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1、特写研究污染物在地下水中迁移规律的核技术核技术在防止水资源污染方面的某些实际应用V. T. Dubinchuk、A.Plata-Bedmar和K.Froehlich 近年来，防止地下水资源受到污染一直是人们高度优先考虑的课题。地下水通常比地表水纯洁，因为它受到了极好的天然过滤系统的保护。该系统包括土壤、粘土和砂砾层，它们可去除某些可溶性物质、悬浮颗粒、细菌、和大部分病毒。和同位素技术的实际应用上。本文介绍这些核技术和同位素技术在实践中的应用情况。污染物的迁移不饱和带(饱气带)是地质体的一层薄“皮污染物就是通过它开始从地球表面向地下浅含水层迁移的。研究地下水和污染物通过土壤迁移的速度，需要使用专
2、门的仪器。在某些国家的和国际的(包括IAEA赞助的)计划中，使用这类仪器和同位素示踪剂的一些调查研究已经完成或正在进行。例如在克里米亚地区，1985 -1986年进行了调 然而，如果这样一种过滤系统超载或被旁路，则地下含水层本身就可能被污染。影响地表水的那些污染物一-包括生活废物和工业废物、化粪池的渗出物、矿山污水、垃圾掩埋物和农用化学品一一也许对地下水的影响更大，影响的时间也更长。污染物一般要在含水层中保持数百年至数万年之久，因而会危及今后许多代人的水供应。某些地区的含水层受到污染的程度比其它地区的轻，原因在于这些地区的地质条件和水文化学条件能限制被污染的风险。地下水质对引起污染的人类活动的
3、敏感程度被称作“含水层的易污染性“。各色各样的过程以及土壤和含水层的性质，都会影响含水层的易污染性。测定表征这些过程的参数，对模拟和预测污染物在地下水系统中的迁移规律是必不可少的。其主要目的是阻止地下水资源被污染和水质下降，或在污染已发生后查明其起因以便提出补救措施。查地下水盐化的研究。在切尔诺贝利地区进行的调查 主要是想弄清楚1986年核电厂事故释放的放射性核“ 素的迁移情况。*在国际原子能机构(IAEA)，工作重点一直放在与解决地下水污染问题有直接或间接关系的核技术Dubinchuk、Plata-Bedmar和Froehlich三位先生都是IAEA物理和化学处的工作人员.16 在这两项研究
4、中，建造了-些供复杂的同位素示踪研究用的场地。在这些场地，把含氟的水注入地下，研究这些水在土壤中的空间和时间再分布。这样做的目的在于测量地下水在不饱和带中的运动速度，估计地下水的滞留时间(或年代)和它对浅含水层的补给速率。在同一些场地还同时注人用同位素标记的污染物，观察它们的移动情况。在克里米亚，在赞科伊附近得到的结果表明，盐是向上输送的.其原因是土壤水分蒸发量较高，地下*这两项研究都是在位于莫斯科的全苏水文地质和工程地质科学研究所由V.T. Dubinchuk, Yu. A. Tsapenko、A.V.Borodin和A.V. Gladkov等研究人员完成的.国际原子能机构通报1990年第4
5、期特写固1在克里米亚进行的三重示踪荆实验水和盐的运动方向立1260 ,. 3100 09.85 A 11 09.85 氟P s ,. ,tt 1 ftr 11 ? 200 氯-36a事R自事昌 20 30 40 50 60 深度(厘米)20 30 40 50 水位又较浅o(见图10)该实验是利用三重示踪剂方法(使用放射性锅-22和氯-36标记的氯化铀的氟化水溶液)进行的.然而，在附近有很厚的饱气带的其它场地，类似的实验曾显示出盐是向下渗透的.这项研究在水以及.固2在切尔凯利附近进行的双重示跚跚氟铠-13709.86 09.87 300 m (阳区掣都桓100 50 150 深度(厘米2回国际原
