高放廢物地質(zhì)處置新場候選場址水文地質(zhì)特征研究

周志超，趙敬波，季瑞利，張明，吉子健

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.國家原子能機構(gòu)高放廢物地質(zhì)處置創(chuàng)新中心，北京 100029）

高放廢物的安全處置是關(guān)系到核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護、公眾健康保護的重大問題。目前，國際上公認的高放廢物處置方式為深地質(zhì)處置，即把高放廢物埋在距離地表深500～1 000 m 的地質(zhì)體中，使之與人類的生存環(huán)境永久隔離［1-2］。因此，場址的適宜性對高放廢物的最終安全處置極為重要。我國高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)工作始于1985年，經(jīng)過前期全國性的普查、篩選及論證，已經(jīng)確立了北山預(yù)選區(qū)為我國高放廢物地質(zhì)處置的首選預(yù)選區(qū)，新場場址為我國首座高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室場址［3-5］。其中，水文地質(zhì)條件不僅是處置庫場址篩選關(guān)鍵指標之一，亦是地下實驗室工程建設(shè)、現(xiàn)場試驗和場址特性評價等相關(guān)處置技術(shù)研發(fā)關(guān)注的重點，同時是新場場址將來能否擴展為處置庫的關(guān)鍵因素，對高放廢物的最終安全處置具有十分重要的意義［6-7］。

國際原子能機構(gòu)（IAEA）在地質(zhì)處置設(shè)施場址選址安全指南明確提出場址的地質(zhì)環(huán)境應(yīng)具有在安全期限內(nèi)將地下水流動限制在處置系統(tǒng)內(nèi)部的水文地質(zhì)特性，有利于高放廢物的安全隔離［8］。因此，高放廢物深地質(zhì)處置水文地質(zhì)研究重點是篩選出滿足上述要求的場址并評價其適宜性。同時，放射性核素遷移到人類環(huán)境最有可能的方式是地下水的搬運作用，其對工程屏障具有侵蝕破壞作用，對高放廢物玻璃固化體具有溶解能力，因此，場址水文地質(zhì)研究需要重點關(guān)注處置巖體的滲透性、地下水動力條件、水化學與同位素特征等因素，多角度、多維度綜合評價高放廢物地質(zhì)處置庫場址的適宜性［9-11］?；诖?，國際上有三十多個國家相繼開展了高放廢物處置庫場址特性評價工作［12-16］。針對花崗巖處置場址，其中以瑞典和芬蘭為代表的國家在場址水文地質(zhì)特性評價方面最為系統(tǒng)和深入，通過綜合集成了水文地質(zhì)調(diào)查、鉆孔水文試驗、樣品采集與水化學分析、同位素測試分析、鉆孔流速流向、地下水位動態(tài)監(jiān)測和數(shù)值模擬等多種技術(shù)手段，獲得了處置庫場址特性評價關(guān)注的水文地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)，為處置庫建設(shè)許可證的申請與獲批提供了重要技術(shù)支撐［14-16］，其相關(guān)科研成果和經(jīng)驗對我國開展場址篩選及工程特性評價具有重要參考價值。

本文以我國高放廢物地質(zhì)處置新場候選場址為研究對象，從巖體滲透性、地下水動力場和水文地球化學等方面著手，查明了新場場址的水文地質(zhì)條件，揭示了場址地下水的成因機制與循環(huán)更新速率，為高放廢物處置庫場址適宜性的論證、處置工程建設(shè)、現(xiàn)場試驗設(shè)計及適宜性評價提供重要的水文地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新場候選場址位于甘肅省酒泉市肅北縣，地面海拔標高多分布在1 650～1 800 m 之間，呈西高東低的低山丘陵地形，地勢起伏不大，山丘與溝谷高差一般約80 m，如圖1 所示。研究區(qū)屬溫帶干旱氣候，降水稀少，冬季干冷，夏季炎熱，蒸發(fā)強烈。多年平均降水量介于60～80 mm 之間，多年平均水面蒸發(fā)量大于3 000 mm。全區(qū)無常年性地表水系，僅在雨季存在間隙性的溝谷洪流。

2 場址斷層與巖體滲透特征

新場候選場址巖性主要以片麻狀花崗閃長巖、二長花崗巖、花崗閃長巖及片麻狀二長花崗巖為主。場址區(qū)域的斷裂構(gòu)造主要以壓性和壓扭性斷裂為主，走向多為EW 或者近EW方向。同時還分布長度為2～5 km 的次級配套斷裂，多數(shù)傾向為NW 或NWW，主要以張性和張扭性斷裂為主，將巖體切割為大小不一的巖塊［17］，如圖2 所示。根據(jù)賦存條件，研究區(qū)地下水主要以基巖裂隙水為主，局部溝谷淺部零星分布有松散巖類孔隙水，孔隙含水層厚度一般小于10.0 m。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 2 Geological sketch of the study area

