朱君,陳超,李婷,張艾明

(中國輻射防護(hù)研究院 核環(huán)境模擬與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006)

0 引言

據(jù)全球核電機(jī)組的數(shù)量和分布統(tǒng)計(jì),一半都建設(shè)在內(nèi)陸,美國、俄羅斯、加拿大等國家則更多。目前,我國的核電機(jī)組主要分布在東南沿海地區(qū),未來發(fā)展到一定規(guī)模,沿海沒有足夠的地方,內(nèi)陸核電的發(fā)展難以避免。2008年,湖南桃花江、湖北咸寧和江西彭澤三大內(nèi)陸核電項(xiàng)目正式獲得批準(zhǔn)并開展前期準(zhǔn)備工作,但是三年后的日本福島核事故,出于安全因素考慮內(nèi)陸核電項(xiàng)目全部進(jìn)入擱淺期。

根據(jù)取排水特點(diǎn),內(nèi)陸核電廠址大部分將處于大江、河流等丘陵山區(qū)。氚(H-3)是核反應(yīng)堆釋放的特征污染物,1994-2005年,大亞灣核電站共排放液態(tài)氚5.6×105GBq。作為一種弱β放射性核素,不會(huì)對(duì)人體造成外照射危害,但是由于半衰期長,直接或者間接進(jìn)入人體后,易與DNA等有機(jī)質(zhì)結(jié)合,對(duì)組織和器官造成內(nèi)照射,誘發(fā)突變。更重要的是H-3不受地下水環(huán)境巖土介質(zhì)的吸附和阻滯作用,進(jìn)入含水層后其遷移速度與地下水流速基本上一致,危害極大。因此,合理評(píng)估H-3在丘陵山區(qū)地下水中的遷移、轉(zhuǎn)化行為,對(duì)內(nèi)陸核電的選址、設(shè)計(jì)、建造以及事故應(yīng)急措施的制定是十分迫切和必要的。

丘陵山區(qū)在沖溝、河谷階地、山梁等不同的地貌單元組合下,地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給與徑流變得十分復(fù)雜,并且第四系松散層受侵蝕作用,僅堆積在沖溝底部和河谷,受地形阻隔,地層的不連續(xù)決定了沖溝間第四系松散孔隙地下水的相對(duì)獨(dú)立性,如何描述第四系松散孔隙地下水,在數(shù)值模擬中合理的建立丘陵山區(qū)的水文地質(zhì)概念模型是難點(diǎn)。目前相關(guān)模型通常分為兩類,第一類是將第四系松散層與基巖的交界處作為邊界,將沖溝或者河谷單獨(dú)分割出來[1-2],該方法局限于第四系松散孔隙單一含水層且范圍受限,對(duì)研究松散孔隙地下水與碎屑巖裂隙地下水之間的轉(zhuǎn)化,以及多地層三維數(shù)值模擬顯然不適用。如,吳樂[3]采用GMS數(shù)值模擬軟件,建立了北京西山地區(qū)地下水流三維模型,分析南水北調(diào)條件下,不同開采方案的區(qū)域含水層系統(tǒng)響應(yīng)特征,雖然研究是針對(duì)西山地區(qū),但模型以山前平原分界線為界,實(shí)質(zhì)上只考慮了山前沖洪積扇地區(qū),而將山區(qū)地下水作為側(cè)向徑流補(bǔ)給賦予模型;龔繼文[4]基于GMS平臺(tái)以重慶某山區(qū)為例,構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型,得到山區(qū)的地下水流場空間分布,但是模擬結(jié)果只是砂巖裂隙含水層、碳酸鹽巖溶含水層的地下水流場,沒有耦合分布在沖溝與河漫灘的第四系松散孔隙含水層。另一類是將松散孔隙含水層與碎屑巖裂隙含水層整體考慮,得到統(tǒng)一的地下水流場[5-6],簡單概化可能造成地下水水位線在沖溝上“懸空”,或者是增加沖溝第四系松散孔隙地下水的水力梯度,造成污染物遷移過快,無法真實(shí)地反映丘陵山區(qū)地下水流動(dòng)特征下的污染物遷移規(guī)律。

