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世界核地质科学 >

2025 , Vol. 42 >Issue 3: 471 - 484

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-0636.2025.03.001

封面文章

高放废物处置库新场预选地段及南部下游地区地下水循环特征研究

  • 李杰彪 , 1, 2 ,
  • 周志超 1, 2 ,
  • 赵敬波 1, 2 ,
  • 张明 1, 2 ,
  • 季瑞利 1, 2 ,
  • 吉子健 1, 2 ,
  • 直越昊 1, 2 ,
  • 田震 1, 2
展开
  • 1 核工业北京地质研究院，北京 100029
  • 2 中国国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京 100029

李杰彪，男，1987年生，高级工程师，博士，主要从事水文地质、核废物地质处置方面的研究。E-mail：

收稿日期: 2025-05-15

  修回日期: 2025-05-26

  网络出版日期: 2025-11-06

基金资助

中核集团研发平台稳定支持科研项目（编号：中核科发[2024]468号资助）

收起

Groundwater circulation characteristics of Xinchang preselected site and the southern periphery in Beishan area for high-level radioactive waste disposal repository

  • LI Jiebiao , 1, 2 ,
  • ZHOU Zhichao 1, 2 ,
  • ZHAO Jingbo 1, 2 ,
  • ZHANG Ming 1, 2 ,
  • JI Ruili 1, 2 ,
  • JI Zijian 1, 2 ,
  • ZHI Yuehao 1, 2 ,
  • TIAN Zhen 1, 2
Expand
  • 1 Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China
  • 2 CAEA Innovation Center for Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste，Beijing 100029，China

LI Jiebiao，male，born in 1987，senior engineer，PhD，focusing on hydrogeology and geological disposal of nuclear waste. E-mail：

Received date: 2025-05-15

  Revised date: 2025-05-26

  Online published: 2025-11-06

Supported by

Stable Support Program for Scientific Research Projects of the China National Nuclear Corporation R & D Platform（No. CNNC-STD[2024]468）

Fold

摘要

水文地质条件是高放废物处置库选址和长期性能安全评价的重要依据，开展地下水循环特征研究尤为重要。以我国高放废物地质处置库北山新场预选地段及南部下游地区为研究区，综合采用多种环境同位素、地下水动力学以及数值模拟等方法，对区内地下水循环交替特征进行了深入研究。结果表明：浅部松散岩类地下水主要补给来源为现代大气降水，年龄一般小于30 a；深部基岩裂隙水交替、运移十分缓慢，地下实验室场址内深部地下水14C表观年龄大于10 ka；且区内地下水均未发现来自深部壳源和幔源水的补给；新场地段内地下水水位的垂向分层特征明显，均呈现浅部水头高而深部低的现象；远离沟谷的钻孔地下水与降水的关系不密切，地下水位多呈现周期性波动；地下水流系统可分为区域、中间和局部3个级次。局部水流系统循环交替作用最为活跃，水循环量接近总量的80 %。区内的水文地质条件有利于高放废物地质处置，该结果为高放废物处置库选址提供依据。

关键词： 地下水循环; 环境同位素; 地下水动态; 数值模拟; 高放废物处置

本文引用格式

李杰彪 , 周志超 , 赵敬波 , 张明 , 季瑞利 , 吉子健 , 直越昊 , 田震 . 高放废物处置库新场预选地段及南部下游地区地下水循环特征研究[J]. 世界核地质科学, 2025 , 42(3) : 471 -484 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-0636.2025.03.001

Abstract

Hydrogeological conditions are crucial for the site selection and long-term safety assessment of high-level radioactive waste (HLW) disposal repositories. This study focuses on the groundwater circulation characteristics of Xinchang preselected site and its southern periphery of the Beishan area for HLW disposal. A comprehensive approach employing multiple environmental isotopes, hydrodynamics, and numerical modelling was used to investigate groundwater circulation within the study area. Results indicated that groundwater in shallow loose sediments exhibited relatively rapid renewal rates, with an average age generally less than 30 years. The apparent 14C age of deep bedrock groundwater generally exceeding 10 ka within the underground research laboratory (URL) site. There was no evidence of contributions from deep crustal or mantle sources to groundwater within the region. Within the Xinchang site, the groundwater head shows pronounced vertical stratification, with a higher hydraulic head in shallow zones than in deeper ones. Groundwater in boreholes distant from the gully shows weak hydraulic connectivity with precipitation, and the groundwater level often exhibits periodic fluctuations. The groundwater flow systems can be categorized into three types: regional, intermediate, and local. The local flow system was the most active, accounting for over 80 % of the total flux. These characteristics showed that the hydrogeological conditions in the study area were favorable for the geological disposal of HLW.

