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1、Zuo Qiting第六章第六章同位素技术在水文同位素技术在水文学中的应用学中的应用 Zuo Qiting 同位素技术介绍同位素技术介绍 第六章第六章 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主要内容主要内容 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 Zuo Qiting6.1 6.1 同位素同位素技术技术介绍介绍 6.1.1 6.1.1 基本概念基本概念 质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。特点：特点：相同元素同位素的化学性质相同。相同元素同位素的化学性质相同。同位素的分类：同位素的分类：按照同位素是否衰变，可将同位素分为：
2、放射性同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。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：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。天然同位素和人工同位素。Zuo Qiting 同位素技术就是利用水中天然存在的环境同同位素技术就是利用水中天然存在的环境同位素（如位素（如2 2H H、3 3H H、1818O O、1414C C 等）来标记和确定水的等）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射性含量极低的人工同位素作为示踪
3、剂来确定水的运移和变化过程。前者称为环境同位素技术，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。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。的手段。Zuo Qiting6.1.2 6.1.2 同位素技术方法同位素技术方法6.1.2.1 6.1.2.1 同位素丰度同位素丰度 反映同位素成分组成的指标有两种：同位素绝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。对丰度、相对丰度。绝对丰度
4、是指某一同位素在所有同位素总量中的相对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，常以该同位素与份额，常以该同位素与1 1H H或或2828SiSi的比值来表示。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。比来表示。Zuo Qiting6.1.2.2 6.1.2.2 同位素分馏同位素分馏 同位素分馏是指在某一系统中，某元素的同位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。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、同位素分馏作用
5、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。蒸发作用、扩散作用、吸附作用和生物化学作用等。Zuo Qiting分馏系数分馏系数 分馏系数分馏系数 是一个表征同位素成分及其含量变化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。系数可以对同位素分馏作用作出定量评价。计算公式为：计算公式为：（6.1.16.1.1）式中：式中：为在分子为在分子A或或A相态中重同位素与轻同位素的比值；相态中重同位素与轻同位素的比值；为在分子为在分子B或或B相态中重同位素
6、与轻同位素的比值。相态中重同位素与轻同位素的比值。Zuo Qiting 由于同位素分馏过程受其所处的环境因素的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异携带有环境因素的信息，利用其可对所处环境进行反演。进行反演。因此，通过同位素分馏作用分析，可因此，通过同位素分馏作用分析，可以进行原位标记和示踪分析。以进行原位标记和示踪分析。Zuo Qiting6.1.2.3 6.1.2.3 放射性同位素衰变过程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原子核自发地放射
7、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射性，能发生这种放射性的同位素称为放射性同位素。位素。放射性同位素由于发射某些射线，导致原子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核内部发生变化，这种现象称为放射性同位素的放射衰变。放射衰变。Zuo Qiting 放射性同位素衰变是按指数规律随时间衰减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：的，满足以下规律：（6.1.26.1.2）式中，式中，是是t=0时同位素的放射性强度；时同位素的放射性强度；是常数，表示是常数，表示单位时间内原子核的衰变机率，其大小只与放射性同位单位时
8、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；素的种类有关；t是时间；是时间；N是经历时间是经历时间t后同位素的放射后同位素的放射性强度。性强度。Zuo Qiting6.1.2.4 6.1.2.4 同位素技术方法的一般程序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，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；进行包装；然后，把样品送到实验室进行测试；最后，根据
9、测试结果进行仔细分析。最后，根据测试结果进行仔细分析。Zuo Qiting6.26.2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6.2.1 6.2.1 利用放射性同位素技术测定地下水的年龄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。起源、成因和再生能力等。目前，地下水年龄测定较成
10、熟的是目前，地下水年龄测定较成熟的是1414C C测定技术。测定技术。1414C C具具有有57305730年的半衰期，可以由自然和人工两种作用产生。在年的半衰期，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，可形成形成1414C C。在大气中，。在大气中，1414C C被氧化，以被氧化，以1414COCO2 2的形式存在。当的形式存在。当1414COCO2 2溶解于水表面时，衰变记时开始。因此，水体与大气溶解于水表面时，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），隔绝的时间越久（即年龄越老），
11、1414C C含量越低，即含量越低，即1414C C含量含量与正常的稳定同位素与正常的稳定同位素1212C C含量的比值就越低。含量的比值就越低。Zuo Qiting由式（由式（6.1.26.1.2）转换得到如下式子：）转换得到如下式子：（6.2.16.2.1）其中其中 ，为为1414C C的半衰期，代入上式，可的半衰期，代入上式，可以得到计算以得到计算1414C C的年龄公式：的年龄公式：（6.2.26.2.2）Zuo Qiting 利用放射性同位素（比如，利用放射性同位素（比如，H H3 3和和I I131131）作示踪）作示踪剂，可以进行示踪实验，研究水循环过程，特别剂，可以进行示踪实验
12、，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。下水运动方向、运动速率、补给来源等。6.2.2 6.2.2 利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运动规律，确定水文地质参数动规律，确定水文地质参数Zuo Qiting6.2.3 6.2.3 利用稳定同位素技术研究地下水的起源和利用稳定同位素技术研究地下
13、水的起源和形成过程形成过程 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地下水的DD和和1818O O的变化范围来大致地判定地下水的的变化范围来大致地判定地下水的起源和成因（沈照理，起
14、源和成因（沈照理，19861986）。）。Zuo Qiting6.2.4 6.2.4 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的利用稳定同位素技术研究水中化学组分的来源来源 假如不同水源的稳定同位素（假如不同水源的稳定同位素（DD和和1818O O）存在明）存在明显差异，且同位素含量基本稳定，就可以根据水体稳显差异，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，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，法可以用于确定
15、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。文地质分析、矿坑防治水工作提供重要的参考依据。Zuo Qiting6.2.5 6.2.5 利用稳定同位素或放射性同位素技术确定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，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
16、据这种差异的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。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，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。就可以判定不同含水层之间的水力联系程度。Zuo
17、Qiting6.2.6 6.2.6 利用同位素技术研究提防渗漏问题利用同位素技术研究提防渗漏问题 利用同位素的利用同位素的“标记标记”功能，对地下水、河水、降水功能，对地下水、河水、降水进行同位素分析，确定水体之间的水力联系，从而能判别进行同位素分析，确定水体之间的水力联系，从而能判别地下水的补给源、渗漏区的位置与范围。这一技术可以应地下水的补给源、渗漏区的位置与范围。这一技术可以应用于堤坝的渗漏研究中，有助于堤坝渗漏原因调查和堤坝用于堤坝的渗漏研究中，有助于堤坝渗漏原因调查和堤坝防渗治理（陈建生等，防渗治理（陈建生等，20042004）。）。Zuo Qiting6.2.7 6.2.7 同位素技术其他应用举例同位素技术其他应用举例运用同位素技术研究气候的水文响应过程。运用同位素技术研究气候的水文响应过程。运用同位素技术研究降雨径流关系、径流水文分割、运用同位素技术研究降雨径流关系、径流水文分割、径流的形成过程等。径流的形成过程等。运用同位素技术研究工程建设对地下水资源的影响。运用同位素技术研究工程建设对地下水资源的影响。运用同位素技术研究降雨的雨量效应、高程效应以及运用同位素技术研究降雨的雨量效应、高程效应以及降水的水汽来源。降水的水汽来源。Zuo QitingZHENGZHOU UNIVERSITY