環(huán)境同位素的分餾效應(yīng)及其影響水環(huán)境的因素

水資源的合理利用和有效保護(hù)主要取決于人類對(duì)水循環(huán)的認(rèn)識(shí)程度。環(huán)境同位素可以用來有效地示蹤水循環(huán),如指示水的來源,不同環(huán)境狀況下水的運(yùn)移和數(shù)量(包括江河湖泊),確定水的年齡,記錄水-巖相互作用,尤其在研究地下水和地下水儲(chǔ)量方面,更卓見其效,從而為認(rèn)識(shí)水的形成、運(yùn)動(dòng)及其成分變化機(jī)制提供重要的依據(jù),為合理利用寶貴的水資源奠定基礎(chǔ)。相應(yīng)地,它所能做出貢獻(xiàn)的問題也不僅僅限于地表水,還包括地表、地下以及地?zé)崴容^為普遍的水循環(huán)與水資源問題。1放射性同位素的應(yīng)用自然界水在蒸發(fā)和冷凝過程中,由于構(gòu)成水分子的氫氧同位素的物理化學(xué)性質(zhì)不同,引起不同水體中同位素組成的變化,這種現(xiàn)象被稱為同位素分餾作用。處于水循環(huán)系統(tǒng)中不同的水體,因成因不同而具有自己特征性的同位素組成,即富集不同的重同位素氫(2H)和氧(18O)。通過分析不同環(huán)境中水體同位素的“痕跡”,可以示蹤其形成和運(yùn)移方式。一些放射性同位素,如氚(3H)和碳-14(14C),它們主要有天然和人工兩種來源。天然的氚主要形成于大氣層上部高空,碳-14則形成于平流層和對(duì)流層之間的過渡地帶;人工來源主要由于20世紀(jì)60年代的核試驗(yàn)和核反應(yīng)產(chǎn)生。這些放射性同位素在天然水循環(huán)過程中,打上各種環(huán)境因素影響的特征標(biāo)記,成為追蹤各種水文地質(zhì)作用的理想示蹤劑,更重要的是它們的放射性計(jì)時(shí)性,適用于研究大氣降水的地面入滲、現(xiàn)代滲入起源地下水的補(bǔ)給、流動(dòng)速率、賦存及地下水年齡測(cè)定等。在自然界中,穩(wěn)定同位素組成的變化很小,因此一般用δ值來表示元素的同位素含量。δ值是指樣品中兩種穩(wěn)定同位素的比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值的千分差值,即式中R為同位素比值,是一種元素的稀有的與富含的同位素豐度之比,如R(D)=D/H,R(18O)=18O/16O;δ值的正負(fù)分別表明樣品較標(biāo)準(zhǔn)富含重同位素和輕同位素。常用半衰期(T1/2)來表示一個(gè)放射性核素的不穩(wěn)定性或者衰變率,即為放射性物質(zhì)因衰變而減少到其初始值的一半所用的時(shí)間。計(jì)算半衰期可按公式T1/2=(-1/λ)ln(1/2),其中λ為衰變常量。如14C的半衰期為5715年,3H的為12.43年,36Cl的為300000年,而放射性同位素在地下水年齡的應(yīng)用就是利用其半衰期推算的。同位素在示蹤水的來源和流程的應(yīng)用方面,對(duì)評(píng)估地下水的開采是非常重要的。放射性同位素和穩(wěn)定同位素技術(shù),再綜合其它傳統(tǒng)研究方法,如數(shù)值模擬、水化學(xué)和水文地質(zhì)物理參數(shù)測(cè)定等,能深刻的闡明地下水流系統(tǒng)機(jī)制。在有些研究中,由于受測(cè)量?jī)x器靈敏度的限制,環(huán)境同位素的應(yīng)用受到限制,這時(shí)可以通過人工釋放同位素示蹤,即投放一種物質(zhì)到水中并在系統(tǒng)內(nèi)的其它一些地方檢測(cè)該物質(zhì)的信息,來研究地表水和地下水的相互關(guān)系,好比食鹽和染色劑,人工生產(chǎn)的3H和131I。2水循環(huán)研究的組織對(duì)水循環(huán)過程中同位素的研究始于20世紀(jì)50年代初。大氣降水是自然界水循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)大氣降水中環(huán)境同位素組成的研究,是研究全球及局地水循環(huán)必須的前提。因此,由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(I-AEA)和世界氣象組織(WMO)合作,于1961年開始大范圍有組織的取樣工作,在全球?qū)邓协h(huán)境同位素以及相應(yīng)的氣象要素進(jìn)行跟蹤測(cè)試。