Key words： groundwater circulation; environmental isotope; groundwater dynamics; numerical simulation; high level radioactive waste disposal

放射性废物是核工业发展的必然产物，其中高放废物具有毒性大、半衰期长和释热率高等特点，能否对其进行安全处置已成为关系到我国核工业可持续发展和环境保护的战略性课题[1]。目前，深地质处置是安全处置高放废物的唯一可行方式，安全隔离时间要求1万年甚至更长[2]。高放废物地质处置库场址筛选过程中水文地质问题是必须解决的关键问题之一。在高放废物地质处置库中，地下水是放射性核素迁移的主要载体[3]。地下水循环涵盖地下水补给、径流和排泄3个方面的内容，是水文地质条件评价的核心内容。
地下水循环具有系统性，即在一定的时空范围内保持某种整体上的相对独立性，又具有内部结构而且各个组成部分之间存在密切相互作用[4]。基岩裂隙介质具有明显的非均质性和各向异性，其地下水循环交替规律十分复杂，传统方法在应用时受到诸多限制，而同位素技术利用地下水组分在原子核层面的活动特性来识别地下水的运移过程，为研究低渗透基岩裂隙水的运动提供了有效手段[5]。D、18O稳定同位素是识别地下水来源的有效工具，大气降水线因同位素交换发生的演化和分异在δD、δ18O关系图中可以用13条过程线很好地解释[6]。稀有气体具有化学惰性，且同时不同端元之间差异明显，使它们成为地下水相关研究中理想的示踪剂[7]。稀有气体作为示踪剂可进一步加深对地下水径流路径、地下水的排泄位置和排泄量、含水层之间的连通性和地下水滞留时间的认识[8-12]。地下测年被广泛用于基岩地区地下水循环特征研究中，常用于古地下水测年的同位素主要包括14C、81Kr、36Cl、4He和234U/238U等[13]。不同同位素测定的地下水年龄范围不同，一般为其半衰期的0.1~10倍。14C是最为常用的测定古地下水年龄的方法之一，特别适合晚更新世以来的古地下水测年研究，其最佳测年时段介于1~40 ka之间。由于各种同位素获得的信息类型不同，且单一环境示踪剂获得信息有限。因此，需要综合分析场址的水化学场、同位素场和水动力场才能进行深入的定量研究[14]。国际上诸如瑞典Äspö、芬兰ONKALO等在开展处置库场址地下水循环特征研究时均采用了多种方法相互验证的方式[15-16]。
我国处置库选址工作主要聚焦在甘肃北山地区，并于2011年确定该区域为我国高放废物地质处置库首选预选区。北山地区相继开展了旧井、新场、野马泉、算井子和沙枣园等5个预选地段的选址和场址评价工作[17]。经过近40 a的工作，现已完成处置库场址区域筛选和地下实验室场址筛选等工作[18]。目前，正在北山新场预选地段建设我国首座高放废物地质处置地下实验室[19]，开展地下实验室场址安全评价及其未来作为处置库的潜力迫在眉睫[20]。从区域地下水循环角度考虑，南部下游地区更靠近人类环境，新场地段深部地下水存在向下游侧向补给河西走廊地下水系统的可能。因此，开展北山新场预选地段及南部下游地区地下水循环特征研究具有十分重要的现实意义。
本研究综合采用多种环境同位素、地下水动力学以及数值模拟等方法，对新场预选地段及南部下游地区地下水循环交替特征进行了深入研究，这些工作一方面可为后期开展的处置库选址和性能评价提供数据支撑；另一方面，对丰富低渗透基岩裂隙地区的水文地质研究也具有积极意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理条件