6、子能机构通报)1990年第4期销和氯离子的就地迁移方面，提供了非常有用的资料.从该地区的农业观点看，这些资料是非常重要的，因为它可以使人们更好地了解土壤盐碱化的机理和动态特性.在切尔诺贝利地区，做了一个使用双重示踪剂(氟化水和用铠-137标记的氯化铠榕液)的实验.在规定的几个深度同时注人这些示踪剂，以便获得预后性的数据o(见图2.)这些结果相当明显地显示出，相对于水来说铠有停滞和弥散效应.由此，人们可较好地估计这种放射性核素污染地下水的风险.彼污黛水的僵入被指染的水从天然的和人工的湖泊、模流或水库侵入地下水体的问题，是水管理中的一个典型问题.在尼加拉瓜的马那瓜市附近，正在IAEA技术合作项目的
7、范围内研究侵人问题.这些研究都是以综合应用(放射性的和稳定的)环境同位素和人造示踪剂为基础的.在马那瓜市，阿索索斯卡湖是4个主要泵站之一的水源，诙泵站向当地居民供应的水占全部供水的%.而邻近的面飘更大的马那瓜湖的水已被严重17 18 特写核技术和同位素技术各种各样的核技术和同位素技术，都可以对回答地下水流动和污染物迁移方面的一些具体问题作出贡献。在诸多的核手段中，核测井技术起着重要作用。这项技术以利用核辐射。、中子等)就地测定土壤和岩石的物理一化学性质为基础。y测井技术用于评价来自土壤的天然y辐射，由此可测定土壤中的粘土和破酸盐的含量及其透气性。y-y测井技术主要是测量人造源发出的y辐射的散射
8、情况。沿被测井上下测量散射辐射，可得到有关土壤整体密度的信息.中子测井技术可提供有关土壤水含量的数据.把-y测井技术和中子测井技术结合起来，可评价土壤的许多特性，包括孔隙度(在饱和土壤中)、土壤基体密度和水的流动速度与扩散率(在不饱和土壤中).有时，这种综合测井技术也有助于评估固结岩石中的裂缝.在同位素技术中，为了追踪水及其组分的运动情况，可利用自然力或由科学家人为地把示踪剂注入给定的水系中.示踪剂的应用已有相当长的历史.简单的示踪剂，例如树叶、木屑和切碎的稻草，早已被用来观察水的流向和流速，以及河流与水库之间的相互联系.后来，演变成使用各种天然的和人造的颜料和染料，并且沿用至今.随着电导测定
9、法和比色法的出现，示踪技术在19世纪末和20世纪初有了惊人的发展。这些技术使人们可在现场用仪器测量作为水示踪剂的盐类和染料。在多瑞河-莱茵河地区、克里米亚和迪纳尔的喀斯特地区，以及其它地区进行的水文学示踪实验，都是当代水文学家使用盐类和染料的实例。然而，示踪技术只是在发现了同位素和引入了相应的测量设备之后，才达到了现在这样的发展高度。同位素可被用来研究大多数类型的污染，其部分原因是可获得的同位素的种类很多。有时它们是一种比其它示踪剂好得多的、相当神奇的工具。对水分子、污染物颗粒或同时对两者都可进行同位素示踪。可在局部、地区、甚至全球范围进行微观和宏观的迁移实验和观察。水和污染物可在被研究条件和
10、过程不受任何干扰的情况下加标记。应用同位素示踪剂的实验可在其它示踪剂无法适应的极端条件(非常稀薄、高度矿化、混浊、瑞流、低温和高温)下进行。此外，陆圈和水圈中还存在着种类繁多的天然同位素，它们都可成功地被用于示踪环境中的迁移过程。同位素技术的一个重要优点是提供了这样一个机会，即可定性和定量地评估被人称之为地质介质阻碍污染物运动的“阻滞参数气阻滞主要是指使污染物相对于水的运动而言的迁移速度变慢.这是一种很复杂的现象，涉及吸附/解吸、扩散/分散、溶解/沉淀和其它的许多过程。可同时用不同的同位素作示踪剂，以评估阻滞效应J双重示踪剂，技术可用氟(氢的一种放射性同位素)作水运动的示踪剂，同时用另一种相关
11、同位素作为特定污染物的示踪剂。这些技术可给评估阻滞效应提供宝贵资料.把实验室方法(分批法、塔柱法和射线照相法)和野外示踪实验(使用人造和环境同位素示踪剂)结合起来，可得到最佳结果.分批实验包括在水力学静态条件下观察标记组分在模拟溶液和土壤/岩石样品之间的重新分布.这样，吸附/解吸等值线，吸附分配系数，以及它们随水文地球化学、污染物和土壤性质而变的关系，都可得到研究。值得指出的是，最近已用分批示踪实验得到了有关放射性核素和金属离子的吸附性能的大量数据.塔柱技术是以测量流过土壤/岩石物料柱的标记组分的空间一时间分布为基础的。使用这种方法可同时求得在不同水力和动态条件下的水力运输、吸附/解吸和扩散/
