同位素示踪技术在水文地质学中的应用
同位素在水文地质研究中的应用与发展
单 井 法 地 下 水 流 速 、 流 向测 试
在武 汉市 长江 底部 第四纪 孔 隙含水 层 中，用单井 稀释 法 测定 了地 下水 流 速、流 向 。测试 结果 表 明： 武
０ 第 ５２ 第 ４ 卷０ｌ 期
研究探讨
２ １ Ｏ０
Ｖ０１５ Ｎ ｏ４ ． ．
汉长江 底部 Ｊ － 一 Ｃ Ｉ ６号钻孔处地 下水流 向从 上到下都 受 Ｉ 到地 表长 江水流 的影 响，上部 影 响大，深部 较弱 ，地
不 足 与 面 临的 挑 战 。
关 键 词 ： 文 地 质 ；同位 素 ； 水 示踪 剂 ； 分析 测试
中图分类号 ： ６ １ Ｐ４
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： ０ ７ １ ０ （０ ０ ０ — ０ １ ０ １ ０ — ９ ３２ １ ）４ ０ ２ — ４
０ 引 言
同位素 （ｓｔｐ ）是指 质子 数 相 同而 中子 数不 同 Ｉ ｏｅ ｏ
而最弱 的方 向与 流入滤 水管 的方 向相对 应。故根 据对 孔周测得的计数率 ，便可确定地下水流 向 。
应 用 实 例 。武 汉 长 江 底 钻 孔 人 工 放 射 性 同 位 素１１ ３ １
混合、水体年龄 等水文地 质问题 。
１近 ２ ０余年 来 同位素在 水 文地 质研 究 中的应用
质参数 （ 如地下水 的渗流速度 ，岩石的渗透率、裂隙度
等 ） 测定 、地 下 水 污 染 示 踪 和 坝 体 渗 漏 研 究 等 方 面 。 的 同 位 素 单 孔 稀 释 法 测 定 地 下 水 流 速 与 流 向 ， 确 定
地下水 补给 关 系原理 。单 孔稀 释法 是用 已确定达 西渗
的 一 组 核 素 ， 包 括 放 射 性 同 位 素 （ ａｉａｔ ｅｉ ｔｐ） Ｒ ｄｏ ｃ ｖ ｏｏ ｅ ｉ ｓ 和 稳 定 同 位 素 （ｔｂｅ ｓｔｐ ） Ｓａｌ ｉ ｏ ｅ 。凡 能 自 发 地 放 出粒 子 ｏ 并 衰 变 为 另 一 种 同位 素者 称 为放 射 性 同 位 素 ；目前 技 术 条 件 下 无 可 测 放 射 性 的 同位 素 称 为 稳 定 同 位 素 。 水 文 地 质 学 （ ｙ ｒｇ ｏｏ ｙ Ｈ ｄｏ ｅ ｌｇ ）是 研 究地 下 水 的数 量 和 质 量 随 空 间 和 时 间 变 化 的 规 律 ， 以 及 合 理 利 用 地 下 水 或 防 治 其 危 害 的 学 科 。 将 同位 素 技 术 应 用 于水 文 地 质 研 究 中 ， 是发展水文地质学的一项先进手段 。 法 国 是 把 同 位 素 应 用 到 水 文 地 质 学 上 比较 早 的 国 家 之 一 ，从 四 五 十 年 代 就 开 始 了 同 位 素 在 水 文 地 质 学 方 面 的 研 究 。 我 国 同 位 素 技 术 在 水 文 地 质 上 的 应 用 起步相对较晚 。 自 １８ ９ ８年 在 保 定 召 开 第一 届 《 国 同 位 素 水 文 地 全 质 方 法 学 术 讨 论 会 》 以 来 ，我 国 同位 素 水 文 地 质 学 理
水文地质工程中示踪技术应用
水文地质工程中示踪技术应用摘要:在示踪技术中，放射性核素用于跟踪化学和其他过程中元素或化学物质的行为。
这是通过放射性测量来实现的。
随着各种放射性核素变得人为可用，该技术已广泛用于化学平衡和反应以及化学分析的研究。
它也是生化、生物、医学、地质和环境研究的基本技术。
医疗诊断和水文地质工程是其最重要的实际应用领域。
本文主要探究了示踪技术在水文地质工程中的应用。
关键词:水文地质；示踪技术；放射性元素；应用1.示踪技术原理示踪技术的基本原理是放射性同位素在任何化学过程中的化学行为与其稳定同位素的化学行为相同。
严格地说，放射性和稳定同位素的原子质量的差异导致化学反应速率和平衡常数两者略有差异。
这是同位素效应，它构成了同位素分离的基础。
但是，除了非常轻的元素外，同位素效应可以忽略不计。
这使得同位素分离非常繁重，需要多次重复某个过程。
在普通的示踪实验中，同位素效应只在氚3H的情况下才成问题，它的原子质量比主稳定同位素1H的大三倍。
然而，即使在3H中，当放射性核素掺入大分子中时，同位素效应变得微不足道，因为分子的行为取决于整个分子的质量。
放射性示踪剂对化学或生物系统放射的辐射的影响通常也可忽略不计。