研究区为我国典型的干旱地区，位于甘肃省河西走廊以北，黑河流域以西（图1a）。区内总体地势相对平缓，植被稀少，基岩裸露。区内降水量小，蒸发量大，干燥多风，冬冷夏热。区内多年平均降水量约70 mm，且区降水具有明显的季节性特点，降水主要集中在6~8月，且雨季多以暴雨形式出现。区内年平均蒸发量约为3 200 mm；年平均气温介于4~7 ℃之间，日温差很大；风向多为西北风、西南风。研究区无常年性河流，所有地表水均来源于间歇性洪水形成的季节性沟谷流[5]。该区地表沟谷十分发育，主要呈EW向分布。区内基本上无长住居民，只有少数牧民分散居住。
图1 北山地区DEM影像图和水文地质简图

a—DEM影像图；b—水文地质简图。

Fig. 1 DEM based image and hydrogeological sketch map of the Beishan area

a- DEM based image；b-Hydrogeological sketch map.

1.2 地质、水文地质条件

研究区位于塔里木板块东北缘，具有长期的地质演化历史和复杂构造样式。区内地层分布复杂，出露由元古界至第四系较齐全的地层。从区域大地构造演化历史来看，北山地区位于中亚造山带的最南缘。在古生代经历了增生造山运动，在中生代经历了陆内变形，并在新生代变得稳定。没有历史性的>4.7级地震记录。区内断裂的活动时期集中在前第四纪，晚更新世以来，大部分断裂已停止活动。区内EW向或近EW向展布的构造形迹居于主导地位，其次为NE向和NE向断裂，它们共同构成本区的主要构造格架。区内地层分布复杂，出露由元古界至第四系较齐全的地层。
北山地区区域地下水的主流向是自西向东流动，排泄区为黑河下游流域，南部靠近河西走廊一侧地下水主流向为自北向南，排泄区为河西走廊地区。按地下水分布的地形、地貌、岩性结构及地质构造条件，区内地下水可划分为4种类型：松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙-孔隙水、变质岩类裂隙水和火成岩类裂隙水（图1b）。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

本次研究共采集地下水样品58组，多数水井在采样前已经连续进行抽水，少部分水井在采样前抽水半个小时以上。钻孔中地下水样品利用Packer水文地质试验系统采集，采样标准为抽水水样中荧光素钠浓度降为初始浓度的1 %以下（钻孔施工过程中钻井液中添加了0.5 mg·L-1浓度的荧光素钠作为示踪剂）。现场采样结束后，室内尽快用0.45 μm的过滤膜过滤，将滤液装入干燥洁净的聚乙烯塑料瓶中，用封口膜密封后置于4 ℃保温箱中冷藏保存。地下水中溶解气体样品采用现场脱气方式进行采集。
同位素18O、D和3H在核工业北京地质研究院测试，稳定同位素18O、D采用MAT-253型稳定同位素质谱仪测定，并以维也纳标准平均海洋水（V-SMOW）作为参照标准，分析精度分别为± 0.1 ‰和±1.0 ‰。3H样品检测仪器为Quantulus 1220-003 低本底液闪仪，检测下限为1.2 TU，不确定度小于±1 TU。稀有气体的同位素比值（3He/4He、4He/20Ne等）在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心测定，测试设备为Noblesse质谱仪，设备灵敏度>1.3×10-5 A/Pa。14C样品测试由美国的BETA实验室采用加速质谱仪（AMS）完成，测试误差小于1 %。

2.2 地下水测年原理

地下水年龄是指水在地下存留的时间，即水进入地下这一“事件”至今的时间，通常是地下水的平均滞留时间即地下水的平均年龄，其有助于定量评价地下水的循环交替速度[21]。

