水文核技術

利用核物理原理，主要利用同位素的特性，觀測和研究水文現象、水文過程和水體特性的一種技術。水文學中有些用常規方法難以觀測研究的問題，可利用核技術得到部分或全部解答，擴展研究範圍和認識深度。在水文研究中以有效、安全和經濟為目標，利用同位素的下列性質。

① 放射性同位素具有隨時間按指數規律衰變的性質,處於某衰變階段的同位素就帶有相應的歷時信息,可作為一種時間尺度。例如,通過對地下水、大陸冰蓋、冰川中同位素碳－14所處衰變階段的分析，可推算地下水的年齡和冰蓋、冰川形成的地質年代。利用半衰期較短的同位素硅-32和氬-39，可對較年輕的地下水作計年分析；通過對1954年前後因熱核試驗產生的地下水中同位素氫-3（即氚）的濃度變化及其衰變性質的分析，可瞭解降水對地下水的補給狀況。

② 放射性同位素有發出一定種類輻射的性質，如γ射線、中子等。這些射線與周圍介質的相互作用同介質的性質有關。利用這種作用反映出的各種信息可以測定周圍介質的某些特性。如根據γ射線穿透清水和渾水時強度衰減程度的不同，可利用同位素銫-137和鎘-109等作為γ源，測定河流懸沙的含沙量；根據快中子在含水介質中的散射和能量損失特性，可利用同位素鎇-241等作為快中子源，在不取出土樣的情況下連續、快速測定一定範圍內的包氣帶含水量。此外，利用上述性質還可測定積雪深度、積雪水當量、洪水期河牀變化等，所用放射源可按要求選定。

③ 放射性同位素有易被微量測定的性質，有的還不易被土壤、岩石等吸收,化學性質穩定,或本身就結合於水（如氚）,把示蹤劑置入水中或標記所研究對象,通過輻射探測對它跟蹤，便能直接反映出水流和被標記對象的運動信息。

這一性質主要應用於以下方面：第一，測定河川暢流期或封凍期流量。可用已知濃度的示蹤劑，以一定方式注入水流，並在一定混合長度的下游取水樣分析所含示蹤劑的濃度以推算流量。常用作示蹤劑的同位素有氚、銫-131、鐿-169、銣-86、溴-82等。為防止污染，也可在現場配製半衰期較短的同位素，如碘-132。用同位素測定河川流量一般只在其他方法難以收效時才採用。第二，測定地下水運動參數。常用同位素氚、溴-82、硫-35、碘-131、鉻-51、鈷-60和金-198等作示蹤劑。採用一處注入、多處檢測的方法，在井中可測出地下水流速、流向、擴散係數、滲透係數、給水度等，在水庫中可測出滲漏及補給，在岩溶地區可判定地下河系分佈及流速、流量等。第三，研究流域產流和匯流。例如，用同位素溴-82或鉻-51、金-198、碘-131等作為示蹤劑攙入雨水或徑流中，可直接測定坡面和河槽匯流速度，降水下滲及表層流過程等。第四，研究流域侵蝕、河流底沙和水庫異重流的運動。通常用與上述相似的同位素以標記土壤和泥沙顆粒,進行跟蹤測定。第五,研究河口水文現象。可在淡水、鹹水中用不同的示蹤劑測定其界面、河口水流和潮流變化過程等。選擇適當的示蹤劑還可跟蹤近海海流的運動。用於示蹤的放射性同位素種類很多，除上述外,還有碳-14、磷-32、鈉-24、鈷-58、銅-64等。

④ 週期表中大部分非放射性元素，有被中子輻照後轉變為放射性同位素的性質，測量所生成的放射性同位素發出的射線和能量等，就可決定某元素是否存在並計算出它的含量。利用這種中子活化分析方法，在水文研究中有多種用途。例如將天然水體中的水及懸移質樣本，經一定注量（積分通量）的中子輻照後，可測得其中微量級甚至痕量級的各種元素含量，從而確定水質和污染狀況。利用中子活化分析還可將非放射性物質用作示蹤，例如將某些便於與泥沙結合的元素，如鉭、銻等攙入泥沙、淤泥中，通過取樣活化分析，研究其運動。