其中一個(gè)目的是為驗(yàn)證大氣環(huán)流類型以及全球、局地的水循環(huán)機(jī)制,另一個(gè)是為世界不同地區(qū)提供利用氚(T)解決水文問題時(shí)所必須的氚輸入函數(shù)。2.1海洋大氣降水中兩種同位素的含量降水中同位素的研究主要集中在2H(D)、18O和3H(T)。地球上的水分在蒸發(fā)、凝聚、降落和徑流形成的水分循環(huán)過程中,產(chǎn)生同位素分餾作用,造成地球表面各種水體的同位素組成差別且有一定規(guī)律性分布。當(dāng)富含水蒸氣的空氣團(tuán)從海洋向內(nèi)陸移動(dòng)時(shí),降水中的2H和18O愈來愈少。由于自然界中重同位素與輕同位素的比值(分餾系數(shù))很小,對(duì)于水中的氫、氧同位素組成一般用公式(1),相對(duì)于SMOW標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)平均海水)的千分差表示。當(dāng)δ18O和δD為正值時(shí),表示樣品比SMOW標(biāo)準(zhǔn)富集了18O和D;當(dāng)為負(fù)值時(shí),表明樣品中的兩種同位素比SMOW標(biāo)準(zhǔn)中貧化。水從海洋表面蒸發(fā)時(shí),由于H216O具有較高的蒸氣壓,水氣中富集了H和16O,導(dǎo)致海洋上空水蒸氣中的δ18O和δD均為負(fù)值。當(dāng)云中的水蒸氣冷凝形成雨滴時(shí),液相中相對(duì)富集18O和D,由于18O和D不斷地由潮濕的空氣中優(yōu)先冷凝,從而使剩余的氣相中富集H和16O。這樣,當(dāng)降水不斷地進(jìn)行,空氣中δ18O和δD值逐漸變得更貧化,而液相和固體降水中的δ值也因蒸氣中18O和D的減少而變負(fù)。Craig(1961)通過研究北美大陸大氣降水,發(fā)現(xiàn)降水的氫氧同位素組成顯示線性相關(guān)的變化,并給出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式δD=8δ18O+10,這就是公認(rèn)的全球大氣降水方程,即Craig方程。在δD-δ18O圖形中,它是一條斜率為8,截距為10的直線,又稱為全球大氣降水線(GMWL)。大氣降水的同位素組成變化很大,隨空間、時(shí)間而異,故世界各地不同地區(qū)的降水方程往往偏離全球性方程,除全球降水線外,不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線,即地區(qū)大氣降水線(LMWL)。為了更確切地了解一個(gè)地區(qū)的降水規(guī)律,特別是在干旱或半干旱地區(qū),研究地區(qū)降水線是必不可少的。Yurtsever根據(jù)IAEA的觀測(cè)資料,給出了北美洲的地區(qū)降水線:δD=7.95δ18O+6.03,Ingraham等根據(jù)在南內(nèi)華達(dá)州采集的降水同位素資料,得出當(dāng)?shù)氐慕邓€:δD=6.87δ18O-6.5,在我國(guó),于津生、劉東生、章新平等研究了不同地區(qū)的大氣降水氫氧同位素的關(guān)系[6～8]。2.2大氣降水的同位素組成降水中穩(wěn)定同位素的組成主要受雨滴凝結(jié)時(shí)的溫度和降水的水汽來源控制,明顯表現(xiàn)為降水同位素組成因地理和氣候因素差別而異。Dansgaard根據(jù)北大西洋沿岸(溫帶和寒帶)的資料指出,大氣降水的平均同位素組成與溫度存在著正相關(guān)關(guān)系,同樣的關(guān)系也被姚檀棟在研究烏魯木齊河流域中得到證實(shí),這是由于溫度直接影響降水過程中的同位素分餾系數(shù)。Ingraham與Salati等通過沿海地區(qū)降水的同位素分析得出,降水的同位素組成隨遠(yuǎn)離海岸線而逐步降低具有大陸效應(yīng)是因?yàn)殡S著水汽向大陸的遷移過程中重同位素在先前的降水中優(yōu)先分離,剩余的水汽越來越貧化重同位素。大氣降水的δ值隨高度增加而降低,具有高度效應(yīng),這是隨著高度的不同,溫度也將不同,導(dǎo)致同位素分餾系數(shù)的變化,該效應(yīng)隨氣候和地形條件的不同,世界各地差異很大,正是這種高度效應(yīng)使推測(cè)地下水補(bǔ)給區(qū)的位置和高度成為可能。