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1、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：Ø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。Ø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
2、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
3、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=RA/RB（式中：RA为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，RB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
4、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,53Cr和87Sr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
5、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）²GMWL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(localmeteoricwaterline,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、
6、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=5.56
7、δ18O-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
8、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