⑤ 自然環境中的同位素之間，特別是同一元素的穩定同位素和放射性同位素之間，往往有某種依存比例關係和平衡態勢。可利用這種性質對環境作出評價和進行水量平衡分析。例如,天然水體中含有穩定同位素氫-2(即氘)約有320ppm,氧-18約有2000ppm,它們的變化和比例關係,常可反映河川水流中地表水與地下水(包括淺層地下水與深層地下水)的比例關係;當研究湖泊水量平衡關係時,可以建立相應的氫-2或氧-18平衡方程，並可利用同位素平衡方程來估算水平衡方程中的某項要素。上述研究中常用的同位素比還有:氘/氚、(氧-18)/(氧-16)、（碳-13）/（碳-12）、（硫-34）/（硫-32）等。此外，厚冰川層或冰蓋中的同位素狀態與氣候變化有一定關係，據此可進行古水文和古氣候的研究。

人工示蹤同位素 選用不易被周圍土壤和岩石吸附、化學性質穩定、有與水分子相同的水力學性能等示蹤同位素，如碘-131（I）的化合物、鐿-169（Yb）的絡合物等。可用於測定江河流量，研究和測定降水下滲過程及下滲鋒面、飽和帶水分的垂向和側向運動，河渠、水庫、湖泊的滲漏、蒸發狀況。坡面和河槽匯流速度等流域產流、匯流的過程。用氚(H)、鈷-60(Co)、銫-137(Cs)等可測定地下水流向、流速、擴散係數、含水層滲透係數、給水度、越流補給等地下含水層參數。在喀斯特地區，利用示蹤同位素可以探測出地下暗河分佈、補給來源、流量過程及裂隙帶水流過程等。在河口水文研究中，在淡水、鹹水中各放一種示蹤劑如鑭-140(La)、釷-234(Th)等或複合示蹤劑，則可研究淡、鹹水界面，不同相的流量變化，潮汐的作用和時間，還可跟蹤探測近海海流和河口水流運動等。在泥沙研究中。用示蹤同位素標記沙粒、河牀推移質、水庫泥沙異重流等，並進行跟蹤觀測，可以取得研究坡面侵蝕、底沙運動等資料。

大氣圈上層因宇宙射線產生的中子對氮原子的作用而產生碳-14(C)及氚(H或T)兩種放射性核素，它們由於不斷地產生與衰變而達到平衡。而氚在大氣中氧化為水並以大氣降水或水汽形式到達地面，進入地表水和地下水之中，對天然水體進行全面標記。而C到達地面以後，經過生物攝取或吸取轉變為二氧化碳。所以地球上所有的生物長期以來都受到C的標記。生物死亡後，其所含的C因放射性衰變而減少，而生物遺骸被分解進入土壤、天然水體之中，對它們又作C的標記。20世紀下半葉以來，人工核試驗產生的大量C和H進入自然環境，使天然水體中的3H和“C含量劇增，增加了探測和分析的新內容。