為了認識新場候選場址區(qū)內(nèi)斷層與巖體的滲透特征，分別施工了一系列不同深度的直孔與斜孔，其中斜孔用于查明淺部與深部斷層的產(chǎn)狀、厚度及其滲透性，孔深主要為100 和600 m，直孔的孔深多數(shù)是600 m，主要用于揭露巖體的地質(zhì)與水文地質(zhì)特征［18-19］。場址巖體和斷層的滲透系數(shù)通過雙栓塞水文地質(zhì)試驗獲取，結(jié)果如圖3 和4 所示。結(jié)果表明：新場候選場址區(qū)域巖體的滲透系數(shù)極低，絕大多數(shù)滲透系數(shù)介于10-13～10-9m·s-1之間，尤其在設(shè)計的處置深度（約560 m），滲透系數(shù)多小于10-10m·s-1。

圖3 研究區(qū)巖體滲透系數(shù)隨深度變化Fig. 3 Variation of hydraulic conductivity of fractured pluton with depth

斷層核部滲透系數(shù)試驗結(jié)果如圖4 所示。該結(jié)果表明：整體上場址區(qū)域的斷層核部滲透系數(shù)呈現(xiàn)淺部高，深部低，南部較低，北部高的趨勢。斷層F31、F33和F32的北部淺部區(qū)域滲透性大致介于10-7～10-6m·s-1之間，南部和深部區(qū)域的滲透系數(shù)則介于10-11～10-10m·s-1之間，這說明淺部斷裂表現(xiàn)為一定的開啟性，滲透性相對較高，而深部膠結(jié)較好，滲透性極低。水文地質(zhì)試驗結(jié)果進一步明確了新場候選場址深部巖體、斷層的低滲透性特征，這對高放廢物深地質(zhì)處置是有利的。

圖4 研究區(qū)斷層淺部與深度的滲透系數(shù)試驗結(jié)果Fig. 4 Hydraulic test results of faults in the shallow and deep zones in the study area

3 場址地下水動力場特征

根據(jù)鉆孔地下水監(jiān)測結(jié)果可知，水位埋深介于3.80 ～ 47.79 m 之間。根據(jù)前期已有場址尺度地下水流數(shù)值模擬結(jié)果可知［20］，地下水位與地形整體上保持較好的一致性，呈現(xiàn)西部水位相對較高，東部相對較低，在中間地表分水嶺附近水位高，南北兩側(cè)低的趨勢，地下水從西向東南側(cè)和東北側(cè)方向流動。由圖5 可見，整體上南側(cè)水力梯度相對較大，北側(cè)相對較小。其次根據(jù)剖面圖可知，在斷層F32-1、F32附近溝谷處水位相對于兩側(cè)較高，其原因是由于場址巖體的滲透性相對較低，入滲量極其有限，降雨形成的地表徑流受地形的影響會在溝谷處匯集成洪流，附近的地下水位高于兩側(cè)巖體，之后地下水逐漸向溝谷兩側(cè)及深部補給。

圖5 場址尺度地下水流數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 5 Site-scale numerical flow results of ground water in the study area

為了查明場址巖體在垂向上的連通性，分別在鉆孔BS36、BS37 及BS39 安裝了地下水位多層監(jiān)測系統(tǒng)（圖6）。監(jiān)測結(jié)果顯示：地下水位在垂向上逐漸下降，呈現(xiàn)淺部高，深度低的趨勢。其中，鉆孔BS36 在深度為50 m 處附近監(jiān)測水位為1 706.6 m，在深度為500 m 附近監(jiān)測水位為1 682.4 m，兩者相差24.20 m，呈現(xiàn)典型的補給區(qū)特征，地下水流動趨勢是自淺部向深部運移。同時，該結(jié)果也在一定程度上說明淺部與深部巖體在垂向上水力連通性相對較差。

圖6 地下水位分層監(jiān)測結(jié)果Fig. 6 Variations in groundwater level with depth based on multi-level groundwater monitoring system data

為了進一步分析場址巖體地下水動力場與降雨的關(guān)系，分別在鉆孔BS06、BS28 開展了全孔地下水水位長期監(jiān)測工作，結(jié)果如圖7 所示。該結(jié)果表明：整體上鉆孔BS06 和BS28 的水位波動幅度較小，波動幅度不超過0.5 m，受降雨的影響不明顯。這一現(xiàn)象的原因可能是由于巖體的滲透極低，且降雨量小，蒸發(fā)量大，使得場址地下水接受補給的水量極其有限，鉆孔水位相對較為穩(wěn)定。同時鉆孔BS06 呈現(xiàn)季節(jié)周期性的波動，其原因可能是由于降雨入滲補給到地下水存在一定程度的滯后現(xiàn)象［21］。此外，基于飽和帶的氯質(zhì)量平衡方法計算結(jié)果可知，新場場址淺部地下水多年平均入滲量為0.25 mm·a-1，不足多年平均降水量的0.5 %，這同時也說明研究區(qū)地下水補給量極其有限，且與地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的認識一致［22］。