2.2.1 氚同位素测年

环境同位素氚（3H）半衰期为12.43 a，可区分1953年以前形成“老水”与1953年后形成“新水”[22]。前人研究表明，本区浅部松散岩类地下水多为现代水，但前期采样点数量极其有限且仅为定性分析[5]。为深入认识区内浅部地下水年龄的空间分布特征，本研究采用氚同位素进行分析。现场水文地质调查发现，区内民井的深度大都小于10 m，且垂直入渗补给量极其有限。因此，地下水发生弥散程度小，符合活塞流（PFM）模型假设。因此，本次采用PFM模型计算区内浅部地下水年龄。
PFM模型假设地下水在含水层中流动类似于活塞运动，相邻输入水体间不发生混合，输出水体年龄是其在系统中的平均运移时间，其表达式为：
C i = C 0 e − λ ( t i − t 0 )
式（1）中：C0—原始氚输入浓度；Ci—氚输出浓度；λ—放射性核素衰变系数（λ氚=0.056 26·a-1）；t0和ti分别为氚同位素输出时间和输入时间。

2.2.2 14C同位素测年

放射性碳测年原理是给定样品中的母放射性核（14C）的衰减。表观地下水年龄假设地下水中溶解无机碳（DIC）全部来自交换库（如土壤CO2），其表达式为：
τ = 5   730 l n 2 l n ( 14 C 0 14 C D I C )
式（2）中：τ—地下水的表观年龄，a；5 730—放射性元素14C的半衰期；14C0—补给时初始DIC的14C浓度（pMC），一般设定为核试验前大气中CO2的水平，约为100 pMC；14CDIC—地下水样品中的DIC含量。

2.3 地下水动力学特征

通过分析研究区地下水流场和水位垂向分层特征，能够直观判断地下水的潜在流动方向、水力梯度等信息，这为分析地下水循环交替规律提供了最直接有利的证据[23]。基于此，本节首先基于三口（BS36、BS37和BS39）已安装的钻孔分层监测设备所获取的数据，对场址内水位的垂向分层特征进行了分析，钻孔分层监测设备为加拿大斯伦贝谢公司生产的Westbay分层监测系统。其次，利用调查的近80个基岩裂隙水露头数据绘制了新场地段及南部下游地区等水位线图。自2012年起，北山地区逐步开展了系统的地下水监测工作。目前，场址内绝大部分已施工的钻孔均在进行全孔动态监测。监测设备选用加拿大Solinst公司生产的Level Logger传感器，水位监测精度±0.05 % FS，水温监测精度±0.05 ℃。为进一步查明关于地下水形成以及循环更新能力等方面的信息，选取未受人为活动影响的（主要为北山地下实验室施工）、监测周期长的四口钻孔（BSQ06、BS12、BS06和BS33，具体位置见图3）进行分析。为排除人为因素干扰，本研究仅选用地下实验室施工前的钻孔监测数据。

2.4 剖面二维流数值模拟

为进一步揭示区内地下水的循环规律，预测地下水从新场重点地段到排泄区地下水的运移时间，确定不同位置和深度地下水循环更新能力，采用PetraSim软件建立了研究区SN向垂向剖面二维变饱和稳定流数值模型[24]。模拟剖面A-A’全长约56 km（图2），模型北部边界为地下实验室场址附近地表分水岭以北15 km处，南部边界为北石河附近。考虑了穿过剖面的两条主要断层，由北向南依次为金庙沟煤矿断裂和红旗山断裂。模拟剖面南北边界概化为定水头边界；剖面上边界概化为大气边界；剖面下边界与外界水量交换极小，概化为隔水边界。
图2 新场地段及南部下游地区水文地质调查点示意图

Fig. 2 Map showing the hydrogeological investigation sites in Xinchang site and its southern periphery

图3 新场地段监测钻孔位置分布图

Fig. 3 Location distribution of monitoring boreholes in Xinchang sector

根据地质调查以及野外补充调查结果，研究区主要岩性由渗透率较低的变质岩、花岗岩以及沉积岩组成，部分区域上覆第四系沉积物，孔隙和裂隙为区内主要含水介质。本次模拟剖面垂向上共划分140个单元，水平方向不规则剖分为323个单元，共划分为45 220个网格块[24]。考虑模型底界水平，最低模拟深度为650 m。本次模拟主要考虑穿过剖面的两条主要断层选择等效连续介质法对断层进行加密处理。本研究采用质点追踪方法获取地下水流动路径，进而识别不同级次地下水流系统结构。

