地下水：科學家如何研究其污染和可持續性

什么是地下水？

地下水是指在地下發現的水。水隱含在巖石和沉積物內的裂縫和空隙中，形成在所謂“含水層”中貯存的地下水源。取決于地下水特性和含水層類型，地下水可通過抽水井抽取，用于灌溉、飲用、工業供水及其他人類活動。

含水層是如何形成的？我們為什么應該明智地使用含水層？

地下水是水循環的一部分。降雨后，一些水滲入土壤，并在重力作用下，通過底土不斷向下滲透，直到最終被稱為滯水層的密實不透水巖石阻隔。許多含水層與河流和其他地表水體相通，并在枯水季由這些水源補給。在豐水季，這種情況相反，地下水回流進入河流和湖泊，對其進行補給。

什么是同位素？同位素如何幫助科學家了解水？

水分子由氧原子和氫原子組成。同一化學元素的原子的一些變體即同位素可用于研究水循環，包括地下水。

同位素是同一元素的具有相同質子數但不同中子數的原子。

利用不同的“同位素”技術測量同位素的數量和比例，并追蹤它們在環境中的起源、歷史、來源和相互作用。

水具有不同或獨特的同位素“指紋”或“同位素特征”，這取決于其來源。科學家對同位素進行分析，沿著水在水循環中的途徑追蹤水的流動情況和污染源。

科學家如何利用同位素確定地下水是否被過度使用？

在大規模水體研究中，科學家利用同位素評定水量、水齡和來源，并確定人類的用水量是否可持續。

例如，地下水中天然存在的放射性同位素，如氚、碳-14和惰性氣體氦-3、氦-4和氪-81，可用于更好了解地下水年齡和地下流動的時間尺度。通過分析不同的穩定和放射性同位素組合的濃度，科學家可以計算出含水層中水得到補給的準確時間、地下水流動有多快以及補給要多長時間。有了這些數據，就可能確定例如某一特定地區的農業活動所需的地下水量是否因補給速度不夠快而無法長期維持灌溉需求。

科學家如何利用同位素研究地下水污染？

科學家使用特定的同位素，如氮-15、氧-18和硫-34來識別硝酸鹽和硫酸鹽等污染物。科學家還利用這些同位素來確定某一特定地點的地下水對人類使用是否安全。

例如，科學家可以確定受過量硝酸鹽污染水是被人類排泄物還是肥料污染。硝酸鹽離子由氮和氧組成，氮有兩種同位素，而氧有三種。這些同位素的比例在人類排泄物和肥料中是不同的。因此，根據這些同位素的差異便可確定污染源。了解污染物來源是解決水質問題和實現可持續水資源管理的一個里程碑。

原子能機構的作用是什么？

• 原子能機構利用同位素水文學支持成員國進行水資源評定和可持續水管理。原子能機構還通過其同位素水文學實驗室向實驗室和科學家提供有關分析服務的協助和培訓。
• 通過啟動一系列課程，原子能機構提供有關同位素水文學基礎知識及穩定同位素、氚和惰性氣體同位素分析方面的培訓。
• 原子能機構通過技術合作計劃，與成員國密切合作，進行基于科學的全面水資源評定，從而改善淡水資源的可用性和可持續性。
• 原子能機構與世界氣象組織合作，運行著全球降水同位素網，該網絡包含同位素水文學方面的科學咨詢、后勤和技術支持。