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【技術(shù)交流】同位素技術(shù)在地下水研究中的主要應(yīng)用

日期：2023-08-10　人氣：4217

同位素技術(shù)在地下水研究中的主要應(yīng)用

馬寶強(qiáng)1,2, 王瀟1, 湯超1, 李莉1, 馬建源1, 妙旭華1

1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院

摘要: 主要從示蹤地下水補(bǔ)給來(lái)源、水巖相互作用,識(shí)別地下水污染來(lái)源和估算地下水年齡與更新能力等方面回顧了同位素技術(shù)在地下水研究中的主要應(yīng)用。利用氫氧穩(wěn)定同位素(2H、18O)示蹤地下水的補(bǔ)給來(lái)源已經(jīng)成為地下水補(bǔ)給研究的重要方向。通過(guò)分析地下水中87Sr/86Sr、26Mg等同位素的變化,有助于認(rèn)識(shí)地下水的水質(zhì)成因和水文地球化學(xué)過(guò)程。同位素技術(shù)在識(shí)別地下水污染來(lái)源方面具有獨(dú)特的價(jià)值,如借助硝酸鹽的氮氧同位素(15N、18O)可以識(shí)別地下水中硝酸鹽的來(lái)源。應(yīng)用3H、14C等放射性同位素不僅可以獲取地下水的年齡,而且有助于認(rèn)識(shí)地下水的循環(huán)和更新能力,地下水的更新能力是地下水可持續(xù)開發(fā)利用的重要參考指標(biāo)。


關(guān)鍵詞:補(bǔ)給來(lái)源 / 水巖作用 / 地下水污染 / 地下水年齡 / 更新能力 

環(huán)境同位素是指在自然界廣泛存在的自然產(chǎn)生的同位素，如Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ 等，是水文、地質(zhì)和生物系統(tǒng)中的基本元素[1] 。同位素水文地質(zhì)學(xué)是現(xiàn)代核技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，同位素技術(shù)獲取地下水系統(tǒng)信息的主要依據(jù)是穩(wěn)定同位素對(duì)水起著標(biāo)記作用和放射性同位素對(duì)水起著計(jì)時(shí)作用[2] 。自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，同位素技術(shù)在地下水研究中日益得到廣泛應(yīng)用。同位素技術(shù)把傳統(tǒng)物理和化學(xué)方法的研究尺度從分子、原子層次擴(kuò)展到更深的原子核層次，極大地支持了水文地質(zhì)學(xué)的研究和發(fā)展 。已有大量的水文地質(zhì)研究利用水分子中的同位素判斷地下水來(lái)源、水質(zhì)、補(bǔ)給機(jī)制、水巖反應(yīng)和地下水年齡及其更新能力[3-5] 。目前， 應(yīng)用較廣泛的同位素有2Ｈ、18Ｏ、3Ｈ、14 Ｃ、13Ｃ、15Ｎ、34Ｓ 等[6] 。除此之外，如234Ｕ、226Ra、222Rn 等鈾系同位素在地下水研究中也是有效的環(huán)境示蹤劑和較準(zhǔn)確的定年手段[3,7-8] 。隨著同位素測(cè)試技術(shù)的發(fā)展37Cl、36Cl、11Ｂ、7Li、87Sr / 86Sr、26Mg、81Kr、39Ar等非傳統(tǒng)同位素也被引入到地下水研究中[9] 。同位素水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)成為水文地質(zhì)學(xué)不可替代的主要組成部分和重要研究方向。筆者主要回顧了同位素技術(shù)在示蹤地下水補(bǔ)給、水巖相互作用、地下水污染和估算地下水年齡及其更新能力等方面的應(yīng)用。






1  示蹤地下水補(bǔ)給特征

1.1 示蹤地下水補(bǔ)給來(lái)源

由于不同來(lái)源地下水的同位素組成不同，因此可以利用這種差異來(lái)研究地下水補(bǔ)給來(lái)源。1961 年Craig[10] 在研究北美地區(qū)大陸大氣降水的δ2Ｈ、δ18Ｏ特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者符合線性規(guī)律，即δ2Ｈ＝8δ18Ｏ＋10，即為全球大氣降水線方程? 該方程適用于全球范圍，但世界各地的大氣降水線方程與該方程往往略有不同[11] ，表現(xiàn)在直線的斜率或截距上，如北京地區(qū)的大氣降水線方程為δ2Ｈ＝7.3δ18Ｏ＋9.7。由于穩(wěn)定同位素分餾作用的影響，不同來(lái)源地下水的δ2Ｈ、δ18Ｏ在全球大氣降水線和區(qū)域大氣降水線的位置會(huì)有所差異，通過(guò)比較這種差異，可以得出地下水的補(bǔ)給來(lái)源及其補(bǔ)給區(qū)的高程、緯度和溫度等參數(shù)[2,9,11-12] 。

