同位素技術在水文研究中的應用

趙野

1 概述

20世紀50年代開始，同位素技術應用于解決各種水文學和水文地質(zhì)學問題［1］。隨著同位素分析技術的發(fā)展，通過研究水體及某些溶解鹽類的同位素組成，同位素技術和方法已經(jīng)成為水科學研究的現(xiàn)代手段之一［2］。同位素技術和方法可以有效地示蹤水循環(huán)，如指示水的來源，水體的運移途徑和數(shù)量，確定水的年齡，記錄水巖相互作用的地球化學過程等，為確定各類水體的成因和演化機制提供重要的依據(jù)，也為合理利用水資源奠定了基礎［3］。

我國同位素水文學研究始于20世紀60年代，當時就有專家開始分析研究西藏珠穆朗瑪峰冰雪中D與18O的關系。1983年，我國啟動了中國大氣降水同位素監(jiān)測研究課題，不同學者在北京、上海及我國東部地區(qū)開始對大氣降水的2H，18O和3H進行了測定，得出了一些有意義的結果［4］。目前，在國家“973”項目“黃河流域水資源演化和可再生性維持機理研究”中英國際合作項目“用同位素和地球化學技術研究黃河流域水資源和環(huán)境生態(tài)再生演化”，應用環(huán)境同位素研究了黃河水的補給機理、組成及地下水的更新率等［5］。

2 同位素在地下水的應用

同位素技術應用于地下水中主要有兩個原因:1)一種元素的化學性質(zhì)是由原子數(shù)決定的，因此同種元素在不同同位素環(huán)境中的化學行為總體是相同的，微小的不同僅來自質(zhì)量的不同，這種質(zhì)量的不同使自然界中不同體系的同位素組成受各種條件變化的影響而發(fā)生微小的、但可測量的改變，即具有表征特定環(huán)境和過程的“指紋”特性;2)同位素的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易被巖土吸附，不易生成沉淀的化合物，且同位素的檢測靈敏度非常高，很小的劑量就可獲得滿意的效果。

2.1 穩(wěn)定同位素的應用

穩(wěn)定同位素的組成受形成溫度等條件的制約，目前應用較廣泛，往往在不同物質(zhì)或同一物質(zhì)的不同相中產(chǎn)生分餾現(xiàn)象，成為天然的示蹤劑。主要有D，18O，34S，15N，53Cr和87Sr等，在地下水研究中可用于研究地下水的形成機制、地下水中的污染源及地表水與地下水的相互關系等［6］。

2.1.1 研究地下水運動

在干旱區(qū)地下水資源評估中，一個關鍵的問題就是降水是否入滲補給地下水以及如何補給地下水，因為在干旱區(qū)降水時空分布稀少，并且降水量很小。干旱區(qū)蒸發(fā)強烈導致水體的同位素分餾，但是新形成的地下水中的同位素含量仍舊可能接近于當?shù)亟邓钠骄?，Mathieu和Bariac對中非地下水和土壤水中同位素含量研究發(fā)現(xiàn)，土壤水同位素含量因蒸發(fā)強烈富集，地下水中則不存在這種富集，從而分析得出降水通過非飽和帶中的大孔隙和快速滲流路徑達到地下水位，極少與土壤富同位素水混合［9］。依靠地下水中氚含量的存在可推斷出地下水至少最近幾十年得到過補給，Dincer等研究得出沙特阿拉伯Dahna沙丘在1963年～1972年間，平均每年得到23 mm的降水補給，占年降水量的35%。大氣降水的氫氧同位素組成所具有的高度效應，為確定含水層補給區(qū)及補給高程提供了依據(jù)。