3 结果与讨论

3.1 地下水补给来源

3.1.1 稳定同位素

基于2012—2020年采集的100件大气降水样品（88件雨水样品，12件雪水样品），采用最小二乘法求得了北山地区的当地大气降水线（LMWL），计算结果为δD=7.53 δ18O+4.28（图4a）。整体而言，北山地区地下水中氢氧稳定同位素分布较为分散，特别是在民井中采集的地下水样品。不同来源的地下水距离LMWL的位置不同，通过比较这些差异，能够有效识别地下水的补给来源，并确定补给区的海拔、纬度和温度等参数[22]。由图4b可知，样品主要位于LMWL的附近和右下侧，说明区内地下水主要补给来源于当地降水的入渗。靠近LMWL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LMWL右下侧的水点，主要取自地下水排泄区，地下水重同位素相对富集可能受蒸发作用影响所致。选取氚浓度大于10 TU的浅层松散岩类地下水绘制的蒸发线斜率约为3.8。
图4 稳定同位素分布特征

a—北山地区大气降水线；b—地下水氢氧稳定同位素与大气降水线的关系。

Fig. 4 Distribution characteristics of the stable isotope δD and δ18O

a-MWL in Beishan area；b-δD and δ18O levels in the groundwater samples.

相关研究表明，我国西北地区降水中δ18O和月平均气温之间具有较强的相关性：δ18O = 0.31T(°C)-12.69 ‰（R2=0.45）[25]。据此估算，对于浅部松散岩类地下水而言，大气降水补给的平均月气温约为17.4 ℃，这与北山地区夏季的平均气温一致。此外，区内降水主要集中在6—8月，占全年总降水量的60 %以上。相比之下，冬季降雪量不足全年降水量的10 %。由此可知，北山地区浅层地下水主要源自夏季降雨的入渗补给。
与浅部地下水样品不同，取自钻孔深部的地下水样品均位于LMWL线右下方，且地下水中同位素更加贫化，这可能与寒冷气候条件下的古大气降水入渗补给有关[26]。研究表明，区内深部地下水14C的表观年龄一般大于8 ka[5]，该时间段所对应的地质年代为早全新世和晚更新世。受冰川运动影响，在这一时期，全球大气温度明显低于现今，并且在8.2 ka左右发生了一次显著的降温事件[27]。因此，该区深部地下水主要来自寒冷气候条件的下古大气降水入渗补给。

3.1.2 气体同位素

稀有气体基本不参与化学反应，其同位素是识别幔源气体最佳的地球化学示踪剂[28]。利用He同位素3He/4He比值可以研究地壳与地幔的物质来源比例，3He/4He比值通常用R表示；利用4He/20Ne比值判别大气对于样品的影响。为研究He同位素的组成特征及来源，通常将R/RA比值与4He/20Ne比值结合使用[29]。由图5可知，取自浅部松散沉积物中的全部地下水均落在大气端元附近，说明地下水中氦的主要来源为大气成因。这些水点多紧邻沟谷，地下水径流条件好，循环更新速率快，与大气关系密切。取自浅钻孔中的地下水样品也靠近大气端元。这些水点水位埋深一般较浅，含水系统与大气交换畅通。而取自深钻孔中的地下水样品均远离大气端元，落在大气与地壳连线附近。地下水中氦主要来源为大气和原位放射性衰变，进一步说明本区深部地下水起源于当地大气降水入渗补给。尤其是取自地下实验室场址内BS28号钻孔355~484 m深度段的溶解气体中R/RA比值仅为0.03，反映出地下水在含水层系统中经历了很长时间的水-岩作用。
图5 地下水中R/RA与4He/20Ne关系图

