同位素技术在水文学中的应用
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第六章 同位素技术在水文 学中的应用
Zuo Qiting
第六章 同位素技术在水文学中的应用 主要内容
6.1
同位素技术介绍
6.2
同位素技术在水文学中的应用
Zuo Qiting
6.1 同位素技术介绍
6.1.1 基本概念
质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类： 按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同 位素和稳定同位素。 按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为： 天然同位素和人工同位素。
Zuo Qiting
6.1.2 同位素技术方法
6.1.2.1 同位素丰度 反映同位素成分组成的指标有两种：同位素绝 对丰度、相对丰度。
绝对丰度是指某一同位素在所有同位素总量中的相对 份额，常以该同位素与1H或28Si的比值来表示。 相对丰度是指同一元素各同位素的相对含量，用百分 比来表示。
Zuo Qiting
N N0 e
t
（6.1.2）
N 0 是t=0时同位素的放射性强度； 是常数，表示 式中， 单位时间内原子核的衰变机率，其大小只与放射性同位 素的种类有关；t是时间；N是经历时间t后同位素的放 射性强度。
Zuo Qiting
6.1.2.4 同位素技术方法的一般程序
应用同位素技术研究的一般程序可以归纳为 样品采集、分析测试和结果分析三大步骤。首先， 要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定 进行包装；然后，把样品送到实验室进行测试； 最后，根据测试结果进行仔细分析。
Zuo Qiting
由式（6.1.2）转换得到如下式子：
N0 t ln N 1
其中
0.693
T
1 2
（6.2.1）
， T 为14C的半衰期，代入上式，可
1 2
1 2
以得到计算14C的年龄公式：
N0 T t ln 0.693 N
（6.2.2）
Zuo Qiting
6.2.2 利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运 动规律，确定水文地质参数 利用放射性同位素（比如，H3和I131）作示踪 剂，可以进行示踪实验，研究水循环过程，特别 是用于地下水运动规律分析。一般，在某井（或 地表水源）中投放示踪剂，在特定位置井中多次 重复取水样，并及时进行同位素分析，以求得地 下水运动方向、运动速率、补给来源等。
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6.2同位素技术在水文学中的应用
6.2.1 利用放射性同位素技术测定地下水的年龄
放射性元素的半衰期是一个确定的常数。根据这一特 性，可以测定地下水在含水层中储存的时间，即常说的地 下水年龄。根据测定的地下水年龄可以帮助分析地下水的 起源、成因和再生能力等。 目前，地下水年龄测定较成熟的是14C测定技术。14C 具有5730年的半衰期，可以由自然和人工两种作用产生。 在自然作用下，由宇宙射线产生的次中子和氮相互作用， 可形成14C。在大气中，14C被氧化，以14CO2的形式存在。 当14CO2溶解于水表面时，衰变记时开始。因此，水体与大 气隔绝的时间越久（即年龄越老），14C含量越低，即14C 含量与正常的稳定同位素12C含量的比值就越低。
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6.2.3 利用稳定同位素技术研究地下水的起源和 形成过程
地下水按其成因和成生环境可区分为大气成因溶 滤水、海相成因沉积水、变质成因再生水和岩浆成因 初生水等四种类型。这四种成因类型地下水由于其水 的来源和成生环境的不同，在其氢、氧同位素的组成 上也存在着很大差异。这样，就可依据不同成因类型 地下水的δD和δ18O的变化范围来大致地判定地下水的 起源和成因（沈照理，1986）。
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同位素技术就是利用水中天然存在的环境同 位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的 年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放 射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水 的运移和变化过程。前者称为环境同位素技术， 后者称为人工同位素示踪技术。
同位素技术已经发展为水循环研究、地表水与地下 水转换关系研究、水库坝底渗漏分析等的一种十分有效 的手段。
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6.2.5 利用稳定同位素或放射性同位素技术确定 不同含水层之间的水力关系