在研究地表水與地下水相互作用中，以前根據(jù)地下水位分布及其與地表水的水力坡度，加上一些水文地質(zhì)參數(shù)來估算地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量(達西定律)，但是對于研究水中物質(zhì)的運移及地表水在多大程度范圍上補給地下水，尤其是牽涉到地表水受到污染如何影響威脅地下水的補給，上述方法顯得捉襟見肘，此時環(huán)境同位素示蹤方法，尤其是氚和18O示蹤，成為便利和有效的工具。假如研究區(qū)域的地下水來自河水和降水的補給，河水來自海拔相對較高的地區(qū)或者在干旱半干旱區(qū)受到強烈蒸發(fā)引起同位素富集，其與研究區(qū)降水同位素含量必定存在差異，利用這種差異性McCarthy等研究了俄勒岡州波特蘭附近哥倫比亞河河水與地下水之間的水力補給關系。同樣，如果地表水其他水體(湖水和水庫)補給地下水時，與降水同位素含量存在差異，也可計算其對地下水的作用，這種差異在干旱半干旱區(qū)尤為明顯。運用這種差異，Stichler和Moser研究了萊茵河流域內(nèi)一人工湖對地下水的滲漏補給，Krabbenhoft等根據(jù)同位素物質(zhì)質(zhì)量均衡方法，估算了湖水與地下水之間的相互交換量。

在具有多個地下水含水層或者構造斷層存在的復雜區(qū)域，水文地質(zhì)學家以往通過抽水試驗和詳盡的地下水水力梯度分布圖來研究各個含水層之間的相互作用。通常情況下，尤其是在發(fā)展中國家，這些詳盡的資料很難獲得。一般情況下，復雜區(qū)域各含水層系統(tǒng)之間總有一些環(huán)境同位素含量存在差異，利用這些同位素的差異研究它們之間相互作用的同位素方法，有其他方法無法比擬的方便、快捷和經(jīng)濟等優(yōu)點。Rightmire等利用34S研究了德克薩斯州石灰?guī)r含水層的地下水來自潛水的補給，Yurtsever和Payne根據(jù)18O和氚(T)同位素的數(shù)據(jù)，分析研究了卡塔爾西南部深部承壓含水層中鹽水對潛水含水層的越流補給，再加上分析18O和水中Cl-的關系，進一步得出潛水是來自深部承壓水、海水和當?shù)亟邓娜嗷旌涎a給。

地下水中的同位素含量時空分布通常存在巨大的差異，當同位素示蹤研究地下水運動的時候，對地下水分析同位素含量的采樣不能過于單一或稀少，如果分析其來源，應同時對地表水與降水取樣分析同位素含量，否則會得出錯誤的結論［3］。

2.1.2 在區(qū)域地下水資源補給及可更新性的研究

區(qū)域含水層系統(tǒng)中的地下水資源是在一定時間尺度上可更新的水資源。地下水資源的可更新性是針對人類生存發(fā)展的一個相對概念，它體現(xiàn)了資源的可持續(xù)性觀點。能在幾十年內(nèi)更新的地下水，與現(xiàn)代地表水或大氣降雨有密切聯(lián)系，可恢復性強;上百年更新的地下水，與現(xiàn)代地表水或大氣降雨有一定聯(lián)系，有一定的可恢復性;上千年的地下水，與現(xiàn)代地表水或大氣降雨沒有直接聯(lián)系，相對人類活動而言是不可更新和恢復的。目前，國內(nèi)外大量研究者發(fā)現(xiàn)利用地下水同位素組成來研究地下水的形成、補給，進而分析區(qū)域含水層系統(tǒng)中地下水運移時間和資源的可恢復性，是定性或定量評價區(qū)域地下水資源可更新性有效、直觀的方法。

馬致遠，侯光才［10］根據(jù)穩(wěn)定同位素分析，鄂爾多斯盆地白堊系地下水既有現(xiàn)代大氣降水的補給，又有古地下水的補給，地下水的可更新性隨不同地域、深度、含水層的變化而變化。

2.2 放射性同位素的應用

2.2.1 在地下水測年中的研究

地下水年齡及其分布的研究，有利于評價地下水的運動機制以及如何合理開發(fā)利用地下水資源，許多同位素方法能夠用來估算地下水的平均滯留時間。穩(wěn)定同位素的季節(jié)性變化使其能夠計算地下水的年齡，而放射性同位素則是依靠放射性衰變存在的半衰期而測定地下水的年齡。