通常若地下水的δ2Ｈ、δ18Ｏ 位于大氣降水線上或其附近，則意味著補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界氣象組織(WMO)于1958 年合作創(chuàng)建了全球降水的同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GNIP)，并于1961 年正式運(yùn)行，全球共有1156 個(gè)監(jiān)測(cè)站，其中中國(guó)有33個(gè)站點(diǎn)，各站點(diǎn)降水的氫氧穩(wěn)定同位素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可于該網(wǎng)站下載(目前已停止運(yùn)行)[13] ?；诖?，Kong 等[14] 繪制了中國(guó)降水δ2Ｈ、δ18Ｏ的等值線圖? 陳宗宇等[15] 利用δ2Ｈ、δ18Ｏ準(zhǔn)確識(shí)別了黑河流域山區(qū)河流對(duì)地下水的補(bǔ)給過(guò)程以及地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的水量，解決了以往對(duì)黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化具體過(guò)程認(rèn)識(shí)不清的問(wèn)題。馬致遠(yuǎn)[16] 利用δ2Ｈ、δ18Ｏ發(fā)現(xiàn)甘肅省東部平?jīng)鍪袥芎右阅系貐^(qū)巖溶水中存在大量現(xiàn)代水的混入補(bǔ)給，表明巖溶水的補(bǔ)給條件和更新能力較好。Li 等[17] 利用δ2Ｈ、δ18Ｏ發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)潛水補(bǔ)給與大于10ｍｍ∕ｄ的降水事件緊密相關(guān)，即降水補(bǔ)給地下水的有效閾值為10ｍｍ∕ｄ，說(shuō)明以往采用多年均值的降水穩(wěn)定同位素作為降水補(bǔ)給的輸入項(xiàng)存在一定問(wèn)題。目前，利用地下水中δ2Ｈ、δ18Ｏ判斷補(bǔ)給來(lái)源已成為一種普遍的方法。


1.2  估算地下水補(bǔ)給量

包氣帶是連接大氣降水和地下水的關(guān)鍵地帶，在降水以活塞流為主和以較低的入滲速率補(bǔ)給地下水的干旱半干旱地區(qū)，1963年的核爆氚峰可能仍然保存在包氣帶中，因此可以利用氚峰法估算地下水的補(bǔ)給量。然而，在降水入滲速率較高和包氣帶不厚的地區(qū)，土壤中的氚會(huì)很快進(jìn)入地下水中，導(dǎo)致利用氚峰法計(jì)算得到的地下水補(bǔ)給量偏大。在黃土分布地區(qū)，特別是我國(guó)的黃土高原地區(qū)，由于包氣帶的厚度通常較大，可達(dá)百余米，而且土壤水的入滲速率較低，入滲方式以活塞流為主，1963年的核爆氚峰至今仍然保留在包氣帶中?因此可以利用氚峰法有效估算地下水補(bǔ)給量，公式如下:

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式中:Ｒ 為補(bǔ)給量，mm/a；ｈ 為氚峰深度，ｍ；ａ 為采樣年份；θV為氚峰以上包氣帶剖面的平均體積含水量，％。

Lin 等[18] 在內(nèi)蒙古自治區(qū)和山西省實(shí)測(cè)得到黃土剖面的氚峰深度分別為10.35 和10.5 ｍ，氚含量分別為230和235TU，并以氚峰法估算得到降水對(duì)地下水的補(bǔ)給量分別為47 和68mm/a。Huang等[19] 在黃土高原最大的黃土塬——董志塬的研究發(fā)現(xiàn)，1963年的氚峰(氚含量為55.2TU)仍然保留在包氣帶7.5ｍ 的深度，并以氚峰法估算得到降水的入滲速率為0.14 ｍ∕ａ，對(duì)地下水的補(bǔ)給量為39ｍｍ∕ａ。由于氚的半衰期較短(12.32a)，隨著氚的衰變，很多地方已經(jīng)檢測(cè)不到氚峰的存在，導(dǎo)致氚峰法不再是一種理想的示蹤地下水補(bǔ)給的方法。