根據測量得的雨水及地下水H的濃度，可以估算地下水的年齡和降水人滲速率、地下水補給率及其補給來源。測量湖泊的H可以確定湖泊水的更新週期。對喀斯特水的H含量測量，可探知喀斯特水與附近降水、地表水的聯繫。對水體中C的測量，可推得水體的年齡。對一系列水井中C的測定，可以推算出地下水的流速，並據以確定地下水的補給區和貯存區位置。根據穩定同位素在環境中具有趨於平衡或準平衡的性質，將大範圍水體中H的測量進行比較分析，可以得出該水體水量平衡的研究結果，為水體蒸發量、地表水和地下水補給來源和組成等提供依據。對高山冰川深層冰的H測量，可以推得過去氣候和降水情況的指標，從而為古水文氣象的研究提供信息。由於穩定性同位素氘(H，即D)與氧-18(O)所構成的重水(D₂O.H₂O)，其蒸汽張力小於普通水．在蒸發、凝結等過程中，重同位素因分餾作用而在液相中富集．在氣相中貧化。因此，經歷不同水文循環過程的天然水體．其氫氧重同位素含量不同。測取天然水體的同位素比值與“標準平均海水”的標準的同位素比值進行比較，可以確定水體的補給來源，判斷地下水含水層之間及含水層與大氣降水及地表的聯繫程度，確定水交替強度等。降水中重同位素含量隨着水汽凝結温度降低而降低。因此，在山區隨着地形抬升，降水高度加大，重同位素含量亦隨之減少。根據這一關係可以大體確定地下水補給區的高度。此外，温暖季節降水中重同位素含量高。寒冷季節低。使包氣帶水的垂直剖面上重同位素含量出現峯谷交替，追蹤觀測同位素含量隨時間的變化，可以確定降水入滲速率。 ^[1] 

天然的和人工產生的放射性核素具有不同的輻射性質，發射的射線與周圍介質產生相互的作用，如吸收或散射現象。如鎘-109( Cd)、鎇-241(Am)等所發射的γ射線穿透介質時，由於康普頓效應(Compton effect)散射而損失能量，以及由於光電效應而被吸收。故利用y射線可以測量水流中的瞬時懸移質含沙量、地面積雪深度和積雪水當量等。又如鎇-241-鈹 (Am-Be)或釙-210-鈹 (Po-Be等中子源所放出的快中子，在通過介質時失去能量而被慢化。利用這種現象可以測量土壤含水量及其動態。這些施測方法不擾動被測對象原狀，也不採取樣品，而直接一次取得測量數據。利用大多數元素在中子輻照後活化而帶有放射性的特性，可對水樣進行活化和儀器分析，得出水樣所含微量甚至痕量的各種元素的組成，以確定水化學成分和變化、水生物質變化和污染物質積累等，對水資源評價和預測有重要意義。隨着小型反應堆、中子發生器等專用設備以及電子計算機技術的發展，活化分析將成為一種靈敏、快速的分析方法。

核技術用於水文觀測和研究，必須遵守國家有關規定，選定符合實驗目的的合適晶種和使用量。才不致危害人身安全和污染環境，並達到經濟合理的目的。因此，須對操作人員進行專門培訓。

中國在20世紀70年代初由黃河水利委員會開始研製同位素測沙儀測量河水含沙量，採用了低能X射線源鈈-238(Pu)和低能X射線正比管，可測臨近河底5cm以上的含沙量，測量範圍達0.3kg/m～1000kg/m，測量精度達±30ppm。南京水利科學研究院利用放射性示蹤劑檢測水庫滲漏，取得了較好效果。黃河水利委員會在利用低能同位素示蹤劑和低能x射線探測技術測量江河流量方面很有特色。南京水文水資源研究所滁州水文實驗基地採用中子法研究非飽和帶土壤水分動態等，也取得了實用效果。

1961年起，國際原子能機構(IAEA)和世界氣象組織(WMO)合作，開展全球性的降水量同位素長期觀測研究，為環境同位素的水文學研究提供資料。至1 987年，全球共建有144個測站，包括了美、英、蘇等62個國家和地區。1988年1月起在中國合作建立了降水同位素站網，共10個站點(未含地礦系統專用的若干站點)，觀測資料已由該機構刊印出版。 ^[1] 

在水文觀測研究中應用核技術，必須保證人身健康和不污染環境，必須嚴格遵守國家有關法令和放射防護規定。同時，對應用核技術的工作人員必須進行專門訓練。

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.