高放废物地质处置新场候选场址水文地质特征研究

周志超，赵敬波，季瑞利，张明，吉子健

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京 100029）

高放废物的安全处置是关系到核工业可持续发展和环境保护、公众健康保护的重大问题。目前，国际上公认的高放废物处置方式为深地质处置，即把高放废物埋在距离地表深500～1 000 m 的地质体中，使之与人类的生存环境永久隔离［1-2］。因此，场址的适宜性对高放废物的最终安全处置极为重要。我国高放废物地质处置研发工作始于1985年，经过前期全国性的普查、筛选及论证，已经确立了北山预选区为我国高放废物地质处置的首选预选区，新场场址为我国首座高放废物地质处置地下实验室场址［3-5］。其中，水文地质条件不仅是处置库场址筛选关键指标之一，亦是地下实验室工程建设、现场试验和场址特性评价等相关处置技术研发关注的重点，同时是新场场址将来能否扩展为处置库的关键因素，对高放废物的最终安全处置具有十分重要的意义［6-7］。

国际原子能机构（IAEA）在地质处置设施场址选址安全指南明确提出场址的地质环境应具有在安全期限内将地下水流动限制在处置系统内部的水文地质特性，有利于高放废物的安全隔离［8］。因此，高放废物深地质处置水文地质研究重点是筛选出满足上述要求的场址并评价其适宜性。同时，放射性核素迁移到人类环境最有可能的方式是地下水的搬运作用，其对工程屏障具有侵蚀破坏作用，对高放废物玻璃固化体具有溶解能力，因此，场址水文地质研究需要重点关注处置岩体的渗透性、地下水动力条件、水化学与同位素特征等因素，多角度、多维度综合评价高放废物地质处置库场址的适宜性［9-11］。基于此，国际上有三十多个国家相继开展了高放废物处置库场址特性评价工作［12-16］。针对花岗岩处置场址，其中以瑞典和芬兰为代表的国家在场址水文地质特性评价方面最为系统和深入，通过综合集成了水文地质调查、钻孔水文试验、样品采集与水化学分析、同位素测试分析、钻孔流速流向、地下水位动态监测和数值模拟等多种技术手段，获得了处置库场址特性评价关注的水文地质关键参数，为处置库建设许可证的申请与获批提供了重要技术支撑［14-16］，其相关科研成果和经验对我国开展场址筛选及工程特性评价具有重要参考价值。

本文以我国高放废物地质处置新场候选场址为研究对象，从岩体渗透性、地下水动力场和水文地球化学等方面着手，查明了新场场址的水文地质条件，揭示了场址地下水的成因机制与循环更新速率，为高放废物处置库场址适宜性的论证、处置工程建设、现场试验设计及适宜性评价提供重要的水文地质依据。

1 研究区概况

新场候选场址位于甘肃省酒泉市肃北县，地面海拔标高多分布在1 650～1 800 m 之间，呈西高东低的低山丘陵地形，地势起伏不大，山丘与沟谷高差一般约80 m，如图1 所示。研究区属温带干旱气候，降水稀少，冬季干冷，夏季炎热，蒸发强烈。多年平均降水量介于60～80 mm 之间，多年平均水面蒸发量大于3 000 mm。全区无常年性地表水系，仅在雨季存在间隙性的沟谷洪流。

2 场址断层与岩体渗透特征

新场候选场址岩性主要以片麻状花岗闪长岩、二长花岗岩、花岗闪长岩及片麻状二长花岗岩为主。场址区域的断裂构造主要以压性和压扭性断裂为主，走向多为EW 或者近EW方向。同时还分布长度为2～5 km 的次级配套断裂，多数倾向为NW 或NWW，主要以张性和张扭性断裂为主，将岩体切割为大小不一的岩块［17］，如图2 所示。根据赋存条件，研究区地下水主要以基岩裂隙水为主，局部沟谷浅部零星分布有松散岩类孔隙水，孔隙含水层厚度一般小于10.0 m。