实验所需的放射性示踪剂的量通常非常小，以致在系统中不会发生可检测的放射分解。
然而，在长期储存辐射敏感化合物时，必须谨慎对待辐射的影响。
2.常用的示踪剂类型2.1非同位素示踪剂在水文地质工程的示踪技术中，有时使用放射性核素与待跟踪元素。
在无机化学研究中，这种非同位素示踪剂只有在它们的化学行为与被追踪元素的化学行为相似时才能得到保证，就像一对镧系元素一样。
另一方面，非同位素核素通常用于标记大的有机或生物化学分子，因为在许多情况下，向这些分子引入不同元素并不会显着影响其行为。
但是，建议在每个实验中检查标记对分子化学或生物学行为的影响。
例如，已知用放射性碘标记的不饱和脂肪酸不一定显示对不饱和脂肪酸预期的化学性质。
当追踪比分子大得多的质量的运动时，放射性示踪剂的化学性质不重要，唯一的要求是它牢固地束缚在质量上。
同位素水文地质学
同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。
同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。
背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。
同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。
地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。
在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。
同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。
总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。
同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。
同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。
同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。
稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。
这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。
例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。
氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。
碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。
同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。
放射性同位素主要包括碳-14和氚等。
放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。
水文地质工程中示踪技术应用分析
水文地质工程中示踪技术应用分析作者：王勇来源：《广东科技》 2014年第8期王勇（贵州贵阳 550000）摘要：近年来，随着各种基础工程在山区丘陵等地形较复杂地区迅速展开，水文地质工程也得到了较快的发展。
水文地质工程是一门复杂的科目，受到较多自然因素的影响，其中示踪技术由于其科学性和先进性，已经在水文地质工程中得到了重点应用。
示踪技术可以应用于地质工程的各个方面，包括各类参数测定、地下水流速和流向的判别、地下水流运动的状态以及裂隙介质的相关参数等。
同时，示踪技术还可以用来解决一些基本的渗漏问题。
对示踪技术的试剂分类及其选择进行介绍，重点分析各类示踪技术在水文地质工程中的具体应用，探讨各类水文地质条件对示踪技术使用的限制，为示踪技术在水文地质工程中的应用做好铺路。
关键词：水文地质工程；示踪技术；类别；具体应用；前景1 水文地质工程中示踪剂的类别1.1 连通实验中使用的示踪剂1.1.1 固体颗粒固体颗粒作为示踪剂使用已经有很长的了历史，常见的主要有谷糠、木屑、黄泥浆等，条件允许时也可以使用编码纸片。