地下水?dāng)?shù)值模擬已成為解決地下水資源開發(fā)、定量評(píng)價(jià)和溶質(zhì)遷移等各領(lǐng)域問題的重要手段,從地形地貌特征劃分,國內(nèi)研究主要集中在平原區(qū)和盆地區(qū)[7-17]。例如,胡立堂[18]應(yīng)用TOUGH2軟件建立了北京市平原區(qū)飽和～非飽和地下水三維流模型,研究地下水供水方案的合理性,其結(jié)果為南水北調(diào)入京后北京市地下水補(bǔ)給和壓采方案提供了有效的技術(shù)支持。董少剛[19]分析了太原盆地地下水三維流動(dòng)特征,建立松散沉積層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和地下水的三維流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了太原盆地地下水流動(dòng)的時(shí)空變化規(guī)律。但是真正能夠刻畫丘陵山區(qū)地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流和排泄特點(diǎn)的模型,鮮有報(bào)道。

國外已經(jīng)將丘陵山區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型成功用于評(píng)估乏燃料后處理廠、核廢物處置場對(duì)地下水環(huán)境的影響。EUREX后處理廠始建于20世紀(jì)60年代,位于意大利北部山前沖積傾斜平原,2006年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)地下水中存在放射性核素90Sr, Sanctis等[20]應(yīng)用FEFLOW建立了三維地下水核素遷移模型,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和率定,成功的反映了90Sr在地下水系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。Gmünder等[21]應(yīng)用FEFLOW建立了瑞士北部山區(qū)深地質(zhì)高放廢物處置場的區(qū)域三維水文地質(zhì)模型,評(píng)估了地下水滲流場對(duì)處置場的安全影響;并詳細(xì)論述了如何在模型中精細(xì)概化地層剝蝕出露、斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造[22],以及對(duì)地下水滲流場的影響。Luo等[23]采用近、遠(yuǎn)場三維嵌套模型的方法,同時(shí)建立了瑞士北部山區(qū)6個(gè)中、低放廢物處置場的三維地下水?dāng)?shù)值模型,刻畫了地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流和排泄特征,為選址及安全評(píng)估提供科學(xué)依據(jù);并實(shí)現(xiàn)了在模型中概化構(gòu)造及斷層[24-26],闡述優(yōu)先通道對(duì)核素遷移、擴(kuò)散的影響。

內(nèi)陸核電的地形地貌特征有別于平原區(qū)和盆地區(qū),如何準(zhǔn)確的描述丘陵山區(qū)地下水流動(dòng)的復(fù)雜特性,是現(xiàn)階段亟須解決的問題。本文將選擇山西汾河河谷的典型丘陵山區(qū)作為研究對(duì)象,擬從三維地形地質(zhì)模型的構(gòu)建著手,應(yīng)用GOCAD地質(zhì)建模軟件,刻畫地層的分布、剝蝕以及傾向特點(diǎn);在結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬軟件FEFLOW,構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型,精細(xì)概化地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流和排泄特征,以期解決丘陵山區(qū)復(fù)雜的地下水流動(dòng)問題。

1 建模方法

1.1 地質(zhì)建模

選擇具有代表性的山西寧武縣西馬坊鄉(xiāng)～新堡鄉(xiāng)的汾河河谷作為研究對(duì)象,位于寧靜向斜西翼,傾角5～78°,下伏基巖地層剝蝕出露,呈狹長的條狀分布,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,屬于下靜游巖溶泉域。總體地勢西北高、東南低,最高海拔1 681 m,位于西部山梁;最低海拔1 320 m,位于汾河階地,由黃土峁梁、沖溝、河谷階地組成,屬于典型的丘陵山區(qū)地貌。

