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摘要：80年代以来，同位素法在水文地质中的应用越来越广泛，本文分别探讨了环境同位素、人工同位素法在水文地质中的应用及发展情况。
关键词：同位素；水文地质；应用
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
引言
同位素在环境领域的应用主要是以环境同位素（环境中自然存在而不是人工加入的核素）作为示踪剂，对水体、大气及土壤中特定对象的来源及迁移过程等进行判断和研究。作为示踪剂的同位素可以是稳定同位素或者放射性同位素，而以稳定同位素的应用最为广泛。
特定来源的物质有特定的同位素组成，因此某种元素的不同同位素在物质中的丰度比可以作为该种物质的标识，通过测定同位素丰度比，可以对环境中某种物质的来源及迁移过程等进行判定或研究，这就是稳定同位素作为示踪剂的原理。同位素技术在环境污染、水文与水资源、海洋及湖泊生态系统等领域应用十分广泛。
由于稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成，且具有分析结果精确稳定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点，已被广泛应用于环境污染事件的仲裁、环境污染物溯源和示踪中。例如：通过测量稳定碳同位素13C和12C的组成解析大气中多环芳烃的来源、考察含氯有机污染物的原位修复与生物降解过程；通过观测稳定氮同位素组成解析湖泊沉积物中有机物来源；通过測量硫的稳定同位素组成研究从水体中硫酸盐污染到大气中硫来源等众多环境问题；利用稳定铅同位素指标206Pb／207Pb进行铅来源解析与示踪已被广泛运用到土壤、地下水、降水、大气、湖泊沉积物等介质中铅来源的研究］。
环境同位素方法在解决许多水文地质问题方面，如确定地下水水龄、研究地下水的形成机制、运动及补给、地下水中的污染源、地表水与地下水的相互关系、监视和跟踪海水入侵的变化趋势等，已经成为国内外广泛认可和使用的方法。例如：澳大利亚利用同位素技术分析了解了中部地区大自流盆地的地下水系统，包括地下水运动规律和地下水年龄，为合理开发利用地下水提供了基础信息；美国利用同位素技术分析洪水的过程、洪水中地表水和地下水所占的比例，为洪水控制及水文学研究提供了依据；我国也应用同位素技术对渭河两岸和黑河流域地表水和地下水转换规律进行了研究，对于科学评价流域水资源状况，合理规划水利工程、进行地下水和地表水联合调度具有重要意义。
二、环境同位素在水文地质研究中的应用
氢和氧的环境同位素适合应用于研究水质平衡,区域内水循环,全球范围水循环,水圈、大气圈两者的关系,地下水、地表水之间的关系,地下水补给,地下水溶质、溶剂的起源,盐卤水和油气田水的起源和形成等水文地质领域。不同的领域,环境同位素的作用不尽相同。将环境放射性同位素的衰变作为时钟,研究水圈的演化历史;由于技术限制的严格性,只有氚和14C两种元素被常年应用于水的测年手段。对水的年代学的研究,不仅要经过测定和计算,还要经过包括水文学、地质学和同位素地球化学等多学科的评价过程。首先,论证方法是否适用于评价对象;其次,明确水年龄的概念及其物理意义,因水赋存条件在不同介质中具有差异性(如运动的状态不同,测年的方法不同)而有所区别;第三,对技术难点的攻关。不论运用哪种衰变法进行测年,确定母体的“初值”都是技术难点。确定14C的“初值”,是具有场地特征的同位素地球化学课题,要对补给区的土壤、气体和大气降水等方面碳的同位素的组成进行检测。至于如何确定地下水中氚的初始值,则需进一步查阅数据库资料,但它的标准同样随着时间而变化。目前,在研究水文地质的工作中,经常会用到的环境同位素主要有氘(2H),氧(18O),氚(3H),碳(13C, 14C, )硫34S等。运用天然水中含有的环境同位素可以获取许多重要的水文地质信息,除上述应用信息外,环境同位素还可以估算地下水存储量,研究地下水的化学组分形成和演化的过程,查明咸水入侵、水质污染等水文地质环境问题,研究成矿和成岩中水的来源和形成条件,检测深部地下水的温度等。环境同位素法的优点在于不会受到任何的限制。可以用于各种水文地质工作,且在区域性水文地质问题方面更具有优越性。
1稳定性同位素的应用
稳定同位素的组成受形成温度等条件的制约，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。目前应用较广泛的主要有D,18O,34S.15N,53Cr和87Sr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。
2放射性同位素的应用
