賀小黑 ， 張衛(wèi)民 ， 徐衛(wèi)東 ， 王 健 ，張群利 ， 李效萌 ， 黃精濤

（1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，南昌 330013）

安全處置高放廢物的前提是必須選擇合適的處置庫場址，長壽命放射性核素在處置庫的遷移主要取決于圍巖的地球化學(xué)特征和地下水化學(xué)特征，地下水是長壽命放射性核素返回到人類環(huán)境的主要載體。因此，水文地質(zhì)因素對處置庫的安全性有十分重要的影響，在高放廢物場址選址和評價初期，開展預(yù)選場地區(qū)域地下水化學(xué)特征研究很有必要，且意義重大［1-2］。

內(nèi)蒙古自治區(qū)川井坳陷是我國高放廢物處置庫場址的預(yù)選區(qū)之一，位于二連盆地西部，氣候干旱，黏土巖廣泛分布。彭云彪構(gòu)建了川井坳陷三位一體找礦預(yù)測模型，預(yù)測了3個鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)［3］。李保俠闡述了川井坳陷鈾成礦環(huán)境，并研究了成礦有利地段［4］。李勇對川井坳陷南緣下白堊統(tǒng)固陽組沉積相進行了研究［5］。郝進庭分析了川井坳陷砂巖型鈾礦成礦條件，并指出了今后找鈾礦的主要部位［6］。

前人對川井坳陷進行的一些研究為本次在川井地區(qū)開展高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖地段評價提供了基礎(chǔ)地質(zhì)資料，但由于前人對川井地區(qū)水文地質(zhì)特征方面的研究鮮有涉及，因此本次開展川井預(yù)選區(qū)水文地球化學(xué)研究是十分有必要和有意義的。

本次研究在采取研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水樣品、對樣品進行測試基礎(chǔ)上，研究了川井預(yù)選區(qū)的水文地球化學(xué)特征及其控制因素，為我國高放廢物處置庫選址提供了水文地質(zhì)依據(jù)。

1 自然地理概況

川井預(yù)選區(qū)位于內(nèi)蒙古高原中部（圖1），地勢上具南高北低、西高東低的特點。北為索倫山低山丘陵，山勢較平緩；南為陰山山地；兩山之間為中新生代盆地區(qū)，地勢平緩。

區(qū)內(nèi)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，多風(fēng)少雨，冬季嚴(yán)寒，夏季較熱，晝夜溫差大，年日照時數(shù)3 200～34 00 h，年平均氣溫4.6℃，年平均降水量180.56 mm，相對濕度47.8%～51.2%，年平均蒸發(fā)量2 461.12 mm，為降水量的13.6倍。由于降水量少，空氣干燥，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)荒漠草原地貌景觀。

2 水文地質(zhì)概況

川井坳陷蓋層主要由白堊系和古近系組成，均大面積出露地表。上白堊統(tǒng)二連組為一套湖相和洪泛平原相的紅色泥巖夾砂質(zhì)礫巖，下白堊統(tǒng)賽漢組在區(qū)內(nèi)發(fā)育辮狀河相和辮狀河三角洲相砂體和湖相泥巖，下白堊統(tǒng)騰格爾組為一套湖相灰色、深灰色泥巖，為高放廢物處置黏土巖調(diào)查目的層。坳陷南緣屬于陰山地層分區(qū)，蓋層主要為下白堊統(tǒng)李三溝組和固陽組，屬于沖積扇相和扇三角洲相雜色和灰色巖系。

圖1 二連盆地川井坳陷交通位置圖Fig.1 Traffic location of Chuanjing depression in Erlian basin

松散巖類孔隙潛水含水巖組和碎屑巖類裂隙孔隙水含水巖組分布廣泛?；鶐r裂隙水含水巖組主要賦存于坳陷邊緣的前古生界變質(zhì)巖和各期侵入巖等基巖裂隙中，接受大氣降水補給，排泄于山前溝谷、低洼地帶和山前高平原地下水中。地貌、地質(zhì)構(gòu)造和氣候等自然條件控制著川井自流水坳陷內(nèi)地下水的形成及其分布規(guī)律。

3 樣品采集與測試

受采樣條件限制，主要借助于預(yù)選區(qū)內(nèi)的牧民飲用水井及喂養(yǎng)牲口水井進行采樣分析。2016年和2018年，在區(qū)內(nèi)共采取水樣16組，其中地表水水樣1組，地下水水樣15組。

在采樣過程中現(xiàn)場測定了地下水埋深、地面標(biāo)高及水溫、pH、Eh、Do、電導(dǎo)率和TDS等物理指標(biāo)，并使用550 mL聚乙烯瓶采集水樣，少部分樣品密封送至國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心測試氚含量，大部分樣品密封送至東華理工大學(xué)分析測試研究中心測試其他指標(biāo)，具體測試指標(biāo)和測試方法見表1。

