同位素技术在水文研究中的应用

赵野

1 概述

20世纪50年代开始，同位素技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题［1］。随着同位素分析技术的发展，通过研究水体及某些溶解盐类的同位素组成，同位素技术和方法已经成为水科学研究的现代手段之一［2］。同位素技术和方法可以有效地示踪水循环，如指示水的来源，水体的运移途径和数量，确定水的年龄，记录水岩相互作用的地球化学过程等，为确定各类水体的成因和演化机制提供重要的依据，也为合理利用水资源奠定了基础［3］。

我国同位素水文学研究始于20世纪60年代，当时就有专家开始分析研究西藏珠穆朗玛峰冰雪中D与18O的关系。1983年，我国启动了中国大气降水同位素监测研究课题，不同学者在北京、上海及我国东部地区开始对大气降水的2H，18O和3H进行了测定，得出了一些有意义的结果［4］。目前，在国家“973”项目“黄河流域水资源演化和可再生性维持机理研究”中英国际合作项目“用同位素和地球化学技术研究黄河流域水资源和环境生态再生演化”，应用环境同位素研究了黄河水的补给机理、组成及地下水的更新率等［5］。

2 同位素在地下水的应用

同位素技术应用于地下水中主要有两个原因:1)一种元素的化学性质是由原子数决定的，因此同种元素在不同同位素环境中的化学行为总体是相同的，微小的不同仅来自质量的不同，这种质量的不同使自然界中不同体系的同位素组成受各种条件变化的影响而发生微小的、但可测量的改变，即具有表征特定环境和过程的“指纹”特性;2)同位素的化学性质比较稳定，不易被岩土吸附，不易生成沉淀的化合物，且同位素的检测灵敏度非常高，很小的剂量就可获得满意的效果。

2.1 稳定同位素的应用

稳定同位素的组成受形成温度等条件的制约，目前应用较广泛，往往在不同物质或同一物质的不同相中产生分馏现象，成为天然的示踪剂。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机制、地下水中的污染源及地表水与地下水的相互关系等［6］。

2.1.1 研究地下水运动

在干旱区地下水资源评估中，一个关键的问题就是降水是否入渗补给地下水以及如何补给地下水，因为在干旱区降水时空分布稀少，并且降水量很小。干旱区蒸发强烈导致水体的同位素分馏，但是新形成的地下水中的同位素含量仍旧可能接近于当地降水的平均值，Mathieu和Bariac对中非地下水和土壤水中同位素含量研究发现，土壤水同位素含量因蒸发强烈富集，地下水中则不存在这种富集，从而分析得出降水通过非饱和带中的大孔隙和快速渗流路径达到地下水位，极少与土壤富同位素水混合［9］。依靠地下水中氚含量的存在可推断出地下水至少最近几十年得到过补给，Dincer等研究得出沙特阿拉伯Dahna沙丘在1963年～1972年间，平均每年得到23 mm的降水补给，占年降水量的35%。大气降水的氢氧同位素组成所具有的高度效应，为确定含水层补给区及补给高程提供了依据。

在研究地表水与地下水相互作用中，以前根据地下水位分布及其与地表水的水力坡度，加上一些水文地质参数来估算地表水与地下水之间的转化量(达西定律)，但是对于研究水中物质的运移及地表水在多大程度范围上补给地下水，尤其是牵涉到地表水受到污染如何影响威胁地下水的补给，上述方法显得捉襟见肘，此时环境同位素示踪方法，尤其是氚和18O示踪，成为便利和有效的工具。假如研究区域的地下水来自河水和降水的补给，河水来自海拔相对较高的地区或者在干旱半干旱区受到强烈蒸发引起同位素富集，其与研究区降水同位素含量必定存在差异，利用这种差异性McCarthy等研究了俄勒冈州波特兰附近哥伦比亚河河水与地下水之间的水力补给关系。同样，如果地表水其他水体(湖水和水库)补给地下水时，与降水同位素含量存在差异，也可计算其对地下水的作用，这种差异在干旱半干旱区尤为明显。运用这种差异，Stichler和Moser研究了莱茵河流域内一人工湖对地下水的渗漏补给，Krabbenhoft等根据同位素物质质量均衡方法，估算了湖水与地下水之间的相互交换量。

在具有多个地下水含水层或者构造断层存在的复杂区域，水文地质学家以往通过抽水试验和详尽的地下水水力梯度分布图来研究各个含水层之间的相互作用。通常情况下，尤其是在发展中国家，这些详尽的资料很难获得。一般情况下，复杂区域各含水层系统之间总有一些环境同位素含量存在差异，利用这些同位素的差异研究它们之间相互作用的同位素方法，有其他方法无法比拟的方便、快捷和经济等优点。Rightmire等利用34S研究了德克萨斯州石灰岩含水层的地下水来自潜水的补给，Yurtsever和Payne根据18O和氚(T)同位素的数据，分析研究了卡塔尔西南部深部承压含水层中盐水对潜水含水层的越流补给，再加上分析18O和水中Cl-的关系，进一步得出潜水是来自深部承压水、海水和当地降水的三相混合补给。