放射性同位素存在放射性衰变，所以其在地下水研究中的应用基础是它们的定年作用和标记作用。一方面，研究地下水年龄及其分布有利于评价地下水的运动机制及如何合理开发地下水资源，通常具有较长半衰期的同位素,用来确定古地下水年龄，而具有较短半衰期的同位素用来确定较年轻地下水的年龄;另一方面，用放射性同位素取代化合物中稳定同位素，与未标记化合物相比，物理化学性质没有改变，只是带有放射性，通过放射性测量就可清楚地知道化合物运移的路径及过程。
三、人工同位素在水文地质研究中的应用
人工同位素方法是将人工的放射性同位素投放到地下水中,通过进行人工放射性元素的示踪实验,进而得出所需的水文地质信息,如测定的水文地质渗透系数、弥散系数、流向、流速等参数;查明含水层与地表水体之间以及含水层与含水层之间的水力联系;找出矿坑充水的途径及来源;了解岩溶通道的连通和分布状况;查明水利工程渗漏的问题和原因以及研究含水层和降水入渗的弥散机理。另外,还可以利用中子源和人工放射源来测定土石的密度、空隙度及含水量等。人工同位素方法的优点在于能够围绕研究的对象进行有针对性的工作,同时降低成本,并可以在短时间内获得满意的效果。值得注意的是,在使用放射性同位素的时候,会遭到环境法的限制,不能够随意使用。只能在短时间、小范围内应用。国外早在五十年代、六十年代就将人工放射性同位素示踪技术应用于水文地质研究实验中,且相继推出了各种用于测试的仪器并投入广泛的应用。这种技术我国发展的稍晚些,目前人工放射性同位素示踪技术的测试仪器已经陆续问世,并实现了在应用的过程中不断完善,从实验室中成功的走向生产实践,尤其在水坝测渗中达到了良好的效果,成为研究水文地质具有潜力的方法之一。尽管这些仪器目前应用的领域还较为局限,但此方法特有的直观性、确定性和野外可操作性等优点,是其他方法都无法比拟的。
四、结束语
在水文地质研究应用同位素方法的过程就是运用物质在更深的结构层次上活动的规律来研究和追踪物质世界运动的过程,目前被应用于水文地质研究的环境同位素的种类不多,诸多超微环境同位素还有待进一步发掘。实践证明,同时运用多种同位素的计时特性和标记特性,再配合常规的水文地质研究方法,能有效的获取有利信息并提高工作质量。因此可以预见,随着我国科学技术的不断发展,我国的水文地质研究将引入更多的同位素,且同位素的应用将更加广泛,这必将促进水文地质学科理论不断趋于完善。
参考文献：
[1]贾艳琨·王经兰·王东升·环境同位素在水文地质和环境地质研究中应用[J]·地球学报·2005, 9 (26)·
[2]王恒纯·同位素水文地质概述[M]·地质出版社.1991·08,
关键词：同位素；水文地质；应用
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
引言
同位素在环境领域的应用主要是以环境同位素（环境中自然存在而不是人工加入的核素）作为示踪剂，对水体、大气及土壤中特定对象的来源及迁移过程等进行判断和研究。作为示踪剂的同位素可以是稳定同位素或者放射性同位素，而以稳定同位素的应用最为广泛。
特定来源的物质有特定的同位素组成，因此某种元素的不同同位素在物质中的丰度比可以作为该种物质的标识，通过测定同位素丰度比，可以对环境中某种物质的来源及迁移过程等进行判定或研究，这就是稳定同位素作为示踪剂的原理。同位素技术在环境污染、水文与水资源、海洋及湖泊生态系统等领域应用十分广泛。
由于稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成，且具有分析结果精确稳定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点，已被广泛应用于环境污染事件的仲裁、环境污染物溯源和示踪中。例如：通过测量稳定碳同位素13C和12C的组成解析大气中多环芳烃的来源、考察含氯有机污染物的原位修复与生物降解过程；通过观测稳定氮同位素组成解析湖泊沉积物中有机物来源；通过測量硫的稳定同位素组成研究从水体中硫酸盐污染到大气中硫来源等众多环境问题；利用稳定铅同位素指标206Pb／207Pb进行铅来源解析与示踪已被广泛运用到土壤、地下水、降水、大气、湖泊沉积物等介质中铅来源的研究］。
环境同位素方法在解决许多水文地质问题方面，如确定地下水水龄、研究地下水的形成机制、运动及补给、地下水中的污染源、地表水与地下水的相互关系、监视和跟踪海水入侵的变化趋势等，已经成为国内外广泛认可和使用的方法。例如：澳大利亚利用同位素技术分析了解了中部地区大自流盆地的地下水系统，包括地下水运动规律和地下水年龄，为合理开发利用地下水提供了基础信息；美国利用同位素技术分析洪水的过程、洪水中地表水和地下水所占的比例，为洪水控制及水文学研究提供了依据；我国也应用同位素技术对渭河两岸和黑河流域地表水和地下水转换规律进行了研究，对于科学评价流域水资源状况，合理规划水利工程、进行地下水和地表水联合调度具有重要意义。
