关于水文核技术介绍

[拼音]：shuiwen hejishu

[外文]：utilization of nuclear techniques in hydrology

利用核物理原理，主要利用同位素的特性，观测和研究水文现象、水文过程和水体特性的一种技术。水文学中有些用常规方法难以观测研究的问题，可利用核技术得到部分或全部解答，扩展研究范围和认识深度。在水文研究中以有效、安全和经济为目标，利用同位素的下列性质。

（1）放射性同位素具有随时间按指数规律衰变的性质，处于某衰变阶段的同位素就带有相应的历时信息，可作为一种时间尺度。例如，通过对地下水、大陆冰盖、冰川中同位素碳－14所处衰变阶段的分析，可推算地下水的年龄和冰盖、冰川形成的地质年代。利用半衰期较短的同位素硅-32和氩-39，可对较年轻的地下水作计年分析；通过对1954年前后因热核试验产生的地下水中同位素氢-3（即氚）的浓度变化及其衰变性质的分析，可了解降水对地下水的补给状况。

（2）放射性同位素有发出一定种类辐射的性质，如γ射线、中子等。这些射线与周围介质的相互作用同介质的性质有关。利用这种作用反映出的各种信息可以测定周围介质的某些特性。如根据γ射线穿透清水和浑水时强度衰减程度的不同，可利用同位素铯-137和镉-109等作为γ源，测定河流悬沙的含沙量；根据快中子在含水介质中的散射和能量损失特性，可利用同位素镅-241等作为快中子源，在不取出土样的情况下连续、快速测定一定范围内的包气带含水量。此外，利用上述性质还可测定积雪深度、积雪水当量、洪水期河床变化等，所用放射源可按要求选定。

（3）放射性同位素有易被微量测定的性质，有的还不易被土壤、岩石等吸收，化学性质稳定，或本身就结合于水（如氚），把示踪剂置入水中或标记所研究对象，通过辐射探测对它跟踪，便能直接反映出水流和被标记对象的运动信息。

这一性质主要应用于以下方面：第一，测定河川畅流期或封冻期流量。可用已知浓度的示踪剂，以一定方式注入水流，并在一定混合长度的下游取水样分析所含示踪剂的浓度以推算流量。常用作示踪剂的同位素有氚、铯-131、镱-169、铷-86、溴-82等。为防止污染，也可在现场配制半衰期较短的同位素，如碘-132。用同位素测定河川流量一般只在其他方法难以收效时才采用。第二，测定地下水运动参数。常用同位素氚、溴-82、硫-35、碘-131、铬-51、钴-60和金-198等作示踪剂。采用一处注入、多处检测的方法，在井中可测出地下水流速、流向、扩散系数、渗透系数、给水度等，在水库中可测出渗漏及补给，在岩溶地区可判定地下河系分布及流速、流量等。第三，研究流域产流和汇流。例如，用同位素溴-82或铬-51、金-198、碘-131等作为示踪剂搀入雨水或径流中，可直接测定坡面和河槽汇流速度，降水下渗及表层流过程等。第四，研究流域侵蚀、河流底沙和水库异重流的运动。通常用与上述相似的同位素以标记土壤和泥沙颗粒，进行跟踪测定。第五，研究河口水文现象。可在淡水、咸水中用不同的示踪剂测定其界面、河口水流和潮流变化过程等。选择适当的示踪剂还可跟踪近海海流的运动。用于示踪的放射性同位素种类很多，除上述外，还有碳-14、磷-32、钠-24、钴-58、铜-64等。

（4）周期表中大部分非放射性元素，有被中子辐照后转变为放射性同位素的性质，测量所生成的放射性同位素发出的射线和能量等，就可决定某元素是否存在并计算出它的含量。利用这种中子活化分析方法，在水文研究中有多种用途。例如将天然水体中的水及悬移质样本，经一定注量（积分通量）的中子辐照后，可测得其中微量级甚至痕量级的各种元素含量，从而确定水质和污染状况。利用中子活化分析还可将非放射性物质用作示踪，例如将某些便于与泥沙结合的元素，如钽、锑等搀入泥沙、淤泥中，通过取样活化分析，研究其运动。

（5）自然环境中的同位素之间，特别是同一元素的稳定同位素和放射性同位素之间，往往有某种依存比例关系和平衡态势。可利用这种性质对环境作出评价和进行水量平衡分析。例如，天然水体中含有稳定同位素氢-2(即氘)约有320ppm，氧-18约有2000ppm，它们的变化和比例关系，常可反映河川水流中地表水与地下水(包括浅层地下水与深层地下水)的比例关系;当研究湖泊水量平衡关系时，可以建立相应的氢-2或氧-18平衡方程，并可利用同位素平衡方程来估算水平衡方程中的某项要素。上述研究中常用的同位素比还有:氘/氚、(氧-18)/(氧-16)、（碳-13）/（碳-12）、（硫-34）/（硫-32）等。此外，厚冰川层或冰盖中的同位素状态与气候变化有一定关系，据此可进行古水文和古气候的研究。

在水文观测研究中应用核技术，必须保证人身健康和不污染环境，必须严格遵守国家有关法令和放射防护规定。同时，对应用核技术的工作人员必须进行专门训练。

参考书目

1. IAEA，Guidebook on Nuclear Techniques in Hydrology，IAEA，Vienna，1968.
2. IAEA/Unesco，Stable Isotope Hydrology:Deuterium andOxygen-18 in the Water Cycle，IAEA，Vienna，1981.
3. IAEA，Isotope Hydrology1983，IAEA，Vienna，1984.