2  示蹤水巖相互作用

水巖相互作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的同位素分餾，因此同位素的分餾特征能夠?yàn)樗畮r相互作用的研究提供重要依據(jù)[9]。近年來(lái)，在研究水巖相互作用方面用到的同位素主要有87Sr/86Sr和26Mg等。此外，18Ｏ同位素也常被用于表征水巖作用程度?由于高溫條件下，流體與巖石之間會(huì)存在18Ｏ交換作用，因此Ｏ 同位素在中深層高溫地?zé)嵯到y(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生明顯的18Ｏ漂移現(xiàn)象，漂移程度越大，表明水巖作用越強(qiáng)烈[20] 。

2.1  87Sr/86Sr的應(yīng)用

由于Sr 同位素在水文地球化學(xué)過(guò)程中比較穩(wěn)定，地下水中的87Sr/86Sr往往與其接觸的巖石礦物中的相似，當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)不同地區(qū)的巖石礦物時(shí)，地下水的87Sr/86Sr會(huì)存在差異，因此87Sr/86Sr在研究地下水的水巖相互作用方面是一種理想的示蹤劑[21]。葉萍等[22]在河北平原地下水研究中發(fā)現(xiàn)，在巖性相似的含水層中，地下水中的87Sr/86Sr會(huì)隨著滲流途徑的增長(zhǎng)和循環(huán)深度的增加而升高，這是水巖作用不斷累積的結(jié)果。Huang等[23] 利用87Sr/86Sr得到某黃土潛水含水層中的Ca2+、Mg2+主要來(lái)源于方解石、白云石等碳酸鹽巖的溶解，而不是含鈣長(zhǎng)石等硅酸鹽巖的溶解。

2.2  Mg同位素的應(yīng)用

Mg有24Mg、25Mg、26Mg 3種穩(wěn)定同位素。Mg作為水體中的主要元素，容易在水體中遷移，在參與不同水文地球化學(xué)過(guò)程中，由于26Mg會(huì)產(chǎn)生不同程度的分餾?因此可以用來(lái)示蹤地下水循環(huán)過(guò)程中與Mg相關(guān)的水巖相互作用[24] 。相對(duì)Sr同位素而言，有關(guān)Mg同位素分餾的程度及內(nèi)在機(jī)理尚未研究清楚，導(dǎo)致其在示蹤地球化學(xué)過(guò)程方面的應(yīng)用有限[25]。一般Mg同位素在水巖相互作用過(guò)程中，輕同位素會(huì)傾向于進(jìn)入地下水，重同位素會(huì)留在巖石中[9] 。Zhang等[26]在鄂爾多斯盆地某砂巖含水層研究中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地下水自補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)Mg2+濃度明顯減少，δ26Mg也逐漸降低，這主要是因?yàn)榈叵滤畯难a(bǔ)給區(qū)(Mg2+濃度為13.44~29.28mg/L，δ26Mg為-1.09‰~-1.29‰)至深部含水層的流動(dòng)過(guò)程中，依次發(fā)生了方解石的溶解作用和黏土礦物的吸附作用，方解石溶解作用使得Mg2+濃度有一定增加(13.68~30.96mg/L)，δ26Mg有所降低(-2.57‰~-1.72‰)，而深部黏土礦物的吸附作用使δ26Mg 降低( -3.30‰ ~ -2.34‰)， 同時(shí)明顯去除了Mg2+(0.96~6.25mg/L)；最后深部含水層的地下水向上排泄的過(guò)程中，發(fā)生了方解石的沉淀作用?導(dǎo)致排泄區(qū)Mg2+濃度進(jìn)一步降低(0.046~0.16mg/L)，但使δ26Mg有所增加(-2.67‰~-2.37‰)。






