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甘肃北山预选区地下水化学演化规律及水岩作用研究

李亚楠  
【摘要】:在高放废物处置库选址和场址性能评价中,场地水文地球化学条件是必须明确的关键水文地质问题之一。甘肃北山预选区(以下简称:北山预选区)是我国高放废物地质处置库场址首选预选区,地处西北干旱的荒漠戈壁地区。本论文针对预选区地下水系统水化学形成和演化问题,采用现场调查、多元统计分析、实验模拟、理论模拟等多种方法和手段,开展了不同尺度(北山预选区、重点地段、候选场址)地下水化学特征、不同深度水-岩作用和地下水形成、演化机理等综合研究,取得了如下重要进展和创新性成果:(1)采用多元统计分析等方法,系统研究了北山预选区区域和重点地段地下水化学特征及其变化规律,为高放废物地质处置库场址适宜性评价提供了水文地球化学依据。1)北山预选区自西部中、低山区,经重点地段丘陵区到东部盆地区的地下水水化学类型基本保持不变,主要包括Cl·SO_4-Na型和SO_4·Cl-Na型;为典型的干旱地区地下水化学类型;地下水p H值介于7.5~7.9之间,呈弱碱性;西部、中部和东部地下水TDS平均值分别为1491.7、3937.7和11848.7 mg/L,自西向东逐渐增大。2)新场地段地下水水化学类型为Cl·SO_4-Na型和SO_4·Cl-Na型,近地表地下水TDS介于1111.5~3750.9 mg/L,浅部地下水TDS介于1317.6~1688.2 mg/L,深部地下水TDS介于1750.1~3455.9 mg/L,垂向上,随深度增加地下水TDS有增大的趋势;算井子地段近地表地下水水化学类型主要为Cl·SO_4-Na·Ca型,TDS介于690.7~3315.9 mg/L;沙枣园地段近地表地下水水化学类型以Cl·SO_4-Na为主,TDS介于2076.6~10285.9 mg/L。(2)通过近地表水-岩作用试验和水文地球化学反向模拟计算,定量研究了大气降雨入渗后水化学变化特征及其离子来源,明确了地下水化学形成机理及其演化规律。1)北山地下水均起源于当地大气降水的补给,经垂向和侧向溶滤作用、蒸发浓缩作用和阳离子交替吸附作用后形成高矿化地下水,其中蒸发浓缩作用是主要作用力,贡献率为61.05%;溶滤作用次之,贡献率为21.39%。2)地下水的主要离子来源于盐岩、硫酸盐、碳酸盐的溶解,其中Na~+主要来源于盐岩、含钠的硅酸盐、阳离子交替吸附作用;Cl~-主要来源于盐岩的溶解;Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-、SO_4~(2-)主要来源于方解石、白云石和石膏的溶解。3)水文地球化学模拟表明,在大气降水入渗形成浅部地下水及深部地下水的过程中,发生了溶解的矿物主要有石膏、白云石、盐岩、钾长石,发生了沉淀的矿物有伊利石等。(3)通过高温水岩作用试验,模拟研究了高放废物持续释热对深部地下水化学的影响,研究结果表明:1)高温对北山深部地下水化学特征的影响主要表现为水溶液中Na~+、K~+阳离子增多,Mg~(2+)、Ca~(2+)、HCO_3~-离子逐渐减少。2)在水-岩反应体系中,当温度低于60℃时,温度对地下水化学特征影响较小甚至无影响。而当温度从60℃升高到90℃的过程中,水溶液的TDS、Na~+、K~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-的含量都发生了明显的变化,说明当温度大于60℃时,温度对地下水化学特征影响显著。3)伴随水-岩反应体系温度的升高,发生了矿物的沉淀和溶解,如方解石、白云石沉淀析出,部分钠长石、钾长石、钙长石溶解生成了高岭石、蒙脱石等粘土矿物。体系中粘土矿物的形成对于高放废物处置库系统长期安全性是有利的,原因在于这些粘土矿物对于封堵处置库近场裂隙、降低地下水流动性会起到一定的作用,同时,也有利于对放射性核素的吸附,从而阻滞、延缓核素向环境的迁移。


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