但是由于固体颗粒示踪剂较大，因此一般仅适用于大通道，在判断水的流动状态时不是很精准。
1.1.2 食用酵母菌使用酵母菌作为示踪剂目前仍处在试验阶段，但在部分水文地质工程中已经初步得到应用且效果尚可。
1.1.3 小型定时炸弹目前我国还没有相关水文地质工程使用小型定时炸弹作为示踪剂，其使用原理是可以随地下水流到一些比较狭小的空间，通过信号连接判断通道的类型。
1.1.4 其他试剂对于地下水流较多或者接近没有的两种情况，还可以使用投掷烟幕弹作为示踪剂，测定通道类型。
1.2 水同位素示踪中常用的示踪剂现阶段，同位素作为示踪剂使用已经接近成熟，主要应用于对地下水形成机制、地下水储备能力和自我调节更新能力以及是否存在渗漏等的判断。
根据大量工程实例，我们常用的同位素主要有2H、3H、13C、14C、180、340、34S、87S等，这些同位素已经成功获得应用。
同位素技术在水文水资源领域的应用
同位素技术在水文水资源领域的应用摘要：同位素技术已广泛应用于环境科学研究领域。
放射性同位素定年技术在环境污染历史与稳定性同位素示踪有着成熟的理论研究，利用稳定同位素分析污染源的实践取得重大进展。
关键词：同位素技术；水文水资源领域；应用前言同位素技术出现于20世纪40～50年代，随着逐渐发展成熟成为了一种有效的失踪手段。
稳定同位素的研究最早是应用于地质、物理学科等领域，随着技术的不断革新和发展，慢慢地向水文学和植物学等方面渗透，并且得到了较好的应用。
1水资源问题分析众所周知，地下水资源是干旱、半干旱地区工业、农业和生活用水的重要来源。
例如在西班牙，地下水提供了全国总用水量的1／5，并灌溉了全国1／3以上的农田。
我国首都北京市同样处于温带半干旱半湿润地带，水资源天然禀赋不足，全市2／3以上的供水量来自地下水资源。
自20世纪70年代以来，北京因地表水的减少和地下水开采量增加，地下水逐年亏损。
超量开采地下水造成水位下降，形成水位降落漏斗，产生地面沉降、水质污染等问题?。
为缓解紧张的用水形势，保障城市供水，很多地区利用再生水进行农田灌溉。
但目前多数城市工业废水和城市生活污水排放量大幅增加，污水处理设施能力明显不足，再生水灌溉严重威胁到地下水水质安全。
在沿海地区，地下水超采还会引发海水入侵，导致地下水咸化、地下水水质退化等问题。
面临日益严峻的地下水资源短缺及地下水水质恶化等问题，人们迫切的需要在地下水水质状况、污染状况、污染物来源、迁移及归趋、水资源管理等等方面展开深入细致的研究。
水文地球化学特征与同位素特征分析相结合的研究方法，已成为广大研究者用于研究地下水资源管理及污染物来源及迁移转化的重要手段。
2同位素技术的应用原理与分析方法2.1放射性同位素定年原理放射性同位素技术在环境定年中主要是利用其衰减规律。
按照放射性衰变的定律，母体衰减，子体积累，不断记录下时间参数，此即放射性同位素年龄测定的基本原理。
依据此原理，可以给出放射性同位素测年的基本公式：At=A0×e－λt。
试析同位素技术在水文水资源领域的应用
试析同位素技术在水文水资源领域的应用1.刘帅 1.崔桐2.李泽崟1.黄委水文局河南郑州4500002.黄河水利委员会河南水文水资源局河南郑州450000摘要：近几年我国有关部门非常重视水文水资源环境保护工作，在环境科学领域中使用的同位素技术已经非常成熟，借助稳定同位素的方法来分析污染源，进一步解决环境污染问题已经取得了重大的进展。
本文从当前国内水资源问题进行全面分析，深入研究了同位素技术的应用原理及分析方法，对其实践应用的要点加以详细论述，为相关工作指明了方向。
关键词：同位素技术；水文条件；水资源环境；放射性；应用原理同位素技术作为一项新兴的科学技术，最早出于20世纪的40年代，发展至今已经逐渐成为一种有效的追踪方法，在地理学科及物理学科知识的支持下，同位素的研究持续深入，各项科学技术的融入促使各项技术逐步更新与发展，并慢慢渗透到水文学与植物学领域，该项技术的应用也更加广泛。
在同位素技术的核心原理中，包括放射性同位素定年原理与稳定同位素应用原理，据此得出稳定同位素的分析方法。
一、水文水资源领域的问题地下水资源通常是干旱地区或者半干旱地区的用水来源，承担着当地工业生产、农业种植与生活用水来源，比如西班牙国土中地表水资源较少，地下水资源为全国的总用水量贡献了20%，并且全国有35%以上的农田是由地下水资源灌溉的。
就我国而言，北京市也属于温带半干旱半湿润地带，地表水资源天然赋存量并不多，有60%的用水是来自于地下水资源。
