李杰彪，苏锐，周志超，季瑞利，张明，邱国华

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

氚示踪法在北山地区地下水补给研究中的应用初探

李杰彪，苏锐，周志超，季瑞利，张明，邱国华

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

在高放废物地质处置库选址和性能评价过程中，地下水补给研究是最重要的方面之一。以北山预选区四十里井盆地为例利用人工示踪剂氚研究该区地下水补给。结果表明，在180 d的试验期间内，得到的浅层地下水补给量仅为0.007～0.018mm·d-1，浅层地下水补给量很小，这对高放废物地质处置库选址而言是非常有利的。

地下水补给；人工示踪剂；氚；高放废物

随着我国核能事业的发展，高放废物的安全处置成为制约核工业持续健康发展、环境保护以及公众安全的重大问题。对于高放废物的处置，目前国际上普遍接受的可行性方案是深地质处置［1］。在处置库选址和性能评价过程中，水文地质条件是必须慎重考虑的关键科学问题之一［2］。而地下水补给则是水文地质条件评价的重要组成部分，是研究地下水流场的基础，也是进行地下水流数值模拟不可缺少的参数［3］。目前，研究干旱-半干旱地区地下水补给的方法主要有：1）地中渗透仪方法；2）物理方法（零通量面方法、达西方法、地下水位动态方法）；3）同位素方法（历史示踪剂、环境示踪剂、人工示踪剂）；4）数值模拟方法［4］。

人工示踪剂方法具有定时、定位和定量投放的优点，且不需要测定水文地质参数，花费少［5］。因此，其在地下水补给研究中应用非常广泛。由于氚（3H）可以构成水分子的一部分，因此可以准确示踪水流系统，作为人工示踪剂研究地下水补给也较为广泛。20世纪60年代，Zimmermann等最早应用人工氚示踪剂来研究土壤水运移，随后国内、外有关学者开展了大量相关方面的研究［6］。Saxena等（1983）利用人工示踪剂3H和环境示踪剂18O研究瑞典Uppsala地区的大气降水入渗补给［7］。Rangarajan等（2000）应用3H作为人工示踪剂选取25个典型代表区确定印度地区的排泄量为24～198mm·a-1［8］。陈宗宇等（2003）应用3H示踪剂研究正定试验场的入渗补给强度为95 mm·a-1［9］。汪丙国等（2008）运用人工示踪剂Br-、3H确定河北平原地区的入渗补给强度为127.8mm·a-1［10］。

甘肃北山地区是我国高放废物地质处置库场址首选预选区，而新场—向阳山地段又是北山地区重要的候选场址之一。区内水文地质条件复杂，但可利用的水文地质资料较少。因此，在预选区内开展地下水补给方面的评价具有非常重要的理论和现实意义。笔者以四十里井盆地内2个典型包气带剖面为切入点，对该区的地下水补给做了初步的定量研究，以期为深入了解整个北山地区的地下水补给提供借鉴和参考价值。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省河西走廊以北，南距玉门镇70 km，行政区划隶属甘肃省肃北蒙古自治县和玉门市管辖。南距兰新铁路和312国道约80 km，有简易公路可至312国道黄闸弯地段。（图1）

区内总体地势为南、北高而中部低，西部高而东部低，因而形成SN向次级水系向中部汇流，中部沟谷走向为近EW向。由于本区为极干旱地区，雨量极少，没有常年性河流但季节性洪水形成的冲沟十分发育，沟谷两侧阶地不发育。区域内降水具有明显的季节性特点。多年平均降水量约70 mm，降水量60%以上集中在6～8月份，年平均蒸发量为3 200 mm，年平均气温为4～7℃，年平均风速达4 m·s-1。在区域地下水系统分区的基础上，按控制地下水流动的地形、地貌和构造等条件，区域地下水系统可划分为3种类型：山地基岩裂隙水、沟谷洼地孔隙—裂隙水、盆地孔隙—裂隙水。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location sketch of the study area

2 研究方法

2.1 方法原理

在一定深度投放示踪剂，定期取样分析剖面上示踪剂浓度峰值的运移情况，根据峰值运移的深度和剖面含水量，就可以计算得到地下水补给量R［11］：

式中：Δt—取样的时间间隔；Δz—峰值位移深度；θ—Δt时间内峰值的下移深度Δz上的平均土壤体积含水量，需要分段计算。

2.2 试验实施及样品的测试

在2012年8月20日开始示踪剂试验，试验点位于四十里井盆地的中上游（图2），在每个试验点引入比活度为1.310×1011Bq·m-3的氚，氚示踪剂的引入方法为：在距投源点横向距离30 cm处挖槽，每个槽的深度约30 cm，长度约40 cm、宽度约10 cm，用长30 cm的细针头以注射方式将氚示踪剂引入土柱中心部位，最后将挖出的土回填至土槽中。取样时间间隔为10、150和180 d，取样间隔为10 cm。根据中国气象数据共享玉门镇的气象数据（http://cdc.cma.gov.cn/home.do），试验期间平均气温为0.70℃，降水量总量为20.07mm。日平均气温与日降水量变化如图3、4所示。两个采样点土壤剖面特征如表1、2所示。