Fig. 5 Correlation between R/RA and 4He/20Ne ratios in the groundwater

3.2 地下水测年研究

3.2.1 浅部地下水年龄

地下水氚含量的高低可定性揭示地下水在地下平均径流时间的长短[30]。区内浅部地下水氚含量分布在<1.2 TU~38.12 TU，多大于3 TU，这反映了浅部地下水系统的开启性较好，径流速度较快。氚含量小于3 TU的水点多位于山间盆地或山间洼地中，地下水径流条件差，矿化度较大，且受蒸发作用明显。大部分位于基岩裂隙中的浅部地下水氚含量也较低，多低于检测下限，说明浅部基岩裂隙水径流条件差，循环交替较差，地下水年龄较老。地下实验室场址附近浅钻孔中获取的地下水氚含量也小于检测下限。进一步分析研究区浅部地下水年龄空间分布特征（图6），可知新场地段内沟谷内民井地下水年龄普遍在20 a以内，而位于排泄区附近民井地下水年龄普遍大于60 a。
图6 新场地段及南部下游地区浅部地下水年龄分布图

Fig.6 Spatial distribution of shallow groundwater age in Xinchang site and its southern periphery

3.2.2 深部地下水年龄

深部地下水样品的取样深度以及14C测试结果等信息列于表1。由表1可知，新场地段内浅部基岩裂隙水的表观年龄介于3.60~5.40 ka之间，地下实验室场址内BS28号钻孔355~484 m深度段采集的深部地下水14C表观年龄高达13.2 ka，这说明深部地下水的循环交替能力极其微弱，即地下水的渗透能力很差，这对高放废物处置极为有利。BS46钻孔位于新场南部韧性剪切带中，地下水表观年龄高达28.99 ka，地下水在径流途径内循环速率极其缓慢。理论上，千年以上古地下水中的3H取值应为0 TU，但在BS49和BSQ36两口钻孔中均监测到少量3H，说明其地下水同时接受少量现代水的补给，但新水所占比例很小。
表1 新场地段及南部下游地区深部地下水14C表观年龄

Table 1 14C apparent age of deep groundwater in the Xinchang area and its southern periphery

钻孔 取样深度/m pMC 13C/‰ δ18O/‰ δD/‰ 表观年龄/ka 3H/TU
BSQ11 33~89 63.60±0.20 -11.40 -8.30 -56.70 3.70 <1.3
BSQ12 31~87 52.20±0.20 -10.30 -8.40 -59.80 5.40 <1.3
BS34 88~109 64.70±0.20 -10.60 -8.60 -59.30 3.60 <1.3
BS28 355~484 20.30±0.20 -11.10 -9.30 -72.00 13.20 <1.3
BS46 56~103 3.00±0.00 -2.90 -9.50 -73.33 28.99 <1.3
BS49 94~107 66.70±0.20 -9.00 -9.10 -64.03 3.35 2.6±0.3
BS60 59~300 68.00±0.20 -8.70 -8.73 -60.12 3.19 /
BSQ36 37~101 27.74±0.10 -7.20 -8.82 -74.77 10.60 2.0±0.6

3.3 地下水动力学特征

3.3.1 地下水垂向分层特征

由图7可知，BS36、BS37和BS39三口钻孔地下水位垂向分层特征明显，均呈现水头浅部高深部低的现象，地下水具有向下渗流的趋势，三口钻孔浅部和深部水头差分别约24 m、22 m和25 m，水头差较大，呈现典型的补给区特点[31]。此外，监测孔内地下水水温随深度增加而升高，地温梯度平均值分别约为1.93 ℃/100 m、1.71 ℃/100 m和1.84 ℃/100 m，水温梯度较为接近，未见温度异常。前人调查发现，南部花海盆地地温梯度平均值约为2.35 ℃/100 m[32]，明显大于新场地段地温梯度，也从侧面反映出新场地段为补给区的特点。
图7 新场地段地下水水位水温垂向分层特征

a—BS36钻孔；b—BS37钻孔；c—BS39钻孔。

Fig. 7 Vertical zonation characteristics of water heads and temperatures in Xinchang site

a-BS36；b-BS37；c-BS39.