一方面，可以依据稳定同位素技术来确定不同 含水层之间的水力联系。假如不同含水层没有水力联系， 它们的稳定同位素含量也会有所不同，根据这种差异的 程度就可以判定不同含水层之间的水力联系。 另一方面，还可以依据人工放射性同位素实验， 来确定不同含水层之间的水力联系。比如，可以在一个 含水层井中投放同位素示踪剂，在另一含水层观测井中 取样，并进行同位素分析。根据同位素含量的变化情况 就可以判定不同含水层之间的水力联系程度。
6.1.2.2 同位素分馏
同位素分馏是指在某一系统中，某元素的同位 素以不同的比值分配到两种物质或两相中的现象。
同位素分馏作用主要包括同位素交换反应、单向反应、 蒸发作用、扩散作用、吸附作用和生物化学作用等。
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分馏系数
分馏系数 是一个表征同位素成分及其含量变化 程度的系数，定义为两种物质中同位素比值之商。该 系数可以对同位素分馏作用作出定量评价。
计算公式为：
RA ＝ RB
（6.1.1）
式中：R A 为在分子A或A相态中重同位素与轻同位素的比值； R B B或B相态中重同位素与轻同位素的比值。 为在分子
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由于同位素分馏过程受其所处的环境因素的 影响，不同来源样品的元素丰度存在着变异，变 异携带有环境因素的信息，利用其可对所处环境 进行反演。因此，通过同位素分馏作用分析，可 以进行原位标记和示踪分析。
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6.2.4 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的 来源
假如不同水源的稳定同位素（δD和δ18O）存在明 显差异，且同位素含量基本稳定，就可以根据水体稳 定同位素含量与不同水源稳定同位素含量之间的关系， 来大致估算不同水源对水体的补给比例。这一技术方 法可以用于确定地下水特别是深层地下水的补给来源， 可以用于确定矿坑充水主要来源。这些研究可以为水 文地质分析、矿坑防治水工作提供重要的参考依据。
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6.1.2.3 放射性同位素衰变过程
原子核自发地放射出各种射线的现象称为放 射性，能发生这种放射性的同位素称为放射性同 位素。 放射性同位素由于发射某些射线，导致原子 核内部发生变化，这种现象称为放射性同位素的 放射衰变。
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放射性同位素衰变是按指数规律随时间衰减 的，满足以下规律：
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第六章 同位素技术在水文学中的应用 主要内容
6.1
同位素技术介绍
6.2
同位素技术在水文学中的应用
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6.1 同位素技术介绍
6.1.1 基本概念
质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类： 按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同 位素和稳定同位素。 按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为： 天然同位素和人工同位素。
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6.1.2 同位素技术方法
6.1.2.1 同位素丰度 反映同位素成分组成的指标有两种：同位素绝 对丰度、相对丰度。
绝对丰度是指某一同位素在所有同位素总量中的相对 份额，常以该同位素与1H或28Si的比值来表示。 相对丰度是指同一元素各同位素的相对含量，用百分 比来表示。
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N N0 e
t
（6.1.2）
N 0 是t=0时同位素的放射性强度； 是常数，表示 式中， 单位时间内原子核的衰变机率，其大小只与放射性同位 素的种类有关；t是时间；N是经历时间t后同位素的放 射性强度。
Zuo Qiting
6.1.2.4 同位素技术方法的一般程序
应用同位素技术研究的一般程序可以归纳为 样品采集、分析测试和结果分析三大步骤。首先， 要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定 进行包装；然后，把样品送到实验室进行测试； 最后，根据测试结果进行仔细分析。
Zuo Qiting
由式（6.1.2）转换得到如下式子：
N0 t ln N 1
其中
0.693
T
1 2
（6.2.1）
， T 为14C的半衰期，代入上式，可
1 2
1 2
以得到计算14C的年龄公式：
N0 T t ln 0.693 N
（6.2.2）
Zuo Qiting
6.2.2 利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运 动规律，确定水文地质参数 利用放射性同位素（比如，H3和I131）作示踪 剂，可以进行示踪实验，研究水循环过程，特别 是用于地下水运动规律分析。一般，在某井（或 地表水源）中投放示踪剂，在特定位置井中多次 重复取水样，并及时进行同位素分析，以求得地 下水运动方向、运动速率、补给来源等。