地層由新到老依次分為第四系、侏羅系、三疊系。第四系主要分布于山間沖溝和汾河河谷,上部為灰黃色亞砂土、細(xì)砂土,下部為礫石層。侏羅系由中統(tǒng)云崗組(J2y)紫紅色砂質(zhì)泥巖、灰綠色含礫長石砂巖、黃綠色粉砂巖;大同組(J2d)不等厚互層的灰白色石英砂巖、灰色砂質(zhì)泥巖組成。三疊系由中統(tǒng)銅川組(T2t)灰紅色長石砂巖、黑色頁巖和二馬營組(T2er)肉紅色長石砂巖、紫色砂質(zhì)巖組成。

為了能夠刻畫丘陵山區(qū)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。必須在模型中盡可能真實(shí)的反映研究區(qū)的地形地質(zhì)條件,因此需要建立三維數(shù)學(xué)模型,并在模型中刻畫第四系松散層的分布特點(diǎn),以及侏羅系云崗組和大同組、三疊系銅川組和二馬營組地層的出露、剝蝕以及走向、傾向特點(diǎn)。

應(yīng)用GOCAD軟件建立三維地形地質(zhì)模型,地形數(shù)據(jù)從1:1 000圖上矢量化獲取,模型自上而下分為第四系松散層、侏羅系云崗組和大同組、三疊系銅川組和二馬營組地層。采用三角網(wǎng)格剖分,除第四系松散層,其余地層均剖分為2層,因此空間上共剖分為9層,在沖溝和汾河河谷區(qū)加密,共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)912 780個(gè),單元格1 634 139個(gè)。

1.2 水文地質(zhì)建模

研究區(qū)地下水類型主要分為第四系松散孔隙地下水和碎屑巖裂隙地下水。松散孔隙含水層主要分布在較大的沖溝和汾河河谷,由亞砂土、細(xì)砂土、沙礫石層組成,水位埋深淺,接受大氣降水、地表水的入滲補(bǔ)給和基巖風(fēng)化裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給,地層的不連續(xù)決定了沖溝間第四系松散孔隙地下水的相對(duì)獨(dú)立性,不可能穿越基巖山體發(fā)生水力聯(lián)系,所有沖溝間的第四系松散孔隙地下水沿溝谷向下游排泄,最后匯入汾河河谷產(chǎn)生聯(lián)系。碎屑巖裂隙含水層與上覆第四系含水層有較好的水力聯(lián)系,在出露區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給,地下水順巖層傾斜由向斜兩翼向軸部運(yùn)動(dòng),具承壓性。

將GOCAD建立的地形地質(zhì)模型導(dǎo)入地下水?dāng)?shù)值模擬軟件FEFLOW,同時(shí)模擬區(qū)地下水主要賦存于松散孔隙含水層和碎屑巖類裂隙含水層兩類。自上而下劃分第四系松散孔隙含水層、侏羅系云崗組砂巖裂隙含水層、侏羅系大同組砂巖裂隙含水層、三疊系銅川組砂巖裂隙含水層和二馬營組砂巖裂隙含水層。

模型的西北部(AB段)以三疊系二馬營組出露處為界,處理為流量邊界;東南部(CD段)以汾河為界,處理為定水頭邊界;東北部(BC段)以地表分水嶺為界,西南部(AD段)以沖溝為界,均處理為通量邊界。整個(gè)模擬區(qū)東西長約9.0 km,南北寬約11.0 km,面積約82.0 km2。各含水層系統(tǒng)在地層出露處接受大氣降水補(bǔ)給。另外,地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和達(dá)西定律;考慮污染物運(yùn)移的特點(diǎn),地下水運(yùn)動(dòng)概化成空間三維穩(wěn)定流;參數(shù)隨空間變化,體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性。因此,將整個(gè)模型概化為非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)(見圖2)。

