高放废物处置库川井预选区地下水水化学及同位素特征

贺小黑 ， 张卫民 ， 徐卫东 ， 王 健 ，张群利 ， 李效萌 ， 黄精涛

（1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，南昌 330013；2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013）

安全处置高放废物的前提是必须选择合适的处置库场址，长寿命放射性核素在处置库的迁移主要取决于围岩的地球化学特征和地下水化学特征，地下水是长寿命放射性核素返回到人类环境的主要载体。因此，水文地质因素对处置库的安全性有十分重要的影响，在高放废物场址选址和评价初期，开展预选场地区域地下水化学特征研究很有必要，且意义重大［1-2］。

内蒙古自治区川井坳陷是我国高放废物处置库场址的预选区之一，位于二连盆地西部，气候干旱，黏土岩广泛分布。彭云彪构建了川井坳陷三位一体找矿预测模型，预测了3个铀成矿远景区［3］。李保侠阐述了川井坳陷铀成矿环境，并研究了成矿有利地段［4］。李勇对川井坳陷南缘下白垩统固阳组沉积相进行了研究［5］。郝进庭分析了川井坳陷砂岩型铀矿成矿条件，并指出了今后找铀矿的主要部位［6］。

前人对川井坳陷进行的一些研究为本次在川井地区开展高放废物地质处置库黏土岩地段评价提供了基础地质资料，但由于前人对川井地区水文地质特征方面的研究鲜有涉及，因此本次开展川井预选区水文地球化学研究是十分有必要和有意义的。

本次研究在采取研究区内地表水和地下水样品、对样品进行测试基础上，研究了川井预选区的水文地球化学特征及其控制因素，为我国高放废物处置库选址提供了水文地质依据。

1 自然地理概况

川井预选区位于内蒙古高原中部（图1），地势上具南高北低、西高东低的特点。北为索伦山低山丘陵，山势较平缓；南为阴山山地；两山之间为中新生代盆地区，地势平缓。

区内属中温带干旱气候区，多风少雨，冬季严寒，夏季较热，昼夜温差大，年日照时数3 200～34 00 h，年平均气温4.6℃，年平均降水量180.56 mm，相对湿度47.8%～51.2%，年平均蒸发量2 461.12 mm，为降水量的13.6倍。由于降水量少，空气干燥，区内呈现荒漠草原地貌景观。

2 水文地质概况

川井坳陷盖层主要由白垩系和古近系组成，均大面积出露地表。上白垩统二连组为一套湖相和洪泛平原相的红色泥岩夹砂质砾岩，下白垩统赛汉组在区内发育辫状河相和辫状河三角洲相砂体和湖相泥岩，下白垩统腾格尔组为一套湖相灰色、深灰色泥岩，为高放废物处置黏土岩调查目的层。坳陷南缘属于阴山地层分区，盖层主要为下白垩统李三沟组和固阳组，属于冲积扇相和扇三角洲相杂色和灰色岩系。

图1 二连盆地川井坳陷交通位置图Fig.1 Traffic location of Chuanjing depression in Erlian basin

松散岩类孔隙潜水含水岩组和碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩组分布广泛。基岩裂隙水含水岩组主要赋存于坳陷边缘的前古生界变质岩和各期侵入岩等基岩裂隙中，接受大气降水补给，排泄于山前沟谷、低洼地带和山前高平原地下水中。地貌、地质构造和气候等自然条件控制着川井自流水坳陷内地下水的形成及其分布规律。

3 样品采集与测试

受采样条件限制，主要借助于预选区内的牧民饮用水井及喂养牲口水井进行采样分析。2016年和2018年，在区内共采取水样16组，其中地表水水样1组，地下水水样15组。

在采样过程中现场测定了地下水埋深、地面标高及水温、pH、Eh、Do、电导率和TDS等物理指标，并使用550 mL聚乙烯瓶采集水样，少部分样品密封送至国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心测试氚含量，大部分样品密封送至东华理工大学分析测试研究中心测试其他指标，具体测试指标和测试方法见表1。