大氣降水的同位素組成是濕度的函數(shù),因此,雨滴在降落過程中的蒸發(fā)效應(yīng)及與環(huán)境水蒸氣的交換作用,導(dǎo)致呈現(xiàn)降雨量效應(yīng)。熱帶海洋是全球水汽的重要來源,約65%的全球蒸發(fā)通量起源于30°S和30°N的海洋區(qū),水汽極向運(yùn)移與不斷降水,引起大氣中可降水量的減少,降水的重同位素隨緯度的增加更加貧化,即所謂的緯度效應(yīng),這主要是溫度和蒸氣團(tuán)運(yùn)移過程同位素瑞利分餾的綜合反映。地球上任何一個(gè)地區(qū)的大氣降水同位素組成都存在季節(jié)效應(yīng),尤在內(nèi)陸地區(qū)更加顯著,這種季節(jié)效應(yīng)的控制因素主要是氣溫的季節(jié)性變化,同時(shí),降水氣團(tuán)的運(yùn)移方向和混合程度在一些地區(qū)也有相當(dāng)?shù)挠绊?如濱海地區(qū)存在大陸氣團(tuán)和海洋氣團(tuán)的混合可以導(dǎo)致季節(jié)性變化的混亂。世界各地降水中穩(wěn)定同位素組成差異較大,不同地區(qū)穩(wěn)定同位素組成所具有的效應(yīng)類型及類型的多寡各不相同,如劉進(jìn)達(dá)等對(duì)我國(guó)大氣降水穩(wěn)定同位素分布的研究。Metcalf通過對(duì)美國(guó)內(nèi)華達(dá)州南部降水的穩(wěn)定同位素的研究,發(fā)現(xiàn)在3km范圍內(nèi),δD和δ18O變化幅度分別達(dá)到15‰和1.5‰,指出氣團(tuán)對(duì)流形成的對(duì)流降水中,同位素組成在地理上小區(qū)域范圍內(nèi)就具有非常大的差異,因此在研究類似的小區(qū)域的降水同位素組成時(shí),必須在空間和地理位置鄰近地的分布上,取足夠多的樣品,以便獲得合理的同位素平均值。Jeanton等對(duì)法國(guó)南部18O分布的特征趨勢(shì)進(jìn)行研究,表明氧同位素分布主要是受冷鋒面和對(duì)流降雨控制。另外,局部水體經(jīng)過再次蒸發(fā),受動(dòng)力分餾作用影響形成的水汽降水,其同位素組成相對(duì)該地區(qū)降水貧18O而富集D。氚作為水分子的一部分直接參與水循環(huán),盡管在水循環(huán)過程中,它和水的氫氧同位素具有相似的分餾效應(yīng),但卻有不同的演化機(jī)制。因此,其分布特點(diǎn)部分與水的氫氧同位素相似的同時(shí),還有自己獨(dú)特之處。由于大氣環(huán)流作用影響、海洋表面的交換和稀釋效應(yīng)及人工來源氚的加入,致使全球大氣降水氚濃度與緯度成正比;海岸表面水的交換吸收和蒸氣稀釋作用可以造成同一緯度帶上大氣降水氚濃度隨遠(yuǎn)離海岸線而逐步增高;大氣休止層滲漏效應(yīng)的季節(jié)性變化同時(shí)引起大氣降水氚濃度的季節(jié)變化,使其最大濃度出現(xiàn)在6～7月份,最小濃度出現(xiàn)在11～12月份;Blavoux(1978)通過研究瑞士的降雪中氚發(fā)現(xiàn)其含量高處大于底處,即呈現(xiàn)高度效應(yīng);另外,同一緯度地區(qū),氚在降水中的分布有與穩(wěn)定同位素相似的降水量效應(yīng)。劉進(jìn)達(dá)根據(jù)7個(gè)代表性大氣降水同位素觀測(cè)站的資料,研究了我國(guó)大氣降水氚同位素的時(shí)空分布和演化規(guī)律,為進(jìn)一步示蹤地下水的研究奠定了一定基礎(chǔ)。2.3大氣降水的d值及影響因素在全球水循環(huán)蒸發(fā)、凝結(jié)過程中出現(xiàn)的同位素分餾,導(dǎo)致大氣降水的氫、氧同位素組成呈線性相關(guān)變化,即全球大氣降水方程:δD=8δ18O+10。在δD-δ18O圖形中,為全球大氣降水線。不同地區(qū)測(cè)得的大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截距上均有不同程度的偏離,這一偏離反映出各地大氣降水云氣形成時(shí),水汽的來源及降水云氣在運(yùn)移過程中環(huán)境條件的變化,導(dǎo)致氣、液相同位素分餾的不平衡程度的差異。為了量化及比較這種差異,Dansgaard提出了氘盈余(d)的概念,并定義為:d=δD-8δ18O。