圖7 鉆孔BS06 和BS28 地下水位動態(tài)監(jiān)測結(jié)果Fig. 7 Variations in groundwater level with time at borehole BS06 and BS28

4 場址地下水水化學與同位素特征

通過水文地質(zhì)調(diào)查獲得了新場場址及附近淺鉆孔、深鉆孔及民井等水樣，累計115 件，地下水樣的水化學結(jié)果如圖8 所示［23-25］。結(jié)果表明：場址淺部基巖地下水化學類型主要以Cl·SO4-Na 型為主，TDS 介于1.32～1.69 g·L-1之間，pH 值介于7.37～7.99 之間，以微咸水為主。同時，在鉆孔BS28 355～484 m 深度采集的水樣測試結(jié)果可知：深部地下水的pH 值為8.25，呈弱堿性，TDS 為1.96 g·L-1，地下水化學類型主要為Cl·SO4-Na 型。其次，研究區(qū)地處戈壁荒漠，蒸發(fā)量極大，溝谷處地下水位相對較淺，受蒸發(fā)濃縮作用影響明顯，使得淺部地下水TDS 相對偏大。

圖8 研究區(qū)地下水水化學Piper 三線圖Fig. 8 The Piper diagram of groundwater in the study area

穩(wěn)定同位素D、18O 測試結(jié)果的散點位于全球大氣降水線附近和右下側(cè)（圖9），這說明新場場址及周邊地區(qū)的地下水起源于當?shù)氐拇髿饨邓霛B補給。位于全球雨水線附近的水點，多取自地下水循環(huán)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，多取自地下水局部排泄區(qū)，這種地下水重同位素相對富集的現(xiàn)象可以解釋為受蒸發(fā)作用所致。

圖9 研究區(qū)地下水穩(wěn)定同位素特征Fig. 9 Isotopic distribution of δD and δ18O in the study area

此外，取自鉆孔BS28 355～484 m 深度、BSQ11 33～89 m 深度及 BSQ12 31～87 m 深度的地下水樣品的14C 表觀年齡分別為13.2、3.7及5.4 ka［24］，說明新場候選場址地下水流動緩慢，循環(huán)更新速率差，也間接說明了場址巖體垂向上連通性較差。

5 場址地下水成因機制

綜上所述，新場候選場址地下水主要以大氣降水為主要來源，地表溝谷洪流滲漏是主要的補給途徑，所形成的溝谷地下水在水力梯度作用下向兩側(cè)和深部緩慢流動，形成了場址的地下水。此外，在其他地區(qū)，降水的直接入滲，也是地下水的補給來源之一，但整體上研究區(qū)地下水接受總的補給量是極其有限的。場址巖體和斷層的滲透性總體偏低，尤其在處置深度滲透系數(shù)試驗測量結(jié)果絕大多數(shù)小于10-10m·s-1。巖體在垂向上水力聯(lián)系較弱，地下水位表現(xiàn)出淺部高、深部低的趨勢，呈現(xiàn)典型的補給區(qū)特征。受蒸發(fā)濃縮作用的影響，地下水主要水化學類型為Cl·SO4-Na 型。目前，地下水樣品的測年結(jié)果表明：淺部地下水年齡小于5.4 ka，深部地下水年齡高達13.2 ka，說明地下水的交替、運移十分緩慢。該認識通過研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的形式描述，見圖10。由此可知，新場候選場址水文地質(zhì)條件總體上具有補給條件差、巖體滲透性低、垂向水力聯(lián)系和循環(huán)更新速率緩慢等特點，這對高放廢物地質(zhì)處置而言是有利的。

圖10 新場候選場址水文地質(zhì)概念模型Fig. 10 Hydrogeological concept model of Xinchang candidate site

6 結(jié) 論

1） 新場候選場址地下水位空間分布整體受地形控制，呈現(xiàn)西高東低、中間高南北低，垂向上淺部高、深部低的趨勢，具有典型的地下水補給區(qū)特征；地下水以大氣降水入滲補給為主，匯集到溝谷從淺部向兩側(cè)和深部流動，但地下水整體上補給能力差，垂向水力聯(lián)系弱。

2）場址巖體的滲透性總體偏低，多數(shù)滲透系數(shù)試驗結(jié)果介于10-13～10-9m·s-1之間，處置深度巖體的滲透系數(shù)多小于10-10m·s-1；斷層的滲透系數(shù)呈現(xiàn)淺部高、深部低、北部高和南部低的趨勢，處置深度斷層的滲透系數(shù)介于10-11～10-10m·s-1之間，總體上新場候選場址巖體和斷層呈現(xiàn)低滲透性的特征。

3）受蒸發(fā)濃縮作用的影響，地下水化學類型主要為Cl·SO4-Na 型；14C 測年結(jié)果表明：淺部地下水年齡小于5.4 ka，深部地下水年齡達13.2 ka，地下水循環(huán)更新速率緩慢。