图2 研究区地质简图Fig. 2 Geological sketch of the study area

为了认识新场候选场址区内断层与岩体的渗透特征，分别施工了一系列不同深度的直孔与斜孔，其中斜孔用于查明浅部与深部断层的产状、厚度及其渗透性，孔深主要为100 和600 m，直孔的孔深多数是600 m，主要用于揭露岩体的地质与水文地质特征［18-19］。场址岩体和断层的渗透系数通过双栓塞水文地质试验获取，结果如图3 和4 所示。结果表明：新场候选场址区域岩体的渗透系数极低，绝大多数渗透系数介于10-13～10-9m·s-1之间，尤其在设计的处置深度（约560 m），渗透系数多小于10-10m·s-1。

图3 研究区岩体渗透系数随深度变化Fig. 3 Variation of hydraulic conductivity of fractured pluton with depth

断层核部渗透系数试验结果如图4 所示。该结果表明：整体上场址区域的断层核部渗透系数呈现浅部高，深部低，南部较低，北部高的趋势。断层F31、F33和F32的北部浅部区域渗透性大致介于10-7～10-6m·s-1之间，南部和深部区域的渗透系数则介于10-11～10-10m·s-1之间，这说明浅部断裂表现为一定的开启性，渗透性相对较高，而深部胶结较好，渗透性极低。水文地质试验结果进一步明确了新场候选场址深部岩体、断层的低渗透性特征，这对高放废物深地质处置是有利的。

图4 研究区断层浅部与深度的渗透系数试验结果Fig. 4 Hydraulic test results of faults in the shallow and deep zones in the study area

3 场址地下水动力场特征

根据钻孔地下水监测结果可知，水位埋深介于3.80 ～ 47.79 m 之间。根据前期已有场址尺度地下水流数值模拟结果可知［20］，地下水位与地形整体上保持较好的一致性，呈现西部水位相对较高，东部相对较低，在中间地表分水岭附近水位高，南北两侧低的趋势，地下水从西向东南侧和东北侧方向流动。由图5 可见，整体上南侧水力梯度相对较大，北侧相对较小。其次根据剖面图可知，在断层F32-1、F32附近沟谷处水位相对于两侧较高，其原因是由于场址岩体的渗透性相对较低，入渗量极其有限，降雨形成的地表径流受地形的影响会在沟谷处汇集成洪流，附近的地下水位高于两侧岩体，之后地下水逐渐向沟谷两侧及深部补给。

图5 场址尺度地下水流数值模拟结果Fig. 5 Site-scale numerical flow results of ground water in the study area

为了查明场址岩体在垂向上的连通性，分别在钻孔BS36、BS37 及BS39 安装了地下水位多层监测系统（图6）。监测结果显示：地下水位在垂向上逐渐下降，呈现浅部高，深度低的趋势。其中，钻孔BS36 在深度为50 m 处附近监测水位为1 706.6 m，在深度为500 m 附近监测水位为1 682.4 m，两者相差24.20 m，呈现典型的补给区特征，地下水流动趋势是自浅部向深部运移。同时，该结果也在一定程度上说明浅部与深部岩体在垂向上水力连通性相对较差。

图6 地下水位分层监测结果Fig. 6 Variations in groundwater level with depth based on multi-level groundwater monitoring system data

为了进一步分析场址岩体地下水动力场与降雨的关系，分别在钻孔BS06、BS28 开展了全孔地下水水位长期监测工作，结果如图7 所示。该结果表明：整体上钻孔BS06 和BS28 的水位波动幅度较小，波动幅度不超过0.5 m，受降雨的影响不明显。这一现象的原因可能是由于岩体的渗透极低，且降雨量小，蒸发量大，使得场址地下水接受补给的水量极其有限，钻孔水位相对较为稳定。同时钻孔BS06 呈现季节周期性的波动，其原因可能是由于降雨入渗补给到地下水存在一定程度的滞后现象［21］。此外，基于饱和带的氯质量平衡方法计算结果可知，新场场址浅部地下水多年平均入渗量为0.25 mm·a-1，不足多年平均降水量的0.5 %，这同时也说明研究区地下水补给量极其有限，且与地下水动态监测数据的认识一致［22］。

图7 钻孔BS06 和BS28 地下水位动态监测结果Fig. 7 Variations in groundwater level with time at borehole BS06 and BS28