3.3.2 地下水流场特征

利用已施工的钻孔和本次研究调查的基岩裂隙含水层的水井水位资料，绘制了区内浅部裂隙水等水位线图（图8）。总体而言，新场地段及南部基岩裂隙水位总体呈现北西部较高，北东、南东低的特点，与地形起伏基本一致。新场-山前地带地形总体上呈现北高南低的特征，但红旗山断裂为局部小分水岭，断层以南地表径流近似于南北方向流动，而北部地表径流受则向东流动。新场地段及南部水力梯度分布不均：红旗山断层至向阳山以南水力梯度较高，介于12 ‰~22 ‰之间，地下水总体流向为南东方向；四十里井至向阳山一线至北部H27钻孔一带水力梯度较低，介于4 ‰~6 ‰之间，地下水总体流向为近EW向。
图8 新场地段及南部下游地区浅部裂隙水等水位线图

Fig. 8 Contour lines of shallow bedrock groundwater in Xinchang site and its southern periphery

新场地段内基岩裂隙水南东方向的径流途径为：基岩裂隙水流出新场地段后，沿四十里井洼地向南东方向流动，主要径流途径在韧性剪切带北部，与地表径流路径基本一致，基本无法跨越韧性剪切带向南部直接流动。尤其在BS46钻孔附近，地下水流向与断层走向基本一致，这也从侧面进一步证明了红旗山断裂对南北两侧地下水具有一定的阻滞作用。此外，董艳辉等[33-34]开展了新场—花海盆地地下水流动模式研究，结果也表明红旗山断裂带北侧的地下水受阻于此处构造及基岩的低渗透性，不能向正南方向径流；南侧的深部地下水受地形控制向南径流（图8）。

3.3.3 地下水位动态特征

前期研究结果表明：区内绝大部分钻孔地下水动态类型属于弱入渗-弱径流型。为进一步分析地下水位对大气降水的响应，本节选择新场地段内靠近沟谷和位于相对完整基岩内的四口钻孔进行分析。结果表明：紧邻沟谷的BSQ06、BS12两口钻孔明显受降雨的影响，且水位滞后时间短（图9a）。特别是对于BS12钻孔，水位埋深浅，雨季水位波动频繁，历次大规模降雨后水位曲线均存在局部小波峰，说明该钻孔与降雨关系极为密切。此外，两口钻孔地下水水温呈现周期性波动，波峰均出现在12月份左右，波谷出现在6月份左右。然而，这两口钻孔水温变化与气温的变化基本相反，且水位埋深均较浅。结合现场水文地质条件分析认为，这主要与大气降水入渗补给有关，由于雨水温度相对地下水而言偏低，从而导致地下水温度在雨季较低。
图9 部分钻孔地下水长期动态监测结果

Fig. 9 Long-term monitoring results of groundwater dynamics in selected boreholes

BS33、BS06两口钻孔位于新场地段相对完整基岩内，远离沟谷和断层。两口钻孔水位曲线形态相似。两口钻孔受降水荷载影响小，历次降水后均无明显的水位波动（图9b）。且波谷均出现在9月份前后，而波峰出现在第2年1月份左右。水位形态也呈现上升段较陡而下降段较缓的形态，这反映出钻孔井所在区域地下水径流非常缓慢[35]。

3.4 剖面二维流数值模拟

选择穿过剖面的十二口钻孔多年平均水位作为观测点，对模拟计算水位与观测水位进行比对。结果表明：大多数钻孔模拟水位与实测水位误差在10 m以内，拟合程度较高，误差纳什效率系数为0.989，模拟结果较为理想[24]。依据地下水流系统理论，该典型剖面发育有三级地下水流系统，即局部、中间和区域地下水流动系统（图10a）。不同级次流动系统在循环深度、循环通量和地下水年龄等方面差异显著。
图10 剖面水流系统划分及地下水年龄分区(据参考文献[24]修改)

a—剖面水流系统划分；b—剖面地下水年龄分区。

Fig. 10 Groundwater flow system and age zoning along the cross-section（modified after reference[24]）

a-Flow system divisions；b-Groundwater age zoning.