表1 测试指标及测试方法Table 1 Test indicators and test methods

4 结果与讨论

本次研究野外采取的水样点位于坳陷的中心地带或附近，根据采样点的地下水位，分析了地下水流向，如图2所示。地下水流动呈现由四周隆起区向盆地中心流动的规律。

4.1 地下水水化学一般规律

4.1.1 水化学类型分析

对研究区采集的10组水样的测试结果开展了水化学类型分析，分析结果见表2，利用软件画出水化学成分Piper三线图（图3）。

图2 采样点附近地下水流向图Fig.2 Flowing direction of groundwater near the sampling point

表2 水化学类型分析结果Table 2 Analysis results of water chemistry type

图3 地表水与地下水水化学成分Piper三线图Fig.3 Piper three-line diagram for chemical composition of surface water and groundwater

由表2与图3可见，径流区地表水（S10）水化学类型为Cl—SO4—Na—Ca型水，径流区地下水水化学类型主要是SO4—Cl—Na型水或Cl—SO4—Na 型 水 或 Cl—SO4—Na—Mg 型 水 ，靠近补给区的地下水（S02、S03）水化学类型为Cl—HCO3—SO4—Na—Mg 型 水 或 HCO3—Cl—SO4—Na—Mg—Ca型水， 补给区地下水（S12）水化学类型为 Cl—HCO3—SO4—Na型水，排泄区地下水（S08）水化学类型为 Cl—SO4—Na型水。由此可见，研究区范围内径流区的地表水与地下水的水化学类型差别不大。此外，图3显示地表水与地下水的水样点没有明显的分区现象，这表明地表水与地下水水力联系密切。地表水和地下水的矿化度虽有较大的幅度变化（546～9 784 mg·L-1）， 但水化学类型的变化并不明显，主要原因是在典型的干旱大陆性气候条件下，地下水化学类型除了受气候影响外，还受地层岩性影响。

表3 川井水样取样点pH值统计表Table 3 pH Value of Sampling Point in Chuanjing

4.1.2 pH、Eh分析

由表3可知，径流区地表水的pH值为8.59，径流区地下水的pH值在6.63～8.04之间，平均值为7.64，排泄区地下水pH值为7.44，地下水的pH值大多落在7～8之间，地下水的pH值符合我国黏土岩选址的基本标准。由表4可见，径流区地表水Eh值为281.7 mV，径流区地下水的Eh值在317.3～395.3 mV之间，平均值为339.4 mV，排泄区地下水Eh值为350.6 mV，径流-排泄区地下水的Eh值均大于200 mV，说明该区域浅部地下水和地表水处于氧化环境。

表4 川井水样取样点Eh值/mV统计表Table 4 Eh value/mV of water sampling point in Chuanjing

4.1.3 TDS分析

地下水的 TDS值在546～9 784 mg·L-1之间，平均值高达2 512 mg·L-1，地表水的TDS值为7 250 mg·L-1，只有局部地区的 TDS值符合国家生活饮用水卫生标准1 g·L-1（GB 5749—2006）。地下水和地表水都属高矿化度水，但均小于100 g·L-1，因此地下水的TDS值符合我国黏土岩选址的基本标准（表 5）。

表5 地下水和地表水TDS值/（g·L-1）Table 5 TDS values/（g·L-1） of groundwater and surface water

4.2 地下水氢氧同位素特征

4.2.1 地下水氢氧稳定同位素特征分析

水化学测试结果显示，地下水δD值为-75.2‰～-98.7‰ ， 平均-88.54‰ ， δ18O值为-9.0‰～-11.7‰，平均-10.4‰；因研究区位于干旱地区，取样当天只取到一个地表水样 ， 地 表 水 δD值 为-24.4‰ ， δ18O值 为3.6‰。显然，与地表水相比，地下水中的同位素δD和δ18O值偏负，造成这种现象的主要原因可能是：地表水对地下水的补给作用不明显，这与当地降水量少，蒸发强烈，难以形成持续性的补给源是有关系的。

利用同位素数据，点绘δD和δ18O散点图，并与全球雨水线对比（图4），由图4可见，大部分采样点地下水中δD和δ18O值处于全球平均大气降水线右侧下方，偏离全球大气降水线较远，个别采样点的δD和δ18O值在全球大气降水线，这表明地下水的补给来源为同一来源。地下水中氢氧重同位素明显富集，说明地下水在补给的过程中经历了较强的蒸发作用，从而产生氢氧重同位素富集，使氢氧重同位素点偏离大气降水线并位于其右下方。

