国际原子能机构同位素水文学国际研讨会：了解世界水资源

5月20日至24日在维也纳，来自同位素水文学的专家将齐聚一堂，在国际原子能机构的同位素水文国际研讨会上进行学术交流。

“今年的研讨会是同类研讨会的第15次，汇集了来自世界各地的领先的水科学家和专业人士，以增进对同位素水文学在帮助世界应对我们水资源的安全和可持续性方面的益处的了解，” 原子能机构核科学和应用部副总干事兼水资源部主管Najat Mokhtar说。

了解污染物的来源是解决水质问题的第一步。同位素水文学家收集的数据对政策制定者在水资源战略规划和管理方面非常有用，特别是在联合国可持续发展目标“人人享有水和卫生设施”的背景下。

下面是同位素水文学如何工作的简单概述。

同位素水文学：概述

同位素技术使科学家能够了解水循环的组成部分，帮助他们更好地评估水的数量，质量和可持续性。

在水循环中，地下水是最不了解的组成部分。科学家使用天然存在的同位素作为示踪剂，以确定地下水是否得到补充，它来自哪里，它是如何在地下移动的，以及它是否容易受到污染和不断变化的气候条件的影响。

来自不同地方的水具有不同的同位素特征或独特的“指纹”。科学家使用这些“指纹”来跟踪水在整个水循环中的运动：从蒸发，降水，渗透到径流和蒸发蒸腾，然后回到海洋或大气中，重复这个过程。

但是什么是同位素呢?

一种化学元素，如氢，完全由一种原子构成。原子的类型有不同的种类。这些变种都是同位素，它们都具有相同的化学特性、质子和电子的数量，但中子的数量不同。中子数的差异使得每个同位素的重量不同，而这个重量差异是水文研究的关键。

同位素水文学使用稳定同位素和不稳定同位素。稳定同位素是非放射性的，这意味着它们不发射辐射。不稳定同位素(或放射性同位素)经历放射性衰变，因此具有放射性。

水循环中水的起源和输运

每个水分子(H2O)由两个氢(H)原子和一个氧(O)原子组成，但这些原子并不完全相同：一些原子的同位素较轻，一些较重。科学家们使用精确的分析仪器来测量水样中这些微小的重量差异。为什么?

随着水从海洋中蒸发，具有较轻同位素的分子倾向于优先上升，形成具有特定同位素特征的云。这些云有混合的水分子，以雨的形式下降。具有较重同位素的水分子首先落下。然后，随着云层失去这些重同位素并进一步向内陆移动时，较轻的同位素下降的比例更大。

当水落到地上时，它会填充湖泊，河流和含水层。通过测量这些水体中重同位素和轻同位素的比例，科学家们可以破译水的起源和运动。

原子能机构通过促进使用同位素技术和在世界各地传播科学知识来支持各国专家。在这张照片中，同位素水文学家在阿根廷的洛斯吉甘特斯(Los Gigantes)采集样本。

地下水年龄

同位素是估算水资源年龄、脆弱性和可持续性的最直接和最有力的工具。当含水层中的地下水“老”时，这意味着水流缓慢，且含水层需要很长时间才能补充。相反，年轻的地下水很容易被雨水迅速更新，但也很容易受到污染和气候条件变化的影响。了解水的年龄让科学家和政府能够更好地了解含水层的补给速度。

在水文学中，一些存在于水中的天然放射性同位素，如氚(3H)、碳-14和(14C)惰性气体放射性同位素，被用来估计地下水年龄。这个年龄可以从几个月到一百万岁。

因为这些同位素随时间衰减，它们的丰度随着时间的推移而减少。较高的值表示“较年轻”的水，而较低的值表示“较老”的水。例如，地下水中可检测到的氚可能高达约60岁，而地下水没有氚一定更老。尽管氚被用于测定最近补给的地下水的年代，即年龄小于60年的地下水，但碳-14被用于高达40000岁以下的水，氪-81被用于可能高达一百万岁以下的水。

水质

地表水和地下水中的污染物来自各种来源，如农业、工业或人类废物，或者由于含水层中发生的地球化学过程而自然存在。农业、工业和家庭各自产生不同种类的污染物，通过研究污染物的化学和同位素组成，科学家可以确定其来源。

例如，由氮和氧组成的硝酸盐离子(NO3-)是一种常见的污染物。氮有两种不同重量的稳定同位素。这种重量上的差异在人类排泄物和肥料上是不一样的。肥料使用来自空气的氮，而人类和动物通过一个生物过程将氮转变成不同的形式。因此，可以根据这些同位素的重量差异来识别来自不同来源的污染物。

下周的专题讨论会将提供机会，介绍和回顾同位素水文学中上述所有研究的方法和分析发展，以及实际应用和研究趋势。