d值的大小相當(dāng)于該地區(qū)的大氣降水斜率(ΔδD/Δδ18O)為8時(shí)的截距值。不同地區(qū)的大氣降水的d值,可較直觀地反映該地區(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)過程的不平衡程度。d值實(shí)際上是一個(gè)大氣降水的重要綜合環(huán)境因素指標(biāo)。雖然有些地區(qū)的d值有微小的季節(jié)變化,但就全球范圍來看,d值不受季節(jié)和緯度等因素的影響,而與形成降水的水汽來源地的大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速和水體表面溫度等相關(guān)。由低緯海面蒸發(fā)而來的水汽,其形成降水中的d值較低,隨著水汽來源地的大氣相對(duì)濕度的降低,降水中d值會(huì)升高,Merlivat和Jouzel給出了d值和相對(duì)濕度的具體關(guān)系,并給出了與氣象因素之間關(guān)系的理論模型,為利用降水中的d值來推斷降水的水汽來源及其形成氣象條件提供了理論基礎(chǔ)。在干旱地區(qū),大氣降水過程中,雨滴降落途中受到蒸發(fā)將會(huì)導(dǎo)致降水中d值的偏低,FR¨OHLICH等通過全球降水觀測(cè)站的數(shù)據(jù),具體研究了d值的時(shí)空變化特征及其影響因素,尤其是研究了北美五大湖和地中海地區(qū)局地蒸發(fā)形成的小區(qū)域水循環(huán)導(dǎo)致降水中值的增加并用值估算了由當(dāng)?shù)卣舭l(fā)水汽形成的降水所占的比重。Gonfiantini等分析研究了熱帶降雨中,山區(qū)d值的演化過程與高度的關(guān)系。在我國(guó),通過對(duì)青藏高原南北降水中氘盈余的研究,分析了該區(qū)不同區(qū)域水汽來源和水汽循環(huán)。另外,由水源地出發(fā)的水汽團(tuán)向降水區(qū)混合演化過程中,其受控制的主導(dǎo)環(huán)境因素在降水中的d值中得到較好的體現(xiàn)。因此,近年來d值越來越廣泛地應(yīng)用到矯正、模擬大氣循環(huán)模式的研究。當(dāng)密集的云蒸氣凝結(jié)形成雨滴時(shí),雨滴中按照分餾系數(shù)的比例富集18O和D,導(dǎo)致全球降水線的斜率s接近8。實(shí)際上降水線的斜率主要受雨滴凝結(jié)時(shí)的平均溫度控制。干旱半干旱地區(qū),降水量少而蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,雨滴在降落到達(dá)地面的過程中,部分將會(huì)蒸發(fā),從而影響降水過程的同位素動(dòng)力分餾,致使降水線的斜率減小,即其斜率大都小于8。Friedman等首次研究了雨水降落過程中的蒸發(fā)作用對(duì)大氣降水線斜率的影響,而Dansgaard將其斜率的降低歸咎于降水量效應(yīng)影響。在熱帶和亞熱帶的島嶼地區(qū),降水線斜率的典型值為4.6～6.0。斜率大于8的情況很少見。3水資源在干旱和半干旱地區(qū)的轉(zhuǎn)化同位素方法為研究大氣降水、地表水和地下水之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及轉(zhuǎn)化量提供了一種有效的手段,尤其是在轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜的干旱和半干旱地區(qū)。為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展,合理開發(fā)利用水資源,必須對(duì)水資源進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)與管理,而這些前提是了解“三水”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及形成規(guī)律。為此,世界不同地區(qū)已經(jīng)不同程度的開展了同位素方法在示蹤“三水”之間相互轉(zhuǎn)化方面的研究。3.1流量過程線研究降水徑流問題是水文循環(huán)的關(guān)鍵組成部分,其研究的主要內(nèi)容是徑流數(shù)量及分配的降水徑流關(guān)系和單位線。