水文核技术

水文核技术是利用核物理原理，主要利用同位素的特性，观测和研究水文现象、水文过程和水体特性的一种技术。

简介

利用核物理原理，主要利用同位素的特性，观测和研究水文现象、水文过程和水体特性的一种技术。水文学中有些用常规方法难以观测研究的问题，可利用核技术得到部分或全部解答，扩展研究范围和认识深度。在水文研究中以有效、安全和经济为目标，利用同位素的下列性质。

① 放射性同位素具有随时间按指数规律衰变的性质,处于某衰变阶段的同位素就带有相应的历时信息,可作为一种时间尺度。例如,通过对地下水、大陆冰盖、冰川中同位素碳－14所处衰变阶段的分析，可推算地下水的年龄和冰盖、冰川形成的地质年代。利用半衰期较短的同位素硅-32和氩-39，可对较年轻的地下水作计年分析；通过对1954年前后因热核试验产生的地下水中同位素氢-3（即氚）的浓度变化及其衰变性质的分析，可了解降水对地下水的补给状况。

② 放射性同位素有发出一定种类辐射的性质，如γ射线、中子等。这些射线与周围介质的相互作用同介质的性质有关。利用这种作用反映出的各种信息可以测定周围介质的某些特性。如根据γ射线穿透清水和浑水时强度衰减程度的不同，可利用同位素铯-137和镉-109等作为γ源，测定河流悬沙的含沙量；根据快中子在含水介质中的散射和能量损失特性，可利用同位素镅-241等作为快中子源，在不取出土样的情况下连续、快速测定一定范围内的包气带含水量。此外，利用上述性质还可测定积雪深度、积雪水当量、洪水期河床变化等，所用放射源可按要求选定。

③ 放射性同位素有易被微量测定的性质，有的还不易被土壤、岩石等吸收,化学性质稳定,或本身就结合于水（如氚）,把示踪剂置入水中或标记所研究对象,通过辐射探测对它跟踪，便能直接反映出水流和被标记对象的运动信息。

这一性质主要应用于以下方面：第一，测定河川畅流期或封冻期流量。可用已知浓度的示踪剂，以一定方式注入水流，并在一定混合长度的下游取水样分析所含示踪剂的浓度以推算流量。常用作示踪剂的同位素有氚、铯-131、镱-169、铷-86、溴-82等。为防止污染，也可在现场配制半衰期较短的同位素，如碘-132。用同位素测定河川流量一般只在其他方法难以收效时才采用。第二，测定地下水运动参数。常用同位素氚、溴-82、硫-35、碘-131、铬-51、钴-60和金-198等作示踪剂。采用一处注入、多处检测的方法，在井中可测出地下水流速、流向、扩散系数、渗透系数、给水度等，在水库中可测出渗漏及补给，在岩溶地区可判定地下河系分布及流速、流量等。第三，研究流域产流和汇流。例如，用同位素溴-82或铬-51、金-198、碘-131等作为示踪剂搀入雨水或径流中，可直接测定坡面和河槽汇流速度，降水下渗及表层流过程等。第四，研究流域侵蚀、河流底沙和水库异重流的运动。通常用与上述相似的同位素以标记土壤和泥沙颗粒,进行跟踪测定。第五,研究河口水文现象。可在淡水、咸水中用不同的示踪剂测定其界面、河口水流和潮流变化过程等。选择适当的示踪剂还可跟踪近海海流的运动。用于示踪的放射性同位素种类很多，除上述外,还有碳-14、磷-32、钠-24、钴-58、铜-64等。

④ 周期表中大部分非放射性元素，有被中子辐照后转变为放射性同位素的性质，测量所生成的放射性同位素发出的射线和能量等，就可决定某元素是否存在并计算出它的含量。利用这种中子活化分析方法，在水文研究中有多种用途。例如将天然水体中的水及悬移质样本，经一定注量（积分通量）的中子辐照后，可测得其中微量级甚至痕量级的各种元素含量，从而确定水质和污染状况。利用中子活化分析还可将非放射性物质用作示踪，例如将某些便于与泥沙结合的元素，如钽、锑等搀入泥沙、淤泥中，通过取样活化分析，研究其运动。