二、环境同位素在水文地质研究中的应用
氢和氧的环境同位素适合应用于研究水质平衡,区域内水循环,全球范围水循环,水圈、大气圈两者的关系,地下水、地表水之间的关系,地下水补给,地下水溶质、溶剂的起源,盐卤水和油气田水的起源和形成等水文地质领域。不同的领域,环境同位素的作用不尽相同。将环境放射性同位素的衰变作为时钟,研究水圈的演化历史;由于技术限制的严格性,只有氚和14C两种元素被常年应用于水的测年手段。对水的年代学的研究,不仅要经过测定和计算,还要经过包括水文学、地质学和同位素地球化学等多学科的评价过程。首先,论证方法是否适用于评价对象;其次,明确水年龄的概念及其物理意义,因水赋存条件在不同介质中具有差异性(如运动的状态不同,测年的方法不同)而有所区别;第三,对技术难点的攻关。不论运用哪种衰变法进行测年,确定母体的“初值”都是技术难点。确定14C的“初值”,是具有场地特征的同位素地球化学课题,要对补给区的土壤、气体和大气降水等方面碳的同位素的组成进行检测。至于如何确定地下水中氚的初始值,则需进一步查阅数据库资料,但它的标准同样随着时间而变化。目前,在研究水文地质的工作中,经常会用到的环境同位素主要有氘(2H),氧(18O),氚(3H),碳(13C, 14C, )硫34S等。运用天然水中含有的环境同位素可以获取许多重要的水文地质信息,除上述应用信息外,环境同位素还可以估算地下水存储量,研究地下水的化学组分形成和演化的过程,查明咸水入侵、水质污染等水文地质环境问题,研究成矿和成岩中水的来源和形成条件,检测深部地下水的温度等。环境同位素法的优点在于不会受到任何的限制。可以用于各种水文地质工作,且在区域性水文地质问题方面更具有优越性。
1稳定性同位素的应用
稳定同位素的组成受形成温度等条件的制约，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。目前应用较广泛的主要有D,18O,34S.15N,53Cr和87Sr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。
2放射性同位素的应用
放射性同位素存在放射性衰变，所以其在地下水研究中的应用基础是它们的定年作用和标记作用。一方面，研究地下水年龄及其分布有利于评价地下水的运动机制及如何合理开发地下水资源，通常具有较长半衰期的同位素,用来确定古地下水年龄，而具有较短半衰期的同位素用来确定较年轻地下水的年龄;另一方面，用放射性同位素取代化合物中稳定同位素，与未标记化合物相比，物理化学性质没有改变，只是带有放射性，通过放射性测量就可清楚地知道化合物运移的路径及过程。
三、人工同位素在水文地质研究中的应用
人工同位素方法是将人工的放射性同位素投放到地下水中,通过进行人工放射性元素的示踪实验,进而得出所需的水文地质信息,如测定的水文地质渗透系数、弥散系数、流向、流速等参数;查明含水层与地表水体之间以及含水层与含水层之间的水力联系;找出矿坑充水的途径及来源;了解岩溶通道的连通和分布状况;查明水利工程渗漏的问题和原因以及研究含水层和降水入渗的弥散机理。另外,还可以利用中子源和人工放射源来测定土石的密度、空隙度及含水量等。人工同位素方法的优点在于能够围绕研究的对象进行有针对性的工作,同时降低成本,并可以在短时间内获得满意的效果。值得注意的是,在使用放射性同位素的时候,会遭到环境法的限制,不能够随意使用。只能在短时间、小范围内应用。国外早在五十年代、六十年代就将人工放射性同位素示踪技术应用于水文地质研究实验中,且相继推出了各种用于测试的仪器并投入广泛的应用。这种技术我国发展的稍晚些,目前人工放射性同位素示踪技术的测试仪器已经陆续问世,并实现了在应用的过程中不断完善,从实验室中成功的走向生产实践,尤其在水坝测渗中达到了良好的效果,成为研究水文地质具有潜力的方法之一。尽管这些仪器目前应用的领域还较为局限,但此方法特有的直观性、确定性和野外可操作性等优点,是其他方法都无法比拟的。
四、结束语
在水文地质研究应用同位素方法的过程就是运用物质在更深的结构层次上活动的规律来研究和追踪物质世界运动的过程,目前被应用于水文地质研究的环境同位素的种类不多,诸多超微环境同位素还有待进一步发掘。实践证明,同时运用多种同位素的计时特性和标记特性,再配合常规的水文地质研究方法,能有效的获取有利信息并提高工作质量。因此可以预见,随着我国科学技术的不断发展,我国的水文地质研究将引入更多的同位素,且同位素的应用将更加广泛,这必将促进水文地质学科理论不断趋于完善。
参考文献：
[1]贾艳琨·王经兰·王东升·环境同位素在水文地质和环境地质研究中应用[J]·地球学报·2005, 9 (26)·
[2]王恒纯·同位素水文地质概述[M]·地质出版社.1991·08,