日前，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所副研究員韓冬梅團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)收集全國(guó)范圍內(nèi)的海量調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)地下水硝酸鹽污染、水體有機(jī)污染進(jìn)行了全面分析評(píng)價(jià)。
結(jié)果顯示：濱海地區(qū)特別是濱海巖溶地區(qū)地下水中硝酸鹽污染程度遠(yuǎn)高于內(nèi)陸地區(qū)。氮同位素污染示蹤表明，除了農(nóng)業(yè)施肥，土壤中氮素和生活廢水排放也是影響地下水中硝酸鹽分布的重要因素。
含有大量硝酸鹽的飲水，在人體內(nèi)可被還原為亞硝酸鹽使人中毒，或是產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的物質(zhì)。“地下水放射性碳測(cè)試可以作為監(jiān)視地下蓄水層被過(guò)度開(kāi)采的工具，用以防止地下蓄水層被污染或者被過(guò)分開(kāi)采。”韓冬梅表示。
同位素作為水循環(huán)與水系統(tǒng)研究的重要手段之一，隨著測(cè)試技術(shù)與模擬方法的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大。近期舉辦的2017同位素水文與生態(tài)環(huán)境應(yīng)用研討會(huì)上，各位專(zhuān)家就同位素的不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)表了看法，備受關(guān)注的還是地下水污染問(wèn)題，“面對(duì)地下水污染，特別是復(fù)合污染源識(shí)別，同位素技術(shù)顯得越來(lái)越重要”。環(huán)境保護(hù)部規(guī)劃院地下水和飲用水源保護(hù)室主任劉偉江表示。
地下水放射性碳測(cè)年
不同的同位素有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。穩(wěn)定同位素可在降水—地表水—地下水相互作用、環(huán)境溶質(zhì)運(yùn)移、生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程等方面起到示蹤的作用；放射性同位素在冰芯、地下水、海洋洋流等水體的定年上發(fā)揮著重要作用。
地下水放射性碳測(cè)年可以表明地下水停止和空氣等其他物質(zhì)直接接觸的時(shí)間，例如它可以表示水何時(shí)流入地下。地表水和降雨從空氣中吸收少量二氧化碳后流入地下。離開(kāi)大氣層后，水開(kāi)始接觸到土壤氣體，在這里植物根的呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳要高得多。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員秦大軍指出，這些來(lái)源中的放射性碳被稱(chēng)為“現(xiàn)代”級(jí)別，在年齡計(jì)算中可以作為參考。
通過(guò)提取水中的碳酸鹽用于放射性碳測(cè)年，該測(cè)量可以提供有關(guān)地下水沉積補(bǔ)給以及水流流向和頻率的信息。而如果含水層含有化石碳，如泥炭或者褐煤，那么放射性碳測(cè)年可能會(huì)出現(xiàn)模棱兩可的結(jié)果，而這些含水層也不適合運(yùn)用放射性碳測(cè)年這個(gè)方法繼續(xù)研究。
“來(lái)自表層的水能夠提供有用的表觀‘年齡’，但是存在著一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題，那就是碳稀釋校正。”秦大軍解釋說(shuō)，因?yàn)樵谒?，二氧化碳在壓力下很容易形成氣泡涌出而出現(xiàn)同位素效應(yīng)。在這種情況下，我們無(wú)法計(jì)算一個(gè)“最佳預(yù)計(jì)年齡”。
揭示含水層污染
隨著人口密度的增加，人們對(duì)含水層的需求也將成倍增加。但是過(guò)度開(kāi)發(fā)最終將導(dǎo)致水供應(yīng)不足，尤其是距離含水層補(bǔ)給區(qū)遠(yuǎn)的地區(qū)，產(chǎn)生的影響也較大。
由于人口聚集，住房和工業(yè)開(kāi)發(fā)都盡量向工業(yè)產(chǎn)量最高的方向擴(kuò)展。然而，如果開(kāi)發(fā)區(qū)域侵占到補(bǔ)給區(qū)，當(dāng)抽水超過(guò)補(bǔ)給時(shí)，為滿(mǎn)足迫切需求而鉆的新井就有可能造成水供應(yīng)短缺。
BETA（一家監(jiān)測(cè)公司）官網(wǎng)中，放射性碳測(cè)年與地下水一欄給出了解決方案，通過(guò)定期監(jiān)測(cè)一個(gè)區(qū)域內(nèi)水井系統(tǒng)的水放射性碳年齡，科學(xué)家可以獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從而讓開(kāi)發(fā)商意識(shí)到過(guò)度開(kāi)發(fā)，避免失控。一旦住宅或產(chǎn)業(yè)已建成，要限制其水供應(yīng)則會(huì)變得非常困難。水的放射性碳測(cè)年可以提供一種機(jī)制，用來(lái)監(jiān)測(cè)、了解和控制含水層的開(kāi)采。
碳元素表達(dá)地下水補(bǔ)給的多寡，氚元素能揭示地下水的污染情況。世界衛(wèi)生組織官網(wǎng)的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》稱(chēng)，在自然界中可能天然地存在很少量的氚。但在水源中檢測(cè)出氚，意味著潛在的工業(yè)污染。
據(jù)近日發(fā)表在《自然—地球科學(xué)》上的一篇論文介紹，地下水的開(kāi)采，供給了全球40%的農(nóng)業(yè)灌溉和數(shù)十億人飲用。全球地下水資源儲(chǔ)量超過(guò)地球上所有湖泊總水量的100倍。
研究人員檢測(cè)了全球超過(guò)6000口水井，包括地層中不超過(guò)一千米深處的地下水。他們?cè)诔^(guò)一半的水井中檢測(cè)到了微量的氚。這意味著，雖然古地下水深埋在地下，也并非像人們此前認(rèn)為的那樣免受人類(lèi)社會(huì)的污染。
論文中還介紹了另一個(gè)壞消息，地層深處、已經(jīng)被儲(chǔ)藏了超過(guò)1.2萬(wàn)年的古地下水，也可能遭到了人類(lèi)社會(huì)的污染。
提供反向推斷依據(jù)
氚是氫的放射性同位素，又被稱(chēng)為人工核素，它是核動(dòng)力反應(yīng)堆和核武器試驗(yàn)的裂變產(chǎn)物。據(jù)介紹，上世紀(jì)50年代后，世界多個(gè)國(guó)家的熱核試驗(yàn)，如核彈試驗(yàn)，釋放出大量的氚，導(dǎo)致自然降水的氚含量升高了5倍，甚至500倍。“因?yàn)槿绱孙@著的改變，氚成為研究地下水循環(huán)的理想的示蹤劑。”秦大軍說(shuō)。
氚的半衰期只有大約12年，所以，“年齡”高達(dá)1.2萬(wàn)年的古地下水，理論上，即使含有氚，其含量也應(yīng)該非常低以至不能被檢出。所以，一旦在古地下水中檢出氚，這些氚有可能都是來(lái)自于近年來(lái)的地面降水。是這些地面降水，將人為釋放的氚從地面帶到了古地下水中。有氚，就會(huì)有其他污染物。而由于地層很深，這些污染物可能會(huì)在古地下水中滯留很久，可能達(dá)到上千年。
“同位素正是提供了以上反向推斷的依據(jù)和逆問(wèn)題求解的思路，以此為借鑒，人類(lèi)才能把握科技的發(fā)展方向，不致斷送將來(lái)的生態(tài)環(huán)境。”中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究院研究員宋獻(xiàn)方表示。
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