基礎(chǔ)流量過程線的直接徑流劃分,一般是采用傳統(tǒng)概念的經(jīng)驗(yàn)劃分方法,但由于這些方法包含了一些假設(shè),這些假說是否合理,仍有待于進(jìn)一步研究,環(huán)境同位素技術(shù)為這些研究提供了新的技術(shù)。19世紀(jì)50年代,學(xué)者們嘗試通過研究降水過程中水中溶解的鹽分,來闡明地表徑流的形成機(jī)制。到70年代,利用降水過程中的水化學(xué)變化研究降水徑流過程已趨于完善。伴隨著水化學(xué)的應(yīng)用,同位素技術(shù)也逐漸應(yīng)用到降水徑流過程中來,Dincer等利用氚和18O,Bottomley等利用18O和氘(D)作為示蹤劑,研究了降水徑流中降水和基流各自所占比重,隨后同位素技術(shù)的應(yīng)用猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來。顧慰祖等利用氚和18O研究了實(shí)驗(yàn)集水區(qū)內(nèi)降水和徑流的響應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)地表徑流必源于本次降水的概念不明確,其中往往有非本次降水的水量,在部分年份非本次降水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)高達(dá)50%;非飽和帶壤中流和飽和帶地下徑流中必有非本次降水的水量,與地表徑流相似,在降水徑流過程中有時(shí)變化;對(duì)于不同徑流組成的流量過程,非本次降水所占的比重不同。這些研究結(jié)果表明了傳統(tǒng)的降水徑流相關(guān)關(guān)系中一一對(duì)應(yīng)假定不確切,從而對(duì)降水徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和單位線概念需要重新考慮。利用18O和氚作為示蹤劑對(duì)實(shí)驗(yàn)集水區(qū)降水和地面、地下徑流的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究,識(shí)別出屬于地表和地下徑流的11種產(chǎn)流方式,而這些產(chǎn)流方式僅有少數(shù)遵循常用的Darcy定律,多數(shù)涉及水分通過水-氣界面的特殊土壤水流問題,與Darcy定律不相符。流量過程線劃分(分割)是應(yīng)用水文學(xué)中的一個(gè)基本問題,降水徑流關(guān)系和單位線分析都必須以此為基礎(chǔ)。流量過程線劃分,國(guó)內(nèi)迄今使用圖解劃分方法,依據(jù)流量過程線退水段所表現(xiàn)的拐點(diǎn)推理作為劃分依據(jù),往往帶有較大的經(jīng)驗(yàn)性和任意性。顯然,不論流域條件和由此產(chǎn)生的徑流組成有多么不同,均使用同一模式(如斜線法)進(jìn)行劃分,是不合理的,因而需要尋求一種較有物理基礎(chǔ)的分析劃分方法,同位素技術(shù)正迎合這種需求并逐漸得到完善。Pearce等將流量過程線劃分為兩項(xiàng)組成成分混和,降水和地下水(包括非飽和帶的壤中滲流和飽和帶下的地下徑流),并根據(jù)質(zhì)量守恒原理,建立兩項(xiàng)流混和模型:式中Qt、Q0和Qn分別為河流徑流量、地下徑流量和降水貢獻(xiàn)量;Ct、Co和Cn分別為對(duì)應(yīng)的同位素含量。利用同樣的原理,DeWalle等將壤中滲流作為單獨(dú)的一項(xiàng),然后對(duì)流量過程線進(jìn)行劃分,建立了三項(xiàng)流混和模型:式中Q和C如式(2)和式(3)中所示,下標(biāo)s、t、gw和cp分別代表壤中滲流、河流徑流、地下水流和降水貢獻(xiàn)量。McDonnell等利用上述模型,對(duì)新西蘭西部海岸3.8hm2流域面積的徑流機(jī)制進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)地下徑流為降水時(shí)期河流徑流的主要組成成分,其在兩項(xiàng)和三項(xiàng)混和模型中,所占百分比分別為90%和80%。驗(yàn)證了Fritz等研究加拿大4個(gè)不同流域(面積為2～700km2)得出的結(jié)論,即地下徑流所占百分比均大于50%。Turner等對(duì)澳大利亞西南部一小的流域研究,也得出了相似的結(jié)論。