水是地球上生命所依賴的寶貴資源。重要的是要知道它有多少，它在哪里以及它能持續(xù)供應(yīng)多長(zhǎng)時(shí)間。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)通過(guò)推廣同位素技術(shù)的使用和傳播科學(xué)知識(shí)，支持各國(guó)專家進(jìn)行這方面的努力。

5月20日至24日在維也納，來(lái)自同位素水文學(xué)的專家將齊聚一堂，在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的同位素水文國(guó)際研討會(huì)上進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。

“今年的研討會(huì)是同類研討會(huì)的第15次，匯集了來(lái)自世界各地的領(lǐng)先的水科學(xué)家和專業(yè)人士，以增進(jìn)對(duì)同位素水文學(xué)在幫助世界應(yīng)對(duì)我們水資源的安全和可持續(xù)性方面的益處的了解，” 原子能機(jī)構(gòu)核科學(xué)和應(yīng)用部副總干事兼水資源部主管Najat Mokhtar說(shuō)。

了解污染物的來(lái)源是解決水質(zhì)問(wèn)題的第一步。同位素水文學(xué)家收集的數(shù)據(jù)對(duì)政策制定者在水資源戰(zhàn)略規(guī)劃和管理方面非常有用，特別是在聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)“人人享有水和衛(wèi)生設(shè)施”的背景下。

下面是同位素水文學(xué)如何工作的簡(jiǎn)單概述。

同位素水文學(xué)：概述

同位素技術(shù)使科學(xué)家能夠了解水循環(huán)的組成部分，幫助他們更好地評(píng)估水的數(shù)量，質(zhì)量和可持續(xù)性。

在水循環(huán)中，地下水是最不了解的組成部分。科學(xué)家使用天然存在的同位素作為示蹤劑，以確定地下水是否得到補(bǔ)充，它來(lái)自哪里，它是如何在地下移動(dòng)的，以及它是否容易受到污染和不斷變化的氣候條件的影響。

來(lái)自不同地方的水具有不同的同位素特征或獨(dú)特的“指紋”。科學(xué)家使用這些“指紋”來(lái)跟蹤水在整個(gè)水循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)：從蒸發(fā)，降水，滲透到徑流和蒸發(fā)蒸騰，然后回到海洋或大氣中，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

但是什么是同位素呢?

一種化學(xué)元素，如氫，完全由一種原子構(gòu)成。原子的類型有不同的種類。這些變種都是同位素，它們都具有相同的化學(xué)特性、質(zhì)子和電子的數(shù)量，但中子的數(shù)量不同。中子數(shù)的差異使得每個(gè)同位素的重量不同，而這個(gè)重量差異是水文研究的關(guān)鍵。

同位素水文學(xué)使用穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素。穩(wěn)定同位素是非放射性的，這意味著它們不發(fā)射輻射。不穩(wěn)定同位素(或放射性同位素)經(jīng)歷放射性衰變，因此具有放射性。

水循環(huán)中水的起源和輸運(yùn)

每個(gè)水分子(H2O)由兩個(gè)氫(H)原子和一個(gè)氧(O)原子組成，但這些原子并不完全相同：一些原子的同位素較輕，一些較重。科學(xué)家們使用精確的分析儀器來(lái)測(cè)量水樣中這些微小的重量差異。為什么?

隨著水從海洋中蒸發(fā)，具有較輕同位素的分子傾向于優(yōu)先上升，形成具有特定同位素特征的云。這些云有混合的水分子，以雨的形式下降。具有較重同位素的水分子首先落下。然后，隨著云層失去這些重同位素并進(jìn)一步向內(nèi)陸移動(dòng)時(shí)，較輕的同位素下降的比例更大。

當(dāng)水落到地上時(shí)，它會(huì)填充湖泊，河流和含水層。通過(guò)測(cè)量這些水體中重同位素和輕同位素的比例，科學(xué)家們可以破譯水的起源和運(yùn)動(dòng)。

原子能機(jī)構(gòu)通過(guò)促進(jìn)使用同位素技術(shù)和在世界各地傳播科學(xué)知識(shí)來(lái)支持各國(guó)專家。在這張照片中，同位素水文學(xué)家在阿根廷的洛斯吉甘特斯(Los Gigantes)采集樣本。

地下水年齡

同位素是估算水資源年齡、脆弱性和可持續(xù)性的最直接和最有力的工具。當(dāng)含水層中的地下水“老”時(shí)，這意味著水流緩慢，且含水層需要很長(zhǎng)時(shí)間才能補(bǔ)充。相反，年輕的地下水很容易被雨水迅速更新，但也很容易受到污染和氣候條件變化的影響。了解水的年齡讓科學(xué)家和政府能夠更好地了解含水層的補(bǔ)給速度。

在水文學(xué)中，一些存在于水中的天然放射性同位素，如氚(3H)、碳-14和(14C)惰性氣體放射性同位素，被用來(lái)估計(jì)地下水年齡。這個(gè)年齡可以從幾個(gè)月到一百萬(wàn)歲。

因?yàn)檫@些同位素隨時(shí)間衰減，它們的豐度隨著時(shí)間的推移而減少。較高的值表示“較年輕”的水，而較低的值表示“較老”的水。例如，地下水中可檢測(cè)到的氚可能高達(dá)約60歲，而地下水沒(méi)有氚一定更老。盡管氚被用于測(cè)定最近補(bǔ)給的地下水的年代，即年齡小于60年的地下水，但碳-14被用于高達(dá)40000歲以下的水，氪-81被用于可能高達(dá)一百萬(wàn)歲以下的水。

水質(zhì)

地表水和地下水中的污染物來(lái)自各種來(lái)源，如農(nóng)業(yè)、工業(yè)或人類廢物，或者由于含水層中發(fā)生的地球化學(xué)過(guò)程而自然存在。農(nóng)業(yè)、工業(yè)和家庭各自產(chǎn)生不同種類的污染物，通過(guò)研究污染物的化學(xué)和同位素組成，科學(xué)家可以確定其來(lái)源。

例如，由氮和氧組成的硝酸鹽離子(NO3-)是一種常見的污染物。氮有兩種不同重量的穩(wěn)定同位素。這種重量上的差異在人類排泄物和肥料上是不一樣的。肥料使用來(lái)自空氣的氮，而人類和動(dòng)物通過(guò)一個(gè)生物過(guò)程將氮轉(zhuǎn)變成不同的形式。因此，可以根據(jù)這些同位素的重量差異來(lái)識(shí)別來(lái)自不同來(lái)源的污染物。

下周的專題討論會(huì)將提供機(jī)會(huì)，介紹和回顧同位素水文學(xué)中上述所有研究的方法和分析發(fā)展，以及實(shí)際應(yīng)用和研究趨勢(shì)。