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。
式中：A0为母体的初始放射性活度；At为经过t时间后的放射性活度；λ为衰变常数。时间可以表示为：t=（1/λ）ln（A0/At）。通常放射性同位素的不稳定性用半衰期（T1/2）表示，λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2。由于已知放射性同位素的半衰期均已测定，所以可以通过测试样品（土壤、沉积物、地下水等）的放射性活度来计算其年龄。
2.2稳定同位素应用原理
由于特定来源的物质有特定的同位素组成，某种元素的不同同位素在物质中的丰度比可以作为该种物质的标志。通过测定同位素丰度比，可以对环境中某种物质的迁移过程及来源等进行判定或研究。例如，一般认为典型的海洋有机碳的同位素值为－22‰～19‰，典型的陆源C3植物有机碳的同位素值为－28‰～－26‰，C4植物有机碳的同位素平均值为－14‰。因此，可以根据沉积物中的C同位素值确定其中有机物是来自陆地还是海洋，结合C/N值还可以比较准确地确定陆源和海源有机物的贡献率。
2.3稳定同位素分析方法
常用的稳定同位素分析方法见表1，包括光谱法、气相色谱法、中子活化分析法、质谱法等。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。式中：A0为母体的初始放射性活度；At为经过t时间后的放射性活度；λ为衰变常数。时间可以表示为：t=（1/λ）ln（A0/At）。通常放射性同位素的不稳定性用半衰期（T1/2）表示，λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2。由于已知放射性同位素的半衰期均已测定，所以可以通过测试样品（土壤、沉积物、地下水等）的放射性活度来计算其年龄。
表1稳定同位素分析方法
3具体应用
3.1示踪物
示踪物是添加进系统内来研究系统动态行为的一种物质。作为示踪物在系统内其行动应该或多或少与大批的材料相似，但是能分辨出来以便探测，示踪物的数量应该少，且它的增加不至引起系统的任何干扰，放射性同位素的示踪物能很好地满足上述条件。
3.2同位素的选择
放射性同位素的选择范围很广，适合研究时段和研究目的同位素，同时还要满足安全的需要，，但表中并未包括全部，其他的放射性同位素诸如钠-24，铷-86，钴-60有时也被一些实验室所采用，最常用的有铱-192，金-198，钪-46，钽-182，钕-147和铬-51。
3.3放射性同位素颗粒大小的选择
选择泥沙颗粒中有代表性的部分作上标识，并能跟踪其运动，推移质输移，经验表明，当示踪物的粒径分布能够很好地代表自然泥沙中所选择的那一部分时，例如，这部分沙所占的比例是比中数粒径粗的或者细的30%，测验数据的解译就比较容易，这样，可以避免测量困难和数据缺损条件下的解译，数据缺损是由于颗粒的悬浮和极细颗粒的最终消失所产生，或者由静稳和富集的粗颗粒引起探测器电子饱和，由示踪物埋没于床内所造成的损失应该给予仔细解译。
悬移质，当悬移质颗粒起决定作用且需要研究时，示踪沙应该和自然泥沙中很细的部分（小于0.04mm）相匹配。
沙砾或小卵石运动，由于带标记的卵石探测必须逐个进行，卵石运动的测量会有不同的问题，因此，为了获得洪水过后重要的统计解译，需要找到处置中足够数量的卵石。
3.4放射性同位素示踪物的数量
示踪物的量和活动应该尽量小，不仅因为操作和射线的安全是显见的原因，而且因为少量的示踪物更容易合并到研究的系统中，然而，这些数量应该在产生分散、埋没和衰变之后能够足以高于本底放射性的统计值。
3.5放射性同位素物质的准备
将放射性同位素合并或附着在泥沙上使其适用于示踪目的有各种不同的方法，所采用的方法常常取决于要标定的泥沙的类型和颗粒大小，主要有：种制作标定泥沙的方法：（1）玻璃基质标定技术，将适当的元素溶入玻璃中，再将玻璃碾碎成合适的颗粒大小，然后中子辐射产生出所选元素的放射性同位素，用这种方法放射性同位素分布在每一个颗粒中，每一颗粒的同位素数量与其重量成比例!以玻璃基质形式广泛使用的放射性同位素有金-198，铱-192，钪-46，铬-51等。虽然用这种方法产生的泥沙颗粒形状、角摩擦等不同于天然的河床泥沙，但是其密度（2.65g/cm3）和沉降速度十分相似!就大多数泥沙运动的观测精度而言，颗粒形状所造成的差异并不很大。然而，应该意识到，伴随着活化照射，玻璃基质的成分中总会包含有微量半衰期很短的核素，在这种情况下就需要在装载和使用之前暂时地存放这种产品。（3）表面标定技术。从研究区域取来的自然泥沙洗净后，用适当的元素薄层包裹，此元素后来能被中子激活。常用这种方法来标定泥沙。自然沙也能吸附溶液中的离子被放射性同位素包裹。这种方法通常用于疏浚弃土特性调查的泥沙标定。
结束语
如今，在地下水污染、地表径流污染、降水等研究方面，同位素技术的成熟促进了诸如此类方面的研究，越来越受到研究学者们的重视和青睐。在未来的水环境科学领域的研究中，同位素技术将会发挥举足轻重的作用。
参考文献：
[1]刘文茹，彭新华，沈业杰，等.激光同位素分析仪测定液态水的氢氧同位素及其光谱污染修正[J].生态学杂志，2017，32（05）：1181-1186.
[2]靳宇蓉，鲁克新，李鹏，等.基于稳定同位素的土壤水分运动特征[J].土壤学报，2015，52（04）：792-801.
论文作者:韩宇,杨斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/29
标签：同位素论文; 放射性同位素论文; 泥沙论文; 地下水论文; 颗粒论文; 放射性论文; 水资源论文; 《基层建设》2019年第4期论文;