3  示蹤地下水污染來(lái)源

污染物進(jìn)入地下水中會(huì)造成地下水水質(zhì)惡化，為了治理地下水污染問(wèn)題，則必須查明污染物來(lái)源，而同位素技術(shù)可以指示地下水的污染信息，包括污染物來(lái)源、地球化學(xué)反應(yīng)和微生物過(guò)程等[1] 。目前示蹤地下水污染物常用的同位素有15Ｎ、34 Ｓ、11Ｂ 等，其中15Ｎ的應(yīng)用較早。自從Kohl等[27] 第一次引入Ｎ 同位素技術(shù)定量判別美國(guó)伊利諾伊州桑加芒河水體中圖片的來(lái)源以來(lái),該方法已被應(yīng)用到識(shí)別氮污染源的數(shù)百項(xiàng)研究中[28]。除了15Ｎ 以外，硝酸鹽中的δ18Ｏ在識(shí)別地下水硝酸鹽污染方面也具有重要價(jià)值[29] 。由于不同來(lái)源硝酸鹽δ15 Ｎ、δ18Ｏ的分布范圍不同[30-31] ，因此可以聯(lián)合利用硝酸鹽的氮氧雙同位素法共同識(shí)別不同硝酸鹽污染源(圖1)。

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該方法不僅可以準(zhǔn)確識(shí)別大多數(shù)硝酸鹽污染來(lái)源，而且可以區(qū)分硝化作用和反硝化作用等硝酸鹽的轉(zhuǎn)化過(guò)程。在典型反硝化過(guò)程中，通常隨著硝酸鹽濃度的降低，反應(yīng)剩余圖片的δ15Ｎ 和δ18Ｏ會(huì)以2∶1的比例產(chǎn)生富集[32] 。 目前，基于硝酸鹽的氮氧雙同位素法已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外判斷地下水硝酸鹽污染來(lái)源的重要手段[33-35] 。另外，由于11B 不受含氮化合物化學(xué)作用的影響，因此結(jié)合11B  還可以更準(zhǔn)確地追蹤硝酸鹽的來(lái)源，特別是區(qū)分動(dòng)物糞便和污水[36] 。






4  估算地下水年齡及其更新能力

4.1  地下水年齡

地下水年齡，是指某一特定水分子自補(bǔ)給進(jìn)入地下環(huán)境系統(tǒng)直到該水分子到達(dá)該系統(tǒng)某一特定位置所用時(shí)間。地下水年齡在評(píng)價(jià)地下水的更新能力、地下水資源的開發(fā)管理和確定地下水補(bǔ)給區(qū)、補(bǔ)給速率等方面具有重要價(jià)值[37-38] 。該方法的基本依據(jù)是放射性同位素的衰變?cè)?sup style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 12px;">[2] ，根據(jù)同位素衰變方程計(jì)算地下水年齡，公式如下:

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式中:t為地下水年齡，ａ；T1/2為放射性同位素的半衰期，ａ；Ｃ為計(jì)算時(shí)放射性同位素的濃度，％(以現(xiàn)代碳的百分比計(jì))；Ｃ0 為補(bǔ)給時(shí)放射性同位素的濃度，％。

不同的放射性同位素由于半衰期不同，測(cè)定的地下水年齡范圍不同(圖２)，一般為其半衰期的0.1~10倍[39] 。通常根據(jù)地下水年齡的不同[1] ，可以把地下水劃分為現(xiàn)代地下水(0~50 a)、次現(xiàn)代地下水(50~ 1000a) 和古地下水( > 1000a) 3種類型。

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4.1.1  現(xiàn)代地下水

現(xiàn)代地下水是指在過(guò)去幾十年補(bǔ)給的地下水，代表著強(qiáng)烈的水文循環(huán)，其不僅易于接受補(bǔ)給，而且易遭受污染和破壞。大陸地殼2ｋｍ 深處以內(nèi)蘊(yùn)藏著約2260×104ｋｍ3 的地下水，其中現(xiàn)代地下水的體積為10×104~ 500×104ｋｍ3，相當(dāng)于在大陸表面有３ ｍ深的水體在全球水循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[40] 。現(xiàn)代地下水年齡測(cè)定主要用到的放射性同位素為3Ｈ、3Ｈ-3Ｈe、35Ｓ、85Kr、222Rn，其中3Ｈ應(yīng)用最為普遍[41]，另外CFCs(氟利昂)、SF6等其他環(huán)境示蹤劑也可用于現(xiàn)代地下水的定年[42-43] 。