图2 采样点分布图Fig.2 Distribution of sam pling location

图3 试验期间日降水量变化图Fig.3 Daily precipitation variation during the test

图4 试验期间日平均气温变化图Fig.4 Daily average temperature variation during the test

土壤中氚比活度的测试采用核工业北京地质研究院发明的一种土壤中氚的连续提取方法（提取实验装置如图5所示）［12］。具体操作步骤为：用天平依次称取石英舟、土壤样品（约50～70g）＋石英舟以及2个3H收集瓶和尾气收集瓶的重量；用移液枪向2个3H收集瓶中分别加入20 mL本底水，再将收集瓶组装好并与石英管连接，然后将称有土样的石英舟放入氧化炉内，在200℃加热约2 h，加热程序执行完后，将2个3H收集瓶中的溶液倒入容量瓶中并混合均匀，再用天平分别称取2个3H收集瓶和尾气收集瓶的重量。至此，自由水氚提取过程完毕。将提取出的水样送核工业北京地质研究院分析测试中心测定，测量仪器为美国Quantulus 1220-003低本底液闪仪，测量时间为500～900 min。本底水样计数率为0.454 cpm，仪器计数效率为23.41%，该方法探测下限约为8.14×10-2Bq·kg-1。

图5 土壤中氚提取实验装置示意图Fig.5 Schematic diagram of experimental device for tritium extraction from soil

表1 RGC-01剖面土壤特征观察表Table 1 Observed characteristics of Soil profile RGC-01

表2 RGC-02剖面土壤特征观察表Table 2 Observed characteristics of Soil profile RGC-02

3 试验结果分析

目前，仅得到6个月内的氚峰值迁移情况（如图6、7）。由图可知，总体而言，RGC-01氚的迁移速率比RGC-02大，这主要与两个剖面的土壤质地有关。由表1、2可见，在0～45 cm深度范围内，RGC-01土壤粒径更大，且RGC-01在30～50 cm深度范围内，发现少量残留的植物根系这也在一定程度上增大了RGC-01的孔隙度。

图6 氚示踪剖面RGC-01Fig.6 Profiles of tritium tracer RGC-01图7氚示踪剖面RGC-02Fig.7 Profiles of tritium tracer RGC-02

RGC-01随着时间的延长，峰值逐渐下移。RGC-02在第2个月时峰值上移了大约10 cm，这主要是由于试验初期地表温度较高、土壤蒸发量大且降水较小，导致土壤中向下的毛细压力小于向上的毛细压力，从而使峰值向上迁移［12］。这也在一定程度上反映了大气降水入渗补给的过程。在零通量面以上，渗入至土壤中的大气降水容易发生上下波动的现象。试验后期，随着气温的降低（2012-11-02以后气温降温0℃），降水量增大，这些影响几乎可以忽略。

由于试验前期，氚迁移易受各种不确定性因素的影响，确定的补给量精确度较差，因此，以第6个月的数据计算得到两个试验点大气降水入渗补给速率分别为0.018mm·d-1（6.57 mm·a-1）、0.007 mm·d-1（2.56 mm·a-1），两个试验点结果差异较大。

表3 地下水补给量计算结果Table 3 Calculated results of groundwater recharge

4 结论与建议

1）两个试验点计算得到的地下水补给量为0.007～0.018 mm·d-1。由于两个试验点在180 d内氚峰值仅迁移了10～20 cm，因此，该方法确定的补给量仅能代表入渗到30～50 cm深度范围内的降水量，实际入渗到浅层地下水中补给量应更小。总之，该区浅层地下水补给量很小，这对高放废物地质处置库选址是非常有利的。

2）试验点RGC-02在第2个月峰值出现向上移的情况。这可能是由于示踪剂投放深度较浅，氚迁移易受蒸发作用影响造成的。因此，建议今后开展此项工作时加深示踪剂的投放深度。

3）不同试验点由于土质类型的差异，试验结果有所不同。由于北山地区土质类型差异性较大，因此，本次试验结果代表性有限。建议今后开展不同土质类型的氚示踪试验，同时开展其它方法如环境示踪剂方法、地下水位动态方法等进行综合对比分析验证。

［1］王驹，范县华，徐国庆，等.中国高放废物地质处置十年进展［M］.北京:原子能出版社，2004: 1-9.

［2］王驹，陈伟明，苏锐，等.高放废物地质处置及其若干关键科学问题［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（4）:801-812.

［3］Richard W，Healy.Estimating groundwater recharge［M］.United Kingdom:Cambridge University Press，2010.

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［5］顾慰祖.同位素水文学［M］.北京：科学出版社，2011:293-304.

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［12］邱国华.氚在干旱地区非饱和土壤中迁移规律研究［D］.北京：中国原子能科学研究院，2013.

Prelim inary study on application of tritium tracer method in estimating groundwater recharge in Beishan area

LIJiebiao，SU Rui，ZHOU Zhichao，JIRuili， ZHANGMing，QIU Guohua
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

In the siting and site characterization study for high-level radioactive waste repository，the groundwater recharge is one of the most important evaluation factors.Sishilijing basin of Beishan preselected area was discussed as an example for the groundwater recharge estimation by artificial tracer tritium.The research results show that the recharge rate is only 0.007～0.018 mm·d-1during the 180 days test period.This is very small and favorable for the high-level radioactive waste repository site selection.

groundwater recharge；artificial tracer；tritium；high-level radioactive waste

P597；P641

A

1672-0636（2015）02-0114-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.02.010

2014-04-08；

2014-05-06

李杰彪（1987—），男，河北冀州人，助理工程师，主要从事高放废物地质处置方面的工作。

E-mail：hgylijiebiao@126.com