从上世纪70年代以来，北京地区的地下水资源开采量逐年增加，超量开采造成了北京市地下水资源的存量严重下降，水位相差过大，形成水位降落漏斗且发生了地面沉降现象。
为缓解国内紧张的用水形势，全方位保证城市正常供水，许多地区利用再生水技术完成农田灌溉，考虑大部分城市工业废水与城市生活污水的排放量逐年增加，经过污水处理设施过滤以后的水质也不能完全达到要求，甚至因为再生水灌溉农田而使得地下水资源的水质受到影响。
同位素在水文地质研究中的应用与发展
示踪 剂稀 释测 井 。把 放射 性示 踪剂 放到 一定 深度 的 钻 孔或井 孔 中 ， 当滤 水管 中 的水 柱 被示踪 剂标 记后 ，
被标记的地下水主要沿着地下水水流方 向， 以一定
的流散 角 被地 下 水带 至 孔 外含 水 层 中而 稀 释 ， 稀 其
释速 度 与地 下 水渗 透 流速 有 关 ， 漂 移到 含 水 层 中 而 的示踪剂 放射性 晕 反射 回来作 用于 孔 内 。其 方 向各 不 相 同 ， 强 的方 向相 对 应 于地 下 水 流 出滤 水 管 的 最
１ １ 人 工 放 射 性 同位 素 的 应 用 ．
同的 一 组 核 素 ， 括 放 射 性 同 位 素 （ ａ ｉａｔ ｅ 包 Ｒ ｄｏ ｃｉ ｖ ｉ ｔｐ ） ｓ ｏ ｅ 和稳 定 同位素 （ｔｂｅ ｓ ｔｐ ） 凡能 自发地 ｏ Ｓａ ｌ ｉｏｏ ｅ 。
人工 放射 性 同位素 法是 人为 地将 某些放 射性 同 位素添 加到某 体系 、 环境 中， 然后通 过 测定地 质体 中
所添加 的 同位 素 的丰度 在各 个方 向上 的变化 特 征来 研 究该体 系 的特征 ， 如常 用 的¨Ｉ。 ｒ 。常 用于 水 、 Ｂ 等 。 文 地 质参 数 （ 如地 下 水 的渗 流 速 度 ， 石 的渗 透 率 、 岩 裂 隙度等 ） 的测 定 、 下水 污染 示踪 和研 究坝 体渗 漏 地 等 方面 。
１ 近２ ０余年 同位 素在 水文 地质 研究 中的应 用 目前 ， 位 素水 文 地 质学 主要 从事 研 究地 下 水 同 及土壤污染问题、 地下水循环与演化、 水文地质勘察 技术 与方 法 、 水文地 质野 外 实验技 术 、 文地 球化 学 水 信息技术以及其它与水文地质环境相关研究领域。 以下 将从 人工放 射 性 同位素法 和 环境 同位素法 两个 方 面简 要 介 绍 同位 素在 水 文 地 质 研 究 中的 典 型 应
同位素与水文
12CO 2 13CO 2
植物体内的δ13C相比空气CO2是大还是小？
35
光合作用中13C同位素分馏原理
• 植物体内的δ13C的影响因素
o 降水
• 降水少，植物体内水分少，气孔变小，植物体内 CO2分压减小，δ13C分馏减小，δ13C值变大
o 温度
• 温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，δ13C值变小
o 从以上资料可看出，大气降水的同位素组成与 当地气温的关系密切，且呈正相关变化，但不 同地区变化差异很大。
13
大气降水的同位素效应
• 纬度效应
o 从低纬度到高纬度，随着温度的降低，降水的 重同位素逐渐贫化
14
大气降水的同位素效应
• 季节效应
o 不同地区由于温度、湿度和气团运移等因素存 在季节性的变化，因此降水的同位素组成也会 有季节性的变化。
(a)
深度 (cm)
0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 -10
0.1
0.2
玉米不同生长期的主 要根系吸水深度
拔节期
-8 0.1
-6 0.2
-4 0.3
-2
深度 (cm)
0 0.4
-80 0.1
-70 0.2
-60
-50 0.3
-40 0.4
(b)
深度 (cm)
深度 (cm)
开花期
-80 0.1 -70 0.2 -60 -50 0.3 -40 0.4
-10 0.1
-8
-6 0.2
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同位素示踪技术在水文地质学中的应用
一、引言
水文地质学是研究地下水和地质构造之间相互作用的学科，同
位素示踪技术是一种研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。
本文将详细介绍同位素示踪技术在水文地质学中的应用。
