同位素技术在水文学中的应用

同位素技术在水文学中的应用

一. 基本概念

1 .同位素

同位素：具有相同原子序数(即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同)，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。

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。2.同位素技术

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。

2.1同位素技术方法的一般程序：

第一，要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定进行包装；

第二，把样品送到实验室进行测试；

第三，根据测试结果进行仔细分析。

2.2同位素技术方法：

第一，同位素丰度：反映同位素成分组成的指标是同位素绝对丰度和相对丰度。

第二，同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。

同位素分馏系数（α）表示两种物质之间的同位素分馏程度，等于两种物质的同位素比值（R）之商，即а=R A/R B（式中：R A为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，R B为分子在B或是B相态中的重同位素与轻同位素的比值）

二.同位素在水文学中的应用

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，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，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，环境同位素和人工同位素在水汽来源、地表水与地下水的相互作用、地下水起源及测年、水体污染物的来源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域的应用十分广泛.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。

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D,18O,34S,15N,53C r和87S r等，在地表水中可以研究大气降水和降雨径流关系等，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。

1.1大气降水

1. 1. 1 降水中的氢氧同位素关系

Craig全球大气降水线（GMWL）

GMWL适用于全球尺度.实际上,由于气候和地理参数的变化,大气降水的同位素组成存在时空变化,因此各地区的大气降水线( local meteoric water line, LMWL)与GMWL 也存在差异. GMWL 实际上是全球许多MWL的平均值, LMWL 会受到地区气象因素的控制,这些地方气象因素会对大气降水线的斜率和氘盈余值产生影响，通过LMWL 的分析, 可以了解该地区的降水规律、水汽来源以及由二次混合和重蒸发过程所引起的变化. Craig 的最主要发现是：同位素亏损的水与较冷的地区有关，而同位素富集的水一般在温暖的地区。

1.1.2降水中的同位素组成及分布

大气降水同位素变化:全球大气降水同位素观测结果表明，降水同位素组成随着地理位置、季节变化和降水量等因素的改变而改变，被总结为若干“效应”，如纬度效应，高程效应，大陆效应，季节效应，雨量效应等

1.2 地下水污染

山西省229 煤田地质队与中科院地质所运用氢氧同位素对山西太原地区地下水资源评价和开发作了研究，其中，西山岩溶水的δD和δ18O之间呈线性关系为δD= 5.56δ18O- 16.1 可见, 西山岩溶水中混入了受强烈蒸发作用的汾河水及浅层水, 它与汾河渗漏水及上覆石炭、二叠系裂隙水有明显的水力联系.利用这一原理, 我们可以进行地下水污染源的追踪. 地下水源如果遭到地表污水的影响, 利用稳定同位素方法, 一旦地下水与地表水的δD和δ18O存在一定的联系, 就可以判定该地下水与地表水之间的水力联系, 确定污水的地表来源.

Maloszewski 等认为,对研究区内的河流和井水中的D 和18O进行定期测量, 同时通过河流的季节变化来确定河流对供水井的相对贡献以及分析含水层的特征,是建立河流被污染情况下含水层污染物的传播时间和速度的水力扩散模型的基础.当河流污染情况确定时,根据扩散模型可以确定污染物到达出口断面的时间及其浓度. 刘丹等应用环境同位素方法研究了塔里木河下游浅层地下水,发现塔里木河下游浅层地下水直接来源于塔里木河河水.钱云平等采用环境同位素与水化学分析相结合的方法研究了黑河流域地表水和地下水形成及转换规律,从而为黑河流域水资源的总体评价、黑河流域下游水利工程规划和水量调度提供了科学依据.

1.3 地下水与地表水流及水体间的联系

地表水和地下水之间的补排关系, 一般是通过分析含水层的等势面与地表水水位的关系来确定的. 但是,由于渗透性变化较大,很难依据水的实际迁移来解释它们的水位差异. 尤其在工业化流域,突发的污染物泄漏使得与河水相连的含水层存在潜在污染,临海城市可能遭

受到海水的入侵,此时, 及时地了解水体实际迁移的信息对选择抽水站点(或取水口)和了解地下水可能遭受污染的程度极为重要. 同位素方法的价值在于其为鉴别水体实际迁移提供了一种手段,为研究地表水与地下水相互转换关系及转换数量提供了一种较为便捷的途径. 研究地表水与地下水相互作用时常用到的同位素有18O, D,4He和222Rn 等.地表水流及水体由于其水面暴露在大气之下, 因而存在着明显的蒸发作用, 地表水中的氘和18O 含量总是高于大气降水和地下水. 这就可根据水中的δD及δ18O值以及δD -δ18O图上的斜率来判断他们之间是否存在有水力联系. 因为在通常情况下的降水直线为δD=8δ18O+10 , 如果降水转为地表水并经过蒸发后其直线斜率会发生变化. 如果地下水有几种不同地区的降水补给来源, 而且在不同地区形成这些降水的蒸发, 凝结条件也各不相同, 那么在不同地区降水来源的δD--δ18O图上的直线就会出现不同的斜率和截距, 据此就可以判断地下水的补给来源. 2. 放射性同位素的应用

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 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11314 × 108 m3; 储水系数为7129×10－3这一计算结果与传统勘探方法的计算结果基本吻合.

三存在问题

当前, 同位素水文学研究存在的主要问题有:

第一，许多与同位素方法相结合的研究还处于理论探索或试验阶段,缺乏必要的实践和技术指导.

第二，大部分利用环境同位素示踪流域水循环的研究, 主要是针对水文循环过程中的某一环节进行的,尚未将水文循环过程作为一个整体来进行系统研究.

第三，研究区域大多为小流域,尺度太小,不利于进行受流域尺度显著影响的课题(如全球水循环和气候变化)的研究; 涉及大流域同位素研究的项目, 由于采样点和监测的项目都明显不足, 数据分析难度较大.

第四，尽管同位素方法已被看作水资源管理与评价的重要手段,但相应的评价标准和法规尚未建立, 实践中不便于操作和推广.

第五，定性研究居多,定量研究不够,尤其是基础理论方面的开拓性研究还有待进一步加强.