水文地質(zhì)參數(shù)主要包括含水層x、y、z方向的主滲透系數(shù)Kxx、Kyy、Kzz和大氣降水補(bǔ)給入滲系數(shù)。滲透系數(shù)Kxx、Kyy取值主要參考煤礦水文地質(zhì)勘查成果中的注水、壓水和抽水實(shí)驗(yàn)獲取的實(shí)測值,并在模型識(shí)別過程中進(jìn)行修正,垂直方向的滲透系數(shù)Kzz取水平方向滲透系數(shù)的1/10。該地區(qū)多年平均降雨量為468.1 mm,降雨入滲系數(shù)α參考經(jīng)驗(yàn)值,松散巖類取0.06,碎屑巖類取0.24(見表1)。

表1 含水層概化及參數(shù)取值

1.3 核素遷移溶質(zhì)建模

從污染物遷移途徑考慮,第四系松散孔隙含水層作為首要收納水體,最先受到污染,且與地表水聯(lián)系最為緊密,研究核素在丘陵山區(qū)的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律,必定不可忽略第四系松散孔隙含水層。如何精細(xì)的描述丘陵山區(qū)復(fù)雜地貌條件的地下水流動(dòng)特征,是研究核素遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵問題。

對(duì)三維地質(zhì)、水文地質(zhì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證后,加入對(duì)流～彌散模塊,建立核素遷移溶質(zhì)模型。H-3作為核反應(yīng)堆釋放的特征污染物,重要的性質(zhì)是不受地下水巖土介質(zhì)的吸附和阻滯作用,遷移速度與地下水流速基本上一致。因此,在溶質(zhì)遷移模型中不考慮吸附、化學(xué)反應(yīng),仍以對(duì)流與彌散為主,加入衰變。

(1)

式中:t為核素運(yùn)移時(shí)間,d;C為溶解相濃度,Bq/cm3;λ為衰變常量,d-1;Dxx、Dyy、Dzz為x、y、z主方向的彌散系數(shù),cm2/d;qxx、qyy、qyy為x、y、z主方向的流速。

另外,彌散度是影響H-3遷移的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)值第四系松散孔隙含水層縱向彌散度αL取5.0 m,碎屑巖類裂隙含水層縱向彌散度αL取0.3 m,橫向彌散度αT取縱向彌散度的1/10。假設(shè)H-3每天泄漏1 000 Bq進(jìn)入地下水,按連續(xù)泄漏考慮,計(jì)算30 a和60 a H-3污染暈隨時(shí)間和空間的變化情況。

2 結(jié)果和討論

2.1 地下水水流數(shù)值模擬結(jié)果

將邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等代入模型,并且以穩(wěn)定流運(yùn)行得到模型的地下水水位等值線,見圖2。由計(jì)算水位線分布可知,第四系松散孔隙地下水在接受兩側(cè)基巖裂隙水的補(bǔ)給后,向沖溝匯集,最終由西向東排泄于汾河。碎屑巖裂隙地下水受寧靜向斜地質(zhì)構(gòu)造的影響,地下水順巖層傾斜由向斜兩翼向軸部運(yùn)動(dòng),總體流向由西北向東南徑流,具有承壓性。模擬結(jié)果與水文地質(zhì)調(diào)查所描述的地下水流動(dòng)特征基本一致。

Fig.2 Groundwater flow of model圖2 模型地下水流場圖

模型的識(shí)別與驗(yàn)證是模擬過程中重要的一步工作,通過擬合實(shí)測地下水水位,識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件,使建立的模型更加符合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件,以便更精確的定量模擬區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排。

調(diào)查研究區(qū)內(nèi)的18個(gè)村莊的飲用水水井資料,包括地下水水位標(biāo)高和含水層類型。一方面用于分析研究區(qū)的地下水流動(dòng)特點(diǎn);另一方面可以作為水位實(shí)測資料,驗(yàn)證模型的合理性。共有飲用水水井26個(gè),23個(gè)取自第四系松散孔隙含水層,分布在沖溝和汾河河谷;其余3個(gè)取自碎屑巖裂隙含水層。同時(shí),收集研究區(qū)煤礦的4個(gè)水文地質(zhì)鉆孔資料(見表2)。