地下水中的同位素含量时空分布通常存在巨大的差异，当同位素示踪研究地下水运动的时候，对地下水分析同位素含量的采样不能过于单一或稀少，如果分析其来源，应同时对地表水与降水取样分析同位素含量，否则会得出错误的结论［3］。

2.1.2 在区域地下水资源补给及可更新性的研究

区域含水层系统中的地下水资源是在一定时间尺度上可更新的水资源。地下水资源的可更新性是针对人类生存发展的一个相对概念，它体现了资源的可持续性观点。能在几十年内更新的地下水，与现代地表水或大气降雨有密切联系，可恢复性强;上百年更新的地下水，与现代地表水或大气降雨有一定联系，有一定的可恢复性;上千年的地下水，与现代地表水或大气降雨没有直接联系，相对人类活动而言是不可更新和恢复的。目前，国内外大量研究者发现利用地下水同位素组成来研究地下水的形成、补给，进而分析区域含水层系统中地下水运移时间和资源的可恢复性，是定性或定量评价区域地下水资源可更新性有效、直观的方法。

马致远，侯光才［10］根据稳定同位素分析，鄂尔多斯盆地白垩系地下水既有现代大气降水的补给，又有古地下水的补给，地下水的可更新性随不同地域、深度、含水层的变化而变化。

2.2 放射性同位素的应用

2.2.1 在地下水测年中的研究

地下水年龄及其分布的研究，有利于评价地下水的运动机制以及如何合理开发利用地下水资源，许多同位素方法能够用来估算地下水的平均滞留时间。稳定同位素的季节性变化使其能够计算地下水的年龄，而放射性同位素则是依靠放射性衰变存在的半衰期而测定地下水的年龄。

2.2.2 在评价区域地下水属性的应用

在地下水研究中，目前利用较多的放射性同位素是T和14C。氚同位素对盆地周边岩溶水——平凉隐伏岩溶水的研究结果表明，平凉隐伏岩溶水形成较早，且有大量现代水的混入，平均混入量为54%。说明研究区隐伏岩溶水的补给和更新能力较好。根据环境同位素EPM与EM两种模型计算，地下水的滞留时间为36年。近千年来，隐伏岩溶水被更新了27次。地下水储存量为11 314×108 m3;储水系数为7 129×10-3。这一计算结果与传统勘探方法的计算结果基本吻合。

3 结语

随着社会经济的发展，面临的水资源问题也越来越突出，同位素技术的应用将为水文学的研究提供新的手段，在水文水资源问题上发挥更重要的作用。我国在水文水资源领域应用同位素技术已经取得了相当的成果，但由于同位素水文学是一门新兴学科，目前投入研究的资金和参与研究的人较少，特别是同位素实验方面，由于资金和仪器设备条件的限制，研究还很欠缺。今后应该在以下几个方面加强:1)充分利用现有资金和设备，进行同位素基础实验研究，室内外采集的样品用质普仪进行同位素分析;2)加强各种水转化规律的研究，特别是水文循环中的大气降雨、蒸发水、土壤水、地下水之间的转化规律十分复杂，可以利用同位素技术示踪技术将水文循环过程作为一个统一的整体展开研究;3)对不同自然地理条件、不同水文条件的实验流域分别进行采样分析，分析不同流域产流机制的差异，得出具有普遍意义的规律;4)地下水补给来源的研究，利用同位素技术开展缺水地区承压含水补给源及地下水超采情况研究，为合理开发利用地下水资源，缓解水资源紧缺问题提供科学依据。

［1］ 李大通，张之淦.核技术在水文地质中的应用指南［M］.北京:地质出版社，1990:1-287.

［2］ 卫克勤.同位素水文地球化学［J］.地球科学进展，1992，7 (5):67-68.

［3］ 张应华，仵彦卿，温小虎，等.环境同位素在水循环研究中的应用［J］.水科学进展，2006，17(5):44-45，738-747.

［4］ 旺 集.同位素水文学与水资源、水环境［J］.地球科学，2002，27(5):532-533.

［5］ 章光新，何 岩，邓 伟.同位素D和18O在水环境中的应用研究进展［J］.干旱区研究，2004，21(3):225-229.

［6］ 尚海敏，李国敏，于进庆.环境同位素技术在地下水研究中的应用［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］ 张 东，李成杰，李 伟.联合稳定同位素与水化学方法确定地下水污染源［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］ 马致远，侯光才.环境同位素技术在区域地下水资源补给及可更新性中的应用［J］.工程勘察，2007(18):83-84.