局部水流系统多发生在100 m以浅，最大循环深度约350 m，地下水循环通量很大，约占总循环水量的79.25 %，地下水年龄大多小于1 ka（图10b），地下水循环交替能力较好，这与前述求得的结果相一致。中间地下水流动系统循环深度普遍在400 m以上，最高接近500 m，水循环量占总量的13.24 %，地下水年龄多超过10 ka，地下水循环、交替能力差[24]。区域地下水流系统循环深度超过500 m，水循环量仅占总量的7.51 %，地下水年龄普遍超过20 ka，循环更新能力极差。

3.5 新场重点地段地下水流动模式

基于上述分析，新场重点地段内地下水的主要循环流动模式可以概化为：区内降水的直接入渗和沟谷洪流的渗漏首先形成了沟谷孔隙-裂隙水，但就接受的补给量而言，沟谷洪流的渗漏是区内浅部地下水形成的主要补给途径。据现场实测数据，沟谷地下水水位通常高于两侧丘陵区水位，水头差一般在数米左右。在水头差的驱动下，沟谷地下水向两侧地形较高的广大的低山丘陵区侧向径流，使低山丘陵区含水介质得到侧向补给，形成了大范围的浅部基岩裂隙水（图11）。对于浅部基岩裂隙水而言，其直接接受的降雨入渗补给量极其微弱。在垂向水头差的驱动下，浅部基岩裂隙水继续向下缓慢入渗形成深部基岩裂隙水。并且，在场址深度范围内，来自马鬃山地区和其他来源（包括深部原生水、生物地球化学反应产生的水等）的地下水水量极其有限。同时，沟谷孔隙-裂隙水和基岩裂隙水又在区域水动力场的驱动下，不断地向下游流动，一部分沿途以蒸发的形式排泄；另一部分汇集于南部河西走廊地区和东北部黑河下游地区，从而完成了地下水的循环过程，周而复始，永不停歇（图12）。
图11 新场重点地段沟谷洪流入渗补给模式

Fig. 11 Infiltration recharge pattern of gully flood in the key sector of Xinchang site

图12 新场重点地段地下水主要循环流动模式

Fig. 12 Primaly circulating pattern of groundwater in the the key sector of Xinchang site

4 结论

本研究综合运用环境同位素、地下水动力学以及数值模拟等多种研究方法，研究了我国高放废物地质处置库北山新场预选地段及南部下游地区地下水循环交替特征，揭示了地下水的来源、年龄和水动力特征等情况，建立了研究区SN向垂向剖面二维变饱和稳定流数值模型，并进行了质点示踪模拟模，获得以下认识：
1）同位素分析表明，区内地下水主要来源于当地大气降水入渗补给，且主要受雨季降水影响；深部地下水的主要补给来源为寒冷气候条件下古大气降水入渗补给，且未经历深循环过程。新场地段内沟谷内民井地下水年龄普遍在20 a以内，地下水径流较快，而位于排泄区附近民井地下水年龄普遍大于60 a；地下实验室场址深部地下水14C表观年龄多大于10 ka，说明深部地下水交替、运移十分缓慢。
2）地下水长期动态监测结果表明，靠近沟谷的钻孔对降水响应明显，地下水位变化对降水的滞后时间较短，而位于基岩内的钻孔不直接受大气降水的影响，钻孔多层地下水监测结果表明，地下实验室场址内浅部地下水水头显著大于深部，体现出明显的补给区特点。
3）北山新场预选地段及下游地区地下水流系统可分为区域、中间和局部3个级次。局部水流系统循环交替作用最为活跃，水循环量接近总量的80 %；中间系统水循环作用次之；区域系统水循环作用最差。
4）新场地段内地下水主要循环流动模式为：降水的直接入渗是地下水主要补给来源。但就接受的补给量而言，沟谷洪流的渗漏是浅部地下水形成的主要补给途径。对于大范围的浅部基岩裂隙水而言，其在接受微弱的降雨入渗补给量的同时，主要接受来自洪流渗漏形成的沟谷孔隙-裂隙水的侧向补给。在垂向水头差的驱动下，浅部基岩裂隙水继续向下入渗形成深部基岩裂隙水。

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