12、分散参数。同分批技术相比，塔柱实验的数据与天然系统国际原子能机构通报1990年第4期 特的实际情况更为接近.野外实验是最可取的技术.为了求得野外条件下的阻滞参数，通常要做多重示踪剂实验.这些实验一般使用人造氟作为水本身的示踪剂，同时用另一同位素标记起反应的溶质(污染物).通常，进行此类实验所需的样品瓶浓度是几十贝可/升量级.一般说来，使用人造同位素作示踪剂的野圈在青镰研究中应用示酶技术的方囊写外实验，能够帮助处理一些局部问题，如:保护特定的取水地区.其主要目标是预测污染物到达含水层源地还要多长时间.调查和预测废物处置场和大型工业联合企业周围地区的地下水污染.评价人工补给系统中水的动态特性.研究
13、和预测盐类和农用化学品在土壤和地下水中的迁移和行为.同位素示踪剂的测量和(或)观察核测井水的流速观察到的或假想的污染物影响情景该系统的本底数据污染物迁移速度扩散/分散吸附/解吸转变地质介质的污染物阻尼/滞留因子系统中污染物行为数学模型系统中污染物行为的预测预防措施和(或对策 改进所用的方法和模型 规划污染物迁移研究的新阶段国际原子能机构通报)1990年第4期土壤/岩石的密度、湿度、孔隙度和粘土含量19 特写污染.(见图3.)阿索索斯卡湖是一个古火山口，最大探度约90米，直径约10米.该湖的水来自有可能靠马那瓜湖补给的地下水流.由于过去几十年大量抽水，全部4个泵站的地下水位都低于马那瓜潮的水位.
14、这就使被污染的水有可能从马那瓜湖侵入地下水和阿索索斯卡湖.为了检验这种可能性，曾做过一项测量地下水的流动速度及其各项参数的研究.研究包括分析水中的环境同位素(氟、?在和氧-18)及其化学成份，并进行人造示踪剂实验.结果表明，被污染的水并未发生可测出的侵人.研究显示，马那瓜湖水和地下水的同位素组成极不相同.此外还发现，现正从阿索索斯卡湖抽取的水是较古老的.之所以能作出这种判断是因为水中没有可测出的氟.(因为氟是1952-1962年间的核武器试验释人大气的，它能被用来确定水资源的年龄和辨别水资源近期是否通过雨水渗透得到补给.)还测出阿索固3尼加拉瓜的污黛侵入同位素研究, , J -4.92. -5
15、.24 t:.鱼/毛01 -5.98 : 岳王与血 -59;?638/76?696 -5.43 I J 阿卡华林卡湖-5.10. . -5.41. . . . . -7.20. . , , . . . “ 4 , , -7.33. 7.3嗡二500 m E画画I!注:数据是氧-18值，以偏离维也纳SMOW标准值的千分率为单位.20 索斯卡湖水的同位素组成与深层地下水的一样.现在可以有把握地说，根据这些同位素信息，因水力学条件变化而可能发生的马那瓜湖被污染水侵入阿索索斯卡湖的问题，可以提前很久就探测到.人工割、结摩水在突尼斯，曾实施过一项旨在研究用人工方法向纳博伊尔-哈马梅德的滨海冲积含水层补给
16、废水的项目.该含水层由于大量抽水和盐化，实际已经枯竭井已废弃.为研究含水层在较长时期内(14个月)的自费净化能力和新老水资源之间的混合过程，补给水用氟作了标记.在这些研究中，使用在42天中连续注人示踪剂氟的方法，给大约320立方米的废水加标记，加标记后废水的平均活度为1.2千贝可/升。从加标记水在实验开始后第394天的空间分布，可看出水的运动状况.(见图4.)这些信息将使人们能更好地规划固4突尼斯的摩水补给罔位素研究(低等值线)1OOm 注水池囹注示踪剂池注:氟等值线以徽居里/立方米为单位.国际原子能机构通报)1990年第4期特未来的、目的在于将废水用于灌溉的大规模人工补给废水项目.柑桔类水果、水稻和蔬菜是该地区的主要作物.原先的结论是只有将废水与别的低矿化水混合，才能将补给水用于灌溉。优点与问题同位素示踪剂提供了一个窗口，通过它可以观察标记污染物(以及加标记的任何其它水组分)同致密土壤/围岩或加载的、推移质或悬浮的物质接