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6.2同位素技术在水文学中的应用
6.2.1 利用放射性同位素技术测定地下水的年龄
放射性元素的半衰期是一个确定的常数。根据这一特 性，可以测定地下水在含水层中储存的时间，即常说的地 下水年龄。根据测定的地下水年龄可以帮助分析地下水的 起源、成因和再生能力等。 目前，地下水年龄测定较成熟的是14C测定技术。14C 具有5730年的半衰期，可以由自然和人工两种作用产生。 在自然作用下，由宇宙射线产生的次中子和氮相互作用， 可形成14C。在大气中，14C被氧化，以14CO2的形式存在。 当14CO2溶解于水表面时，衰变记时开始。因此，水体与大 气隔绝的时间越久（即年龄越老），14C含量越低，即14C 含量与正常的稳定同位素12C含量的比值就越低。
Zuo Qiting
6.2.3 利用稳定同位素技术研究地下水的起源和 形成过程
地下水按其成因和成生环境可区分为大气成因溶 滤水、海相成因沉积水、变质成因再生水和岩浆成因 初生水等四种类型。这四种成因类型地下水由于其水 的来源和成生环境的不同，在其氢、氧同位素的组成 上也存在着很大差异。这样，就可依据不同成因类型 地下水的δD和δ18O的变化范围来大致地判定地下水的 起源和成因（沈照理，1986）。
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同位素技术就是利用水中天然存在的环境同 位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的 年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放 射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水 的运移和变化过程。前者称为环境同位素技术， 后者称为人工同位素示踪技术。
同位素技术已经发展为水循环研究、地表水与地下 水转换关系研究、水库坝底渗漏分析等的一种十分有效 的手段。
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6.2.5 利用稳定同位素或放射性同位素技术确定 不同含水层之间的水力关系
一方面，可以依据稳定同位素技术来确定不同 含水层之间的水力联系。假如不同含水层没有水力联系， 它们的稳定同位素含量也会有所不同，根据这种差异的 程度就可以判定不同含水层之间的水力联系。 另一方面，还可以依据人工放射性同位素实验， 来确定不同含水层之间的水力联系。比如，可以在一个 含水层井中投放同位素示踪剂，在另一含水层观测井中 取样，并进行同位素分析。根据同位素含量的变化情况 就可以判定不同含水层之间的水力联系程度。
6.1.2.2 同位素分馏
同位素分馏是指在某一系统中，某元素的同位 素以不同的比值分配到两种物质或两相中的现象。
同位素分馏作用主要包括同位素交换反应、单向反应、 蒸发作用、扩散作用、吸附作用和生物化学作用等。
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分馏系数
分馏系数 是一个表征同位素成分及其含量变化 程度的系数，定义为两种物质中同位素比值之商。该 系数可以对同位素分馏作用作出定量评价。
计算公式为：
RA ＝ RB
（6.1.1）
式中：R A 为在分子A或A相态中重同位素与轻同位素的比值； R B B或B相态中重同位素与轻同位素的比值。 为在分子
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由于同位素分馏过程受其所处的环境因素的 影响，不同来源样品的元素丰度存在着变异，变 异携带有环境因素的信息，利用其可对所处环境 进行反演。因此，通过同位素分馏作用分析，可 以进行原位标记和示踪分析。
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6.2.4 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的 来源
假如不同水源的稳定同位素（δD和δ18O）存在明 显差异，且同位素含量基本稳定，就可以根据水体稳 定同位素含量与不同水源稳定同位素含量之间的关系， 来大致估算不同水源对水体的补给比例。这一技术方 法可以用于确定地下水特别是深层地下水的补给来源， 可以用于确定矿坑充水主要来源。这些研究可以为水 文地质分析、矿坑防治水工作提供重要的参考依据。
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6.1.2.3 放射性同位素衰变过程
原子核自发地放射出各种射线的现象称为放 射性，能发生这种放射性的同位素称为放射性同 位素。 放射性同位素由于发射某些射线，导致原子 核内部发生变化，这种现象称为放射性同位素的 放射衰变。
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放射性同位素衰变是按指数规律随时间衰减 的，满足以下规律：