在應(yīng)用環(huán)境同位素法對(duì)實(shí)驗(yàn)流域和代表流域流量過程線劃分多種徑流成分的過程中,由于流域水文系統(tǒng)及其產(chǎn)流過程的復(fù)雜性,經(jīng)常簡(jiǎn)化一些自然條件而采用一些基本假定,這些基本假定在降水徑流研究過程中可能導(dǎo)致謬誤的結(jié)論,這些基本假定為:(1)劃分的不同徑流成分之間有明顯的同位素差異;(2)降水或融雪水的同位素含量時(shí)空均一,或者其變化能夠表征;(3)地下水(包括非飽和帶的壤中滲流和飽和帶下的地下徑流)的同位素含量時(shí)空均一,或其變化為已知;(4)在兩項(xiàng)混和模型中,非飽和帶對(duì)河流徑流的貢獻(xiàn)可忽略,或壤中流的同位素含量與地下水的基本一致;(5)地表蓄水對(duì)河流流量的影響也可忽略;(6)各種水源在匯集過程中的同位素分餾影響忽略不計(jì)。其中大多假定是不正確的,Buttle針對(duì)天然流域流量過程線同位素劃分,討論了這些假定在應(yīng)用過程中的可靠性。另外,在同位素研究流量過程線劃分的研究中,經(jīng)常采用水中化學(xué)離子或者水中溶解化學(xué)物質(zhì)作為輔助示蹤劑,如Hinton等用SiO2作為輔助示蹤劑,研究了三項(xiàng)混和模型的徑流劃分。3.2地下水的補(bǔ)給和徑流20世紀(jì)60年代環(huán)境同位素方法的出現(xiàn)使水文學(xué)家耳目一新,這種方法是根據(jù)穩(wěn)定同位素和放射性同位素在自然界中的變化來研究水循環(huán)。最常用的環(huán)境穩(wěn)定同位素為氘(D)和氧-18(18O),它們是自然界水分子構(gòu)成中的一部分并在自然界中具有化學(xué)穩(wěn)定性,這些相對(duì)其它水化學(xué)示蹤劑的優(yōu)點(diǎn)使其成為更理想的示蹤劑;最常用的環(huán)境放射性同位素為氚(T)和碳-14(14C)。同位素示蹤地下水運(yùn)動(dòng)是在傳統(tǒng)的水化學(xué)方法上逐漸發(fā)展而來,最初的水化學(xué)方法是利用水中溶解的鹽類示蹤地下水與河水之間的相互補(bǔ)給轉(zhuǎn)化。在干旱區(qū)地下水資源評(píng)估中,一個(gè)關(guān)鍵的問題就是降水是否入滲補(bǔ)給地下水以及如何補(bǔ)給地下水,因?yàn)樵诟珊祬^(qū)降水時(shí)空分布稀少,并且降水量很小。干旱區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致水體的同位素分餾,但是新形成的地下水中的同位素含量仍舊可能接近于當(dāng)?shù)亟邓钠骄?Mathieu和Bariac對(duì)中非地下水和土壤水中同位素含量研究發(fā)現(xiàn),土壤水同位素含量因蒸發(fā)強(qiáng)烈富集,地下水中則不存在這種富集,從而分析得出降水通過非飽和帶中的大孔隙和快速滲流路徑達(dá)到地下水位,極少與土壤富同位素水混和。依靠地下水中氚含量的存在可推斷出地下水至少最近幾十年得到過補(bǔ)給,Dincer等研究得出沙特阿拉伯Dahna沙丘在1963-1972年間,平均每年得到23mm的降水補(bǔ)給,占年降水量的35%。大氣降水的氫氧同位素組成所具有的高度效應(yīng),為確定含水層補(bǔ)給區(qū)及補(bǔ)給高程提供了依據(jù)。若先前研究中已知地下水是由大氣降水補(bǔ)給的,則根據(jù)公式:式中H為同位素入滲高度,m;h為取樣點(diǎn)(井、泉)高程,m;δG為地下水(泉水)的δ18O(或者δD)值;K為大氣降水δ18O(或者δD)值的高度梯度,-δ/100m。據(jù)此就可進(jìn)一步確定補(bǔ)給帶的位置和范圍如等研究確定了法國(guó)埃維恩泉的補(bǔ)給區(qū)在應(yīng)用式研究補(bǔ)給區(qū)時(shí),在局部范圍內(nèi)“同位素梯度”可以通用,但是在較大范圍內(nèi)會(huì)引起誤差,最好設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)求得。在研究地表水與地下水相互作用中,以前根據(jù)地下水位分布及其與地表水的水力坡度,加上一些水文地質(zhì)參數(shù)來估算地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量(達(dá)西定律),但是對(duì)于研究水中物質(zhì)的運(yùn)移及地表水在多大程度范圍上補(bǔ)給地下水,尤其是牽涉到地表水受到污染如何影響威脅地下水的補(bǔ)給,上述方法顯得捉襟見肘,此時(shí)環(huán)境同位素示蹤方法,尤其是氘和氧-18示蹤,成為便利和有效的工具。