表1 測試指標(biāo)及測試方法Table 1 Test indicators and test methods

4 結(jié)果與討論

本次研究野外采取的水樣點位于坳陷的中心地帶或附近，根據(jù)采樣點的地下水位，分析了地下水流向，如圖2所示。地下水流動呈現(xiàn)由四周隆起區(qū)向盆地中心流動的規(guī)律。

4.1 地下水水化學(xué)一般規(guī)律

4.1.1 水化學(xué)類型分析

對研究區(qū)采集的10組水樣的測試結(jié)果開展了水化學(xué)類型分析，分析結(jié)果見表2，利用軟件畫出水化學(xué)成分Piper三線圖（圖3）。

圖2 采樣點附近地下水流向圖Fig.2 Flowing direction of groundwater near the sampling point

表2 水化學(xué)類型分析結(jié)果Table 2 Analysis results of water chemistry type

圖3 地表水與地下水水化學(xué)成分Piper三線圖Fig.3 Piper three-line diagram for chemical composition of surface water and groundwater

由表2與圖3可見，徑流區(qū)地表水（S10）水化學(xué)類型為Cl—SO4—Na—Ca型水，徑流區(qū)地下水水化學(xué)類型主要是SO4—Cl—Na型水或Cl—SO4—Na 型 水 或 Cl—SO4—Na—Mg 型 水 ，靠近補給區(qū)的地下水（S02、S03）水化學(xué)類型為Cl—HCO3—SO4—Na—Mg 型 水 或 HCO3—Cl—SO4—Na—Mg—Ca型水， 補給區(qū)地下水（S12）水化學(xué)類型為 Cl—HCO3—SO4—Na型水，排泄區(qū)地下水（S08）水化學(xué)類型為 Cl—SO4—Na型水。由此可見，研究區(qū)范圍內(nèi)徑流區(qū)的地表水與地下水的水化學(xué)類型差別不大。此外，圖3顯示地表水與地下水的水樣點沒有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，這表明地表水與地下水水力聯(lián)系密切。地表水和地下水的礦化度雖有較大的幅度變化（546～9 784 mg·L-1）， 但水化學(xué)類型的變化并不明顯，主要原因是在典型的干旱大陸性氣候條件下，地下水化學(xué)類型除了受氣候影響外，還受地層巖性影響。

表3 川井水樣取樣點pH值統(tǒng)計表Table 3 pH Value of Sampling Point in Chuanjing

4.1.2 pH、Eh分析

由表3可知，徑流區(qū)地表水的pH值為8.59，徑流區(qū)地下水的pH值在6.63～8.04之間，平均值為7.64，排泄區(qū)地下水pH值為7.44，地下水的pH值大多落在7～8之間，地下水的pH值符合我國黏土巖選址的基本標(biāo)準(zhǔn)。由表4可見，徑流區(qū)地表水Eh值為281.7 mV，徑流區(qū)地下水的Eh值在317.3～395.3 mV之間，平均值為339.4 mV，排泄區(qū)地下水Eh值為350.6 mV，徑流-排泄區(qū)地下水的Eh值均大于200 mV，說明該區(qū)域淺部地下水和地表水處于氧化環(huán)境。

表4 川井水樣取樣點Eh值/mV統(tǒng)計表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之間，平均值高達2 512 mg·L-1，地表水的TDS值為7 250 mg·L-1，只有局部地區(qū)的 TDS值符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)1 g·L-1（GB 5749—2006）。地下水和地表水都屬高礦化度水，但均小于100 g·L-1，因此地下水的TDS值符合我國黏土巖選址的基本標(biāo)準(zhǔn)（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 地下水氫氧同位素特征

4.2.1 地下水氫氧穩(wěn)定同位素特征分析

水化學(xué)測試結(jié)果顯示，地下水δD值為-75.2‰～-98.7‰ ， 平均-88.54‰ ， δ18O值為-9.0‰～-11.7‰，平均-10.4‰；因研究區(qū)位于干旱地區(qū)，取樣當(dāng)天只取到一個地表水樣 ， 地 表 水 δD值 為-24.4‰ ， δ18O值 為3.6‰。顯然，與地表水相比，地下水中的同位素δD和δ18O值偏負(fù)，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是：地表水對地下水的補給作用不明顯，這與當(dāng)?shù)亟邓可?，蒸發(fā)強烈，難以形成持續(xù)性的補給源是有關(guān)系的。

利用同位素數(shù)據(jù)，點繪δD和δ18O散點圖，并與全球雨水線對比（圖4），由圖4可見，大部分采樣點地下水中δD和δ18O值處于全球平均大氣降水線右側(cè)下方，偏離全球大氣降水線較遠(yuǎn)，個別采樣點的δD和δ18O值在全球大氣降水線，這表明地下水的補給來源為同一來源。地下水中氫氧重同位素明顯富集，說明地下水在補給的過程中經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用，從而產(chǎn)生氫氧重同位素富集，使氫氧重同位素點偏離大氣降水線并位于其右下方。

圖4 水中δD-δ18O含量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between δD-δ18O content in water