3Ｈ的半衰期為12.32a。測(cè)年上限為50ａ。3Ｈ主要有宇宙射線產(chǎn)生、人工核爆產(chǎn)生和地質(zhì)成因3個(gè)來(lái)源，其中地質(zhì)成因的3Ｈ 濃度很低，基本可忽略。因此地下水中如果檢測(cè)到了3Ｈ，則意味著是現(xiàn)代補(bǔ)給和現(xiàn)代地下水，這種地下水與大氣降水或地表水的聯(lián)系密切，地下水的更新能力強(qiáng)。然而，自20世紀(jì)50-60年代的熱核爆炸試驗(yàn)結(jié)束以來(lái)，大氣降水及地下水中的3Ｈ 濃度大幅度降低，目前空氣中3Ｈ濃度已與自然環(huán)境十分接近[44] ，加之許多地方缺少大氣降水3Ｈ濃度的連續(xù)觀測(cè)資料，導(dǎo)致單純依靠3Ｈ測(cè)定地下水年齡的應(yīng)用受到一定的限制。3Ｈ-3He 法在1979年首次被引入地下水領(lǐng)域，基本原理是利用3Ｈ在地下水系統(tǒng)中經(jīng)β 衰變產(chǎn)生了3He，故只要確定了3Ｈ濃度及3Ｈ成因的3He濃度，就可以通過(guò)3Ｈ-3He法計(jì)算地下水年齡[1-45] 。該方法可以較好地取代不適宜3Ｈ測(cè)年的現(xiàn)代地下水，主要優(yōu)點(diǎn)是不需要依賴復(fù)雜的3Ｈ輸入函數(shù)，但是采樣和測(cè)試成本較高?只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室可以測(cè)試[46]。

4.1.2  次現(xiàn)代地下水

目前次現(xiàn)代地下水還沒(méi)有形成一個(gè)常用的同位素定年方法，潛在可利用的放射性同位素有39Ar、32Si。39Ar的半衰期為269a，可測(cè)定的地下水年齡為0~1500ａ。39Ar主要由宇宙射線產(chǎn)生，人為來(lái)源幾乎可忽略，最大優(yōu)點(diǎn)是作為惰性氣體同位素，不參與化學(xué)過(guò)程，受沉淀和吸附作用的程度也較小，因此不需要復(fù)雜的校正模型[47] 。然而，39Ar在地下水中的濃度很低，采樣非常困難，而且測(cè)試時(shí)間需要7~30ｄ，故還不能得到廣泛應(yīng)用，32Si測(cè)年同樣存在取樣和測(cè)試的問(wèn)題，32Si的測(cè)試需要3000~ 5000Ｌ 水樣，且32Si的半衰期也存在爭(zhēng)議，涉及的地球化學(xué)作用復(fù)雜，這限制了32Si的使用[38] 。

4.1.3  古地下水

古地下水是指年齡大于1000ａ 的地下水，而地下水年齡到底是2000ａ，還是2萬(wàn)a，甚至是20萬(wàn)a，對(duì)地下水資源的開發(fā)和管理意義重大[1] 。年齡非常久遠(yuǎn)的地下水往往意味著沒(méi)有補(bǔ)給或者補(bǔ)給量非常小?這種地下水資源是不可更新的? 古地下水定年常用的放射性同位素有14Ｃ、36Cl、81Kr。