假如研究區(qū)域的地下水來自河水和降水的補(bǔ)給,河水來之海拔相對(duì)較高的地區(qū)或者在干旱半干旱區(qū)受到強(qiáng)烈蒸發(fā)引起同位素富集,其與研究區(qū)降水同位素含量必定存在差異,利用這種差異性McCarthy等研究了俄勒岡州波特蘭附近哥倫比亞河河水與地下水之間的水力補(bǔ)給關(guān)系。同樣,如果地表水其它水體(湖水和水庫(kù))補(bǔ)給地下水時(shí),與降水同位素含量存在差異,也可計(jì)算其對(duì)地下水的作用,這種差異在干旱半干旱區(qū)尤為明顯。運(yùn)用這種差異,Stichler和Moser研究了萊茵河流域內(nèi)一人工湖對(duì)地下水的滲漏補(bǔ)給,Krabbenhoft等根據(jù)同位素物質(zhì)質(zhì)量均衡方法,估算了湖水與地下水之間的相互交換量。另外,運(yùn)用地下水中氡-222(222Rn)同位素濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表水中的濃度的特點(diǎn),仵彥卿等運(yùn)用222Rn研究了西北干旱區(qū)黑河流域地下水對(duì)黑河河水的補(bǔ)給。在具有多個(gè)地下水含水層或者構(gòu)造斷層存在的復(fù)雜區(qū)域,水文地質(zhì)學(xué)家以往通過抽水試驗(yàn)和詳盡的地下水水力梯度分布圖來研究各個(gè)含水層之間的相互作用。通常情況下,尤其是在發(fā)展中國(guó)家,這些詳盡的資料很難獲得。一般情況下,復(fù)雜區(qū)域各含水層系統(tǒng)之間總有一些環(huán)境同位素含量存在差異,利用這些同位素的差異研究它們之間相互作用的同位素方法,有其它方法無法比擬的方便、快捷和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。Rightmire等利用34S研究了德克薩斯州石灰?guī)r含水層的地下水來自潛水的補(bǔ)給,Yurtsever和Payne根據(jù)18O和氚(T)同位素的數(shù)據(jù),分析研究了卡塔爾西南部深部承壓含水層中鹽水對(duì)潛水含水層的越流補(bǔ)給,再加上分析18O和水中Cl-的關(guān)系,進(jìn)一步得出潛水是來自深部承壓水、海水和當(dāng)?shù)亟邓娜嗷旌脱a(bǔ)給。地下水中的同位素含量時(shí)空分布通常存在巨大的差異,當(dāng)同位素示蹤研究地下水運(yùn)動(dòng)的時(shí),對(duì)地下水分析同位素含量的采樣不能過于單一或稀少,如果分析其來源,應(yīng)同時(shí)對(duì)地表水與降水取樣分析同位素含量,否則會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。3.3地下水滯留時(shí)間和年際差異地下水年齡及其分布的研究,有利于評(píng)價(jià)地下水的運(yùn)動(dòng)機(jī)制以及如何合理開發(fā)利用地下水資源,許多同位素方法能夠用來估算地下水的平均滯留時(shí)間。穩(wěn)定同位素的季節(jié)性變化使其能夠計(jì)算地下水的年齡,而放射性同位素則是依靠放射性衰變存在的半衰期而測(cè)定地下水的年齡,如具有較長(zhǎng)半衰期的同位素(14C,36Cl,39Ar和81Kr)用來測(cè)定古地下水年齡,較短半衰期的同位素(3H32Si37Ar85Kr和222Rn)研究探測(cè)較年輕的地下水。實(shí)際研究中3H和14C是常見測(cè)年同位素,這是因?yàn)椴蓸拥膹?fù)雜性和分析技術(shù)的困難使其它的同位素難以得到常規(guī)利用。大氣降水中穩(wěn)定同位素(δ18O和δ2H)的季節(jié)性變化幅度,在補(bǔ)給地下水的過程中得到削弱,削弱的程度與非飽和帶和含水層介質(zhì)的物理屬性,水力參數(shù)有關(guān)。降雨補(bǔ)給地下水時(shí),隨著補(bǔ)給路徑的增加和時(shí)間的延長(zhǎng),其同位素的季節(jié)性變化幅度越小,通過對(duì)降水與地下水中同位素含量季節(jié)性變化的測(cè)定(至少1a),可計(jì)算地下水在含水層的滯留時(shí)間。