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同位素|地下水:科学家如何研究其​​污染和可持续性?

2023-03-23 09:14     来源:国际原子能机构     同位素 放射性同位素国际原子能机构

含水层是一种多孔的含水岩石,可以从中提取水(信息图:Adriana Vargas/IAEA)。

地下水约占世界淡水的 30%,使其成为解决当前全球问题的重要资源,例如世界人口增长、农业集约化以及石油和天然气开采和采矿、服装和纺织品制造等不同部门的用水量增加和畜牧业。为了保护地下水免受过度开采和污染的威胁,并在未来对其进行可持续管理,必须了解特定地点的地下水的来源、质量如何以及补充速度。科学家可以通过分析称为“同位素”的水“指纹”来进行此类研究,这些“指纹”是水分子中原子的变体。

什么是地下水?

地下水 是在地下发现的水。它可以隐藏在岩石和沉积物的裂缝和空间中,形成地下资源,存放在所谓的“含水层”中。根据地下水的特性或含水层的不同,可以利用抽水井抽取地下水,用于灌溉、饮用水和工业供水等人类活动。

含水层是如何形成的,我们为什么要明智地使用它们?

地下水是水循环的一部分。降雨后,一些水渗入土壤,并在重力的驱动下,不断向下迁移穿过底土并移动,直到最终被称为隔水层的致密、不透水的岩石挡住。在旱季,许多含水层都与河流和其他地表水体相连,并由河流和其他地表水体供水。在雨季,这个系统可以逆转,地下水回流到河流和湖泊并补充它们。

含水层是水循环不可或缺的一部分,其补充率取决于降雨等因素(信息图:Adriana Vargas/IAEA)。

含水层的补给速度取决于补给发生地的气候和环境。降雨量少的地区的含水层可能需要几个世纪才能重新充满。相比之下,大量降雨地区的浅层含水层几乎可以立即得到补充。因此,气候变化会导致更严重的干旱,但也会导致更强烈的局部降雨,这会影响含水层再填充的速度,进而影响人们可持续使用的地下水量。

人类活动(如农业和工业)大量使用地下水,其规模超过含水层再填充的速度,不仅可能危及含水层的完整性(如果被抽干,含水层可能会崩溃),而且还会危及人们可以使用的全球水量,因为地下水构成了世界可用淡水的重要组成部分。

此外,地下水可能并不总是足够干净供人类使用。在地表进行的人类活动,例如污水处理和过度使用杀虫剂和化肥,包括动物粪便,是地下水污染和污染的主要来源。因此,了解污染物的来源是解决水质问题的第一步。

人类活动造成地下水污染的潜在来源(信息图:Adriana Vargas/IAEA)。

什么是同位素,它们如何帮助科学家了解水?

水分子由氧原子和氢原子组成。同一化学元素的原子的某些变体,称为同位素,可用于研究水循环,包括地下水。

同位素是具有相同质子数但中子数不同的相同元素的原子。

不同的“同位素”技术被用来测量同位素的数量和比例,并追踪它们的起源、历史、来源和在环境中的相互作用。

水具有不同或独特的同位素“指纹”或“同位素特征”,这取决于它来自哪里。科学家们通过分析同位素来追踪水在水循环过程中的运动和污染源。

科学家如何使用同位素来确定地下水是否被过度使用?

科学家在水的大规模研究中使用同位素来评估其数量、年龄和来源,并确定人们使用的数量是否可持续。

例如,地下水中天然存在的放射性同位素,如氚、碳 14 和惰性气体氦 3、氦 4 和氪 81,可用于了解更多有关地下水年龄和地下水流动时间尺度的信息。通过分析稳定同位素和放射性同位素的不同组合的浓度,科学家们可以计算出蓄水层中水补给的确切时间、地下水流动的速度以及补给所需的时间。有了这些数据,就有可能确定,例如,特定地区的农业活动是否需要一定量的地下水,而这些地下水的补充速度不足以维持长期的灌溉需求。

通过分析地下水中的同位素,科学家们可以确定水的年龄,并根据为人类活动抽取的水量推断出含水层需要多长时间才能补给水(信息图:Adriana Vargas/IAEA)。

科学家如何使用同位素研究地下水污染?

科学家使用氮 15、氧 18 和硫 34 等特定同位素来识别硝酸盐和硫酸盐等污染物。他们还使用这些同位素来确定特定位置的地下水是否可供人类安全使用。

例如,科学家可以确定被过量硝酸盐污染的水是否被人类排泄物或肥料污染。硝酸根离子由氮和氧组成,氮有两种同位素,而氧有三种。这些同位素的比例在人类排泄物和肥料中是不同的。因此,可以根据这些同位素差异来识别污染源。了解污染物的来源是解决水质问题和努力实现水资源可持续管理的一个里程碑。

原子能机构的作用是什么?

原子能机构利用同位素水文学支持成员国进行水资源评估和可持续水管理。原子能机构还通过其同位素水文学实验室向实验室和科学家提供分析服务方面的援助和培训。

原子能机构提供广泛的课程,提供同位素水文学基础知识和稳定同位素、氚和惰性气体的同位素分析方面的培训。

通过其 技术合作计划,原子能机构与其成员国密切合作,通过基于科学的综合水资源评估来提高淡水资源的可用性和可持续性。

国际原子能机构与世界气象组织合作,运营 全球降水同位素网络,其中包含同位素水文学方面的科学建议、后勤和技术支持。

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