4.1.3  14Ｃ的應(yīng)用

應(yīng)用14Ｃ 測(cè)定含碳物質(zhì)的年齡起源于20世紀(jì)40年代末期[2] ，在60 年代首次用于地下水年齡的測(cè)定，現(xiàn)已發(fā)展成為古地下水定年應(yīng)用最普遍的方法[48]。14Ｃ 的半衰期為5730ａ，測(cè)定地下水年齡的上限可達(dá)4萬(wàn)ａ。14Ｃ 測(cè)定地下水年齡與氚法明顯不同，它通常是間接通過(guò)測(cè)定水中溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)濃度而轉(zhuǎn)化為地下水的年齡數(shù)據(jù)。14Ｃ 測(cè)年需滿足2個(gè)假定條件[1-2] :初始14Ｃ 濃度已知，且在過(guò)去5萬(wàn)~6 萬(wàn)a保持恒定不變；含碳物質(zhì)進(jìn)入地下水后，除14Ｃ放射性衰變外，系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，沒(méi)有其他14Ｃ的加入或丟失。所以用14Ｃ測(cè)得的地下水年齡是指地下水和土壤CO2 隔絕至今的時(shí)間[49] 。通常14Ｃ的放射性用初始14Ｃ放射性的占比表示。然而，在實(shí)際條件下，初始14Ｃ的濃度并非恒定不變，碳素在進(jìn)入地下水中還會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的地球化學(xué)過(guò)程，因此為了消除各種因素對(duì)14Ｃ測(cè)年精度的影響，需要對(duì)進(jìn)入地下水之前的初始14Ｃ濃度和地下水中的溶解無(wú)機(jī)碳的14Ｃ濃度進(jìn)行校正。不同校正方法的選擇直接影響地下水14Ｃ年齡的準(zhǔn)確性[50-51] 。由于在地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，地下水的14Ｃ年齡會(huì)隨著地下水循環(huán)路徑而產(chǎn)生有規(guī)律的變化，如華北平原地下水的14Ｃ年齡從山前平原到濱海平原由年輕逐漸變老，垂向上隨深度也呈現(xiàn)相似的現(xiàn)象[52-53] ；法國(guó)巴黎盆地地下水系統(tǒng)從周邊的補(bǔ)給區(qū)到中心的排泄區(qū)，地下水年齡由年輕逐漸變老[54] 。因此利用地下水的14Ｃ濃度不僅可以獲得地下水的年齡，而且有助于判斷地下水的循環(huán)途徑。此外，利用地下水中的重要組成物質(zhì)溶解有機(jī)碳(DOC)也可以測(cè)定地下水的年齡，該方法可以對(duì)DIC測(cè)年起到一定的校正作用，也可以用于識(shí)別有機(jī)物的來(lái)源及遷移轉(zhuǎn)化特征[55-56] 。

4.1.3.2　36Cl的應(yīng)用

對(duì)于某些大型或特大型的地下水含水系統(tǒng)，地下水的形成時(shí)間非常漫長(zhǎng)，地下水中的14Ｃ濃度很低或基本上檢測(cè)不到，此時(shí)利用36Cl是一種有效的測(cè)年手段[37] 。36Cl的半衰期為30.1 萬(wàn)ａ，適合極古老地下水年齡的測(cè)定，測(cè)年上限達(dá)250萬(wàn)ａ[55-58] 。Guendouz等[59-60]利用36Cl測(cè)定了撒哈拉南部深層地下水的年齡可達(dá)120萬(wàn)ａ，埃及東部沙漠地下水的年齡可達(dá)130萬(wàn)ａ。馬致遠(yuǎn)等[61] 利用36Cl測(cè)得關(guān)中盆地深層地?zé)崴哪挲g最大可達(dá)112.4萬(wàn)ａ，表明地?zé)崴畱?yīng)該是地質(zhì)歷史時(shí)期的殘存沉積水。雖然36Cl在測(cè)定古地下水年齡方面具有一定的應(yīng)用前景，但是其地表成因和深部成因的影響因素復(fù)雜且難確定，在一定程度上限制了36Cl的應(yīng)用[38] 。

4.1.3.3  81Kr的應(yīng)用

81Kr是測(cè)定古地下水年齡較新的方法，其半衰期為21萬(wàn)ａ，測(cè)年為5萬(wàn)~100萬(wàn)ａ。81Kr作為惰性氣體，在大氣中的濃度基本穩(wěn)定，人類活動(dòng)對(duì)81Kr的影響極小，同時(shí)其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在地下基本不參與任何地球化學(xué)反應(yīng)，因此81Kr在測(cè)定古地下水年齡方面具有很大的應(yīng)用前景[62-64] 。目前對(duì)地下水中81Kr的測(cè)試主要依靠原子阱痕量分析技術(shù)[65] 。最新的測(cè)試方法[66] 需要81Kr樣品量為6~8 μＬ，對(duì)應(yīng)地下水樣品的采集量為10０~200Ｌ，溶解氣為2Ｌ。國(guó)外利用81Kr測(cè)定地下水年齡的報(bào)道較多[67] ，但國(guó)內(nèi)較少。Li 等[68]在關(guān)中盆地運(yùn)用81Kr測(cè)定了8 個(gè)深層地下水樣的年齡，為30萬(wàn)~130萬(wàn)ａ，并與14Ｃ、4He和36Cl等方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明81Kr測(cè)定的地下水年齡比較可靠。然而，由于目前國(guó)內(nèi)僅有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)激光痕量探測(cè)與精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)室等個(gè)別單位能夠測(cè)定81Kr，測(cè)試費(fèi)用較高，因此在一定程度上限制了81Kr在地下水年齡測(cè)定方面的應(yīng)用與發(fā)展。