⑤ 自然环境中的同位素之间，特别是同一元素的稳定同位素和放射性同位素之间，往往有某种依存比例关系和平衡态势。可利用这种性质对环境作出评价和进行水量平衡分析。例如,天然水体中含有稳定同位素氢-2(即氘)约有320ppm,氧-18约有2000ppm,它们的变化和比例关系,常可反映河川水流中地表水与地下水(包括浅层地下水与深层地下水)的比例关系;当研究湖泊水量平衡关系时,可以建立相应的氢-2或氧-18平衡方程，并可利用同位素平衡方程来估算水平衡方程中的某项要素。上述研究中常用的同位素比还有:氘/氚、(氧-18)/(氧-16)、（碳-13）/（碳-12）、（硫-34）/（硫-32）等。此外，厚冰川层或冰盖中的同位素状态与气候变化有一定关系，据此可进行古水文和古气候的研究。

分类

人工示踪同位素

人工示踪同位素选用不易被周围土壤和岩石吸附、化学性质稳定、有与水分子相同的水力学性能等示踪同位素，如碘-131（I）的化合物、镱-169（Yb）的络合物等。可用于测定江河流量，研究和测定降水下渗过程及下渗锋面、饱和带水分的垂向和侧向运动，河渠、水库、湖泊的渗漏、蒸发状况。坡面和河槽汇流速度等流域产流、汇流的过程。用氚(H)、钴-60(Co)、铯-137(Cs)等可测定地下水流向、流速、扩散系数、含水层渗透系数、给水度、越流补给等地下含水层参数。在喀斯特地区，利用示踪同位素可以探测出地下暗河分布、补给来源、流量过程及裂隙带水流过程等。在河口水文研究中，在淡水、咸水中各放一种示踪剂如镧-140(La)、钍-234(Th)等或复合示踪剂，则可研究淡、咸水界面，不同相的流量变化，潮汐的作用和时间，还可跟踪探测近海海流和河口水流运动等。在泥沙研究中。用示踪同位素标记沙粒、河床推移质、水库泥沙异重流等，并进行跟踪观测，可以取得研究坡面侵蚀、底沙运动等资料。

环境同位素

大气圈上层因宇宙射线产生的中子对氮原子的作用而产生碳-14(C)及氚(H或T)两种放射性核素，它们由于不断地产生与衰变而达到平衡。而氚在大气中氧化为水并以大气降水或水汽形式到达地面，进入地表水和地下水之中，对天然水体进行全面标记。而C到达地面以后，经过生物摄取或吸取转变为二氧化碳。所以地球上所有的生物长期以来都受到C的标记。生物死亡后，其所含的C因放射性衰变而减少，而生物遗骸被分解进入土壤、天然水体之中，对它们又作C的标记。20世纪下半叶以来，人工核试验产生的大量C和H进入自然环境，使天然水体中的3H和“C含量剧增，增加了探测和分析的新内容。