降水的同位素變化可用一個(gè)正弦函數(shù)δprec(t)=Asin2πt表示,地下水中的同位素變化表示為δgw=Bsin(2πt+α),其中δprec(t)和δgw(t)是在時(shí)間t的降水和地下水中的穩(wěn)定同位素含量,A和B分別是降水和地下水與相對(duì)應(yīng)的年平均同位素含量相比偏差的最大幅度,α指地下水的輸出同位素含量函數(shù)相對(duì)于降水的輸入同位素含量函數(shù)的初相差。根據(jù)降水和地下水的同位素含量函數(shù),可推導(dǎo)出計(jì)算地下水滯留時(shí)間(MRT)的公式為式中C為衰減系數(shù),C=B/A。利用上述方法,Taylor等研究得出新西蘭Weimakariri河流域的地下水平均滯留時(shí)間大約1年。Kaufman和Libby最早闡述了宇宙射線產(chǎn)生的3H在地下水測(cè)年方面研究的前景和潛力。巖石中產(chǎn)生的3H在地下水中的含量通常可以忽略,因此當(dāng)?shù)叵滤刑綔y(cè)到3H的存在時(shí),意味著地下水得到過新近時(shí)期的補(bǔ)給因?yàn)槿祟惡宋淦髟囼?yàn)導(dǎo)致1963年的3H的峰值,如果3H的含量很高(不低于30TU),則表明地下水曾在20世紀(jì)60年代得到補(bǔ)給。在一些滲流緩慢或者非飽和帶較厚的地下水含水層中,由地表向下3H含量的縱切面中3H的峰值仍舊保留,據(jù)此可以計(jì)算地下水的流速及其平均滯留時(shí)間,如Michel等研究了加拿大安大略省格洛斯特(Gloucester)的一處垃圾填筑地的地下水對(duì)承壓含水層的補(bǔ)給速率。利用3H的衰變研究地下水的滯留時(shí)間的前提是補(bǔ)給地下水來源的氚含量輸入為已知,且地下水中的氚含量?jī)H為衰變后的殘余量。氚法測(cè)定地下水年齡通常以降落到地面的降水年平均氚濃度作為地下水系統(tǒng)的輸入函數(shù)。然而,由于降水中氚含量存在著明顯的季節(jié)性和年之間的變化,使地下水補(bǔ)給來源的氚輸入變得非常復(fù)雜,故常借助數(shù)學(xué)物理模型計(jì)算地下水年齡,Maloszewski和Zuber使用指數(shù)-活塞模型(EPM)研究了南朝鮮濟(jì)州島地下水平均滯留時(shí)間,Pearson和Truesdell使用活塞流模型(PSM)和全混和模型對(duì)比研究了美國(guó)黃石公園熱泉和間歇泉補(bǔ)給的地下水系統(tǒng)狀況。14C是測(cè)量古地下水和深層地下水年齡較有效和較常見的放射性同位素,14C以溶解碳的形式存在地下水中,其化學(xué)物受地下水的pH值所控制。14C不像氚同位素那樣是水分子構(gòu)成的一部分,因此要想利用其得到可靠的分析結(jié)果,在分析水中14C含量的同時(shí),必須同時(shí)分析水中穩(wěn)定碳同位素的組成、含量、化學(xué)成分和含水層性質(zhì),如Wassenaar等對(duì)加拿大西部Milk河流域地下水中溶解的有機(jī)碳和無機(jī)碳中14C含量進(jìn)行對(duì)比,分析研究了含水層中地下水的年齡。氚(T)和14C是常用的地下水常規(guī)測(cè)年同位素,可是用前者測(cè)年同位素的時(shí)候,受到地下水補(bǔ)給必須是近期(50年內(nèi))補(bǔ)給的限制,而后者受地下水溶解無機(jī)碳有多種來源、水文地球化學(xué)條件復(fù)雜和測(cè)定年限上限為40000年所限制。對(duì)于研究滲透性比較低的含水層中地下水年齡,特別是研究核廢料物質(zhì)堆放地對(duì)周圍水文環(huán)境的影響,像上述兩者半衰期較短的同位素就無法滿足,串列式加速質(zhì)譜儀的出現(xiàn),使得36Cl以其更長(zhǎng)的半衰期(3.01×105年)應(yīng)用到研究中來。將來,隨著新型高精確分析儀器的不斷出現(xiàn),使這些同位素的分析變得更加便利和精確的同時(shí),勢(shì)必將引進(jìn)新型的同位素應(yīng)用到地下水測(cè)年的研究。4環(huán)境同位素技術(shù)同位素分析及其設(shè)備所需的巨大經(jīng)濟(jì)花費(fèi),制約了同位素在水循環(huán)中廣泛的應(yīng)用。由于昂貴的同位素分