4 场址地下水水化学与同位素特征

通过水文地质调查获得了新场场址及附近浅钻孔、深钻孔及民井等水样，累计115 件，地下水样的水化学结果如图8 所示［23-25］。结果表明：场址浅部基岩地下水化学类型主要以Cl·SO4-Na 型为主，TDS 介于1.32～1.69 g·L-1之间，pH 值介于7.37～7.99 之间，以微咸水为主。同时，在钻孔BS28 355～484 m 深度采集的水样测试结果可知：深部地下水的pH 值为8.25，呈弱碱性，TDS 为1.96 g·L-1，地下水化学类型主要为Cl·SO4-Na 型。其次，研究区地处戈壁荒漠，蒸发量极大，沟谷处地下水位相对较浅，受蒸发浓缩作用影响明显，使得浅部地下水TDS 相对偏大。

图8 研究区地下水水化学Piper 三线图Fig. 8 The Piper diagram of groundwater in the study area

稳定同位素D、18O 测试结果的散点位于全球大气降水线附近和右下侧（图9），这说明新场场址及周边地区的地下水起源于当地的大气降水入渗补给。位于全球雨水线附近的水点，多取自地下水循环较快的沟谷内，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，多取自地下水局部排泄区，这种地下水重同位素相对富集的现象可以解释为受蒸发作用所致。

图9 研究区地下水稳定同位素特征Fig. 9 Isotopic distribution of δD and δ18O in the study area

此外，取自钻孔BS28 355～484 m 深度、BSQ11 33～89 m 深度及 BSQ12 31～87 m 深度的地下水样品的14C 表观年龄分别为13.2、3.7及5.4 ka［24］，说明新场候选场址地下水流动缓慢，循环更新速率差，也间接说明了场址岩体垂向上连通性较差。

5 场址地下水成因机制

综上所述，新场候选场址地下水主要以大气降水为主要来源，地表沟谷洪流渗漏是主要的补给途径，所形成的沟谷地下水在水力梯度作用下向两侧和深部缓慢流动，形成了场址的地下水。此外，在其他地区，降水的直接入渗，也是地下水的补给来源之一，但整体上研究区地下水接受总的补给量是极其有限的。场址岩体和断层的渗透性总体偏低，尤其在处置深度渗透系数试验测量结果绝大多数小于10-10m·s-1。岩体在垂向上水力联系较弱，地下水位表现出浅部高、深部低的趋势，呈现典型的补给区特征。受蒸发浓缩作用的影响，地下水主要水化学类型为Cl·SO4-Na 型。目前，地下水样品的测年结果表明：浅部地下水年龄小于5.4 ka，深部地下水年龄高达13.2 ka，说明地下水的交替、运移十分缓慢。该认识通过研究区水文地质概念模型的形式描述，见图10。由此可知，新场候选场址水文地质条件总体上具有补给条件差、岩体渗透性低、垂向水力联系和循环更新速率缓慢等特点，这对高放废物地质处置而言是有利的。

图10 新场候选场址水文地质概念模型Fig. 10 Hydrogeological concept model of Xinchang candidate site

6 结 论

1） 新场候选场址地下水位空间分布整体受地形控制，呈现西高东低、中间高南北低，垂向上浅部高、深部低的趋势，具有典型的地下水补给区特征；地下水以大气降水入渗补给为主，汇集到沟谷从浅部向两侧和深部流动，但地下水整体上补给能力差，垂向水力联系弱。

2）场址岩体的渗透性总体偏低，多数渗透系数试验结果介于10-13～10-9m·s-1之间，处置深度岩体的渗透系数多小于10-10m·s-1；断层的渗透系数呈现浅部高、深部低、北部高和南部低的趋势，处置深度断层的渗透系数介于10-11～10-10m·s-1之间，总体上新场候选场址岩体和断层呈现低渗透性的特征。

3）受蒸发浓缩作用的影响，地下水化学类型主要为Cl·SO4-Na 型；14C 测年结果表明：浅部地下水年龄小于5.4 ka，深部地下水年龄达13.2 ka，地下水循环更新速率缓慢。