4.2.2 放射性同位素氚特征分析

氚同位素分析測試結(jié)果見表6，表中從大口民井和個別機井中取的水樣代表淺層地下水樣品，從大部分機井中取的水樣代表深部地下水樣品。由表6可見，川井預(yù)選區(qū)淺層地下水樣品 （S02、S09） 的氚濃度在（6.5±1.1）TU～（17.2±1.2）TU 范圍， 平均氚濃度11.9 TU。而取自深井的地下水樣品（S01、 S03、 S05、 S08、 S10 和 S11）的氚濃度普遍小于＜1.0 TU，明顯低于淺層地下水樣品中的氚含量，說明深部地下水的循環(huán)交替能力明顯弱于淺層地下水，其在地下滯留的時間相對淺層地下水要長。

表6 川井地區(qū)地下水水樣中氚含量測試結(jié)果Table 6 Test results of radon content in groundwater samples from Chuanjing area

4.3 地下水水化學(xué)的控制因素分析

水中陰陽離子的組分雖然受多重因素影響，但離子之間具有較好的相關(guān)性，表明離子可能具有相同的物質(zhì)來源或經(jīng)歷了相同的物理化學(xué)反應(yīng)過程。為了進一步探明地下水化學(xué)特征，用SPSS對pH值、TDS、主要水化學(xué)指標(biāo)進行相關(guān)性分析。表7是它們之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，由表7可見，陰離子Cl-、SO42-與TDS顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.998和 0.989， 陽離子 Na＋、 Ca2＋與 TDS顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.919，是地表水和淺層地下水的主要化學(xué)組分。Ca2＋與Mg2＋在0.01水平（雙側(cè)）上顯著正相關(guān)，表明水中溶解的Ca2＋與 Mg2＋主要來自區(qū)域內(nèi)地層中常見的礦物高嶺石、伊利石和石膏的溶解，而 Ca2＋與 HCO3－、 Mg2＋與 HCO3－都在 0.01 水平（雙側(cè)）上顯著負(fù)相關(guān)，反映了區(qū)域內(nèi)淺層地下水水化學(xué)組分來源不是碳酸鹽巖的溶解。通過相關(guān)性分析可以看出，TDS的增加主要與離子 Na＋、 Ca2＋、 Cl-、 SO42-有關(guān)， 與水化學(xué)類型基本一致。

表7 水化學(xué)參數(shù)相關(guān)矩陣Table 7 Correlation matrix of water chemical parameter

5 結(jié)論

1）川井預(yù)選區(qū)地表水水化學(xué)類型是Cl—SO4—Na—Ca型水，徑流區(qū)地下水水化學(xué)類型主要是 SO4—Cl—Na型水或 Cl—SO4—Na型水或 Cl—SO4—Na—Mg型水，靠近補給區(qū)的地下水（S02、S03） 水化學(xué)類型為Cl—HCO3—SO4—Na—Mg 型 水 或 HCO3—Cl—SO4—Na—Mg—Ca型水，補給區(qū)地下水（S12）水化學(xué)類型為 Cl—HCO3—SO4—Na型水， 排泄區(qū)地下水水化學(xué)類型為Cl—SO4—Na型水。徑流區(qū)的地表水與地下水的水化學(xué)類型差別不大。地表水與地下水水力聯(lián)系密切，地表水和地下水的礦化度雖有較大的幅度變化，但水化學(xué)類型的變化并不明顯，表明地下水化學(xué)類型除了受氣候影響外，還與地層巖性密切相關(guān)。

2）地表水和地下水的pH值大多落在7～8之間；徑流-排泄區(qū)地表水和地下水的Eh值均大于200 mV，說明該區(qū)域淺部地下水和地表水處于氧化環(huán)境；地下水的TDS值普遍比地表水的TDS值高，均小于100 g·L-1，但都屬高礦化度水。因此，pH值和TDS值均符合我國黏土巖選址的基本標(biāo)準(zhǔn)。

3）與地表水相比，地下水同位素δD和δ18O值偏負(fù)，原因是：地表水對地下水的補給作用不甚明顯，與當(dāng)?shù)亟邓可?，蒸發(fā)強烈，難以形成持續(xù)性的補給源有關(guān)。地下水中氫氧重同位素明顯富集，說明研究區(qū)地下水在補給的過程中經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用。大部分采樣點地下水中 δD和 δ18O值偏離全球大氣降水線較遠(yuǎn)，處于全球平均大氣降水線右側(cè)下方，表明地下水的補給來源為同一來源。

4）深部地下水中的氚含量明顯低于淺層地下水中的氚含量，說明深部地下水的循環(huán)交替能力明顯弱于淺層地下水，其在地下滯留的時間相對淺層地下水要長。

5） Na＋、Ca2＋、 Cl-、SO42-是地表水和淺層地下水的主要化學(xué)組分。淺層地下水水化學(xué)組分來源不是碳酸鹽巖的溶解，水中溶解的Ca2＋與 Mg2＋主要來自地層中常見的礦物高嶺石、伊利石和石膏的溶解。