趙野

1 概述

20世紀(jì)50年代開始，同位素技術(shù)應(yīng)用于解決各種水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)問題［1］。隨著同位素分析技術(shù)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(shù)和方法已經(jīng)成為水科學(xué)研究的現(xiàn)代手段之一［2］。同位素技術(shù)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(yùn)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(xué)過程等，為確定各類水體的成因和演化機(jī)制提供重要的依據(jù)，也為合理利用水資源奠定了基礎(chǔ)［3］。

我國(guó)同位素水文學(xué)研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)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(guān)系。1983年，我國(guó)啟動(dòng)了中國(guó)大氣降水同位素監(jiān)測(cè)研究課題，不同學(xué)者在北京、上海及我國(guó)東部地區(qū)開始對(duì)大氣降水的2H，18O和3H進(jìn)行了測(cè)定，得出了一些有意義的結(jié)果［4］。目前，在國(guó)家“973”項(xiàng)目“黃河流域水資源演化和可再生性維持機(jī)理研究”中英國(guó)際合作項(xiàng)目“用同位素和地球化學(xué)技術(shù)研究黃河流域水資源和環(huán)境生態(tài)再生演化”，應(yīng)用環(huán)境同位素研究了黃河水的補(bǔ)給機(jī)理、組成及地下水的更新率等［5］。

2 同位素在地下水的應(yīng)用

同位素技術(shù)應(yīng)用于地下水中主要有兩個(gè)原因:1)一種元素的化學(xué)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(xué)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(cè)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(xué)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(cè)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(yīng)用

穩(wěn)定同位素的組成受形成溫度等條件的制約，目前應(yīng)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(jī)制、地下水中的污染源及地表水與地下水的相互關(guān)系等［6］。

2.1.1 研究地下水運(yùn)動(dòng)

在干旱區(qū)地下水資源評(píng)估中，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是降水是否入滲補(bǔ)給地下水以及如何補(bǔ)給地下水，因?yàn)樵诟珊祬^(qū)降水時(shí)空分布稀少，并且降水量很小。干旱區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)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(dāng)?shù)亟邓钠骄担琈athieu和Bariac對(duì)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(qiáng)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(dá)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(bǔ)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(bǔ)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(yīng)，為確定含水層補(bǔ)給區(qū)及補(bǔ)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(dá)西定律)，但是對(duì)于研究水中物質(zhì)的運(yùn)移及地表水在多大程度范圍上補(bǔ)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(bǔ)給，上述方法顯得捉襟見肘，此時(shí)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(bǔ)給，河水來自海拔相對(duì)較高的地區(qū)或者在干旱半干旱區(qū)受到強(qiáng)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(bǔ)給關(guān)系。同樣，如果地表水其他水體(湖水和水庫)補(bǔ)給地下水時(shí)，與降水同位素含量存在差異，也可計(jì)算其對(duì)地下水的作用，這種差異在干旱半干旱區(qū)尤為明顯。運(yùn)用這種差異，Stichler和Moser研究了萊茵河流域內(nèi)一人工湖對(duì)地下水的滲漏補(bǔ)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(gè)地下水含水層或者構(gòu)造斷層存在的復(fù)雜區(qū)域，水文地質(zhì)學(xué)家以往通過抽水試驗(yàn)和詳盡的地下水水力梯度分布圖來研究各個(gè)含水層之間的相互作用。通常情況下，尤其是在發(fā)展中國(guó)家，這些詳盡的資料很難獲得。一般情況下，復(fù)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(jì)等優(yōu)點(diǎn)。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(bǔ)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(duì)潛水含水層的越流補(bǔ)給，再加上分析18O和水中Cl-的關(guān)系，進(jìn)一步得出潛水是來自深部承壓水、海水和當(dāng)?shù)亟邓娜嗷旌涎a(bǔ)給。

地下水中的同位素含量時(shí)空分布通常存在巨大的差異，當(dāng)同位素示蹤研究地下水運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，對(duì)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(yīng)同時(shí)對(duì)地表水與降水取樣分析同位素含量，否則會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論［3］。

2.1.2 在區(qū)域地下水資源補(bǔ)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(shí)間尺度上可更新的水資源。地下水資源的可更新性是針對(duì)人類生存發(fā)展的一個(gè)相對(duì)概念，它體現(xiàn)了資源的可持續(xù)性觀點(diǎn)。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(fù)性強(qiáng);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(fù)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(duì)人類活動(dòng)而言是不可更新和恢復(fù)的。目前，國(guó)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(bǔ)給，進(jìn)而分析區(qū)域含水層系統(tǒng)中地下水運(yùn)移時(shí)間和資源的可恢復(fù)性，是定性或定量評(píng)價(jià)區(qū)域地下水資源可更新性有效、直觀的方法。

馬致遠(yuǎn)，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(bǔ)給，又有古地下水的補(bǔ)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(yīng)用

2.2.1 在地下水測(cè)年中的研究

地下水年齡及其分布的研究，有利于評(píng)價(jià)地下水的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(shí)間。穩(wěn)定同位素的季節(jié)性變化使其能夠計(jì)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(cè)定地下水的年齡。

2.2.2 在評(píng)價(jià)區(qū)域地下水屬性的應(yīng)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(duì)盆地周邊巖溶水——平?jīng)鲭[伏巖溶水的研究結(jié)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(bǔ)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(jì)算，地下水的滯留時(shí)間為36年。近千年來，隱伏巖溶水被更新了27次。地下水儲(chǔ)存量為11 314×108 m3;儲(chǔ)水系數(shù)為7 129×10-3。這一計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)勘探方法的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，面臨的水資源問題也越來越突出，同位素技術(shù)的應(yīng)用將為水文學(xué)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(guó)在水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用同位素技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒捎谕凰厮膶W(xué)是一門新興學(xué)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(shí)驗(yàn)方面，由于資金和儀器設(shè)備條件的限制，研究還很欠缺。今后應(yīng)該在以下幾個(gè)方面加強(qiáng):1)充分利用現(xiàn)有資金和設(shè)備，進(jìn)行同位素基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，室內(nèi)外采集的樣品用質(zhì)普儀進(jìn)行同位素分析;2)加強(qiáng)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(fù)雜，可以利用同位素技術(shù)示蹤技術(shù)將水文循環(huán)過程作為一個(gè)統(tǒng)一的整體展開研究;3)對(duì)不同自然地理?xiàng)l件、不同水文條件的實(shí)驗(yàn)流域分別進(jìn)行采樣分析，分析不同流域產(chǎn)流機(jī)制的差異，得出具有普遍意義的規(guī)律;4)地下水補(bǔ)給來源的研究，利用同位素技術(shù)開展缺水地區(qū)承壓含水補(bǔ)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(xué)依據(jù)。

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

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