同位素技术在水文学中的应用

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6.1.2 同位素技术方法
6.1.2.1 同位素丰度 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。
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1H或28Si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 比来表示。
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6.1.2.3 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 射性，能发生这种放射性的同位素称为放射性同 位素。 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 放射衰变。
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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：
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由式（6.1.2）转换得到如下式子：
N0 t ln N 1
其中
0.693
T
1 2
（6.2.1）
， T 为14C的半衰期，代入上式，可
1 2
1 2
以得到计算14C的年龄公式：
N0 T t ln 0.693 N
（6.2.2）
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6.2.2 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 利用放射性同位素（比如，H3和I131）作示踪 剂，可以进行示踪实验，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 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 下水运动方向、运动速率、补给来源等。
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6.2同位素技术在水文学中的应用
6.2.1 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 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 起源、成因和再生能力等。 目前，地下水年龄测定较成熟的是14C测定技术。14C 具有5730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， 可形成14C。在大气中，14C被氧化，以14CO2的形式存在。 当14CO2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），14C含量越低，即14C 含量与正常的稳定同位素12C含量的比值就越低。
第六章 同位素技术在水文 学中的应用
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第六章 同位素技术在水文学中的应用 主要内容
6.1
同位素技术介绍
6.2
同位素技术在水文学中的应用
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6.1 同位素技术介绍
6.1.1 基本概念
质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类： 按照同位素产生的，可将同位素分为： 天然同位素和人工同位素。
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6.2.4 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的 来源
假如不同水源的稳定同位素（δD和δ18O）存在明 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， 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， 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。
计算公式为：

RA ＝ RB
（6.1.1）
式中：R A 为在分子A或A相态中重同位素与轻同位素的比值； R B B或B相态中重同位素与轻同位素的比值。 为在分子
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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 异携带有环境因素的信息，利用其可对所处环境 进行反演。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。
N N0 e
t
（6.1.2）
N 0 是t=0时同位素的放射性强度； 是常数，表示 式中， 单位时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；t是时间；N是经历时间t后同位素的放 射性强度。
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6.1.2.4 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 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 进行包装；然后，把样品送到实验室进行测试； 最后，根据测试结果进行仔细分析。
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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 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。
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 的手段。
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6.2.3 利用稳定同位素技术研究地下水的起源和 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 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 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 地下水的δD和δ18O的变化范围来大致地判定地下水的 起源和成因（沈照理，1986）。
6.1.2.2 同位素分馏
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。
同位素分馏作用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。
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分馏系数
分馏系数 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 系数可以对同位素分馏作用作出定量评价。
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6.2.5 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
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， 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。 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 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 就可以判定不同含水层之间的水力联系程度。