试析同位素技术在水文水资源领域的应用

试析同位素技术在水文水资源领域的应用

1. 刘帅    1.崔桐     2.李泽崟
   1.黄委水文局      河南  郑州450000
2. 黄河水利委员会河南水文水资源局  河南  郑州450000

摘 要：近几年我国有关部门非常重视水文水资源环境保护工作，在环境科学领域中使用的同位素技术已经非常成熟，借助稳定同位素的方法来分析污染源，进一步解决环境污染问题已经取得了重大的进展。本文从当前国内水资源问题进行全面分析，深入研究了同位素技术的应用原理及分析方法，对其实践应用的要点加以详细论述，为相关工作指明了方向。

关键词：同位素技术；水文条件；水资源环境；放射性；应用原理

同位素技术作为一项新兴的科学技术，最早出于20世纪的40年代，发展至今已经逐渐成为一种有效的追踪方法，在地理学科及物理学科知识的支持下，同位素的研究持续深入，各项科学技术的融入促使各项技术逐步更新与发展，并慢慢渗透到水文学与植物学领域，该项技术的应用也更加广泛。在同位素技术的核心原理中，包括放射性同位素定年原理与稳定同位素应用原理，据此得出稳定同位素的分析方法。

一、水文水资源领域的问题

地下水资源通常是干旱地区或者半干旱地区的用水来源，承担着当地工业生产、农业种植与生活用水来源，比如西班牙国土中地表水资源较少，地下水资源为全国的总用水量贡献了20%，并且全国有35%以上的农田是由地下水资源灌溉的。就我国而言，北京市也属于温带半干旱半湿润地带，地表水资源天然赋存量并不多，有60%的用水是来自于地下水资源。从上世纪70年代以来，北京地区的地下水资源开采量逐年增加，超量开采造成了北京市地下水资源的存量严重下降，水位相差过大，形成水位降落漏斗且发生了地面沉降现象。为缓解国内紧张的用水形势，全方位保证城市正常供水，许多地区利用再生水技术完成农田灌溉，考虑大部分城市工业废水与城市生活污水的排放量逐年增加，经过污水处理设施过滤以后的水质也不能完全达到要求，甚至因为再生水灌溉农田而使得地下水资源的水质受到影响。在此背景下，水文领域研究出同位素技术，用水文地球的化学特征与同位素特征分析结合的研究理论，为地下水资源管理及污染物迁移转化提供了更多的可能。

二、同位素技术的应用原理

（一）放射性同位素定年原理

该项技术在环境定年中，是借助其衰减变化规律，按照放射性的衰变定律，母体衰减则子体累积，由技术人员记录时间参数，即可测定同位素年龄，其基本公式为At=A0×e-γt，其中A0是母体最初的放射性活度，At则是经过一段时间以后的放射性活度，γ是衰变的常数，时间t可以表示为（1/γ）|n（A0/At），通常来说，放射性同位素的不稳定性可以用半衰期（T1/2）进行表示，因为已知的放射性同位素的半衰期是已经确定好的条件，所以通过测试环境中的土壤、沉积物及地下水等样品的放射性活度，就可以计算其年龄。

（二）稳定同位素的应用原理

因为水资源属于特定来源的物质，有其特定的同位素组成，其中一种元素的不同同位素在同一物质中的丰度，可以作为该物质的显著标志，技术人员通过测定同位素的丰度比，就可以得出该种物质在环境中的迁移过程及来源，并作出细致的判断或得出结论。比如典型的海洋有机碳的数值是-22%左右，可以根据沉积物的同位素值来确定其来源。另外，结合C/N值可以更好的确定陆源与海源的有机物分别。

三、同位素技术在水文水资源领域的具体应用

（一）显示追踪物

该物质又被称为示踪物，添加到系统内来研究系统的动态行为，与系统中其他的材料类似，但是可以被机器分辨出来，主要是因为示踪物的数量比较少，增加示踪物也不会对系统整体造成影响或者干扰，而放射性的同位素示踪物可以更好的满足上述的所有条件。

（二）选择同位素

由于放射性的同位素可以选择的范围比较广，适合的研究范围也比较大，为使其满足安全的需要，实验室所采用的放射性同位素包括钠-24及钴-60等，比较常用的包括金-198和铬-51等。

（三）选择颗粒大小

放射性同位素的颗粒应当做上标识，跟踪着运动轨迹，随着质的输移，会在实验中表明示踪物的粒径大小，可以更好的代表自然泥沙中的部分，比如该部分的泥沙所占的比例是总数的30%，经过实验测量以后，更容易解释数据得出的结论，可以有效避免在测量过程中遇到的困难，或者条件不全状态下发生数据遗失，如果是颗粒悬浮或者实验过程中极细小的颗粒最终消失，都会影响数据的缺损程度，因为粗颗粒引起的探测器电子饱和等情况，都会影响后续的实验结果。如需要研究悬移质颗粒时，应选择自然泥沙中粒径小于0.04mm极其细小的部分；如是砂砾或者小卵石运动的过程，则必须要有带标记的卵石逐个进行标注，再在洪水试验过后找到数量等同的卵石。

（四）示踪物数量

示踪物在实验中的量和活动要尽可能的减少，因为操作过程及射线的安全都是比较浅显的原因，所以少量的示踪物其实是更容易在系统研究中分辨出来的，但是因为数量关系会呈现出比较分散的状态，可能会在发生衰变以后高于其本底的放射性数值。

（五）物质准备

技术人员在实验过程中将放射性同位素合并以后，附着在泥沙上并采用不同的示踪方法，标定的泥沙颗粒与类型、大小都有关系。如果应用的是玻璃基质的标定技术，则需要将适当的元素溶解在玻璃容器中，将其碾碎成适宜的颗粒大小，其中辐射所选出的元素可能会产生放射性同位素，这种方法可以自然地分布在每一个颗粒中，每一个颗粒的同位素值与其自身原有的重量都是具备一定比例的。这种方法适用于金-198、钪-46及铬-51等放射性同位素的试验中，虽然这种方法产生的泥沙颗粒形状与其他要素都会与天然河床的泥沙存在区别，但是在密度及沉降速度方面却是极为相似的，所以泥沙运动的观测精度用这些物质替代，所产生的数据并不会存在很大的差异。如果是采用表面标定技术，技术人员需要将研究区域采集的自然泥沙清洗干净，并使用适当的元素薄层包裹住，然后再用这种方法来标定泥沙，才能达到被自然泥沙吸附的效果，一般这种方法会用在弃土特性的调查工作中。

结束语：

现如今城市中的水资源污染问题极为常见，同位素技术的成熟与推广应用，受到研究学者的重视，并在未来的水环境科学领域中，也发挥着重要的价值。

参考文献

[1]高旭波,向绚丽,侯保俊,高列波,张建友,张松涛,李成城,姜春芳.水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用[J].中国岩溶,2020,39(05):629-636.

[2]宏瑾靓.在水文水资源领域中同位素技术的应用[J].地下水,2019,37(06):70-71.

[3]龚梦,刘学,张译元.在农业领域利用同位素技术进行水文学研究[J].福建农业,2019(06):170.