表2 水位實(shí)測數(shù)據(jù)

由擬合結(jié)果可知,除了16#和21#點(diǎn)位外,地下水實(shí)測水位與預(yù)測水位的殘差平方和SSE為26.02,見圖3。所建立的水文地質(zhì)模型、邊界條件以及水文地質(zhì)參數(shù)的選取能夠反映丘陵山區(qū)復(fù)雜地形地貌條件下的地下水流運(yùn)動(dòng)特征,可以利用模型進(jìn)一步預(yù)測核素遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。

Fig.3 Fitting of groundwater level圖3 地下水水位擬合

2.2 核素遷移數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算30年后H-3的濃度暈中心值為23.0 Bq/L,0.1 Bq/L濃度暈沿溝谷向下游遷移了約700 m,第四系松散孔隙地下水沿程水頭變化范圍1 443 m～1 431 m,水力梯度約0.017,流速0.057 m/d(見圖4)。

60年后H-3的濃度暈中心值為25.0 Bq/L,基本上處于穩(wěn)定,0.1 Bq/L濃度暈沿溝谷向下游遷移了約1 650 m,沿程水頭變化范圍1 443 m～1 407 m,水力梯度約0.022,流速0.073 m/d(見圖5)。

污染物遷移速度取決于地下水的水力梯度,而丘陵山區(qū)沖溝與河谷中的第四系松散孔隙地下水水力梯度并不偏大。針對(duì)丘陵山區(qū)復(fù)雜的地下水流動(dòng)特征,也有將松散孔隙含水層與碎屑巖裂隙含水層統(tǒng)一考慮,得到統(tǒng)一的地下水流場[5-6],這種簡單的概化造成結(jié)果嚴(yán)重的失真,一方面可能造成地下水水位線在沖溝上“懸空”;另一方面增加了沖溝第四系松散孔隙地下水的水力梯度,造成污染物遷移過快,參考上述文獻(xiàn),地下水流速會(huì)到達(dá)6.2 m/d,無法真實(shí)的反映丘陵山區(qū)地下水流動(dòng)特征下的污染物遷移規(guī)律。

Fig.4 Migration distribution of H-3 after 30 years圖4 30年H-3遷移分布圖

Fig.5 Migration distribution of H-3 after 60 years圖5 60年H-3遷移分布圖

3 結(jié)論

本文選擇山西汾河河谷典型丘陵山區(qū)作為研究對(duì)象,首先應(yīng)用GOCAD軟件建立三維地形地質(zhì)模型,刻畫了第四系松散層、侏羅系云崗組和大同組、三疊系銅川組和二馬營組地層的分布、剝蝕以及傾向特點(diǎn);然后結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬軟件FEFLOW,構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型。計(jì)算結(jié)果可以精細(xì)的概化丘陵山區(qū)第四系松散孔隙水、碎屑巖裂隙水的補(bǔ)給、徑流和排泄特征,第四系松散孔隙地下水在接受兩側(cè)基巖裂隙水的補(bǔ)給后,向沖溝匯集,最終由西向東排泄于汾河;碎屑巖裂隙地下水受寧靜向斜地質(zhì)構(gòu)造的影響,地下水順巖層傾斜由向斜兩翼向軸部運(yùn)動(dòng),總體流向由西北向東南徑流。

以不受巖土介質(zhì)吸附和阻滯的H-3作為內(nèi)陸核電的特征污染物,按每天連續(xù)泄漏1 000 Bq考慮,在第四系松散孔隙地下水中,60年后H-3的0.1 Bq/L濃度線沿溝谷向下游遷移了約1 650 m,遷移速度取決于地下水的水力梯度,并沒有想象中的偏大,而將松散孔隙含水層與碎屑巖裂隙含水層地下水流場統(tǒng)一考慮,人為增加了污染物遷移速度,造成結(jié)果失真。