2.2.2 在評價區(qū)域地下水屬性的應用

在地下水研究中，目前利用較多的放射性同位素是T和14C。氚同位素對盆地周邊巖溶水——平?jīng)鲭[伏巖溶水的研究結果表明，平?jīng)鲭[伏巖溶水形成較早，且有大量現(xiàn)代水的混入，平均混入量為54%。說明研究區(qū)隱伏巖溶水的補給和更新能力較好。根據(jù)環(huán)境同位素EPM與EM兩種模型計算，地下水的滯留時間為36年。近千年來，隱伏巖溶水被更新了27次。地下水儲存量為11 314×108 m3;儲水系數(shù)為7 129×10-3。這一計算結果與傳統(tǒng)勘探方法的計算結果基本吻合。

3 結語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，面臨的水資源問題也越來越突出，同位素技術的應用將為水文學的研究提供新的手段，在水文水資源問題上發(fā)揮更重要的作用。我國在水文水資源領域應用同位素技術已經(jīng)取得了相當?shù)某晒?，但由于同位素水文學是一門新興學科，目前投入研究的資金和參與研究的人較少，特別是同位素實驗方面，由于資金和儀器設備條件的限制，研究還很欠缺。今后應該在以下幾個方面加強:1)充分利用現(xiàn)有資金和設備，進行同位素基礎實驗研究，室內(nèi)外采集的樣品用質(zhì)普儀進行同位素分析;2)加強各種水轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，特別是水文循環(huán)中的大氣降雨、蒸發(fā)水、土壤水、地下水之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律十分復雜，可以利用同位素技術示蹤技術將水文循環(huán)過程作為一個統(tǒng)一的整體展開研究;3)對不同自然地理條件、不同水文條件的實驗流域分別進行采樣分析，分析不同流域產(chǎn)流機制的差異，得出具有普遍意義的規(guī)律;4)地下水補給來源的研究，利用同位素技術開展缺水地區(qū)承壓含水補給源及地下水超采情況研究，為合理開發(fā)利用地下水資源，緩解水資源緊缺問題提供科學依據(jù)。

［1］ 李大通，張之淦.核技術在水文地質(zhì)中的應用指南［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990:1-287.

［2］ 衛(wèi)克勤.同位素水文地球化學［J］.地球科學進展，1992，7 (5):67-68.

［3］ 張應華，仵彥卿，溫小虎，等.環(huán)境同位素在水循環(huán)研究中的應用［J］.水科學進展，2006，17(5):44-45，738-747.

［4］ 旺 集.同位素水文學與水資源、水環(huán)境［J］.地球科學，2002，27(5):532-533.

［5］ 章光新，何 巖，鄧 偉.同位素D和18O在水環(huán)境中的應用研究進展［J］.干旱區(qū)研究，2004，21(3):225-229.

［6］ 尚海敏，李國敏，于進慶.環(huán)境同位素技術在地下水研究中的應用［J］.地下水，2008，30(2):55-56.

［7］ S1Marimuthu，D1A 1Reynolds，C1L e Gal L a Salle1 A field study of hydraulic，geochemical and stable isotopere lation2 ships in a coastal wet lands system［J］.1Journal of Hydrology，2005(315):93-116.

［8］ 張 東，李成杰，李 偉.聯(lián)合穩(wěn)定同位素與水化學方法確定地下水污染源［J］.地下水，2007，29(3):35-36.

［9］ Mathieu R，Bariac.T1 An isotopic study(2H and18O)of water movements in clayey soils under a semiarid climate［J］.Water Resources Research，1996，32(4):779-789.

［10］ 馬致遠，侯光才.環(huán)境同位素技術在區(qū)域地下水資源補給及可更新性中的應用［J］.工程勘察，2007(18):83-84.