响地下水中的有机碳、H2、CH4等，间接影响铜罐的腐蚀。同时，SO42-会影响核素的运移速率。

HCO3-/CO32-：HCO3-/CO32-会影响铜罐的稳定性，高HCO3-/CO32-会导致铜罐的腐蚀。HCO3-/CO32-会影响UO2的溶解性，也影响其他核素的溶解性。

其他指标：Fe2＋、Mn2＋可通过与氧气反应，使铜罐免于腐蚀，起到隔绝效果。氮化物、磷化物可促进微生物的生长等［7，9-11］。

3.5 场址安全评价中的水化学指标

瑞典在高放废物处置库场址安全评价过程中，主要从铜罐的腐蚀速率以及膨润土的稳定性两个方面，来设置场址评价水文地球化学指标，提出了一套适用于瑞典场址的水文地球化学指标，当场址水化学条件满足这些指标时，则认为从水文地球化学角度评价，场址是安全的（表2）［12］。

表2 瑞典场址安全评价水文地球化学指标Table 2 Hydrogeochemical indicators for site safety assessment in Sweden

4 我国高放废物处置水文地球化学研究进展

我国高放废物处置工作于1985 年正式启动，由核工业北京地质研究院负责。通过勘查地质条件、地质构造、岩石类型、水文地质条件，综合考虑自然地理、经济地理及核工业布局等因素，在全国范围内初步筛选出了华东、华南、西南、内蒙、新疆和西北6大预选区，围岩包括花岗岩、黏土岩和凝灰岩，其中花岗岩为这6 大预选区的主要围岩。

2011 年，甘肃北山预选区被选定为我国高放废物地质处置库首选区。北山地区气候干旱，降雨量仅为60～80 mm/a，蒸发量高达3 000 mm/a，地表水和地下水都非常贫乏。海拔标高在1 600 m 左右，地表为典型的荒漠戈壁景观。当地人烟稀少，无明显的经济作物，大面积的花岗岩体构成良好的处置库岩体，具备建造处置库得天独厚的自然地理和经济地理条件。

自1996 年至今，核工业北京地质研究院先后对北山预选区的旧井、野马泉、新场、沙枣园和算井子5 个花岗岩重点地段进行了水文地质调查研究［13］。

经过20 多年的研究，在水文地球化学方面取得了大量的研究成果。水文地球化学特征研究、地下水同位素特征研究、地下水的分层水质监测、深部环境原状地下水取样测试以及水文地球化学模拟研究等都为甘肃北山预选区场址评价提供了重要的水文地球化学依据，也为水文地质特征认识提供了重要的佐证。该区域地下水的特点如下：首先，北山地区主要含水介质是风化裂隙和构造裂隙，因此地下水的空间分布是极其不均匀的，这也决定了水文地质条件及地下水的循环交替是十分复杂的。其次，由于该区降水少，蒸发大，地表水和地下水非常匮乏，这也是水化学研究的一大难题。第三，北山地下水补给来源主要是当地大气降水，地下水对岩石的溶滤作用、地下水的蒸发浓缩作用，是本区地下水化学成分形成的主要作用。受蒸发浓缩作用影响，区内浅部地下水主要为矿化度大于2 g/L 的微咸水，水化学类型以Cl·SO4-Na 和SO4·Cl-Na型为主，pH 值多在7～8 之间。深部地下水水化学类型以Na-Cl·SO4型为主，深部环境为还原环 境［14-16］。

通过对瑞典放射性废物地质处置水文地球化学现状的研究，结合北山预选区场址水化学特点，需要在下述方面继续进行深入研究，进而全面掌握北山预选区的水文地球化学规律。

1）建立北山地区水文地球化学监测系统，包括地表水、不同深度地下水的采样方法、采样频率等，为水化学的空间分布特征研究及不同水体水化学指标随时间演化规律研究，提供基础的水化学数据。

2）由于深部地下水样较少，现阶段很难得到场址水化学垂向分布规律，未来在北山地下实验室竖井和螺旋斜坡道开挖施工过程中，可以采集不同深度的原状地下水，来研究北山预选区水化学的垂向分布规律。

3）开展古水文地质研究，深入研究北山预选区地下水的形成演化规律、古气候条件，并对未来气候条件进行预测，对不同深度裂隙充填物取样进行分析，与北山深部原状地下水进行水岩作用实验研究，从机理方面研究北山预选区地下水的演化规律。

4）利用PHREEQC 水文地球化学模拟软件，计算地下水样品的水溶组分、矿物饱和指数。同时进行垂向反应路径模拟，模拟天然条件下从大气降水到处置深度地下水的形成演化过程，以及水平向反应路径模拟，模拟区域上从补给区到排泄区的水化学变化情况。

5）在上述工作的基础上，采用OpenDX，将场址进行3D 可视化展示。

6）从废物罐的腐蚀及缓冲材料的稳定性两个方面考虑，提出适合我国场址安全评价的指标。通过与瑞典场址安全评价的主要指标相比较，北山已有水文地球化学指标满足瑞典安全评价标准，如地下水的TDS值＜100 g/L、Eh 值＜0、pH 值介于6～10 之间等。根据我国场址特征，建立适合我国高放废物处置水文地球化学的场址评价指标。

5 结语

1）瑞典场址地下水按其埋藏深度可分为：近地表水埋藏深度小于20 m，Cl-浓度通常＜200 mg/L；浅部地下水埋藏深度在20～200 m 之间，Cl-浓度通常在200～2 000 mg/L之间；中等深度地下水埋藏深度为200～600 m，Cl-浓度通常在2 000～6 000 mg/L 之间；深部地下水埋藏深度大于600 m，Cl-浓度通常在4 000～20 000 mg/L 之间。

2）混合作用是瑞典Forsmark 和Laxemar场址地下水形成演化最主要的作用，场址地下水主要由深部古盐水、冰川融水、古海水和现代大气降水入渗水混合而成。

3）瑞典用于场址安全评价的水文地球化学指 标包括：TDS 值、Eh 值、pH 值、Cl-、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、HS-、S2-、HCO3-/CO32-、Fe2＋、Mn2＋、氮化物、磷化物、胶体、微生物、可溶性气体等。其中用于安全评价的部分地下水水文地球化学指标的范围为：TDS 值＜100 g/L、Eh 值＜0 mV、pH 值为6～10、Ca＋Mg＞4 mg/L、DOC＜20 mg/L、胶体＜0.5 mg/L。

4）与瑞典场址安全评价的主要指标相比较，北山已有水文地球化学指标满足瑞典安全评价标准。但还应根据我国场址特征，建立适合我国高放废物处置水文地球化学的场址评价指标。