二、同位素示踪技术概述
同位素示踪技术以自然界中存在的同位素为研究对象，通过对
同位素进行监测、分析，来了解环境的物质与能量循环和转化过程。
其中比较常用的同位素有氢同位素（2H，称作氘）、氧同位
素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）、氮同位素（15N、
14N）等。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用主要涉及氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等方面。
三、氢氧同位素示踪
氢氧同位素示踪利用地下水中氢氧同位素比值的空间差异，研
究地下水的来源、流动路径和补给特征。
其原理是：不同区域的
地下水来源，其水分子中氢氧同位素比值是不同的。
通过测定地
下水中氢氧同位素比值，可以判断地下水的补给源区和补给方式，进而对地下水补给机制、地下水与地表水的关系等进行研究。
氢氧同位素的测定主要采用同位素比值质谱仪（Isotope Ratio Mass Spectrometer，IRMS），通过测定样品中特定同位素的质量比，计算出其同位素比值。
同时，为了确定样品中同位素比值的
精确度，通常采用同位素标准物质进行校正。
四、碳同位素示踪
碳同位素示踪主要应用于研究地下水中有机和无机碳的来源及
其转移特征。
碳同位素示踪的基本原理是：不同碳来源的同位素
比值存在区别，通过测定地下水中有机和无机碳的碳同位素比值，可以推测其来源和服务的地质环境。
常用的碳同位素有自然含量的13C和12C。
在研究地下水中有
机和无机碳来源的过程中，13C和12C的变化可以反映生物活动
和化学反应的影响。
例如，如果地下水中有机碳主要来自植物残渣，其13C/12C比值应该相对较高；如果来自生物和人类排放物，则其13C/12C比值会比较低。
碳同位素的测定方法包括气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和元素分析仪（Elemental Analyzers，EA）。
其中，GC-MS在测定有机碳方面
应用广泛，而EA则主要用于测定无机碳。
五、氮同位素示踪
氮同位素示踪利用地下水中氮同位素比值的空间差异，研究地下水的来源、流动和补给特征。
氮同位素示踪的基本原理是：不同区域的地下水来源，其氮同位素比值是不同的。
其中，15N比较稳定，常用于检测农业和城市污染物的来源，对于氮的浓度、来源及其类型的研究具有重要意义。
氮同位素的测定方法主要有元素分析仪（EA）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）。
其中，EA常用于测定有机和无机氮，而GC-MS常用于测定挥发性化合物中的氮同位素比值。
六、同位素示踪技术在水文地质学中的应用
1.地下水补给机制研究
同位素示踪技术可以对地下水补给机制进行研究，对于确定地下水补给方式和补给源区有重要意义。
例如，在具有丰富降雨的热带地区，通常采用氢氧同位素示踪技术，研究地下水的补给方式。
氢氧同位素示踪可以揭示地下水补给方式是否受到降雨影响，及降雨对地下水流动的影响程度。
2.污染物迁移研究
同位素示踪技术可以对污染物在地下水中的迁移路径、速率等进行研究，在污染物的污染性评价、污染物治理措施和污染源追踪等方面都具有很大意义。
例如，通过碳同位素示踪技术研究地下水和土壤中的挥发性有机物（VOCs）污染，可以确定VOCs源的类型，并揭示其迁移途径。
此外，氮同位素示踪技术还可以用于评估农业和城市污染物的来源和污染时期。
3.地下水环境评价研究
同位素示踪技术可以用于地下水环境评价研究，对于控制地下水污染、保护地下水资源具有很大帮助。
例如，在氢氧同位素示踪技术中，可以通过测量不同地区或不同深度的地下水中的氢氧同位素比值差异，推测污染源方向和肉眼无法观察的地下水流动特征。
七、结论
同位素示踪技术是研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。
其中，氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等技术具有各自的特点和应用范围。
在水文地质学领域中，同位素示踪技术可以用于地下水补给机制研究、污染物迁移研究、地下水环境评价研究等方面，具有十分广泛的应用前景。