根据测量得的雨水及地下水H的浓度，可以估算地下水的年龄和降水人渗速率、地下水补给率及其补给来源。测量湖泊的H可以确定湖泊水的更新周期。对喀斯特水的H含量测量，可探知喀斯特水与附近降水、地表水的联系。对水体中C的测量，可推得水体的年龄。对一系列水井中C的测定，可以推算出地下水的流速，并据以确定地下水的补给区和贮存区位置。根据稳定同位素在环境中具有趋于平衡或准平衡的性质，将大范围水体中H的测量进行比较分析，可以得出该水体水量平衡的研究结果，为水体蒸发量、地表水和地下水补给来源和组成等提供依据。对高山冰川深层冰的H测量，可以推得过去气候和降水情况的指标，从而为古水文气象的研究提供信息。由于稳定性同位素氘(H，即D)与氧-18(O)所构成的重水(D2O.H2O)，其蒸汽张力小于普通水．在蒸发、凝结等过程中，重同位素因分馏作用而在液相中富集．在气相中贫化。因此，经历不同水文循环过程的天然水体．其氢氧重同位素含量不同。测取天然水体的同位素比值与“标准平均海水”的标准的同位素比值进行比较，可以确定水体的补给来源，判断地下水含水层之间及含水层与大气降水及地表的联系程度，确定水交替强度等。降水中重同位素含量随着水汽凝结温度降低而降低。因此，在山区随着地形抬升，降水高度加大，重同位素含量亦随之减少。根据这一关系可以大体确定地下水补给区的高度。此外，温暖季节降水中重同位素含量高。寒冷季节低。使包气带水的垂直剖面上重同位素含量出现峰谷交替，追踪观测同位素含量随时间的变化，可以确定降水入渗速率。

应用

天然的和人工产生的放射性核素具有不同的辐射性质，发射的射线与周围介质产生相互的作用，如吸收或散射现象。如镉-109( Cd)、镅-241(Am)等所发射的γ射线穿透介质时，由于康普顿效应(Compton effect)散射而损失能量，以及由于光电效应而被吸收。故利用y射线可以测量水流中的瞬时悬移质含沙量、地面积雪深度和积雪水当量等。又如镅-241-铍 (Am-Be)或钋-210-铍 (Po-Be等中子源所放出的快中子，在通过介质时失去能量而被慢化。利用这种现象可以测量土壤含水量及其动态。这些施测方法不扰动被测对象原状，也不采取样品，而直接一次取得测量数据。利用大多数元素在中子辐照后活化而带有放射性的特性，可对水样进行活化和仪器分析，得出水样所含微量甚至痕量的各种元素的组成，以确定水化学成分和变化、水生物质变化和污染物质积累等，对水资源评价和预测有重要意义。随着小型反应堆、中子发生器等专用设备以及电子计算机技术的发展，活化分析将成为一种灵敏、快速的分析方法。

核技术用于水文观测和研究，必须遵守国家有关规定，选定符合实验目的的合适晶种和使用量。才不致危害人身安全和污染环境，并达到经济合理的目的。因此，须对操作人员进行专门培训。

中国在20世纪70年代初由黄河水利委员会开始研制同位素测沙仪测量河水含沙量，采用了低能X射线源钚-238(Pu)和低能X射线正比管，可测临近河底5cm以上的含沙量，测量范围达0.3kg/m～1000kg/m，测量精度达±30ppm。南京水利科学研究院利用放射性示踪剂检测水库渗漏，取得了较好效果。黄河水利委员会在利用低能同位素示踪剂和低能x射线探测技术测量江河流量方面很有特色。南京水文水资源研究所滁州水文实验基地采用中子法研究非饱和带土壤水分动态等，也取得了实用效果。

1961年起，国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织(WMO)合作，开展全球性的降水量同位素长期观测研究，为环境同位素的水文学研究提供资料。至1 987年，全球共建有144个测站，包括了美、英、苏等62个国家和地区。1988年1月起在中国合作建立了降水同位素站网，共10个站点(未含地矿系统专用的若干站点)，观测资料已由该机构刊印出版。

在水文观测研究中应用核技术，必须保证人身健康和不污染环境，必须严格遵守国家有关法令和放射防护规定。同时，对应用核技术的工作人员必须进行专门训练。

参考书目

IAEA，Guidebook on Nuclear Techniques in Hydrology，IAEA，Vienna，1968.

IAEA/Unesco,Stable Isotope Hydrology:Deuterium andOxygen-18 in the Water Cycle，IAEA，Vienna，1981.

IAEA,Isotope Hydrology1983，IAEA，Vienna,1984.

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