图4 水中δD-δ18O含量关系图Fig.4 Relationship between δD-δ18O content in water

4.2.2 放射性同位素氚特征分析

氚同位素分析测试结果见表6，表中从大口民井和个别机井中取的水样代表浅层地下水样品，从大部分机井中取的水样代表深部地下水样品。由表6可见，川井预选区浅层地下水样品 （S02、S09） 的氚浓度在（6.5±1.1）TU～（17.2±1.2）TU 范围， 平均氚浓度11.9 TU。而取自深井的地下水样品（S01、 S03、 S05、 S08、 S10 和 S11）的氚浓度普遍小于＜1.0 TU，明显低于浅层地下水样品中的氚含量，说明深部地下水的循环交替能力明显弱于浅层地下水，其在地下滞留的时间相对浅层地下水要长。

表6 川井地区地下水水样中氚含量测试结果Table 6 Test results of radon content in groundwater samples from Chuanjing area

4.3 地下水水化学的控制因素分析

水中阴阳离子的组分虽然受多重因素影响，但离子之间具有较好的相关性，表明离子可能具有相同的物质来源或经历了相同的物理化学反应过程。为了进一步探明地下水化学特征，用SPSS对pH值、TDS、主要水化学指标进行相关性分析。表7是它们之间的相关系数矩阵，由表7可见，阴离子Cl-、SO42-与TDS显著正相关，相关系数分别为0.998和 0.989， 阳离子 Na＋、 Ca2＋与 TDS显著正相关，相关系数分别为0.991和0.919，是地表水和浅层地下水的主要化学组分。Ca2＋与Mg2＋在0.01水平（双侧）上显著正相关，表明水中溶解的Ca2＋与 Mg2＋主要来自区域内地层中常见的矿物高岭石、伊利石和石膏的溶解，而 Ca2＋与 HCO3－、 Mg2＋与 HCO3－都在 0.01 水平（双侧）上显著负相关，反映了区域内浅层地下水水化学组分来源不是碳酸盐岩的溶解。通过相关性分析可以看出，TDS的增加主要与离子 Na＋、 Ca2＋、 Cl-、 SO42-有关， 与水化学类型基本一致。

表7 水化学参数相关矩阵Table 7 Correlation matrix of water chemical parameter

5 结论

1）川井预选区地表水水化学类型是Cl—SO4—Na—Ca型水，径流区地下水水化学类型主要是 SO4—Cl—Na型水或 Cl—SO4—Na型水或 Cl—SO4—Na—Mg型水，靠近补给区的地下水（S02、S03） 水化学类型为Cl—HCO3—SO4—Na—Mg 型 水 或 HCO3—Cl—SO4—Na—Mg—Ca型水，补给区地下水（S12）水化学类型为 Cl—HCO3—SO4—Na型水， 排泄区地下水水化学类型为Cl—SO4—Na型水。径流区的地表水与地下水的水化学类型差别不大。地表水与地下水水力联系密切，地表水和地下水的矿化度虽有较大的幅度变化，但水化学类型的变化并不明显，表明地下水化学类型除了受气候影响外，还与地层岩性密切相关。

2）地表水和地下水的pH值大多落在7～8之间；径流-排泄区地表水和地下水的Eh值均大于200 mV，说明该区域浅部地下水和地表水处于氧化环境；地下水的TDS值普遍比地表水的TDS值高，均小于100 g·L-1，但都属高矿化度水。因此，pH值和TDS值均符合我国黏土岩选址的基本标准。

3）与地表水相比，地下水同位素δD和δ18O值偏负，原因是：地表水对地下水的补给作用不甚明显，与当地降水量少，蒸发强烈，难以形成持续性的补给源有关。地下水中氢氧重同位素明显富集，说明研究区地下水在补给的过程中经历了较强的蒸发作用。大部分采样点地下水中 δD和 δ18O值偏离全球大气降水线较远，处于全球平均大气降水线右侧下方，表明地下水的补给来源为同一来源。

4）深部地下水中的氚含量明显低于浅层地下水中的氚含量，说明深部地下水的循环交替能力明显弱于浅层地下水，其在地下滞留的时间相对浅层地下水要长。

5） Na＋、Ca2＋、 Cl-、SO42-是地表水和浅层地下水的主要化学组分。浅层地下水水化学组分来源不是碳酸盐岩的溶解，水中溶解的Ca2＋与 Mg2＋主要来自地层中常见的矿物高岭石、伊利石和石膏的溶解。