4.2  地下水更新能力

地下水資源不同于石油、煤炭等礦產(chǎn)資源，它具有可再生和不可再生的雙重屬性。在可持續(xù)開發(fā)利用條件下，地下水資源是可再生的，但是當(dāng)?shù)叵滤贿^(guò)量超采時(shí)，其面臨枯竭和不可再生的危險(xiǎn)，尤其是在干旱半干旱地區(qū)。為了可持續(xù)開發(fā)利用水資源，需要準(zhǔn)確評(píng)估地下水的更新能力[69] 。地下水的更新能力是指含水層中儲(chǔ)存的地下水通過(guò)接受補(bǔ)給而得到更新或更替的能力[70] 。通常如果根據(jù)地下水水平衡和達(dá)西定律等傳統(tǒng)水文地質(zhì)方法，估算地下水的補(bǔ)給率是非常困難的[71]。測(cè)定地下水年齡可以有助于解決該問(wèn)題。

地下水年齡在評(píng)估地下水的更新能力方面，具有簡(jiǎn)單、獨(dú)特和可靠的價(jià)值，尤其是在干旱地區(qū)和地下水補(bǔ)給研究資料缺乏的地區(qū)。根據(jù)不同的地下水年齡,可以將地下水劃分為不同的更新能力[37,72]，不同的更新能力意味著不同的補(bǔ)給資源和脆弱性等級(jí)(表1)。地下水較強(qiáng)的更新能力，意味著地下水可以更快地接受補(bǔ)給，也意味著地下水更脆弱、更容易遭受污染。如表1所示，當(dāng)?shù)叵滤泻?sup style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 12px;">3Ｈ，且14Ｃ校正年齡小于60ａ，則表明地下水的更新能力強(qiáng)；當(dāng)?shù)叵滤袥](méi)有3Ｈ，且14Ｃ校正年齡為60~1000ａ時(shí)，則表明地下水的更新能力中等(有部分的更新能力)；當(dāng)?shù)叵滤袥](méi)有3Ｈ，且14Ｃ校正年齡為1000~10000ａ 時(shí)，則表明地下水的更新能力弱(更新非常緩慢)；當(dāng)?shù)叵滤袥](méi)有3Ｈ，且14Ｃ校正年齡大于10000ａ，則表明地下水是不可更新的。因此，依靠地下水的年齡有助于判斷地下水更新能力及其開采潛力，但是地下水年齡并不能直接作為判斷地下水資源是否可持續(xù)性開發(fā)利用的量化指標(biāo)，還需要結(jié)合地下水的水位、水質(zhì)、環(huán)境流量以及政府管理等方面因素[73] 。除了利用地下水的年齡直接判斷地下水的更新能力以外，還可以基于地下水在補(bǔ)給前后的同位素質(zhì)量平衡原理[74] ，利用3Ｈ、14Ｃ等同位素混合模型估算地下水的更新速率[75-77] ，從而評(píng)估地下水的可更新性。

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5  結(jié)論

環(huán)境同位素技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)研究中的理論已經(jīng)較為成熟，由于其可獲得性好，測(cè)試方法成熟，測(cè)試價(jià)格適中，目前已得到廣泛應(yīng)用。地下水中2Ｈ、18Ｏ、13Ｃ、15Ｎ、34Ｓ、11Ｂ 同位素在示蹤水分來(lái)源與特定污染物來(lái)源方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。包氣帶中的3Ｈ 可以幫助示蹤干旱半干旱區(qū)大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給特征。利用87Sr/86Sr、26Mg等同位素可以示蹤地下水的水巖相互作用。借助3Ｈ、14Ｃ 等放射性同位素，可以測(cè)定地下水的年齡，從而判斷地下水的更新能力及其脆弱性。非傳統(tǒng)同位素如39Ar與81Kr等由于在地下水中濃度較低，測(cè)試難度較大，目前應(yīng)用范圍較小。隨著分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，地下水中低濃度及痕量元素的同位素技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。


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